Химическое загрязнение. 
Экологическая экспертиза и экологический аудит

Химическим загрязнением является поступление в компоненты окружающей среды (атмосферный воздух, водные объекты, почву) любых химических веществ, не содержащихся в них прежде. К настоящему времени человеком синтезированы химические вещества сотен тысяч наименований, в крупнотоннажном промышленном производстве находятся тысячи веществ. Далеко не для всех этих веществ изучены показатели экологической опасности:

• • токсичность для человека, объектов флоры и фауны;
• • химическая стойкость;
• • способность к накоплению (кумулятивный эффект);
• • способность к трансформации;
• • другие показатели.

Тем не менее, даже если сведений о токсичности того или иного вещества к настоящему времени нет, его наличие в окружающей среде следует трактовать как химическое загрязнение. Для наиболее распространенных веществ относительно детально установлены возможные последствия контакта (с человеком и животными — лучше, растениями — хуже). Среди этих последствий для человека — острые отравления, хронические заболевание, канцерогенное, мутагенное, аллергенное действие.

Способностью накапливаться в растительных и животных тканях обладают, например, так называемые тяжелые металлы.

Следует отметить неоднозначность трактовки термина тяжелые металлы (т.м.) в экологической литературе:

• • согласно одному определению к группе т.м. относятся элементы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с относительной молярной массой больше 40;
• • согласно другому — металлы с плотностью большей, чем у железа.

Наряду с тяжелыми металлами к группе особо опасных загрязнителей окружающей среды относят диоксины (называемые также суперядами), образующиеся при высокотемпературном органическом синтезе в присутствии хлора. Эти вещества очень токсичны для человека и животных даже при сверхнизких концентрациях, вызывают поражение печени, почек, иммунной системы. Достаточно сказать, что гигиенические нормативы их содержания в природных средах очень малы, например, для воздушной среды они имеют порядок 10″ ¹² мг/м³.

Достаточно острой глобальной проблемой, обсуждаемой на уровне президентов ведущих стран мира, является так называемый «парниковый эффект», набирающий силу в последние десятилетия. Последствия у этого эффекта могут быть самые серьезные: постепенное повышение температуры атмосферы, таяние полярных льдов, повышение уровня мирового океана. Согласно современным представлениям, причина заключается в большом поступлении в земную атмосферу так называемых парниковых газов, главными из которых являются диоксид углерода (углекислый газ) и метан.

Также глобальный характер носит загрязнение мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее по некоторым оценкам уже около 20% его поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров способно вызвать существенные нарушения газообмена между гидросферой и атмосферой.

Загрязнение атмосферы. Примесью называется вещество, не присутствующее в постоянном составе атмосферного воздуха чистых районов. Примеси делятся на газообразные и аэрозоли, по происхождению — естественные и антропогенные (техногенные). К естественным относятся, например, вулканическая зола или дымовые частицы лесных пожаров, пыльца растений, песок пустынь, поднятый в воздух песчаными бурями и т. д.

Среди огромного количества веществ техногенного происхождения, загрязняющих атмосферный воздух, выделяют четыре основных, повсеместно сопровождающих работу объектов промышленности, энергетики и транспорта:

• • оксид углерода — образующийся при неполном сгорании углеродсодержащего топлива в топках котлов и цилиндрах двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Согласно некоторым оценкам ежегодная эмиссия этого газа составляет не менее 1250 млн т. В атмосфере оксид углерода, взаимодействуя с кислородом, доокислястся до диоксида углерода и участвует далее в создании парникового эффекта;
• • диоксид серы (сернистый ангидрид) — выделяется в основном в процессе сгорания серосодержащего топлива (мазута, угля — в отопительных и энергетических котлах, моторного топлива — в двигателях внутреннего сгорания). Поступая в атмосферу, сернистый ангидрид доокисляется, превращаясь в триоксид серы (серный ангидрид). Последний, в свою очередь, взаимодействуя с влагой воздуха, образует аэрозоль серной кислоты. Именно это вещество является основным компонентом так называемых «кислотных дождей»;
• • оксиды азота — образуются не только на химических предприятиях при производстве азотных удобрений, азотной кислоты, анилиновых красителей и т. д., но и при любом горении, поскольку атмосферный азот способен окисляться кислородом воздуха только при высокой температуре;
• • пыль (аэрозоли) — это твердые или жидкие частицы, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии. Среди аэрозольных частиц по агрегатному состоянию выделяют твердые частицы (пыли), капли и обводненные частицы.

