Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Декабря 2014 в 02:48, курс лекций
Экологическая химия находится на стыке целого ряда научных дисциплин и во многом соприкасается и перекрывается со смежными научными направлениями, среди которых можно назвать биологические и геологические науки, в то же время экотоксикология тесно связана с медико-фармакологическими дисциплинами. Экологическая химия изучает изменения химических веществ под воздействием факторов окружающей среды, причем центральной задачей является изучение поведения антропогенных веществ, т.е. их содержания (концентрации в окружающей среде), процессов разложения, превращения и накопления в организмах и окружающей среде.
Определение понятий «экологическая химия» и «экотоксикология».
Задачи и основные понятия в экотоксикологии.
При одновременном присутствии в воздухе нескольких веществ, обладающих суммирующим действием, должно выдерживаться следующее неравенство:
С1/ПДК1 + С2/ПДК2 +…+ Сn/ПДКn ≤ 1,
где С1, С2, …, Сn - фактические концентрации вредных веществ; ПДК1, ПДК2, …, ПДКn - соответствующие предельно допустимые концентрации, установленные для их изолированного присутствия.
Согласно действующим санитарным нормам, ПДК вредных веществ в рабочей зоне являются максимальными разовыми, т. е. не зависят от времени воздействия на человека. Исключение составляет лишь оксид углерода, для которого при сокращении срока работы человека с 1 ч до 15 мин ПДК может быть соответственно повышена с 50 до 200 мг/м3.
Развитие автоматизации и механизации производственных процессов, робототехники позволяет значительной части работающих выполнять свои функции у пультов управления, где воздух чище, чем на остальных рабочих местах. Поэтому ставится вопрос о пересмотре ПДК ряда других вредных веществ с учетом времени их воздействия на человека, как это принято для оксида углерода. Для некоторого (весьма ограниченного) количества вредных веществ установлен норматив среднесменных ПДК, учитывающих неравномерность их концентрации в рабочей зоне по времени.
Загрязнение атмосферы - это не одна, а множество примесей к основным компонентам воздуха. Поэтому последствия загрязнений - результат комбинированного, часто синергического воздействия целой смеси загрязнителей. При этом порой трудно выделить конкретного виновника того или иного отрицательного воздействия. Так, уровень заболевания раком легких у курящих и некурящих в сельской местности примерно одинаков, но резко увеличивается у курящих в городе. Особая опасность воздействия на человека загрязняющих воздух вредных веществ заключается в том, что он сразу не ощущает их влияния. Примером может служить оксид углерода (угарный газ) - газ без цвета, вкуса и запаха, высокая концентрация которого вызывает тяжелые последствия вплоть до паралича сердца.
Другой пример - пары ртути, вдыхая которые человек тоже непосредственно не ощущает их пагубного действия. Между тем, это все более широко распространяющееся вредное вещество обладает кумулятивным действием: при содержании во вдыхаемом воздухе более ПДК оно накапливается в органах, в частности в печени. Тяжелое заболевание, связанное с отравлением парами ртути, наступает, как правило, после более или менее длительного воздействия их и проявляется при ослаблении организма в результате легкого заболевания (насморк и т. п.). Потенциальная опасность паров ртути увеличивается в связи с бесконтрольным захоронением боя использованных люминесцентных ламп, имеющих широкое применение.
Токсичность некоторых веществ проявляется неожиданно, например, бериллиевая пыль даже в небольших концентрациях в воздухе вызывает тяжелое заболевание - бериллиоз; химикат кепоне поражает мозг и печень, причем эти поражения создают угрозу раковых заболеваний. Вредные вещества выделяют различные полимерные материалы, применяющиеся для отделки помещений и мебели. Все это необходимо учитывать при решении вопросов охраны воздушной среды.
К наиболее распространенным газам, загрязняющим воздушную среду, относят оксид углерода, окислы азота (NO, N203, NO2, N2O5) и сернистый ангидрид.
Оксид углерода СО. Бесцветный и не имеющий запаха газ. Воздействует на нервную и сердечно-сосудистую системы, вызывая удушье. Первичные симптомы отравления этим веществом (головная боль) возникают при концентрациях 200-220 мг/м при длительности воздействия 2-3 ч. При повышенных концентрациях появляются пульсация в области висков и головокружение. Токсичность СО возрастает при наличии в воздухе оксидов азота, в этом случае концентрацию СО в воздухе нужно снижать в 1,5 раза.
