Влияние химических продуктов на окружающую среду

Экологическая химия - наука о химических процессах и взаимодействиях в окружающей среде (экосфере), а также о последствиях таких взаимодействий. В отличие от экологической химии химическая экология ограничивается изучением природных материалов, применением материалов только в природных условиях, исследованием обменных процессов и механизмов регулирования в организмах.

В экологической химии наряду с биологическими применяют также химические методы.

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 отличие от токсикологии 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 экотоксикологический свойства веществ обусловлены их химическим составом.

Эколого-химическое поведение веществ, методы их применения и объемы поступления в биосферу определяют уровень экспозиции. Последний в комплексе с экотоксикологическими свойствами вещества является основой для оценки воздействия вещества на окружающую среду.

Для объективной оценки влияния химических продуктов на окружающую среду не обходимо иметь абсолютную шкалу измерения качества окружающей среды. Однако поскольку не все факторы, влияющие на состояние окружающей среды, можно измерить количественно, а также поскольку неизвестно оптимальное состояние окружающей среды для человека, в настоящее время проводятся оценки только изменений ее состояния относительно некоторой исходной ситуации.

Идеальным решением было бы изучение всех химических продуктов в отдельности, определение их содержания и поведения в окружающей среде, исследование биологических последствий их воздействия.

Имеющиеся в настоящее время аналитические методы и приборы диагностирования позволяют выявить локальные концентрации химических веществ, попадающих в окружающую среду, и предпринять необходимые меры для снижения их содержания.

В глобальном масштабе загрязнения вредными веществами, если и могут быть снижены, то только с большими затратами и до некоторого порога безопасности. Поэтому при внедрении прогрессивной технологии или технологического процесса необходимо предусматривать применение таких химических материалов и продуктов, глобальное накопление которых не может привести к вредным последствиям для всей экосферы, частью которой является и человек.

Химические продукты часто выпускаются в виде сложных смесей, причем продукт одной фирмы является исходным сырьем для получения продуктов другой фирмой, так что фирме-производителю часто неизвестно, какие вещества будут получены из ее 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.

Несвойственные окружающей среде (посторонние) химические продукты - это химические вещества, поступающие в природную среду в результате деятельности чело века, в отдельных случаях достигающие таких концентраций, которые оказываются вредными для абиотических составляющих экосистем, для живых существ и особенно для самого человека. К таким продуктам относятся химические элементы, неорганические и органические соединения (синтетические или природного происхождения).

Понятие " живые существа" объединяет человека и весь окружающий его живой мир - животных, растения и микроорганизмы.

К настоящему времени на всем земном шаре идентифицировано около 400 тыс. видов растений и около 1,2 млн видов животных.

Загрязняющие химические продукты классифицируют по источникам поступления, областям применения и характеру воздействия:

биоциды (например, инсектициды, героициды, фунгициды), являются значимыми для окружающей среды химическими продуктами, поскольку длительное время применя­ются в окружающей среде, а по своему назначению их действие направлено против живых существ;

добавки к пищевым продуктам и косметическим средствам, имеют также большое значение, поскольку они непосредственно используются человеком;

удобрения, моющие средства и хлорированные растворители (химчистка), также важ­ны, поскольку они широко потребляются и в больших количествах.

Химические продукты классифицируют на природные и несвойственные окружающей среде вещества (ксенобиотики). Ксенобиотиками называют вещества, по своей структуре и биологическим свойствам чуждые биосфере и полученные исключительно в результате химического синтеза.

На основе эпидемиологических исследований и многочисленных экспериментов с животными очевидно, что многие химические вещества сопряжены с высокой степенью риска для здоровья человека и могут нанести непоправимый вред живым организмам, если их концентрация в окружающей среде будет возрастать. К таким химическим продуктам относятся различные тяжелые металлы, асбест, полициклические углеводороды и нитрозоамины.

Для многих химических веществ не имеется достаточных экспериментальных данных об эффектах их длительного воздействия на организм, что не позволяет сделать никаких выводов о степени потенциального риска при их использовании.

Ориентировочно, в настоящее время во всем мире производится около 80 тысяч видов химических продуктов.

Если учесть, что во всем мире используется около 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.

Под понятием материальный состав окружающей среды понимается химический состав биосферы (литосферы, гидросферы и атмосферы с находящимися на них живыми существами). Материальный состав окружающей среды устанавливается аналитическими методами. Понятие качество материального состава окружающей среды включает также оценку этой среды, т. е. принимается во внимание непосредственное состояние экосистемы - воды воздуха и почвы, а также продуктов питания и жилья человека. Значение состава окружающей среды для человека определяется различным объемом суточного потребления - в среднем около 10 кг воздуха, 2 л воды и 1 кг твердых продуктов питания.

Следует учитывать также влияние изменений в соответствующих средах на биологическое использование этих веществ, под которым понимают количество вещества, поступившее в организм за какое-то время и участвующее в обмене веществ. Пути проникновения вещества в организм (через кожу, органы дыхания или пищеварительный тракт) соответствуют различным возможностям его биологического использования.

Для разработки мероприятий по защите окружающей среды 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 экзосферы - воды, почвы, воздуха, а также живых организмов.

Однако для многих групп веществ и материалов методы количественного анализа недостаточно чувствительны и надежны.

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 с их производством и применением.

В концепции изучения отдельного вещества основное внимание уделяется изучению не только его полезных свойств, но и его поведения при воздействии на окружающую среду. При этом исследуется его предполагаемая или реально создаваемая концентрация, а также ее воздействие на материальный состав окружающей среды.

При методологии исследований, ориентированных на вещество необходимо составление долгосрочного баланса распределения в окружающей среде применяемых химикатов, их количества, области применения, переноса вещества в средах и между ними, разлагаемость химического продукта, а также его накопление.

Подобным же образом экотоксикологическое исследование направлено на количественную оценку потенциальных воздействий на видовой состав, плотность популяции и сообществ живых организмов в экосфере.

В соответствии с современным уровнем знаний основная задача экологической химии состоит в исследовании взаимоотношений между химическими продуктами, живыми и неживыми составляющими экосферы:

выявление загрязнения окружающей среды;

снижение загрязнения окружающей среды и изучение возможных последствий этого.

При исследовании загрязнений окружающей среды проводится эко диагноз, в котором можно выделить следующие этапы исследований:

содержание химиката в окружающей среде и объем производства;

области применения;

распространение в окружающей среде;

поступление и накопление в окружающей среде;

экотоксичность и токсичность;

устойчивость и разлагаемость;

реакции дальнейших превращений.

Объем производства и содержание химического продукта в окружающей среде основные аргументы для определения методологии и объема первоочередных диагностических исследований. Для изучения и оценки изменений материального состава окружающей среды предлагается несколько параллельных схем:

сопоставление изменений, связанных с чисто природными процессами (биогеохимия, химическая экология) и с деятельностью человека;

выяснение временного масштаба изменений: быстрые (краткосрочные) или очень медленные (порядка геологических периодов). Понятия краткосрочности или долгосрочности относительные. Для естественных процес­сов эволюции изменения в течение нескольких тысячелетий можно было бы назвать краткосрочными, в то же время антропогенные изменения в течение десятилетий можно считать долгосрочными;

пространственное распространение изменений содержания веществ - локальное, региональное, глобальное; так как экосистемы открыты, большие локальные изменения в долгосрочном плане приводят к региональным изменениям;

классическая классификация по изменениям качества сред экосферы.

Естественные (природные) 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 геофизические 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.

Эколого-химическая концепция, направленная на изучение веществ, особенно эффективна для прогнозирования региональных и глобальных изменений окружающей среды, вызванных применением химических продуктов.

В концепции экологической химии, основанной на изучении химических продуктов, в качестве критериев изменения материального состава окружающей среды используют следующие параметры:

объем производства;

области применения;

распространение в окружающей среде;

устойчивость и способность к разложению и превращению;

экотоксикологические свойства.

На основе этих параметров может быть охарактеризовано значение и дана оценка количественного влияния отдельных веществ на окружающую среду.

Объем производства - критерий эколого-химической концепции, основанной на изучении химических материалов, должен включаться в оценку антропогенного использования и оборота неорганических веществ, а также органических веществ природного происхождения.

Следует отметить, что обсуждаемые критерии состояния окружающей среды относятся только к определенным химическим продуктам и смесям веществ, которые можно оценивать и по другим перечисленным выше критериям, т. е. все параметры следует учитывать в совокупности. Например, бетон, камень, цемент и сталь, объем производства которых составляет более 85 % общего объема производства, оказывают химическое воздействие на окружающую среду только в том отношении, что их производство сопровождается вредными выбросами, а для их производства используют некоторые химические продукты.

Во всем мире ежегодно производится 300 млн т химических веществ.

Примерно 90 % органических химических продуктов производится из нефти.

Глобальные эмиссии из природных источников и в результате человеческой деятельности показаны в табл. 7. 1.

Существует 50 наиболее распространенных в мире веществ, которые вследствие высокой их концентрации могут превысить уровень содержания, обеспечивающий способность природных сред к самоочищению, характерную для соответствующей структуры соединений, а также снизить эффект биологической очистки и системы подготовки питьевой воды.

"Области применения" понимают как количественный учет использования отдельных химических продуктов на конечной стадии их потребления. Технологическое применение в домашнем хозяйстве, промышленности, сельском хозяйстве, продуктах питания и т.д. определяет направления распространения химических веществ в окружающей среде.

Таблица 7. 1.