Содержание

Введение

     Развитие промышленности неразрывно связано с расширением круга используемых химических веществ. Увеличение объемов применяемых пестицидов, удобрений и других химикатов - характерная черта современного сельского хозяйства и лесоводства. В этом объективная причина неуклонного усиления химической опасности для окружающей среды, таящейся в самой природе человеческой деятельности.

     Еще несколько десятков лет назад  химические отходы производства просто сбрасывали в окружающую среду, а  пестициды и удобрения практически бесконтрольно, исходя из утилитарных соображений, распыляли над огромными территориями. При этом, полагали, что газообразные вещества должны быстро рассеиваться в атмосфере, жидкости частично растворяться в воде и уноситься из мест выброса. И хотя твердые продукты в значительной степени накапливались в регионах, потенциальная опасность промышленных выбросов рассматривалась как низкая. Использование же пестицидов и удобрений давало экономический эффект, во много раз превосходящий ущерб, наносимый токсикантами природе. Однако уже в 1962 году появляется книга Рашель Карсон "Молчаливая весна", в которой автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. Эта книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительственные законодательные акты, регламентирующие выбросы ксенобиотиков. С этой книги, по сути, началось развитие новой ветви науки - экотоксикологии.

     В самостоятельную науку экотоксикологию (ecotoxicology) выделил Рене Траут, который  впервые, в 1969 году, связал воедино два  совершенно разных предмета: экологию (по Кребсу - науку о взаимоотношениях, которые определяют распространение и обитание живых существ) и токсикологию. На самом деле, эта область знаний включает в себя, помимо указанных, элементы и других естественных наук, таких как химия, биохимия, физиология, популяционная генетика и др.

     Сформировалась  тенденция использовать термин экотоксикология только для обозначения суммы знаний, касающихся эффектов химикатов на экосистемы, исключая человека. Так, по Уолкеру и др. (1996) экотоксикология - учение о вредных эффектах химикатов на экосистемы. Устраняя из круга рассматриваемых экотоксикологией объектов человека, это определение детерминирует различие между экотоксикологией и токсикологией окружающей среды, определяет предмет изучения последней. Термин токсикология окружающей среды предлагается использовать только для исследований прямого действия загрязнителей окружающей среды на человека.

     В процессе изучения эффектов химических веществ, присутствующих в окружающей среде, на человека и человеческие сообщества, токсикология окружающей среды оперирует  уже устоявшимися категориями и понятиями классической токсикологии и применяет, как правило, ее традиционную экспериментальную, клиническую, эпидемиологическую методологию. Объектом исследований при этом являются механизмы, динамика развития, проявления неблагоприятных эффектов действия токсикантов и продуктов их превращения в окружающей среде на человека.

     Разделяя  в целом такой подход, и положительно оценивая его практическую значимость, следует однако заметить, что методологические различия между экотоксикологией и токсикологией окружающей среды полностью стираются, когда перед исследователем ставятся задачи оценить опосредованное действия загрязнителей на человеческие популяции (например, обусловленное токсической модификацией биоты), или, напротив, выяснить механизмы действия химикатов, находящихся в среде, на представителей того или иного отдельного вида живых существ.

1. Загрязнение атмосферы ксенокомпонентами

1.1 Состав атмосферы

     Атмосфера - это газообразная оболочка Земли, которая характеризуется наибольшей подвижностью составляющих ее компонентов. Поэтому любые резкие изменения состава атмосферы, связанные с поступлением или уходом главных газовых составляющих (или микрокомпонентов), распространяются вокруг земного шара со значительными скоростями. И это касается как естественных изменений состава атмосферы (вулканические извержения и т.п.), так и антропогенных ее загрязнений.

     Кроме того, атмосфера находится в непрерывном  обмене с биосферой и является непосредственным или опосредованным − через гидросферу − поставщиком солнечной энергии для всего живого (кроме анаэробных микроорганизмов). Вот почему атмосферу следует рассматривать как наиболее важную для жизни и для человечества составную часть окружающей среды.

     Глобальная  роль атмосферы определяет особую ответственность государств Земли. Сама атмосфера имеет зональное строение. Нижняя ее часть (до высоты примерно до 80 км) называется гомосферой. Плотность этой части уменьшается с высотой, сохраняя однородность химического состава. В пределах гомосферы выделяют три слоя, различающихся по характеру температурного режима. Нижний слой – тропосфера − имеет основное значение для жизни на Земле. Верхняя граница тропосферы – тропопауза, отделяется от ее среднего слоя – стратосферы. Тропопауза у полюсов располагается на высоте 8–10 км, а у экватора – порядка 16–18 км. До тропопаузы, по мере увеличения высоты, температура достигает почти 0°С. Верхний слой гомосферы выше стратопаузы – мезосфера (до высоты 80–90 км). В ее пределах температура снова снижается с увеличением высоты. Выше гомосферы залегает мощная, но с низкой плотностью, гетеросфера, в которой, по мере увеличения высоты, слой молекулярного азота сменяется слоем атомарного кислорода, а затем гелиевым слоем и, наконец, водородным слоем, который на высоте порядка 10000 км постепенно переходит в космос.

     Наиболее важная для биосферы зона атмосферы – гомосфера − и, особенно, прилегающий к земной поверхности ее слой – тропосфера.

     Переходя  к вопросу о химическом составе  гомосферы, различают главные компоненты (N – 75,5 весовых %; О – 23,1 %), второстепенные (Ar – 1,28 %; CO₂ – 0,04 %); микрокомпоненты (Ne, He, Kr, Xe, H₂ – 10^-5%) и ксенокомпоненты (CH₄, N₂O, 0₃ и другие). Главные и второстепенные компоненты составляют более 99,99 % массы гомосферы.