Сероуглерод CS2. Нейротропный яд, который в 2-6 раз тяжелее воздуха и поэтому длительно задерживается в приземном слое. Пары этого соединения поступают в окружающую среду при производстве синтетических волокон, пластмасс, клея, стекол. Проникает в организм преимущественно ингаляционно, вызывая вначале стойкую головную боль, расстройство сна, снижение работоспособности, неприятные ощущения в области сердца. Затем развиваются нарушения эмоциональной сферы (раздражительность, колебания настроения), ослабление памяти, вегетативные нарушения. Для воздуха рабочих помещений ПДК содержания сероуглерода – 0,001 мг/л. Концентрация превышающая ПДК в 2-5 раз при повторяющемся ингаляционном воздействии, вызывает не только функциональные сдвиги, но и органические нарушения периферической центральной нервной системы, а также эндокринной, сердечно-сосудистой, пищеварительной систем.
Оксиды азота NOX (NO, NO2, N2O3, NO5, N2O4). Образующийся, главным образом естественным путем N2O безвреден для человека, что позволяет использовать его для наркоза. Его роль в загрязнении воздуха заключается в том, что N2O при химических изменениях в стратосфере способствует разрушению озона.
Особенно опасны оксиды азота в городах, где они, взаимодействуя с углеводородами выхлопных газов, образуют фотохимический туман – смог. Монооксид (NO) не раздражает дыхательные пути, и поэтому человек может его не почувствовать. При вдыхании монооксид азота образует с гемоглобином нестойкое нитрозосоединение, которое быстро переходит в метгемоглобин, при это двухвалентное железо переходит в трехвалентное. Ион Fe3+ уже не может связывать обратимо кислород и, таким образом, выходит из процесса переноса кислорода. Концентрация метгемоглобина в крови 60-70% считается летальной. Такое явление возможно только в закрытом помещении.
По мере удаления от источника выброса все большее количество монооксида переходит в диоксид, имеющий желто-коричневый цвет, особенно сильно раздражающий слизистые оболочки. При контакте с влагой в организме образуются азотистая и азотная кислота, разъедающие стенки альвеол легких, делая их проницаемыми, возможно даже пропускание сыворотки крови в полость легких. Отравляющее действие оксидами азота начинается с легкого кашля. При повышении концентрации NOх возникает сильный кашель, рвота, иногда головная боль. При контакте с влажной поверхностью слизистой оболочки оксиды азота образуют кислоты HNO3, HNO2, которые и приводят к отеку легких.
Сероводород H2S. Бесцветный газ с характерным запахом тухлых яиц, к которому развивается привыкание. При концентрации в воздухе 0,02-0,2 мг/л появляются симптомы интоксикации, смертельная концентрация в воздухе – 1,2 мг/л. Сероводород – побочный продукт газового и коксового производства, сланцеперегонной и нефтяной промышленности. Неблагоприятны экологические последствия его выделения из сточных вод и канализационных сетей. При окислении в атмосфере он может превращаться в оксиды серы и далее в серную кислоту. В организме он также окисляется до серы и сульфатов. Сероводород оказывает нейротоксическое действие, обусловленное развитием тканевой гипоксии (последствием связывания железа в цитохромах), местное раздражающее действие на слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, поражение кожных покровов (дерматиты, экземы), а при резорбции вызывает развитие вегетоастенического синдрома, расстройство работы сердца и пищеварения, нарушение функции щитовидной железы, сдвиги белкового и углеводного обмена, анемию.
Диоксид серы SO2 (серный ангидрид). Основные источники поступления его в атмосферу – переработка и сжигание различных топлив, включающих серу и ее соединения (каменный и бурый угли, нефть и нефтепродукты, древесина). Его присутствие ощущается при концентрации 3-6 мг/м3. Бесцветный газ с острым запахом уже в малых концентрациях (20-30 мг/м3) создает неприятный вкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. При контакте с водяными парами и осадками в атмосфере образуется серная кислота, реагирующая с аэрозолями металлов с образованием токсичных сульфатов. При концентрации около 50 мг/м3 и соединении с влагой образует последовательно Н2SОз и H2SO4. Наиболее чувствительны к этому газу хвойные и лиственные леса, так как он накапливается в листьях и хвое.
