«СИНЕРГИЗМ В ПЛАНЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Образование смесей загрязняющих веществ
1.1 Окисление двуокиси серы в загрязненной атмосфере
Глава 2. Комбинированное действие загрязняющих веществ
2.1 Влияние загрязняющих веществ на человека
Глава 3. Влияние загрязняющих веществ атмосферы на растения
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Уже давно предполагали, что воздух, которым мы дышим, является одним из факторов внешней среды, которые в определенных условиях могут вызывать заболевания. Однако до сравнительно недавнего времени это не было доказано. Это же относится и к некоторым передающимся по воздуху бактериальным и вирусным инфекциям, некоторым аллергическим заболеваниям и отравлениям, вызываемым определенными газами и аэрозолями, поступающими в организм с вдыхаемым воздухом.
Воздух, которым мы дышим, с одной стороны, является необходимым для жизни, с другой — может быть и вредным. Характер и степень вредности определяются характером изменения состава окружающего воздуха. Последнее может быть связано либо с изменением содержания физиологически важных компонентов воздуха, например кислорода и углекислоты, либо с наличием, так называемых атмосферных загрязнителей. К этим загрязнителям относятся такие компоненты воздуха, которые по типу и количеству не являются постоянными, и которые, по-видимому, не нужны для поддержания здоровья организма. В зависимости от химической природы загрязнителей некоторые из них могут причинить вред даже тогда, когда они присутствуют в воздухе в малых концентрациях, тогда как вредное действие других отмечается лишь при высоких концентрациях
Будет ли потенциально вредное вещество в данной концентрации действительно оказывать вредное влияние, зависит также от продолжительности экспозиции, за исключением тех случаев, когда концентрации чрезвычайно малы. При наиболее низких концентрациях естественные защитные силы организма могут оказаться достаточно эффективными, вследствие чего приобретает значение продолжительность воздействия.
В качестве примера изменения химического состава атмосферных загрязнений под влиянием условий погоды можно привести Лос-Анжелос, где под влиянием солнечных лучей содержащиеся в воздухе окислы азота и ненасыщенные углеводороды превращаются в озон и нитроолефины. Одним из простых примеров вызываемых условиями погоды изменений биологического действия атмосферных загрязнителей является разбавление, обусловленное турбулентным перемешиванием воздушных масс. Другой, более сложный пример относится к полученным недавно экпериментальным данным, показавшим, что реакция подопытных животных на воздействие некоторых токсических агентов усиливается при повышении температуры окружающей среды.
Погода и климат могут не только изменить действие атмосферных загрязнений на организм, но, как уже давно известно, погода и климат сами по себе оказывают значительное влияние на здоровье человека. Это убеждение было настолько сильным, что врачи длительное время считали одни географические районы более благоприятными для здоровья по условиям погоды, чем другие. Однако этот эффект не всегда связан именно с погодой и климатом. Полезное влияние может оказаться следствием местных условий погоды и климата, тем или иным образом воздействующих на содержащиеся в воздухе вещества, например на кинетику химических реакций или на концентрацию загрязнений атмосферного воздуха. Значение погоды как причины возникновения катастрофического загрязнения атмосферного воздуха хорошо известно, но ее роль при длительном воздействии малых концентраций начинает выясняться только теперь. Мы еще пока очень мало знаем о взаимосвязи условий погоды и множества других факторов с присутствием в воздухе положительных или отрицательных ионов и в свою очередь о влиянии таких ионов на здоровье. Наконец, иногда само загрязнение атмосферного воздуха может в значительной степени влиять на погоду.
Источники загрязнения атмосферного воздуха существуют повсеместно. Природные загрязнители атмосферного воздуха, которые почти или совершенно не поддаются контролю, возникают в результате лесных пожаров, вследствие ударов молнии, извержения вулканов, выделения органических веществ растениями, гниения растений, пылевых бурь и рассеяния солевых частиц благодаря испарению в воздухе брызг морской воды. Главным источником атмосферных загрязнений, порождаемых деятельностью человека, является сжигание топлива для получения энергии. Этот процесс может иметь место в бытовых условиях, производственных помещениях и в топках, используемых на транспорте. Испарение жидкостей и измельчение твердых веществ, производимые обычно в промышленных целях, как источники загрязнения имеют второстепенное значение, но временами могут приобретать важнейшую роль в загрязнении атмосферного воздуха. Следует подчеркнуть, что промышленность не является единственным источником обусловленного деятельностью человека загрязнения атмосферного воздуха населенных мест, хотя часто она представляет собой главный источник.
ГЛАВА 1. ОБРАЗОВАНИЕ СМЕСЕЙ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ АТМОСФЕРЫ
К наиболее ярким примерам образования синергических смесей загрязняющих веществ атмосферы можно отнести фотохимический смог и кислотные дожди. Ниже рассмотрим образование важнейших загрязнителей атмосферы, наносящих значительный ущерб живым и неживым объектам.
