Текст книги "Основы общей и экологической токсикологии"

Образование аэрозольных частиц в воздухе городов часто связывают с SO₂, который при окислении дает H₂SO₄, превращающуюся при наличии в атмосфере аммиака в сульфат аммония.

Число твердых частиц в воздухе сильно варьирует в зависимости от местности. В нижней тропосфере на высотах менее 2 км, в сельских районах концентрация частиц составляет около 10⁴ см^– 3, а над городами превышает 10⁵ см^– 3. В фоновых районах в отсутствие антропогенной деятельности в воздухе содержится всего 200 – 500 см^– 3 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

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 Al³⁺, 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 Al³⁺ 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 %.

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^Z+ – 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.

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.

– родентициды служат для уничтожения грызунов (лат. rodentis – грызущий);

– нематоциды предназначены для уничтожения нематод – паразитов растений и животных (класс низших червей, тело которых имеет нитевидную или веретенообразную форму).

Пестициды могут быть классифицированы по химическим признакам. К числу наиболее распространенных относятся:

– хлорорганические пестициды – галоидопроизводные алициклических и ароматических углеводородов, углеводородов алифатического ряда;

– фосфорорганические пестициды – сложные эфиры фосфорных кислот;

– карбаматы — производные карбаминовой, тио– и дитиокарбаминовой кислот;

– азотсодержащие пестициды – производные мочевины, гуанидина, фенола.

Следует отметить, что пестициды разрабатывались без учета экологических особенностей их применения.

1. Пестициды имеют широкий спектр токсических воздействий. Так, в Молдавии отмечается прямая зависимость между территориальной нагрузкой пестицидов и поражаемостью населения туберкулезом, детской смертностью, а также смертностью от цирроза печени и хронического гепатита.

2. Человек использует пестициды для ограниченного числа видов, в то время как пестициды влияют на все организмы. Так, пестициды влияют на насекомых-опылителей. Около 80 % цветковых растений опыляются насекомыми и около 20 % всех насекомых являются опылителями.

3. Как правило, используют большее количество пестицидов, чем необходимо (для надежности). Точная дозировка практически отсутствует.

4. Площади опыления (обработки) пестицидами весьма значительны – около 10 млн га.

5. Пестициды долго сохраняются в почве (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Период полураспада хлорорганических инсектицидов в почве

Устойчивость отдельных представителей важнейших классов пестицидов в почвах может быть схематически охарактеризована следующим рядом уменьшения устойчивости: хлорсодержащие углеводороды – от 2 до 5 лет; производные мочевины, S-триазины – от 2 до 18 месяцев; карбаматы, сложные эфиры фосфорной кислоты – от 2 до 12 недель.

Различают небиотическое и биотическое разложение пестицидов в почве. Небиотическое разложение протекает за счет гидролиза, на скорость которого существенное влияние оказывают рН среды, температура и влажность почвы, ее минеральный состав. Оно осуществляется также за счет фотолиза пестицидов под действием солнечной радиации, что особенно важно для токсикантов, вносимых на поверхность почвы.

6. Благодаря естественному отбору происходят генетические перестройки, и вредители относительно адаптируются к ядам. Срок выработки устойчивости к пестицидам у видов, с которыми ведется борьба, примерно совпадает со временем разработки нового препарата (как правило, около 10 лет). Кстати, синтез и внедрение препарата в производство требует затрат в размере 20 – 45 млн долларов.

7. Эксперименты показывают, что большинство современных пестицидов значительно безопаснее, чем многие лекарственные средства. Например, средняя летальная доза (ЛД₅₀) поваренной соли – 3750 мг/кг, кофеина – 200 мг/кг, аспирина – 1750 мг/кг, а современных гербицидов – производных сульфонилмочевины – 5000 мг/кг. По статистике отравлений, в США наибольшее число смертельных случаев отмечено при отравлении алкоголем и менее 2 % – отпестицидов и минеральных удобрений. Но с другой стороны, по данным Института всемирного наблюдения (Вашингтон), ежегодно в мире регистрируются от 400 тыс. до 2 млн случаев отравлений пестицидами, большинство которых приходится на сельских жителей развивающихся стран. Так, в Индии вследствие отравления пестицидами ежегодно погибают 20 – 40 тыс. человек. В этой связи надежды связывают с биологическими методами защиты растений. В качестве таких средств применяются паразиты членистоногих и хищники. В настоящее время ведется интенсивная работа по поиску и созданию новых эффективных биологических средств и способов биологической защиты растений.

В последние десятилетия проблема загрязнения окружающей среды пестицидами привлекает самое широкое внимание, причем одна группа специалистов резко выступает против практики широкого применения пестицидов, учитывая те ошибки, которые наделало человечество с их применением, а другая (это в основном работники сельского хозяйства) утверждает, что без применения различных групп пестицидов невозможно кардинально решить продовольственную проблему на земном шаре, а также вопросы борьбы с малярией, шистоматозом и другими заболеваниями. По сообщению Б. Коммонера, «в Гватемале спустя двадцать лет после начала „программы искоренения малярии“, основанной на интенсивном использовании инсектицидов, малярийные комары приобрели иммунитет против них, и заболеваемость малярией стала выше, чем до начала кампании». Таким образом, пестициды играют весьма скромную роль в мероприятиях по борьбе с малярией.

Попытки борьбы с насекомыми, наносящими большой вред урожаю, предпринимались очень давно. Для этих целей без особого успеха использовали арсенат свинца, табачную пыль, мыло и бензин. Современная эра пестицидов началась в 1940 г. с открытием Паулем Мюллером инсектицидного действия ДДТ.

Впервые этот препарат был применен союзными армиями во время Второй мировой войны для борьбы с малярией и тифом. Однако во время войны данные о ДДТ практически не публиковались. В конце Второй мировой войны ДДТ вошел в практику как сельскохозяйственный и бытовой инсектицид и его начали широко применять во всем мире, так как считалось, что избирательность его действия очень высока. В результате этого значительно возросли урожаи сельскохозяйственных культур, что сыграло немаловажную роль в обеспечении потребностей растущего населения Земли. Однако в 1962 г. стало очевидно, что высокая устойчивость ДДТ к процессам биодеградации делает его применение опасным для животного мира и приводит к вредным последствиям для многих видов животных (особенно для рыб, птиц и пчел). При длительном применении ДДТ токсичен и для человека. Поэтому в настоящее время применение ДДТ запрещено или ограничено лишь теми случаями, когда отсутствуют приемлемые его заменители (в СССР применение ДДТ запрещено с 1970 г.).

В природе химические средства борьбы одних организмов против других используются почти со времени зарождения жизни, и без особой угрозы для окружающей среды. Все вещества, выделяемые организмами в окружающую среду (фитонциды, зооциды и т. п.), отличаются очень малой стабильностью и разрушаются, как только выполнят свою функцию. Это свидетельствует о том, что и проблему пестицидов можно разрешить, причем основное требование к разработке новых препаратов – соизмеримость сроков их действия со сроками детоксикации.

По скорости разложения в объектах окружающей среды пестициды разделяют в настоящее время на следующие шесть групп: 1) пестициды с периодом разложения более 18 мес.; 2) пестициды с периодом разложения около 18 мес.; 3) пестициды с периодом разложения около 12 мес.; 4) пестициды с периодом разложения до 6 мес.; 5) пестициды с периодом разложения до 3 мес.; 6) пестициды с периодом разложения менее 3 мес.

По продолжительности действия (персистентность – продолжительность сохранения пестицидами биологической активности в окружающей среде или ее отдельных объектах, в том числе в почве, атмосфере, гидросфере) пестициды разделяют на следующие группы: 1) препараты с продолжительностью сохранения биологической активности до 3 мес.; 2) препараты с продолжительностью действия до 6 мес.; 3) препараты с продолжительностью действия до 12 мес.; 4) препараты с продолжительностью действия до 18 мес.; 5) препараты с продолжительностью действия до 2 лет; 6) препараты с продолжительностью действия более 2 лет.

Чем выше продолжительность действия препарата в объектах окружающей среды, тем выше его персистентность. Необходимо отметить, что в различных объектах окружающей среды и в разных климатических зонах персистентность одного и того же препарата может существенно изменяться. Персистентность препаратов зависит также от активности живых организмов, обитающих в данной экосистеме. Наиболее быстро пестициды разрушаются под влиянием микроорганизмов почвы. Большинство пестицидов сравнительно быстро разрушается также под влиянием света, особенно в присутствии воды.

Появление устойчивости к действию инсектицидов у вредных насекомых, отравление полезных насекомых, опыляющих растения, а также рыб в реках и озерах, привели к возникновению широкого международного движения, завершившегося в 1976 г. разработкой «Интегрированной программы борьбы с вредителями», принятой всеми странами-членами ФАО (Food and Agriculture Organization of the United Nations – Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН). Было решено составить список наиболее избирательных инсектицидов и использовать из них только безвредные для природных врагов насекомых; при применении инсектицидов учитывать факторы окружающей среды, усиливающие их действие, а именно – время применения (суточный цикл), температуру и осадки, способные в некоторых случаях заменить применение инсектицидов; использовать минимальные количества инсектицидов, необходимые при данном типе заражения; следить за накоплением инсектицидов и продуктов их распада в окружающей среде.

На основании этих требований было рекомендовано применять 5 основных инсектицидов: трихлорфон, малатион, метоксихлор, карбарил и неорганическое соединение криолит (алюмофторид натрия).