Основы общей и экологической токсикологии

см

, а над городами превышает 10

см

. В фоновых районах в отсутствие антропогенной деятельности в воздухе содержится всего 200 – 500 см

аэрозольных частиц. Особо отметим, что антропогенная нагрузка в условиях продолжающейся концентрации промышленного потенциала в ряде городов Российской Федерации давно перешла все допустимые пределы. Рост промышленного производства сопровождался также резким увеличением городского населения. Промышленность и жилищно-коммунальное хозяйство городов Восточной и Западной Сибири, Уральского, Поволжского, Центрального, Северного и Северо-Западного районов Российской Федерации являются одними из главных источников загрязнения атмосферного воздуха (табл. 2.4). Согласно статистике, до 95 % всего времени человек пребывает в закрытом помещении: место работы, транспорт, квартира, место досуга или отдыха. В этой связи в 1970-е гг. во время энергетического кризиса внимание было привлечено к эколого-химическим проблемам воздушной среды квартиры, офиса и других закрытых помещений. В то время для обогрева жилища использовали далеко не чистые в экологическом отношении энергоносители, и при неблагоприятных метеорологических условиях качество воздушной среды, как в атмосфере города, так и в закрытых помещениях, зачастую было существенно ниже допустимых норм.

Таблица 2.4

Двадцать самых «грязных» регионов России

Как правило, в воздухе жилых и производственных помещений постоянно присутствуют бытовая пыль, оксиды углерода, азота и серы, озон, радон, компоненты табачного дыма, десятки различных летучих органических соединений (ЛОС), микроорганизмы. В результате различных химических реакций между этими веществами могут образовываться более токсичные соединения, что приводит в итоге к неконтролируемому ухудшению самочувствия людей и повышает степень риска возникновения различных заболеваний. Комплекс факторов, обусловленных высокой загрязненностью воздуха помещений и связанный вследствие этого с жалобами населения, получил название «синдром больных зданий».

Известно множество источников загрязнения воздушной среды в замкнутом объеме помещений. К основным относятся: строительно-отделочные материалы; внутренняя обстановка помещения (предметы быта, приборы, мебель, ковры); высокотемпературные источники; продукты жизнедеятельности человека.

Из источников эмиссии загрязняющих веществ неорганической природы, имеющих потенциальную экологическую опасность, следует обратить особое внимание на радон и асбест в виде мельчайших частиц пыли. В замкнутом объеме радон, поднимающийся из разломов земной коры и попадающий из подвалов в вышележащие этажи по лестничным клеткам или вентиляционным каналам, становится опасным вследствие своей радиоактивности. Источниками радона могут быть и строительные материалы, например гранит, используемый в фундаментах или облицовках зданий. Широко применявшийся ранее в качестве компонента строительно-отделочных материалов асбест в настоящее время повсеместно запрещен к применению из-за своих канцерогенных свойств.

Загрязнение воздушной среды закрытого помещения происходит еще и естественным путем. Причиной этого является человек, выделяющий в процессе жизнедеятельности продукты обмена веществ. Так, выдыхаемый воздух содержит азот, кислород, воду, диоксид азота и небольшое количество оксида углерода. Кроме этих веществ в выдыхаемом человеком воздухе содержится более ста различных летучих соединений, присутствующих в ничтожно малых количествах. Так как многие из этих соединений проявляют определенную токсичность, они получили название антропотоксикантов. В обычных условиях антропотоксиканты, как правило, не снижают самочувствие и работоспособность человека, так как при достаточном разбавлении атмосферным воздухом их концентрация в окружающей среде невысока. Однако в закрытом пространстве накопление антропотоксикантов ведет к снижению работоспособности человека, появлению тягостных ощущений, снижению функциональных возможностей организма. Накопление некоторых антропотоксикантов в закрытых помещениях и при большом скоплении людей может привести к самоотравлению. Подобные явления отмечались, в частности, при длительном пребывании человека в космических аппаратах и подводных лодках.

Пыль и грязь проникают в наш дом и впитываются коврами, стенами, шторами. Было выявлено, что пыль является колоссальным источником инфекции для человека. Микробы используют частицы пыли для передвижения и контакта. Эксперты предостерегают: моющие и чистящие средства, которые мы обильно используем дома, наполняют воздух ядовитыми испарениями и частицами. Причем их концентрации в тысячи раз выше, чем в открытом воздухе. В воздухе, которым мы дышим, обнаружен микроскопический пылевой клещ и его экскременты, которые являются источником сильных аллергических реакций. Основным источником пищи этих микроскопических существ являются частички мертвой человеческой кожи. Наши спальни – идеальное место для обеда и размножения пылевого клеща. Установлено, что 10 % простудных и инфекционных заболеваний приобретены вне помещений, а 90 % – внутри помещений. В природной среде микробы и пыль разрушаются, а в помещениях почти все способствует их сохранению, накоплению и размножению.