По происхождению различают аэрозоли дисперсионного и конденсационного происхождения (ко второй группе относится, например, сварочный аэрозоль, а также твердые частицы, присутствующие в выбросах некоторых металлургических производств).

Химический состав аэрозолей отличается огромным разнообразием, поэтому возможна классификация пылей по токсичности. Огромен и диапазон размеров аэрозольных частиц — от субмиллиметровых до субмикронных: по степени измельчения (дисперсности) различают следующие группы пыли (рис. 1.1).

I. Очень крупнодисперсная пыль с характерным медианным размером d > 150 мкм (определяется при условии, что количество частиц крупнее или мельче указанного размера составляет 50%).

II. Крупнодисперсная пыль с d = 40—150 мкм (например, мелкозернистый песок, синтетические моющие средства).

III. Среднедисперсная пыль, у которой размер d = 10—40 мкм.

IV. Мелкодисперсная пыль с d = 1 — 10 мкм (например, сахарная пудра).

V. Очень мелкодисперсная пыль с d < 1 мкм.

Из-за малого размера аэрозольных частиц IV и V групп гравитационный фактор уравновешивается молекулярно-кинетическими силами, поэтому время их существования в атмосфере измеряется часами, сутками и более. При большой плотности в атмосфере аэрозольные загрязнения наблюдаются визуально в виде дыма, тумана, мглы или дымки.

Аэрозоль, присутствующий в земной атмосфере, имеет как естественное (высыхание морских брызг, лесные пожары, вулканические извержения, песчаные бури и т. д.), так и искусственное, антропогенное происхождение. Основные источники антропогенных аэрозолей — это мощные тепловые электростанции (ТЭС), потребляющие высокозольный уголь, горно-обогатительные фабрики, металлургические, цементные заводы. Большие количества пыли также поступают в атмосферу при проведении взрывов во время вскрышных работ при открытом способе добычи полезных ископаемых.

Кратко рассмотрим вопрос влияния загрязнения атмосферы на благополучие экосистем и здоровье населения. Основное вредное действие атмосферных загрязнений связано с поступлением их в организм через органы дыхания, которые при этом и страдают в первую очередь. Под влиянием выброшенных в воздух населенных мест пыли, дыма, диоксида серы (сернистого ангидрида) и других загрязнителей могут возникнуть такие заболевания, как риниты, фарингиты, ларингиты, трахеиты.

Повышается частота и увеличивается тяжесть хронических бронхитов, принимающих нередко астматический характер, пневмоний. Известны случаи возникновения эмфиземы легких, связанные с загрязнением атмосферного воздуха.

Неблагоприятное действие атмосферных загрязнений в первую очередь проявляется па детях с их не устоявшейся еще реактивностью на отдельные раздражители, а также на лицах с ослабленным организмом, отличающихся общей пониженной сопротивляемостью по отношению к внешним воздействиям. Сюда же следует отнести и большинство людей пожилого и старого возраста. У детей, проживающих поблизости от объектов, загрязняющих воздух пылыо с высоким содержанием диоксида кремния, в отдельных исследованиях обнаруживались серьезные патологические изменения в легких.

Рис. 1.1. Классификационная номограмма пылей по их дисперсности:

• 1 — уголь, измельченный в шаровой мельнице; 2 — мелкозернистый кварцевый песок;
• 3 — пылевидный кварц; 4 — цемент; 5 — дым мартеновских печей; б —атмосферная

пыль «чистых районов».