     К ксенокомпонентам ("ксенос" - чужой) относятся вещества чужеродные для окружающей среды, несвойственные для нее, находящиеся в переменных количествах и являющиеся временными примесями, поступление которых связано с вулканическими извержениями, жизнедеятельностью биосферы, с производственной и бытовой деятельностью человека. Большая часть ксенокомпонентов в повышенных концентрациях оказывает отрицательное воздействие на биосферу, поэтому они рассматриваются как загрязнители окружающей среды.

     К числу ксенокомпонентов относят  и пылевые частицы, которые, по источнику образования, подразделяются на 5 категорий:

     1. Пыль, выдуваемая с континентов;

     2. Пыль растворимых солей, выдуваемая  с поверхности океанов и морей;

     3. Пыль вулканических извержений;

     4. Космическая пыль;

     5. Антропогенная (техногенная) пыль.

     По  оценке разных авторов, антропогенная  пыль (результат сжигания твердого и жидкого топлива, пыль металлургических, химических, цементных предприятий  и др.) составляет 5-45 % общего количества пыли, приносимого в атмосферу  из всех источников.¹

1.2 Основные ксенокомпоненты  - химические соединения

     В основном существуют три основных источника  загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем  загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что  наиболее сильно загрязняет воздух промышленное  производство.

     Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые  вместе с  дымом выбрасывают в  воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают  в  воздух оксиды  азота,  сероводород,  хлор,  фтор,  аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути  и мышьяка;  химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в  воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ,  работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные,  поступающие непосредственно  в  атмосферу, и  вторичные,  являющиеся  результатом превращения  последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до  серного ангидрида,  который взаимодействует с парами  воды и образует капельки серной кислоты.  При  взаимодействии  серного ангидрида  с  аммиаком  образуются кристаллы сульфата  аммония. Подобным образом, в результате химических,  фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы,  образуются  другие  вторичные  признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются  следующие:

     а) Оксид углерода - СО. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ.  В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных  предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т.   Оксид углерода является соединением,  активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

     б) Сернистый ангидрид SO₂. Выделяется в процессе сгорания серусодержащего топлива или  переработки  сернистых  руд  (до   170 млн.т. в год).  Часть  соединений  серы выделяется при горении  органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество  выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило  65 процентов  от общемирового выброса.

     в) Серный  ангидрид SO₃. Образуется  при окислении сернистого  ангидрида. Конечным продуктом реакции является  аэрозоль  или раствор серной  кислоты в дождевой воде,  который подкисляет  почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека.  Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических  предприятий отмечается при низкой облачности и высокой  влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на  расстоянии менее  11 км.  от таких предприятий,  обычно  бывают  густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в  местах оседания капель серной  кислоты.  Пирометаллургические  предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу  десятки миллионов тонн  серного ангидрида.

     г) Сероводород и сероуглерод.  Поступают  в атмосферу  раздельно или  вместе в другими соединениями серы.  Основными источниками выброса  являются предприятия  по  изготовлению  искусственного волокна,  сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.  В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

     д) Оксиды  азота. .Основными  источниками  выброса являются  предприятия, производящие азотные удобрения,  азотную кислоту и нитраты,  анилиновые красители,  нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид.  Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет  20 млн.т.  в год.

     е) Соединения фтора.  Источниками  загрязнения  являются  предприятия  по производству алюминия,  эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в  атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим  эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

     ж) Соединения  хлора.  Поступают  в атмосферу от химических  предприятий, производящих  соляную  кислоту,  хлоросодержащие  пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную  известь, соду.  В атмосфере встречаются как примесь  молекулы  хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется  видом соединений и их концентрацией.  В металлургической промышленности при  выплавке  чугуна  и  при  переработке его на  сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на  11 т.  передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг.  сернистого газа и 14,5 кг.  пылевых частиц,  определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы,  свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных  веществ и цианистого водорода.²

1.3.  Транспорт – источник ксенокомпонентов

     В  последние  десятилетия  в  связи  с  быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась  доля выбросов, поступающих   в  атмосферу   от  подвижных   источников:  грузовых и легковых  автомобилей,   тракторов,  тепловозов   и  самолетов. Согласно оценкам, в городах на долю автотранспорта  приходится (в зависимости т развития в данном  городе промышленности и числа автомобилей) от 30 до 70 % общей массы выбросов. В США в целом по стране по крайней мере 40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляют выбросы подвижных источников.

1.3.1 Автотранспорт

     Основной  вклад в загрязнение атмосферы  вносят автомобили, работающие на бензине (в США на их долю приходится около 75 %), затем самолеты (примерно  5 % ), автомобили  с дизельными двигателями (около  4 %), тракторы и  другие сельскохозяйственные машины (около 4 % ), железнодорожный и водный транспорт (примерно 2 %). К основным загрязняющим атмосферу веществам, которые выбрасывают подвижные источники (общее число таких веществ превышает 40), относятся оксид углерода (в США его доля в общей массе составляет около 70 %), углеводороды (примерно 19 % ) и оксиды азота (около 9 % ). Оксид углерода (CO) и оксиды азота (NО_x) поступают в атмосферу только с выхлопными газами, тогда как не полностью сгоревшие углеводороды (H_nС_m ) поступают как вместе с выхлопными газами (что составляет примерно 60 %  от общей массы выбрасываемых углеводородов), так и из картера (около 20 %), топливного бака (около 10 %) и карбюратора (примерно 10 %); твердые примеси поступают в основном с выхлопными газами (90 %) и из картера (10 %).

     Наибольшее  количество загрязняющих веществ выбрасывается  при разгоне автомобиля, собенно при быстром, а также при движении с малой скоростью (из диапазона наиболее экономичных). Относительная доля (от общей массы выбросов) углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью.