Скачиваний:   2
Пользователь:   elenka
Добавлен:   24.10.2014
Размер:   276.5 КБ
СКАЧАТЬ

Глава 8.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОЛОГО--МЕДИЦИНСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ

8.1. Общие представления

8.1.1. Понятие о пульмонотоксичности

 

Воздействие атмосферного воздуха на человека имеет свои особенности и отличается, как указывалось в гл. 3 следующим:

· альвеолярная ткань легких обладает огромной всасывающей способностью, следовательно, ксенобиотики, даже в следовых количествах, способны легко проникать во внутреннюю среду организма;

· всосавшиеся через легкие ксенобиотики сразу попадают в большой круг кровообращения и, тем самым, минуют мощный фильтр – печень, где происходит их обезвреживание;

· невозможно применение индивидуальных средств защиты.

Поражение органов дыхания может быть следствием непосредственного действия ксенобиотиков на дыхательную систему, либо накопления  продуктов их метаболизма в легочной ткани, проникших в организм другими путями. Пульмонотоксичность - это свойство химических веществ вызывать структурно--функциональные нарушения со стороны органов дыхания.

Острые отравления веществами, действующими на органы дыхания, сопровождаются рядом респираторных синдромов, среди которых выделяют: острый ларингит и трахеобронхит, отек лёгких, острая диффузная интерстициальная пневмония, острая дыхательная недостаточность.

Последствиями хронического контакта с токсикантами могут стать: длительно текущие воспалительные процессы дыхательных путей (риниты, синуситы, трахеобронхиты, бронхоэктатическая болезнь), эмфизема, облитерация верхних дыхательных путей, гиперреактивные состояния дыхательных путей, в том числе бронхиальная астма, хронические аллергические альвеолиты, интерстициальный фиброз, пневмокониоз, новообразования и др.

Острые ингаляционные поражения. Многие газы и аэрозоли вызывают острые токсические процессы в дыхательной системе. В основе этих процессов лежат либо гиперактивация физиологических защитных реакций организма на действие чужеродных веществ, либо изменение самой легочной ткани.

Немедленные реакции организма на действие ксенобиотиков могут быть следующие: кашель, секреция слизи, бронхоспазм, умеренный отек дыхательных путей. Все они являются защитными способами реакции на вредные воздействия. При интенсивных воздействиях такие транзиторные токсические реакции перерастают в тяжелые патологические состояния.

Афферентные нервы в дыхательных путях, участвующие в кашлевом рефлексе, стимулируются либо непосредственно путем раздражения ксенобиотиком нервных окончаний, либо опосредованно, путем  высвобождения в тканях медиаторов, таких как гистамин, простагландины и др. Кашель способны вызывать все вещества, обладающие раздражающим действием на слизистые дыхательных путей. Чрезмерный по выраженности или продолжительности кашель может стать причиной серьёзных дисфункций особенно у чувствительных лиц. Ингаляция токсиканта в концентрациях, не вызывающих вредного действия у здорового человека, может у чувствительного лица сопровождаться тяжелым кашлем. Причиной повышенной чувствительности нередко бывает предшествующий контакт с веществом.

Еще одной защитной реакцией на ксенобиотик, которая способна перерасти в патологическое состояние является выделения слизи подслизистыми железами дыхательных путей и бокаловидными клетками.

Бронхоспазм - следующая нормальная реакция организма, обеспечивающая защиту паренхимы легких от воздействия. Ряд веществ способствуют бронхоспазму в концентрациях значительно меньших, чем вызывающие изменение легочной ткани (напр. диоксид серы). Другие компоненты, как например озон вызывают бронхоспазм в концентрациях, разрушающих структуру ткани.

Умеренный отек ткани воздухоносных путей - следствие повреждения эпителия вдыхаемыми ксенобиотиками. В ряде случаев похожее состояние может развиваться в результате аллергического процесса. Микроскопия мазка выделений из носа может помочь провести дифференциальный диагноз между реакцией раздражения и аллергической реакцией. Большое число нейтрофилов в отделяемом из носа указывает на воспалительный характер поражения. Увеличенное содержание эозинофилов в мазке говорит об аллергической природе патологического процесса.

Повреждение слизистой дыхательных путей развивается при ингаляции токсикантов в достаточно высоких концентрациях. Прямое повреждение эпителия ингалируемыми ксенобиотиками в высоких концентрациях существенно усиливает реакции, провоцируемые этими веществами в малых концентрациях.

Значительно менее изучены механизмы формирования отсроченных во времени процессов, развивающихся вследствие острого воздействия. Состояние большинства людей, перенёсших острое ингаляционное поражение, при адекватной терапии, нормализуется в течение нескольких суток - недель (в зависимости от степени тяжести), благодаря полной регенерации поврежденной ткани. Однако у некоторых лиц может развиться состояние повышенной чувствительности к ксенобиотику, проявляющееся синдромом реактивной дисфункции дыхательных путей (СРДП). Вероятность развития СРДП выше у курильщиков.

8.1.2. Понятие о гематотоксичности. Вклад экологического состояния атмосферы в заболеваемость и смертность.

Непосредственный контакт легочной ткани с системой крови является причиной другого явления - гематотоксичности.  Гематотоксичность - это свойство химических веществ избирательно нарушать функции клеток крови или её клеточный состав (как в сторону уменьшения, так и увеличения числа форменных элементов). Может проявляться в виде нарушения свойств гемоглобина (метгемоглобинемия, карбоксигемоглобинемия), анемий (в том числе гемолитических), тромбоцитопений, лейкопений, лейкемий.  Следовательно, вещества, взаимодействующие с гемоглобином и изменяющие его свойства, будут существенно нарушать кислородтранспортные свойства крови, вызывая развитие гипоксии гемического типа.

Американская Ассоциация пульмонологов оценивает ежегодный вклад воздушного загрязнения в ущерб для здоровья населения в 40 млрд долларов (в виде сниженной производительности, лечения больных, социального обеспечения инвалидов и др.).

Исследование, проведенное в Гарвардском университете, показало, что мельчайшие частицы сажи, дыма и других веществ, воздействующие на легкие, могут уменьшать среднюю продолжительность жизни на один--два года. Жители наиболее загрязненных городов имеют на 26% более высокий риск смерти, чем жители менее загрязненного города. Каждый год в мире погибают 50 000-60 000 людей от загрязнения воздушной среды, которое является гигиенически регламентируемым. При этом показано, что смертность начинает увеличиваться, когда загрязнение достигает всего лишь трети от уровня регламентации.

Показатели здоровья лиц, проживающих в условиях, связанных с внутренним и наружным воздушным загрязнением свидетельствуют об увеличенной перинатальной смертности, увеличении доли острых респираторных заболеваний (например, бронхитов и пневмоний), утяжелении астмы, увеличении обращаемости по поводу обострения хронических заболеваний. Недавнее исследование причин неонатальной смертности установило связь между увеличенными концентрациями аэрозолей и смертными случаями, включая синдром внезапной смерти младенца (СВСМ, SIDS). Согласно данных американской статистики от СВСМ ежегодно погибает в возрасте до 1 года около 7000 детей, т.е. примерно каждый час один ребенок. Не имеется сомнений относительно того, что высокие уровни воздушного загрязнения ответственны за увеличенную заболеваемость и детскую смертность.

Зависимость между долей популяции, на которую оказывает влияния загрязненный воздух и степенью проявления патологических признаков описывается пирамидой (рис. 8.1).

8.2. Строение атмосферы.

Атмосфера - это дисперсная оболочка Земли, состоящая из смеси газов (азот, кислород, диоксид углерода, инертные газы), взвешенных аэрозольных частиц, водяных паров. Она вращается вместе с нашей планетой.

