Реферат На тему: ЭКОЛОГИЯ ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Ученика 9 – Б класса
ОШ №1
Г. Снежное
Корнеева Александра
2007г. План:
1. Химическое загрязнение атмосферы.
1.1. Основные загрязняющие вещества.
1.2. Аэрозольное загрязнение.
1.3. Фотохимический туман (смог).
1.4. Контроль за выбросами в атмосферу (ПД К).
2. Химическое загрязнение природных вод.
2.1. Неорганическое загрязнение.
2.2. Органическое загрязнение.
3. Загрязнение Мирового океана.
3.1. Нефть и нефтепродукты.
ХИМИЧЕСКОЕЗАГРЯЗНЕНИЕАТМОСФЕРЫ
Во все времена своего существования человек был неразрывно связан с природой. Но с момента возникновения высокоиндустриального общества человек все больше стал вмешиваться в ее жизнь. На данном этапе это вмешательство грозит полным уничтожением природы. Постоянно расходуются невозобновимые виды сырья, число пахотных земель катастрофически сокращается, потому что они становятся местом строительства новых городов и промышленных предприятий. Человек стал все больше вмешиваться в функционирование биосферы — той части нашей планеты, где как раз и существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом необходимо отметить несколько наиболее важных процессов, каждый из которых ухудшает экологическую ситуацию на планете.
Наиболее сильно отражается на окружающей среде загрязнение продуктами химических преобразований. К ним можно отнести газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Также плохо отражается на атмосфере накопление углекислого газа, количество которого, к сожалению, все увеличивается. Это может привести в самом ближайшем будущем к увеличению среднегодовой температуры на Земле. Продолжается загрязнение Мирового океана нефтью и ее производными, которое охватило уже 1/5 всей поверхности океана.
Такая ситуация может стать причиной нарушения газо- и водообмена между атмосферой и гидросферой. Загрязнение почвы пестицидами и превышение кислотности могут привести к распаду экосистемы. Все эти процессы вызывают негативные изменения в биосфере.
Человек загрязняет атмосферу уже многие тысячелетия, и все же последствия использования огня были совсем невелики. Человеку надо было только примириться с тем, что дым не давал полностью вобрать воздух в легкие, или с тем, что жилища выглядели недостаточно уютно из-за сажи, покрывающей стены. Тепло, которое давал огонь, было нужнее и важнее, чем чистый воздух. В те времена такое загрязнение воздуха не было катастрофическим, потому что люди жили небольшими группками на девственной территории, раскинувшейся на тысячи километров. И даже когда позднее люди сосредоточивались в одном месте, они не могли серьезно влиять на окружающую среду.
Такое равновесие существовало примерно до девятнадцатого века. Промышленность начала развиваться ускоренными темпами, что повлекло за собой усиленное загрязнение окружающей среды. С каждым годом рождались все новые и новые города-миллионеры, появлялись новые изобретения.
Атмосфера загрязняется в результате воздействия трех основных факторов: промышленности, бытовых котельных и транспорта. В зависимости от места расположения доля каждого из трех источников загрязнения сильно колеблется. Однако общепризнанным является тот факт, что промышленное производство стало одним из самых грозных «обидчиков» окружающей среды. Источниками загрязнения становятся теплоэлектростанции, выбрасывающие вместе с дымом в атмосферу сернистый и углекислый газ. Также сюда можно отнести металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка. Сюда же относят и цементные, химические заводы. Вредные газы оказываются в воздухе в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Основныезагрязняющиевещества
Атмосферные загрязнители можно разделить на первичные, поступающие прямо в атмосферу, и вторичные, которые являются результатом метаморфозы последних. Например, попадающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, взаимодействующего с парами воды, и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком формируются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, возникают и другие вторичные загрязняющие вещества. Основным источником пирогенного загрязнения на планете стали тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% добываемого твердого и жидкого топлива. Основные вредные примеси пирогенного происхождения следующие:
а) оксид углерода. Он возникает при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздухе оказывается в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн.т. Оксид углерода — это соединение, активно реагирующее с составными частями атмосферы, он способствует повышению температуры на планете и созданию парникового эффекта.
б) сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн т в год). Часть соединений серы может выделиться при горении органических остатков в горнорудных отвалах. В США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65% от общемирового выброса.
в) серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции становится аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий наблюдается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1км от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны небольшими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС каждый год выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.
г) сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу отдельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса становятся предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие заводы, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями медленно окисляются до серного ангидрида.
д) окислы азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т в год.
е) соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений — фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.
ж) соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере наблюдаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.
В металлургической индустрии при выплавке чугуна и переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т предельного чугуна выделяется 2,7кг сернистого газа и 4,5кг пылевых частиц, которые состоят из соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода. Аэрозольноезагрязнение
Аэрозоли представляют собой твердые или жидкие частицы, которые находятся в воздухе во взвешенном состоянии. Твердые компоненты аэрозолей нередко очень опасны для живых организмов, у людей они порождают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения можно наблюдать в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей формируется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1—5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.
Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха в настоящее время являются ТЭС, потребляющие уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе можно найти соединения кремния, кальция и углерода, гораздо реже — оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще более разнообразна органическая пыль, которая включает в себя алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения стали промышленные отвалы — искусственные насыпи из переработанного материала, главным образом вскрышных пород, полученных при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов становятся массовые взрывные работы. Известно, что в результате одного среднего по массе взрыва (250—300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств — измельчение и химическая обработка шихты, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов — всегда сопровождаются выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.
К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды — насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они могут подвергаться различным превращениям, окислению, полимеризации, особенно если начнут взаимодействовать с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. Результатом этих реакций становится появление перекисных соединений, свободных радикалов, соединений углеводородов с оксидами азота и серы, часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях в приземном слое воздуха могут формироваться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей. Обычно это случается, когда в слое воздуха прямо над источниками газопылевой эмиссии происходит инверсия — расположение слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует движению воздушных масс и задерживает перенос примесей вверх. В итоге вредные выбросы концентрируются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана. Фотохимическийтуман(смог)
Фотохимический туман — это многокомпонентная смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. Основными компонентами смога являются озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения пер кисной природы, которые в совокупности называются фотооксидантами. Фотохимический смог образуется в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и повышенной не менее суток инверсии. Устойчивая безветренная погода, которая обычно сопровождается инверсиями, нужна для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия возникают чаще в июне—сентябре и реже зимой. Во время продолжительной ясной погоды солнечная радиация становится причиной расщепления молекул диоксида азота и образует оксид азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом образуют озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота — в диоксид. Но этого не случается. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительное количество озона. Начинается циклическая реакция, результатом которой становится постепенное накапливание озона. Этот процесс в ночное время прерывается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере скапливаются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние становятся источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реактивной способностью. Такие смоги — нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной систем и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем. Контрользавыбросамиватмосферузагрязняющихвеществ(ПДК)
ПДК (предельно допустимые концентрации) — такие концентрации, которые на человека и его потомство не оказывают прямого или косвенного воздействия, не ухудшают его работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, происходит в ГГО — Главной геофизической обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить загрязнение воздуха, измеренные значения концентраций сопоставляют с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и устанавливают число случаев, когда были превышены ПДК, а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия — среднеустойчивой ПДК. Загрязнение воздуха несколькими веществами оценивается с помощью комплексного показателя — индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующие значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют. Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (окислы азота и серы), Бишкеке (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то формируется очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной. ХИМИЧЕСКОЕЗАГРЯЗНЕНИЕПРИРОДНЫХВОД
Всякий водоем или водный источник соотнесен с окружающей его внешней средой. На него влияют условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Результатом этих влияний становится привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ — загрязнителей, ухудшающих качество воды. Обычно выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнения. Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно-активные вещества, пестициды). Неорганическоезагрязнение
Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод стали многообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них оказывается в воде вследствие человеческой деятельности. Тяжелые металлы впитываются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.
К опасным загрязнителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обусловливающие широкий диапазон рН промышленных стоков (1,0—11,0) и способных изменять рН водной среды до значений 5,0 или выше 8,0, тогда как рыба в пресной и морской воде может существовать только в интервале рН 5,0—8,5. К основным источникам загрязнения гидросферы минеральными веществами и биогенными элементами следует отнести предприятия пищевой промышленности и сельское хозяйство. С орошаемых земель ежегодно вымывается около 6 млн. т солей. Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь, собраны в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Загрязнение ртутью существенно снижает первичную продукцию морских экосистем, сдерживая развитие фитопланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно сосредоточиваются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические цепи водных организмов. Органическоезагрязнение
Среди попадающих в океан с суши растворимых веществ большое значение для обитателей водной среды имеют не только минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в океан органического вещества оценивается в 300—380 млн т/год. Сточные воды, которые содержат суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий затрудняет также проникновение света в глубь воды и замедляет процесс фотосинтеза. Одним из основных санитарных требований, предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества кислорода. Вредное действие оказывают все вещества, которые так или иначе содействуют снижению содержания кислорода в воде. Поверхностно-активные вещества — жиры, масла, смазочные материалы — образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом. Значительный объем органических веществ, большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе с промышленными и бытовыми стоками. Возрастающее загрязнение водоемов и водостоков отмечается во всех промышленных странах.
В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение в водоемах с замедленным течением или непроточных (водохранилища, озера). Разлагаясь в водной среде, органические отходы могут стать средой для патогенных организмов. Вода, загрязненная органическими отходами, становится практически непригодной для питья и других надобностей. Бытовые отходы опасны не только тем, что являются источником некоторых болезней человека (брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что требуют для своего разложения много кислорода. Если бытовые сточные воды поступают в водоем в очень больших количествах, то содержание растворимого кислорода может снизиться ниже уровня, необходимого для жизни морских и пресноводных организмов. ЗАГРЯЗНЕНИЕМИРОВОГООКЕАНА Нефтьинефтепродукты
Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость темно-коричневого цвета и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти — углеводороды (до 98%) — подразделяются на 4 класса.
1. Парафины (алкены) (до 90% от общего состава) — устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.
2. Циклопарафины (30—60% от общего состава) — насыщенные циклические соединения с 5—6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.
3. Ароматические углеводороды (20—40% от общего состава) — ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов водорода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молеку лой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полуциклические (пирен).
4. Олефины (алкены) (до 10% от общего состава) — ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.
Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-х годов в океан ежегодно поступало около 6 млн. т нефти, что составляло 0,23 % мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод — все это становится причиной наличия постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962—79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т нефти. За последние годы пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн. т нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн. т/год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0,5 млн. т нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в видеопленки, образуя слои различной мощности. По цвету пленки можно определить ее толщину.
Нефтяная пленка видоизменяет состав спектра и интенсивность проникновения в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет 1—10% (280 нм), 60—70% (400 нм). Пленка толщиной 30—40 мкм полностью поглощает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой, нефть формирует эмульсию двух типов: прямую — «нефть в воде» и обратную — «вода в нефти». Прямые эмульсии, составленные из капелек нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефти, которая содержит поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут оставаться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.
Высокими темпами расходуются сырьевые ресурсы. Так, например, в 1990 годах в мире потреблялось в год (в миллионах тонн условного топлива*) нефти — 4700, угля — 3100 и газа — 2600. Ежегодно на поверхности Земли возрастает количество различных веществ, в том числе токсичных, например: фосфора — на 7,4 млн. т, свинца — на 5,7 млн. т, урана — на 230 тыс. т, мышьяка — на 190 тыс. т, ртути — на 79 тыс.т.
Электростанциями, транспортом и предприятиями выбрасывается Ев атмосферу огромное количество вредных веществ, причем выброс этих веществ постоянно возрастает. Поступающие в атмосферу вещества взаимодействуют с окружающей средой не только на месте выброса, но и в районах, куда они переносятся в виде газа, капелек жидкости и твердых частиц воздушными течениями. За последние годы во многих районах земного шара выпадают дожди, у которых рН значительно ниже 7 («кислотные дожди»).
Антропогенные выбросы в атмосферу вызвали крупные экологические последствия планетарного масштаба, такие как озоновые дыры и «парниковый» эффект. С развитием атомной энергетики появилась опасность радиоактивного заражения больших территорий, как это произошло в результате Чернобыльской аварии.
Большое количество вредных компонентов сбрасывается в водные бассейны. Основными причинами загрязнения гидросферы является сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными, коммунальными и сельскохозяйственными предприятиями. Реки и моря загрязняются токсичными металлами, поверхностно-активными веществами, нефтепродуктами и т.д. Расход чистой воды на Земле составляет около 40% речных стоков. Если сохранятся существующие темпы загрязнения водных бассейнов, то к 2010 г. все мировые ресурсы пресных вод могут оказаться исчерпанными. Ущерб, наносимый загрязнением окружающей среды, огромен. Поэтому экологические проблемы находятся в центре внимания человечества. Этот вопрос рассматривался на мировом форуме в Рио-де-Жанейро, принявшем декларацию о необходимости устойчивого (без кризисов) развития человечества на Земле, и других мировых конгрессах. Роль химиив решении экологических проблем.Химические процессы играют важнейшую роль в экологической проблеме. Подавляющее большинство вредных выбросов электростанций, транспорта, промышленных и сельскохозяйственных предприятий являются продуктами различных химических реакций: окисления (горения), восстановления, разложения и т.п. Понимание специалистами этих реакций способствует принятию правильных решений по снижению или полному устранению вредных последствий.
Источником вредных воздействий на природу является и химическая промышленность. К настоящему времени в окружающую среду выброшено около 3 млн. новых химических соединений, к которым природа не приспособлена. Следует, однако, отметить, что использование достиженийхимии является важным условием решения экологических проблем. Химическая промышленность производит ряд реагентов, адсорбентов, ионообменных смол и других веществ, без которых невозможна очистка сточных вод и других выбросов.
Неотъемлемой чертой химической промышленности является повышение степени комплексного использования исходного сырья. На базе использования законов химии удается решить многие экологические задачи не только в химической, но и в других отраслях промышленности. Наиболее перспективный метод решения экологических проблем заключается в создании безвредных и безотходных процессов.
Итак, воздействие человека на литосферу, гидросферу и атмосферу принимает планетарный характер, поэтому необходимы адекватные меры по предотвращению экологических катастроф планетарных масштабов.
Химия и экология
Содержание
Введение
1. От обнаружения к защите
2. Борьба с кислотными дождями
3. Защита от климатических катастроф: парниковый эффект
4. Оценка риска
5. Что такое эпидемиология
6. Выгоды
7. Риск
8. Уравнение риск/выгода
Заключение
Введение
Ежегодно, американцы вываливают миллионы тонн пластиков в окружающую среду, значительная часть этих отходов низвергается прямо в океан. Действительно, 9 млн. тонн твердых отходов промышленности США ежегодно уходит непосредственно в море. Одним только коммерческие суда выбрасывают за борт 6,6млн. тонн мусора в год. Этим мусором можно было бы завалить 440000 классных комнат.
Вопреки общему мнению пластиковые отходы, в конце концов, разрушаются, но происходит это медленно – иногда для этого требуется до 50 лет. За такое время может скопиться масса мусора. Особенно чувствительны к пластиковому мусору морские экосистемы: он не тонет, и обитатели морей по ошибке принимают его за медуз, яйца и другие лакомства или запутываются в нем, ведь 150000т. отходов – это выбрасываемые в океан рыболовные снасти. Дело принимает особенно неприятный оборот в арктических районах, где мусор только накапливается, но не разрушается – этому препятствует очень низкая температура.
Химики сделали значительный шаг в решении этой серьезной проблемы. Выход из бедственного положения был найден в создании пластиков с особой структурой. Пластики – это полимерные материалы, получаемые из продуктов переработки нефти. Они состоят из длинных цепей, построенных из повторяющихся молекулярных группировок. Химики нашли способ изменять полимерные молекулы так, чтобы их свойства больше соответствовали гигиене окружающей среды. Одним из них – химическое присоединение светочувствительных молекулярных групп к макромолекулярным цепям через правильные интервалы. Когда пластик, изготовленный из такого полимера, подвергается действию солнечного света, светочувствительные группы поглощают излучение, что приводит к расщеплению полимера в местах их присоединения. Остальное – дело природы. Образующиеся небольшие фрагменты легко подвергаются биоразложению. Другой способ подчинить свойства пластика требованиям гигиены природы – ввести в них молекулярные группировки, считающиеся деликатесом у некоторых микроорганизмов. Микроскопические чревоугодники берут в этом случае на себя труд расщепления длинных молекул на короткие кусочки. Находки такого рода, можно надеяться, приведут к тому, что проблема пластиковых отходов начнет постепенно отступать и, в конце концов, уйдет в прошлое.
Любое общество старается обеспечить себя достаточным количеством пропитания, жильем и здоровой окружающей средой. Когда эти элементарные требования выполнены, можно подумать и о комфорте. Сегодня наше стремление к увеличению количества товаров, энергии и большей обеспеченности средствами передвижения пришло в столкновение со стремлением сохранить здоровую окружающую среду. Нашей главной заботой стала защита окружающей среды в условиях роста численности населения, его продолжающегося концентрирования (урбанизации) и повышения жизненного стандарта.
Ухудшение состояния окружающей среды и, как следствие, угроза здоровью и состоянию экосистемы – явление не новое. Нарушения в окружающей среде, вызванные деятельностью человека, прослеживаются с древнейших времен. Проблема нечистот возникла одновременно с появлением городов. Задолго до двадцатого столетия лондонский воздух был загрязнен дымом очагов и каминов. Ранним проявлением проблем индустриальной гигиены была малая продолжительность жизни трубочистов из-за подверженности их раковым заболеваниям, что теперь мы можем объяснить длительным воздействием сажи, содержащей следы канцерогенов (многоядерных ароматических углеводородов).
Однако то, что загрязнение окружающей среды не есть новейшее изобретение, – слабое утешение. Проблемы загрязнения дают о себе знать все более явственно, и мы научились распознавать трудноуловимые взаимодействия в окружающем мире и обнаруживать вторичные эффекты, которые прежде оставались незамеченными. Некоторые нарушения окружающей среды принимают глобальный характер. Трагедия в Бхопале предельно ярко высвечивает существующую дилемму. Эта трагедия произошла в стране, страдающей от голода. Токсичные вещества применялись для производства продуктов питания, ежегодно спасавших многие тысячи людей от голодной смерти.
Однако следует заметить, что человечество по-настоящему озабочено важностью сохранения здоровой окружающей средой, и это обнадеживает. Громадное большинство граждан США всех политических направлений заявляют о готовности платить более высокие цены за продукты (такие, как не содержащий свинца бензин) и более высокие подоходные налоги ради оздоровления окружающей среды. Такие же тенденции наблюдаются и повсеместно – за пределами США.
Выработка эффективной стратегии защиты окружающей среды требует информированности и знаний. Мы должны уметь ответить на следующие вопросы:
Какие потенциально опасные вещества содержаться в воздухе, воде, почве и пище?
Чем вызвано их появление?
Как можно решить проблему – полностью или хотя бы отчасти (использование альтернативных продуктов, процессов)?
Как зависит степень опасности от длительности воздействия данного вещества? Как следует подходить к выбору одного из вариантов, обещающих положительный эффект?
Ясно, что на химиков ложиться главная ответственность за правильность ответов на три первых решающих вопроса. Чтобы определить, какие вещества присутствуют в окружающей среде, аналитики должны разрабатывать все более и более чувствительные и селективные методы. Обнаружение источников может потребовать проникновения в детали процессов, которые ведут от исходного загрязнения к конечным вредным или токсичным продуктам. Если для удовлетворения энергетических нужд приходится довольствоваться более низкосортным топливом, то какие катализаторы и какие новые процессы следует разработать, чтобы не усугубить проблемы кислотных дождей и канцерогенных выбросов работающих на угле электростанций.
Четвертый вопрос – о допустимой длительности воздействия вредного вещества – принадлежит компетенции медицины, токсикологии и эпидемиологии. Теперь, когда общество осознало, что существует обратная связь между степенью понижения риска и затратами на ее достижение, перед этими дисциплинами встают серьезные проблемы. Медики должны уточнить данные о степени риска, обусловленного присутствием, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах. Необходимо научиться взвешивать риск и издержки, связанные с присутствием этих соединений, положив на другую чашу весов блага, которые мы теряем, ограничивая их использование. И что более важно, мы не можем позволить себе роскошь стремиться любой ценой устранить вероятность риска вообще, поскольку по мере приближения уровня риска к нулю цена устремляется к бесконечности.
Наконец, выбор вариантов решения проблемы должен принадлежать обществу. Химики и специалисты в других областях, связанных с экологией, несут особую и весьма серьезную ответственность за информированность на самой квалифицированной и объективной научной экспертизе. Долг ученых – ознакомить общество, средства массовой информации и правительство с реальной картиной, причем на языке, свободном от профессионального жаргона. Ученые должны дать научное обоснование предлагаемого решения и указать, что нас ждет впереди.
1. От обнаружения к защите
Все стратегии защиты окружающей среды должны основываться на знании действительных пороговых значений опасных концентраций и нашей способности обнаружить нежелательный компонент задолго до того, как его концентрация достигает такого значения. В ряде случаев обнаружение может быть эквивалентно защите.
К сожалению, средства информации, общество и правительственные учреждения слишком часто ставят знак равенства между обнаружением и опасностью. Такая реакция основана на общем заблуждении, что вещество, обладающее выраженной токсичностью при некоторой определенной концентрации, токсично всегда. Существует множество примеров, показывающих, что это не так. Вспомните моноксид углерода. Этот обычный компонент атмосферы становится опасным при концентрациях, превышающих 1000 млн. долей. Считается, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превышающих 10 млн. долей, отрицательно сказывается на здоровье. Тем не менее, мы не настаиваем на полном устранении СО из атмосферы! Это было бы глупо (да и невозможно!), поскольку мы живем – и не плохо – в среде, всегда содержащей легко обнаружимые количества СО, порядка 1 млн. доли.
Другой интересный пример – селен. Некоторые растения, растущие на относительно богатых селеном почвах, имеют тенденцию накапливать этот элемент в таких количествах, которые приводят к отравлению жвачных животных. К числу указанных растений относятся астрагал (Astragalus). Пшеница также может накапливать селен, и хотя на людях это сколько-нибудь заметно не сказывается, куры, которых кормили ею, дают ненормальное потомство. В то же время сейчас известно, что селен – жизненно важный компонент пищи крыс, цыплят и свиней. Более того, селен в определенных концентрациях является природным антиканцерогенном; он входит в состав глутатион-пероксидазы – фермента, разрушающего вредные гидропероксиды. В Китае в популяциях людей с низким содержанием селена в крови наблюдаются следующие отклонения от нормы: дети часто страдают множественным миокардитом (болезнь Кишана), высока смертность взрослых от рака, особенно распространен рак печени. Очевидно, что селен, является необходимым для человека и животных элементом при одних концентрациях и токсичным при других. Ежедневная норма потребления селена для взрослых, рекомендуемая Национальным советом по здравоохранению, составляет 50 – 100 мкг. Приведенный пример ясно показывает, что присутствие в окружающей среде следов вещества, которое может быть токсичным при высоких концентрациях, еще не свидетельствует об опасности.
Некоторые люди усиленно добиваются ориентированного на нулевой риск подхода к защите окружающей среды. Нулевой риск означает достижение абсолютной и полной гарантии от любой возможной опасности. В приведенном выше примере с моноксидом углерода – это полное, до последней молекулы, удаление его из атмосферы. Сейчас такое нереалистичное стремление к нулевому риску постепенно вытесняется менее примитивной философией, которая ставит действия, связанные с наличием риска, в зависимость от оценки его уровня. Что касается будущего, то наилучшим капиталовложением была бы организация долговременных изысканий в области фундаментальной науки об окружающей среде и работ по совершенствованию диагностических методов. Это позволило бы избежать необходимости прибегать к дорогостоящим аварийным программам.
Повышение эффективности измерений, проводимых в окружающей среде, требует более совершенных инструментов. Проблема состоит в том, чтобы определять следы искомого соединения в сложной смеси, содержащей много безвредных веществ. Одним из примеров успеха, достигнутого в повышении селективности аналитических методов, может служить разработка методов разделения и количественного определения каждого из 22 изомеров тетрахлордиоксина в концентрациях порядка триллионных долей (т.е. 1:1012)! кислотный климатический токсичность парниковый
Легко реагирующие соединения, присутствующие в атмосфере, нельзя доставить для анализа в лабораторию. Это порождает специфические сложности, связанные с необходимостью дистанционного обнаружения и определения содержания таких соединений в местах их образования. Примером успехов, достигнутых в этой области исследований, может служить измерение концентраций формальдегида и азотной кислоты в смоге над Лос-Анджелесом методом инфракрасной спектроскопии, позволившим регистрировать поглощение излучения на расстоянии одного километра. Благодаря этим экспериментам удалось установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при их одновременном присутствии в воздухе на уровне миллиардных долей.
Все более важным становится выяснение химического состояния компонентов окружающей среды, поскольку, как это теперь известно, и токсичность, и легкость перемещения существенно зависят от того, в какой химической форме находится данный загрязнитель. Испытания, проведенные на животных, показали, что один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее самого токсичного из всех остальных. Эти примеры говорят о важности аналитических методов, которые позволяют не только установить концентрацию потенциального загрязнителя, но и идентифицировать химическую форму, в которой он присутствует. К числу мощных средств, используемых для решения этой проблемы, относятся электрохимия, хроматография и масс-спектрометрия. 2. Борьба с кислотными дождями
Кислотные дожди – одна из самых очевидных проблем загрязнения воздуха, стоящих перед нами. Кислые вещества и соединения, которые служат их источником, образуются при сжигании минеральных топлив в энергетических установках и на транспорте. Это главным образом кислоты – производные оксидов серы и азота. Существует ряд природных источников таких соединений: они образуются во время грозы или извержения вулкана, в результате жизнедеятельности бактерий, однако, исключая нечастые извержения, вклад этих источников невелик. Основными “поставщиками” оксидов углерода и азота являются автомобильный транспорт, электростанции и всякого рода плавильные печи.
Влияние кислотных дождей наиболее ощутимо и известно широкой публике в Европе и на северо-востоке США, но зоны риска включают также Канаду и, возможно, калифорнийскую Сьерру, Скалистые горы и Китай. В некоторых местах наблюдалось выпадение осадков, приближающихся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных дождей продолжают оставаться предметом дискуссий. Первоначально внимание фокусировалось на вреде, приносимом озерным и речным экосистемам, однако в дальнейшем стали учитываться и такие дорогостоящие последствия, как порча зданий, мостов и оборудования. Труднее всего количественно оценить влияние загрязненного воздуха на здоровье человекам.
Наибольший урон наносится озерам, в которых вода обладает слабыми буферными свойствами. В присутствии природных щелочных буферов кислые соединения, приносимые дождем (большей частью серная и азотная кислоты, в меньших количествах органические кислоты), нейтрализуются. Однако озера, лежащие на гранитных (кислых) породах, весьма подвержены действию попадающих в них кислот, способных переводить в раствор ионы таких металлов, как алюминий и марганец, что может повлечь подавление роста растений и водорослей, а в некоторых озерах – сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Значительный ущерб наносят кислотные дожди и растительности, причем проявление их влияния может быть самым различным – от дефолиации до разрушения тонкой корневой системы.
В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержанием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязнителей, – это установка химических газоочистителей – устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, – это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.
Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосферные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.
Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вернуться на землю за сотни миль вниз по ветру.
Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N02, а иногда и азотной кислоты, HNO3, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота – источников их поступления и мест выведения – содержат еще много неясного.
Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмосферы затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первостепенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, – вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие. 3. Защита от климатических катастроф: парниковый эффект
В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнечную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогнозами говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопоставим с эффектом накопления диоксида углерода.
Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут последствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль метана, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом свести на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, – все это должно быть изучено и понято.
Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затемнить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в воздухе и влияния сажи на радиационный баланс.
В отличие от загрязнений местного характера проблемы глобальных загрязнителей создают тупиковые ситуации, поскольку их решение требует действий во всемирном масштабе, а граждане разных стран по-разному относятся к их приоритетности. В прошлом предпочтение, отдаваемое ископаемым или ядерным топливам, диктовалось в первую очередь экономическими факторами, например наличием богатых запасов угля. Однако усиление глобальной угрозы окружающей среде, в частности в результате накопления углекислоты в атмосфере, которое ускоряется сжиганием угля, может вынудить нас пересмотреть плюсы и минусы ядерной энергетики. На приобретение фундаментальных знаний, необходимых для разумного выбора, требуются годы. Мы должны строить этот фундамент, чтобы быть в состоянии взвешенно оценить реальную угрозу накопления углекислоты в атмосфере в свете имеющихся альтернатив. Эта оценка должна учитывать проблемы защиты окружающей среды и проблему отходов ядерной энергетики. 4. Оценка риска
Существует два вида токсичности. Один химический препарат может вызывать заболевание вскоре после своего воздействия – это острая токсичность. Другой препарат может оказывать нежелательное воздействие значительно позже, после продолжительного его использования – это хроническая токсичность. Например, остро токсичный газ фосген, Cl2CO, может случайно образоваться, если загорание электросети тушат огнетушителем с тетрахлоридом углерода. В концентрации 5 млн. долей фосген уже через несколько минут вызывает раздражение глаз, а концентрации выше 50 млн. долей могут оказаться смертельными. Напротив, бензол, С6Н6, обладает хронической токсичностью. Вдыхание паров бензола той же концентрации, 50 млн. долей, не дает немедленного эффекта, но при длительном (в течение многих месяцев или лет) ежедневном воздействии бензола может вызвать понижение числа красных кровяных телец (гемоглобина) и лейкоцитов в крови.
К сожалению, получить детальную информацию о токсичности нелегко. Наиболее точный способ – суровый способ – это подвергнуть достаточное число людей воздействию данного препарата, чтобы продемонстрировать его безопасность или установить дозу, при которой начинает обнаруживаться токсичность. Ясно, что сведения о хронической токсичности добыть труднее всего. Чтобы можно было извлечь из наблюдений необходимую статистическую информацию, воздействию исследуемого вещества должны быть подвергнуты в течение достаточно длительного времени очень большая группа людей. Проблемы такого рода принадлежат компетенции эпидемиологии. 5. Что такое эпидемиология
Исторически эпидемиология развивалась как наука об эпидемиях, т.е. быстро распространяющихся заболеваниях. Однако сегодня эпидемиология используется и как статистический аппарат для обнаружения острой или хронической токсичности даже при весьма слабом воздействии на здоровье. Например, винилхлорид, СН2СНСl, известен как канцероген. Основанием для такого заключения послужило то, что, согласно статистическим данным, очень редкая форма рака печени, ангиосаркома, наблюдается главным образом у небольшого числа рабочих, которые продолжительное время подвергались воздействию высоких концентраций (сотни млн. долей) этого соединения. В этом случае удалось получить достоверное эпидемиологическое заключение относительно токсичности данного соединения и его весьма незначительной опасности для обычной публики.
Что является причиной чего?
К сожалению, результаты наблюдений можно неверно интерпретировать даже при наличии достаточного количества статистических данных. Так, статистические данные показывают, что рак толстой кишки гораздо более распространен в США, чем в Индии, и что американцы потребляют больше молочных продуктов, чем индийцы. Прежде чем сделать вывод, что молочные продукты вызывают рак, следует, однако, вспомнить, что рак толстой кишки распространен у пожилых людей и что средняя продолжительность жизни американцев гораздо выше, чем у жителей Индии. Таким образом, можно прийти и к противоположному выводу: потребление молочных продуктов позволяет прожить достаточно долго, чтобы начал проявляться (от других причин) рак толстой кишки. Эпидемиология может установить, что одно сопутствует другому, но это не обязательно означает причинную связь между двумя явлениями. Эпидемиологи шутят, что снижение скорости роста населения в Западной Европе в 20 веке примерно соответствует скорости уменьшения в этом регионе популяции аистов, лишь немногие сделают отсюда вывод, что рождаемость уменьшилась потому, что для доставки детей не хватает аистов.
История с ДДТ.
Все началось в 1939г., когда швейцарский химик Пауль Мюллер в ходе систематических поисков новых инсектицидов синтезировал дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Вначале на ДДТ смотрели, как на чудо: он исключительно эффективно действует на самых разнообразных насекомых-вредителей и в отличие от широко использовавшихся в то время соединений свинца и мышьяка не проявляет острой токсичности по отношению к людям. 6. Выгоды
США впервые широко применили ДДТ в 1944г. во время второй мировой войны в борьбе с распространившейся эпидемией тифа в воинских частях и среди гражданского населения в Италии. Тиф переносится нательными вшами, и чтобы уничтожить этих насекомых, тысячи людей были щедро, с ног до головы, осыпаны ДДТ. Эпидемия была остановлена, что предотвратило потери человеческих жизней, которые могли стать опустошительными.
После столь внушительного успеха решено было прибегнуть к ДДТ в борьбе с Anopheles – комаром-распространителем малярии. До использования ДДТ малярия уносила от 2 до 3 млн. жизней ежегодно, число же страдающих этой тяжелой болезнью было еще больше. В результате 10-летнего применения ДДДТ в ряде стран малярия перестала быть столь страшным бичом. В Индии число заболеваний сократилось с 75 млн. в 1952г. до 100 тыс. в 1964г., в СССР с 35 млн. в 1956г. до 13 тыс. в 1966г. За то же время в Шри-Ланке малярийная “дань” понизилась с 12 тыс. жизней до нуля! Всемирная организация здоровья и Организация объединенных наций относят на счет этого чудодейственного препарата спасение около 50 млн. жизней, отнятых у одной только малярии. За свою работу доктор Пауль Мюллер был удостоен в 1948г. Нобелевской премии в области медицины. 7. Риск
К сожалению, история ДДТ на этом не кончается. В 1972г. Агентство по охране окружающей среды наложило запрет на использование ДДТ в США. Как удалось это сделать – особая история, и тоже история успеха, но на этот раз в борьбе за необходимость наблюдения за окружающей средой в ожидании появления побочного действия широко применяемых препаратов.
Уже в 1946г. ученые установили, что ДДТ накапливается в жировых тканях и остается там чрезвычайно долго. Животные и рыбы, так же как и человек, – это преимущественно водные системы. Транспорт и вывод веществ из организма осуществляется у них в водной среде. Но хлорсодержащие углеводороды типа ДДТ очень плохо растворяются в воде (порядка 2 млн. долей): они продолжительно растворяются и концентрируются в жировых тканях. Например, ДДТ легко переходит в жир материнского молока. Агентство должным образом отреагировало на эту тревожную информацию, установив предельно безопасную концентрацию ДДТ в коровьем молоке и других продуктах питания. Из осторожности сначала был принят нулевой уровень безопасности. Однако при “нулевом подходе” возникают свои проблемы. Образец молока можно признать безопасным, если ДДТ не обнаруживается в нем самыми чувствительными измерениями. Поэтому усовершенствования аналитических методов приводит к изменению смысла понятия безопасной концентрации. Нулевой предел всегда связывает уровень безопасности с методом обнаружения, а не с наиболее достоверной оценкой степени опасности. По этой и другим причинам нулевой предел оказался неудачным, и Агентство заменило его “приемлемым уровнем безопасности” в 0,05млн. доли.
С течением времени стало ясно, что попадание в окружающую среду, ДДТ разлагается там с большим трудом. Усовершенствованные методы обнаружения позволили установить, что через 10 лет исчезает лишь около 50% пестицида – вследствие разложения или уноса на другую территорию.
Наконец, накопились данные о концентрировании ДДТ по мере продвижения по лестнице потребления продуктов питания. После обработки вязов концентрация ДДТ в почве достигала 100 млн. долей, в земляных червях она составляла 140 млн. долей, а, в птицах, поедавших этих червей, превышала 400 млн. долей. Такая концентрация ДДТ оказалась явно пагубной для птиц, особенно более крупных, хищных птиц. По-видимому, ДДТ мешает их воспроизводству, вызывая опасное утоньшение яичной скорлупы. Некоторые виды птиц, например орлы и соколы-сапсаны, стали быстро исчезать, как только эта неприятность добавилась к другим посягательствам человека на их место обитание.
Максимальный уровень производства ДДТ только в США достигал 156 млн. фунтов (в 1959г.). С самого начала ДДТ так широко применялся во всем мире, что не один участок земли не остался незатронутым. Его обнаруживают в жировых тканях жителей отдаленных районов Аляски, пингвинов и тюленей Антарктиды. К тому же некоторые насекомые и вредители приобрели, устойчивость к ДДТ за продолжительное время его использования, а некоторые полезные насекомые в отдельных местностях были уничтожены этим препаратом. 8. Уравнение риск/выгода
История с ДДТ – наглядный пример сочетания риска и выгоды, Ясно, что сначала доминирует непосредственно ожидаемая выгода (в нашем случае – спасение человеческих жизней), и нет цены, которая могла бы ее превысить. Ожидаемое благо реализуется, но бдительное наблюдение обнаруживает повсеместные нарушения в окружающей среде, на которые невозможно закрыть глаза. И хотя ни одного случая заболевания человека нельзя было связать с действием ДДТ, ясно, что некоторые свойства препарата вступают в конфликт с нашим стремлением защитить окружающий мир: это необыкновенная стабильность ДДТ, его подвижность и сродство к системам живых организмов. С одной стороны, возникшие проблемы поставили преграду дальнейшему использованию ДДТ, а с другой, они же подсказали, какими свойствами должен обладать его заменитель. Такие заменители уже найдены – это инсектициды, биологическое действие которых гораздо более специфично, которые так же, как в ДДТ, не токсичны для человека, но разлагаются в природной среде за несколько дней или недель. ДДТ не только сохранил миллионы человеческих жизней, но и указал путь к наилучшему решению уравнения риск/выгода.
Заключение
Громче всего звучит вывод о трудности оценки степени риска. Парацельс утверждал, что ядовито все и что яд определяется лишь дозой. Но определить дозу необычайно сложно. Опыты на людях не возможны, а применимость результатов, полученных в экспериментах с животными, всегда вызывает сомнения. Эпидемиология указывает на сопутствование, но не вскрывает причинных связей.
Существует и множество субъективных факторов. Риск, которым кто-то еще пренебрегает, для кого-то уже оказывается не приемлемым. Еще хуже, когда риску подвергается одна группа людей, а выгоду получает другая. Наконец, все мы очень чувствительны к риску, которому приходится подвергаться не по своей воле.
Невзирая на эти порой обескураживающие трудности, сравнительные оценки риска и выгоды стали обычным делом при выработке бесчисленных решений, влияющих на нашу жизнь. Некоторые из них принимаются без нашего участия избранным нами правительством. Другие мы выбираем сами в кабинах для голосования. Но в любом случае эти решения должны основываться на принципах общего блага и общей воли. Чтобы достичь этой цели, необходимо повысить научную грамотность населения. Ясно, что начинать надо пораньше, со школьного возраста; научному образованию нужно уделять больше внимания.
Размещено на Allbest.ru
Экология — это наука об отношениях организмов между собой и с окружающей средой.
Главными загрязнителями окружающей среды являются теплоэлектростанции, цветная металлургия, транспорт. Например, ежегодно в атмосферу выбрасывается 100 млн. тонн серы (IV) оксида SO2. Более половины этого количества приходится на долю теплоэлектростанций, четверть — на долю цветной металлургии и лишь несколько процентов — на долю черной металлургии и основной химической промышленности. То же можно сказать о выбросах оксидов азота и углекислого газа, о твердых пылевые выбросы и канцерогенные микроэлементы.
С целью защиты окружающей среды в химической промышленности используют различные фильтры, которые снижают выброс вредных веществ в атмосферу.
Синтетические полимеры в отличие от естественных не разлагаются ферментами и остаются в природе. Когда их после использования сжигают, то тем самым лишь усугубляют загрязнения воздуха. Перед химиками стоит задача разработки способов утилизации синтетических материалов и создание новых полимеров, которые раскладывались в природе.
Очень остро стоит проблема рационального использования воды и недопустимости загрязнения водоемов. При этом учитывают, что пресная вода составляет только около 2,5% от общего количества воды на Земле. Кардинальное решение проблемы заключается в создании замкнутых (бессточных) технологических систем, когда использованная вода очищается и снова возвращается в производство.
Химия и экология
Введение.
Ежегодно, американцы вываливают миллионы тонн пластиков в окружающую среду, значительная часть этих отходов низвергается прямо в океан. Действительно, 9 млн. тонн твердых отходов промышленности США ежегодно уходит непосредственно в море. Одним только коммерческие суда выбрасывают за борт 6,6млн. тонн мусора в год. Этим мусором можно было бы завалить 440000 классных комнат.
Вопреки общему мнению пластиковые отходы, в конце концов, разрушаются, но происходит это медленно – иногда для этого требуется до 50 лет. За такое время может скопиться масса мусора. Особенно чувствительны к пластиковому мусору морские экосистемы: он не тонет, и обитатели морей по ошибке принимают его за медуз, яйца и другие лакомства или запутываются в нем, ведь 150000т. отходов – это выбрасываемые в океан рыболовные снасти. Дело принимает особенно неприятный оборот в арктических районах, где мусор только накапливается, но не разрушается – этому препятствует очень низкая температура.
Химики сделали значительный шаг в решении этой серьезной проблемы. Выход из бедственного положения был найден в создании пластиков с особой структурой. Пластики – это полимерные материалы, получаемые из продуктов переработки нефти. Они состоят из длинных цепей, построенных из повторяющихся молекулярных группировок. Химики нашли способ изменять полимерные молекулы так, чтобы их свойства больше соответствовали гигиене окружающей среды. Одним из них – химическое присоединение светочувствительных молекулярных групп к макромолекулярным цепям через правильные интервалы. Когда пластик, изготовленный из такого полимера, подвергается действию солнечного света, светочувствительные группы поглощают излучение, что приводит к расщеплению полимера в местах их присоединения. Остальное – дело природы. Образующиеся небольшие фрагменты легко подвергаются биоразложению. Другой способ подчинить свойства пластика требованиям гигиены природы – ввести в них молекулярные группировки, считающиеся деликатесом у некоторых микроорганизмов. Микроскопические чревоугодники берут в этом случае на себя труд расщепления длинных молекул на короткие кусочки. Находки такого рода, можно надеяться, приведут к тому, что проблема пластиковых отходов начнет постепенно отступать и, в конце концов, уйдет в прошлое.
Любое общество старается обеспечить себя достаточным количеством пропитания, жильем и здоровой окружающей средой. Когда эти элементарные требования выполнены, можно подумать и о комфорте. Сегодня наше стремление к увеличению количества товаров, энергии и большей обеспеченности средствами передвижения пришло в столкновение со стремлением сохранить здоровую окружающую среду. Нашей главной заботой стала защита окружающей среды в условиях роста численности населения, его продолжающегося концентрирования (урбанизации) и повышения жизненного стандарта.
Ухудшение состояния окружающей среды и, как следствие, угроза здоровью и состоянию экосистемы – явление не новое. Нарушения в окружающей среде, вызванные деятельностью человека, прослеживаются с древнейших времен. Проблема нечистот возникла одновременно с появлением городов. Задолго до двадцатого столетия лондонский воздух был загрязнен дымом очагов и каминов. Ранним проявлением проблем индустриальной гигиены была малая продолжительность жизни трубочистов из-за подверженности их раковым заболеваниям, что теперь мы можем объяснить длительным воздействием сажи, содержащей следы канцерогенов (многоядерных ароматических углеводородов).
Однако то, что загрязнение окружающей среды не есть новейшее изобретение, – слабое утешение. Проблемы загрязнения дают о себе знать все более явственно, и мы научились распознавать трудноуловимые взаимодействия в окружающем мире и обнаруживать вторичные эффекты, которые прежде оставались незамеченными. Некоторые нарушения окружающей среды принимают глобальный характер. Трагедия в Бхопале предельно ярко высвечивает существующую дилемму. Эта трагедия произошла в стране, страдающей от голода. Токсичные вещества применялись для производства продуктов питания, ежегодно спасавших многие тысячи людей от голодной смерти.
Однако следует заметить, что человечество по-настоящему озабочено важностью сохранения здоровой окружающей средой, и это обнадеживает. Громадное большинство граждан США всех политических направлений заявляют о готовности платить более высокие цены за продукты (такие, как не содержащий свинца бензин) и более высокие подоходные налоги ради оздоровления окружающей среды. Такие же тенденции наблюдаются и повсеместно – за пределами США.
Выработка эффективной стратегии защиты окружающей среды требует информированности и знаний. Мы должны уметь ответить на следующие вопросы:
Какие потенциально опасные вещества содержаться в воздухе, воде, почве и пище?
Чем вызвано их появление?
Как можно решить проблему – полностью или хотя бы отчасти (использование альтернативных продуктов, процессов)?
Как зависит степень опасности от длительности воздействия данного вещества? Как следует подходить к выбору одного из вариантов, обещающих положительный эффект?
Ясно, что на химиков ложиться главная ответственность за правильность ответов на три первых решающих вопроса. Чтобы определить, какие вещества присутствуют в окружающей среде, аналитики должны разрабатывать все более и более чувствительные и селективные методы. Обнаружение источников может потребовать проникновения в детали процессов, которые ведут от исходного загрязнения к конечным вредным или токсичным продуктам. Если для удовлетворения энергетических нужд приходится довольствоваться более низкосортным топливом, то какие катализаторы и какие новые процессы следует разработать, чтобы не усугубить проблемы кислотных дождей и канцерогенных выбросов работающих на угле электростанций.
Четвертый вопрос – о допустимой длительности воздействия вредного вещества – принадлежит компетенции медицины, токсикологии и эпидемиологии. Теперь, когда общество осознало, что существует обратная связь между степенью понижения риска и затратами на ее достижение, перед этими дисциплинами встают серьезные проблемы. Медики должны уточнить данные о степени риска, обусловленного присутствием, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах. Необходимо научиться взвешивать риск и издержки, связанные с присутствием этих соединений, положив на другую чашу весов блага, которые мы теряем, ограничивая их использование. И что более важно, мы не можем позволить себе роскошь стремиться любой ценой устранить вероятность риска вообще, поскольку по мере приближения уровня риска к нулю цена устремляется к бесконечности.
Наконец, выбор вариантов решения проблемы должен принадлежать обществу. Химики и специалисты в других областях, связанных с экологией, несут особую и весьма серьезную ответственность за информированность на самой квалифицированной и объективной научной экспертизе. Долг ученых – ознакомить общество, средства массовой информации и правительство с реальной картиной, причем на языке, свободном от профессионального жаргона. Ученые должны дать научное обоснование предлагаемого решения и указать, что нас ждет впереди.
От обнаружения к защите.
Все стратегии защиты окружающей среды должны основываться на знании действительных пороговых значений опасных концентраций и нашей способности обнаружить нежелательный компонент задолго до того, как его концентрация достигает такого значения. В ряде случаев обнаружение может быть эквивалентно защите.
К сожалению, средства информации, общество и правительственные учреждения слишком часто ставят знак равенства между обнаружением и опасностью. Такая реакция основана на общем заблуждении, что вещество, обладающее выраженной токсичностью при некоторой определенной концентрации, токсично всегда. Существует множество примеров, показывающих, что это не так. Вспомните моноксид углерода. Этот обычный компонент атмосферы становится опасным при концентрациях, превышающих 1000 млн. долей. Считается, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превышающих 10 млн. долей, отрицательно сказывается на здоровье. Тем не менее, мы не настаиваем на полном устранении СО из атмосферы! Это было бы глупо (да и невозможно!), поскольку мы живем – и не плохо – в среде, всегда содержащей легко обнаружимые количества СО, порядка 1 млн. доли.
Другой интересный пример – селен. Некоторые растения, растущие на относительно богатых селеном почвах, имеют тенденцию накапливать этот элемент в таких количествах, которые приводят к отравлению жвачных животных. К числу указанных растений относятся астрагал (Astragalus). Пшеница также может накапливать селен, и хотя на людях это сколько-нибудь заметно не сказывается, куры, которых кормили ею, дают ненормальное потомство. В то же время сейчас известно, что селен – жизненно важный компонент пищи крыс, цыплят и свиней. Более того, селен в определенных концентрациях является природным антиканцерогенном; он входит в состав глутатион-пероксидазы – фермента, разрушающего вредные гидропероксиды. В Китае в популяциях людей с низким содержанием селена в крови наблюдаются следующие отклонения от нормы: дети часто страдают множественным миокардитом (болезнь Кишана), высока смертность взрослых от рака, особенно распространен рак печени. Очевидно, что селен, является необходимым для человека и животных элементом при одних концентрациях и токсичным при других. Ежедневная норма потребления селена для взрослых, рекомендуемая Национальным советом по здравоохранению, составляет 50 – 100 мкг. Приведенный пример ясно показывает, что присутствие в окружающей среде следов вещества, которое может быть токсичным при высоких концентрациях, еще не свидетельствует об опасности.
Некоторые люди усиленно добиваются ориентированного на нулевой риск подхода к защите окружающей среды. Нулевой риск означает достижение абсолютной и полной гарантии от любой возможной опасности. В приведенном выше примере с моноксидом углерода – это полное, до последней молекулы, удаление его из атмосферы. Сейчас такое нереалистичное стремление к нулевому риску постепенно вытесняется менее примитивной философией, которая ставит действия, связанные с наличием риска, в зависимость от оценки его уровня. Что касается будущего, то наилучшим капиталовложением была бы организация долговременных изысканий в области фундаментальной науки об окружающей среде и работ по совершенствованию диагностических методов. Это позволило бы избежать необходимости прибегать к дорогостоящим аварийным программам.
Повышение эффективности измерений, проводимых в окружающей среде, требует более совершенных инструментов. Проблема состоит в том, чтобы определять следы искомого соединения в сложной смеси, содержащей много безвредных веществ. Одним из примеров успеха, достигнутого в повышении селективности аналитических методов, может служить разработка методов разделения и количественного определения каждого из 22 изомеров тетрахлордиоксина в концентрациях порядка триллионных долей (т.е. 1:1012)!
Легко реагирующие соединения, присутствующие в атмосфере, нельзя доставить для анализа в лабораторию. Это порождает специфические сложности, связанные с необходимостью дистанционного обнаружения и определения содержания таких соединений в местах их образования. Примером успехов, достигнутых в этой области исследований, может служить измерение концентраций формальдегида и азотной кислоты в смоге над Лос-Анджелесом методом инфракрасной спектроскопии, позволившим регистрировать поглощение излучения на расстоянии одного километра. Благодаря этим экспериментам удалось установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при их одновременном присутствии в воздухе на уровне миллиардных долей.
Все более важным становится выяснение химического состояния компонентов окружающей среды, поскольку, как это теперь известно, и токсичность, и легкость перемещения существенно зависят от того, в какой химической форме находится данный загрязнитель. Испытания, проведенные на животных, показали, что один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее самого токсичного из всех остальных. Эти примеры говорят о важности аналитических методов, которые позволяют не только установить концентрацию потенциального загрязнителя, но и идентифицировать химическую форму, в которой он присутствует. К числу мощных средств, используемых для решения этой проблемы, относятся электрохимия, хроматография и масс-спектрометрия.
Борьба с кислотными дождями.
Кислотные дожди – одна из самых очевидных проблем загрязнения воздуха, стоящих перед нами. Кислые вещества и соединения, которые служат их источником, образуются при сжигании минеральных топлив в энергетических установках и на транспорте. Это главным образом кислоты – производные оксидов серы и азота. Существует ряд природных источников таких соединений: они образуются во время грозы или извержения вулкана, в результате жизнедеятельности бактерий, однако, исключая нечастые извержения, вклад этих источников невелик. Основными “поставщиками” оксидов углерода и азота являются автомобильный транспорт, электростанции и всякого рода плавильные печи.
Влияние кислотных дождей наиболее ощутимо и известно широкой публике в Европе и на северо-востоке США, но зоны риска включают также Канаду и, возможно, калифорнийскую Сьерру, Скалистые горы и Китай. В некоторых местах наблюдалось выпадение осадков, приближающихся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных дождей продолжают оставаться предметом дискуссий. Первоначально внимание фокусировалось на вреде, приносимом озерным и речным экосистемам, однако в дальнейшем стали учитываться и такие дорогостоящие последствия, как порча зданий, мостов и оборудования. Труднее всего количественно оценить влияние загрязненного воздуха на здоровье человекам.
Наибольший урон наносится озерам, в которых вода обладает слабыми буферными свойствами. В присутствии природных щелочных буферов кислые соединения, приносимые дождем (большей частью серная и азотная кислоты, в меньших количествах органические кислоты), нейтрализуются. Однако озера, лежащие на гранитных (кислых) породах, весьма подвержены действию попадающих в них кислот, способных переводить в раствор ионы таких металлов, как алюминий и марганец, что может повлечь подавление роста растений и водорослей, а в некоторых озерах – сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Значительный ущерб наносят кислотные дожди и растительности, причем проявление их влияния может быть самым различным – от дефолиации до разрушения тонкой корневой системы.
В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержанием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязнителей, – это установка химических газоочистителей – устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, – это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.
Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосферные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.
Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вернуться на землю за сотни миль вниз по ветру.
Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N02, а иногда и азотной кислоты, HNO3, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота – источников их поступления и мест выведения – содержат еще много неясного.
Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмосферы затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первостепенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, – вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие.
Защита от климатических катастроф: парниковый эффект.
В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнечную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогнозами говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопоставим с эффектом накопления диоксида углерода.
Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут последствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль метана, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом свести на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, – все это должно быть изучено и понято.
Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затемнить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в воздухе и влияния сажи на радиационный баланс.
В отличие от загрязнений местного характера проблемы глобальных загрязнителей создают тупиковые ситуации, поскольку их решение требует действий во всемирном масштабе, а граждане разных стран по-разному относятся к их приоритетности. В прошлом предпочтение, отдаваемое ископаемым или ядерным топливам, диктовалось в первую очередь экономическими факторами, например наличием богатых запасов угля. Однако усиление глобальной угрозы окружающей среде, в частности в результате накопления углекислоты в атмосфере, которое ускоряется сжиганием угля, может вынудить нас пересмотреть плюсы и минусы ядерной энергетики. На приобретение фундаментальных знаний, необходимых для разумного выбора, требуются годы. Мы должны строить этот фундамент, чтобы быть в состоянии взвешенно оценить реальную угрозу накопления углекислоты в атмосфере в свете имеющихся альтернатив. Эта оценка должна учитывать проблемы защиты окружающей среды и проблему отходов ядерной энергетики.
Оценка риска.
Существует два вида токсичности. Один химический препарат может вызывать заболевание вскоре после своего воздействия – это острая токсичность. Другой препарат может оказывать нежелательное воздействие значительно позже, после продолжительного его использования – это хроническая токсичность. Например, остро токсичный газ фосген, Cl2CO, может случайно образоваться, если загорание электросети тушат огнетушителем с тетрахлоридом углерода. В концентрации 5 млн. долей фосген уже через несколько минут вызывает раздражение глаз, а концентрации выше 50 млн. долей могут оказаться смертельными. Напротив, бензол, С6Н6, обладает хронической токсичностью. Вдыхание паров бензола той же концентрации, 50 млн. долей, не дает немедленного эффекта, но при длительном (в течение многих месяцев или лет) ежедневном воздействии бензола может вызвать понижение числа красных кровяных телец (гемоглобина) и лейкоцитов в крови.
К сожалению, получить детальную информацию о токсичности нелегко. Наиболее точный способ – суровый способ – это подвергнуть достаточное число людей воздействию данного препарата, чтобы продемонстрировать его безопасность или установить дозу, при которой начинает обнаруживаться токсичность. Ясно, что сведения о хронической токсичности добыть труднее всего. Чтобы можно было извлечь из наблюдений необходимую статистическую информацию, воздействию исследуемого вещества должны быть подвергнуты в течение достаточно длительного времени очень большая группа людей. Проблемы такого рода принадлежат компетенции эпидемиологии.
Что такое эпидемиология.
Исторически эпидемиология развивалась как наука об эпидемиях, т.е. быстро распространяющихся заболеваниях. Однако сегодня эпидемиология используется и как статистический аппарат для обнаружения острой или хронической токсичности даже при весьма слабом воздействии на здоровье. Например, винилхлорид, СН2СНСl, известен как канцероген. Основанием для такого заключения послужило то, что, согласно статистическим данным, очень редкая форма рака печени, ангиосаркома, наблюдается главным образом у небольшого числа рабочих, которые продолжительное время подвергались воздействию высоких концентраций (сотни млн. долей) этого соединения. В этом случае удалось получить достоверное эпидемиологическое заключение относительно токсичности данного соединения и его весьма незначительной опасности для обычной публики.
Что является причиной чего?
К сожалению, результаты наблюдений можно неверно интерпретировать даже при наличии достаточного количества статистических данных. Так, статистические данные показывают, что рак толстой кишки гораздо более распространен в США, чем в Индии, и что американцы потребляют больше молочных продуктов, чем индийцы. Прежде чем сделать вывод, что молочные продукты вызывают рак, следует, однако, вспомнить, что рак толстой кишки распространен у пожилых людей и что средняя продолжительность жизни американцев гораздо выше, чем у жителей Индии. Таким образом, можно прийти и к противоположному выводу: потребление молочных продуктов позволяет прожить достаточно долго, чтобы начал проявляться (от других причин) рак толстой кишки. Эпидемиология может установить, что одно сопутствует другому, но это не обязательно означает причинную связь между двумя явлениями. Эпидемиологи шутят, что снижение скорости роста населения в Западной Европе в 20 веке примерно соответствует скорости уменьшения в этом регионе популяции аистов, лишь немногие сделают отсюда вывод, что рождаемость уменьшилась потому, что для доставки детей не хватает аистов.
История с ДДТ.
Все началось в 1939г., когда швейцарский химик Пауль Мюллер в ходе систематических поисков новых инсектицидов синтезировал дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Вначале на ДДТ смотрели, как на чудо: он исключительно эффективно действует на самых разнообразных насекомых-вредителей и в отличие от широко использовавшихся в то время соединений свинца и мышьяка не проявляет острой токсичности по отношению к людям.
Выгоды.
США впервые широко применили ДДТ в 1944г. во время второй мировой войны в борьбе с распространившейся эпидемией тифа в воинских частях и среди гражданского населения в Италии. Тиф переносится нательными вшами, и чтобы уничтожить этих насекомых, тысячи людей были щедро, с ног до головы, осыпаны ДДТ. Эпидемия была остановлена, что предотвратило потери человеческих жизней, которые могли стать опустошительными.
После столь внушительного успеха решено было прибегнуть к ДДТ в борьбе с Anopheles – комаром-распространителем малярии. До использования ДДТ малярия уносила от 2 до 3 млн. жизней ежегодно, число же страдающих этой тяжелой болезнью было еще больше. В результате 10-летнего применения ДДДТ в ряде стран малярия перестала быть столь страшным бичом. В Индии число заболеваний сократилось с 75 млн. в 1952г. до 100 тыс. в 1964г., в СССР с 35 млн. в 1956г. до 13 тыс. в 1966г. За то же время в Шри-Ланке малярийная “дань” понизилась с 12 тыс. жизней до нуля! Всемирная организация здоровья и Организация объединенных наций относят на счет этого чудодейственного препарата спасение около 50 млн. жизней, отнятых у одной только малярии. За свою работу доктор Пауль Мюллер был удостоен в 1948г. Нобелевской премии в области медицины.
Риск.
К сожалению, история ДДТ на этом не кончается. В 1972г. Агентство по охране окружающей среды наложило запрет на использование ДДТ в США. Как удалось это сделать – особая история, и тоже история успеха, но на этот раз в борьбе за необходимость наблюдения за окружающей средой в ожидании появления побочного действия широко применяемых препаратов.
Уже в 1946г. ученые установили, что ДДТ накапливается в жировых тканях и остается там чрезвычайно долго. Животные и рыбы, так же как и человек, – это преимущественно водные системы. Транспорт и вывод веществ из организма осуществляется у них в водной среде. Но хлорсодержащие углеводороды типа ДДТ очень плохо растворяются в воде (порядка 2 млн. долей): они продолжительно растворяются и концентрируются в жировых тканях. Например, ДДТ легко переходит в жир материнского молока. Агентство должным образом отреагировало на эту тревожную информацию, установив предельно безопасную концентрацию ДДТ в коровьем молоке и других продуктах питания. Из осторожности сначала был принят нулевой уровень безопасности. Однако при “нулевом подходе” возникают свои проблемы. Образец молока можно признать безопасным, если ДДТ не обнаруживается в нем самыми чувствительными измерениями. Поэтому усовершенствования аналитических методов приводит к изменению смысла понятия безопасной концентрации. Нулевой предел всегда связывает уровень безопасности с методом обнаружения, а не с наиболее достоверной оценкой степени опасности. По этой и другим причинам нулевой предел оказался неудачным, и Агентство заменило его “приемлемым уровнем безопасности” в 0,05млн. доли.
С течением времени стало ясно, что попадание в окружающую среду, ДДТ разлагается там с большим трудом. Усовершенствованные методы обнаружения позволили установить, что через 10 лет исчезает лишь около 50% пестицида – вследствие разложения или уноса на другую территорию.
Наконец, накопились данные о концентрировании ДДТ по мере продвижения по лестнице потребления продуктов питания. После обработки вязов концентрация ДДТ в почве достигала 100 млн. долей, в земляных червях она составляла 140 млн. долей, а, в птицах, поедавших этих червей, превышала 400 млн. долей. Такая концентрация ДДТ оказалась явно пагубной для птиц, особенно более крупных, хищных птиц. По-видимому, ДДТ мешает их воспроизводству, вызывая опасное утоньшение яичной скорлупы. Некоторые виды птиц, например орлы и соколы-сапсаны, стали быстро исчезать, как только эта неприятность добавилась к другим посягательствам человека на их место обитание.
Максимальный уровень производства ДДТ только в США достигал 156 млн. фунтов (в 1959г.). С самого начала ДДТ так широко применялся во всем мире, что не один участок земли не остался незатронутым. Его обнаруживают в жировых тканях жителей отдаленных районов Аляски, пингвинов и тюленей Антарктиды. К тому же некоторые насекомые и вредители приобрели, устойчивость к ДДТ за продолжительное время его использования, а некоторые полезные насекомые в отдельных местностях были уничтожены этим препаратом.
Уравнение риск/выгода.
История с ДДТ – наглядный пример сочетания риска и выгоды, Ясно, что сначала доминирует непосредственно ожидаемая выгода (в нашем случае – спасение человеческих жизней), и нет цены, которая могла бы ее превысить. Ожидаемое благо реализуется, но бдительное наблюдение обнаруживает повсеместные нарушения в окружающей среде, на которые невозможно закрыть глаза. И хотя ни одного случая заболевания человека нельзя было связать с действием ДДТ, ясно, что некоторые свойства препарата вступают в конфликт с нашим стремлением защитить окружающий мир: это необыкновенная стабильность ДДТ, его подвижность и сродство к системам живых организмов. С одной стороны, возникшие проблемы поставили преграду дальнейшему использованию ДДТ, а с другой, они же подсказали, какими свойствами должен обладать его заменитель. Такие заменители уже найдены – это инсектициды, биологическое действие которых гораздо более специфично, которые так же, как в ДДТ, не токсичны для человека, но разлагаются в природной среде за несколько дней или недель. ДДТ не только сохранил миллионы человеческих жизней, но и указал путь к наилучшему решению уравнения риск/выгода.
Заключение.
Громче всего звучит вывод о трудности оценки степени риска. Парацельс утверждал, что ядовито все и что яд определяется лишь дозой. Но определить дозу необычайно сложно. Опыты на людях не возможны, а применимость результатов, полученных в экспериментах с животными, всегда вызывает сомнения. Эпидемиология указывает на сопутствование, но не вскрывает причинных связей.
Существует и множество субъективных факторов. Риск, которым кто-то еще пренебрегает, для кого-то уже оказывается не приемлемым. Еще хуже, когда риску подвергается одна группа людей, а выгоду получает другая. Наконец, все мы очень чувствительны к риску, которому приходится подвергаться не по своей воле.
Невзирая на эти порой обескураживающие трудности, сравнительные оценки риска и выгоды стали обычным делом при выработке бесчисленных решений, влияющих на нашу жизнь. Некоторые из них принимаются без нашего участия избранным нами правительством. Другие мы выбираем сами в кабинах для голосования. Но в любом случае эти решения должны основываться на принципах общего блага и общей воли. Чтобы достичь этой цели, необходимо повысить научную грамотность населения. Ясно, что начинать надо пораньше, со школьного возраста; научному образованию нужно уделять больше внимания.
ВСТУПЛЕНИЕ §
3. Химия и экология
Бурное развитие промышленности, в
том числе химической, создал серьезную проблему: необходимость уменьшить ее
негативное воздействие на окружающую среду.
Это влияние проявляется в глобальных
масштабах. Среда заселения человека загрязняется вредными отходами
производства, выделяется избыточная энергия, истощаются природные ресурсы.
Негативными последствиями этих процессов является загрязнение воды и атмосферы, изменение
климата в отдельных регионах Земли, уменьшение площадей пахотных земель (за
загрязнения, эрозии, образованию пустынь), вымирание многих видов животных и
растений, ухудшение здоровья людей.
Наука, изучающая взаимоотношения
человечества с окружающей средой, получила название экология. Экология тесно связана
с химией. С одной стороны, химическое воздействие на окружающую среду причиняет ему значительный Ущерб,
но с другой стороны, предотвратить деградацию природы можно путем использования
химических методов.
Химия и химическая промышленность
одним из существенных источников загрязнения окружающей среды. Другими самыми неблагоприятными
относительно экологического состояния производствами являются черная и цветная металлургия,
автомобильный транспорт и энергетика (главным образом, тепловые станции).
Какие основные источники загрязнения
среды заселения человека? Прежде всего следует отметить, что они могут быть
газуватими, жидкими и твердыми. Газуваті отходы производства образуются под
время сгорания топлива, выплавки металлов и других процессов. Значительные выбросы
вредных газов от автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Газуваті
отходы содержат оксид карбона(ИV)
СО2, оксид углерода(II) СО, оксид серы(ИV) SO2, оксиды азота и другие вредные
вещества. В состав газовых выбросов может входить пыль, содержащая карбон в
виде сажи, и другие компоненты. Во время сжигания топлива викорисовується
кислород из атмосферы, что также неблагоприятно действует на людей, особенно в тех
местностях, где мало растений, вырабатывающих кислород.
Другой источник загрязнения окружающей среды –
промышленные и бытовые сточные воды. Много производств требует большого
количества воды для промывки, охлаждения и других целей. После использования
вода сбрасывается в водоемы. Сточные воды могут содержать много неорганических
веществ, в том числе ионы таких металлов, как хром, цинк, кадмий, купрум,
никол, хром и другие. Не менее безопасна наличие в сточных водах различных
органических соединений. Химические вещества, содержащиеся в воде, попадают в реки,
озер и морей, проникают в грунтовые воды, выносятся на поля. В результате эти
вредные вещества появляются в питьевой воде и пище человека и животных, могут
вызвать глубокие генетические изменения в организме, привести к отравлению и даже
смерти.
Если сточные воды содержат безвредные
на первый взгляд примеси, например хлорид натрия или сульфат натрия, то они
могут причинить вред окружающей среде, вызывая засорение водоемов
или почвы.
Наконец, третий источник загрязнения –
твердые отходы. К ним относятся различные отходы, которые невозможно переработать, пустая
порода – отходы горнодобывающей промышленности, строительный и бытовой мусор
т.д.
Для решения проблем охраны
окружающей среды необходимо осуществить комплекс мер, многие из которых решаются по
помощью химических, физико-химических, физических или биохимических методов.
Важнейшие направления работ, проводимых с целью снижения негативного воздействия
производственной деятельности, такие.
1. Разработка и создание
малоотходных и полностью безотходных технологий. Это – привлекательное, но и
важковиконуване задачи. Для его успешного решения необходимо проводить
полную очистку всех выбросов, утилизировать и возвращать обратно в производство все
отходы и побочные продукты.
2. Разработка технологий, за которыми
экономно расходуются сырье, топливо, энергетические ресурсы. Экономические
технологии существенно снижают нагрузку на окружающую среду.
3. Создание производственных процессов, в
которых не используются вредные химические вещества, а также не образуются такие
вещества, как побочные продукты. Там, где это невозможно, надо искать пути замены
более вредных веществ на менее вредные.
4. Разработка систем очистки газов и
сточных вод, выбрасываемых. Такие системы есть на большинстве предприятий, но их
эффективность часто не очень большая.
5. Разработка технологий переработки
твердых отходов. Эти отходы часто являются ценным сырьем, содержащим отходы
пластмасс, металлов, стекла, бумаги и других материалов. Много твердых отходов
или побочных продуктов является источником сырья для производства строительных
материалов.
Охрана окружающей среды –
глобальная проблема, что охватывает интересы всего мира, поскольку невозможно даже
в большой стране локализовать вредные последствия развития производства. Поэтому в
наше время в области экологии развивается международное сотрудничество, много
проблем решается совместными усилиями многих государств.
Как химия
влияет на окружающую среду или химическое загрязнение среды промышленностью
Введение.
Последствие
аварии на нефтепроводе. 1996 г.
На всех стадиях
своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как
появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в
природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее
и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход
невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из
экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше
вмешиваться в хозяйство биосферы – той части нашей планеты, в которой
существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему
антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее
существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на
планете.
Наиболее
масштабным и значительным является химическое загрязнение окружающей среды
несвойственными ей веществами химической природы. Среди них – газообразные и
аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и
накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса
будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой
температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся
загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его
общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать
существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не
вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее
повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные
факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное
влияние на процессы, происходящие в биосфере.
Химическое
загрязнение биосферы.
Человек
загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня,
которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось
мириться с тем, что дым мешал дыханию, и что сажа ложилась черным покровом на
потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый
воздух и незаконченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не
представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая
неизмерно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное
сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в
классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями.
Так было вплоть
до начала девятнадцатого века. Лишь за последние сто лет развитие промышленности
“одарило” нас такими производственными процессами, последствия
которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли
города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великих
изобретений и завоеваний человека.
В основном существуют
три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые
котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении
воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что
наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники
загрязнений – теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух
сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной
металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор,
фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка;
химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате
сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта,
сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители
разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные,
являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу
сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами
воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с
аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате
химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими
веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки.
Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые
электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки,
потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.
Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:
Оксид углерода.
Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в
результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами
промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее
1250 млн. т. Оксид углерода является соединение, активно реагирующим с
составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и
созданию парникового эффекта.
Сернистый
ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или
переработки сернистых руд (до 170 млн. т в год). Часть соединений серы
выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в
США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65
% от общемирового выброса.
Серный
ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом
реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который
подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение
аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается
при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений,
произрастающих на расстоянии менее 11 км от таких предприятий, обычно бывают
густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания
капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной
металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов
тонн серного ангидрида.
Сероводород и
сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями
серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного
волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.
В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному
окислению до серного ангидрида.
Оксиды азота.
Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные
удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения,
вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу,
составляет 20 млн. т в год.
Соединения
фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия,
эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества
поступают в атмосферу в виде газообразных соединений – фтороводорода или пыли
фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом.
Производные фтора являются сильными инсектицидами.
Соединения
хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную
кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт,
хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и
паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их
концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при
переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых
металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т предельного чугуна выделяется
кроме 12,7 кг сернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц, определяющих количество
соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов,
смоляных веществ и цианистого водорода.
Аэрозольное
загрязнение атмосферы. Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящиеся
во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев
особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В
атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или
дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии
твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер
аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает
около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое
количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности
людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены в таблице 1:
Таблица 1
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС
Химия и экология
Введение.
Ежегодно, американцы вываливают миллионы тонн пластиков в окружающую среду, значительная часть этих отходов низвергается прямо в океан. Действительно, 9 млн. тонн твердых отходов промышленности США ежегодно уходит непосредственно в море. Одним только коммерческие суда выбрасывают за борт 6,6млн. тонн мусора в год. Этим мусором можно было бы завалить 440000 классных комнат.
Вопреки общему мнению пластиковые отходы, в конце концов, разрушаются, но происходит это медленно – иногда для этого требуется до 50 лет. За такое время может скопиться масса мусора. Особенно чувствительны к пластиковому мусору морские экосистемы: он не тонет, и обитатели морей по ошибке принимают его за медуз, яйца и другие лакомства или запутываются в нем, ведь 150000т. отходов – это выбрасываемые в океан рыболовные снасти. Дело принимает особенно неприятный оборот в арктических районах, где мусор только накапливается, но не разрушается – этому препятствует очень низкая температура.
Химики сделали значительный шаг в решении этой серьезной проблемы. Выход из бедственного положения был найден в создании пластиков с особой структурой. Пластики – это полимерные материалы, получаемые из продуктов переработки нефти. Они состоят из длинных цепей, построенных из повторяющихся молекулярных группировок. Химики нашли способ изменять полимерные молекулы так, чтобы их свойства больше соответствовали гигиене окружающей среды. Одним из них – химическое присоединение светочувствительных молекулярных групп к макромолекулярным цепям через правильные интервалы. Когда пластик, изготовленный из такого полимера, подвергается действию солнечного света, светочувствительные группы поглощают излучение, что приводит к расщеплению полимера в местах их присоединения. Остальное – дело природы. Образующиеся небольшие фрагменты легко подвергаются биоразложению. Другой способ подчинить свойства пластика требованиям гигиены природы – ввести в них молекулярные группировки, считающиеся деликатесом у некоторых микроорганизмов. Микроскопические чревоугодники берут в этом случае на себя труд расщепления длинных молекул на короткие кусочки. Находки такого рода, можно надеяться, приведут к тому, что проблема пластиковых отходов начнет постепенно отступать и, в конце концов, уйдет в прошлое.
Любое общество старается обеспечить себя достаточным количеством пропитания, жильем и здоровой окружающей средой. Когда эти элементарные требования выполнены, можно подумать и о комфорте. Сегодня наше стремление к увеличению количества товаров, энергии и большей обеспеченности средствами передвижения пришло в столкновение со стремлением сохранить здоровую окружающую среду. Нашей главной заботой стала защита окружающей среды в условиях роста численности населения, его продолжающегося концентрирования (урбанизации) и повышения жизненного стандарта.
Ухудшение состояния окружающей среды и, как следствие, угроза здоровью и состоянию экосистемы – явление не новое. Нарушения в окружающей среде, вызванные деятельностью человека, прослеживаются с древнейших времен. Проблема нечистот возникла одновременно с появлением городов. Задолго до двадцатого столетия лондонский воздух был загрязнен дымом очагов и каминов. Ранним проявлением проблем индустриальной гигиены была малая продолжительность жизни трубочистов из-за подверженности их раковым заболеваниям, что теперь мы можем объяснить длительным воздействием сажи, содержащей следы канцерогенов (многоядерных ароматических углеводородов).
Однако то, что загрязнение окружающей среды не есть новейшее изобретение, – слабое утешение. Проблемы загрязнения дают о себе знать все более явственно, и мы научились распознавать трудноуловимые взаимодействия в окружающем мире и обнаруживать вторичные эффекты, которые прежде оставались незамеченными. Некоторые нарушения окружающей среды принимают глобальный характер. Трагедия в Бхопале предельно ярко высвечивает существующую дилемму. Эта трагедия произошла в стране, страдающей от голода. Токсичные вещества применялись для производства продуктов питания, ежегодно спасавших многие тысячи людей от голодной смерти.
Однако следует заметить, что человечество по-настоящему озабочено важностью сохранения здоровой окружающей средой, и это обнадеживает. Громадное большинство граждан США всех политических направлений заявляют о готовности платить более высокие цены за продукты (такие, как не содержащий свинца бензин) и более высокие подоходные налоги ради оздоровления окружающей среды. Такие же тенденции наблюдаются и повсеместно – за пределами США.
Выработка эффективной стратегии защиты окружающей среды требует информированности и знаний. Мы должны уметь ответить на следующие вопросы:
Какие потенциально опасные вещества содержаться в воздухе, воде, почве и пище?
Чем вызвано их появление?
Как можно решить проблему – полностью или хотя бы отчасти (использование альтернативных продуктов, процессов)?
Как зависит степень опасности от длительности воздействия данного вещества? Как следует подходить к выбору одного из вариантов, обещающих положительный эффект?
Ясно, что на химиков ложиться главная ответственность за правильность ответов на три первых решающих вопроса. Чтобы определить, какие вещества присутствуют в окружающей среде, аналитики должны разрабатывать все более и более чувствительные и селективные методы. Обнаружение источников может потребовать проникновения в детали процессов, которые ведут от исходного загрязнения к конечным вредным или токсичным продуктам. Если для удовлетворения энергетических нужд приходится довольствоваться более низкосортным топливом, то какие катализаторы и какие новые процессы следует разработать, чтобы не усугубить проблемы кислотных дождей и канцерогенных выбросов работающих на угле электростанций.
Четвертый вопрос – о допустимой длительности воздействия вредного вещества – принадлежит компетенции медицины, токсикологии и эпидемиологии. Теперь, когда общество осознало, что существует обратная связь между степенью понижения риска и затратами на ее достижение, перед этими дисциплинами встают серьезные проблемы. Медики должны уточнить данные о степени риска, обусловленного присутствием, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах. Необходимо научиться взвешивать риск и издержки, связанные с присутствием этих соединений, положив на другую чашу весов блага, которые мы теряем, ограничивая их использование. И что более важно, мы не можем позволить себе роскошь стремиться любой ценой устранить вероятность риска вообще, поскольку по мере приближения уровня риска к нулю цена устремляется к бесконечности.
Наконец, выбор вариантов решения проблемы должен принадлежать обществу. Химики и специалисты в других областях, связанных с экологией, несут особую и весьма серьезную ответственность за информированность на самой квалифицированной и объективной научной экспертизе. Долг ученых – ознакомить общество, средства массовой информации и правительство с реальной картиной, причем на языке, свободном от профессионального жаргона. Ученые должны дать научное обоснование предлагаемого решения и указать, что нас ждет впереди.
От обнаружения к защите.
Все стратегии защиты окружающей среды должны основываться на знании действительных пороговых значений опасных концентраций и нашей способности обнаружить нежелательный компонент задолго до того, как его концентрация достигает такого значения. В ряде случаев обнаружение может быть эквивалентно защите.
К сожалению, средства информации, общество и правительственные учреждения слишком часто ставят знак равенства между обнаружением и опасностью. Такая реакция основана на общем заблуждении, что вещество, обладающее выраженной токсичностью при некоторой определенной концентрации, токсично всегда. Существует множество примеров, показывающих, что это не так. Вспомните моноксид углерода. Этот обычный компонент атмосферы становится опасным при концентрациях, превышающих 1000 млн. долей. Считается, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превышающих 10 млн. долей, отрицательно сказывается на здоровье. Тем не менее, мы не настаиваем на полном устранении СО из атмосферы! Это было бы глупо (да и невозможно!), поскольку мы живем – и не плохо – в среде, всегда содержащей легко обнаружимые количества СО, порядка 1 млн. доли.
Другой интересный пример – селен. Некоторые растения, растущие на относительно богатых селеном почвах, имеют тенденцию накапливать этот элемент в таких количествах, которые приводят к отравлению жвачных животных. К числу указанных растений относятся астрагал (Astragalus). Пшеница также может накапливать селен, и хотя на людях это сколько-нибудь заметно не сказывается, куры, которых кормили ею, дают ненормальное потомство. В то же время сейчас известно, что селен – жизненно важный компонент пищи крыс, цыплят и свиней. Более того, селен в определенных концентрациях является природным антиканцерогенном; он входит в состав глутатион-пероксидазы – фермента, разрушающего вредные гидропероксиды. В Китае в популяциях людей с низким содержанием селена в крови наблюдаются следующие отклонения от нормы: дети часто страдают множественным миокардитом (болезнь Кишана), высока смертность взрослых от рака, особенно распространен рак печени. Очевидно, что селен, является необходимым для человека и животных элементом при одних концентрациях и токсичным при других. Ежедневная норма потребления селена для взрослых, рекомендуемая Национальным советом по здравоохранению, составляет 50 – 100 мкг. Приведенный пример ясно показывает, что присутствие в окружающей среде следов вещества, которое может быть токсичным при высоких концентрациях, еще не свидетельствует об опасности.
Некоторые люди усиленно добиваются ориентированного на нулевой риск подхода к защите окружающей среды. Нулевой риск означает достижение абсолютной и полной гарантии от любой возможной опасности. В приведенном выше примере с моноксидом углерода – это полное, до последней молекулы, удаление его из атмосферы. Сейчас такое нереалистичное стремление к нулевому риску постепенно вытесняется менее примитивной философией, которая ставит действия, связанные с наличием риска, в зависимость от оценки его уровня. Что касается будущего, то наилучшим капиталовложением была бы организация долговременных изысканий в области фундаментальной науки об окружающей среде и работ по совершенствованию диагностических методов. Это позволило бы избежать необходимости прибегать к дорогостоящим аварийным программам.
Повышение эффективности измерений, проводимых в окружающей среде, требует более совершенных инструментов. Проблема состоит в том, чтобы определять следы искомого соединения в сложной смеси, содержащей много безвредных веществ. Одним из примеров успеха, достигнутого в повышении селективности аналитических методов, может служить разработка методов разделения и количественного определения каждого из 22 изомеров тетрахлордиоксина в концентрациях порядка триллионных долей (т.е. 1:1012)!
Легко реагирующие соединения, присутствующие в атмосфере, нельзя доставить для анализа в лабораторию. Это порождает специфические сложности, связанные с необходимостью дистанционного обнаружения и определения содержания таких соединений в местах их образования. Примером успехов, достигнутых в этой области исследований, может служить измерение концентраций формальдегида и азотной кислоты в смоге над Лос-Анджелесом методом инфракрасной спектроскопии, позволившим регистрировать поглощение излучения на расстоянии одного километра. Благодаря этим экспериментам удалось установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при их одновременном присутствии в воздухе на уровне миллиардных долей.
Все более важным становится выяснение химического состояния компонентов окружающей среды, поскольку, как это теперь известно, и токсичность, и легкость перемещения существенно зависят от того, в какой химической форме находится данный загрязнитель. Испытания, проведенные на животных, показали, что один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее самого токсичного из всех остальных. Эти примеры говорят о важности аналитических методов, которые позволяют не только установить концентрацию потенциального загрязнителя, но и идентифицировать химическую форму, в которой он присутствует. К числу мощных средств, используемых для решения этой проблемы, относятся электрохимия, хроматография и масс-спектрометрия.
Борьба с кислотными дождями.
Кислотные дожди – одна из самых очевидных проблем загрязнения воздуха, стоящих перед нами. Кислые вещества и соединения, которые служат их источником, образуются при сжигании минеральных топлив в энергетических установках и на транспорте. Это главным образом кислоты – производные оксидов серы и азота. Существует ряд природных источников таких соединений: они образуются во время грозы или извержения вулкана, в результате жизнедеятельности бактерий, однако, исключая нечастые извержения, вклад этих источников невелик. Основными “поставщиками” оксидов углерода и азота являются автомобильный транспорт, электростанции и всякого рода плавильные печи.
Влияние кислотных дождей наиболее ощутимо и известно широкой публике в Европе и на северо-востоке США, но зоны риска включают также Канаду и, возможно, калифорнийскую Сьерру, Скалистые горы и Китай. В некоторых местах наблюдалось выпадение осадков, приближающихся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных дождей продолжают оставаться предметом дискуссий. Первоначально внимание фокусировалось на вреде, приносимом озерным и речным экосистемам, однако в дальнейшем стали учитываться и такие дорогостоящие последствия, как порча зданий, мостов и оборудования. Труднее всего количественно оценить влияние загрязненного воздуха на здоровье человекам.
Наибольший урон наносится озерам, в которых вода обладает слабыми буферными свойствами. В присутствии природных щелочных буферов кислые соединения, приносимые дождем (большей частью серная и азотная кислоты, в меньших количествах органические кислоты), нейтрализуются. Однако озера, лежащие на гранитных (кислых) породах, весьма подвержены действию попадающих в них кислот, способных переводить в раствор ионы таких металлов, как алюминий и марганец, что может повлечь подавление роста растений и водорослей, а в некоторых озерах – сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Значительный ущерб наносят кислотные дожди и растительности, причем проявление их влияния может быть самым различным – от дефолиации до разрушения тонкой корневой системы.
В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержанием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязнителей, – это установка химических газоочистителей – устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, – это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.
Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосферные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.
Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вернуться на землю за сотни миль вниз по ветру.
Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N02, а иногда и азотной кислоты, HNO3, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота – источников их поступления и мест выведения – содержат еще много неясного.
Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмосферы затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первостепенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, – вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие.
Защита от климатических катастроф: парниковый эффект.
В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнечную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогнозами говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопоставим с эффектом накопления диоксида углерода.
Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут последствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль метана, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом свести на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, – все это должно быть изучено и понято.
Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затемнить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в воздухе и влияния сажи на радиационный баланс.
В отличие от загрязнений местного характера проблемы глобальных загрязнителей создают тупиковые ситуации, поскольку их решение требует действий во всемирном масштабе, а граждане разных стран по-разному относятся к их приоритетности. В прошлом предпочтение, отдаваемое ископаемым или ядерным топливам, диктовалось в первую очередь экономическими факторами, например наличием богатых запасов угля. Однако усиление глобальной угрозы окружающей среде, в частности в результате накопления углекислоты в атмосфере, которое ускоряется сжиганием угля, может вынудить нас пересмотреть плюсы и минусы ядерной энергетики. На приобретение фундаментальных знаний, необходимых для разумного выбора, требуются годы. Мы должны строить этот фундамент, чтобы быть в состоянии взвешенно оценить реальную угрозу накопления углекислоты в атмосфере в свете имеющихся альтернатив. Эта оценка должна учитывать проблемы защиты окружающей среды и проблему отходов ядерной энергетики.
Оценка риска.
Существует два вида токсичности. Один химический препарат может вызывать заболевание вскоре после своего воздействия – это острая токсичность. Другой препарат может оказывать нежелательное воздействие значительно позже, после продолжительного его использования – это хроническая токсичность. Например, остро токсичный газ фосген, Cl2CO, может случайно образоваться, если загорание электросети тушат огнетушителем с тетрахлоридом углерода. В концентрации 5 млн. долей фосген уже через несколько минут вызывает раздражение глаз, а концентрации выше 50 млн. долей могут оказаться смертельными. Напротив, бензол, С6Н6, обладает хронической токсичностью. Вдыхание паров бензола той же концентрации, 50 млн. долей, не дает немедленного эффекта, но при длительном (в течение многих месяцев или лет) ежедневном воздействии бензола может вызвать понижение числа красных кровяных телец (гемоглобина) и лейкоцитов в крови.
К сожалению, получить детальную информацию о токсичности нелегко. Наиболее точный способ – суровый способ – это подвергнуть достаточное число людей воздействию данного препарата, чтобы продемонстрировать его безопасность или установить дозу, при которой начинает обнаруживаться токсичность. Ясно, что сведения о хронической токсичности добыть труднее всего. Чтобы можно было извлечь из наблюдений необходимую статистическую информацию, воздействию исследуемого вещества должны быть подвергнуты в течение достаточно длительного времени очень большая группа людей. Проблемы такого рода принадлежат компетенции эпидемиологии.
Что такое эпидемиология.
Исторически эпидемиология развивалась как наука об эпидемиях, т.е. быстро распространяющихся заболеваниях. Однако сегодня эпидемиология используется и как статистический аппарат для обнаружения острой или хронической токсичности даже при весьма слабом воздействии на здоровье. Например, винилхлорид, СН2СНСl, известен как канцероген. Основанием для такого заключения послужило то, что, согласно статистическим данным, очень редкая форма рака печени, ангиосаркома, наблюдается главным образом у небольшого числа рабочих, которые продолжительное время подвергались воздействию высоких концентраций (сотни млн. долей) этого соединения. В этом случае удалось получить достоверное эпидемиологическое заключение относительно токсичности данного соединения и его весьма незначительной опасности для обычной публики.
Что является причиной чего?
К сожалению, результаты наблюдений можно неверно интерпретировать даже при наличии достаточного количества статистических данных. Так, статистические данные показывают, что рак толстой кишки гораздо более распространен в США, чем в Индии, и что американцы потребляют больше молочных продуктов, чем индийцы. Прежде чем сделать вывод, что молочные продукты вызывают рак, следует, однако, вспомнить, что рак толстой кишки распространен у пожилых людей и что средняя продолжительность жизни американцев гораздо выше, чем у жителей Индии. Таким образом, можно прийти и к противоположному выводу: потребление молочных продуктов позволяет прожить достаточно долго, чтобы начал проявляться (от других причин) рак толстой кишки. Эпидемиология может установить, что одно сопутствует другому, но это не обязательно означает причинную связь между двумя явлениями. Эпидемиологи шутят, что снижение скорости роста населения в Западной Европе в 20 веке примерно соответствует скорости уменьшения в этом регионе популяции аистов, лишь немногие сделают отсюда вывод, что рождаемость уменьшилась потому, что для доставки детей не хватает аистов.
История с ДДТ.
Все началось в 1939г., когда швейцарский химик Пауль Мюллер в ходе систематических поисков новых инсектицидов синтезировал дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Вначале на ДДТ смотрели, как на чудо: он исключительно эффективно действует на самых разнообразных насекомых-вредителей и в отличие от широко использовавшихся в то время соединений свинца и мышьяка не проявляет острой токсичности по отношению к людям.
Выгоды.
США впервые широко применили ДДТ в 1944г. во время второй мировой войны в борьбе с распространившейся эпидемией тифа в воинских частях и среди гражданского населения в Италии. Тиф переносится нательными вшами, и чтобы уничтожить этих насекомых, тысячи людей были щедро, с ног до головы, осыпаны ДДТ. Эпидемия была остановлена, что предотвратило потери человеческих жизней, которые могли стать опустошительными.
После столь внушительного успеха решено было прибегнуть к ДДТ в борьбе с Anopheles – комаром-распространителем малярии. До использования ДДТ малярия уносила от 2 до 3 млн. жизней ежегодно, число же страдающих этой тяжелой болезнью было еще больше. В результате 10-летнего применения ДДДТ в ряде стран малярия перестала быть столь страшным бичом. В Индии число заболеваний сократилось с 75 млн. в 1952г. до 100 тыс. в 1964г., в СССР с 35 млн. в 1956г. до 13 тыс. в 1966г. За то же время в Шри-Ланке малярийная “дань” понизилась с 12 тыс. жизней до нуля! Всемирная организация здоровья и Организация объединенных наций относят на счет этого чудодейственного препарата спасение около 50 млн. жизней, отнятых у одной только малярии. За свою работу доктор Пауль Мюллер был удостоен в 1948г. Нобелевской премии в области медицины.
Риск.
К сожалению, история ДДТ на этом не кончается. В 1972г. Агентство по охране окружающей среды наложило запрет на использование ДДТ в США. Как удалось это сделать – особая история, и тоже история успеха, но на этот раз в борьбе за необходимость наблюдения за окружающей средой в ожидании появления побочного действия широко применяемых препаратов.
Уже в 1946г. ученые установили, что ДДТ накапливается в жировых тканях и остается там чрезвычайно долго. Животные и рыбы, так же как и человек, – это преимущественно водные системы. Транспорт и вывод веществ из организма осуществляется у них в водной среде. Но хлорсодержащие углеводороды типа ДДТ очень плохо растворяются в воде (порядка 2 млн. долей): они продолжительно растворяются и концентрируются в жировых тканях. Например, ДДТ легко переходит в жир материнского молока. Агентство должным образом отреагировало на эту тревожную информацию, установив предельно безопасную концентрацию ДДТ в коровьем молоке и других продуктах питания. Из осторожности сначала был принят нулевой уровень безопасности. Однако при “нулевом подходе” возникают свои проблемы. Образец молока можно признать безопасным, если ДДТ не обнаруживается в нем самыми чувствительными измерениями. Поэтому усовершенствования аналитических методов приводит к изменению смысла понятия безопасной концентрации. Нулевой предел всегда связывает уровень безопасности с методом обнаружения, а не с наиболее достоверной оценкой степени опасности. По этой и другим причинам нулевой предел оказался неудачным, и Агентство заменило его “приемлемым уровнем безопасности” в 0,05млн. доли.
С течением времени стало ясно, что попадание в окружающую среду, ДДТ разлагается там с большим трудом. Усовершенствованные методы обнаружения позволили установить, что через 10 лет исчезает лишь около 50% пестицида – вследствие разложения или уноса на другую территорию.
Наконец, накопились данные о концентрировании ДДТ по мере продвижения по лестнице потребления продуктов питания. После обработки вязов концентрация ДДТ в почве достигала 100 млн. долей, в земляных червях она составляла 140 млн. долей, а, в птицах, поедавших этих червей, превышала 400 млн. долей. Такая концентрация ДДТ оказалась явно пагубной для птиц, особенно более крупных, хищных птиц. По-видимому, ДДТ мешает их воспроизводству, вызывая опасное утоньшение яичной скорлупы. Некоторые виды птиц, например орлы и соколы-сапсаны, стали быстро исчезать, как только эта неприятность добавилась к другим посягательствам человека на их место обитание.
Максимальный уровень производства ДДТ только в США достигал 156 млн. фунтов (в 1959г.). С самого начала ДДТ так широко применялся во всем мире, что не один участок земли не остался незатронутым. Его обнаруживают в жировых тканях жителей отдаленных районов Аляски, пингвинов и тюленей Антарктиды. К тому же некоторые насекомые и вредители приобрели, устойчивость к ДДТ за продолжительное время его использования, а некоторые полезные насекомые в отдельных местностях были уничтожены этим препаратом.
Уравнение риск/выгода.
История с ДДТ – наглядный пример сочетания риска и выгоды, Ясно, что сначала доминирует непосредственно ожидаемая выгода (в нашем случае – спасение человеческих жизней), и нет цены, которая могла бы ее превысить. Ожидаемое благо реализуется, но бдительное наблюдение обнаруживает повсеместные нарушения в окружающей среде, на которые невозможно закрыть глаза. И хотя ни одного случая заболевания человека нельзя было связать с действием ДДТ, ясно, что некоторые свойства препарата вступают в конфликт с нашим стремлением защитить окружающий мир: это необыкновенная стабильность ДДТ, его подвижность и сродство к системам живых организмов. С одной стороны, возникшие проблемы поставили преграду дальнейшему использованию ДДТ, а с другой, они же подсказали, какими свойствами должен обладать его заменитель. Такие заменители уже найдены – это инсектициды, биологическое действие которых гораздо более специфично, которые так же, как в ДДТ, не токсичны для человека, но разлагаются в природной среде за несколько дней или недель. ДДТ не только сохранил миллионы человеческих жизней, но и указал путь к наилучшему решению уравнения риск/выгода.
Заключение.
Громче всего звучит вывод о трудности оценки степени риска. Парацельс утверждал, что ядовито все и что яд определяется лишь дозой. Но определить дозу необычайно сложно. Опыты на людях не возможны, а применимость результатов, полученных в экспериментах с животными, всегда вызывает сомнения. Эпидемиология указывает на сопутствование, но не вскрывает причинных связей.
Существует и множество субъективных факторов. Риск, которым кто-то еще пренебрегает, для кого-то уже оказывается не приемлемым. Еще хуже, когда риску подвергается одна группа людей, а выгоду получает другая. Наконец, все мы очень чувствительны к риску, которому приходится подвергаться не по своей воле.
Невзирая на эти порой обескураживающие трудности, сравнительные оценки риска и выгоды стали обычным делом при выработке бесчисленных решений, влияющих на нашу жизнь. Некоторые из них принимаются без нашего участия избранным нами правительством. Другие мы выбираем сами в кабинах для голосования. Но в любом случае эти решения должны основываться на принципах общего блага и общей воли. Чтобы достичь этой цели, необходимо повысить научную грамотность населения. Ясно, что начинать надо пораньше, со школьного возраста; научному образованию нужно уделять больше внимания. Дата добавления: 03.04.2001
ученика 11 А класса
школы №1
Пельц Дмитрия Кировград 2001 г. Оглавление: I. Введение (современная экология и ее проблемы) …………………………………………… II стр. II. Часть I . (Проблемы и решения)
– Фреоны и озонный щит планеты ..…………………………………………………………… II стр.