Особая трудность при определении вреда, нанесенного организму действием диоксида серы, заключается в том, что она часто проявляется совместно с действием других факторов, опасных для здоровья. Неоднократно наблюдалось, что при повышенной концентрации пыли токсической действие диоксида серы проявляется значительно сильнее, чем в воздухе, свободном от пыли. При таком совместном воздействии возрастает опасность заболевания хроническим бронхитом. Диоксид серы часто действует совместно с NOX, эта комбинация может значительно увеличить число заболеваний дыхательных путей.
На растения диоксид серы действует либо непосредственно на листья, либо косвенно в виде кислотных осадков через почву. При действии сульфит- ионов на клетки в первую очередь повреждаются биомембраны. Под влиянием диоксида серы листья желтеют, особенно в областях между прожилками листа. Наряду с разрушением мембран и обесцвечиванием красящих веществ листьев ион HSO3- нарушает деятельность ряда ферментов, понижая их активность. При этом токсическое действие на растения диоксида серы сильнее проявляется в темноте, чем на свету.
Углеводороды (пары бензина, пентан, гексан и др.). Обладают наркотическим действием, в малых концентрациях вызывают головную боль, головокружение и т.п.
Атмосферная пыль. В атмосфере постоянно присутствует пыль различного происхождения и химического состава. При неполном сгорании топлива образуется сажа, представляющая собой высокодисперсный нетоксичный порошок, на 90-95% состоящий из частиц углерода. Сажа обладает большой адсорбционной способностью по отношению к тяжелым углеводородам, в том числе и к бенз(а)пирену, что делает сажу весьма опасной для человека. Источником атмосферной пыли является зола, образующаяся при сгорании топлива.
Особую опасность представляют токсические тонкодисперсные пыли с размером частиц 0,5-10 мкм, которые легко проникают в органы дыхания. Вот некоторые характерные размеры частиц (мкм) некоторых видов твердых и жидких примесей атмосферы:
Масляный туман – 0,03-1,0.
Промышленный дым – меньше 1,0.
Промышленная пыль – 0,01 - 4000.
Возгоны – 1-5.
Загрязнение атмосферы влияет на:
Загрязнение воздуха в помещениях часто выше, чем на улице. Это обусловлено тем, что:
Для уменьшения отрицательного воздействия загрязнителей на здоровье людей в помещении необходимо:
В отсутствие загрязнителей атмосферная вода имеет рН = 5,6. При наличии в атмосфере кислых газов (SO2, SO3, NOх, НС1 и др.) рН атмосферных осадков становится меньше 5,6 - выпадают кислые дожди. Появление кислых газов в воздухе является следствием выброса неочищенных отработанных газов ТЭЦ, серно- и азотнокислотных производств, металлургических комбинатов и др. Только ТЭЦ средней мощности выбрасывают около 700 тыс. м3/ч отходящих газов, каждый кубометр которых содержит (в зависимости от вида топлива): серы – 0-3 тыс. г, азота – 80-100 мг.
Последствия выпадения кислотных дождей очень многоплановые, главные из них - изменяются природные экосистемы. Так, водные экосистемы погибают при рН < 4,5, поскольку все живые существа при такой кислотности воды погибают, а это влияет на весь животный мир. Следствием кислотных дождей является деградация лесов, поскольку нарушается поверхность почвы, вымываются биогены, происходит мобилизация (увеличивается подвижность) алюминия и других токсичных элементов, лес легче поражается вредителями, снижается буферная емкость почвы (вымывается СаСО3). Мобилизация алюминия и других ионов приводит к загрязнению поверхностных и грунтовых вод. Кислотные дожди не только губительно действуют на природу, но и наносят значительный ущерб экономике.
Для уменьшения загрязнения атмосферы кислыми газами необходимо сокращать выбросы кислотообразующих веществ (замена топлива, очистка отработанных газов, в том числе использование скрубберов).
Парниковый эффект
В настоящее время человечество оказалось на пороге крупнейшего изменения климата, вызванного человеком. Это изменение незапланировано, неуправляемо и может оказаться катастрофическим. Причина этого изменения - увеличение в атмосфере углекислого газа (СО2) и некоторых других газов (СН4, углеводорода, оксидов азота и др.), которые поглощают инфракрасное излучение от Земли, нагреваются и тем самым нагревают нашу планету.
Наибольший вклад в парниковый эффект вносит углекислый газ. Концентрация углекислого газа 0,03 (0,029 %) обеспечивает тот климат, к которому мы привыкли. Основная причина увеличения концентрации СО2 в атмосфере - нарушение его круговорота из-за: