Забруднення навколишнього середовища та його оцінка

Середовищем життя будь-якого організму є біосфера, а точніше якась конкретна її комірка - екологічна ніша. Біосфера - це специфічно організоване об'єднання всього живого та мінеральних елементів. Взаємодія між ними проявляється в біогенній міграції атомів, яка здійснюється за рахунок енергії сонячного випромінювання.

У біосфері відбувається колообіг речовин, енергії і особин, який здійснюється за участю всіх організмів, що населяють її. Всі живі істоти є частинами одного цілого, гігантської сукупності живих істот, живого покриву Землі.

Як відомо, сонячна енергія на Землі викликає два колообіги речовин: великий або геологічний, який найбільш яскраво проявляється в колообігу води і циркуляції атмосфери, і малий або біологічний (біогеохімічний), що розвивається на основі великого і полягає в коловій циркуляції речовин між ґрунтом, рослинами, мікроорганізмами, тваринами. Обидва колообіги взаємозв'язані та становлять єдиний процес. Втягуючи в свої багаточисленні орбіти неживе середовище, біологічний колообіг речовин забезпечує відтворення живої речовини і допомагає активно впливати на вигляд біосфери. В цю живу коловерть включаються антропогенні агенти - забруднювачі природного середовища, створюючи техногенний колообіг речовини, наносячи шкоду живим компонентам планети і передусім людині.

Забруднення навколишнього середовища - це процес внесення в середовище або ж виникнення в ньому нових, зазвичай нехарактерних для нього фізичних, хімічних, біологічних агентів, які проявляють негативний вплив на живі та неживі об'єкти.

Забруднення можуть бути як природного, так і антропогенного походження.

За фізіологічним впливом на організм людини всі шкідливі речовини поділяють на такі групи:

• подразнюючі, що вражають шляхи дихання, шкіру, слизові оболонки, (аміак, хлор, кислоти);

• задушливі (сірководень, вуглекислий газ, оксид вуглецю, азот, метан, інертні гази тощо);

• канцерогенні;

• мутагенні;

• такі, що впливають на репродуктивну функцію;

• наркотичні, такі, що спричиняють наркотичний вплив (ацетон, бензин, летучі вуглеводи тощо);

• соматичні (миш'як, ртуть, свинець тощо).

За ступенем впливу на організм людини шкідливі речовини поділяють на такі класи небезпеки:

1-й - надзвичайно шкідливі;

2-й - високо шкідливі;

3-й - помірно шкідливі;

4-й - мало шкідливі.

Виділяють чотири типи забруднень: фізичні, хімічні, механічні та біологічні.

Фізичні забруднення включають сонячну радіацію, електромагнітні випромінювання, шуми, вібрації, гравітаційні сили тощо.

Хімічні забруднення бувають твердими, рідкими, газоподібними.

Механічні забруднення - це різного походження тверді відходи виробництва та побуту.

Біологічні забруднення - різноманітні організми (бактерії, мікроби, віруси, пилок, насіннєвий пух тощо).

Головними природними джерелами надходження забруднювачів природного середовища є вулканічний матеріал, морські солі, пилові бурі, лісові пожежі, рослини, тварини, мікроорганізми тощо.

До антропогенних джерел належать первинне і вторинне виробництво кольорових металів, сталі, чавуну, заліза; добування корисних копалин, автомобільний транспорт; хімічна промисловість; виробництво фосфатних добрив, спалювання вугілля, нафти, газу, деревини, різноманітних відходів та ін. Особливе місце серед проблем антропогенного забруднення займають проблеми екотоксикології, які, виходячи з уявлень про роль лімітуючих факторів, що в різних дозах впливають на організм людини, вимагають всестороннього аналізу навколишнього середовища.

Серйозною проблемою є встановлення порогового ефекту токсикологічного впливу в системах «токсикант - навколишнє середовище» та «токсикант - живий організм» і визначення параметра «доза -зворотна реакція». Дослідження в цій галузі послужили активним імпульсом для розвитку екотоксикології. Наукове значення екотоксикології полягає у розробці сучасних уявлень про токсичність і канцерогенність елементів та їх сполук; дослідженні специфічних біогеохімічних особливостей поведінки токсикантів в навколишньому середовищі, механізму їхнього поширення та метаболізму; встановленні взаємозв'язку між необхідністю й токсичністю елементів; визначенні локалізації канцерогенних іонів; оцінці порогового ефекту токсикологічного впливу.

Кількісна оцінка порогового ефекту токсикологічного впливу, що наявна у системах «токсикант - навколишнє середовище» і «токсикант - живий організм», описується рівнянням:

2.1

де Д_r - доза шкідливої речовини, що досягає рецептора; Д_o - доза шкідливої речовини, що потрапила в організм; Д_e і Д_т - дози шкідливої речовини виділені з організму та обеззаражені у процесі просування отрути до рецептора.

Концепція пороговості передбачає високу якість середовища та повну безпеку для людини і будь-яких популяцій за умов забруднення цього середовища нижче певного рівня, вплив якого на організми менше деякого порогового значення (лімітуюча доза в діапазоні екологічної толерантності).

Критерієм кількісної оцінки рівня забруднення навколишнього середовища можуть бути:

• індекс забруднення (ІЗ);

• гранично допустима концентрація (ГДК);

• гранично допустима доза (ГДД);

• фонова концентрація;

• токсична концентрація;

• гранично допустимі викиди (ГДВ);

• максимально-допустиме навантаження (МДН).

Індекс забруднення - це показник, який кількісно та якісно характеризує присутність в навколишньому середовищі речовини-забруднювача і ступінь його впливу на живі організми.

Гранично допустима концентрація - це максимальна кількість шкідливих речовин в одиниці об'єму або маси середовища води, повітря або ґрунту, яка при постійному контакті або впливі за певний проміжок часу практично не впливає на здоров'я людини. ГДК встановлюється у законодавчому порядку або ж регламентуються компетентними установами, комісіями як норматив.

Гранично допустимі концентрації речовин, які забруднюють біосферу, в свій час вводилися як нормуючі показники в багатьох країнах світу, в тому числі і в нашій країні, причому враховувався не тільки вплив забруднення на здоров'я людини, але вплив на тварини, рослини, мікроорганізми, природні угруповання, воду, повітря, ґрунти.

У більшості країн світу ГДК встановлені більш ніж для 700 шкідливих газів, парів і пилу у повітрі.

Визначаючи ГДК, доводиться вибирати між ймовірністю нанести шкоду здоров'ю людини й економічною вигодою. При цьому керуються наступними принципами.

1. Пріоритет медико-біологічних показників встановлення санітарних регламентів перед іншими підходами (технічна доцільність, економічна вигода).

2. Пороговість усіх типів впливу шкідливих факторів (у тому числі хімічних сполук з мутагенним і канцерогенним ефектом).

3. Випередження розробки і запровадження профілактичних заходів порівняно з часом появи шкідливого фактора.

ГДК забруднюючих речовин в атмосферному повітрі населених пунктів поділяють на максимально разові (ГДК_м.р) і - середньодобові (ГДК_с). Перша з них визначає допустиму величину короткотривалого впливу забруднюючої речовини на організм людини, друга - допустиму величину тривалого впливу.

Нормативи ГДК_м.р встановлюють за межею рефлекторної дії забруднюючої речовини на людей (наприклад за порогом нюху), а норматив ГДК_с- з урахуванням порогу токсичної дії. Якщо її вплив починається з вищої концентрації, ніж рефлекторний, то норматив ГДК_с і ГДК_м.р для даної речовини однакові. На території підвищеної охорони встановлюються значно жорсткіші норми - ГДК зменшується на 20 %.

Для речовин, щодо яких ГДК не встановлювалися, використовують тимчасові нормативи - орієнтовно безпечні рівні впливу (ОБРВ) або тимчасово допустимі концентрації, які аналогічно ГДК є допустимими максимальними разовими концентраціями й аналогічно ГДК вимірюються в мг/м³. Цей вираз концентрації можна прийняти для будь-якого агрегатного стану домішок.

За кордоном, зокрема в США, часто користуються іншою концентрацією забруднювача в повітрі:

2.2

2.3

де М .- молекулярна маса забруднювача; 22,4 - об'єм в літрах 1 моля газу при 25°С і 760 мм рт. ст.

Критерієм оцінки впливу викидів підприємств в навколишнє середовище є рівень практичних концентрацій домішок в атмосфері, одержаних внаслідок розсіювання викидів, порівняно з гранично допустимим. Для повітря встановлені відповідні значення ГДК.

Норми ГДК служать вихідним матеріалом для проектування промислових споруд і підприємств, технологічних ліній, експертизи нових машин і механізмів. За цими нормативами розраховують вентиляційні та кондиціонуючі системи, контролюючі прилади й системи сигналізації.

Слід зауважити, що існуюча система ГДК не дає, на жаль, достовірної інформації, оскільки орієнтована на встановлення індивідуального токсиканта, не вказуючи як цей забруднювач діє на організм у комплексі з іншими забруднювачами. Наприклад, є дані про те, що корисні для людського здоров'я фітонциди, які виділяють хвойні дерева, в умовах міського забруднення, об'єднуючись зі складними сполуками, що містяться в повітрі, утворюють сильно діючі токслканти. Це також стосується хелатів - сполук важких металів з ґрунтовими органічними кислотами, які стають небезпечними для мікоризи грибів.

Фонова концентрація - це вміст речовини в об'єкті навколишнього середовища, яка визначається сумою глобальних, регіональних природних і антропогенних внесків внаслідок дальнього або транскордонного перенесення.

Токсична концентрація - це концентрація шкідливої речовини, що здатна при різній тривалості впливу викликати загибель живих організмів. Цей показник є своєрідним індикатором токсичності природно-антропогенних екосистем.

Сьогодні, використовують в екотоксикології, наступні поняття: шкідлива речовина, токсикант, забруднювач, метаболізм, канцерогенез.

Шкідлива речовина - це привнесений нехарактерний для природних екосистем інгредієнт, який негативно впливає на екосистеми й організми, що живуть в них.

Токсикант - це речовини або елементи, здатні виявляти отруйну дію на живі організми, і які можна об'єднати у дві великі групи: токсичні та потенційно токсичні. Вони бувають неорганічного походження (кадмій, ртуть, свинець, миш'як, нікель, бор, марганець, селен, хром, цинк тощо) та органічного (нітратосполуки, поверхнево-активні речовини, пестициди, формальдегід, бензопірен та ін).

Залежно від ступеня токсикологічного впливу хімічні речовини поділяють на три класи (табл. 2.1).

Таблиця 2.1 - Класи небезпечності різних хімічних речовин, які потрапляють у грунт з викидів, відходів

Клас	Хімічна речовина
І	Миш'як, кадмій, ртуть, селен, свинець, цинк, фтор, бензопірен
II	Бор, кобальт, нікель, молібден, мідь, сірка, хром
III	Барій, ванадій, вольфрам, марганець, стронцій, ацептофенол

Особливо високою токсичністю і міграційною здатністю характеризується важкі метали - свинець, ртуть, кадмій, мідь, нікель, кобальт, цинк (табл. 2.2).

Таблиця 2.2 - Основні біогеохімічні властивості важких металів

Властивості	С	№	Си	Zn	Cd	Hg	РЬ
Біохімічна активність	-	В	в	в	в	в	в
Токсичність	П	п	п	п	в	в	в
Канцерогенність	В	в	-	-	-	-	-
Збагачення глобальними аерозолями	н	н	в	в	в	в	в
Мінеральна форма поширення	в	н	н	н	в	в	в
Органічна форма поширення	н	н	п	п	в	в	в
Рухливість	н	н	п	п	в	в	в
Тенденція до біоконцентрації	в	в	п	п	в	в	в
Ефективність накопичення	п	п	в	в	в	в	в
Комплексоутворююча властивість	н	н	в	в	п	п	н
Схильність до гідролізу	н	п	в	в	п	п	п
Розчинність	н	н	в	в	в	в	в
Тривалість життя	в	в	в	в	н	н	н

Примітка: В - висока; П - помірна; Н - низька.

Міграція елементів - це перенесення і перерозподіл хімічних елементів у земній корі та на поверхні Землі.

Як стверджують вчені, складність біогеохімічних процесів, які відбуваються в атмосферному повітрі, атмосферних опадах, природних водах, не дозволяють висловити однозначну точку зору відносно дії сполук важких металів. Однак аналіз фундаментальних робіт і даних експериментальних досліджень дають змогу зробити висновки про те, що в атмосферному повітрі й атмосферних опадах перебувають важкі метали, які мігрують у формі органічних і неорганічних комплексних сполук - у природних водах вони у формі вільних іонів, моноядерних гідрокомплексів, неорганічних (сульфатні, хлоридні, карбонатні) і органічних (фульфатні, гуматні) сполук, які існують у колоїдних та інших формах; у ґрунтах вони у водорозчинних іонообмінних і адсорбованих формах.

Показниками негативного впливу елементів і сполук на живі організми є їх токсичність і канцерогенність, які негативно впливають на живі організми і призводять до зменшення тривалості їхнього життя.

Стійкість організму стосовно дії токсикантів може досягатися при: а) зменшенні надходження токсиканта; б) збільшенні коефіцієнта виділення токсиканта; в) переведенні токсиканта в неактивну форму внаслідок його ізоляції або осадження.

До факторів, що впливають на токсикантів, їх засвоєння, негативну дію, належать: хімічні фактори (хімічні властивості, частота впливу тощо), фізичні (освітленість, температура, турбулентність в розчинах); біологічні (розміри, стадія розвитку, стан здоров'я, акліматизація).

Слід зупинитися на канцерогенезі. Канцерогенез - це здатність речовини, елемента проникати в клітини і реагувати з молекулою ДНК, викликаючи хромосомні порушення. Канцерогени розподіляють на три групи: а) металомісткі частинки; б) водорозчинні сполуки металів; в) жиророзчинні сполуки.

Активність канцерогенезу залежить від ряду факторів: рН середовища (чим кисліше рН, тим вища розчинність канцерогенів у клітинах); наявності в клітині амінокислот (які мають зв’язуючи здатність, що стримує проникнення у клітину важких металів, наприклад нікелю); температури середовища, яка прискорює процеси канцерогенезу.

Накопичення у клітинах канцерогенних іонів металів призводить до хромосомних змін, які є результатом об'єднання молекул ДНК з білком трансформації клітини. Наприклад нікель, хром утворюють тройні надзвичайно стійкі комплекси, в які входять ДНК, метал і білок.

Важливим показником забруднення атмосферного повітря є гранично допустили викиди (ГДВ) - кількість шкідливих речовин, що викидаються за одиницю часу (г/с) і в сумі з викидами з інших джерел забруднення не створюють приземної концентрації домішок, які б перевищували ГДК. Це науково-технічний норматив для конкретного джерела забруднення й обов'язковий для конкретного підприємства.

Якщо у повітрі населеного пункту концентрація перевищує ГДК, а величина ГДВ із об'єктивних причин не може бути досягнута, то фактичний викид називається тимчасово погодженим викидом.

Максимально-допустиме навантаження-це максимальна інтенсивність дії всієї сукупності факторів навколишнього середовища, яка не виявляє прямого чи побічного шкідливого впливу на організм людини та її нащадків і не погіршує санітарних умов життя.

Постійними супутниками сучасної людини стали сильнодіючі отруйні речовини (СДОР) та дими, які є результатом аварійних викидів, що трапляються на промислових підприємствах, вибухів, пожеж, пошкодження сховищ шкідливих речовин, катастроф на залізничному і морському транспорті. Найчастіше люди отруюються хлором, аміаком, випарами різних кислот, сірководнем, сумішшю вуглеводнів тощо.