Относительно воздействия человека среди атмосферных газов различают:

· устойчивые к антропогенным воздействиям - азот, кислород, инертные газы;

· неустойчивые - углекислота (СО2), метан (СН3), закись азота (N2О);

· изменяющиеся - оксиды азота (NОх), диоксид серы (SО2), сероводород (Н2S).

Относительное количество этих компонентов представлено в табл. 8.1.

Таблица 8.1.

Химический состав атмосферы

Устойчивые и неустойчивые газы

Изменяющиеся газы

Компонент

Концентрация,

об. %

Компонент

Концентрация, об. %

Азот (N2)

78,08

Пары воды (H20)

0-4

Кислород (O2)

20,95

Двуокись углерода (CO2)

0,3403

Аргон (Ar)

0,93

Окись углерода (CO)

0-0,01

Неон (Ne)

0,0018

Озон (O3)

0,001

Гелий (He)

0,00052

Диоксид серы (SO2)

0-0,0001

Метан (CH4)

0,00015

Оксид азота (NO)

0-0,00002

Криптон (Kr)

0,00011

 

Водород (H2)

0,00005

 

Атмосфера имеет слоистое строение. Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земле, называется тропосферой. Это пространство высотой 10-15 км от поверхности Земли, где сосредоточена основная масса воздуха и вся наземная жизнь. Выше расположены: стратосфера, мезосфера, термосфера (ионосфера) и экзосфера. В упомянутых оболочках меняется количество воздуха и температура.

Наибольшую озабоченность вследствие антропогенной деятельности вызывает состояние двух областей: стратосферы и тропосферы.

8.3. Стратосфера

Основная экологическая проблема связана с уменьшением количества озона в стратосфере. Озон был открыт швейцарским химиком C. Шёнбайном  в 1840 г., который отметил образование газа с острым запахом при электрических разрядах и назвал его озоном (от греч. слова «запах»). Долгое время считалось, что озон является компонентом воздуха и только в 1880 г. английский химик В. Хартли предположил, что этот газ присутствует в верхних слоях атмосферы и образуется под действием солнечного ультрафиолета.

В 1920 г. англичанин Г. Добсон доказал существование в стратосфере слоя озона. В нем сосредоточено около 90% всего газа.

Озон - это одна из форм существования кислорода в атмосфере. В приземном слое кислород существует практически только в форме молекул. В очень незначительном количестве идет диссоциация (разрушение) молекул О2 до атомов, но быстро наступает реакция обратного соединения атомов в молекулу и поэтому концентрация атомов кислорода в тропосфере очень мала.

В 1930 году английским физиком С. Шепманом была детализирована фотохимическая теория образования озона. В его формировании  ведущая роль принадлежит УФ.

В стратосфере под действием космического и жесткого УФ--излучения Солнца  (в основном УФС) молекулы кислорода (О2) диссоциируют на 2 атома кислорода:

О2 + hg → О+О.

Атомарный кислород участвует в образовании стратосферного озона (О3):

О2 + О → О3.

С высотой увеличивается мощность  УФ--излучения, поэтому с высотой растет и количество озона.

Интенсивность солнечного света достаточна для продукции примерно 350 000 тонн озона в день.

На высоте около 40 км имеет место обратный процесс, и под действием  солнечного УФ--излучения (особенно УФВ)  молекулы озона быстро разрушаются:

Оз + hg → О2 + О

О + Оз → О2 + О2

Таким образом, в слое атмосферы 10-40 км устанавливается динамическое равновесие концентрации озона. При этом скорость разрушения озона на 14% превышает скорость его образования. Хотя молекулы озона в виде примеси к воздуху присутствуют на всех высотах от поверхности Земли, вплоть до высоты 100 км, максимальное количество молекул озона приходится на область 15-40 км, которую образно называют «озоновым слоем». Следовательно, «озоновый слой» - это в буквальном смысле не слой, а область, в которой сосредоточено максимальное количество молекул озона (рис. 8.2).

Поглощение ультрафиолетовой радиации в верхней части стратосферы ведет к повышению температуры в этой области (разность температур составляет около 60о С.

Максимальная концентрация озона в стратосфере чрезвычайно мала и составляет всего 10 ppm. Если бы удалось собрать все молекулы озона из атмосферного воздуха в один слой, то толщина его составила бы всего 2-5 мм. Несмотря на это, в силу приведенных выше химических реакций, слой озона способен ослабить УФ--излучение в 1040 раз. Более того, из--за протекания упомянутых реакций, УФС и частично УФВ поглощаются озоновым слоем. Начиная с длины волны 280 нм солнечное излучение, особенно УФА, уже доходит до поверхности Земли.

Озоновый слой - верхняя граница биосферы. Отсюда, весьма важным представляется необходимость поддержания концентрации озона на постоянном уровне.

Измерения, проведенные в 60--х гг. прошлого столетия показали, что концентрация озона с атмосфере значительно ниже, чем следует из теории С. Шепмана. Это указывало на то, что имеют место реакции, которые способны снижать концентрацию озона.

Существует группы соединений, способных влиять на концентрацию озона в стратосфере. Сюда относятся соединения хлора, фтора, азота и водорода.

I. Соединения хлора и фтора

Фреоны. В 1930 году инженер Т. Мидгли предложил использовать хлорфторуглеводороды в качестве нетоксических компонентов при производстве домашних холодильников. Торговое название – фреоны (DuPont) отличались рядом уникальных свойств. Они были негорючими компонентами, не вызывали коррозии металлов. Но самое главное, они кипели при комнатной температуре и легко переходили из жидкого в газообразное состояние и обратно (табл.8.2). В силу этих свойств фреоны быстро заменили ядовитый аммиак и диоксид серы, которые применялись в качестве охлаждающих жидкостей (хладоагентов).

Таблица 8.2

Химические свойства некоторых хлорфторуглеводородов

Название

Формула

Давление пара (атм)

Температура кипения, оС

-13оС

27оС

Фреон--11

CFCl3

0,22

1,12

23,8

Фреон--12

CF2Cl2

1,93

6,75

-29,8

Фреон--113

CFCl2CClF2

0,08

0,47

47,4

 

 

Помимо холодильной техники фреоны широко применяются при производстве аэрозолей (пропелленты), вспенивающих веществ при производстве пенополиуретанов, в электронной промышленности для очистки деталей электронного оборудования. Сюда относятся трифторметан – R11, дихлордифторметан – R12, хлордифторметан – R22, дихлорфторэтан – R141b, пентафторэтан – R125, тетрафторэтан – R134a.

Фреон--12 долгое время был основным хладоагентом в домашних холодильниках, а фреон--22 – в домашних кондиционерах. Фреон--11 используется в производстве пластмасс. Наибольшей способностью воздействовать на озон стратосферы обладают фреон--11 и фреон--12, наименьшей – фреон--125 и фреон--134a. Особенно существен вклад в загрязнение воздушной среды фреонов, используемых в качестве пропеллентов для аэрозольных упаковок. В таблице 8.3 представлены данные об озон разрушающей активности основных фреонов.

Таблица 8.3

Озоноразрушающий потенциал некоторых соединений

Название

Разрушающий потенциал, усл.ед.

Продолжительность жизни, лет

Фреон--11

1

75

Фреон--12

1

111

Фреон--113

0,8

90

Фреон--114

1

185

Фреон--115

0,6

380

Четыреххлористый углерод

1,06

50

Галон 1301

10

110

HCFC--22

0,05

20

 

В настоящее время мировое производство фреонов превышает 1 млн тонн в г. (рис.8.3). Подсчитано, что около 85% фреона--11 и 12, произведенных к настоящему времени, уже попали в атмосферу. В последние 15 лет ежегодный общемировой выброс в атмосферу фреона--12 находился в диапазоне 350--500 тыс. тонн, фреона--11 – 250-400 тыс. тонн.