– Хлорароматические соединения как глобальные загрязнители ..………………… III стр.
– Твердые промышленные отходы (ТПО). Источники возникновения ..…………… V стр.
– Проблемы, связанные с ТПО ..……………………………………………………………… VI стр.
– Классификация ТПО ..………………………………………………………………………….. VI стр.
– Техногенное изменение ландшафта ..…………………………………………………. ….. VII стр.
– Рекультивация почв и донных отложений………………………………………………… VIII стр.
– Гигиеническое значение почвы и мероприятия по ее санитарной охране ..……… VIII стр.
– Процесс промывки почвы ..…………………………………………………………………… X стр.
– Состав почвы и распределение загрязняющих веществ ..……………………….…….. X стр.
– Основные этапы процесса рекультивации почвы и донных отложений ……… XI стр.
– Инновационные технологии рекультивации почв ..……………………………………… XII стр.
– Радиационное загрязнение …………………………………………………………………… XIII стр.
– Природный и техногенный радиационный фон ………………………………………… XIII стр.
– Радиоактивное загрязнение ………………………………………………………………….. XIV стр.
– Радиационная безопасность …………………………………………………………………. XIV стр.
– Хранение радиоактивных отходов (РАО) в области …..………………………………. XVI стр.
– Газовые выбросы ……………………………………………….………………………….…… XVI стр.
– Ликвидация газовых выбросов ……………………………………………………………. XVIII стр.
– Ликвидация твердых промышленных отходов ………………………………………… XVIII стр.
– Ликвидация жидких промышленных отходов ………………………………………… XIX стр.
– Питьевое водоснабжение …………………………………………………………………… XX стр.
– Питьевая вода ……………………………………………………………………………….… XXI стр.
– Питьевое водоснабжение свердловской области …………………………………….. XXI стр.
– Подготовка питьевой воды ………………………………………………………………… XXII стр.
– Обработка воды из подземных источников …………………………………………… XXIV стр.
– Технологии очистки грунтовых вод ……………………………………………………… XXV стр.
– Обработка воды из поверхностных источников …………………………………….. XXV стр.
– Автономная водоподготовка ……………………………………………………………… XXVI стр. III. Часть II . Практикум
– Задача ……………………………………………………………………………………………. XXVII стр. IV. Заключение ………………………………………………………………………………………… XXVIII стр. V. Список литературы ………………………………………………………………………………. XXVIII стр. Введение Если на пикник с друзьями
Летом ты идешь к реке
И жестянок — банок гору
Еле тащишь в рюкзаке,
Не трудись пустые банки
Глубже в землю закопать,
Ведь быстрее и удобней
Все их в речку побросать!
А река-то глубока,
Спрячет их наверняка!
Оловянная рыбешка
Будет бить в реке хвостом,
Может быть, ее поймают,
Но ведь это же потом!
СОВРЕМЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ
Появление в литературе термина «экология», ставшего названием одной из дисциплин биологической науки, связывают с имением немецкого естествоиспытателя Э.Геккеля. В своем труде «Всеобщая морфология организмов», изданном в 1866 г., он определил экологию (от греч. oikos — жилище) как науку о домашнем быте живых организмов. «Под экологией, — писал Э.Геккель, — мы понимаем общую науку об отношениях организмов с окружающей средой, куда мы относим в широком смысле все «условия существования».
Рассмотрение истории развития экологии позволяет отметить, что как бы широко ни трактовался предмет исследования данной науки, она никогда не претендовала на то, чтобы включить в него проблемы, касающиеся отношений человека и человеческого общества с окружающей природной средой. Экологические проблемы человечества образовали самостоятельную сферу экологического познания — глобальную экологию. Уже в 70-е годы сложилась практика определять комплекс глобальных проблем человека и природы как глобальную экологическую проблему, а комплекс наук, исследующих эту проблему, — как глобальную экологию или экологию человека.
Становлению глобальной экологии предшествовало стремительно развернувшееся в течение двух лет (с 1968 по 1970 гг.) движение, которое, по словам известного эколога Ю.Одума, проявилось как «всеобщая озабоченность проблемами окружающей среды». Рост общественного интереса к проблемам загрязнения природной среды, дефицита пищи и энергии, народонаселения был не случаен. Он явился естественной реакцией людей на обострение взаимоотношений общества с природной средой.
Первой страной, ощутившей отрицательное влияние химического загрязнения природной среды, стала Япония. В этой стране свыше 80 % территории испытывает на себе непосредственное влияние промышленного производства. Японцы первыми заговорили о проблеме «когай», означающей опасность вреда от загрязнений окружающей среды. Вскоре с этой проблемой столкнулись и в других странах.
Стратегия природопользования, опиравшаяся на идею могущества человека и его растущей власти над природой в эпоху НТР, долгое время казавшаяся незыблемой, на поверку оказалась всего лишь стратегией «яблоневой плодожорки», пожирающей среду своего обитания. Осознание данной ситуации способствовало постановке серьезнейших задач как в практической области, так и в сфере фундаментальных научных исследований. Экологическими проблемами стали заниматься представители самых разных наук, причем не только естественных, но и гуманитарных. Обусловлено это тем, что наряду с необходимостью разработки новой стратегии природопользования и создания принципиально новых промышленных технологий встала задача экологической перестройки сознания людей, широкой пропаганды экологических знаний.
Современная «большая» экология развивается в трех основных направлениях, акцентирующих внимание, во-первых, на проблемах выживания человечества в условиях обостряющихся противоречий его с окружающей средой, во-вторых, на необходимости сохранения устойчивости биосферы Земли, испытывающей на себе антропогенное давление и, наконец, в-третьих, на проблемах сохранения здоровья человека, оказавшегося в условиях стремительно изменяющейся среды его обитания. Каковы эти проблемы при более детальном рассмотрении, а также пути их решения и стали объектом моей работы “Химия и Экология”. Часть
I
. Проблемы и их решения
Фреоны и озонный щит планеты
В своей хозяйственной деятельности человечество использует насыщенные газообразные или жидкие фторуглероды или полифторуглеводороды, часто содержащие атомы хлора и брома, — так называемые фреоны или хладоны. Наиболее распространенные фреоны:
CFCL — фреон 11,
CF2
C12
— фреон 12,
CHC1F2
— фреон 22,
CF2
ClCFCl2
— фреон ИЗ,
CF2
ClBr — фреон 12В1,
CF3
Br — фреон 13В1.
Все эти вещества в природе естественным путем не образуются, исключение составляет фреон 11, небольшие количества которого обнаружены в газовых выбросах вулканов на Курильских островах) и, следовательно, появление их в атмосфере обусловлено антропогенным вкладом. Фреоны характеризуются уникальным набором свойств, которые обеспечили им широкое использование в промышленности. Эти вещества имеют низкие температуры кипения, не ядовиты, негорючи, взрывобезопасны, химически инертны. Они не действуют на распространенные конструкционные материалы, а в малых дозах безвредны для людей. При высоких концентрациях некоторые фреоны обладают наркотическим (фреон 12), а иногда удушающим действием (фреон 142, фреон 22).
Интенсивное применение фреонов началось в 50-е годы. Их получают реакцией хлорированных углеводородов с SbF5
, HF или KF:
Проблема контролирования
выброса в атмосферу загрязняющих
веществ промышленными предприятиями
(ПДК). Приоритет в области разработки
предельно допустимых концентраций
в воздухе принадлежит СССР. ПДК – такие
концентрации, которые на человека и его
потомство прямого или косвенного воздействия,
не ухудшают их работоспособности, самочувствия,
а также санитарно-бытовых условий жизни
людей.
Обобщение всей
информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами,
осуществляется в ГГО (Главной Геофизической
Обсерватории). Чтобы по результатам наблюдений
определить значения воздуха, измеренные
значения концентраций сравнивают с максимальной
разовой предельно допустимой концентрацией
и определяют число случаев, когда были
превышены ПДК, а также во сколько раз
наибольшее значение было выше ПДК. Среднее
значение концентрации за месяц или за
год сравнивается с ПДК длительного действия
– среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение
воздуха несколькими веществами, наблюдаемые
в атмосфере города, оценивается с помощью
комплексного показателя – индекса загрязнения
атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные
на соответствующее значения ПДК и средние
концентрации различных веществ с помощью
несложных расчетов приводят к величине
концентраций сернистого ангидрида, а
затем суммируют. Максимальные разовые
концентрации основных загрязняющих веществ
были наибольшими в Норильске (оксилы
азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный
газ). Степень загрязнения воздуха основными
загрязняющими веществами находится в
прямой зависимости от промышленного
развития города. Наибольшие максимальные
концентрации характерны для городов
с численностью населения более 500 тыс.
жителей. Загрязнение воздуха специфическими
веществами зависит от вида промышленности,
развитой в городе. Если в крупном городе
размещены предприятия нескольких отраслей
промышленности, то создается очень высокий
уровень загрязнения воздуха, однако проблема
снижения выбросов многих специфических
веществ до сих пор остается нерешенной. Химическое
загрязнение природных
вод.
Всякий водоем
или водный источник связан с окружающей
его внешней средой. На него оказывают
влияние условия формирования поверхностного
или подземного водного стока, разнообразные
природные явления, индустрия, промышленное
и коммунальное строительство, транспорт,
хозяйственная и бытовая деятельность
человека. Последствием этих влияний является
привнесение в водную среду новых, несвойственных
ей веществ – загрязнителей, ухудшающих
качество воды. Загрязнения, поступающие
в водную среду, классифицируют по-разному,
в зависимости от подходов, критериев
и задач. Так, обычно выделяют химическое,
физическое и биологические загрязнения.
Химическое загрязнение представляет
собой изменение естественных химических
свойств воды за счет увеличения содержания
в ней вредных примесей как неорганической
(минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые
частицы), так и органической природы (нефть
и нефтепродукты, органические остатки,
поверхностноактивные вещества, пестициды).
Неорганическое
загрязнение. Основными неорганическими
(минеральными) загрязнителями пресных
и морских вод являются разнообразные
химические соединения, токсичные для
обитателей водной среды. Это соединения
мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома,
меди, фтора. Большинство из них попадает
в воду в результате человеческой деятельности.
Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном,
а затем передаются по пищевой цепи более
высокоорганизованным организмам.
Кроме перечисленных
в таблице веществ, к опасным
заразителям водной среды можно отнести
неорганические кислоты и основания, обуславливающие
широкий диапозон рН промышленных стоков
(1,0 – 11,0) и способных изменять рН водной
среды до значений 5,0 или выше 8,0 , тогда
как рыба в пресной и морской воде может
существовать только в интервале рН 5,0
– 8,5. Среди основных источников загрязнения
гидросферы минеральными веществами и
биогенными элементами следует упомянуть
предприятия пищевой промышленности и
сельское хозяйство. С орошаемых земель
ежегодно вымывается около 6 млн.т солей.
К 2000 году возможно увеличение их массы
до 12 млн.т/год. Отходы, содержащие ртуть,
свинец, медь локализованы в отдельных
районах у берегов, однако некоторая их
часть выносится далеко за пределы территориальных
вод. Загрязнение ртутью значительно снижает
первичную продукцию морских экосистем,
подавляя развитие фитопланктона. Отходы,
содержащие ртуть, обычно скапливаются
в донных отложениях заливов или эстуариях
рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается
накоплением метиловой ртути и ее включением
в трофические цепи водных организмов.
Так, печальную известность приобрела
болезнь Минамата, впервые обнаруженную
японскими учеными у людей, употреблявших
в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата,
в который бесконтрольно сбрасывали промышленные
стоки с техногенной ртутью.
Органическое
загрязнение. Среди вносимых в океан
с суши растворимых веществ, большое
значение для обитателей водной среды
имеют не только минеральные, биогенные
элементы, но и органические остатки.
Вынос в океан органического вещества
оценивается в 300 – 380 млн.т/год. Сточные
воды, содержащие суспензии органического
происхождения или растворенное органическое
вещество, пагубно влияют на состояние
водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают
дно и задерживают развитие или полностью
прекращают жизнедеятельность данных
микроорганизмов, участвующих в процессе
самоочищения вод. При гниении данных
осадков могут образовываться вредные
соединения и отравляющие вещества, такие
как сероводород, которые приводят к
загрязнению всей воды в реке. Наличие
суспензий затрудняют также проникновение
света в глубь воды и замедляет процессы
фотосинтеза. Одним из основных санитарных
требований, предъявляемых к качеству
воды, является содержание в ней необходимого
количества кислорода. Вредное действие
оказывают все загрязнения, которые, так
или иначе, содействуют снижению содержания
кислорода в воде. Поверхностно активные
вещества – жиры, масла, смазочные материалы
– образуют на поверхности воды пленку,
которая препятствует газообмену между
водой и атмосферой, что снижает степень
насыщенности воды кислородом. Значительный
объем органических веществ, большинство
из которых не свойственно природным водам,
сбрасывается в реки вместе с промышленными
и бытовыми стоками. Нарастающее загрязнение
водоемов и водостоков наблюдается во
всех промышленных странах. В связи с быстрыми
темпами урбанизации и несколько замедленным
строительством очистных сооружений или
их неудовлетворительной эксплуатацией
водные бассейны и почва загрязняются
бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение
в водоемах с замедленным течением или
непроточных (водохранилища, озера).
Разлагаясь в
водной среде, органические отходы могут
стать средой для патогенных организмов.
Вода, загрязненная органическими отходами,
становится практически непригодной для
питья и других надобностей. Бытовые отходы
опасны не только тем, что являются источником
некоторых болезней человека (брюшной
тиф, дизентерия, холера), но и тем, что
требуют для своего разложения много кислорода.
Если бытовые сточные воды поступают в
водоем в очень больших количествах, то
содержание растворимого кислорода может
понизиться ниже уровня, необходимого
для жизни морских и пресноводных организмов. Загрязнение
почвы.
Почвенный покров
Земли представляет собой важнейший
компонент биосферы Земли. Именно почвенная
оболочка определяет многие процессы,
происходящие в биосфере.
Важнейшее значение
почв состоит в аккумулировании
органического вещества, различных химических
элементов, а также энергии. Почвенный
покров выполняет функции биологического
поглотителя, разрушителя и нейтрализатора
различных загрязнений. Если это звено
биосферы будет разрушено, то сложившееся
функционирование биосферы необратимо
нарушится. Именно поэтому чрезвычайно
важно изучение глобального биохимического
значения почвенного покрова, его современного
состояния и изменения под влиянием антропогенной
деятельности. Одним из видов антропогенного
воздействия является загрязнение пестицидами.
Пестициды как
загрязняющий фактор. Открытие пестицидов
– химических средств защиты растений
и животных от различных вредителей
и болезней – одно из важнейших достижений
современной науки. Сегодня в
мире на 1 га наносится 300 кг химических
средств. Однако, в результате длительного
применения пестицидов в сельском хозяйстве
и медицине (борьба с переносчиками болезней)
почти повсеместно отличается снижение
из эффективности вследствие развития
резистентных рас вредителей и распространению
“новых” вредных организмов, естественные
враги и конкуренты которых были уничтожены
пестицидами. В то же время действие пестицидов
стало проявляться в глобальных масштабах.
Из громадного количества насекомых вредными
являются лишь 0,3% или 5 тыс. видов. У 250-ти
видов обнаружена резистентность к пестицидам.
Это усугубляется явлением перекрёстной
резистенции, заключающейся в том, что
повышенная устойчивость к действию одного
препарата сопровождается устойчивостью
к соединениям других классов. С общебиологических
позиций резистентность можно рассматривать
как смену популяций в результате перехода
от чувствительного штамма к устойчивому
штамму того же вида вследствие отбора,
вызванного пестицидами. Это явление связано
с генетическими, физиологическими и биохимическими
перестройками организмов. Неумеренное
применение пестицидов (гербицидов, инсектицидов,
дефолиантов) негативно влияет на качество
почвы. В связи с этим усиленно изучается
судьба пестицидов в почвах и возможности
и возможности их обезвреживать химическими
и биологическими способами. Очень важно
создавать и применять только препараты
с небольшой продолжительностью жизни,
измеряемой неделями или месяцами. В этом
деле уже достигнуты определенные успехи
и внедряются препараты с большой скоростью
деструкции, однако проблема в целом ещё
не решена.
Кислые атмосферные
выпады на сушу. Одна из острейших глобальных
проблем современности и обозримого
будущего – это проблема возрастающей
кислотности атмосферных осадков
и почвенного покрова. Районы кислых
почв не знают засух, но их естественное
плодородие понижено и неустойчиво; они
быстро истощаются и урожаи на них низкие.
Кислотные дожди вызывают не только подкисление
поверхностных вод и верхних горизонтов
почв. Кислотность с нисходящими потоками
воды распространяется на весь почвенный
профиль и вызывает значительное подкисление
грунтовых вод. Кислотные дожди возникают
в результате хозяйственной деятельности
человека, сопровождающейся эмиссией
колоссальных количеств оксилов серы,
азота, углерода. Эти оксилы, поступая
в атмосферу, переносятся на большие расстояния,
взаимодействуют с водой и превращаются
в растворы смеси сернистой, серной, азотистой,
азотной и угольной кислот, которые выпадают
в виде “кислых дождей” на сушу, взаимодействуя
с растениями, почвами, водами. Главными
источниками в атмосфере является сжигание
сланцев, нефти, углей, газа в индустрии,
в сельском хозяйстве, в быту. Хозяйственная
деятельность человека почти вдвое увеличила
поступление в атмосферу оксилов серы,
азота, сероводорода и оксида углерода.
Естественно, что это сказалось на повышении
кислотности атмосферных осадков, наземных
и грунтовых вод. Для решения этой проблемы
необходимо увеличить объём систематических
представительных измерений соединений
загрязняющих атмосферу веществ на больших
территориях. Заключение.
Охрана природы
– задача нашего века, проблема, ставшая
социальной. Снова и снова мы слышим
об опасности, грозящей окружающей среде,
но до сих пор многие из нас считают
их неприятным, но неизбежным порождением
цивилизации и полагают, что мы ещё успеем
справиться со всеми выявившимися затруднениями.
Однако воздействие
человека на окружающую среду приняло
угрожающие масштабы. Чтобы в корне
улучшить положение, понадобятся целенаправленные
и продуманные действия. Ответственная
и действенная политика по отношению к
окружающей среде будет возможна лишь
в том случае, если мы накопим надёжные
данные о современном состоянии среды,
обоснованные знания о взаимодействии
важных экологических факторов, если разработает
новые методы уменьшения и предотвращения
вреда, наносимого Природе Человеком. Список
литературы:
Винокурова
Н. Ф., Трушина В. В. Глобальная экология:
учебник для профильных школ. – М.,
Просвещение, 1998. – 270 с
Винокурова
Н. Ф. и др. Природопользование: учебник
для профильных школ. – М., Просвещение,
1995. – 255 с
Баландин
Р. К., Бондарев Л. Г. Химия и экология. –
М., Мысль, 1988
Будыко М.
Н. Глобальная экология. – М., Мысль, 1977
Константинов
В. М. Экологические основы природопользования.
– М., Академия, 2001
Трушина Т.
П. Экология. – Ростов- на -Дону, Феникс,
2001
Химическое загрязнение окружающей среды обусловлено следующими факторами:
повышением концентрации биогенных элементов из-за канализационных сбросов и стока с полей удобрений, вызывающих бурное развитие водорослей и нарушение баланса в существующих экосистемах;
отравлением воды, почвы и воздуха отходами химических производств;
воздействием на воду и почву продуктов сжигания топлива, снижающих качество воздуха и вызывающих кислотные дожди;
потенциальным заражением воздуха, воды и почвы радиоактивными отходами, образующимися при производстве ядерного оружия и атомной энергии;
выбросами углекислого газа и химических веществ, снижающих содержание озона, что может привести к изменению климата или образованию озоновых дыр.
Загрязнение атмосферы
Главным источником загрязнения атмосферы являются предприятия черной и цветной металлургии, тепловые электростанции и автомобильный транспорт. Выбросы в атмосферу содержат оксиды углерода, азота и серы, углеводороды, соединения металлов и пыль.
При попадании в атмосферу углерод постоянно переходит из органических соединений в неорганические и наоборот. Это проявляется как в процессе фотосинтеза – образовании органических соединений из CO2 и воды в растениях под действием света, так и при дыхании человека и животных – кислород воздух при
дыхании переходит в CO2, который возвращается в атмосферу.
Сжигание топлива, приводящее к образованию огромных количеств CO2 и пыли, оказывает негативное воздействие на круговорот углерода в природе,
создавая т.н. «парниковый эффект», который в свою очередь способен привести к изменению климата Земли за счет «глобального потепления».
Выделение в атмосферу пыли оказывает противоположный эффект – запыленность атмосферы задерживает излучение Солнца, чем может вызвать понижение температуры на Земле, т.н. «второй ледниковый период».
За счет обжига сульфидных руд на предприятиях цветной металлургии, а также работы тепловых электростанций в атмосферу попадает огромное количество SO2. Увеличение SO2, а также других оксидов неметаллов, в атмосфере вызывает образование т.н. «кислотных дожей» (рис. 1), оказывающих
губительное действие на водные ресурсы планеты, вызывая гибель их обитателей, разрушает строительные материалы и памятники архитектуры.
Рис. 1 Кислотные осадки и их влияние на экосистему.
Составные части выхлопных газов автомобилей (CO, SO2, оксиды азота, тяжелые металлы) наносят огромный вред флоре и фауне планеты, а также могут
быть причиной образования фотохимического смога, образование которого можно представить следующим образом:
2NO + O2 =2NO2 (окисление NO, выделяющегося с выхлопными газами)
NO2 + O2= NO + O3 (распад NO2 под действием УФ-излучения солнца)
Образующийся в результате озон может вступать в реакции с углеводородами, находящимися в атмосфере, тем самым приводя к образованию смога.
Сжигание топлива, мусора, а также работа металлургической промышленности – основные источниками загрязнения атмосферы тяжелыми металлами, такими, как Zn,
Co, Ni, U, Sn, Ge, Pb, Be, V, Hg, Mo, As и др.
Рассмотрим негативное воздействие присутствия тяжелых металлов в атмосфере на организм человека и окружающую среду на примере свинца, поскольку этот металл обладает кумулятивными (накопительными) свойствами. Свинец оказывает воздействие на ферментные системы и обмен веществ, способен накапливаться не только в организме человека, но и в морских отложениях, и в пресной воде.
Свинец вызывает обширные патологические изменения в нервной системе, крови, сосудах, активно влияет на синтез белка, энергетический обмен клетки и её генетический аппарат, подавляет кровообразование; нарушает белковый и углеводный обмены, способен заменять кальций в костях. Соединения свинца могут вызвать мутации и репарации ДНК.
Загрязнение водных ресурсов
Количество растворенного в воде кислорода – один из важнейших показателей качества воды, поскольку он необходим для жизни обитателей водоемов. При избыточном присутствии в воде органических веществ количество растворенного кислорода уменьшается, в результате чего происходит гибель рыбы и других обитателей водоемов, в вода приобретает гнилостный запах (процесс разложения органических веществ вместо аэробных бактерий осуществляют анаэробные, в результате чего выделяется CH4, NH3, H2S и PH3).
Большой вред водным ресурсам наносят растворенные в воде минеральные удобрения, смываемые с поверхности почвы (нитраты, фосфаты и др.), вызывающие бурное развитие сорной травы и водорослей, что приводит к засорению водоемов и их гибели.
Промышленные сточные воды, содержащие огромное количество ядовитых для обитателей водоемов веществ, также оказывают негативное влияние на водные ресурсы планеты.
Загрязнение почв
Основная проблема, полученная человеком в результате загрязнения почв – её эрозия, т.е. разрушение плодородного слоя.
Применение минеральных азотных удобрений сильно загрязняет почву, поскольку нитраты накапливаются не только в почвах, но и в растениях, что приводит к ухудшению качества выращиваемой с/х продукции и отрицательному их действию на здоровье человека и животных. Нерациональное применение пестицидов также оказывает отрицательное воздействие на почву, среди которых наибольший вред наносят хлорорганические соединения (полихлорпинен, ДДТ).
Различные предприятия промышленности, а также транспортные магистрали в разной степени оказывают вредное воздействие на почву, путем ее загрязнения тяжелыми металлами (Pd, Cd, Cu, Zn, Hg, Bi), халькогенами (Se, Те и др.) и галогенами (F, Вг и др.).
Химия… Что ты представляешь, услышав это? Периодическую таблицу или уроки химии? Химические опыты в школе или уравнения этих реакций? Да, каждый думает о своём. Но ты прекрасно понимаешь, что химия-это не только предмет, который изучается в школе или в вузе, химия-это всё то, что окружает нас, и все то, что внутри нас. Химия – это и есть жизнь.
Оглянись, ведь даже дома столько всего нас окружает: стол, стекло, бумага, одежда, посуда… Мы очень редко думаем, из чего состоят все эти вещи. Мы так привыкли к ним, что даже не пытаемся определить их состав, не задумываемся, откуда они взялись, кто их придумал и почему именно так. Ты скажешь, что всех их сделали на заводах и фабриках, а мы купили их в магазинах.
Да, конечно. Но до этого ведь кто-то придумал, из какого сырья сделать это, кто-то добыл это сырье, придумал реакции и технологии, с помощью которых можно, производить материал… Кажется, всё так просто. Но нет, все гораздо сложнее. В основе этого лежит великая наука-химия. Многие химические реакции, с которыми мы познакомились в лабораторных условиях, осуществляют в промышленных условиях при производстве важнейшей для повседневной жизни химической продукции. Пластмассы, синтетические волокна, фармацевтические препараты, удобрения, моющие средства, красители, косметика и даже компоненты пищи – всё это только некоторые виды продукции, выпуск которой полностью или частично зависит от химической промышленности.
Но мы уже думаем, что так и должно быть. Вот открываешь холодильник, а там кефир. Ты конечно же, не задумываешься о реакциях брожения с помощью которых сделали кефир, и не вспоминаешь формулу полиэтилена, из которого сделан пакет этого же кефира. Или вот достаешь из аптечки перекись водорода и не думаешь о формуле H2O2 ; и аспирин ты всегда называешь аспирином, хотя это ацетилсалициловая кислота… А ведь если на многие вещи смотреть изучав науку химии , все гораздо интереснее. А что же было до того, как люди стали изучать химию? Все, наверно, было по-другому. Но люди нашли путь и стремились познать эту науку. Ведь человек с первых дней своей жизни сталкивается с химией. Получается не люди придумали ее, а вся природа давно уже связана с химией. Ведь она состоит из химических элементов и соединений, и в основе многих явлении лежат химические реакции. Воздух, которым мы дышим, состоит из смеси газов; вода, с которой мы встречаемся ежедневно, и есть сложное химическое вещество; даже мы сами повседневно проводим химические реакции, когда готовим пищу или когда включаем газовую плиту. И не только это, даже внутри нас протекают десятки химических реакции! Вроде бы невероятно, ведь там нет ни пробирок, ни колбочек. Но это правда: не было бы этих реакций – не было бы жизни. В нашем организме есть почти все элементы таблицы Менделеева. Разве это не главное доказательство того, что химия – это жизнь?
Да, человек встречается с химией на каждом шагу. Наша жизнь, здоровье, настроение тесно связаны с бесчисленными химическими веществами и процессами вокруг нас и нас самих.
Развитие человеческого общества сопровождается с применением новых материалов и химических процессов во всех сферах деятельности человека. Химия дает в руки человечества огромные возможности и силы, но при этом требует грамотного, ответственного их использования, понимания сущности химических явлений. Поэтому мы должны изучить эту великую науку. Ведь будущее зависит от нас, от молодежи.
Общеизвестно, что человек на 70 % состоит из воды. Поэтому состояние вод мирового океана напрямую отражается на качестве нашей жизни и здоровье. Счет увеличивается явно не в нашу пользу: сброс в водоёмы радиоактивных отходов, нефти, сточных вод из канализаций, водопроводов – это лишь неполный перечень источников, влияющих на изменение количества и качества воды в гидросфере. Последствия могут быть очень неблагоприятными, если мы не изменим свои привычки. Истина проста: наши ежедневные поступки способны перевесить чашу весов в ту или иную сторону.
За последние сто лет стали использоваться около сотни тысяч новых химикатов. Эти химикаты попадают в воздух, почву, воду и пищевые продукты. Относительно немногие из них прошли проверку на предмет воздействия на здоровье человека. Но, как оказалось, многие из тех, что прошли проверку, способствуют развитию раковых и других заболеваний.
Бытовые моющие средства – один из крупнейших источников загрязнения поверхностных вод. Вместе со сточными водами моющие средства попадают в очистительные сооружения, которые, очистив сточные воды, выпускают их в поверхностные воды. Однако очистительные сооружения не могут полностью уничтожить вредные химические вещества, а в маленьких городах и деревнях, где нет очистительных сооружений, они попадают прямо в реки и озера.
Один из таких вредных компонентов синтетических моющих средств – фосфаты. Фосфаты, или соли и эфиры фосфорных кислот, наиболее активно используются в производстве удобрений. В стиральные порошки фосфаты добавляют, главным образом, для связывания ионов кальция и магния. Затем, попадая в водоемы, фосфаты приводят к бурному развитию водорослей. Токсины сине-зеленых водорослей, по мнению ряда исследователей, опасны для многих водных обитателей. Эти водоросли ухудшают питьевые качества воды, придают ей различные запахи и вкусы. Загрязнение питьевой воды приводит к невынашиванию беременности и врожденным травмам, повышению заболеваемости и снижению продолжительности жизни. Поэтому использование фосфатов в стиральных порошках запрещено во многих странах уже более 10-20 лет.
Другим вредным компонентом СМС, способным нанести вред окружающей среде и здоровью человека, являются анионные поверхностно-активные вещества (А-ПАВ). Даже при небольших концентрациях А-ПАВ в воде прекращается рост водорослей, образуются стойкие скопления пены, что губительно сказывается на обитателях водоемов и окрестных земель. У человека могут вызывать нарушения иммунитета, аллергию, поражение мозга, печени, почек, легких. Фосфаты усиливают проникновение А-ПАВ через кожу и способствуют накоплению этих веществ на волокнах тканей.
Наиболее эффективным и экономичным методом очистки сточных вод является биохимический метод. Биохимическая разлагаемость – это разложение органических веществ CMC под действием ферментов, производимых бактериями и другими микроорганизмами. Биоразложение протекает очень медленно, конечными продуктами его являются вода и диоксид углерода. Для массового производства и потребления CMC необходимо применять такие ПАВ и другие моющие вещества, которые были бы подвержены сравнительно быстрому и полному их распаду.
Мы давно привыкли к тому, что в новостях часто говорится о загрязнении окружающей среды, и порой думаем так: «Мне все равно, пока это не касается меня лично». Однако, осознаем мы это или нет, повсеместное загрязнение окружающей среды затрагивает каждого жителя планеты. Поскольку эта проблема приобрела глобальный характер, она уже оказывает влияние на многие аспекты нашей жизни.
В экологических проблемах недостатка нет. Например, Гринпис не раз предупреждал об опасности загрязнения воды. Но положение до сих пор не улучшилось. Один миллиард человек испытывает недостаток чистой питьевой воды. Согласно журналу «Тайм», «3,4 миллиона человек ежегодно умирают от болезней, связанных с загрязнением воды».
Человек может прожить около месяца без пищи, а без воды только неделю. Поэтому специалисты утверждают, что уменьшение запаса пресной воды в предстоящие годы будет создавать все больше напряженности. Что можно сделать? Как лично мы могли бы внести свой вклад, чтобы изменить ситуацию к лучшему? Вот несколько простых советов.
? Отремонтируйте текущие краны.
? Не стойте долго под душем.
? Не тратьте лишнюю воду, когда бреетесь или чистите зубы.
? Не стирайте полотенца после каждого использования.
? Отложите стирку, пока не наберется достаточно белья для полной загрузки стиральной машины. (То же относится и к посудомоечной машине.)
? Используйте для стирки, уборки и мойки средства, не содержащие бионеразлагаемых соединений.
Каждый из нас может внести свой вклад, чтобы мир вокруг стал чище. Всех нас должно волновать здоровье нашей планеты — нашего дома. Ведь другого дома у нас пока нет.
Реферат
На тему:
ЭКОЛОГИЯ
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Ученика 9 – Б класса
ОШ №1
Г. Снежное
Корнеева Александра
2007г.
План :
1. Химическое загрязнение атмосферы.
1.1. Основные загрязняющие вещества.
1.2. Аэрозольное загрязнение.
1.3. Фотохимический туман (смог).
1.4. Контроль за выбросами в атмосферу (ПД К).
2. Химическое загрязнение природных вод.
2.1. Неорганическое загрязнение.
2.2. Органическое загрязнение.
3. Загрязнение Мирового океана.
3.1. Нефть и нефтепродукты.
ХИМИЧЕСКОЕЗАГРЯЗНЕНИЕАТМОСФЕРЫ
Во все времена своего существования человек был неразрывно связан с природой. Но с момента возникновения высокоиндустриального общества человек все больше стал вмешиваться в ее жизнь. На данном этапе это вмешательство грозит полным уничтожением природы. Постоянно расходуются невозобновимые виды сырья, число пахотных земель катастрофически сокращается, потому что они становятся местом строительства новых городов и промышленных предприятий. Человек стал все больше вмешиваться в функционирование биосферы — той части нашей планеты, где как раз и существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом необходимо отметить несколько наиболее важных процессов, каждый из которых ухудшает экологическую ситуацию на планете.
Наиболее сильно отражается на окружающей среде загрязнение продуктами химических преобразований. К ним можно отнести газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Также плохо отражается на атмосфере накопление углекислого газа, количество которого, к сожалению, все увеличивается. Это может привести в самом ближайшем будущем к увеличению среднегодовой температуры на Земле. Продолжается загрязнение Мирового океана нефтью и ее производными, которое охватило уже 1/5 всей поверхности океана.
Такая ситуация может стать причиной нарушения газо- и водообмена между атмосферой и гидросферой. Загрязнение почвы пестицидами и превышение кислотности могут привести к распаду экосистемы. Все эти процессы вызывают негативные изменения в биосфере.
Человек загрязняет атмосферу уже многие тысячелетия, и все же последствия использования огня были совсем невелики. Человеку надо было только примириться с тем, что дым не давал полностью вобрать воздух в легкие, или с тем, что жилища выглядели недостаточно уютно из-за сажи, покрывающей стены. Тепло, которое давал огонь, было нужнее и важнее, чем чистый воздух. В те времена такое загрязнение воздуха не было катастрофическим, потому что люди жили небольшими группками на девственной территории, раскинувшейся на тысячи километров. И даже когда позднее люди сосредоточивались в одном месте, они не могли серьезно влиять на окружающую среду.
Такое равновесие существовало примерно до девятнадцатого века. Промышленность начала развиваться ускоренными темпами, что повлекло за собой усиленное загрязнение окружающей среды. С каждым годом рождались все новые и новые города-миллионеры, появлялись новые изобретения.
Атмосфера загрязняется в результате воздействия трех основных факторов: промышленности, бытовых котельных и транспорта. В зависимости от места расположения доля каждого из трех источников загрязнения сильно колеблется. Однако общепризнанным является тот факт, что промышленное производство стало одним из самых грозных «обидчиков» окружающей среды. Источниками загрязнения становятся теплоэлектростанции, выбрасывающие вместе с дымом в атмосферу сернистый и углекислый газ. Также сюда можно отнести металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка. Сюда же относят и цементные, химические заводы. Вредные газы оказываются в воздухе в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.
Основные загрязняющие вещества
Атмосферные загрязнители можно разделить на первичные, поступающие прямо в атмосферу, и вторичные, которые являются результатом метаморфозы последних. Например, попадающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, взаимодействующего с парами воды, и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком формируются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, возникают и другие вторичные загрязняющие вещества. Основным источником пирогенного загрязнения на планете стали тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% добываемого твердого и жидкого топлива. Основные вредные примеси пирогенного происхождения следующие:
а) оксид углерода. Он возникает при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздухе оказывается в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн.т. Оксид углерода — это соединение, активно реагирующее с составными частями атмосферы, он способствует повышению температуры на планете и созданию парникового эффекта.
б) сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн т в год). Часть соединений серы может выделиться при горении органических остатков в горнорудных отвалах. В США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65% от общемирового выброса.
в) серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции становится аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий наблюдается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1км от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны небольшими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС каждый год выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.
г) сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу отдельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса становятся предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие заводы, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями медленно окисляются до серного ангидрида.
д) окислы азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т в год.
е) соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений — фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.
ж) соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере наблюдаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.
В металлургической индустрии при выплавке чугуна и переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т предельного чугуна выделяется 2,7кг сернистого газа и 4,5кг пылевых частиц, которые состоят из соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.
Аэрозольное загрязнение
Аэрозоли представляют собой твердые или жидкие частицы, которые находятся в воздухе во взвешенном состоянии. Твердые компоненты аэрозолей нередко очень опасны для живых организмов, у людей они порождают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения можно наблюдать в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей формируется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1—5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.
Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха в настоящее время являются ТЭС, потребляющие уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе можно найти соединения кремния, кальция и углерода, гораздо реже — оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще более разнообразна органическая пыль, которая включает в себя алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения стали промышленные отвалы — искусственные насыпи из переработанного материала, главным образом вскрышных пород, полученных при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов становятся массовые взрывные работы. Известно, что в результате одного среднего по массе взрыва (250—300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств — измельчение и химическая обработка шихты, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов — всегда сопровождаются выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.
К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды — насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они могут подвергаться различным превращениям, окислению, полимеризации, особенно если начнут взаимодействовать с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. Результатом этих реакций становится появление перекисных соединений, свободных радикалов, соединений углеводородов с оксидами азота и серы, часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях в приземном слое воздуха могут формироваться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей. Обычно это случается, когда в слое воздуха прямо над источниками газопылевой эмиссии происходит инверсия — расположение слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует движению воздушных масс и задерживает перенос примесей вверх. В итоге вредные выбросы концентрируются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.
Фотохимический туман ( смог )
Фотохимический туман — это многокомпонентная смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. Основными компонентами смога являются озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения пер кисной природы, которые в совокупности называются фотооксидантами. Фотохимический смог образуется в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и повышенной не менее суток инверсии. Устойчивая безветренная погода, которая обычно сопровождается инверсиями, нужна для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия возникают чаще в июне—сентябре и реже зимой. Во время продолжительной ясной погоды солнечная радиация становится причиной расщепления молекул диоксида азота и образует оксид азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом образуют озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота — в диоксид. Но этого не случается. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительное количество озона. Начинается циклическая реакция, результатом которой становится постепенное накапливание озона. Этот процесс в ночное время прерывается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере скапливаются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние становятся источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реактивной способностью. Такие смоги — нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной систем и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.
Контроль за выбросами в атмосферу загрязняющих веществ ( ПДК )
ПДК (предельно допустимые концентрации) — такие концентрации, которые на человека и его потомство не оказывают прямого или косвенного воздействия, не ухудшают его работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, происходит в ГГО — Главной геофизической обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить загрязнение воздуха, измеренные значения концентраций сопоставляют с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и устанавливают число случаев, когда были превышены ПДК, а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия — среднеустойчивой ПДК. Загрязнение воздуха несколькими веществами оценивается с помощью комплексного показателя — индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующие значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют. Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (окислы азота и серы), Бишкеке (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то формируется очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД
Всякий водоем или водный источник соотнесен с окружающей его внешней средой. На него влияют условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Результатом этих влияний становится привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ — загрязнителей, ухудшающих качество воды. Обычно выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнения. Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно-активные вещества, пестициды).
Неорганическое загрязнение
Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод стали многообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них оказывается в воде вследствие человеческой деятельности. Тяжелые металлы впитываются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.
К опасным загрязнителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обусловливающие широкий диапазон рН промышленных стоков (1,0—11,0) и способных изменять рН водной среды до значений 5,0 или выше 8,0, тогда как рыба в пресной и морской воде может существовать только в интервале рН 5,0—8,5. К основным источникам загрязнения гидросферы минеральными веществами и биогенными элементами следует отнести предприятия пищевой промышленности и сельское хозяйство. С орошаемых земель ежегодно вымывается около 6 млн. т солей. Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь, собраны в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Загрязнение ртутью существенно снижает первичную продукцию морских экосистем, сдерживая развитие фитопланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно сосредоточиваются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические цепи водных организмов.
Органическое загрязнение
Среди попадающих в океан с суши растворимых веществ большое значение для обитателей водной среды имеют не только минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в океан органического вещества оценивается в 300—380 млн т/год. Сточные воды, которые содержат суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий затрудняет также проникновение света в глубь воды и замедляет процесс фотосинтеза. Одним из основных санитарных требований, предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества кислорода. Вредное действие оказывают все вещества, которые так или иначе содействуют снижению содержания кислорода в воде. Поверхностно-активные вещества — жиры, масла, смазочные материалы — образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом. Значительный объем органических веществ, большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе с промышленными и бытовыми стоками. Возрастающее загрязнение водоемов и водостоков отмечается во всех промышленных странах.
В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение в водоемах с замедленным течением или непроточных (водохранилища, озера). Разлагаясь в водной среде, органические отходы могут стать средой для патогенных организмов. Вода, загрязненная органическими отходами, становится практически непригодной для питья и других надобностей. Бытовые отходы опасны не только тем, что являются источником некоторых болезней человека (брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что требуют для своего разложения много кислорода. Если бытовые сточные воды поступают в водоем в очень больших количествах, то содержание растворимого кислорода может снизиться ниже уровня, необходимого для жизни морских и пресноводных организмов.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ МИРОВОГО ОКЕАНА
Нефть и нефтепродукты
Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость темно-коричневого цвета и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти — углеводороды (до 98%) — подразделяются на 4 класса.
1. Парафины (алкены) (до 90% от общего состава) — устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.
2. Циклопарафины (30—60% от общего состава) — насыщенные циклические соединения с 5—6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.
3. Ароматические углеводороды (20—40% от общего состава) — ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов водорода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молеку лой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полуциклические (пирен).
4. Олефины (алкены) (до 10% от общего состава) — ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.
Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-х годов в океан ежегодно поступало около 6 млн. т нефти, что составляло 0,23 % мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод — все это становится причиной наличия постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962—79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т нефти. За последние годы пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн. т нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн. т/год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0,5 млн. т нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в видеопленки, образуя слои различной мощности. По цвету пленки можно определить ее толщину.
Нефтяная пленка видоизменяет состав спектра и интенсивность проникновения в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет 1—10% (280 нм), 60—70% (400 нм). Пленка толщиной 30—40 мкм полностью поглощает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой, нефть формирует эмульсию двух типов: прямую — «нефть в воде» и обратную — «вода в нефти». Прямые эмульсии, составленные из капелек нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефти, которая содержит поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут оставаться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.
Высокими темпами расходуются сырьевые ресурсы. Так, например, в 1990 годах в мире потреблялось в год (в миллионах тонн условного топлива*) нефти — 4700, угля — 3100 и газа — 2600. Ежегодно на поверхности Земли возрастает количество различных веществ, в том числе токсичных, например: фосфора — на 7,4 млн. т, свинца — на 5,7 млн. т, урана — на 230 тыс. т, мышьяка — на 190 тыс. т, ртути — на 79 тыс.т.
Электростанциями, транспортом и предприятиями выбрасывается Ев атмосферу огромное количество вредных веществ, причем выброс этих веществ постоянно возрастает. Поступающие в атмосферу вещества взаимодействуют с окружающей средой не только на месте выброса, но и в районах, куда они переносятся в виде газа, капелек жидкости и твердых частиц воздушными течениями. За последние годы во многих районах земного шара выпадают дожди, у которых рН значительно ниже 7 («кислотные дожди»).
Антропогенные выбросы в атмосферу вызвали крупные экологические последствия планетарного масштаба, такие как озоновые дыры и «парниковый» эффект. С развитием атомной энергетики появилась опасность радиоактивного заражения больших территорий, как это произошло в результате Чернобыльской аварии.
Большое количество вредных компонентов сбрасывается в водные бассейны. Основными причинами загрязнения гидросферы является сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными, коммунальными и сельскохозяйственными предприятиями. Реки и моря загрязняются токсичными металлами, поверхностно-активными веществами, нефтепродуктами и т.д. Расход чистой воды на Земле составляет около 40% речных стоков. Если сохранятся существующие темпы загрязнения водных бассейнов, то к 2010 г. все мировые ресурсы пресных вод могут оказаться исчерпанными. Ущерб, наносимый загрязнением окружающей среды, огромен. Поэтому экологические проблемы находятся в центре внимания человечества. Этот вопрос рассматривался на мировом форуме в Рио-де-Жанейро, принявшем декларацию о необходимости устойчивого (без кризисов) развития человечества на Земле, и других мировых конгрессах.
Роль химиив решении экологических проблем.Химические процессы играют важнейшую роль в экологической проблеме. Подавляющее большинство вредных выбросов электростанций, транспорта, промышленных и сельскохозяйственных предприятий являются продуктами различных химических реакций: окисления (горения), восстановления, разложения и т.п. Понимание специалистами этих реакций способствует принятию правильных решений по снижению или полному устранению вредных последствий.
Источником вредных воздействий на природу является и химическая промышленность. К настоящему времени в окружающую среду выброшено около 3 млн. новых химических соединений, к которым природа не приспособлена. Следует, однако, отметить, что использование достиженийхимии является важным условием решения экологических проблем. Химическая промышленность производит ряд реагентов, адсорбентов, ионообменных смол и других веществ, без которых невозможна очистка сточных вод и других выбросов.
Неотъемлемой чертой химической промышленности является повышение степени комплексного использования исходного сырья. На базе использования законов химии удается решить многие экологические задачи не только в химической, но и в других отраслях промышленности. Наиболее перспективный метод решения экологических проблем заключается в создании безвредных и безотходных процессов.
Итак, воздействие человека на литосферу, гидросферу и атмосферу принимает планетарный характер, поэтому необходимы адекватные меры по предотвращению экологических катастроф планетарных масштабов.
Химия и экология
Содержание
Введение
1. От обнаружения к защите
2. Борьба с кислотными дождями
3. Защита от климатических катастроф: парниковый эффект
4. Оценка риска
5. Что такое эпидемиология
6. Выгоды
7. Риск
8. Уравнение риск/выгода
Заключение
Введение
Ежегодно, американцы вываливают миллионы тонн пластиков в окружающую среду, значительная часть этих отходов низвергается прямо в океан. Действительно, 9 млн. тонн твердых отходов промышленности США ежегодно уходит непосредственно в море. Одним только коммерческие суда выбрасывают за борт 6,6млн. тонн мусора в год. Этим мусором можно было бы завалить 440000 классных комнат.
Вопреки общему мнению пластиковые отходы, в конце концов, разрушаются, но происходит это медленно – иногда для этого требуется до 50 лет. За такое время может скопиться масса мусора. Особенно чувствительны к пластиковому мусору морские экосистемы: он не тонет, и обитатели морей по ошибке принимают его за медуз, яйца и другие лакомства или запутываются в нем, ведь 150000т. отходов – это выбрасываемые в океан рыболовные снасти. Дело принимает особенно неприятный оборот в арктических районах, где мусор только накапливается, но не разрушается – этому препятствует очень низкая температура.
Химики сделали значительный шаг в решении этой серьезной проблемы. Выход из бедственного положения был найден в создании пластиков с особой структурой. Пластики – это полимерные материалы, получаемые из продуктов переработки нефти. Они состоят из длинных цепей, построенных из повторяющихся молекулярных группировок. Химики нашли способ изменять полимерные молекулы так, чтобы их свойства больше соответствовали гигиене окружающей среды. Одним из них – химическое присоединение светочувствительных молекулярных групп к макромолекулярным цепям через правильные интервалы. Когда пластик, изготовленный из такого полимера, подвергается действию солнечного света, светочувствительные группы поглощают излучение, что приводит к расщеплению полимера в местах их присоединения. Остальное – дело природы. Образующиеся небольшие фрагменты легко подвергаются биоразложению. Другой способ подчинить свойства пластика требованиям гигиены природы – ввести в них молекулярные группировки, считающиеся деликатесом у некоторых микроорганизмов. Микроскопические чревоугодники берут в этом случае на себя труд расщепления длинных молекул на короткие кусочки. Находки такого рода, можно надеяться, приведут к тому, что проблема пластиковых отходов начнет постепенно отступать и, в конце концов, уйдет в прошлое.
Любое общество старается обеспечить себя достаточным количеством пропитания, жильем и здоровой окружающей средой. Когда эти элементарные требования выполнены, можно подумать и о комфорте. Сегодня наше стремление к увеличению количества товаров, энергии и большей обеспеченности средствами передвижения пришло в столкновение со стремлением сохранить здоровую окружающую среду. Нашей главной заботой стала защита окружающей среды в условиях роста численности населения, его продолжающегося концентрирования (урбанизации) и повышения жизненного стандарта.
Ухудшение состояния окружающей среды и, как следствие, угроза здоровью и состоянию экосистемы – явление не новое. Нарушения в окружающей среде, вызванные деятельностью человека, прослеживаются с древнейших времен. Проблема нечистот возникла одновременно с появлением городов. Задолго до двадцатого столетия лондонский воздух был загрязнен дымом очагов и каминов. Ранним проявлением проблем индустриальной гигиены была малая продолжительность жизни трубочистов из-за подверженности их раковым заболеваниям, что теперь мы можем объяснить длительным воздействием сажи, содержащей следы канцерогенов (многоядерных ароматических углеводородов).
Однако то, что загрязнение окружающей среды не есть новейшее изобретение, – слабое утешение. Проблемы загрязнения дают о себе знать все более явственно, и мы научились распознавать трудноуловимые взаимодействия в окружающем мире и обнаруживать вторичные эффекты, которые прежде оставались незамеченными. Некоторые нарушения окружающей среды принимают глобальный характер. Трагедия в Бхопале предельно ярко высвечивает существующую дилемму. Эта трагедия произошла в стране, страдающей от голода. Токсичные вещества применялись для производства продуктов питания, ежегодно спасавших многие тысячи людей от голодной смерти.
Однако следует заметить, что человечество по-настоящему озабочено важностью сохранения здоровой окружающей средой, и это обнадеживает. Громадное большинство граждан США всех политических направлений заявляют о готовности платить более высокие цены за продукты (такие, как не содержащий свинца бензин) и более высокие подоходные налоги ради оздоровления окружающей среды. Такие же тенденции наблюдаются и повсеместно – за пределами США.
Выработка эффективной стратегии защиты окружающей среды требует информированности и знаний. Мы должны уметь ответить на следующие вопросы:
Какие потенциально опасные вещества содержаться в воздухе, воде, почве и пище?
Чем вызвано их появление?
Как можно решить проблему – полностью или хотя бы отчасти (использование альтернативных продуктов, процессов)?
Как зависит степень опасности от длительности воздействия данного вещества? Как следует подходить к выбору одного из вариантов, обещающих положительный эффект?
Ясно, что на химиков ложиться главная ответственность за правильность ответов на три первых решающих вопроса. Чтобы определить, какие вещества присутствуют в окружающей среде, аналитики должны разрабатывать все более и более чувствительные и селективные методы. Обнаружение источников может потребовать проникновения в детали процессов, которые ведут от исходного загрязнения к конечным вредным или токсичным продуктам. Если для удовлетворения энергетических нужд приходится довольствоваться более низкосортным топливом, то какие катализаторы и какие новые процессы следует разработать, чтобы не усугубить проблемы кислотных дождей и канцерогенных выбросов работающих на угле электростанций.
Четвертый вопрос – о допустимой длительности воздействия вредного вещества – принадлежит компетенции медицины, токсикологии и эпидемиологии. Теперь, когда общество осознало, что существует обратная связь между степенью понижения риска и затратами на ее достижение, перед этими дисциплинами встают серьезные проблемы. Медики должны уточнить данные о степени риска, обусловленного присутствием, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах. Необходимо научиться взвешивать риск и издержки, связанные с присутствием этих соединений, положив на другую чашу весов блага, которые мы теряем, ограничивая их использование. И что более важно, мы не можем позволить себе роскошь стремиться любой ценой устранить вероятность риска вообще, поскольку по мере приближения уровня риска к нулю цена устремляется к бесконечности.
Наконец, выбор вариантов решения проблемы должен принадлежать обществу. Химики и специалисты в других областях, связанных с экологией, несут особую и весьма серьезную ответственность за информированность на самой квалифицированной и объективной научной экспертизе. Долг ученых – ознакомить общество, средства массовой информации и правительство с реальной картиной, причем на языке, свободном от профессионального жаргона. Ученые должны дать научное обоснование предлагаемого решения и указать, что нас ждет впереди.
1. От обнаружения к защите
Все стратегии защиты окружающей среды должны основываться на знании действительных пороговых значений опасных концентраций и нашей способности обнаружить нежелательный компонент задолго до того, как его концентрация достигает такого значения. В ряде случаев обнаружение может быть эквивалентно защите.
К сожалению, средства информации, общество и правительственные учреждения слишком часто ставят знак равенства между обнаружением и опасностью. Такая реакция основана на общем заблуждении, что вещество, обладающее выраженной токсичностью при некоторой определенной концентрации, токсично всегда. Существует множество примеров, показывающих, что это не так. Вспомните моноксид углерода. Этот обычный компонент атмосферы становится опасным при концентрациях, превышающих 1000 млн. долей. Считается, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превышающих 10 млн. долей, отрицательно сказывается на здоровье. Тем не менее, мы не настаиваем на полном устранении СО из атмосферы! Это было бы глупо (да и невозможно!), поскольку мы живем – и не плохо – в среде, всегда содержащей легко обнаружимые количества СО, порядка 1 млн. доли.
Другой интересный пример – селен. Некоторые растения, растущие на относительно богатых селеном почвах, имеют тенденцию накапливать этот элемент в таких количествах, которые приводят к отравлению жвачных животных. К числу указанных растений относятся астрагал (Astragalus). Пшеница также может накапливать селен, и хотя на людях это сколько-нибудь заметно не сказывается, куры, которых кормили ею, дают ненормальное потомство. В то же время сейчас известно, что селен – жизненно важный компонент пищи крыс, цыплят и свиней. Более того, селен в определенных концентрациях является природным антиканцерогенном; он входит в состав глутатион-пероксидазы – фермента, разрушающего вредные гидропероксиды. В Китае в популяциях людей с низким содержанием селена в крови наблюдаются следующие отклонения от нормы: дети часто страдают множественным миокардитом (болезнь Кишана), высока смертность взрослых от рака, особенно распространен рак печени. Очевидно, что селен, является необходимым для человека и животных элементом при одних концентрациях и токсичным при других. Ежедневная норма потребления селена для взрослых, рекомендуемая Национальным советом по здравоохранению, составляет 50 – 100 мкг. Приведенный пример ясно показывает, что присутствие в окружающей среде следов вещества, которое может быть токсичным при высоких концентрациях, еще не свидетельствует об опасности.
Некоторые люди усиленно добиваются ориентированного на нулевой риск подхода к защите окружающей среды. Нулевой риск означает достижение абсолютной и полной гарантии от любой возможной опасности. В приведенном выше примере с моноксидом углерода – это полное, до последней молекулы, удаление его из атмосферы. Сейчас такое нереалистичное стремление к нулевому риску постепенно вытесняется менее примитивной философией, которая ставит действия, связанные с наличием риска, в зависимость от оценки его уровня. Что касается будущего, то наилучшим капиталовложением была бы организация долговременных изысканий в области фундаментальной науки об окружающей среде и работ по совершенствованию диагностических методов. Это позволило бы избежать необходимости прибегать к дорогостоящим аварийным программам.
Повышение эффективности измерений, проводимых в окружающей среде, требует более совершенных инструментов. Проблема состоит в том, чтобы определять следы искомого соединения в сложной смеси, содержащей много безвредных веществ. Одним из примеров успеха, достигнутого в повышении селективности аналитических методов, может служить разработка методов разделения и количественного определения каждого из 22 изомеров тетрахлордиоксина в концентрациях порядка триллионных долей (т.е. 1:1012)! кислотный климатический токсичность парниковый
Легко реагирующие соединения, присутствующие в атмосфере, нельзя доставить для анализа в лабораторию. Это порождает специфические сложности, связанные с необходимостью дистанционного обнаружения и определения содержания таких соединений в местах их образования. Примером успехов, достигнутых в этой области исследований, может служить измерение концентраций формальдегида и азотной кислоты в смоге над Лос-Анджелесом методом инфракрасной спектроскопии, позволившим регистрировать поглощение излучения на расстоянии одного километра. Благодаря этим экспериментам удалось установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при их одновременном присутствии в воздухе на уровне миллиардных долей.
Все более важным становится выяснение химического состояния компонентов окружающей среды, поскольку, как это теперь известно, и токсичность, и легкость перемещения существенно зависят от того, в какой химической форме находится данный загрязнитель. Испытания, проведенные на животных, показали, что один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее самого токсичного из всех остальных. Эти примеры говорят о важности аналитических методов, которые позволяют не только установить концентрацию потенциального загрязнителя, но и идентифицировать химическую форму, в которой он присутствует. К числу мощных средств, используемых для решения этой проблемы, относятся электрохимия, хроматография и масс-спектрометрия.
2. Борьба с кислотными дождями
Кислотные дожди – одна из самых очевидных проблем загрязнения воздуха, стоящих перед нами. Кислые вещества и соединения, которые служат их источником, образуются при сжигании минеральных топлив в энергетических установках и на транспорте. Это главным образом кислоты – производные оксидов серы и азота. Существует ряд природных источников таких соединений: они образуются во время грозы или извержения вулкана, в результате жизнедеятельности бактерий, однако, исключая нечастые извержения, вклад этих источников невелик. Основными “поставщиками” оксидов углерода и азота являются автомобильный транспорт, электростанции и всякого рода плавильные печи.
Влияние кислотных дождей наиболее ощутимо и известно широкой публике в Европе и на северо-востоке США, но зоны риска включают также Канаду и, возможно, калифорнийскую Сьерру, Скалистые горы и Китай. В некоторых местах наблюдалось выпадение осадков, приближающихся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных дождей продолжают оставаться предметом дискуссий. Первоначально внимание фокусировалось на вреде, приносимом озерным и речным экосистемам, однако в дальнейшем стали учитываться и такие дорогостоящие последствия, как порча зданий, мостов и оборудования. Труднее всего количественно оценить влияние загрязненного воздуха на здоровье человекам.
Наибольший урон наносится озерам, в которых вода обладает слабыми буферными свойствами. В присутствии природных щелочных буферов кислые соединения, приносимые дождем (большей частью серная и азотная кислоты, в меньших количествах органические кислоты), нейтрализуются. Однако озера, лежащие на гранитных (кислых) породах, весьма подвержены действию попадающих в них кислот, способных переводить в раствор ионы таких металлов, как алюминий и марганец, что может повлечь подавление роста растений и водорослей, а в некоторых озерах – сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Значительный ущерб наносят кислотные дожди и растительности, причем проявление их влияния может быть самым различным – от дефолиации до разрушения тонкой корневой системы.
В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержанием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязнителей, – это установка химических газоочистителей – устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, – это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.
Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосферные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.
Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вернуться на землю за сотни миль вниз по ветру.
Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N02, а иногда и азотной кислоты, HNO3, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота – источников их поступления и мест выведения – содержат еще много неясного.
Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмосферы затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первостепенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, – вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие.
3. Защита от климатических катастроф: парниковый эффект
В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнечную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогнозами говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопоставим с эффектом накопления диоксида углерода.
Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут последствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль метана, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом свести на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, – все это должно быть изучено и понято.
Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затемнить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в воздухе и влияния сажи на радиационный баланс.
В отличие от загрязнений местного характера проблемы глобальных загрязнителей создают тупиковые ситуации, поскольку их решение требует действий во всемирном масштабе, а граждане разных стран по-разному относятся к их приоритетности. В прошлом предпочтение, отдаваемое ископаемым или ядерным топливам, диктовалось в первую очередь экономическими факторами, например наличием богатых запасов угля. Однако усиление глобальной угрозы окружающей среде, в частности в результате накопления углекислоты в атмосфере, которое ускоряется сжиганием угля, может вынудить нас пересмотреть плюсы и минусы ядерной энергетики. На приобретение фундаментальных знаний, необходимых для разумного выбора, требуются годы. Мы должны строить этот фундамент, чтобы быть в состоянии взвешенно оценить реальную угрозу накопления углекислоты в атмосфере в свете имеющихся альтернатив. Эта оценка должна учитывать проблемы защиты окружающей среды и проблему отходов ядерной энергетики.
4. Оценка риска
Существует два вида токсичности. Один химический препарат может вызывать заболевание вскоре после своего воздействия – это острая токсичность. Другой препарат может оказывать нежелательное воздействие значительно позже, после продолжительного его использования – это хроническая токсичность. Например, остро токсичный газ фосген, Cl2CO, может случайно образоваться, если загорание электросети тушат огнетушителем с тетрахлоридом углерода. В концентрации 5 млн. долей фосген уже через несколько минут вызывает раздражение глаз, а концентрации выше 50 млн. долей могут оказаться смертельными. Напротив, бензол, С6Н6, обладает хронической токсичностью. Вдыхание паров бензола той же концентрации, 50 млн. долей, не дает немедленного эффекта, но при длительном (в течение многих месяцев или лет) ежедневном воздействии бензола может вызвать понижение числа красных кровяных телец (гемоглобина) и лейкоцитов в крови.
К сожалению, получить детальную информацию о токсичности нелегко. Наиболее точный способ – суровый способ – это подвергнуть достаточное число людей воздействию данного препарата, чтобы продемонстрировать его безопасность или установить дозу, при которой начинает обнаруживаться токсичность. Ясно, что сведения о хронической токсичности добыть труднее всего. Чтобы можно было извлечь из наблюдений необходимую статистическую информацию, воздействию исследуемого вещества должны быть подвергнуты в течение достаточно длительного времени очень большая группа людей. Проблемы такого рода принадлежат компетенции эпидемиологии.
5. Что такое эпидемиология
Исторически эпидемиология развивалась как наука об эпидемиях, т.е. быстро распространяющихся заболеваниях. Однако сегодня эпидемиология используется и как статистический аппарат для обнаружения острой или хронической токсичности даже при весьма слабом воздействии на здоровье. Например, винилхлорид, СН2СНСl, известен как канцероген. Основанием для такого заключения послужило то, что, согласно статистическим данным, очень редкая форма рака печени, ангиосаркома, наблюдается главным образом у небольшого числа рабочих, которые продолжительное время подвергались воздействию высоких концентраций (сотни млн. долей) этого соединения. В этом случае удалось получить достоверное эпидемиологическое заключение относительно токсичности данного соединения и его весьма незначительной опасности для обычной публики.
Что является причиной чего?
К сожалению, результаты наблюдений можно неверно интерпретировать даже при наличии достаточного количества статистических данных. Так, статистические данные показывают, что рак толстой кишки гораздо более распространен в США, чем в Индии, и что американцы потребляют больше молочных продуктов, чем индийцы. Прежде чем сделать вывод, что молочные продукты вызывают рак, следует, однако, вспомнить, что рак толстой кишки распространен у пожилых людей и что средняя продолжительность жизни американцев гораздо выше, чем у жителей Индии. Таким образом, можно прийти и к противоположному выводу: потребление молочных продуктов позволяет прожить достаточно долго, чтобы начал проявляться (от других причин) рак толстой кишки. Эпидемиология может установить, что одно сопутствует другому, но это не обязательно означает причинную связь между двумя явлениями. Эпидемиологи шутят, что снижение скорости роста населения в Западной Европе в 20 веке примерно соответствует скорости уменьшения в этом регионе популяции аистов, лишь немногие сделают отсюда вывод, что рождаемость уменьшилась потому, что для доставки детей не хватает аистов.
История с ДДТ.
Все началось в 1939г., когда швейцарский химик Пауль Мюллер в ходе систематических поисков новых инсектицидов синтезировал дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Вначале на ДДТ смотрели, как на чудо: он исключительно эффективно действует на самых разнообразных насекомых-вредителей и в отличие от широко использовавшихся в то время соединений свинца и мышьяка не проявляет острой токсичности по отношению к людям.
6. Выгоды
США впервые широко применили ДДТ в 1944г. во время второй мировой войны в борьбе с распространившейся эпидемией тифа в воинских частях и среди гражданского населения в Италии. Тиф переносится нательными вшами, и чтобы уничтожить этих насекомых, тысячи людей были щедро, с ног до головы, осыпаны ДДТ. Эпидемия была остановлена, что предотвратило потери человеческих жизней, которые могли стать опустошительными.
После столь внушительного успеха решено было прибегнуть к ДДТ в борьбе с Anopheles – комаром-распространителем малярии. До использования ДДТ малярия уносила от 2 до 3 млн. жизней ежегодно, число же страдающих этой тяжелой болезнью было еще больше. В результате 10-летнего применения ДДДТ в ряде стран малярия перестала быть столь страшным бичом. В Индии число заболеваний сократилось с 75 млн. в 1952г. до 100 тыс. в 1964г., в СССР с 35 млн. в 1956г. до 13 тыс. в 1966г. За то же время в Шри-Ланке малярийная “дань” понизилась с 12 тыс. жизней до нуля! Всемирная организация здоровья и Организация объединенных наций относят на счет этого чудодейственного препарата спасение около 50 млн. жизней, отнятых у одной только малярии. За свою работу доктор Пауль Мюллер был удостоен в 1948г. Нобелевской премии в области медицины.
7. Риск
К сожалению, история ДДТ на этом не кончается. В 1972г. Агентство по охране окружающей среды наложило запрет на использование ДДТ в США. Как удалось это сделать – особая история, и тоже история успеха, но на этот раз в борьбе за необходимость наблюдения за окружающей средой в ожидании появления побочного действия широко применяемых препаратов.
Уже в 1946г. ученые установили, что ДДТ накапливается в жировых тканях и остается там чрезвычайно долго. Животные и рыбы, так же как и человек, – это преимущественно водные системы. Транспорт и вывод веществ из организма осуществляется у них в водной среде. Но хлорсодержащие углеводороды типа ДДТ очень плохо растворяются в воде (порядка 2 млн. долей): они продолжительно растворяются и концентрируются в жировых тканях. Например, ДДТ легко переходит в жир материнского молока. Агентство должным образом отреагировало на эту тревожную информацию, установив предельно безопасную концентрацию ДДТ в коровьем молоке и других продуктах питания. Из осторожности сначала был принят нулевой уровень безопасности. Однако при “нулевом подходе” возникают свои проблемы. Образец молока можно признать безопасным, если ДДТ не обнаруживается в нем самыми чувствительными измерениями. Поэтому усовершенствования аналитических методов приводит к изменению смысла понятия безопасной концентрации. Нулевой предел всегда связывает уровень безопасности с методом обнаружения, а не с наиболее достоверной оценкой степени опасности. По этой и другим причинам нулевой предел оказался неудачным, и Агентство заменило его “приемлемым уровнем безопасности” в 0,05млн. доли.
С течением времени стало ясно, что попадание в окружающую среду, ДДТ разлагается там с большим трудом. Усовершенствованные методы обнаружения позволили установить, что через 10 лет исчезает лишь около 50% пестицида – вследствие разложения или уноса на другую территорию.
Наконец, накопились данные о концентрировании ДДТ по мере продвижения по лестнице потребления продуктов питания. После обработки вязов концентрация ДДТ в почве достигала 100 млн. долей, в земляных червях она составляла 140 млн. долей, а, в птицах, поедавших этих червей, превышала 400 млн. долей. Такая концентрация ДДТ оказалась явно пагубной для птиц, особенно более крупных, хищных птиц. По-видимому, ДДТ мешает их воспроизводству, вызывая опасное утоньшение яичной скорлупы. Некоторые виды птиц, например орлы и соколы-сапсаны, стали быстро исчезать, как только эта неприятность добавилась к другим посягательствам человека на их место обитание.
Максимальный уровень производства ДДТ только в США достигал 156 млн. фунтов (в 1959г.). С самого начала ДДТ так широко применялся во всем мире, что не один участок земли не остался незатронутым. Его обнаруживают в жировых тканях жителей отдаленных районов Аляски, пингвинов и тюленей Антарктиды. К тому же некоторые насекомые и вредители приобрели, устойчивость к ДДТ за продолжительное время его использования, а некоторые полезные насекомые в отдельных местностях были уничтожены этим препаратом.
8. Уравнение риск/выгода
История с ДДТ – наглядный пример сочетания риска и выгоды, Ясно, что сначала доминирует непосредственно ожидаемая выгода (в нашем случае – спасение человеческих жизней), и нет цены, которая могла бы ее превысить. Ожидаемое благо реализуется, но бдительное наблюдение обнаруживает повсеместные нарушения в окружающей среде, на которые невозможно закрыть глаза. И хотя ни одного случая заболевания человека нельзя было связать с действием ДДТ, ясно, что некоторые свойства препарата вступают в конфликт с нашим стремлением защитить окружающий мир: это необыкновенная стабильность ДДТ, его подвижность и сродство к системам живых организмов. С одной стороны, возникшие проблемы поставили преграду дальнейшему использованию ДДТ, а с другой, они же подсказали, какими свойствами должен обладать его заменитель. Такие заменители уже найдены – это инсектициды, биологическое действие которых гораздо более специфично, которые так же, как в ДДТ, не токсичны для человека, но разлагаются в природной среде за несколько дней или недель. ДДТ не только сохранил миллионы человеческих жизней, но и указал путь к наилучшему решению уравнения риск/выгода.
Заключение
Громче всего звучит вывод о трудности оценки степени риска. Парацельс утверждал, что ядовито все и что яд определяется лишь дозой. Но определить дозу необычайно сложно. Опыты на людях не возможны, а применимость результатов, полученных в экспериментах с животными, всегда вызывает сомнения. Эпидемиология указывает на сопутствование, но не вскрывает причинных связей.
Существует и множество субъективных факторов. Риск, которым кто-то еще пренебрегает, для кого-то уже оказывается не приемлемым. Еще хуже, когда риску подвергается одна группа людей, а выгоду получает другая. Наконец, все мы очень чувствительны к риску, которому приходится подвергаться не по своей воле.
Невзирая на эти порой обескураживающие трудности, сравнительные оценки риска и выгоды стали обычным делом при выработке бесчисленных решений, влияющих на нашу жизнь. Некоторые из них принимаются без нашего участия избранным нами правительством. Другие мы выбираем сами в кабинах для голосования. Но в любом случае эти решения должны основываться на принципах общего блага и общей воли. Чтобы достичь этой цели, необходимо повысить научную грамотность населения. Ясно, что начинать надо пораньше, со школьного возраста; научному образованию нужно уделять больше внимания.
Размещено на Allbest.ru
Экология — это наука об отношениях организмов между собой и с окружающей средой.
Главными загрязнителями окружающей среды являются теплоэлектростанции, цветная металлургия, транспорт. Например, ежегодно в атмосферу выбрасывается 100 млн. тонн серы (IV) оксида SO2. Более половины этого количества приходится на долю теплоэлектростанций, четверть — на долю цветной металлургии и лишь несколько процентов — на долю черной металлургии и основной химической промышленности. То же можно сказать о выбросах оксидов азота и углекислого газа, о твердых пылевые выбросы и канцерогенные микроэлементы.
С целью защиты окружающей среды в химической промышленности используют различные фильтры, которые снижают выброс вредных веществ в атмосферу.
Синтетические полимеры в отличие от естественных не разлагаются ферментами и остаются в природе. Когда их после использования сжигают, то тем самым лишь усугубляют загрязнения воздуха. Перед химиками стоит задача разработки способов утилизации синтетических материалов и создание новых полимеров, которые раскладывались в природе.
Очень остро стоит проблема рационального использования воды и недопустимости загрязнения водоемов. При этом учитывают, что пресная вода составляет только около 2,5% от общего количества воды на Земле. Кардинальное решение проблемы заключается в создании замкнутых (бессточных) технологических систем, когда использованная вода очищается и снова возвращается в производство.
Химия и экология
Введение.
Ежегодно, американцы вываливают миллионы тонн пластиков в окружающую среду, значительная часть этих отходов низвергается прямо в океан. Действительно, 9 млн. тонн твердых отходов промышленности США ежегодно уходит непосредственно в море. Одним только коммерческие суда выбрасывают за борт 6,6млн. тонн мусора в год. Этим мусором можно было бы завалить 440000 классных комнат.
Вопреки общему мнению пластиковые отходы, в конце концов, разрушаются, но происходит это медленно – иногда для этого требуется до 50 лет. За такое время может скопиться масса мусора. Особенно чувствительны к пластиковому мусору морские экосистемы: он не тонет, и обитатели морей по ошибке принимают его за медуз, яйца и другие лакомства или запутываются в нем, ведь 150000т. отходов – это выбрасываемые в океан рыболовные снасти. Дело принимает особенно неприятный оборот в арктических районах, где мусор только накапливается, но не разрушается – этому препятствует очень низкая температура.
Химики сделали значительный шаг в решении этой серьезной проблемы. Выход из бедственного положения был найден в создании пластиков с особой структурой. Пластики – это полимерные материалы, получаемые из продуктов переработки нефти. Они состоят из длинных цепей, построенных из повторяющихся молекулярных группировок. Химики нашли способ изменять полимерные молекулы так, чтобы их свойства больше соответствовали гигиене окружающей среды. Одним из них – химическое присоединение светочувствительных молекулярных групп к макромолекулярным цепям через правильные интервалы. Когда пластик, изготовленный из такого полимера, подвергается действию солнечного света, светочувствительные группы поглощают излучение, что приводит к расщеплению полимера в местах их присоединения. Остальное – дело природы. Образующиеся небольшие фрагменты легко подвергаются биоразложению. Другой способ подчинить свойства пластика требованиям гигиены природы – ввести в них молекулярные группировки, считающиеся деликатесом у некоторых микроорганизмов. Микроскопические чревоугодники берут в этом случае на себя труд расщепления длинных молекул на короткие кусочки. Находки такого рода, можно надеяться, приведут к тому, что проблема пластиковых отходов начнет постепенно отступать и, в конце концов, уйдет в прошлое.
Любое общество старается обеспечить себя достаточным количеством пропитания, жильем и здоровой окружающей средой. Когда эти элементарные требования выполнены, можно подумать и о комфорте. Сегодня наше стремление к увеличению количества товаров, энергии и большей обеспеченности средствами передвижения пришло в столкновение со стремлением сохранить здоровую окружающую среду. Нашей главной заботой стала защита окружающей среды в условиях роста численности населения, его продолжающегося концентрирования (урбанизации) и повышения жизненного стандарта.
Ухудшение состояния окружающей среды и, как следствие, угроза здоровью и состоянию экосистемы – явление не новое. Нарушения в окружающей среде, вызванные деятельностью человека, прослеживаются с древнейших времен. Проблема нечистот возникла одновременно с появлением городов. Задолго до двадцатого столетия лондонский воздух был загрязнен дымом очагов и каминов. Ранним проявлением проблем индустриальной гигиены была малая продолжительность жизни трубочистов из-за подверженности их раковым заболеваниям, что теперь мы можем объяснить длительным воздействием сажи, содержащей следы канцерогенов (многоядерных ароматических углеводородов).
Однако то, что загрязнение окружающей среды не есть новейшее изобретение, – слабое утешение. Проблемы загрязнения дают о себе знать все более явственно, и мы научились распознавать трудноуловимые взаимодействия в окружающем мире и обнаруживать вторичные эффекты, которые прежде оставались незамеченными. Некоторые нарушения окружающей среды принимают глобальный характер. Трагедия в Бхопале предельно ярко высвечивает существующую дилемму. Эта трагедия произошла в стране, страдающей от голода. Токсичные вещества применялись для производства продуктов питания, ежегодно спасавших многие тысячи людей от голодной смерти.
Однако следует заметить, что человечество по-настоящему озабочено важностью сохранения здоровой окружающей средой, и это обнадеживает. Громадное большинство граждан США всех политических направлений заявляют о готовности платить более высокие цены за продукты (такие, как не содержащий свинца бензин) и более высокие подоходные налоги ради оздоровления окружающей среды. Такие же тенденции наблюдаются и повсеместно – за пределами США.
Выработка эффективной стратегии защиты окружающей среды требует информированности и знаний. Мы должны уметь ответить на следующие вопросы:
Какие потенциально опасные вещества содержаться в воздухе, воде, почве и пище?
Чем вызвано их появление?
Как можно решить проблему – полностью или хотя бы отчасти (использование альтернативных продуктов, процессов)?
Как зависит степень опасности от длительности воздействия данного вещества? Как следует подходить к выбору одного из вариантов, обещающих положительный эффект?
Ясно, что на химиков ложиться главная ответственность за правильность ответов на три первых решающих вопроса. Чтобы определить, какие вещества присутствуют в окружающей среде, аналитики должны разрабатывать все более и более чувствительные и селективные методы. Обнаружение источников может потребовать проникновения в детали процессов, которые ведут от исходного загрязнения к конечным вредным или токсичным продуктам. Если для удовлетворения энергетических нужд приходится довольствоваться более низкосортным топливом, то какие катализаторы и какие новые процессы следует разработать, чтобы не усугубить проблемы кислотных дождей и канцерогенных выбросов работающих на угле электростанций.
Четвертый вопрос – о допустимой длительности воздействия вредного вещества – принадлежит компетенции медицины, токсикологии и эпидемиологии. Теперь, когда общество осознало, что существует обратная связь между степенью понижения риска и затратами на ее достижение, перед этими дисциплинами встают серьезные проблемы. Медики должны уточнить данные о степени риска, обусловленного присутствием, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах. Необходимо научиться взвешивать риск и издержки, связанные с присутствием этих соединений, положив на другую чашу весов блага, которые мы теряем, ограничивая их использование. И что более важно, мы не можем позволить себе роскошь стремиться любой ценой устранить вероятность риска вообще, поскольку по мере приближения уровня риска к нулю цена устремляется к бесконечности.
Наконец, выбор вариантов решения проблемы должен принадлежать обществу. Химики и специалисты в других областях, связанных с экологией, несут особую и весьма серьезную ответственность за информированность на самой квалифицированной и объективной научной экспертизе. Долг ученых – ознакомить общество, средства массовой информации и правительство с реальной картиной, причем на языке, свободном от профессионального жаргона. Ученые должны дать научное обоснование предлагаемого решения и указать, что нас ждет впереди.
От обнаружения к защите.
Все стратегии защиты окружающей среды должны основываться на знании действительных пороговых значений опасных концентраций и нашей способности обнаружить нежелательный компонент задолго до того, как его концентрация достигает такого значения. В ряде случаев обнаружение может быть эквивалентно защите.
К сожалению, средства информации, общество и правительственные учреждения слишком часто ставят знак равенства между обнаружением и опасностью. Такая реакция основана на общем заблуждении, что вещество, обладающее выраженной токсичностью при некоторой определенной концентрации, токсично всегда. Существует множество примеров, показывающих, что это не так. Вспомните моноксид углерода. Этот обычный компонент атмосферы становится опасным при концентрациях, превышающих 1000 млн. долей. Считается, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превышающих 10 млн. долей, отрицательно сказывается на здоровье. Тем не менее, мы не настаиваем на полном устранении СО из атмосферы! Это было бы глупо (да и невозможно!), поскольку мы живем – и не плохо – в среде, всегда содержащей легко обнаружимые количества СО, порядка 1 млн. доли.
Другой интересный пример – селен. Некоторые растения, растущие на относительно богатых селеном почвах, имеют тенденцию накапливать этот элемент в таких количествах, которые приводят к отравлению жвачных животных. К числу указанных растений относятся астрагал (Astragalus). Пшеница также может накапливать селен, и хотя на людях это сколько-нибудь заметно не сказывается, куры, которых кормили ею, дают ненормальное потомство. В то же время сейчас известно, что селен – жизненно важный компонент пищи крыс, цыплят и свиней. Более того, селен в определенных концентрациях является природным антиканцерогенном; он входит в состав глутатион-пероксидазы – фермента, разрушающего вредные гидропероксиды. В Китае в популяциях людей с низким содержанием селена в крови наблюдаются следующие отклонения от нормы: дети часто страдают множественным миокардитом (болезнь Кишана), высока смертность взрослых от рака, особенно распространен рак печени. Очевидно, что селен, является необходимым для человека и животных элементом при одних концентрациях и токсичным при других. Ежедневная норма потребления селена для взрослых, рекомендуемая Национальным советом по здравоохранению, составляет 50 – 100 мкг. Приведенный пример ясно показывает, что присутствие в окружающей среде следов вещества, которое может быть токсичным при высоких концентрациях, еще не свидетельствует об опасности.
Некоторые люди усиленно добиваются ориентированного на нулевой риск подхода к защите окружающей среды. Нулевой риск означает достижение абсолютной и полной гарантии от любой возможной опасности. В приведенном выше примере с моноксидом углерода – это полное, до последней молекулы, удаление его из атмосферы. Сейчас такое нереалистичное стремление к нулевому риску постепенно вытесняется менее примитивной философией, которая ставит действия, связанные с наличием риска, в зависимость от оценки его уровня. Что касается будущего, то наилучшим капиталовложением была бы организация долговременных изысканий в области фундаментальной науки об окружающей среде и работ по совершенствованию диагностических методов. Это позволило бы избежать необходимости прибегать к дорогостоящим аварийным программам.
Повышение эффективности измерений, проводимых в окружающей среде, требует более совершенных инструментов. Проблема состоит в том, чтобы определять следы искомого соединения в сложной смеси, содержащей много безвредных веществ. Одним из примеров успеха, достигнутого в повышении селективности аналитических методов, может служить разработка методов разделения и количественного определения каждого из 22 изомеров тетрахлордиоксина в концентрациях порядка триллионных долей (т.е. 1:1012)!
Легко реагирующие соединения, присутствующие в атмосфере, нельзя доставить для анализа в лабораторию. Это порождает специфические сложности, связанные с необходимостью дистанционного обнаружения и определения содержания таких соединений в местах их образования. Примером успехов, достигнутых в этой области исследований, может служить измерение концентраций формальдегида и азотной кислоты в смоге над Лос-Анджелесом методом инфракрасной спектроскопии, позволившим регистрировать поглощение излучения на расстоянии одного километра. Благодаря этим экспериментам удалось установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при их одновременном присутствии в воздухе на уровне миллиардных долей.
Все более важным становится выяснение химического состояния компонентов окружающей среды, поскольку, как это теперь известно, и токсичность, и легкость перемещения существенно зависят от того, в какой химической форме находится данный загрязнитель. Испытания, проведенные на животных, показали, что один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее самого токсичного из всех остальных. Эти примеры говорят о важности аналитических методов, которые позволяют не только установить концентрацию потенциального загрязнителя, но и идентифицировать химическую форму, в которой он присутствует. К числу мощных средств, используемых для решения этой проблемы, относятся электрохимия, хроматография и масс-спектрометрия.
Борьба с кислотными дождями.
Кислотные дожди – одна из самых очевидных проблем загрязнения воздуха, стоящих перед нами. Кислые вещества и соединения, которые служат их источником, образуются при сжигании минеральных топлив в энергетических установках и на транспорте. Это главным образом кислоты – производные оксидов серы и азота. Существует ряд природных источников таких соединений: они образуются во время грозы или извержения вулкана, в результате жизнедеятельности бактерий, однако, исключая нечастые извержения, вклад этих источников невелик. Основными “поставщиками” оксидов углерода и азота являются автомобильный транспорт, электростанции и всякого рода плавильные печи.
Влияние кислотных дождей наиболее ощутимо и известно широкой публике в Европе и на северо-востоке США, но зоны риска включают также Канаду и, возможно, калифорнийскую Сьерру, Скалистые горы и Китай. В некоторых местах наблюдалось выпадение осадков, приближающихся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных дождей продолжают оставаться предметом дискуссий. Первоначально внимание фокусировалось на вреде, приносимом озерным и речным экосистемам, однако в дальнейшем стали учитываться и такие дорогостоящие последствия, как порча зданий, мостов и оборудования. Труднее всего количественно оценить влияние загрязненного воздуха на здоровье человекам.
Наибольший урон наносится озерам, в которых вода обладает слабыми буферными свойствами. В присутствии природных щелочных буферов кислые соединения, приносимые дождем (большей частью серная и азотная кислоты, в меньших количествах органические кислоты), нейтрализуются. Однако озера, лежащие на гранитных (кислых) породах, весьма подвержены действию попадающих в них кислот, способных переводить в раствор ионы таких металлов, как алюминий и марганец, что может повлечь подавление роста растений и водорослей, а в некоторых озерах – сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Значительный ущерб наносят кислотные дожди и растительности, причем проявление их влияния может быть самым различным – от дефолиации до разрушения тонкой корневой системы.
В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержанием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязнителей, – это установка химических газоочистителей – устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, – это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.
Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосферные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.
Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вернуться на землю за сотни миль вниз по ветру.
Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N02, а иногда и азотной кислоты, HNO3, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота – источников их поступления и мест выведения – содержат еще много неясного.
Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмосферы затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первостепенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, – вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие.
Защита от климатических катастроф: парниковый эффект.
В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнечную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогнозами говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопоставим с эффектом накопления диоксида углерода.
Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут последствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль метана, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом свести на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, – все это должно быть изучено и понято.
Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затемнить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в воздухе и влияния сажи на радиационный баланс.
В отличие от загрязнений местного характера проблемы глобальных загрязнителей создают тупиковые ситуации, поскольку их решение требует действий во всемирном масштабе, а граждане разных стран по-разному относятся к их приоритетности. В прошлом предпочтение, отдаваемое ископаемым или ядерным топливам, диктовалось в первую очередь экономическими факторами, например наличием богатых запасов угля. Однако усиление глобальной угрозы окружающей среде, в частности в результате накопления углекислоты в атмосфере, которое ускоряется сжиганием угля, может вынудить нас пересмотреть плюсы и минусы ядерной энергетики. На приобретение фундаментальных знаний, необходимых для разумного выбора, требуются годы. Мы должны строить этот фундамент, чтобы быть в состоянии взвешенно оценить реальную угрозу накопления углекислоты в атмосфере в свете имеющихся альтернатив. Эта оценка должна учитывать проблемы защиты окружающей среды и проблему отходов ядерной энергетики.
Оценка риска.
Существует два вида токсичности. Один химический препарат может вызывать заболевание вскоре после своего воздействия – это острая токсичность. Другой препарат может оказывать нежелательное воздействие значительно позже, после продолжительного его использования – это хроническая токсичность. Например, остро токсичный газ фосген, Cl2CO, может случайно образоваться, если загорание электросети тушат огнетушителем с тетрахлоридом углерода. В концентрации 5 млн. долей фосген уже через несколько минут вызывает раздражение глаз, а концентрации выше 50 млн. долей могут оказаться смертельными. Напротив, бензол, С6Н6, обладает хронической токсичностью. Вдыхание паров бензола той же концентрации, 50 млн. долей, не дает немедленного эффекта, но при длительном (в течение многих месяцев или лет) ежедневном воздействии бензола может вызвать понижение числа красных кровяных телец (гемоглобина) и лейкоцитов в крови.
К сожалению, получить детальную информацию о токсичности нелегко. Наиболее точный способ – суровый способ – это подвергнуть достаточное число людей воздействию данного препарата, чтобы продемонстрировать его безопасность или установить дозу, при которой начинает обнаруживаться токсичность. Ясно, что сведения о хронической токсичности добыть труднее всего. Чтобы можно было извлечь из наблюдений необходимую статистическую информацию, воздействию исследуемого вещества должны быть подвергнуты в течение достаточно длительного времени очень большая группа людей. Проблемы такого рода принадлежат компетенции эпидемиологии.
Что такое эпидемиология.
Исторически эпидемиология развивалась как наука об эпидемиях, т.е. быстро распространяющихся заболеваниях. Однако сегодня эпидемиология используется и как статистический аппарат для обнаружения острой или хронической токсичности даже при весьма слабом воздействии на здоровье. Например, винилхлорид, СН2СНСl, известен как канцероген. Основанием для такого заключения послужило то, что, согласно статистическим данным, очень редкая форма рака печени, ангиосаркома, наблюдается главным образом у небольшого числа рабочих, которые продолжительное время подвергались воздействию высоких концентраций (сотни млн. долей) этого соединения. В этом случае удалось получить достоверное эпидемиологическое заключение относительно токсичности данного соединения и его весьма незначительной опасности для обычной публики.
Что является причиной чего?
К сожалению, результаты наблюдений можно неверно интерпретировать даже при наличии достаточного количества статистических данных. Так, статистические данные показывают, что рак толстой кишки гораздо более распространен в США, чем в Индии, и что американцы потребляют больше молочных продуктов, чем индийцы. Прежде чем сделать вывод, что молочные продукты вызывают рак, следует, однако, вспомнить, что рак толстой кишки распространен у пожилых людей и что средняя продолжительность жизни американцев гораздо выше, чем у жителей Индии. Таким образом, можно прийти и к противоположному выводу: потребление молочных продуктов позволяет прожить достаточно долго, чтобы начал проявляться (от других причин) рак толстой кишки. Эпидемиология может установить, что одно сопутствует другому, но это не обязательно означает причинную связь между двумя явлениями. Эпидемиологи шутят, что снижение скорости роста населения в Западной Европе в 20 веке примерно соответствует скорости уменьшения в этом регионе популяции аистов, лишь немногие сделают отсюда вывод, что рождаемость уменьшилась потому, что для доставки детей не хватает аистов.
История с ДДТ.
Все началось в 1939г., когда швейцарский химик Пауль Мюллер в ходе систематических поисков новых инсектицидов синтезировал дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Вначале на ДДТ смотрели, как на чудо: он исключительно эффективно действует на самых разнообразных насекомых-вредителей и в отличие от широко использовавшихся в то время соединений свинца и мышьяка не проявляет острой токсичности по отношению к людям.
Выгоды.
США впервые широко применили ДДТ в 1944г. во время второй мировой войны в борьбе с распространившейся эпидемией тифа в воинских частях и среди гражданского населения в Италии. Тиф переносится нательными вшами, и чтобы уничтожить этих насекомых, тысячи людей были щедро, с ног до головы, осыпаны ДДТ. Эпидемия была остановлена, что предотвратило потери человеческих жизней, которые могли стать опустошительными.
После столь внушительного успеха решено было прибегнуть к ДДТ в борьбе с Anopheles – комаром-распространителем малярии. До использования ДДТ малярия уносила от 2 до 3 млн. жизней ежегодно, число же страдающих этой тяжелой болезнью было еще больше. В результате 10-летнего применения ДДДТ в ряде стран малярия перестала быть столь страшным бичом. В Индии число заболеваний сократилось с 75 млн. в 1952г. до 100 тыс. в 1964г., в СССР с 35 млн. в 1956г. до 13 тыс. в 1966г. За то же время в Шри-Ланке малярийная “дань” понизилась с 12 тыс. жизней до нуля! Всемирная организация здоровья и Организация объединенных наций относят на счет этого чудодейственного препарата спасение около 50 млн. жизней, отнятых у одной только малярии. За свою работу доктор Пауль Мюллер был удостоен в 1948г. Нобелевской премии в области медицины.
Риск.
К сожалению, история ДДТ на этом не кончается. В 1972г. Агентство по охране окружающей среды наложило запрет на использование ДДТ в США. Как удалось это сделать – особая история, и тоже история успеха, но на этот раз в борьбе за необходимость наблюдения за окружающей средой в ожидании появления побочного действия широко применяемых препаратов.
Уже в 1946г. ученые установили, что ДДТ накапливается в жировых тканях и остается там чрезвычайно долго. Животные и рыбы, так же как и человек, – это преимущественно водные системы. Транспорт и вывод веществ из организма осуществляется у них в водной среде. Но хлорсодержащие углеводороды типа ДДТ очень плохо растворяются в воде (порядка 2 млн. долей): они продолжительно растворяются и концентрируются в жировых тканях. Например, ДДТ легко переходит в жир материнского молока. Агентство должным образом отреагировало на эту тревожную информацию, установив предельно безопасную концентрацию ДДТ в коровьем молоке и других продуктах питания. Из осторожности сначала был принят нулевой уровень безопасности. Однако при “нулевом подходе” возникают свои проблемы. Образец молока можно признать безопасным, если ДДТ не обнаруживается в нем самыми чувствительными измерениями. Поэтому усовершенствования аналитических методов приводит к изменению смысла понятия безопасной концентрации. Нулевой предел всегда связывает уровень безопасности с методом обнаружения, а не с наиболее достоверной оценкой степени опасности. По этой и другим причинам нулевой предел оказался неудачным, и Агентство заменило его “приемлемым уровнем безопасности” в 0,05млн. доли.
С течением времени стало ясно, что попадание в окружающую среду, ДДТ разлагается там с большим трудом. Усовершенствованные методы обнаружения позволили установить, что через 10 лет исчезает лишь около 50% пестицида – вследствие разложения или уноса на другую территорию.
Наконец, накопились данные о концентрировании ДДТ по мере продвижения по лестнице потребления продуктов питания. После обработки вязов концентрация ДДТ в почве достигала 100 млн. долей, в земляных червях она составляла 140 млн. долей, а, в птицах, поедавших этих червей, превышала 400 млн. долей. Такая концентрация ДДТ оказалась явно пагубной для птиц, особенно более крупных, хищных птиц. По-видимому, ДДТ мешает их воспроизводству, вызывая опасное утоньшение яичной скорлупы. Некоторые виды птиц, например орлы и соколы-сапсаны, стали быстро исчезать, как только эта неприятность добавилась к другим посягательствам человека на их место обитание.
Максимальный уровень производства ДДТ только в США достигал 156 млн. фунтов (в 1959г.). С самого начала ДДТ так широко применялся во всем мире, что не один участок земли не остался незатронутым. Его обнаруживают в жировых тканях жителей отдаленных районов Аляски, пингвинов и тюленей Антарктиды. К тому же некоторые насекомые и вредители приобрели, устойчивость к ДДТ за продолжительное время его использования, а некоторые полезные насекомые в отдельных местностях были уничтожены этим препаратом.
Уравнение риск/выгода.
История с ДДТ – наглядный пример сочетания риска и выгоды, Ясно, что сначала доминирует непосредственно ожидаемая выгода (в нашем случае – спасение человеческих жизней), и нет цены, которая могла бы ее превысить. Ожидаемое благо реализуется, но бдительное наблюдение обнаруживает повсеместные нарушения в окружающей среде, на которые невозможно закрыть глаза. И хотя ни одного случая заболевания человека нельзя было связать с действием ДДТ, ясно, что некоторые свойства препарата вступают в конфликт с нашим стремлением защитить окружающий мир: это необыкновенная стабильность ДДТ, его подвижность и сродство к системам живых организмов. С одной стороны, возникшие проблемы поставили преграду дальнейшему использованию ДДТ, а с другой, они же подсказали, какими свойствами должен обладать его заменитель. Такие заменители уже найдены – это инсектициды, биологическое действие которых гораздо более специфично, которые так же, как в ДДТ, не токсичны для человека, но разлагаются в природной среде за несколько дней или недель. ДДТ не только сохранил миллионы человеческих жизней, но и указал путь к наилучшему решению уравнения риск/выгода.
Заключение.
Громче всего звучит вывод о трудности оценки степени риска. Парацельс утверждал, что ядовито все и что яд определяется лишь дозой. Но определить дозу необычайно сложно. Опыты на людях не возможны, а применимость результатов, полученных в экспериментах с животными, всегда вызывает сомнения. Эпидемиология указывает на сопутствование, но не вскрывает причинных связей.
Существует и множество субъективных факторов. Риск, которым кто-то еще пренебрегает, для кого-то уже оказывается не приемлемым. Еще хуже, когда риску подвергается одна группа людей, а выгоду получает другая. Наконец, все мы очень чувствительны к риску, которому приходится подвергаться не по своей воле.
Невзирая на эти порой обескураживающие трудности, сравнительные оценки риска и выгоды стали обычным делом при выработке бесчисленных решений, влияющих на нашу жизнь. Некоторые из них принимаются без нашего участия избранным нами правительством. Другие мы выбираем сами в кабинах для голосования. Но в любом случае эти решения должны основываться на принципах общего блага и общей воли. Чтобы достичь этой цели, необходимо повысить научную грамотность населения. Ясно, что начинать надо пораньше, со школьного возраста; научному образованию нужно уделять больше внимания.
ВСТУПЛЕНИЕ
§
3. Химия и экология
Бурное развитие промышленности, в
том числе химической, создал серьезную проблему: необходимость уменьшить ее
негативное воздействие на окружающую среду.
Это влияние проявляется в глобальных
масштабах. Среда заселения человека загрязняется вредными отходами
производства, выделяется избыточная энергия, истощаются природные ресурсы.
Негативными последствиями этих процессов является загрязнение воды и атмосферы, изменение
климата в отдельных регионах Земли, уменьшение площадей пахотных земель (за
загрязнения, эрозии, образованию пустынь), вымирание многих видов животных и
растений, ухудшение здоровья людей.
Наука, изучающая взаимоотношения
человечества с окружающей средой, получила название экология. Экология тесно связана
с химией. С одной стороны, химическое воздействие на окружающую среду причиняет ему значительный Ущерб,
но с другой стороны, предотвратить деградацию природы можно путем использования
химических методов.
Химия и химическая промышленность
одним из существенных источников загрязнения окружающей среды. Другими самыми неблагоприятными
относительно экологического состояния производствами являются черная и цветная металлургия,
автомобильный транспорт и энергетика (главным образом, тепловые станции).
Какие основные источники загрязнения
среды заселения человека? Прежде всего следует отметить, что они могут быть
газуватими, жидкими и твердыми. Газуваті отходы производства образуются под
время сгорания топлива, выплавки металлов и других процессов. Значительные выбросы
вредных газов от автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Газуваті
отходы содержат оксид карбона(ИV)
СО2, оксид углерода(II) СО, оксид серы(ИV) SO2, оксиды азота и другие вредные
вещества. В состав газовых выбросов может входить пыль, содержащая карбон в
виде сажи, и другие компоненты. Во время сжигания топлива викорисовується
кислород из атмосферы, что также неблагоприятно действует на людей, особенно в тех
местностях, где мало растений, вырабатывающих кислород.
Другой источник загрязнения окружающей среды –
промышленные и бытовые сточные воды. Много производств требует большого
количества воды для промывки, охлаждения и других целей. После использования
вода сбрасывается в водоемы. Сточные воды могут содержать много неорганических
веществ, в том числе ионы таких металлов, как хром, цинк, кадмий, купрум,
никол, хром и другие. Не менее безопасна наличие в сточных водах различных
органических соединений. Химические вещества, содержащиеся в воде, попадают в реки,
озер и морей, проникают в грунтовые воды, выносятся на поля. В результате эти
вредные вещества появляются в питьевой воде и пище человека и животных, могут
вызвать глубокие генетические изменения в организме, привести к отравлению и даже
смерти.
Если сточные воды содержат безвредные
на первый взгляд примеси, например хлорид натрия или сульфат натрия, то они
могут причинить вред окружающей среде, вызывая засорение водоемов
или почвы.
Наконец, третий источник загрязнения –
твердые отходы. К ним относятся различные отходы, которые невозможно переработать, пустая
порода – отходы горнодобывающей промышленности, строительный и бытовой мусор
т.д.
Для решения проблем охраны
окружающей среды необходимо осуществить комплекс мер, многие из которых решаются по
помощью химических, физико-химических, физических или биохимических методов.
Важнейшие направления работ, проводимых с целью снижения негативного воздействия
производственной деятельности, такие.
1. Разработка и создание
малоотходных и полностью безотходных технологий. Это – привлекательное, но и
важковиконуване задачи. Для его успешного решения необходимо проводить
полную очистку всех выбросов, утилизировать и возвращать обратно в производство все
отходы и побочные продукты.
2. Разработка технологий, за которыми
экономно расходуются сырье, топливо, энергетические ресурсы. Экономические
технологии существенно снижают нагрузку на окружающую среду.
3. Создание производственных процессов, в
которых не используются вредные химические вещества, а также не образуются такие
вещества, как побочные продукты. Там, где это невозможно, надо искать пути замены
более вредных веществ на менее вредные.
4. Разработка систем очистки газов и
сточных вод, выбрасываемых. Такие системы есть на большинстве предприятий, но их
эффективность часто не очень большая.
5. Разработка технологий переработки
твердых отходов. Эти отходы часто являются ценным сырьем, содержащим отходы
пластмасс, металлов, стекла, бумаги и других материалов. Много твердых отходов
или побочных продуктов является источником сырья для производства строительных
материалов.
Охрана окружающей среды –
глобальная проблема, что охватывает интересы всего мира, поскольку невозможно даже
в большой стране локализовать вредные последствия развития производства. Поэтому в
наше время в области экологии развивается международное сотрудничество, много
проблем решается совместными усилиями многих государств.
Как химия
влияет на окружающую среду или химическое загрязнение среды промышленностью
Введение.
Последствие
аварии на нефтепроводе. 1996 г.
На всех стадиях
своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как
появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в
природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее
и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход
невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из
экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше
вмешиваться в хозяйство биосферы – той части нашей планеты, в которой
существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему
антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее
существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на
планете.
Наиболее
масштабным и значительным является химическое загрязнение окружающей среды
несвойственными ей веществами химической природы. Среди них – газообразные и
аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и
накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса
будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой
температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся
загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его
общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать
существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не
вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее
повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные
факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное
влияние на процессы, происходящие в биосфере.
Химическое
загрязнение биосферы.
Человек
загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня,
которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось
мириться с тем, что дым мешал дыханию, и что сажа ложилась черным покровом на
потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый
воздух и незаконченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не
представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая
неизмерно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное
сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в
классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями.
Так было вплоть
до начала девятнадцатого века. Лишь за последние сто лет развитие промышленности
“одарило” нас такими производственными процессами, последствия
которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли
города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великих
изобретений и завоеваний человека.
В основном существуют
три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые
котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении
воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что
наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники
загрязнений – теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух
сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной
металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор,
фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка;
химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате
сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта,
сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители
разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные,
являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу
сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами
воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с
аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате
химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими
веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки.
Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые
электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки,
потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.
Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:
Оксид углерода.
Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в
результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами
промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее
1250 млн. т. Оксид углерода является соединение, активно реагирующим с
составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и
созданию парникового эффекта.
Сернистый
ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или
переработки сернистых руд (до 170 млн. т в год). Часть соединений серы
выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в
США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65
% от общемирового выброса.
Серный
ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом
реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который
подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение
аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается
при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений,
произрастающих на расстоянии менее 11 км от таких предприятий, обычно бывают
густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания
капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной
металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов
тонн серного ангидрида.
Сероводород и
сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями
серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного
волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.
В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному
окислению до серного ангидрида.
Оксиды азота.
Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные
удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения,
вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу,
составляет 20 млн. т в год.
Соединения
фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия,
эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества
поступают в атмосферу в виде газообразных соединений – фтороводорода или пыли
фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом.
Производные фтора являются сильными инсектицидами.
Соединения
хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную
кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт,
хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и
паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их
концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при
переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых
металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т предельного чугуна выделяется
кроме 12,7 кг сернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц, определяющих количество
соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов,
смоляных веществ и цианистого водорода.
Аэрозольное
загрязнение атмосферы. Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящиеся
во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев
особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В
атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или
дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии
твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер
аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает
около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое
количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности
людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены в таблице 1:
Таблица 1
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС
Химия и экология
Введение.
Ежегодно, американцы вываливают миллионы тонн пластиков в окружающую среду, значительная часть этих отходов низвергается прямо в океан. Действительно, 9 млн. тонн твердых отходов промышленности США ежегодно уходит непосредственно в море. Одним только коммерческие суда выбрасывают за борт 6,6млн. тонн мусора в год. Этим мусором можно было бы завалить 440000 классных комнат.
Вопреки общему мнению пластиковые отходы, в конце концов, разрушаются, но происходит это медленно – иногда для этого требуется до 50 лет. За такое время может скопиться масса мусора. Особенно чувствительны к пластиковому мусору морские экосистемы: он не тонет, и обитатели морей по ошибке принимают его за медуз, яйца и другие лакомства или запутываются в нем, ведь 150000т. отходов – это выбрасываемые в океан рыболовные снасти. Дело принимает особенно неприятный оборот в арктических районах, где мусор только накапливается, но не разрушается – этому препятствует очень низкая температура.
Химики сделали значительный шаг в решении этой серьезной проблемы. Выход из бедственного положения был найден в создании пластиков с особой структурой. Пластики – это полимерные материалы, получаемые из продуктов переработки нефти. Они состоят из длинных цепей, построенных из повторяющихся молекулярных группировок. Химики нашли способ изменять полимерные молекулы так, чтобы их свойства больше соответствовали гигиене окружающей среды. Одним из них – химическое присоединение светочувствительных молекулярных групп к макромолекулярным цепям через правильные интервалы. Когда пластик, изготовленный из такого полимера, подвергается действию солнечного света, светочувствительные группы поглощают излучение, что приводит к расщеплению полимера в местах их присоединения. Остальное – дело природы. Образующиеся небольшие фрагменты легко подвергаются биоразложению. Другой способ подчинить свойства пластика требованиям гигиены природы – ввести в них молекулярные группировки, считающиеся деликатесом у некоторых микроорганизмов. Микроскопические чревоугодники берут в этом случае на себя труд расщепления длинных молекул на короткие кусочки. Находки такого рода, можно надеяться, приведут к тому, что проблема пластиковых отходов начнет постепенно отступать и, в конце концов, уйдет в прошлое.
Любое общество старается обеспечить себя достаточным количеством пропитания, жильем и здоровой окружающей средой. Когда эти элементарные требования выполнены, можно подумать и о комфорте. Сегодня наше стремление к увеличению количества товаров, энергии и большей обеспеченности средствами передвижения пришло в столкновение со стремлением сохранить здоровую окружающую среду. Нашей главной заботой стала защита окружающей среды в условиях роста численности населения, его продолжающегося концентрирования (урбанизации) и повышения жизненного стандарта.
Ухудшение состояния окружающей среды и, как следствие, угроза здоровью и состоянию экосистемы – явление не новое. Нарушения в окружающей среде, вызванные деятельностью человека, прослеживаются с древнейших времен. Проблема нечистот возникла одновременно с появлением городов. Задолго до двадцатого столетия лондонский воздух был загрязнен дымом очагов и каминов. Ранним проявлением проблем индустриальной гигиены была малая продолжительность жизни трубочистов из-за подверженности их раковым заболеваниям, что теперь мы можем объяснить длительным воздействием сажи, содержащей следы канцерогенов (многоядерных ароматических углеводородов).
Однако то, что загрязнение окружающей среды не есть новейшее изобретение, – слабое утешение. Проблемы загрязнения дают о себе знать все более явственно, и мы научились распознавать трудноуловимые взаимодействия в окружающем мире и обнаруживать вторичные эффекты, которые прежде оставались незамеченными. Некоторые нарушения окружающей среды принимают глобальный характер. Трагедия в Бхопале предельно ярко высвечивает существующую дилемму. Эта трагедия произошла в стране, страдающей от голода. Токсичные вещества применялись для производства продуктов питания, ежегодно спасавших многие тысячи людей от голодной смерти.
Однако следует заметить, что человечество по-настоящему озабочено важностью сохранения здоровой окружающей средой, и это обнадеживает. Громадное большинство граждан США всех политических направлений заявляют о готовности платить более высокие цены за продукты (такие, как не содержащий свинца бензин) и более высокие подоходные налоги ради оздоровления окружающей среды. Такие же тенденции наблюдаются и повсеместно – за пределами США.
Выработка эффективной стратегии защиты окружающей среды требует информированности и знаний. Мы должны уметь ответить на следующие вопросы:
Какие потенциально опасные вещества содержаться в воздухе, воде, почве и пище?
Чем вызвано их появление?
Как можно решить проблему – полностью или хотя бы отчасти (использование альтернативных продуктов, процессов)?
Как зависит степень опасности от длительности воздействия данного вещества? Как следует подходить к выбору одного из вариантов, обещающих положительный эффект?
Ясно, что на химиков ложиться главная ответственность за правильность ответов на три первых решающих вопроса. Чтобы определить, какие вещества присутствуют в окружающей среде, аналитики должны разрабатывать все более и более чувствительные и селективные методы. Обнаружение источников может потребовать проникновения в детали процессов, которые ведут от исходного загрязнения к конечным вредным или токсичным продуктам. Если для удовлетворения энергетических нужд приходится довольствоваться более низкосортным топливом, то какие катализаторы и какие новые процессы следует разработать, чтобы не усугубить проблемы кислотных дождей и канцерогенных выбросов работающих на угле электростанций.
Четвертый вопрос – о допустимой длительности воздействия вредного вещества – принадлежит компетенции медицины, токсикологии и эпидемиологии. Теперь, когда общество осознало, что существует обратная связь между степенью понижения риска и затратами на ее достижение, перед этими дисциплинами встают серьезные проблемы. Медики должны уточнить данные о степени риска, обусловленного присутствием, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах. Необходимо научиться взвешивать риск и издержки, связанные с присутствием этих соединений, положив на другую чашу весов блага, которые мы теряем, ограничивая их использование. И что более важно, мы не можем позволить себе роскошь стремиться любой ценой устранить вероятность риска вообще, поскольку по мере приближения уровня риска к нулю цена устремляется к бесконечности.
Наконец, выбор вариантов решения проблемы должен принадлежать обществу. Химики и специалисты в других областях, связанных с экологией, несут особую и весьма серьезную ответственность за информированность на самой квалифицированной и объективной научной экспертизе. Долг ученых – ознакомить общество, средства массовой информации и правительство с реальной картиной, причем на языке, свободном от профессионального жаргона. Ученые должны дать научное обоснование предлагаемого решения и указать, что нас ждет впереди.
От обнаружения к защите.
Все стратегии защиты окружающей среды должны основываться на знании действительных пороговых значений опасных концентраций и нашей способности обнаружить нежелательный компонент задолго до того, как его концентрация достигает такого значения. В ряде случаев обнаружение может быть эквивалентно защите.
К сожалению, средства информации, общество и правительственные учреждения слишком часто ставят знак равенства между обнаружением и опасностью. Такая реакция основана на общем заблуждении, что вещество, обладающее выраженной токсичностью при некоторой определенной концентрации, токсично всегда. Существует множество примеров, показывающих, что это не так. Вспомните моноксид углерода. Этот обычный компонент атмосферы становится опасным при концентрациях, превышающих 1000 млн. долей. Считается, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превышающих 10 млн. долей, отрицательно сказывается на здоровье. Тем не менее, мы не настаиваем на полном устранении СО из атмосферы! Это было бы глупо (да и невозможно!), поскольку мы живем – и не плохо – в среде, всегда содержащей легко обнаружимые количества СО, порядка 1 млн. доли.
Другой интересный пример – селен. Некоторые растения, растущие на относительно богатых селеном почвах, имеют тенденцию накапливать этот элемент в таких количествах, которые приводят к отравлению жвачных животных. К числу указанных растений относятся астрагал (Astragalus). Пшеница также может накапливать селен, и хотя на людях это сколько-нибудь заметно не сказывается, куры, которых кормили ею, дают ненормальное потомство. В то же время сейчас известно, что селен – жизненно важный компонент пищи крыс, цыплят и свиней. Более того, селен в определенных концентрациях является природным антиканцерогенном; он входит в состав глутатион-пероксидазы – фермента, разрушающего вредные гидропероксиды. В Китае в популяциях людей с низким содержанием селена в крови наблюдаются следующие отклонения от нормы: дети часто страдают множественным миокардитом (болезнь Кишана), высока смертность взрослых от рака, особенно распространен рак печени. Очевидно, что селен, является необходимым для человека и животных элементом при одних концентрациях и токсичным при других. Ежедневная норма потребления селена для взрослых, рекомендуемая Национальным советом по здравоохранению, составляет 50 – 100 мкг. Приведенный пример ясно показывает, что присутствие в окружающей среде следов вещества, которое может быть токсичным при высоких концентрациях, еще не свидетельствует об опасности.
Некоторые люди усиленно добиваются ориентированного на нулевой риск подхода к защите окружающей среды. Нулевой риск означает достижение абсолютной и полной гарантии от любой возможной опасности. В приведенном выше примере с моноксидом углерода – это полное, до последней молекулы, удаление его из атмосферы. Сейчас такое нереалистичное стремление к нулевому риску постепенно вытесняется менее примитивной философией, которая ставит действия, связанные с наличием риска, в зависимость от оценки его уровня. Что касается будущего, то наилучшим капиталовложением была бы организация долговременных изысканий в области фундаментальной науки об окружающей среде и работ по совершенствованию диагностических методов. Это позволило бы избежать необходимости прибегать к дорогостоящим аварийным программам.
Повышение эффективности измерений, проводимых в окружающей среде, требует более совершенных инструментов. Проблема состоит в том, чтобы определять следы искомого соединения в сложной смеси, содержащей много безвредных веществ. Одним из примеров успеха, достигнутого в повышении селективности аналитических методов, может служить разработка методов разделения и количественного определения каждого из 22 изомеров тетрахлордиоксина в концентрациях порядка триллионных долей (т.е. 1:1012)!
Легко реагирующие соединения, присутствующие в атмосфере, нельзя доставить для анализа в лабораторию. Это порождает специфические сложности, связанные с необходимостью дистанционного обнаружения и определения содержания таких соединений в местах их образования. Примером успехов, достигнутых в этой области исследований, может служить измерение концентраций формальдегида и азотной кислоты в смоге над Лос-Анджелесом методом инфракрасной спектроскопии, позволившим регистрировать поглощение излучения на расстоянии одного километра. Благодаря этим экспериментам удалось установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при их одновременном присутствии в воздухе на уровне миллиардных долей.
Все более важным становится выяснение химического состояния компонентов окружающей среды, поскольку, как это теперь известно, и токсичность, и легкость перемещения существенно зависят от того, в какой химической форме находится данный загрязнитель. Испытания, проведенные на животных, показали, что один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее самого токсичного из всех остальных. Эти примеры говорят о важности аналитических методов, которые позволяют не только установить концентрацию потенциального загрязнителя, но и идентифицировать химическую форму, в которой он присутствует. К числу мощных средств, используемых для решения этой проблемы, относятся электрохимия, хроматография и масс-спектрометрия.
Борьба с кислотными дождями.
Кислотные дожди – одна из самых очевидных проблем загрязнения воздуха, стоящих перед нами. Кислые вещества и соединения, которые служат их источником, образуются при сжигании минеральных топлив в энергетических установках и на транспорте. Это главным образом кислоты – производные оксидов серы и азота. Существует ряд природных источников таких соединений: они образуются во время грозы или извержения вулкана, в результате жизнедеятельности бактерий, однако, исключая нечастые извержения, вклад этих источников невелик. Основными “поставщиками” оксидов углерода и азота являются автомобильный транспорт, электростанции и всякого рода плавильные печи.
Влияние кислотных дождей наиболее ощутимо и известно широкой публике в Европе и на северо-востоке США, но зоны риска включают также Канаду и, возможно, калифорнийскую Сьерру, Скалистые горы и Китай. В некоторых местах наблюдалось выпадение осадков, приближающихся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных дождей продолжают оставаться предметом дискуссий. Первоначально внимание фокусировалось на вреде, приносимом озерным и речным экосистемам, однако в дальнейшем стали учитываться и такие дорогостоящие последствия, как порча зданий, мостов и оборудования. Труднее всего количественно оценить влияние загрязненного воздуха на здоровье человекам.
Наибольший урон наносится озерам, в которых вода обладает слабыми буферными свойствами. В присутствии природных щелочных буферов кислые соединения, приносимые дождем (большей частью серная и азотная кислоты, в меньших количествах органические кислоты), нейтрализуются. Однако озера, лежащие на гранитных (кислых) породах, весьма подвержены действию попадающих в них кислот, способных переводить в раствор ионы таких металлов, как алюминий и марганец, что может повлечь подавление роста растений и водорослей, а в некоторых озерах – сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Значительный ущерб наносят кислотные дожди и растительности, причем проявление их влияния может быть самым различным – от дефолиации до разрушения тонкой корневой системы.
В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержанием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязнителей, – это установка химических газоочистителей – устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, – это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.
Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосферные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.
Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вернуться на землю за сотни миль вниз по ветру.
Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N02, а иногда и азотной кислоты, HNO3, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота – источников их поступления и мест выведения – содержат еще много неясного.
Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмосферы затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первостепенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, – вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие.
Защита от климатических катастроф: парниковый эффект.
В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнечную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогнозами говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопоставим с эффектом накопления диоксида углерода.
Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут последствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль метана, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом свести на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, – все это должно быть изучено и понято.
Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затемнить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в воздухе и влияния сажи на радиационный баланс.
В отличие от загрязнений местного характера проблемы глобальных загрязнителей создают тупиковые ситуации, поскольку их решение требует действий во всемирном масштабе, а граждане разных стран по-разному относятся к их приоритетности. В прошлом предпочтение, отдаваемое ископаемым или ядерным топливам, диктовалось в первую очередь экономическими факторами, например наличием богатых запасов угля. Однако усиление глобальной угрозы окружающей среде, в частности в результате накопления углекислоты в атмосфере, которое ускоряется сжиганием угля, может вынудить нас пересмотреть плюсы и минусы ядерной энергетики. На приобретение фундаментальных знаний, необходимых для разумного выбора, требуются годы. Мы должны строить этот фундамент, чтобы быть в состоянии взвешенно оценить реальную угрозу накопления углекислоты в атмосфере в свете имеющихся альтернатив. Эта оценка должна учитывать проблемы защиты окружающей среды и проблему отходов ядерной энергетики.
Оценка риска.
Существует два вида токсичности. Один химический препарат может вызывать заболевание вскоре после своего воздействия – это острая токсичность. Другой препарат может оказывать нежелательное воздействие значительно позже, после продолжительного его использования – это хроническая токсичность. Например, остро токсичный газ фосген, Cl2CO, может случайно образоваться, если загорание электросети тушат огнетушителем с тетрахлоридом углерода. В концентрации 5 млн. долей фосген уже через несколько минут вызывает раздражение глаз, а концентрации выше 50 млн. долей могут оказаться смертельными. Напротив, бензол, С6Н6, обладает хронической токсичностью. Вдыхание паров бензола той же концентрации, 50 млн. долей, не дает немедленного эффекта, но при длительном (в течение многих месяцев или лет) ежедневном воздействии бензола может вызвать понижение числа красных кровяных телец (гемоглобина) и лейкоцитов в крови.
К сожалению, получить детальную информацию о токсичности нелегко. Наиболее точный способ – суровый способ – это подвергнуть достаточное число людей воздействию данного препарата, чтобы продемонстрировать его безопасность или установить дозу, при которой начинает обнаруживаться токсичность. Ясно, что сведения о хронической токсичности добыть труднее всего. Чтобы можно было извлечь из наблюдений необходимую статистическую информацию, воздействию исследуемого вещества должны быть подвергнуты в течение достаточно длительного времени очень большая группа людей. Проблемы такого рода принадлежат компетенции эпидемиологии.
Что такое эпидемиология.
Исторически эпидемиология развивалась как наука об эпидемиях, т.е. быстро распространяющихся заболеваниях. Однако сегодня эпидемиология используется и как статистический аппарат для обнаружения острой или хронической токсичности даже при весьма слабом воздействии на здоровье. Например, винилхлорид, СН2СНСl, известен как канцероген. Основанием для такого заключения послужило то, что, согласно статистическим данным, очень редкая форма рака печени, ангиосаркома, наблюдается главным образом у небольшого числа рабочих, которые продолжительное время подвергались воздействию высоких концентраций (сотни млн. долей) этого соединения. В этом случае удалось получить достоверное эпидемиологическое заключение относительно токсичности данного соединения и его весьма незначительной опасности для обычной публики.
Что является причиной чего?
К сожалению, результаты наблюдений можно неверно интерпретировать даже при наличии достаточного количества статистических данных. Так, статистические данные показывают, что рак толстой кишки гораздо более распространен в США, чем в Индии, и что американцы потребляют больше молочных продуктов, чем индийцы. Прежде чем сделать вывод, что молочные продукты вызывают рак, следует, однако, вспомнить, что рак толстой кишки распространен у пожилых людей и что средняя продолжительность жизни американцев гораздо выше, чем у жителей Индии. Таким образом, можно прийти и к противоположному выводу: потребление молочных продуктов позволяет прожить достаточно долго, чтобы начал проявляться (от других причин) рак толстой кишки. Эпидемиология может установить, что одно сопутствует другому, но это не обязательно означает причинную связь между двумя явлениями. Эпидемиологи шутят, что снижение скорости роста населения в Западной Европе в 20 веке примерно соответствует скорости уменьшения в этом регионе популяции аистов, лишь немногие сделают отсюда вывод, что рождаемость уменьшилась потому, что для доставки детей не хватает аистов.
История с ДДТ.
Все началось в 1939г., когда швейцарский химик Пауль Мюллер в ходе систематических поисков новых инсектицидов синтезировал дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Вначале на ДДТ смотрели, как на чудо: он исключительно эффективно действует на самых разнообразных насекомых-вредителей и в отличие от широко использовавшихся в то время соединений свинца и мышьяка не проявляет острой токсичности по отношению к людям.
Выгоды.
США впервые широко применили ДДТ в 1944г. во время второй мировой войны в борьбе с распространившейся эпидемией тифа в воинских частях и среди гражданского населения в Италии. Тиф переносится нательными вшами, и чтобы уничтожить этих насекомых, тысячи людей были щедро, с ног до головы, осыпаны ДДТ. Эпидемия была остановлена, что предотвратило потери человеческих жизней, которые могли стать опустошительными.
После столь внушительного успеха решено было прибегнуть к ДДТ в борьбе с Anopheles – комаром-распространителем малярии. До использования ДДТ малярия уносила от 2 до 3 млн. жизней ежегодно, число же страдающих этой тяжелой болезнью было еще больше. В результате 10-летнего применения ДДДТ в ряде стран малярия перестала быть столь страшным бичом. В Индии число заболеваний сократилось с 75 млн. в 1952г. до 100 тыс. в 1964г., в СССР с 35 млн. в 1956г. до 13 тыс. в 1966г. За то же время в Шри-Ланке малярийная “дань” понизилась с 12 тыс. жизней до нуля! Всемирная организация здоровья и Организация объединенных наций относят на счет этого чудодейственного препарата спасение около 50 млн. жизней, отнятых у одной только малярии. За свою работу доктор Пауль Мюллер был удостоен в 1948г. Нобелевской премии в области медицины.
Риск.
К сожалению, история ДДТ на этом не кончается. В 1972г. Агентство по охране окружающей среды наложило запрет на использование ДДТ в США. Как удалось это сделать – особая история, и тоже история успеха, но на этот раз в борьбе за необходимость наблюдения за окружающей средой в ожидании появления побочного действия широко применяемых препаратов.
Уже в 1946г. ученые установили, что ДДТ накапливается в жировых тканях и остается там чрезвычайно долго. Животные и рыбы, так же как и человек, – это преимущественно водные системы. Транспорт и вывод веществ из организма осуществляется у них в водной среде. Но хлорсодержащие углеводороды типа ДДТ очень плохо растворяются в воде (порядка 2 млн. долей): они продолжительно растворяются и концентрируются в жировых тканях. Например, ДДТ легко переходит в жир материнского молока. Агентство должным образом отреагировало на эту тревожную информацию, установив предельно безопасную концентрацию ДДТ в коровьем молоке и других продуктах питания. Из осторожности сначала был принят нулевой уровень безопасности. Однако при “нулевом подходе” возникают свои проблемы. Образец молока можно признать безопасным, если ДДТ не обнаруживается в нем самыми чувствительными измерениями. Поэтому усовершенствования аналитических методов приводит к изменению смысла понятия безопасной концентрации. Нулевой предел всегда связывает уровень безопасности с методом обнаружения, а не с наиболее достоверной оценкой степени опасности. По этой и другим причинам нулевой предел оказался неудачным, и Агентство заменило его “приемлемым уровнем безопасности” в 0,05млн. доли.
С течением времени стало ясно, что попадание в окружающую среду, ДДТ разлагается там с большим трудом. Усовершенствованные методы обнаружения позволили установить, что через 10 лет исчезает лишь около 50% пестицида – вследствие разложения или уноса на другую территорию.
Наконец, накопились данные о концентрировании ДДТ по мере продвижения по лестнице потребления продуктов питания. После обработки вязов концентрация ДДТ в почве достигала 100 млн. долей, в земляных червях она составляла 140 млн. долей, а, в птицах, поедавших этих червей, превышала 400 млн. долей. Такая концентрация ДДТ оказалась явно пагубной для птиц, особенно более крупных, хищных птиц. По-видимому, ДДТ мешает их воспроизводству, вызывая опасное утоньшение яичной скорлупы. Некоторые виды птиц, например орлы и соколы-сапсаны, стали быстро исчезать, как только эта неприятность добавилась к другим посягательствам человека на их место обитание.
Максимальный уровень производства ДДТ только в США достигал 156 млн. фунтов (в 1959г.). С самого начала ДДТ так широко применялся во всем мире, что не один участок земли не остался незатронутым. Его обнаруживают в жировых тканях жителей отдаленных районов Аляски, пингвинов и тюленей Антарктиды. К тому же некоторые насекомые и вредители приобрели, устойчивость к ДДТ за продолжительное время его использования, а некоторые полезные насекомые в отдельных местностях были уничтожены этим препаратом.
Уравнение риск/выгода.
История с ДДТ – наглядный пример сочетания риска и выгоды, Ясно, что сначала доминирует непосредственно ожидаемая выгода (в нашем случае – спасение человеческих жизней), и нет цены, которая могла бы ее превысить. Ожидаемое благо реализуется, но бдительное наблюдение обнаруживает повсеместные нарушения в окружающей среде, на которые невозможно закрыть глаза. И хотя ни одного случая заболевания человека нельзя было связать с действием ДДТ, ясно, что некоторые свойства препарата вступают в конфликт с нашим стремлением защитить окружающий мир: это необыкновенная стабильность ДДТ, его подвижность и сродство к системам живых организмов. С одной стороны, возникшие проблемы поставили преграду дальнейшему использованию ДДТ, а с другой, они же подсказали, какими свойствами должен обладать его заменитель. Такие заменители уже найдены – это инсектициды, биологическое действие которых гораздо более специфично, которые так же, как в ДДТ, не токсичны для человека, но разлагаются в природной среде за несколько дней или недель. ДДТ не только сохранил миллионы человеческих жизней, но и указал путь к наилучшему решению уравнения риск/выгода.
Заключение.
Громче всего звучит вывод о трудности оценки степени риска. Парацельс утверждал, что ядовито все и что яд определяется лишь дозой. Но определить дозу необычайно сложно. Опыты на людях не возможны, а применимость результатов, полученных в экспериментах с животными, всегда вызывает сомнения. Эпидемиология указывает на сопутствование, но не вскрывает причинных связей.
Существует и множество субъективных факторов. Риск, которым кто-то еще пренебрегает, для кого-то уже оказывается не приемлемым. Еще хуже, когда риску подвергается одна группа людей, а выгоду получает другая. Наконец, все мы очень чувствительны к риску, которому приходится подвергаться не по своей воле.
Невзирая на эти порой обескураживающие трудности, сравнительные оценки риска и выгоды стали обычным делом при выработке бесчисленных решений, влияющих на нашу жизнь. Некоторые из них принимаются без нашего участия избранным нами правительством. Другие мы выбираем сами в кабинах для голосования. Но в любом случае эти решения должны основываться на принципах общего блага и общей воли. Чтобы достичь этой цели, необходимо повысить научную грамотность населения. Ясно, что начинать надо пораньше, со школьного возраста; научному образованию нужно уделять больше внимания. Дата добавления: 03.04.2001
ученика 11 А класса
школы №1
Пельц Дмитрия
Кировград
2001 г.
Оглавление:
I.
Введение (современная экология и ее проблемы) ……………………………………………
II
стр.
II.
Часть
I
. (Проблемы и решения)
– Фреоны и озонный щит планеты ..……………………………………………………………
II
стр.
– Хлорароматические соединения как глобальные загрязнители ..…………………
III
стр.
– Твердые промышленные отходы (ТПО). Источники возникновения ..……………
V
стр.
– Проблемы, связанные с ТПО ..………………………………………………………………
VI
стр.
– Классификация ТПО ..…………………………………………………………………………..
VI
стр.
– Техногенное изменение ландшафта ..…………………………………………………. …..
VII
стр.
– Рекультивация почв и донных отложений…………………………………………………
VIII
стр.
– Гигиеническое значение почвы и мероприятия по ее санитарной охране ..………
VIII
стр.
– Процесс промывки почвы ..……………………………………………………………………
X
стр.
– Состав почвы и распределение загрязняющих веществ ..……………………….……..
X
стр.
– Основные этапы процесса рекультивации почвы и донных отложений ………
XI
стр.
– Инновационные технологии рекультивации почв ..………………………………………
XII
стр.
– Радиационное загрязнение ……………………………………………………………………
XIII
стр.
– Природный и техногенный радиационный фон …………………………………………
XIII
стр.
– Радиоактивное загрязнение …………………………………………………………………..
XIV
стр.
– Радиационная безопасность ………………………………………………………………….
XIV
стр.
– Хранение радиоактивных отходов (РАО) в области …..……………………………….
XVI
стр.
– Газовые выбросы ……………………………………………….………………………….……
XVI
стр.
– Ликвидация газовых выбросов ……………………………………………………………. XVIII стр.
– Ликвидация твердых промышленных отходов ………………………………………… XVIII стр.
– Ликвидация жидких промышленных отходов …………………………………………
XIX
стр.
– Питьевое водоснабжение ……………………………………………………………………
XX
стр.
– Питьевая вода ……………………………………………………………………………….…
XXI
стр.
– Питьевое водоснабжение свердловской области ……………………………………..
XXI
стр.
– Подготовка питьевой воды …………………………………………………………………
XXII
стр.
– Обработка воды из подземных источников ……………………………………………
XXIV
стр.
– Технологии очистки грунтовых вод ………………………………………………………
XXV
стр.
– Обработка воды из поверхностных источников ……………………………………..
XXV
стр.
– Автономная водоподготовка ………………………………………………………………
XXVI
стр.
III.
Часть
II
. Практикум
– Задача …………………………………………………………………………………………….
XXVII
стр.
IV.
Заключение …………………………………………………………………………………………
XXVIII
стр.
V.
Список литературы ……………………………………………………………………………….
XXVIII
стр.
Введение
Если на пикник с друзьями
Летом ты идешь к реке
И жестянок — банок гору
Еле тащишь в рюкзаке,
Не трудись пустые банки
Глубже в землю закопать,
Ведь быстрее и удобней
Все их в речку побросать!
А река-то глубока,
Спрячет их наверняка!
Оловянная рыбешка
Будет бить в реке хвостом,
Может быть, ее поймают,
Но ведь это же потом!
СОВРЕМЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ
Появление в литературе термина «экология», ставшего названием одной из дисциплин биологической науки, связывают с имением немецкого естествоиспытателя Э.Геккеля. В своем труде «Всеобщая морфология организмов», изданном в 1866 г., он определил экологию (от греч. oikos — жилище) как науку о домашнем быте живых организмов. «Под экологией, — писал Э.Геккель, — мы понимаем общую науку об отношениях организмов с окружающей средой, куда мы относим в широком смысле все «условия существования».
Рассмотрение истории развития экологии позволяет отметить, что как бы широко ни трактовался предмет исследования данной науки, она никогда не претендовала на то, чтобы включить в него проблемы, касающиеся отношений человека и человеческого общества с окружающей природной средой. Экологические проблемы человечества образовали самостоятельную сферу экологического познания — глобальную экологию. Уже в 70-е годы сложилась практика определять комплекс глобальных проблем человека и природы как глобальную экологическую проблему, а комплекс наук, исследующих эту проблему, — как глобальную экологию или экологию человека.
Становлению глобальной экологии предшествовало стремительно развернувшееся в течение двух лет (с 1968 по 1970 гг.) движение, которое, по словам известного эколога Ю.Одума, проявилось как «всеобщая озабоченность проблемами окружающей среды». Рост общественного интереса к проблемам загрязнения природной среды, дефицита пищи и энергии, народонаселения был не случаен. Он явился естественной реакцией людей на обострение взаимоотношений общества с природной средой.
Первой страной, ощутившей отрицательное влияние химического загрязнения природной среды, стала Япония. В этой стране свыше 80 % территории испытывает на себе непосредственное влияние промышленного производства. Японцы первыми заговорили о проблеме «когай», означающей опасность вреда от загрязнений окружающей среды. Вскоре с этой проблемой столкнулись и в других странах.
Стратегия природопользования, опиравшаяся на идею могущества человека и его растущей власти над природой в эпоху НТР, долгое время казавшаяся незыблемой, на поверку оказалась всего лишь стратегией «яблоневой плодожорки», пожирающей среду своего обитания. Осознание данной ситуации способствовало постановке серьезнейших задач как в практической области, так и в сфере фундаментальных научных исследований. Экологическими проблемами стали заниматься представители самых разных наук, причем не только естественных, но и гуманитарных. Обусловлено это тем, что наряду с необходимостью разработки новой стратегии природопользования и создания принципиально новых промышленных технологий встала задача экологической перестройки сознания людей, широкой пропаганды экологических знаний.
Современная «большая» экология развивается в трех основных направлениях, акцентирующих внимание, во-первых, на проблемах выживания человечества в условиях обостряющихся противоречий его с окружающей средой, во-вторых, на необходимости сохранения устойчивости биосферы Земли, испытывающей на себе антропогенное давление и, наконец, в-третьих, на проблемах сохранения здоровья человека, оказавшегося в условиях стремительно изменяющейся среды его обитания. Каковы эти проблемы при более детальном рассмотрении, а также пути их решения и стали объектом моей работы “Химия и Экология”.
Часть
I
. Проблемы и их решения
Фреоны и озонный щит планеты
В своей хозяйственной деятельности человечество использует насыщенные газообразные или жидкие фторуглероды или полифторуглеводороды, часто содержащие атомы хлора и брома, — так называемые фреоны или хладоны. Наиболее распространенные фреоны:
CFCL — фреон 11,
CF2
C12
— фреон 12,
CHC1F2
— фреон 22,
CF2
ClCFCl2
— фреон ИЗ,
CF2
ClBr — фреон 12В1,
CF3
Br — фреон 13В1.
Все эти вещества в природе естественным путем не образуются, исключение составляет фреон 11, небольшие количества которого обнаружены в газовых выбросах вулканов на Курильских островах) и, следовательно, появление их в атмосфере обусловлено антропогенным вкладом. Фреоны характеризуются уникальным набором свойств, которые обеспечили им широкое использование в промышленности. Эти вещества имеют низкие температуры кипения, не ядовиты, негорючи, взрывобезопасны, химически инертны. Они не действуют на распространенные конструкционные материалы, а в малых дозах безвредны для людей. При высоких концентрациях некоторые фреоны обладают наркотическим (фреон 12), а иногда удушающим действием (фреон 142, фреон 22).
Интенсивное применение фреонов началось в 50-е годы. Их получают реакцией хлорированных углеводородов с SbF5
, HF или KF:
Проблема контролирования
выброса в атмосферу загрязняющих
веществ промышленными предприятиями
(ПДК). Приоритет в области разработки
предельно допустимых концентраций
в воздухе принадлежит СССР. ПДК – такие
концентрации, которые на человека и его
потомство прямого или косвенного воздействия,
не ухудшают их работоспособности, самочувствия,
а также санитарно-бытовых условий жизни
людей.
Обобщение всей
информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами,
осуществляется в ГГО (Главной Геофизической
Обсерватории). Чтобы по результатам наблюдений
определить значения воздуха, измеренные
значения концентраций сравнивают с максимальной
разовой предельно допустимой концентрацией
и определяют число случаев, когда были
превышены ПДК, а также во сколько раз
наибольшее значение было выше ПДК. Среднее
значение концентрации за месяц или за
год сравнивается с ПДК длительного действия
– среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение
воздуха несколькими веществами, наблюдаемые
в атмосфере города, оценивается с помощью
комплексного показателя – индекса загрязнения
атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные
на соответствующее значения ПДК и средние
концентрации различных веществ с помощью
несложных расчетов приводят к величине
концентраций сернистого ангидрида, а
затем суммируют. Максимальные разовые
концентрации основных загрязняющих веществ
были наибольшими в Норильске (оксилы
азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный
газ). Степень загрязнения воздуха основными
загрязняющими веществами находится в
прямой зависимости от промышленного
развития города. Наибольшие максимальные
концентрации характерны для городов
с численностью населения более 500 тыс.
жителей. Загрязнение воздуха специфическими
веществами зависит от вида промышленности,
развитой в городе. Если в крупном городе
размещены предприятия нескольких отраслей
промышленности, то создается очень высокий
уровень загрязнения воздуха, однако проблема
снижения выбросов многих специфических
веществ до сих пор остается нерешенной.
Химическое
загрязнение природных
вод.
Всякий водоем
или водный источник связан с окружающей
его внешней средой. На него оказывают
влияние условия формирования поверхностного
или подземного водного стока, разнообразные
природные явления, индустрия, промышленное
и коммунальное строительство, транспорт,
хозяйственная и бытовая деятельность
человека. Последствием этих влияний является
привнесение в водную среду новых, несвойственных
ей веществ – загрязнителей, ухудшающих
качество воды. Загрязнения, поступающие
в водную среду, классифицируют по-разному,
в зависимости от подходов, критериев
и задач. Так, обычно выделяют химическое,
физическое и биологические загрязнения.
Химическое загрязнение представляет
собой изменение естественных химических
свойств воды за счет увеличения содержания
в ней вредных примесей как неорганической
(минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые
частицы), так и органической природы (нефть
и нефтепродукты, органические остатки,
поверхностноактивные вещества, пестициды).
Неорганическое
загрязнение. Основными неорганическими
(минеральными) загрязнителями пресных
и морских вод являются разнообразные
химические соединения, токсичные для
обитателей водной среды. Это соединения
мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома,
меди, фтора. Большинство из них попадает
в воду в результате человеческой деятельности.
Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном,
а затем передаются по пищевой цепи более
высокоорганизованным организмам.
Кроме перечисленных
в таблице веществ, к опасным
заразителям водной среды можно отнести
неорганические кислоты и основания, обуславливающие
широкий диапозон рН промышленных стоков
(1,0 – 11,0) и способных изменять рН водной
среды до значений 5,0 или выше 8,0 , тогда
как рыба в пресной и морской воде может
существовать только в интервале рН 5,0
– 8,5. Среди основных источников загрязнения
гидросферы минеральными веществами и
биогенными элементами следует упомянуть
предприятия пищевой промышленности и
сельское хозяйство. С орошаемых земель
ежегодно вымывается около 6 млн.т солей.
К 2000 году возможно увеличение их массы
до 12 млн.т/год. Отходы, содержащие ртуть,
свинец, медь локализованы в отдельных
районах у берегов, однако некоторая их
часть выносится далеко за пределы территориальных
вод. Загрязнение ртутью значительно снижает
первичную продукцию морских экосистем,
подавляя развитие фитопланктона. Отходы,
содержащие ртуть, обычно скапливаются
в донных отложениях заливов или эстуариях
рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается
накоплением метиловой ртути и ее включением
в трофические цепи водных организмов.
Так, печальную известность приобрела
болезнь Минамата, впервые обнаруженную
японскими учеными у людей, употреблявших
в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата,
в который бесконтрольно сбрасывали промышленные
стоки с техногенной ртутью.
Органическое
загрязнение. Среди вносимых в океан
с суши растворимых веществ, большое
значение для обитателей водной среды
имеют не только минеральные, биогенные
элементы, но и органические остатки.
Вынос в океан органического вещества
оценивается в 300 – 380 млн.т/год. Сточные
воды, содержащие суспензии органического
происхождения или растворенное органическое
вещество, пагубно влияют на состояние
водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают
дно и задерживают развитие или полностью
прекращают жизнедеятельность данных
микроорганизмов, участвующих в процессе
самоочищения вод. При гниении данных
осадков могут образовываться вредные
соединения и отравляющие вещества, такие
как сероводород, которые приводят к
загрязнению всей воды в реке. Наличие
суспензий затрудняют также проникновение
света в глубь воды и замедляет процессы
фотосинтеза. Одним из основных санитарных
требований, предъявляемых к качеству
воды, является содержание в ней необходимого
количества кислорода. Вредное действие
оказывают все загрязнения, которые, так
или иначе, содействуют снижению содержания
кислорода в воде. Поверхностно активные
вещества – жиры, масла, смазочные материалы
– образуют на поверхности воды пленку,
которая препятствует газообмену между
водой и атмосферой, что снижает степень
насыщенности воды кислородом. Значительный
объем органических веществ, большинство
из которых не свойственно природным водам,
сбрасывается в реки вместе с промышленными
и бытовыми стоками. Нарастающее загрязнение
водоемов и водостоков наблюдается во
всех промышленных странах. В связи с быстрыми
темпами урбанизации и несколько замедленным
строительством очистных сооружений или
их неудовлетворительной эксплуатацией
водные бассейны и почва загрязняются
бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение
в водоемах с замедленным течением или
непроточных (водохранилища, озера).
Разлагаясь в
водной среде, органические отходы могут
стать средой для патогенных организмов.
Вода, загрязненная органическими отходами,
становится практически непригодной для
питья и других надобностей. Бытовые отходы
опасны не только тем, что являются источником
некоторых болезней человека (брюшной
тиф, дизентерия, холера), но и тем, что
требуют для своего разложения много кислорода.
Если бытовые сточные воды поступают в
водоем в очень больших количествах, то
содержание растворимого кислорода может
понизиться ниже уровня, необходимого
для жизни морских и пресноводных организмов.
Загрязнение
почвы.
Почвенный покров
Земли представляет собой важнейший
компонент биосферы Земли. Именно почвенная
оболочка определяет многие процессы,
происходящие в биосфере.
Важнейшее значение
почв состоит в аккумулировании
органического вещества, различных химических
элементов, а также энергии. Почвенный
покров выполняет функции биологического
поглотителя, разрушителя и нейтрализатора
различных загрязнений. Если это звено
биосферы будет разрушено, то сложившееся
функционирование биосферы необратимо
нарушится. Именно поэтому чрезвычайно
важно изучение глобального биохимического
значения почвенного покрова, его современного
состояния и изменения под влиянием антропогенной
деятельности. Одним из видов антропогенного
воздействия является загрязнение пестицидами.
Пестициды как
загрязняющий фактор. Открытие пестицидов
– химических средств защиты растений
и животных от различных вредителей
и болезней – одно из важнейших достижений
современной науки. Сегодня в
мире на 1 га наносится 300 кг химических
средств. Однако, в результате длительного
применения пестицидов в сельском хозяйстве
и медицине (борьба с переносчиками болезней)
почти повсеместно отличается снижение
из эффективности вследствие развития
резистентных рас вредителей и распространению
“новых” вредных организмов, естественные
враги и конкуренты которых были уничтожены
пестицидами. В то же время действие пестицидов
стало проявляться в глобальных масштабах.
Из громадного количества насекомых вредными
являются лишь 0,3% или 5 тыс. видов. У 250-ти
видов обнаружена резистентность к пестицидам.
Это усугубляется явлением перекрёстной
резистенции, заключающейся в том, что
повышенная устойчивость к действию одного
препарата сопровождается устойчивостью
к соединениям других классов. С общебиологических
позиций резистентность можно рассматривать
как смену популяций в результате перехода
от чувствительного штамма к устойчивому
штамму того же вида вследствие отбора,
вызванного пестицидами. Это явление связано
с генетическими, физиологическими и биохимическими
перестройками организмов. Неумеренное
применение пестицидов (гербицидов, инсектицидов,
дефолиантов) негативно влияет на качество
почвы. В связи с этим усиленно изучается
судьба пестицидов в почвах и возможности
и возможности их обезвреживать химическими
и биологическими способами. Очень важно
создавать и применять только препараты
с небольшой продолжительностью жизни,
измеряемой неделями или месяцами. В этом
деле уже достигнуты определенные успехи
и внедряются препараты с большой скоростью
деструкции, однако проблема в целом ещё
не решена.
Кислые атмосферные
выпады на сушу. Одна из острейших глобальных
проблем современности и обозримого
будущего – это проблема возрастающей
кислотности атмосферных осадков
и почвенного покрова. Районы кислых
почв не знают засух, но их естественное
плодородие понижено и неустойчиво; они
быстро истощаются и урожаи на них низкие.
Кислотные дожди вызывают не только подкисление
поверхностных вод и верхних горизонтов
почв. Кислотность с нисходящими потоками
воды распространяется на весь почвенный
профиль и вызывает значительное подкисление
грунтовых вод. Кислотные дожди возникают
в результате хозяйственной деятельности
человека, сопровождающейся эмиссией
колоссальных количеств оксилов серы,
азота, углерода. Эти оксилы, поступая
в атмосферу, переносятся на большие расстояния,
взаимодействуют с водой и превращаются
в растворы смеси сернистой, серной, азотистой,
азотной и угольной кислот, которые выпадают
в виде “кислых дождей” на сушу, взаимодействуя
с растениями, почвами, водами. Главными
источниками в атмосфере является сжигание
сланцев, нефти, углей, газа в индустрии,
в сельском хозяйстве, в быту. Хозяйственная
деятельность человека почти вдвое увеличила
поступление в атмосферу оксилов серы,
азота, сероводорода и оксида углерода.
Естественно, что это сказалось на повышении
кислотности атмосферных осадков, наземных
и грунтовых вод. Для решения этой проблемы
необходимо увеличить объём систематических
представительных измерений соединений
загрязняющих атмосферу веществ на больших
территориях.
Заключение.
Охрана природы
– задача нашего века, проблема, ставшая
социальной. Снова и снова мы слышим
об опасности, грозящей окружающей среде,
но до сих пор многие из нас считают
их неприятным, но неизбежным порождением
цивилизации и полагают, что мы ещё успеем
справиться со всеми выявившимися затруднениями.
Однако воздействие
человека на окружающую среду приняло
угрожающие масштабы. Чтобы в корне
улучшить положение, понадобятся целенаправленные
и продуманные действия. Ответственная
и действенная политика по отношению к
окружающей среде будет возможна лишь
в том случае, если мы накопим надёжные
данные о современном состоянии среды,
обоснованные знания о взаимодействии
важных экологических факторов, если разработает
новые методы уменьшения и предотвращения
вреда, наносимого Природе Человеком.
Список
литературы:
Винокурова
Н. Ф., Трушина В. В. Глобальная экология:
учебник для профильных школ. – М.,
Просвещение, 1998. – 270 с
Винокурова
Н. Ф. и др. Природопользование: учебник
для профильных школ. – М., Просвещение,
1995. – 255 с
Баландин
Р. К., Бондарев Л. Г. Химия и экология. –
М., Мысль, 1988
Будыко М.
Н. Глобальная экология. – М., Мысль, 1977
Константинов
В. М. Экологические основы природопользования.
– М., Академия, 2001
Трушина Т.
П. Экология. – Ростов- на -Дону, Феникс,
2001
Химическое загрязнение окружающей среды обусловлено следующими факторами:
повышением концентрации биогенных элементов из-за канализационных сбросов и стока с полей удобрений, вызывающих бурное развитие водорослей и нарушение баланса в существующих экосистемах;
отравлением воды, почвы и воздуха отходами химических производств;
воздействием на воду и почву продуктов сжигания топлива, снижающих качество воздуха и вызывающих кислотные дожди;
потенциальным заражением воздуха, воды и почвы радиоактивными отходами, образующимися при производстве ядерного оружия и атомной энергии;
выбросами углекислого газа и химических веществ, снижающих содержание озона, что может привести к изменению климата или образованию озоновых дыр.
Загрязнение атмосферы
Главным источником загрязнения атмосферы являются предприятия черной и цветной металлургии, тепловые электростанции и автомобильный транспорт. Выбросы в атмосферу содержат оксиды углерода, азота и серы, углеводороды, соединения металлов и пыль.
При попадании в атмосферу углерод постоянно переходит из органических соединений в неорганические и наоборот. Это проявляется как в процессе фотосинтеза – образовании органических соединений из CO2 и воды в растениях под действием света, так и при дыхании человека и животных – кислород воздух при
дыхании переходит в CO2, который возвращается в атмосферу.
Сжигание топлива, приводящее к образованию огромных количеств CO2 и пыли, оказывает негативное воздействие на круговорот углерода в природе,
создавая т.н. «парниковый эффект», который в свою очередь способен привести к изменению климата Земли за счет «глобального потепления».
Выделение в атмосферу пыли оказывает противоположный эффект – запыленность атмосферы задерживает излучение Солнца, чем может вызвать понижение температуры на Земле, т.н. «второй ледниковый период».
За счет обжига сульфидных руд на предприятиях цветной металлургии, а также работы тепловых электростанций в атмосферу попадает огромное количество SO2. Увеличение SO2, а также других оксидов неметаллов, в атмосфере вызывает образование т.н. «кислотных дожей» (рис. 1), оказывающих
губительное действие на водные ресурсы планеты, вызывая гибель их обитателей, разрушает строительные материалы и памятники архитектуры.
Рис. 1 Кислотные осадки и их влияние на экосистему.
Составные части выхлопных газов автомобилей (CO, SO2, оксиды азота, тяжелые металлы) наносят огромный вред флоре и фауне планеты, а также могут
быть причиной образования фотохимического смога, образование которого можно представить следующим образом:
2NO + O2 =2NO2 (окисление NO, выделяющегося с выхлопными газами)
NO2 + O2= NO + O3 (распад NO2 под действием УФ-излучения солнца)
Образующийся в результате озон может вступать в реакции с углеводородами, находящимися в атмосфере, тем самым приводя к образованию смога.
Сжигание топлива, мусора, а также работа металлургической промышленности – основные источниками загрязнения атмосферы тяжелыми металлами, такими, как Zn,
Co, Ni, U, Sn, Ge, Pb, Be, V, Hg, Mo, As и др.
Рассмотрим негативное воздействие присутствия тяжелых металлов в атмосфере на организм человека и окружающую среду на примере свинца, поскольку этот металл обладает кумулятивными (накопительными) свойствами. Свинец оказывает воздействие на ферментные системы и обмен веществ, способен накапливаться не только в организме человека, но и в морских отложениях, и в пресной воде.
Свинец вызывает обширные патологические изменения в нервной системе, крови, сосудах, активно влияет на синтез белка, энергетический обмен клетки и её генетический аппарат, подавляет кровообразование; нарушает белковый и углеводный обмены, способен заменять кальций в костях. Соединения свинца могут вызвать мутации и репарации ДНК.
Загрязнение водных ресурсов
Количество растворенного в воде кислорода – один из важнейших показателей качества воды, поскольку он необходим для жизни обитателей водоемов. При избыточном присутствии в воде органических веществ количество растворенного кислорода уменьшается, в результате чего происходит гибель рыбы и других обитателей водоемов, в вода приобретает гнилостный запах (процесс разложения органических веществ вместо аэробных бактерий осуществляют анаэробные, в результате чего выделяется CH4, NH3, H2S и PH3).
Большой вред водным ресурсам наносят растворенные в воде минеральные удобрения, смываемые с поверхности почвы (нитраты, фосфаты и др.), вызывающие бурное развитие сорной травы и водорослей, что приводит к засорению водоемов и их гибели.
Промышленные сточные воды, содержащие огромное количество ядовитых для обитателей водоемов веществ, также оказывают негативное влияние на водные ресурсы планеты.
Загрязнение почв
Основная проблема, полученная человеком в результате загрязнения почв – её эрозия, т.е. разрушение плодородного слоя.
Применение минеральных азотных удобрений сильно загрязняет почву, поскольку нитраты накапливаются не только в почвах, но и в растениях, что приводит к ухудшению качества выращиваемой с/х продукции и отрицательному их действию на здоровье человека и животных. Нерациональное применение пестицидов также оказывает отрицательное воздействие на почву, среди которых наибольший вред наносят хлорорганические соединения (полихлорпинен, ДДТ).
Различные предприятия промышленности, а также транспортные магистрали в разной степени оказывают вредное воздействие на почву, путем ее загрязнения тяжелыми металлами (Pd, Cd, Cu, Zn, Hg, Bi), халькогенами (Se, Те и др.) и галогенами (F, Вг и др.).
Химия… Что ты представляешь, услышав это? Периодическую таблицу или уроки химии? Химические опыты в школе или уравнения этих реакций? Да, каждый думает о своём. Но ты прекрасно понимаешь, что химия-это не только предмет, который изучается в школе или в вузе, химия-это всё то, что окружает нас, и все то, что внутри нас. Химия – это и есть жизнь.
Оглянись, ведь даже дома столько всего нас окружает: стол, стекло, бумага, одежда, посуда… Мы очень редко думаем, из чего состоят все эти вещи. Мы так привыкли к ним, что даже не пытаемся определить их состав, не задумываемся, откуда они взялись, кто их придумал и почему именно так. Ты скажешь, что всех их сделали на заводах и фабриках, а мы купили их в магазинах.
Да, конечно. Но до этого ведь кто-то придумал, из какого сырья сделать это, кто-то добыл это сырье, придумал реакции и технологии, с помощью которых можно, производить материал… Кажется, всё так просто. Но нет, все гораздо сложнее. В основе этого лежит великая наука-химия. Многие химические реакции, с которыми мы познакомились в лабораторных условиях, осуществляют в промышленных условиях при производстве важнейшей для повседневной жизни химической продукции. Пластмассы, синтетические волокна, фармацевтические препараты, удобрения, моющие средства, красители, косметика и даже компоненты пищи – всё это только некоторые виды продукции, выпуск которой полностью или частично зависит от химической промышленности.
Но мы уже думаем, что так и должно быть. Вот открываешь холодильник, а там кефир. Ты конечно же, не задумываешься о реакциях брожения с помощью которых сделали кефир, и не вспоминаешь формулу полиэтилена, из которого сделан пакет этого же кефира. Или вот достаешь из аптечки перекись водорода и не думаешь о формуле H2O2 ; и аспирин ты всегда называешь аспирином, хотя это ацетилсалициловая кислота… А ведь если на многие вещи смотреть изучав науку химии , все гораздо интереснее. А что же было до того, как люди стали изучать химию? Все, наверно, было по-другому. Но люди нашли путь и стремились познать эту науку. Ведь человек с первых дней своей жизни сталкивается с химией. Получается не люди придумали ее, а вся природа давно уже связана с химией. Ведь она состоит из химических элементов и соединений, и в основе многих явлении лежат химические реакции. Воздух, которым мы дышим, состоит из смеси газов; вода, с которой мы встречаемся ежедневно, и есть сложное химическое вещество; даже мы сами повседневно проводим химические реакции, когда готовим пищу или когда включаем газовую плиту. И не только это, даже внутри нас протекают десятки химических реакции! Вроде бы невероятно, ведь там нет ни пробирок, ни колбочек. Но это правда: не было бы этих реакций – не было бы жизни. В нашем организме есть почти все элементы таблицы Менделеева. Разве это не главное доказательство того, что химия – это жизнь?
Да, человек встречается с химией на каждом шагу. Наша жизнь, здоровье, настроение тесно связаны с бесчисленными химическими веществами и процессами вокруг нас и нас самих.
Развитие человеческого общества сопровождается с применением новых материалов и химических процессов во всех сферах деятельности человека. Химия дает в руки человечества огромные возможности и силы, но при этом требует грамотного, ответственного их использования, понимания сущности химических явлений. Поэтому мы должны изучить эту великую науку. Ведь будущее зависит от нас, от молодежи.
Общеизвестно, что человек на 70 % состоит из воды. Поэтому состояние вод мирового океана напрямую отражается на качестве нашей жизни и здоровье. Счет увеличивается явно не в нашу пользу: сброс в водоёмы радиоактивных отходов, нефти, сточных вод из канализаций, водопроводов – это лишь неполный перечень источников, влияющих на изменение количества и качества воды в гидросфере. Последствия могут быть очень неблагоприятными, если мы не изменим свои привычки. Истина проста: наши ежедневные поступки способны перевесить чашу весов в ту или иную сторону.
За последние сто лет стали использоваться около сотни тысяч новых химикатов. Эти химикаты попадают в воздух, почву, воду и пищевые продукты. Относительно немногие из них прошли проверку на предмет воздействия на здоровье человека. Но, как оказалось, многие из тех, что прошли проверку, способствуют развитию раковых и других заболеваний.
Бытовые моющие средства – один из крупнейших источников загрязнения поверхностных вод. Вместе со сточными водами моющие средства попадают в очистительные сооружения, которые, очистив сточные воды, выпускают их в поверхностные воды. Однако очистительные сооружения не могут полностью уничтожить вредные химические вещества, а в маленьких городах и деревнях, где нет очистительных сооружений, они попадают прямо в реки и озера.
Один из таких вредных компонентов синтетических моющих средств – фосфаты. Фосфаты, или соли и эфиры фосфорных кислот, наиболее активно используются в производстве удобрений. В стиральные порошки фосфаты добавляют, главным образом, для связывания ионов кальция и магния. Затем, попадая в водоемы, фосфаты приводят к бурному развитию водорослей. Токсины сине-зеленых водорослей, по мнению ряда исследователей, опасны для многих водных обитателей. Эти водоросли ухудшают питьевые качества воды, придают ей различные запахи и вкусы. Загрязнение питьевой воды приводит к невынашиванию беременности и врожденным травмам, повышению заболеваемости и снижению продолжительности жизни. Поэтому использование фосфатов в стиральных порошках запрещено во многих странах уже более 10-20 лет.
Другим вредным компонентом СМС, способным нанести вред окружающей среде и здоровью человека, являются анионные поверхностно-активные вещества (А-ПАВ). Даже при небольших концентрациях А-ПАВ в воде прекращается рост водорослей, образуются стойкие скопления пены, что губительно сказывается на обитателях водоемов и окрестных земель. У человека могут вызывать нарушения иммунитета, аллергию, поражение мозга, печени, почек, легких. Фосфаты усиливают проникновение А-ПАВ через кожу и способствуют накоплению этих веществ на волокнах тканей.
Наиболее эффективным и экономичным методом очистки сточных вод является биохимический метод. Биохимическая разлагаемость – это разложение органических веществ CMC под действием ферментов, производимых бактериями и другими микроорганизмами. Биоразложение протекает очень медленно, конечными продуктами его являются вода и диоксид углерода. Для массового производства и потребления CMC необходимо применять такие ПАВ и другие моющие вещества, которые были бы подвержены сравнительно быстрому и полному их распаду.
Мы давно привыкли к тому, что в новостях часто говорится о загрязнении окружающей среды, и порой думаем так: «Мне все равно, пока это не касается меня лично». Однако, осознаем мы это или нет, повсеместное загрязнение окружающей среды затрагивает каждого жителя планеты. Поскольку эта проблема приобрела глобальный характер, она уже оказывает влияние на многие аспекты нашей жизни.
В экологических проблемах недостатка нет. Например, Гринпис не раз предупреждал об опасности загрязнения воды. Но положение до сих пор не улучшилось. Один миллиард человек испытывает недостаток чистой питьевой воды. Согласно журналу «Тайм», «3,4 миллиона человек ежегодно умирают от болезней, связанных с загрязнением воды».
Человек может прожить около месяца без пищи, а без воды только неделю. Поэтому специалисты утверждают, что уменьшение запаса пресной воды в предстоящие годы будет создавать все больше напряженности. Что можно сделать? Как лично мы могли бы внести свой вклад, чтобы изменить ситуацию к лучшему? Вот несколько простых советов.
? Отремонтируйте текущие краны.
? Не стойте долго под душем.
? Не тратьте лишнюю воду, когда бреетесь или чистите зубы.
? Не стирайте полотенца после каждого использования.
? Отложите стирку, пока не наберется достаточно белья для полной загрузки стиральной машины. (То же относится и к посудомоечной машине.)
? Используйте для стирки, уборки и мойки средства, не содержащие бионеразлагаемых соединений.
Каждый из нас может внести свой вклад, чтобы мир вокруг стал чище. Всех нас должно волновать здоровье нашей планеты — нашего дома. Ведь другого дома у нас пока нет.