Хлор. Отруєння хлором призводить до появи і розвитку астматичного бронхіту, токсичного набряку легень, а великі його концентрації викликають хімічні опіки легень, спазми голосових зв'язок, а в окремих випадках смерть.

Аміак. Отруєння аміаком зумовлює трахеобронхіти, ларингіти тощо, а великі його концентрації спричинюють такі ж захворювання, як і отруєння хлором.

Пари кислот. Особливо небезпечними є пари азотної, хлорної, сірчаної, оцтової та інших кислот. Легкі отруєння ними викликають запалення дихальних шляхів, опіки та подальші пошкодження шкіри, а в разі високих концентрацій - загибель людини.

Сірчистий ангідрид (S0₂) переважає серед інших сполук сірки техногенного походження (S0₃,H₂S, CS₂). Звичайно він виділяється в процесі згорання певних видів палива або під час переробки сірчистих руд. У вільній атмосфері сірчистий ангідрид окислюється до сірчаного ангідриду або вступає у взаємодію з іншими сполуками, зокрема вуглеводнями. Окислення сірчистого ангідриду у сірчаний відбувається в процесі фотохімічних і каталітичних реакцій, причому в обох випадках кінцевим продуктом є аерозоль або розчин сірчаної кислоти у дощовій воді. На відміну від вуглекислого газу, сірчистий ангідрид локальний, хоча й досить поширений забруднювач, що наявний в якості постійних домішок в атмосферному повітрі великих міст і промислових центрів. Його разова ГДК у повітрі становить 0,5 мг/м³, а середньодобова -0,05 мг/м³.

Екологічна небезпека сірчистого ангідриду полягає в тому, що при його фотохімічному окисленні у присутності двоокису азоту та вуглеводнів, за наявності навіть незначних (фонових) концентрацій цих речовин у повітрі, спочатку відбувається утворення сірчаного ангідриду S0₃, який при взаємодії з водяними парами в атмосфері утворює аерозолі сірчаної кислоти з різними сульфатними сполуками.

Тривалість цього циклу від моменту природних і техногенних викидів S0₂ до надходження з атмосфери парів сірчаної кислоти або сульфатів 5-14 діб. Повітряними потоками аерозолі сірчаної кислоти переносяться на значні відстані, деколи на сотні кілометрів. Концентрація в атмосфері H₂S0₄ досягає максимуму на відстані 200 - 250 км від джерела, а сульфатів - близько 600 км. При цьому величина рН опадів знижується до мінімальних значень (близько 4,0), що веде до підкислення ґрунтів і вод.

Окисли азоту належать, як і сірчаномісткі полютанти, до профілюючих техногенних забруднювачів на території промислово розвинутих країн. Він невід'ємний компонент емісій житлових електростанцій, заводів із виробництва азотних добрив й анілінових барвників, а також викидів автотранспорту. Сьогодні антропогенні викиди окислів азоту у всьому світі щорічно становлять 180 млн г. Вони поширюються майже так само як S0₂: максимальний вміст азотної кислоти спостерігається на відстані близько 200 км від джерела емісій.

Двоокис азоту, який потрапляє в атмосферу з димогазовими промисловими викидами, взаємодіючи з водою, вуглекислим газом і киснем, утворює азотну кислоту, альдегіди, специфічні нітратні сполуки, що осідають на землю у вигляді сірого туману - смогу. Всесвітньо відомий лондонський смог, а ще й т. зв. лос-анджелеський смог який спричиняють вихлопні гази та яскраве проміння сонця. Промислові смоги можна спостерігати й над індустріальними центрами України - Кривим Рогом, Дніпродзержинськом, Маріуполем, Донецьком та ін.

До сильнодіючих отруйних речовин належить вихлопи автомобільних двигунів, в складі яких чадний газ, тетраетилсвинець, бензопірен (всього близько 200 найменувань). їхній систематичний вплив на людину викликає гострі респіраторні захворювання, бронхіт, пневмонію тощо.