Лекция 15

Химические загрязнители в окружающей среде

Известно, что менее 10% добываемого сырья превращается в готовую продукцию; остальное - отходы, загрязняющие природную среду. Сегодня особое внимание уделяется изучению действия экологически опасных факторов химической природы. При этом должны учитываться (хотя это бывает не всегда) особенности их кинетики, метаболизма, биотрансформации, кумуляции и концентрации; движение по пищевым цепям; перенос и переходы из одной среды в другую; возможности превращений во вторичные загрязнители; влияние на различные организмы, входящие в экосистемы.

Наибольшую опасность для окружающей среды и здоровья человека представляют тяжелые металлы, диоксины, канцерогенные вещества и т.п.

Второстепенные для живых организмов химические элементы, также как и жизненно важные, мигрируют между организмами и средой. В естественных экологических системах они содержатся в таких концентрациях и формах, что не оказывают отрицательного влияния на организмы. В настоящее время стала весьма острой проблема токсичных веществ в связи с региональными или глобальным техногенным загрязнением биосферы.

Ртуть, также как и другие тяжелые металлы, почти не влияла на организмы до наступления индустриальной эры, потому что ее концентрации в природе были невелики, а она сама химически малоподвижна. Разработка месторождений и промышленное использование ртути (в электротехническом оборудовании, термометрах, красках и фунгицидах) увеличили ее поток в экосистемы. Чистый элемент не токсичен. Превращение в токсичные органические соединения ртути, такие как метилртуть CH₃Hg и этилртуть C₂H₅Hg, происходит благодаря бактериям, присутствующим в детритах и осадках. Эти соединения легко растворимы, подвижны и очень ядовиты. Химической основой агрессивного действия ртути является ее сродство с серой, в частности с сероводородной группой в белках. Эти молекулы связываются с хромосомами и клетками головного мозга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций, опасных для человека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь Минамата.

Тяжелый металл кадмий представляет собой один из самых опасных токсикантов среды. Его попадание в пищевые цепи связано с его промышленными выбросами в воздух и воду. Например, в среднем тонна угля содержит 2 г кадмия. Кадмий имеет свойство накапливаться в организмах животных и растений. Так, растения аккумулируют до 70% кадмия, содержащегося в почве. В Финляндии, Норвегии и Швеции ветеринарные учреждения предостерегают от употребления печени, почек и легких лосей, оленей, косуль и зайцев, в связи с высоким содержанием в них кадмия.

Вследствие деятельности цинкового рудника произошло загрязнение кадмием реки Дзинцу, в Японии от хронического отравления умерло более 150 человек, сопровождавшегося атрофией костей всего скелета. Этот случай вошел в историю эндемических отравлений тяжелыми металлами под названием «болезнь итаи-итаи».

Стронций-90 и цезий-137 - продукты деления атома, имеющие большой период полураспада. Эти ранее малоизученные элементы теперь являются объектами пристального внимания в связи с их большой опасностью для человека и животных. Они попадают в окружающую среду при производстве и использовании различных источников ядерной энергии. Эти вещества активно циркулируют по пищевым цепям, и накапливаются в тканях животных и растений. Это связано с тем, что стронций по свойствам похож на кальций, а цезий – на калий. По мнению некоторых ученых, в костях людей уже содержится такое количество стронция, что он может оказывать канцерогенное действие.

Дихлордифенилтрихлорэтан или ДДТ – пестицид (пестис – зараза, циде – убиваю, лат.), использовавшийся, а местами используемый до сих пор в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми. В свое время его открытие было отмечено Нобелевской премией. Он малорастворим и никогда не поступает в верхние слои атмосферы и при этом встречается повсюду. Его даже обнаруживают в тканях пингвинов Антарктиды. Он в основном мигрирует по пищевым цепям, при этом в конце пищевого цикла его концентрация может увеличиться в 1000 раз. Сейчас его использование запрещено.

Диоксины - это группа веществ, в которую входят сотни видов хлор-, бром- и хлор-бром-органических циклических эфиров. Диоксины образуются во многих технологических процессах различных производств, включая сжигание отходов, биологическую очистку сточной воды и сгорание топлива в двигателях. Эти вещества по своей токсичности превосходят соединения тяжелых металлов. Являются сильными канцерогенами. Они способны накапливаться в организме, являясь причиной многих тяжелых заболеваний.

Природные и техногенные радионуклиды

Источником ионизирующих излучений обычно являются различные радионуклиды. Напомним, что нуклид – это вид атомов с определенным числом протонов и нейтронов в ядре. Если ядра атомов нуклида радиоактивны, то его называют радионуклидом. К числу радионуклидов в окружающей среде относятся атомы таких тяжелых химических элементов, как уран U и торий Th. Распадаются уран и торий очень медленно. Скорость распада характеризуют периодом полураспада Т_1/2 – временем, за которое распадается половина из имевшихся первоначально ядер радионуклида.