Рассмотрим в первую очередь аэрозольные эффекты. Хорошо известно, например, что капли серной кислоты повреждают ткани растений. Соединения, образующиеся в процессе фотохимических реакций, могут обжигать листья многих овощных культур, таких как свекла, сельдерей, салат-латук и перец.

Частицы оказывают заметное воздействие на погоду и климат: часто они служат ядрами, на которых конденсируется водяной пар, поэтому продолжительные туманы могут быть вызваны высокими уровнями содержания частиц в воздухе. Кроме того, частицы в атмосфере способны отражать обратно в космическое пространство солнечную энергию, поступающую на Землю, вызывая охлаждение земной атмосферы. Уместно вспомнить здесь знаменитый сценарий «ядерпой зимы» — как одного из возможных последствий применения в войне ядерного оружия. Влияние аэрозолей на элементы конструкций проявляется в их способности вызывать коррозию металлов, действуя как центры, вокруг которых развиваются коррозионные процессы.

Острое действие аэрозольных загрязнений на организм человека в настоящее время далеко не редкое явление. Наиболее характерными ситуациями, при которых оно происходит, являются образование токсического или фотохимического туманов (смогов). Особая опасность этих вредных для людей туманов заключается в том, что выраженному острому действию атмосферных загрязнений на протяжении более или менее продолжительного времени подвергается сразу весьма большое число людей. При токсическом тумане в основном поражаются дыхательные пути. В эти периоды фиксируются массовые жалобы населения на недомогание и раздражение дыхательного тракта — кашель, боль в груди, выделения из носа и др., резко повышается обращаемость за медицинской помощью в поликлиники, больницы. У многих развиваются одышка, цианоз и прочие симптомы отравления.

Вредность токсического тумана для здоровья людей связана в основном с наличием в воздухе достаточно высоких концентраций сернистого ангидрида и пыли или дыма. Частицы данных аэрозолей с адсорбированной на них из воздуха влагой, насыщенной диоксидом серы, проникают в глубокие отделы легких вплоть до альвеол, в результате чего там создаются высокие местные концентрации этого вредного соединения.

Кроме ингаляционного действия, аэрозоли загрязняют кожный покров, что может в определенных условиях явиться причиной возникновения гнойничковых заболеваний кожи. Попадая на слизистую оболочку глаз, частицы пыли способствуют развитию конъюнктивитов. Наконец, запыленность воздуха может явиться прямой причиной повышенной заболеваемости глаз среди населения.

Между гем уже известно, что не все частицы одинаково вредны. В США и Западной Европе при гигиеническом нормировании выделяют различные фракции пыли: РМ2,5 и РМ10 (соответственно пылевые фракции со среднемедианным диаметром 2,5 и менее, 10 мкм и менее), гигиенические регламенты для них различаются. В России на сегодняшний день такое различие пока не сделано.

Вообще же проблема доказательности утверждений о влиянии того или иного фактора на здоровье человека, экосистему всегда является очень сложной именно в силу полифакторности, т. е. одновременного влияния огромного числа факторов. И все-таки на сегодняшний день считается доказанным, что частота респираторных заболеваний, таких как катары верхних дыхательных путей и бронхиты, возрастает при увеличении содержания частиц в воздухе. Кроме того, на основании изучения огромного статистического материала было доказано, что при высоких концентрациях частиц число смертей по сравнению с усредненным числом для данного времени года возрастает.

Особое значение в настоящее время приобретает загрязнение воздуха веществами, вызывающими аллергические состояния у населения, часто проявляющиеся в виде бронхиальной астмы. Это наблюдается при загрязнении воздуха населенных мест выбросами аэрозолей некоторых цветных металлов, сернистого ангидрида, цементной пыли, а также пылыо органических веществ, таких как хлопок, и др.

Постоянное присутствие в атмосферном воздухе даже относительно небольших концентраций различных химических соединений, обладающих токсическими свойствами, не только способствует повышению неспецифической заболеваемости населения, но и прямо угрожает массовым развитием у людей хронических отравлений соответствующими вредными газообразными и другими веществами. К таким наиболее часто встречающимся загрязнителям атмосферы населенных мест относятся оксид углерода, сернистый ангидрид, оксиды азота, фенол, сероводород и многие другие.

Надо всегда иметь в виду, что многие вещества при их совместном присутствии в воздухе обладают синергизмом — способностью к суммации вредного действия на организм. Это свойственно, например, таким сочетаниям, как сернистый ангидрид и фенол; сернистый ангидрид и диоксид азота; сернистый ангидрид и сероводород; сернистый и серный ангидрид, аммиак, оксиды азота; озон, диоксид азота и формальдегид. В настоящее время такие сочетания нередко встречаются в воздушной среде населенных мест.

Эффект суммации вредного действия особенно негативно проявился, например, во время знаменитого лондонского смога в 1952 г., когда число жертв достигло 4000 чел. Причина заключалась в том, что твердые частицы действуют как ядра, на которых происходит конденсация паров воды, а оксиды серы растворяются в этих капельках, образуя разъедающий туман. Именно этот туман из капелек серной кислоты и вызвал у многих лондонцев заболевание, и даже смерть. Уровень содержания оксидов серы в лондонском воздухе достигал 4 мг/м³ (это восемь российских предельно допустимых концентраций (ПДК_ав)). Смертность оказалась наибольшей среди пожилых людей, т. е. среди группы населения, уже подверженной различным сердечным и легочным заболеваниям.

Постоянное присутствие в атмосферном воздухе относительно небольших концентраций различных химических соединений, обладающих токсическими свойствами, не только способствует повышению неспецифической заболеваемости населения, но и прямо угрожает массовым развитием у людей хронических отравлений соответствующими вредными газообразными и другими веществами. К таким наиболее часто встречающимся загрязнителям атмосферы населенных мест относятся оксид углерода, сернистый ангидрид, оксиды азота, фенол, сероводород и многие другие. В первую очередь и чаще всех поражаются дети и лица пожилого возраста, а также люди, страдающие различными заболеваниями легких и сердечнососудистой системы.

Загрязнение гидросферы. Наряду с загрязнением атмосферного воздуха важнейшее значение для биосферы в целом имеет химическое загрязнение воды. Значение воды для человека обусловлено ролью, которую она играет в круговороте природы, а также в удовлетворении его физиологических, гигиенических, рекреационных, эстетических и других потребностей.

Важное значение воды не исчерпывается лишь ее физиологической ролью, большое ее количество требуется для обеспечения хозяйственнобытовых нужд, создания должного санитарно-технического режима предприятий пищевой промышленности и общественного питания, лечебно-профилактических учреждений, проведения оздоровительных и физкультурных мероприятий, а также гидротерапии. В городах много воды расходуется на мойку улиц и поливку зеленых насаждений. Многие отрасли промышленности просто не могут работать без снабжения водой, причем в очень больших количествах.

Между тем к настоящему времени развитие промышленности, транспорта, перенаселение ряда регионов планеты привели к значительному загрязнению гидросферы. Еще в середине XIX в. Темза оказалась настолько загрязненной, что зловоние, исходившее от нее, заставило британский парламент прервать свою работу на две недели. После этого были выделены средства на строительство в Лондоне первой в мире централизованной городской канализации.

Химическое загрязнение воды представляет собой изменение ее естественного состава за счет увеличения содержания вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, пестициды и др.).

Патогенные микробы попадают в водоисточники с выделениями людей и животных. В наибольшей степени микробиологическому загрязнению подвержены поверхностные водоемы, особенно в густонаселенных и урбанизированных районах. Крайне опасны в этом отношении необеззараженные стоки инфекционных и ветеринарных больниц, городские бытовые стоки и отходы предприятий по переработке животного сырья.