Смог
Порча растительности и резиновых изделий, приносящая серьезный экономический ущерб, раздражение слизистой оболочки глаз, все это обусловлено действием органических озонидов, перекисей и кислот. Органические кислоты, альдегиды и насыщенные углеводороды в той концентрации, какая была установлена в атмосфере смога в Лос-Анжелосе, не причиняли чувствительным растениям, например салату-эндивию, салату ромэн и шпинату характерных для смога повреждений (симптом «серебрение листьев» — «silver-leaf»). Однако смесь озонидов и других перекисных соединений, кислот и альдегидов (образующихся при взаимодействии озона и олефинов в низких концентрациях) вызывала симптомы, идентичные действию смога на полевые культуры. Подобные же поражения листьев растений вызывают продукты окисления ненасыщенных углеводородов, реагирующие с окислами азота при солнечном свете. Было установлено также, что продукты реакции озона или окислов азота с некоторыми олефинами, протекающей при солнечном свете, вызывали раздражение глаз при концентрациях, которые можно было предполагать в атмосферном воздухе Лос-Анжелоса. Путем экспериментальной фумигации сельскохозяйственных растений на корню удалось воспроизвести типичные для смога поражения продуктами окисления озона и олефинов с неразветвленной цепью, состоящей из 5 или 6 атомов углерода. Более высокие члены олефинового ряда — С7
,
С8
и С9
, будучи превращены в соответствующие озониды и другие продукты, также наносили чувствительным видам растений повреждения в виде «серебрения листьев», однако они не были столь активными, как 1-пентен и 1-гексен.
Аналогичные результаты были получены и в том случае, когда растения подвергались действию паров крекинг-бензина или 1-гек-сена, двуокиси азота и солнечного света или ультрафиолетовых лучей. Одна двуокись азота с ультрафиолетовым облучением или без него, а также одни олефины при солнечном свете не оказывали таких воздействий.
Химические реакции в атмосферном воздухе
Ряд фотохимических реакций, которые могут способствовать образованию озона при смоге, включают фотохимическую активацию и фотолиз сернистого ангидрида, альдегидов и двуокиси азота, т. е. всех тех соединений, которые присутствуют в атмосферном воздухе Лос-Анджелоса и других городов.
Солнечная радиация, имеющая серьезное значение для фотохимических реакций, протекающих вблизи поверхности земли, имеет длину волн в пределах от 8000 до 2900 Аº
. Интенсивность излучения относительно велика для волн с длиной выше 3150 Аº; ниже 3000 Аº его интенсивность резко снижается. Это исключает возможность протекания таких реакций на больших высотах, в верхних слоях атмосферы. Таким образом, только фотохимические процессы в газовой фазе, которые могут протекать в нижних слоях атмосферы, происходят с участием загрязнителей, являющихся результатом деятельности человека (если не учитывать их природных источников — вулканов и лесных пожаров). Вещества, содержание которых в атмосфере мало, должны обладать высокой удельной адсорбционной способностью по отношению к волнам указанной длины для того, чтобы служить основным реагентом. С другой стороны, вещества, присутствующие в воздухе в больших количествах, могут являться основными фотохимическими реагентами при слабом поглощении ими лучистой энергии.
Озон может образовываться в нижних слоях атмосферного воздуха в качестве побочного продукта фотохимической реакции окисления сернистого ангидрида в серную кислоту при солнечном свете. Если предположить, что первоначально образуются лишь активированные молекулы SO2
, то реакция должна проходить ряд последовательных стадий. Некоторые из таких молекул возвращаются в исходное coстояние, другие будут реагировать с кислородом.
S02
+ hv = S02
S02
+ О2
= S04
S04
+ 02
= S03
+ 03
H2
0 + S03
= H2
S04
Этот процесс имеет низкий коэффициент отдачи. Обычно при высокой концентрации сернистого ангидрида образовавшийся озон очень быстро реагирует с молекулами S02
с образованием серного ангидрида и кислорода. В загрязненном воздухе, где концентрация S02
меньше, чем 1 часть на 1 млн., озон может длительно присутствовать наряду с этим газом или реагировать с органическими загрязнителями, такими, как ненасыщенные углеводороды.
Фотохимические реакции с двуокисью азота протекают многостепенно, включая разрыв химической связи с образованием атомарного кислорода и окиси азота, образование озона в результате соединения атомарного кислорода с обычным молекулярным кислородом и регенерацию двуокиси азота, способной повторно вступать в реакцию. В результате происходит непрерывное образование озона. При поглощении световых лучей с длиной волны ниже 3700 Аº коэффициент выхода озона в результате диссоциации двуокиси азота близок к единице.
