Проблемы нерационального природопользования

– изучении современных  представлений о токсичности  и канцерогенности элементов и их соединений;

– исследовании специфических  биогеохимических особенностей поведения  токсикантов в окружающей среде, механизма их распространения и метаболизма;

– определении локализации канцерогенных веществ;

– оценке порогового эффекта токсикологического воздействия.

Основные природные источники  поступления токсикантов в окружающую среду – ветровая пыль, лесные пожары, вулканический материал, растительность, морские соли. Антропогенные источники токсикантов – производство цветных металлов, стали, чугуна, добыча полезных ископаемых, автомобильный транспорт, химическая промышленность, процессы сжигания минерального топлива, древесины и отходов. При этом антропогенный поток поступления токсикантов в окружающую среду превалирует над естественным (50 – 80%).

В качестве количественной оценки уровня загрязнения окружающей среды могут быть использованы индекс загрязнения, предельно допустимая, фоновая и токсическая концентрации.

Индекс загрязнения –  показатель, качественно и количественно отражающий присутствие в окружающей среде вещества-загрязнителя и степень его воздействия на живые организмы.

Предельно допустимая концентрация – количество вредного вещества в окружающей среде, которое при постоянном контакте с человеком или при воздействии на него за определенный промежуток времени практически не влияет на его здоровье. Этот параметр вводился как нормирующий показатель во многих странах, в том числе и в России.

Существующая система  предельно допустимой концентрации недостаточно информативна, поскольку  предусматривает определение индивидуального токсиканта. Между тем совместное действие, например, органокомплексов тяжелых металлов кардинально меняет предельно допустимую концентрацию, экспериментально полученную для какого-то тяжелого металла.

Фоновая концентрация – содержание вещества в объекте окружающей среды, определяемое суммой всеобщих и региональных, естественных и антропогенных вкладов в результате дальнего или трансграничного переноса.

Под токсической концентрацией  понимают концентрацию вредного вещества, которое способно вызывать гибель живых организмов либо при различной длительности воздействия, либо в течение 30 суток от начала действия на них вредных веществ.

 

Токсиканты и их биогеохимические особенности.

Понятия “вредное вещество”  и “токсикант” – ключевые в экотоксикологии. Вредное вещество – это инородный, нехарактерный для природных экосистем ингредиент, оказывающий отрицательное влияние на живые организмы, обитающие в этих экосистемах. Токсикант – вещество или соединение, вызывающее  действие ядов на живые организмы. В зависимости от характера воздействия и степени проявления токсичности, они классифицируются на две большие группы: токсичные и потенциально токсичные. По химической природе вредные вещества, или токсиканты, бывают неорганического (кадмий, ртуть, свинец, мышьяк, никель, бор, марганец, селен, хром, цинк и др.) и органического (фенолы, амины, нефтепродукты, пестициды, формальдегид, бенз(а)пирен и др.) происхождения. Существует классификация по опасности различных химических веществ, попадающих в окружающую среду. В зависимости от степени токсикологического воздействия химические вещества подразделяют на три класса:

I – мышьяк, кадмий, ртуть,  селен, свинец, цинк, фтор, бенз(а)пирен;

II – бор, кобальт, молибден, медь, сурьма, хром;

III – барий, ванадий,  марганец, стронций, ацетиофенон.

Наиболее приоритетными  для химико-токсикологического анализа  являются тяжелые металлы (свинец, ртуть, кадмий, медь, никель, кобальт, цинк), обладающие высокой токсичностью и миграционной способностью. Их поведение в различных природных средах обусловлено специфичностью присущих им основных биогеохимических свойств, определенная аналогия которых позволила сгруппировать эти элементы и выявить общие закономерности их токсикологического воздействия на окружающую среду (см. табл. 2).

Таблица 2 Основные биогеохимические свойства тяжелых металлов

*В – высокая, У –  умеренная, Н – низкая

Так, например, медь и цинк характеризуются наибольшей химической активностью и являются главными составляющими многих ферментов, участвующих в природной селекции аэробных клеток, в окислительно-восстановительных процессах тканей, иммунной реакции, стабилизации рибосом и мембран клеток.

Никель и кобальт –  биологически активные и канцерогенные металлы. Сравнительно малая подвижность обусловливает достаточно равномерное их распределение в природных средах.

Геохимические особенности  свинца – малая подвижность и  непродолжительное время жизни  в атмосфере и природных водах. В поверхностных водах оно  составляет несколько лет, а в глубинных – до 100 лет.

Кадмий склонен к активному  биоконцентрированию, чем объясняется его избыточное накопление за довольно короткое время. Поэтому кадмий по сравнению с другими тяжелыми металлами наиболее сильный токсикант (Сd > Ni > Сu > Zn).

Ртуть – самый токсичный  элемент в природных экосистемах. По токсикологическим свойствам соединения ртути классифицируются на следующие группы: элементная ртуть, неорганические алкилртутные (метил- и этил-) и другие ртутьорганические соединения, а также комплексные соединения ртути с гумусовыми кислотами. Ртутьорганические наиболее токсичны для человека и биоты. Их доля в речных водах составляет 46% от общего содержания, в донных отложениях – до 6%, в рыбах – до 80 – 95%. Как неорганические, так и органические соединения ртути хорошо растворимы в воде.

Степень загрязнения окружающей среды токсикантами во многом определяется их способностью к миграции. Миграция элементов – это перенос и перераспределение химических элементов в земной коре и на поверхности Земли. Сложность биогеохимических процессов, происходящих в атмосферном воздухе, осадках, природных водах, донных отложениях, почвах, не позволяет высказать однозначной точки зрения по поводу того, какие соединения тяжелых металлов определяют их подвижные формы и обусловливают преобладание в естественных и техногенных процессах. Например, в атмосферном воздухе и осадках тяжелые металлы находятся и мигрируют в газообразной и аэрозольной формах, в виде органических и неорганических комплексных соединений. В донных отложениях они находятся преимущественно во взвешенных формах органического происхождения; в почвах – в водорастворимых ионообменных и непрочно адсорбированных формах.

 

Понятие токсичности  и канцерогенности элементов и соединений.

Токсичность и канцерогенностъ — это свойства элементов и соединений, отрицательно влияющих на живые организмы и приводящих к уменьшению продолжительности их жизни.

Количество, при котором  химические ингредиенты становятся действительно опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения ими гидросферы или атмосферы, но также от их особенностей и частностей биохимического цикла. Для сравнения степени токсикологического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются понятием молярной токсичности, отражающим увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине.

Перенос токсикантов происходит через атмосферу и большие реки, несущие воды в океаны. Земля, ложа рек, океаны служат как бы резервуаром для их скопления. Факторами окружающей среды, влияющими на токсичность, являются температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие комплексообразующих агентов и других загрязнителей в воде. Уменьшение парциального давления кислорода, увеличение рН и жесткости воды снижают токсикологическое воздействие веществ-загрязнителей на окружающую среду и живые организмы. Устойчивость живого организма по отношению к токсикантам может быть достигнута: при уменьшении поступления токсиканта; при увеличении коэффициента выделения токсиканта; при переводе токсиканта в неактивную форму в результате его изоляции или осаждения.

Факторы, влияющие на доступность  токсикантов, усвоение, их воздействие на организм, могут быть совершенно разной природы:

– химические (химические свойства, окислительно-восстановительные потенциалы, частота воздействия);

– физические (освещенность, температура, турбулентность в растворах);

– биологические (размеры, стадии развития, упитанность, состояние здоровья, акклиматизация).

Канцерогенез – способность вещества (металла) проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки. Канцерогенными веществами являются никель, кобальт, хром, мышьяк, бериллий, кадмий и др. Различие в канцерогенной активности металлов определяется биодоступностью их соединений. Например, соли шестивалентного хрома СrО42- потенциально более канцерогенны, чем соли трехвалентного хрома СrCl3, поскольку первые легче проникают в клетки, а вторые – лишь ограниченно. Канцерогенез зависит как от механизма поступления канцерогенных веществ в клетку, так и от их количества внутри клетки.

Канцерогенные вещества могут  быть разделены на три категории: металлсодержащие частицы; водорастворимые соединения металлов; жирорастворимые соединения.

Наибольшей проникающей способностью обладают водорастворимые соединения. Например, хромат-ион СrO42- легко проникает в клетки с использованием SO42-транспортной системы. А ион никеля не внедряется в клетки, поэтому многие водорастворимые соли никеля не рассматриваются как канцерогенно опасные.

Жирорастворимые соединения металлов, например карбонил никеля Ni(СО)4, легко входят в клетку и поэтому очень токсичны.

На механизм канцерогенеза  сильно влияет рН среды, температура, наличие в клетке аминокислот. В кислой области рН наблюдается наибольшая растворимость канцерогенов в клетках. Если в клетке присутствуют аминокислоты, хорошо связывающие металлы (такие, как цистеин, гистидин), то сильно снижается способность канцерогенов, например никеля, проникать в клетки. Повышение температура среды приводит к ускорению процесса канцерогенеза.