Патогенные микробы проникают в открытые водоемы также при сбросе нечистот в водоемы с речных судов, при загрязнении берегов и смывании загрязнений с поверхности почвы атмосферными осадками, при водопое скота, стирке белья и купании.

Вода может стать также источником заражения человека животными паразитами — гельминтами или глистами. С загрязненной фекалиями водой к человеку могут попасть их яйца, которые в кишечнике превращаются во взрослых паразитов — таковы аскариды, власоглав, острицы и др.

Серьезная опасность для здоровья населения связана также с химическим составом воды. В природе вода никогда не встречается в виде химически чистой Н₂0. Обладая свойствами универсального растворителя, она постоянно включает большое количество различных элементов и соединений, соотношение которых определяется условиями формирования воды, составом водоносных пород.

Вода — один из важнейших факторов внешней среды, от которой зависит здоровье миллиардов человек, населяющих нашу планету, их нормальная жизнедеятельность. Достаточно сказать, что службы здравоохранения США поставили перед собой чрезвычайно амбициозную задачу — довести среднюю продолжительность жизни в стране к 2020 г. до ста лет, причем в основном этого планируется достичь именно благодаря обеспечению оптимального качества питьевой воды.

Наивысшие требования по качеству (если не принимать во внимание воду для инъекций) предъявляются к так называемой хозяйственно-питьевой воде, используемой человеком для питьевых и хозяйственных нужд. Это обусловлено тем, что вода может стать причиной развития патологий в организме и способствовать возникновению инфекционных и неинфекционных заболеваний. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), около 80% всех болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды и нарушениями санитарно-гигиенических норм водоснабжения. Количество людей в мире, имеющих хронические заболевания в связи с использованием загрязненной воды, приближается к двум миллиардам человек, ежегодно от этого умирает около пяти миллионов человек (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Доступность питьевой воды для населения.

Примеси, от которых зависит безопасность питьевой воды, подразделяются на три вида:

• • неорганические химические вещества (тяжелые металлы, нитраты и т. д.);
• • органические химические соединения (пестициды, полихлорбифенилы и др.);
• • болезнетворные микроорганизмы, паразиты.

Наиболее массовые и тяжелые нарушения здоровья связаны с возможностью попадания в организм носителей острых кишечных инфекций, перечень которых чрезвычайно велик. Доказана возможность передачи через воду холеры, брюшного тифа и сальмонеллезов, дизентерии, туляремии, бруцеллеза, вирусного гепатита (болезнь Боткина). В воде источников водоснабжения часто обнаруживаются различные вирусы, в том числе вирусы полиомиелита.

В результате экспериментальных и клинико-медицинских исследований доказано неблагоприятное влияние на организм жесткости воды (суммарное содержание в ней солей кальция и магния). Высокая жесткость может играть существенную роль в развитии мочекаменной болезни человека.

В последние годы особое внимание ученых привлекают нитрозамины — вещества, образующиеся при взаимодействии нитратов с алифатическими или ароматическими аминами. Эти соединения широко используются в промышленности, доказана возможность их синтеза в природных водоемах, а также в организме человека. Питрозамины являются весьма активными канцерогенами. Многообразие возможных путей проникновения их в воду хозяйственно-питьевого водоснабжения, хорошая растворимость в воде, а также высокая стабильность делают питьевую воду одним из основных источников поступления нитрозаминов в организм человека.

Более всего изучено влияние на организм человека фтора. Сейчас широко известно, что нехватка фтора в рационе питания или питьевой воде способствует развитию кариеса зубов, при котором нарушается связь между органическими и неорганическими элементами эмали и дентина зубов. С другой стороны, при повышенном поступлении в организм фтора развивается флюороз, характеризующийся появлением пятен и эрозии эмали на зубах, повышением их стираемости и хрупкости. Большие количества фтора могут нарушать обмен веществ в организме, вызывать изменения в костях (типа остеосклероза) и тугоподвижность суставов.

Кадмий, свинец, мышьяк, стронций, другие микроэлементы также способны вызывать патологические изменения в организме человека.

Загрязнение почв. Одна из особенностей почвы состоит в том, что она накапливает информацию о происходящих процессах и изменениях и поэтому может служить своеобразным свидетелем не только сиюминутного, мгновенного состояния среды, но и отражать процессы прошлого, т. е. является депонирующей средой. Таким образом, почвенный покров Земли выполняет, по крайней мере, пять важнейших глобальных и экологических функций:

• 1) поддержание жизни, являясь средой обитания множества биовидов;
• 2) регулирование состава атмосферы и природных вод;
• 3) регулирование интенсивности биосферных процессов;
• 4) накопление на земной поверхности органического вещества — гумуса и связанной с ним энергии;
• 5) защита литосферы от излишне интенсивного воздействия экзогенных факторов, вызывающих разрушение горных пород.

Почвы обладают довольно высоким гомеостатическим потенциалом по отношению к различным экзогенным нагрузкам, они сопротивляются изменению реакции среды, изменению содержания доступных растениям элементов питания и токсичных компонентов, окислительно-восстановительного потенциала, емкости поглощения и др. Поэтому при возникновении негативных процессов изменения свойств почв выявляются не сразу, а лишь тогда, когда ухудшение показателей зашло уже слишком далеко.

Оценка опасности загрязненной почвы определяется, во-первых, эпидемической значимостью загрязнения и, во-вторых, возможностью почвы стать источником вторичного загрязнения приземного слоя атмосферы.

Среди приоритетных загрязнителей почв следует назвать:

• • нефтепродукты — в силу широкого применения в экономике нефти и продуктов ее переработки достаточно широко распространено загрязнение почв этими веществами. Оно происходит при эксплуатации нефтепроводов, автозаправочных станций, мест хранения автомобилей и т. п.;
• • тяжелые металлы — поступают в почву, как правило, аэрогенным путем, осаждаясь из атмосферы, будучи абсорбированными на аэрозольных частицах. Различают водорастворимые и нерастворимые соли тяжелых металлов в почве, причем эти соединения могут трансформироваться и переходить их одних форм в другие. Период полуудаления (т.е. удаления половины от начальной концентрации) тяжелых металлов из почвы (вследствие выщелачивания, водной и ветровой эрозии, потребления растениями) составляет десятки и сотни лет (табл. 1.2);

Период полуудаления тяжелых металлов из почв

• пестициды — открытие пестицидов, несомненно, стало одним из важнейших достижений науки. Сегодня в мире в среднем на каждый гектар пашни вносится до 300 кг химических средств этой группы. Однако в результате длительного применения пестицидов (гербицидов, инсектицидов, дефолиантов) в сельском хозяйстве почти повсеместно отмечается снижение их эффективности вследствие развития резистентности у «старых» рас вредителей и появления «новых» рас, с еще большей устойчивостью к пестицидам. Нарушение правил агротехники приводит к тому, что в почвах содержатся повышенные остаточные количества химических средств борьбы с вредителями и болезнями растений, многократно превышающие предельно допустимые концентрации. Это особенно негативный факт для пестицидов прежнего поколения, отличающихся большой химической стойкостью. В последующем эти вещества, растворенные из почвы атмосферными осадками или мелиоративными водами, поступают с их током в поверхностные водоисточники либо дрейфуют в подземные водные горизонты.

В этой связи в настоящее время активно изучается поведение пестицидов в почвах и возможность их обезвреживания как химическими, так и биологическими методами. Очень важно применять только современные препараты, имеющие небольшую продолжительность существования в почве, измеряемую несколькими неделями. В этом направлении уже достигнуты определенные успехи, ускоренно внедряются новые препараты с большой скоростью деструкции, однако в целом проблема еще далека от решения.