N02
+ hv = NO + О
О +02
= 03
N0 + 02
= N03
N03
+ 02
= N02
+ 03
В результате: 302
= 203
В этих реакциях двуокись азота играет роль, подобную катализатору, поэтому она значительно более эффективно способствует образованию озона, чем сернистый ангидрид. Окись азота реагирует с озоном с чрезвычайно высокой скоростью; эта реакция протекает значительно быстрее, чем реакция между озоном и другими загрязнителями. Поэтому если в атмосферном воздухе присутствует окись азота, возможны следующие реакции:
NO + 03
= N02
+ 02
,
а если озон содержится в избытке, то
2N02
+ 03
= N2
05
+ 02
N2
Os
+ Н2
0 = 2HN03
.
Таким образом, в присутствии водяного пара может образовываться азотная кислота.
В течение нескольких лет Стенфордский научно-исследовательский институт занимался изучением скорости, механизма и продуктов реакций озона с различными составными частями смога. Было показано, что в газовой фазе озон и олефины быстро вступают в реакции, конечными продуктами которых являются формальдегид, высшие альдегиды и полимеры неизвестного состава. В основе образования озона в качестве побочного продукта при активации альдегидов или окисленных органических соединений под влиянием поглощения лучистой энергии лежат следующие реакции:
RCHO + hv = RCHO
RCHO + О2
= RC03
H
RC03
H + 02
= RCOOH + 03
.
Альдегиды и кетоны поглощают энергию излучений, близких к ультрафиолетовой части солнечного спектра с квантовым выходом 0,1—0,9 и образованием свободных радикалов:
СН3
СНО + hv = СН3
+ НСО.
Считается, что низкая температура окисления углеводородов обусловливается в основном наличием свободной цепи радикала:
R + 02
= R02
R02
+ R'H = RO2
H + R'
Haagen-Smit (1952) постулировал следующую схему реакций, протекающих в загрязненном воздухе и ведущих к образованию смога:
N02
↔ NO+0 0
→ окислитель
| Окислитель + |
Солнечный свет
сернистый ангидрид → серный ангидрид
→аэрозоли → перекиси → ущерб растительности
углеводороды→альдегиды кислоты раздражение глаз
растрескивание резины
В случае присутствия в воздухе ароматических углеводородов возможно образование ароматических производных. Так, например, пероксибензоилнитрат С6
Н5
— С (О) — О — О — N02
, являющийся сильным слезоточивым газом, был идентифицирован в атмосфере Лос-Анджелеса на ряду с ПАН СН3
— С (О) — О — О — NO2
. и его гомологами. Уже при различных концентрациях олефинов и озона, обнаруживаемых в загрязненном городском атмосферном воздухе, реакция между ними протекает с очень большой скоростью. Начальные скорости подчиняются закону квадрата скоростей, хотя механизмы этих реакций еще не выяснены точно; в результате этих реакций образуются различные соединения.
Конечные соединения содержат формальдегид, высшие альдегиды и полимеры неизвестного состава. Ацетилен реагирует с озоном с относительно небольшой скоростью, и последствиями этой реакции для городского воздуха можно пренебречь. Скорость реакций между озоном и парафиновыми углеводородами или бензолом также очень мала.
Окись азота реагирует с озоном примерно в 2000 раз быстрее, чем 1-гексен или пары бензина.
Реакции озона с олефинами и диолефинами, а также фотохимическое разложение альдегидов или кетонов приводят к образованию свободных радикалов в числе продуктов реакций. Такие реакции могут возникать в городском атмосферном воздухе. Так, первичная фотохимическая реакция ацетальдегида приводит к распаду его молекулы с образованием метилового и формилового радикалов. Ацетон распадается на метиловый и ацетиловый радикалы. В воздушной среде эти радикалы быстро вступают в реакцию с кислородом, образуя различные продукты, включая перекиси. Например, основным продуктом фотохимического распада ацетальдегида в присутствии кислорода является перекись диацетила. В экспериментах Haagen-Smit, Bradley, Fox (1953) смеси диацетила и воздуха, облученные солнечным светом, давали озон в качестве побочного продукта.
Ряд других фотохимических реакций, которые могут протекать в атмосферном воздухе, приводит к образованию атомов или свободных неорганических радикалов, способных вступать в реакцию с насыщенными или ненасыщенными алифатическими или ароматическими углеводородами с образованием свободных органических радикалов. К числу таких активных радикалов и атомов относятся кислород, освобождающийся при фотохимическом разложении NO2
, атомарный хлор, возникающий при действии света на молекулярный хлор или хлористый нитрозил, атомарный водород ОН и Н02
.
Свободные радикалы перекисей, образовавшиеся при окислении свободных радикалов углеводородов, могут в свою очередь вступать в реакции с другими органическими веществами, давая органические перекиси и новые свободные радикалы.