Возникающие при радиоактивном распаде этих материнских ядер дочерние ядра, например ²¹⁰Ро, ²²⁶Ra, и ²²²Rn, обладают значительно меньшими значениями Т_1/2 (вплоть до десятитысячных долей секунды). Дочерние радионуклиды вместе с материнскими образуют радиоактивные ряды, конечные продукты которых – стабильные атомы свинца. Хотя значения Т_1/2 дочерних радионуклидов и невелики, они постоянно образуются при распаде предшественников и с постоянной скоростью распадаются, так что в земной коре все они содержатся в неизменных, правда в значительно меньших, чем материнские, количествах.

Подвижность многих дочерних радионуклидов (например, радона) в земной коре значительно выше, чем материнских. Поэтому эти радионуклиды оказываются вездесущими и в рассеянном состоянии присутствуют практически всюду. Ионизирующее излучение дочерних радионуклидов вносит заметный вклад в радиационный фон (фон ионизирующего излучения) Земли. Особенно велика роль в радиационном воздействии на человека входящего в ряд ²³⁸U радионуклида²²²Rn.

Указанные естественные радионуклиды имеют земное происхождение (их называют терригенными). Однако существуют и естественные радионуклиды, образующиеся под действием постоянно попадающего на Землю космического излучения, поступающего как из глубин космоса, так и от Солнца. Эти радионуклиды называют космогенными.

В 40-е годы ХХ века в результате освоения энергии атомного ядра были созданы ядерные реакторы, в которых происходит расщепление ядер ²³⁵U или ²³⁹Pu на ядра более легких элементов. При работе ядерных реакторов образуются не существующие в природе радионуклиды, более     40 элементов Периодической системы (эти радионуклиды называют техногенными). С 1945 года до начала 60-х годов ХХ в. такие страны, как США, СССР, Великобритания, а позже – Франция и Китай, провели большое количество испытаний ядерного оружия, что привело к загрязнению техногенными радионуклидами окружающей среды в глобальном масштабе. К попаданию радионуклидов в окружающую среду привела и работа предприятий так называемого ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Эти предприятия включают добычу урановых руд и извлечение из них урана, изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов), собственно ядерные реакторы, а также заводы по переработке отработанных твэлов, извлечению из них радиоактивных отходов и регенерации ядерного топлива.

Конечно, ядерные реакторы конструируют так, чтобы предотвратить попадание техногенных радионуклидов в окружающую среду. Но даже при безаварийной работе реакторов в окружающую среду поступают радиоактивный газ криптон (радионуклид ⁸⁵Kr), а также небольшие количества ¹³¹I, трития и некоторых других радионуклидов.

В результате произошло загрязнение окружающей среды техногенными радионуклидами, особенно такими, как ⁹⁰Sr,¹³⁷Cs, ¹³¹I, ¹²⁹I, ⁸⁵Kr, а также радионуклидами некоторых трансурановых элементов.

Можно отметить, что к загрязнению атмосферы радионуклидами приводит и работа тепловых электростанций, сжигающих каменный уголь. Он всегда содержит небольшие примеси урана, тория и продуктов их распада, и при сжигании топлива эти радионуклиды частично переходят в аэрозоли и попадают в атмосферу. К загрязнению почвы радионуклидами может приводить даже использование фосфорных минеральных удобрений. Примеси урана и тория всегда есть в исходном сырье (например, в апатите), которое используют при производстве этих удобрений. При переработке сырья радионуклиды частично переходят в удобрения, а из них и в почвы.

К загрязнению техногенными радионуклидами океана привело и то, что в некоторых странах высокорадиоактивные отходы ЯТЦ долгое время сбрасывали в океан в специальных контей-        нерах (США) или по трубам (Великобритания). Из-за этого некоторые моря, особенно Ирландское и Северное, подверглись заметному радиоактивному загрязнению. Загрязнение Мирового океана может неблагоприятно сказаться прежде всего на жизнедеятельности фитопланктона, от нормального существования которого во многом зависит жизнь на Земле. Поэтому в настоящее время введены строгие ограничения на сброс в океан радиоактивных отходов.

Если попавший в окружающую среду ²³⁹Pu прочно фиксируется почвами и практически не переходит в пищевые цепи, то такие радионуклиды, как ¹³⁷Cs, ¹³¹I и особенно ⁹⁰Sr, по различным пищевым цепям могут оказаться в организме человека. Так как некоторые радионуклиды способны концентрироваться в определенных органах человека (например, ⁹⁰Sr в костях, а¹³¹I в щитовидной железе), то их накопление в этих органах может привести к тяжелым заболеваниям (например, раку щитовидной железы).