2.3. Основные источники и виды антропогенного загрязнения почв

В почве протекают разнообразные физические, химические и биологические процессы, которые в результате загрязнений нарушаются. Загрязнение почв связано с загрязнением атмосферы и вод. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы (Скурлатов Ю. И. [и др.], 1994; Фелленберг Г., 1997; Лозановская И. Н. [и др.], 1998).

В настоящее время возникла серьезная проблема, связанная с нитратами. Образно говоря, возник своеобразный «нитратный бум». Создаются и уже созданы специальные индикаторы нитратов, которые внедряются в обиход. При этом широкое распространение получило мнение, что причина накопления нитратов в овощных культурах обусловлена применением азотных удобрений. Конечно, нет сомнений в том, что внесение высоких доз азота может приводить к загрязнению этих культур, однако это не единственная причина загрязнения. Имеется целый ряд факторов, влияние которых на накопление нитратов в растениях может быть более существенным, чем действие азотных удобрений. К числу таких факторов относятся видовые и сортовые особенности, фаза развития растений, уровень освещенности, обеспеченность почвы кроме азота и другими питательными веществами и т. п. Установлено, например, что на накопление нитратов в растениях весьма существенно влияет освещенность. Овощные культуры, выращенные в теплицах, как правило, отличаются более высоким содержанием нитратов, чем выращенные на открытом грунте. Уровень накопления нитратов в значительной степени определяется также фазой развития. Овощные культуры с коротким периодом вегетации, а также на ранних стадиях развития могут накапливать значительное количество нитратов. Источниками антропогенного загрязнения почв служат различные объекты производственной и бытовой деятельности людей (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Виды и источники загрязнений почв

Кислотные загрязнения и их химические последствия для почвы

Большой ущерб почвам наносят антропогенные кислотные загрязнения. В течение десятилетий кислотные загрязнения действуют на буферную емкость почвы. В отношении многих почв отмечается вымывание ионов, важных для роста и развития растений. Попадающие в почву протоны замещают катионы, сорбционно-связанные с коллоидными частицами почвы, и в результате эти катионы мигрируют в глубинные слои, становясь недосягаемыми для корней деревьев (рис. 2.2).

В ходе закисления не все почвы одинаково выделяют токсичные ионы Al

, так как не все почвы содержат одинаковое количество минералов, содержащих алюминий. Это связано также с различным значением рН у различных почв. Болотные почвы имеют оптимальный рН 4,0 – 4,5; песчаные – 4,5 – 5,0; глинистые – около 7,0.

Независимо от выделения ионов Al

и других катионов, в том числе и тяжелых металлов, изменение рН почвы может сказываться на ее свойствах и иным образом. Например, снижение рН препятствует развитию микроорганизмов, которые способствуют усвоению минеральных веществ корнями растений. Ощутимым результатом гибели микроорганизмов в почве является нарушение ее нормального дыхания.

Рис. 2.2. Ионный обмен на коллоидных частицах почвы (катионы, адсорбированные на коллоидных частицах почвы, вытесняются избытком ионов Н

)

Все изменения состава почвы, связанные с увеличением ее кислотности, подавляют рост растений. Этот эффект характерен не только для лесных пород, он проявляется также и у культурных растений. Так, опыт показал, что кислотные осадки с рН 3,3 снижают образование стручков бобовых растений на 7 %.

Загрязнение почв тяжелыми металлами

Тяжелые металлы антропогенного происхождения попадают в почву из воздуха в виде твердых или жидких осадков. Лесные массивы с их развитой контактирующей поверхностью особенно интенсивно задерживают тяжелые металлы, при этом, в первую очередь, удерживают наиболее мелкие частицы.

Опасность загрязнения тяжелыми металлами из воздуха в равной степени значима для любых почв. Особо отметим следующее.

1. Для каждого химического элемента существует свой определенный средний уровень концентрации в различных компонентах географической оболочки – горных породах, водах, живом веществе, атмосферном воздухе, почвах. При превышении этого уровня в деятельности организмов появляются заметные нарушения.

2. На общем фоне выделяются территории, для которых характерно избыточное или недостаточное содержание тех или иных элементов в среде. Это геохимические аномалии, которые так или иначе воздействуют на растения, животных, человека.

Основными источниками загрязнения почв металлами являются: орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов; внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения; вторичное загрязнение вследствие выноса металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками; поступление больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы (Бондарев Л. Г., 1976; Алексеев Ю. В., 1987).

Ионы тяжелых металлов способны специфически адсорбироваться почвами с образованием относительно прочных связей с некоторыми поверхностными функциональными группами. Так, при взаимодействии ионов тяжелых металлов с поверхностными ОН-группами алюмосиликатов или гидроксида алюминия возможно образование следующих соединений:

где М

– ион металла с зарядом z+.

Образование комплексных соединений металлов с органическим веществом почвы способствует выведению излишних масс металлов из миграционных циклов на длительное время. Прочность фиксации разных металлов в органическом веществе почв неодинакова. Наиболее прочно закрепляется ртуть, прочно связывается свинец, менее прочно – медь, еще менее прочно – цинк и кадмий.

Загрязнение почв металлами приводит к изменению видового состава комплекса микроорганизмов. Происходит значительное сокращение видового разнообразия комплекса почвенных микромицетов и появление устойчивых к тяжелым металлам микромицетов. Процесс трансформации поступивших в почву в процессе техногенеза тяжелых металлов включает следующие стадии: 1) преобразование оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты); 2) растворение гидроксидов (карбонатов, гидрокарбонатов) тяжелых металлов и адсорбция соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почв; 3) образование фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы.

Загрязнение почв пестицидами

Пестициды (лат. pestis – зараза; caedo — убиваю) – собирательный термин, охватывающий химические соединения различного строения и применяемые для борьбы с вредными организмами в сельском хозяйстве, здравоохранении, промышленности, нефтедобыче и во многих других случаях. В здравоохранении пестициды применяют для борьбы с членистоногими – переносчиками таких опасных заболеваний, как малярия, туляремия, чума, энцефалит, сонная и слоновая болезни, многих кишечных заболеваний. Кроме того, в здравоохранении и ветеринарии пестициды используют в качестве дезинфицирующих средств, в промышленности – для предохранения неметаллических материалов (полимеров, древесины, текстильных изделий), борьбы с обрастанием морских судов, особенно в южных морях, для борьбы с сероводородобразующими бактериями, для предохранения труб от коррозии.

В настоящее время пестициды являются основными средствами защиты растений, животных и различных материалов от повреждений разнообразными организмами. Так, например, в 1992 г. в России пришлось вести борьбу с саранчой на площади около 2 млн га, что потребовало применения большого количества пестицида децис, а также использования военных самолетов, так как саранча за один день способна уничтожить растительность на огромных территориях. В 1995 г. в Красноярском крае сибирским шелкопрядом было повреждено 600 тыс. га леса. Борьба с шелкопрядом велась с привлечением сил Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС РФ). В 1996 г. в России из-за недостаточной борьбы с клопом-черепашкой 5 млн т пшеницы потеряло хлебопекарные качества, и ее можно было использовать лишь на корм скоту, что нанесло стране убыток в 2 трлн рублей.

В последние годы развернулась широкая дискуссия о целесообразности применения пестицидов в сельском и лесном хозяйствах. Применением пестицидов наносится огромный вред почвам и биоценозам из-за содержащихся в них соли меди и арсениды.

По оценкам специалистов, в экономически слабых странах до 50 % урожая погибает от сорняков и вредителей, а в промышленно развитых – 15 – 25 %. Ежегодные потери урожая в мировом сельском хозяйстве составляют 30 – 40 % от потенциально возможного урожая, убытки оцениваются в 75 млрд долларов в год.

Исходя из этих числовых оценок, сторонники глобальной химизации сельского хозяйства ставят задачу расширения масштабов применения пестицидов с целью снижения потерь сельскохозяйственной продукции. В то же время среди государственных задач по охране окружающей среды и здоровья человека одной из важнейших является предупреждение загрязнения среды обитания и пищевых продуктов пестицидами и токсичными продуктами их трансформации.

Широкое применение пестицидов в сельском хозяйстве началось незадолго до Второй мировой войны, когда были обнаружены инсектицидные свойства ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана). Этот препарат был впервые синтезирован в 1874 г. немецким химиком Зайдлером, но массовое его производство и применение началось с середины прошлого столетия. С 1950 по 1970 г. на земном шаре было использовано около 4,5 млн т этого одного из наиболее стойких и сильнодействующих пестицидов.

Использование пестицидов отрицательно влияет на экосистемы любого уровня и на здоровье человека, так как многие пестициды обладают мутагенными и канцерогенными свойствами. Опасность пестицидов состоит еще и в том, что они распространяются далеко за пределы тех агросистем, где они применяются.

Существуют сотни различных пестицидов, однако широкое распространение в мире получили около 180 пестицидов, которые делятся на следующие основные группы:

– инсектициды предназначены для уничтожения насекомых (лат. insectum – насекомое);

– фунгициды используются для борьбы с фитопатогенными грибками и бактериями (лат. fungus — гриб);

– гербициды применяются для уничтожения растительности, прежде всего сорняков (лат. herba – трава, растение);

По масштабам применения (40 – 50 %) и по ассортименту выпускаемых препаратов (около 40 %) гербициды составляют самую большую группу пестицидов.