Отсюда становится ясным, что такие возможности почти безграничны и что почти в каждом случае возникновения фотохимических реакций в загрязненном городском воздухе могут образовываться свободные радикалы. Последующие реакции свободных радикалов могут привести к цепным реакциям полимеризации и окисления. Последний процесс обычно заканчивается, когда свободные радикалы адсорбируются, например, поверхностью пылевых частиц или разрушаются в результате реакции с некоторыми веществами, например с окислами азота или органическими соединениями, которые не приводят к образованию новых свободных радикалов.
1.1 Окисление двуокиси серы
в загрязненной атмосфере
Важным физическим эффектом загрязнения атмосферы является снижение видимости. Это снижение видимости вызывается обычно рассеянием и поглощением радиации аэрозолями в атмосфере. Если о количественном влиянии окислов серы ничего не известно, то туман серной кислоты и другие сульфатные частицы считаются признанной причиной рассеяния. Эти частицы образуются при вышеописанных сложных окислительных процессах взаимодействия между атмосферными загрязнениями. Фотодиссоциация двуокиси серы, выделяемой в атмосферу в процессах горения, невозможна, так как она может протекать лишь при длинах волн короче тех, которые достигают нижней атмосферы. Поэтому фотохимические превращения S02
могут включать лишь реакции возбужденных молекул S02
.
Что касается фотохимического взаимодействия системы S02
— NOx
, то добавление NOx
к низким концентрациям S02
, по-видимому, дает различные результаты. Некоторые авторы сообщают об ускорении фотоокисления S02
, в то время как другие на основе образования аэрозолей сообщают о его замедлении. Следует напомнить, что фотодиссоциация N02
дает атомарный кислород и озон. Таким образом, S02
может наряду с N0 и N02
реагировать с атомами кислорода согласно реакции
SO2
+O + М = S03
+ M.
Далее SO3
взаимодействует с водяными парами, образуя аэрозоли серной кислоты, которые губительно действуют на живые и неживые объекты.
Эффективность этой реакции возрастает по мере роста отношения концентраций SO2
/NOx
. Кинетические расчеты показывают, что при концентрациях NOx
b S02
, равных 0,2 млн-1
(типичных для фотохимического смога), скорость реакции S02
—О будет приблизительно в 10 раз ниже скорости реакции NOx
—О. Изучалась не только система S02
—NOx
, но также и система S02
— углеводород в отсутствие NOx
. Имеющиеся данные указывают, что при обычных уровнях в атмосфере реакции S02
в присутствии углеводородов для образования аэрозолей несущественны.
В любой загрязненной атмосфере SO2
,
NOx
и углеводороды обычно присутствуют одновременно. Экспериментальные работы в этом случае указывают, что облучение олефинов с прямой цепью и ароматических соединений с двойными связями в присутствии NOx
и S02
приводит к образованию значительного количества аэрозолей. Влияние S02
на образование аэрозолей весьма очевидно. Парафиновые углеводороды, по-видимому, дают мало либо вообще не дают аэрозолей в присутствии N0x
и S02
, в то время как данные об ароматических соединениях малочисленны и неопределенны. Хотя данные в таблице приведены для постоянного соотношения N0x
—SО2
, эксперименты показывают, что скорость исчезновения SО2
зависит от соотношения реагентов. В одной серии опытов начальные концентрации SО2
и N0 поддерживались постоянными на уровне 0,1 и 1 млн-1
. Когда концентрация олефина понижалась с 3 до 0,5 млн-1
, скорость исчезновения SО2
возрастала. Это указывает на очень высокую эффективность фотоокисления SO2
низкими концентрациями олефинов в присутствии NO. В случае постоянных концентраций олефина и N0 и варьируемых количеств S02
получаемые данные пока противоречивы. Некоторые исследования свидетельствуют, что рассеяние света прямо пропорционально концентрации SO2
, в то время как в других наблюдалось увеличение скорости поглощения SO2
по мере снижения концентрации S02
с 1 до 0,1 млн-1
. Следует отметить, что исчезновение SO2
и образование аэрозолей обычно не совпадают. Данные указывают, что сначала наблюдается исчезновение SO2
, вслед за чем происходит образование аэрозолей и достижение ими максимума согласно измерениям рассеяния света. Аэрозоли не образуются до тех пор, пока не достигнут максимум NO2
и концентрация NO не упала до низкой величины. В этот момент наблюдается также максимальное образование атомов О. Рост содержания аэрозолей продолжается до достижения максимума озона, после чего содержание аэрозолей стабилизируется. Следовательно, на основе ряда опытов можно заключить, что быстрое накопление аэрозолей происходит, пока образуется озон.
Вкратце можно суммировать, что в целом эксперименты указывают на увеличение скорости исчезновения S02
и образования аэрозолей, когда SO2
фотоокисляется в присутствии NOx
и олефиновых углеводородов. Ускорение окисления S02
в системе углеводород — NOx — озон объясняется, вероятно, эффективным влиянием некоторых промежуточных веществ. В то же время SО2
, по-видимому, в общем понижает скорость реакций при фотохимическом смоге, что еще не нашло объяснения. Следовательно, городские районы будут находиться в разных условиях с точки зрения образования фотохимического смога и аэрозолей. Характер этой проблемы будет изменяться в зависимости от взаимного соотношения концентраций NOx
, углеводородов и S02
, выбрасываемых в атмосферу стационарными и подвижными источниками.
В заключение следует упомянуть о влиянии концентраций Н2
О на фотоокисление S02
и состав аэрозолей. Несколько серий экспериментов указывает на снижение содержания аэрозолей (измеренного по рассеянию света) с увеличением относительной влажности при постоянной концентрации S02
. Этот эффект наиболее заметен при низкой относительной влажности. В простой системе SО2
— 02
аэрозоль представлен H2
S04
. Для системы S02
— NOx
аэрозоль, более чем, вероятно, представлен также сульфатом. Аэрозоли, образующиеся при облучении низших олефинов в присутствии N0x
и S02
, не содержат органических веществ. Высшие олефиновые углеводороды, по-видимому, дают аэрозоли с углеродистыми веществами, такими, как органические кислоты. Чрезвычайно важна химическая идентификация этих аэрозолей, поскольку их размер таков, что они легко проникают в дыхательные пути.
ГЛАВА 2. КОМБИНИРОВАННОЕ ДЕЙСТВИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Комбинированное действие химических веществ и других факторов внешней среды, представляет одну из наиболее актуальных и малоизученных проблем современной гигиены. До сих пор гигиеническое регламентирование ведется в основном по отдельным химическим веществам, а во внешней и производственной среде, как правило, имеет место комбинированное действие. В настоящее время очень трудно назвать производство, в котором на рабочего оказывало бы действие только одно химическое вещество, например, в производствах ВМС (синтетических смол и пластмасс, каучуков и резин, синтетических волокон), многих органических продуктов нефте-, коксо-, сланцехимии и ряде других на человека воздействуют одновременно не 2-3, а десятки веществ.
В последние годы проводится много исследований по комбинированному действию химических веществ, однако выход их результатов в практику ведения текущего и предупредительного санитарного надзора незначительный. Это обусловлено, прежде всего, тем, что методические подходы к оценке токсичности, опасности и вопросам гигиенической регламентации химических веществ при комбинированном действии разработаны недостаточно.
Теоретическое прогнозирование особенностей комбинированного действия пока может быть использовано лишь для тех сравнительно немногих веществ, токсикология которых изучена достаточно глубоко, причем такое предсказание обычно не учитывает количественных особенностей комбинационного эффекта, а именно они наиболее важны для практики ведения текущего и предупредительного санитарного надзора.
Изучение методических вопросов комбинированного действия особо актуально еще и потому, что в последние десятилетия загрязнение внешней среды вредными химическими веществами достигло значительного уровня, и проблема комбинированного действия приобрела не только общегигиеническую, но и общебиологическую значимость.
Если во вдыхаемом воздухе присутствует более одного потенциально раздражающих газов или аэрозолей, то результирующее влияние их на живые объекты может быть различным. Комбинация газов, обладающих выраженными раздражающими свойствами, может вызвать либо простую суммацию эффектов каждого из них, либо эффект, превышающий сумму (синергический эффект
), либо меньший суммы (антагонистический эффект). Механизм, определяющий величину результирующего эффекта, в настоящее время еще не выяснен полностью.
Наибольшие проблемы и опасности вызывают синергические эффекты, хотя механизм этого явления остается малоизученным. Поэтому при оценке эффекта совместного действия разных факторов допускается гипотеза аддитивности с введением коэффициента безопасности на возможности синергических эффектов.
Комплексная оценка эффектов воздействия различных факторов опасности должна включать:
-оценку индивидуального риска для каждого фактора опасности в сопоставимых показателях;
-построение маргинальных (для каждого фактора опасности) полей риска вокруг источников опасности;
-построение интегральных полей риска для данного региона;
-оценку интегральных последствий реального и потенциального воздействия исследуемых факторов.
В реальных условиях в окружающей среде человек сталкивается с воздействием на один и тот же объект нескольких веществ или других неблагоприятных факторов окружающей среды. Комплекс неблагоприятных факторов усложняет проблему воздействия химических веществ на биологический эффект. При этом может реализоваться несколько ситуаций.
Комбинированное действие вредных веществ
– это одновременное или последовательное действие на организм нескольких веществ при одном и том же пути поступления. Комбинированное действие веществ может приводить к нескольким случаям:
Комбинированное воздействие может происходить как при однократном (остром), так и при хроническом воздействии ядов.