Локализация канцерогенных  ионов металлов в клетках обусловливает  хромосомные нарушения, которые  являются результатом сшивания молекул ДНК с белком и трансформации клетки. Такие канцерогенные металлы, как никель и хром образуют очень стабильные тройные комплексы, состоящие из ДНК, металла и белка. Образовавшись, эти комплексы вовлекают в канцерогенез другие ионы металлов.

Предметы экотоксикологических исследований чрезвычайно разнообразны. Это воды, почвы, фармацевтические препараты, биологические объекты животного происхождения, пищевые продукты и напитки, пестициды, средства бытовой химии, растительность, отходы и т.д. Поэтому комплекс прикладных задач, решаемых экотоксикологией, далеко не прост и весьма специфичен. Наиболее приоритетные из них:

– создание современной  методологии экотоксикологических исследований, позволяющей проводить достоверную оценку качества окружающей среды в условиях природопользования и комплексного влияния основных ее экологических составляющих на живые организмы;

– осуществление ранней диагностики модификаций в организме, выявляемых до наступления морфологических, генетических, популяционных и других изменений;

– разработка прикладных основ  химико-токсикологического анализа  загрязнителей, включающего разнообразные  способы их обнаружения, изолирования и количественного определения в объектах окружающей среды;

– создание целенаправленного  мониторинга токсикантов, вызывающих те или иные отклонения в живых организмах, который позволит по-новому подойти к идентификации наиболее активно действующего фактора.

Основная задача химико-токсикологического анализа – установление характера объекта, его консистенции и морфологического состава.

Количественное определение  токсикантов осуществляют физическими и физико-химическими методами: нейтронно-активационным, рентгенофлуоресцентным, масс-спектрометрическим, хроматографическим, электрохимическим, спектрофотометрическим, атомно-абсорбционным анализом, атомно-эмиссионным анализом с индуктивно связанной плазмой.

 

Основы экономики  природопользования. Оценка экономической  эффективности природоохранных  мероприятий.

Для рационального природопользования необходимы экономические “рычаги”: стимулы и система наказаний, которые заинтересовали бы конкретного  производителя перейти на ресурсосберегающую и малоотходную технологию. Рассмотрим методы оценки экономической эффективности  природоохранных мероприятий.

Экономическая эффективность  двух вариантов одного и того же процесса определяется по разности их приведенных затрат

Э = З1 – З2 ,

которые вычисляют по уравнению

З = С + ЕК ,

где С – себестоимость; Е – капитальные вложения; К – коэффициент эффективности.

Для оценки природоохранных  мероприятий двух основных составляющих приведенных затрат оказывается  недостаточно, и необходимо дополнить  их величиной ущерба У. В этом случае эффективность мероприятия определяется формулой

Э = (З1 + У1) – (З2 + У2).

Ущерб содержит три аспекта: социальный, моральный и экономический. Нас будет интересовать лишь экономический  ущерб –  это практические (или возможные) потери либо отрицательные изменения в окружающей природной среде, вызванные антропогенными причинами и выраженные в денежной форме. В настоящее время утверждена временная типовая методика определения эффективности природоохранных мероприятий и оценка экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды.

Различают три вида экономического ущерба:

фактический – потери, нанесенные народному хозяйству в результате загрязнения окружающей среды;

возможный – ущерб народному  хозяйству, который мог бы быть нанесен  в случае отсутствия природоохранных  мероприятий. Он зависит от масштабов  производства и производительности общественного труда, изменения  структуры загрязняемого района;

предотвращаемый – разность между возможным и фактическим  ущербами.

Ущерб определяется, исходя из следующих моментов:

– технический, связанный  с организацией контроля за состоянием окружающей среды;

– исследования медицинского, биологического, химического характера  с привлечением специалистов других отраслей народного хозяйства;

– экономическая и теоретическая  оценка ущерба.

 

Расчет экономического ущерба, наносимого окружающей среде  в результате загрязнения атмосферы.

Экономический ущерб от загрязнения  атмосферы рассчитывается по уравнению

У = Уз + Ус + Ук + Уп,

где Уз – ущерб, причиняемый повышенной заболеваемостью персонала (это оплата бюллетеней, затраты на медицинские услуги и т.д.); Ус – ущерб, наносимый сельскому и лесному хозяйству (потери урожайности, животноводства, лесного хозяйства и т.д.); Ук – ущерб, причиняемый  коммунальному хозяйству (дополнительные затраты на содержание жилищного и коммунального хозяйства, на бытовые услуги); Уп – ущерб, наносимый  промышленным объектам (дополнительные затраты на ремонт, потери сырья, топлива, текучесть кадров и т.д.).