Лекция 1. Введение. Предмет и задачи курса. Основные понятия и определения

В середине XX в. резко обострились проблемы, связанные с химическим загрязнением биосферы, нередко приводящим к острым токсико-экологическим ситуациям. Это вызвало расширение и интенсификацию исследований масштабов и темпов загрязнения окружающей среды, поиск эффективных приемов охраны атмосферного воздуха, природных вод, почвенного покрова, предусматривающих как снижение потоков химических загрязняющих веществ, поступающих в биосферу с выбросами промышленности, транспорта, с бытовыми отходами, так и ограничение или полное устранение токсичного действия различных веществ техногенного происхождения на растительный и животный мир и главным образом предотвращение отрицательного их влияния на здоровье человека.

В наше время антропогенные выбросы в биосферу различных химических элементов и веществ достигли уровней, соизмеримых с естественными биогеохимическими потоками соответствующих элементов; в ряде случаев они превосходят естественные потоки. Эти обстоятельства и определяют появление науки – экологической химии.

В.А. Ковда еще в 1976 г. привел данные о соотношении вкладов естественных биогеохимических циклов и антропогенного в природные процессы, а с тех пор техногенные потоки существенно возросли. По его данным биогеохимические и технохимические потоки в биосфере оцениваются следующими величинами:

Биомасса суши, т	3×10^12-10^13
Годичный фотосинтез на суше, т	10^10-10^11
Годичный оборот зольных органогенов на суше, т	10^8-10^9 (с учетом азота до 10^10)
Годичный сток рек, т:
растворенные вещества	3×10^9
взвешенные вещества	1,6×10^10
Годичное производство минеральных удобрений, т	3×10^8
Пыль индустриальная, т/год	0,25×10^9
Мусор, отходы, отбросы, т/год	20×10^9
Выемка рудных пород, т/год	5×10^9
Индустриальные и городские сбросные воды, м/год	до 55×10^11
Аэрозоли и газовые выбросы, т/год	до 10^9

В биогеохимические циклы теперь включается также большой перечень синтетических соединений, не известных для целинных природных сред. К ним, в частности, относится большая группа веществ, объединяемых общим термином «пестициды» (гербициды, фунгициды), различные фенолы и их производные, фреоны, диоксины. Источниками химического загрязнения биосферы стали практически все промышленные предприятия, транспорт, все более или менее крупные населенные пункты, зоны отдыха (рекреации), крупные животноводческие комплексы, территории, занятые пахотными землями.

Причины и пути загрязнения природной среды наглядно прослеживаются на примере природных вод, их загрязнение осуществляется по крайней мере за счет следующих источников: 1) загрязнение примышленными стоками; 2) загрязнение коммунальными стоками; 3) загрязнение поверхностными стоками; 4) загрязнение нефтью и нефтепродуктами; 5) загрязнение природных вод сточными водами шахт и рудников;
6) загрязнение разнообразными моющими средствами (ПАВ); 7) загрязнение радиоактивными отходми и аварийными выбросами радионуклидов; 8) загрязнение нагретыми водами (термическое загрязнение).

Кроме названных прямых источников загрязнения природных вод загрязняющие вещества содержатся и в атмосферных выпадениях в виде дождя, снега, инея.

На поверхности суши кроме перечисленных источников загрязнения большое влияние на наземные биогеоценозы оказывают шахтные отвалы (терриконы), отвалы теплоэлектростанций, сброс отработанных нефтепродуктов, солевых растворов, концентрированных кислот. В лесных регионах скапливаются крупнотоннажные отходы древесной коры, опилок, гидролизного лигнина и многое другое.

О масштабах антропогенного влияния на природные объекты можно судить хотя бы по тому, что выбросы оксидов серы и азота, образующие при взаимодействии с атмосферной влагой серную и азотную кислоты, пересекают вместе с воздушными потоками границы государств, охватывая территории в сотни тысяч квадратных километров.

Загрязнение наземных биогеоценозов обычно начинается с частичного угнетения организмов, населяющих почвы и поверхностные воды, затем страдает высшая растительность и, наконец, начинаются деградация почв и разрушение почвенного покрова. Особенно быстро на кислотные дожди реагируют гидробионты (организмы, населяющие водоемы), поскольку воды суши наименее буферны по сравнению, например, с почвами. Обычно степень кислотности (щелочности) многих пресноводных рек и озер характеризуется значением рН около 7,0, иногда до 8,0. Выпадающим кислым дождям свойственны значения рН = 3-4, зафиксированы случаи выпадения дождя с рН = 2,4. Поэтому в первую очередь начинает изменяться кислотность озерных и прудовых вод, преимущественно непроточных. С. Уэст (США) приводит следующую градацию значений рН, влияющих на озерные гидробионты: при снижении рН до 7,0 вода приобретает нейтральную реакцию, в ней снижается содержание кальция, начинается гибель икры некоторых земноводных. При рН = 6,6 начинают погибать некоторые улитки. При рН = 6,0 исчезают пресноводные креветки. При рН = 5,5-6,0 сокращаются численность и общее число видов гидробионтов. Гибнет планктон, на дне начинают скапливаться неразложившиеся органические остатки. Если рН опускается ниже 5,5 – развиваются кислотолюбивые мхи, грибы, нитчатые водоросли, вымирают многие виды рыб. При рН = 4,5 рыбы в озере практически не остается, органические остатки опускаются неразложившимися на дно. Жизнь в озере замирает. Это, конечно, только образная картина-схема, реальность более сложна и зависит от особенностей почвенно-климатической зоны, видового разнообразия растений и животных, численности популяций.

Не менее серьезные последствия имеет и загрязнение почв и вод углеводородами нефти, тяжелыми металлами, пестицидами и т.д.

Оценивая различные стороны воздействия химических загрязняющих веществ на живые организмы, нельзя не принимать во внимание мутагенные изменения. Различные мутации возможны при попадании в живые организмы некоторых химических соединений, но особенно вероятны и опасны они при загрязнении территории радионуклидами. Мутации не только приводят к существенным отклонениям от нормального развития организмов (включая человека), но и вызывают общее ухудшение генофонда многих популяций, что может иметь далеко отстоящие последствия для последующих поколений.

В соответствии с названием экологическая химия – это наука о химических процессах и взаимодействиях в окружающей нас среде (биосфере), а также (в меньшей степени) о последствиях таких взаимодействий. Некоторые разделыхимии, имеющие отношение к биосфере, рассматриваются в науках, связанных с химией, геологией, биологией, агрохимией, а также с биохимией, фармакологией и токсикологией. Поэтому в задачу экологическойхимии входит изучение таких разделов, которые не рассматриваются в курсах перечисленных дисциплин. Тем самым экологическая химия сближается с экологией, решающей проблемы, выходящие за рамки собственно биологических и геологических наук. В отличие от экологическойхимии химическая экология ограничивается изучением природных материалов, применением материалов только в природных условиях, исследованием обменных процессов и механизмов регулирования в организмах. В экологическойхимии наряду с биологическими применяют также химические методы, например, для выделения и идентификации активно действующих веществ.

Другая цель исследования различных загрязнений – изучение влияния их на биосферу. Исследованием влияния антропогенных химических веществ на биологические объекты окружающей среды занимается экотоксикология. Задачей экотоксикологии является изучение воздействия химических факторов на виды, живые сообщества, абиотические составляющие экосистем и на их функции. В принципе она отличается от токсикологии тем, что в ней не рассматриваются вопросы отравления конкретного организма. Влияние на человека происходит косвенно через ухудшение жизненных условий из-за вредных воздействий на окружающую среду.

Токсикологические и экотоксикологические свойства веществ обусловлены их химическим составом. После длительной экспозиции, т.е. длительного воздействия на человека, эти свойства начинают проявляться. Это означает, что эколого-химическое поведение веществ, методы их применения и объемы поступления в биосферу определяют в конечном итоге уровень экспозиции. Последний в комплексе с экотоксикологическими свойствами вещества является основой для оценки воздействия вещества на окружающую среду.

Оптимальным решением было бы изучение всех химических продуктов в отдельности, определениеих содержания и поведения в окружающей среде, исследование биологических последствийихвоздействия. Пожалуй, лишь для выяснения синергического и антагонистического эффектов следовало бы изучить некоторые смеси веществ. Имеющиеся в настоящее время аналитические методы и приборы позволяют выявить локальные концентрации химических веществ, попадающих в окружающую среду, и предпринять необходимые меры для снижения их содержания, а в отдельных случаях и для полного их исключения.

Химические продукты часто выпускаются в продажу в виде сложных смесей, причем продукт одной фирмы часто является исходным сырьем для получения продуктов другой фирмой, так что фирме-изготовителю часто неизвестно, какие вещества будут получены из произведенного ею продукта. В процессе производства и промышленного применения такие вещества находятся под контролем, и на предприятиях соблюдаются промышленно-санитарные нормы и правила. Однако использование их потребителями часто не поддается контролю или какому-либо регламентированию.

Такая ситуация требует постановки следующих вопросов: существуют ли системы и общепринятые принципы прогнозирования свойств химических продуктов, оказывающих вредное воздействие на биосферу, с тем чтобы можно было заблаговременно предпринять необходимые защитные меры? Какими безвредными для окружающей среды продуктами их можно заменить? Только установление таких зависимостей и разработка методов, способных прогнозировать поведение химических продуктов в окружающей среде, позволяют своевременно принять соответствующие меры. Знание этих взаимосвязей с глобальной точки зрения является необходимой предпосылкой для разработки технологических процессов, экологически безвредных для данного региона (экотехнология). В настоящее время принято говорить об экологизации производства.

Основные понятия и определения. Несвойственные окружающей среде химические продукты (ксенобиотики) – это химические вещества, поступающие в природную среду в результате деятельности человека, в отдельных случаях достигающие таких концентраций, которые оказываются вредными для абиотических составляющих экосистем, для живых существ и особенно для самого человека. Во всем мире производится около 80 тыс. видов химических продуктов, но лишь немногие из них действительно обновляют перечень продукции, так что доля фактического изменения номенклатуры продуктов составляет несколько процентов в год.

Загрязняющие химические продукты классифицируют по источникам поступления, областям применения и характеру воздействия; вопросы такой классификации будут подробно рассмотрены позднее. Здесь можно, пожалуй, назвать несколько таких групп. Биоциды (например, инсектициды, гербициды, фунгициды) являются значимыми для окружающей среды химическими продуктами, поскольку длительное время применяются в окружающей среде, а по своему назначениюих действие направлено против живых существ. Добавки к пищевым продуктам и косметическим средствам имеют также большое значение, поскольку они непосредственно используются человеком. Группы химических продуктов – удобрения, моющие средства и хлорированные растворители (химчистка) – также важны, поскольку они широко потребляются и в больших количествах.

Кроме того, если учесть, что во всем мире используется ок. 250 млн. т органических химических продуктов, значительная часть которых после использования бесконтрольно попадает в окружающую среду, то становится очевидным, что данные продукты сами по себе могут изменить материальный состав окружающей среды во всем мире.

Особую группу химических продуктов составляют радиоактивные вещества. Это химические элементы илиих соединения — источники ионизирующего излучения, которое возникает при их распаде и оказывает сильное биологическое действие. В этом случае биологическое воздействие на окружающую среду вызвано не химическими или биологическими свойствами этих веществ, аихизлучением. Доза излучения измеряется в единицах, соответствующих биологическому действию излучения, в бэрах (биологических эквивалентах рентгена, 1 бэр = 0,01 Дж/кг). Для химического воздействия такой единицы измерения не существует. Воздействие излучения не специфично для состава излучающего вещества, являющегося объектом облучения, а зависит лишь от вида излучения и его энергии. Для оценки радиоактивных веществ в окружающей среде следует учитывать характерих распределения в окружающей среде и организмах, так как это распределение коррелирует с поглощенной дозой излучения, а характер распределения радиоактивных веществ зависит от их природы. В результате испытаний ядерного оружия, при которых в окружающую среду поступило большое количество радиоактивных веществ и повысилась доза поглощенного излучения, проведены подробные исследования воздействия излучения на биосферу.

Под понятием материальный состав окружающей среды понимается химический состав окружающей среды, т.е. материальный состав биосферы (литосферы, гидросферы и атмосферы с находящимися наних живыми существами). Материальный состав окружающей среды в принципе устанавливается аналитическими методами. Понятие качество материального состава окружающей среды включает также и оценку этой среды, т.е. принимается во внимание непосредственное состояние экосистемы – воды, воздуха и почвы, а также продуктов питания и жилья человека. Следует учитывать также влияние изменений в соответствующих средах на биологическое использование этих веществ. Под биологическим использованием понимают количество вещества, поступившее в организм за какое-то время и участвующее в обмене веществ.

Для разработки мероприятий по защите окружающей среды от сомнительных в экологическом отношении веществ, а также для оценки качества окружающей среды исследования проводятся в определенном порядке. Подробно изучается первично загрязненная природная среда – переносчик вещества. В качестве примеров можно назвать исследование реакционноспособных углеводородов в воздухе, органических соединений, разлагающихся в воде (биологическое потребление кислорода) или веществ, загрязняющих питьевую воду. Затем изучается (преимущественно классическими аналитическими методами) загрязнение природных сред биосферы – воды, почвы, воздуха, а также живых организмов.

Исследования, ориентированные только на изучение природной среды, усложняются тем, что природные среды вносят различный вклад в состояние биосферы. Например, рассматривая проблему чистоты воздуха, следует помнить, что на всем земном шаре через границу воздух – вода океана связывается около 50% всего антропогенного СО₂. Возможное изменение материального состава океана за счет такого дополнительного поглощения углекислого газа следует рассматривать отдельно – уже с точки зрения качества гидросферы.

Наряду с концепциями исследования среды распространения вредных веществ комплексное изучение химических продуктов должно включать рассмотрение технологии их производства в различных отраслях промышленности. При этом польза от применения различных видов химических продуктов (например, инсектицидов в сельском хозяйстве, добавок к пищевым продуктам, отбеливателей в моющих средствах) обязательно должна сопоставляться с риском, связанным сих производством и применением.

При разработке технологии производства химического продукта до настоящего времени не проводилось исследований возможного загрязнения окружающей среды этим продуктом. К тому же следует учитывать, что один и тот же продукт может применяться для различных целей, что приводит к появлениям нескольких источников изменения материального состава окружающей среды при производстве одного и того же продукта. Критерий области применения в экологическойхимии классифицирует данное химическое вещество по всем видам его применения.

Необходимо установление зависимости экологических свойств вещества от его структуры. Прогноз нежелательных эффектов воздействия вещества на основании его структурных признаков в настоящее время возможен только для немногих групп веществ, – в частности для нитрозаминов и реакционноспособных углеводородов.

В концепции изучения отдельного вещества основное внимание уделяется изучению не только его полезных свойств, но и его поведению при воздействии на окружающую среду. При этом исследуется его предполагаемая или реально создаваемая концентрация, а также ее воздействие на материальный состав окружающей среды. Побочные продукты, содержащиеся в товарном продукте, очень важны для определения области его применения.

При методологии исследований, ориентированных на вещество, необходимо составление долгосрочного баланса распределения в окружающей среде применяемых химикатов. В этом балансе учитываетсяих количество, области применения, перенос вещества в средах и между ними, разлагаемость химического продукта, а также его накопление. На основе такого баланса выявляется емкость окружающей среды, т.е. способность разложения (удаления) химиката, что позволит прогнозировать на длительный срок возможные изменения материального состава окружающей среды.

Естественные (природные) изменения. Изменения геохимических, геофизических и метеорологических параметров за геологические периоды времени, эволюция живых организмов, обитающих в воде и на суше, а также изменения гомогенности биосферы в климатическом, химическом и биологическом отношении характеризуют качественный и количественный масштаб неантропогенных долгосрочных изменений на земле.

Геохимические и геофизичекие процессы, которые на протяжении всей геологической истории планеты привели ее к современному химическому, биологическому и энергетическому состоянию, включают в себя как упорядочивающие процессы, связанные с затратой энергии, так и диссипативные процессы, сопровождающиеся ее выделением.

В результате длительных изменений земной коры сформировалась весьма своеобразная по своему составу твердая оболочка земли. Из-за различия в составе первичных геологических пород, влияния времени и воздействия климатических факторов стали возможными локальные колебания концентрации отдельных элементов на три и более порядка.

Доля атмосферы в общей массе земли составляет лишь 1 млн^-1 (или примерно 1/300 часть гидросферы), и около 80% от нее составляет тропосфера (средняя высота 11 км, над экватором 18 км, над полюсами 8 км). Свободный от пыли и воды чистый воздух на уровне моря на 99,997% по объему содержит азот, кислород, аргон и диоксид углерода. Все другие элементы и соединения вместе составляют по объему лишь 30 млн^-1.

Природные краткосрочные изменения материального состава окружающей среды являются следствием землетрясений и вулканической деятельности, постоянно идущей эрозии, а также эрозии, вызванной бурями и наводнениями. Климатические явления, такие как засухи, морозы, колебания уровня рек, имеют общеизвестные последствия. В результате этих процессов изменения состава окружающей среды имеют локальный, региональный и даже глобальный характер, они могут быть кратковременными, но могут оказывать влияние и в течение геологически значимых периодов времени.

Антропогенные изменения. Имеется тесная причинно-следственная связь между возможностью или необходимостью антропогенных изменений в окружающей среде и численностью населения.

Наиболее значительное увеличение численности населения Земли связано с индустриализацией. В то время как рождаемость с момента возникновения человечества до настоящего времени если и снижалась, то очень медленно, в промышленно развитых странах произошло резкое падение рождаемости, которое, несмотря на значительное увеличение продолжительности жизни, явилось причиной низкого роста численности населения. Напротив, в менее развитых странах благодаря улучшению медицинского обслуживания, импорту медикаментов и проведению эпидемиологических мероприятий начиная с 1850 г., а особенно с 40-х гг. нашего столетия, продолжительность жизни также увеличилась, а рождаемость снизилась незначительно или осталась на прежнем уровне.

Рис. 1.1. Сброс вредных веществ со сточными водами в 1991 г. по России.

Влияние техногенного фактора можно проиллюстрировать рис. 1.1.

Вызванное этим увеличение численности населения земного шара примерно на 2% в год, а за последние 25 лет с 2,5 до 4 млрд. человек имеет совсем иной характер, чем прежде, когда увеличение населения мира происходило более или менее постепенно; оно привело в первую очередь к интенсивному воздействию на окружающую среду. Резкий рост, например, потребления воды, энергии, некоторых промышленных продуктов, – более чем на 2% в год, – не способствует с глобальной точки зрения повышению жизненного уровня населения, так как требует сверхпропорционального использования материальных ресурсов и технологических средств. Так, увеличение производства продовольственных товаров на 34% с 1951 по 1966 г. потребовало увеличения внесения фосфорных удобрений на 75%, азотных удобрений на 14%, пестицидов на 300%.

Рост мировой экономики. При наращивании за последние два десятилетия мирового хозяйственного потенциала ежегодно на 5-6% влияние человека на окружающую природу удваивается каждые 13,5 лет (экологический запрос (ecological demand)). За 35 лет, в течение которых при нынешнем росте численности населения Земли численность возрастет в два раза, связанное сэтим общее изменение окружающей среды увеличилось бы в шесть раз. Так как прирост производства, в частности органических химических продуктов, за период 1960-70 гг. составил более 9% в год, сохранение этой тенденции в течение 35 лет привело бы к изменению определенных параметров окружающей среды даже в двадцать раз.

Пределы допустимых глобальных изменений все в большей мере становятся видны по мере расширения деятельности человека; для некоторых неорганических веществ эти изменения уже превысили влияние аналогичных природных процессов, что касается органических продуктов – ксенобиотиков, тоих применение создает неизвестную нам новую «природную» ситуацию.

Таким образом экологическая химия как раздел общей экологии возник и сформировался в последние лет 15. Основными задачами этой науки являются: изучение химических процессов между веществами техногенных выбросов и природной средой (биосфера), и, прежде всего
экоаналитический химический анализ токсикантов в природе, термодинамика и кинетика их превращений.

Дата добавления: 2014-01-05