Что касается синергизма, то его причиной может быть торможение одним веществом процессов биотрансформации или метаболизма другого вещества. Так усиление токсического эффекта наблюдалось при комбинированном воздействии некоторых пар фосфорорганических препаратов (подавление холинэстеразы одним веществом и торможение вследствие этого детоксикации другого). Хлорофос и карбофос, хлорофос и метафос, карбофос и тиофос дают эффект синергизма. Также известно, что смесь SO2
и CO при длительном воздействии вызывает нарушение генетической функции организма. Токсичность газообразных низкомолекулярных углеводородов в совокупности с другими примесями атмосферы проявляется в наркотическом действии на организм человека, вызывая состояние эйфории, что увеличивает вероятность ДТП. Полиароматические углеводороды, содержащиеся в выбросах двигателей, являются канцерогенными (вызывают рак легких), из которых наибольшей активностью обладает бенз(а)пирен С20
Н12
.
При хроническом воздействии веществ эффект синергизма из-за действия малых доз и концентраций наблюдается значительно реже. Они наблюдаются больше в случае специфического действия химических веществ.
Повышенная влажность воздуха усиливает эффект ряда веществ вследствие образования аэрозолей и гидролиза, способствует нарушению теплопередачи, увеличивая чувствительность к воздействию вредных веществ.
В последние годы в связи с развитием атомной энергетики проблема сочетанного действия на организм веществ и ионизирующей радиации становится все более актуальной. Имеются сведения, что сочетанное действие радиационных и химических канцерогенов приводит к суммации и синергизму канцерогенной эффективности каждого из факторов. Это может относиться к мутагенным эффектам. Названные факты имеют большое значение для прогнозирования опасности развития отдаленных последствий. Отметим, что злокачественные образования в последнее время являются одним из наиболее значительных форм патологии в промышленно развитых странах мира.
2.1 Влияние загрязняющих веществ на человека
Вдыхание сернистого ангидрида даже при низких концентрациях, нередко встречающихся в атмосферном воздухе, вызывает временно спазм гладкой мускулатуры бронхиол как у человека, так и у экспериментальных животных. Несколько большие концентрации вызывают увеличение отделения слизи стенками верхних дыхательных путей. Еще большая концентрация приводит к тяжелой воспалительной реакции слизистой оболочки с десквамацией поверхностных слоев эпителия. Этот эффект раздражающего действия SO2
, в особенности спазм бронхиол, усиливается при низкой температуре вдыхаемого воздуха. Все это неблагоприятно сказывается на легочной функции.
При длительном воздействии этого газа может развиться известная степень сопротивляемости организма. Такое повышение сопротивляемости обнаружено у промышленных рабочих, которые постоянно или периодически подвергается действию этого газа на производстве.
При некоторых условиях, связанных частично с солнечным излучением, а частично с одновременным присутствием в воздухе некоторых потенциальных катализаторов в виде соединений металлов, часть SO2
окисляется до SO3
, образующего туман, который обладает очень сильным раздражающим действием. Часть каждого из двух этих газов в присутствии водяных паров (или воды) образует соответственно сернистую и серную кислоты. При сжигании топлива наряду с SO2
образуется и некоторое количество SO3
. в городском тумане серный ангидрид в сравнении с сернистым ангидридом содержится в значительных концентрациях. Эксперименты с вдыханием серного ангидрида как животными, так и людьми показали, что он представляет собой очень резкий раздражитель, значительно превосходящий по силе действия сернистый ангидрид и вызывает тяжелый бронхоспазм уже при относительно низких концентрациях. Более того, при одновременном воздействии низких концентраций обоих газов имеется отчетливо выраженный синергизм
, т. к. возникающие физиологические реакции оказываются более сильными, чем реакции на каждый из них в отдельности.
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ АТМОСФЕРЫ НА РАСТЕНИЯ
Явление синергизма загрязняющих веществ атмосферы наиболее четко проявляется при воздействии на растения
В окружающем растения воздухе обычно содержится несколько потенциальных фитотоксичных загрязняющих веществ. Вопрос об их взаимодействии и воздействии этой смеси на растения еще недостаточно изучен. Однако давно предполагали, что признаки воздействия загрязняющих веществ появляются вследствие действия смеси газов, а не одного вещества. В то же время смесь газов может вызывать те же повреждения растений, что и отдельное загрязняющее вещество. Смесь газов может изменять пороговую чувствительность растения, в таком случае растение становится восприимчивым к действию одного или обоих загрязняющих веществ. Два газа в смеси могут причинить больше или меньше вреда, чем какой-либо из них в отдельности (синергизм).
Озон и двуокись серы
. Признак влияния - появление на листьях фасоли и табака некротических участков от рыжевато-бурых до белых при воздействии на них смеси О3
и SO2
. Признаки повреждения этой смесью были сходны с признаками повреждения О3
или SO2
, в зависимости от того, концентрация какого вещества превышала пороговую. Если концентрация смеси О3
и SO2
ниже пороговой для SO2
, но равна или ниже пороговой для Оз, то наблюдаются признаки повреждения листьев по типу воздействия О3
.
Озон и пероксиацетилнитрат
Влияние на сосну желтую смеси ПАН — О3
и изолированно О3
концентрацией вызвало острое повреждение молодых хвоинок. Воздействие смеси ПАН — Оз вызвало меньший эффект, нежели воздействие О3
.
Воздействие только ПАН повреждение растений не вызывало. Таким образом, при воздействии смесью появляется антогонистическпй эффект взаимодействия этих веществ, что приводит к ослаблению воздействия.
Двуокись серы и двуокись азота
Установлено, что при воздействии смеси SO2
и NО2
концентрацией ниже пороговой для каждого газа, происходит повреждение верхней стороны листа у овса, фасоли «Pinto», редьки, соевых бобов, табака и томата. Нижняя поверхность листьев становится серебристой или на ней появляется красноватая пигментация, совместное действие SO2
и NО2
приводит к уменьшению сухой массы у четырех пастбищных трав (злаков), в то время как в результате воздействия каждого из этих веществ в отдельности снижения урожайности могло и не быть.
Лондонский тип смога.
Токсичность лондонского смога для растений обычно в значительной мере относится за счет содержания в нем сернистого ангидрида. Хотя отложение сажи на листьях и угнетало рост вечнозеленых растений поблизости от парка Кью-гарденс, но растения в большей мере страдали от присутствия в атмосфере токсических веществ, чем от уменьшения освещенности, вследствие запыления поверхности листьев.
Примерами этих острых симптомов являются отпадение цветов и листьев бегонии и многих других растений, почернение и гибель бутонов и цветов некоторых орхидей, особенно Calanthes, отпадение листвы цинерарий и примул и почти полная гибель таких растений, как CоleusBlumei…
Экспериментальное окуривание растений сернистым ангидридом в концентрациях, близких к лондонскому воздуху, вызывает появление симптомов поражения, подобных тем, какие возникают у тех же видов растений во время туманной погоды, «если атмосфера достаточно влажная, а температура достаточно высока». С увеличением концентрации сернистого ангидрида тяжесть поражения возрастала.
Некоторые приведенные симптомы поражений более характерны для действия других загрязнений, таких, как этилен, органические основания, например акридин или фтористый водород, чем для действия сернистого ангидрида. Однако, именно сернистый ангидрид в силу своей высокой концентрации является важнейшим компонентом лондонского смога, обусловливающим его токсичность для растений.
Лос-анджелесский тип смога. Лос-анджелесский тип смога в корне отличается от лондонского. Загрязнение атмосферного воздуха в этом районе возникает главным образом в результате фотохимических реакций между окислами азота и парами органических веществ, причем источниками обоих являются процессы неполного сгорания топлива «а промышленных предприятиях, в автомобильных двигателях и мусоросжигательных печах, а также непосредственное испарение газолина в атмосферу. Конечно, кроме этих веществ, в атмосфере Лос-Анджелеса присутствуют и многие другие неорганические и органические соединения.
Фитотоксичность лос-анджелесского типа смога очень велика, особенно для так называемых салатных культур — шпината, салата-ромэн, эндивия, а также для столовых сортов свеклы, мангильда и сельдерея. На растениях появляются характерные признаки поражения. Прежде всего в результате гибели субэпидермальных клеток эпидермис нижней поверхности листа приобретает серебристый или бронзовый оттенок. Позднее повреждение может распространиться на всю толщу листа, вызывая появление пораженных участков в виде белого налета или пятнистости и на верхней поверхности.
Вещества, определяющие токсичность смога для растений, изучаются уже в течение многих лет. За исключением озона, который, как будет показано ниже, не вызывает типичных для смога поражений, не было обнаружено ни одного вещества, которое в тех концентрациях, в каких оно присутствует в смоге, вызывало бы поражения. Предполагалось, что эффект смога обусловливается смесью окислителей. Даже соединение X, пероксиацетилнитрит (или нитрат) (ПАН), синтезированное Институтом Франклина, не обнаружило высокой фитотоксичности. Это вещество, которое по своему инфракрасному спектру, идентично выделенному из смога, было получено в достаточном количестве путем фотохимической реакции между n-бутеном и двуокисью азота, очищено с помощью методик вымораживания и газовой хроматографии, затем растворено в азоте до известной концентрации и сохранялось под давлением для экспериментального окуривания. Период полураспада этого вещества равен примерно 13 часам. Оно обладает свойством .резко раздражать глаза. Изучение действия ПАН на растения обнаружило его высокую фитотоксичность по отношению к травянистым растениям, таким, как бобы, «салатные культуры», петуния и многие другие. Характернее для смога поражения листьев петунии возникали при действии этого вещества в концентрации 0,05 части на миллион, в течение примерно 4 часов. По-видимому, это соединение представляет собой существенный компонент в той смеси, которая называется смогом.
С помощью ручных срезов свежего материала и окраски его тионином и другими красителями для облегчения наблюдений Бобров детально изучал процесс поражения растений (Bobrov, 1952a,b; Glater, 1956; LosAngelosCountyAirPollutionControlDistrict, 1951). Данное им описание представляет большой интерес. В качестве первой реакции растений происходило следующее: ...в нижнем эпидермальном слое появлялись мельчайшие пузырьки, при близком рассмотрении видимые невооруженным глазом. В области ряда (но не всех) устьиц сторожевые клетки вместе с окружающими эпидермальными клетками набухали и, выходя за пределы подустьичных камер, образовывали пузырек... Эпидермальные клетки увеличивались по длине и ширине, становились, разбухшими, а стенки их теряли свою зазубренность и приобретали гладкость. Сторожевые клетки увеличивались лишь в ширину, но не в длину, широко открывая устьица. Вовлеченные в процесс эпидермальные клетки затем погибали.
Первыми подвергались плазмолизу клетки, окружающие нижние и верхние подустьичные камеры, затем, по-видимому, закрывающие устьица.
Однолетнее растение мятлик луговой (Poaannua) является одним из наиболее чувствительных к смогу, и его повсеместное распространение делает его весьма удобным индикатором смога. Бобров (1955) подробно изучил анатомию этого растения, выявив его открытую структуру с устьицами на обеих поверхностях листьев и чувствительные участки их, на которых возникают коричневатые пятна или поперечная исчерченность. Поражения ограничены теми клетками, которые находятся в стадии максимального .расширения. Они возникают на верхушке наиболее молодых листьев и постепенно переходят и на старые листья. Начальное и наиболее тяжелое поражение возникает в окружении подустьичных камер. За дезинтеграцией хлоропластов следует плазмолиз и, наконец, полная дегидратация пораженных клеток, что приводит к мумификации мезофильной ткани в пораженных участках.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Загрязнение атмосферного воздуха продуктами деятельности человека теоретически может быть полностью исключено, но цена, в которую это обошлось бы человечеству, является чрезмерной, будь то в денежном или любом другом выражении. Было бы наивным полагать, что мы должны прекратить использование всех процессов, связанных со сгоранием топлива, поскольку они являются основным источником атмосферных загрязнений, образующихся в результате деятельности человека. Однако качественная и количественная очистка воздуха на селективной основе вполне возможна, а в некоторых случаях и крайне необходима. Этого можно достичь, например, предупреждением выброса в атмосферу отдельных видов загрязнителей путем селективной задержки их уже в самом источнике.
Таким образом, в целом можно сказать, что увеличение числа источников атмосферных загрязнений сопровождается постоянным усовершенствованием методов борьбы с этой вредностью. Поэтому нет оснований, что в будущем, если прогресс будет продолжаться, условия жизни ухудшаться. Тем не менее, необходимо обеспечить хотя бы элементарную информацию по данной проблеме, ее финансовой стороне и мерах борьбы с загрязнением атмосферы для того, чтобы население смогло оценить прогресс в этой области. Кроме того, те лица, задачей которых является изучение этих вопросов и разработка необходимых мероприятий, должны получать соответствующую поддержку, помощь и одобрение.
В настоящее время накоплено немало данных о влиянии атмосферных загрязнений на здоровье человека, животных, растения. Эти данные получены частично благодаря непосредственному изучению проблемы влияния атмосферных загрязнений на здоровье, относительно которых наши знания недостаточны. Несомненно, пройдет еще много лет, прежде чем мы сумеем ответить на все вопросы, возникающие при изучении этой проблемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Исидоров В.А. Экологическая химия: Учебное пособие для вузов. – СПб: Химиздат, 2001. – 304 с.
2. Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха: Источники и контроль. М., 1980.
3. Загрязнение атмосферного воздуха. Сост. К. Баркер, Ф. Кэмби и др. М., 1962.
4. Ровинский Ф.Я., Егоров В.И. Озон, окислы азота и серы в нижней атмосфере. Под ред. Г.С. Голицына, И.Л. Кароля – М.: Мир, 1987.
5. Нагорный П.А. Комбинированное действие химических веществ и методы его гигиенического изучения. – М.: Медицина, 1984. 184 с.
6. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология: Учебник для вузов / Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высш. Шк., 2001. – 273 с.
7. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А., Сметанников Ю.В., Малков А.В., Додонова А.А. Задачи и вопросы по химии окружающей среды. – М.: Мир, 2002. – с. 80-81.