Фреоны - долгоживущие молекулы (в атмосфере могут находиться до нескольких сотен лет), не растворимы в воде, летучи. В области экватора, из--за наличия мощных восходящих потоков воздуха, фреоны могут попадать в стратосферу. Там, также под действием УФ, от фреонов отделяется атомарный хлор, который, взаимодействуя с озоном, образует молекулярный кислород и активный ClO. Взаимодействие последнего с атомарным кислородом приводит к образованию кислорода и вновь атома хлора, который продолжает процесс разрушения озона (рис. 8.4).

Четыреххлористый углерод (CCl4) . Широко применяется в химической промышленности.

Расчеты показывают, что один атом хлора способен разрушить до 10 000 молекул озона. Это приводит к образованию так называемых  озоновых дыр (рис. 8.5).

II. Соединения брома.

Некоторые из этих компонентов производятся в промышленных масштабах. Сюда относятся так называеме «галоны» (например, CF3Br), действующее вещество химических огнетушителей, а также метилбромид, используемый в сельском хозяйстве как фумигант. При этом следует учитывать, что атомы брома являются в 50 раз более активными в разрушении озона, чем другие соединения.

III. Соединения азота (NOx).

Эти компоненты образуются при распаде химического стабильного N2O при посредстве почвенных микроорганизмов. NO и NO2  имеют дополнительные электроны, следовательно являются свободными радикалами и весьма активны. Хотя их концентрация невелика, за время своего существования способны разрушить тысячи молекул озона.

Помимо этого, источниками оксидов азота в стратосфере являются реактивные самолеты, пуски ракет, а также использование азотных удобрений в сельском хозяйстве и сжигание ископаемого топлива.

IV. Соединения водорода.

К этой группе соединений можно отнести гидроксиды – ОН-. Их источниками являются реактивные самолеты, выбрасывающие при сжигании топлива пары воды, а также пары воды, попавшие  из тропосферы.

V. Соединения серы. Одним из мощных источников серы в стратосфере является  вулканическая деятельность.

Согласно заключению Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA), разрушение стратосферного озона зависит от трех главных факторов: общей суммы атомов хлора и брома в стратосфере, длины холодного периода, когда температура в стратосфере опускаются ниже –78оС (этот период составляет приблизительно 4 месяца), способствуя формированию так называемые «замороженных облаков», а также наличия сильных полярных вихрей. Именно кристаллы льда облегчают освобождение хлора и брома, которые играют роль катализаторов при разрушении озона.

Озоновые дыры - явление, в основном, антарктическое. Они увеличиваются весной и имеют антропогенное происхождение. Согласно данным Всемирной метеорологической организации ООН в ближайшем будущем будет происходить расширение озоновой дыры над Антарктидой. Данные, полученные из 4--х станций наблюдения, расположенных на этом континенте свидетельствуют о том, что толщина озонового слоя составляет 20--35% от слоя, обнаруженного в 1964-1976 гг., т.е. до обнаружения явления уменьшения концентрации озона. Самых больших размеров озоновая дыра достигла в 1998 году, когда ее площадь составляла 12 млн. кв. км.

В северном полушарии несколько иные условия. В среднем зима в северном полушарии продолжается 68 дней, а это недостаточно для переохлаждения воздуха. Максимальный период существования «замороженных облаков» в северном полушарии за все время наблюдения составлял 79 дней (зима 1988-1989 гг.). Тем не менее, в холодные годы замороженные облака могут существовать значительно более длинный промежуток времени. Следовательно, угроза северной озоновой дыры будет по--прежнему оставаться актуальной.

Разрушение защитного экрана повлечет за собой увеличение доли УФ, особенно УФВ, достигающего поверхности Земли. Расчеты показывают, что уменьшение общего содержания озона на 1% приводит к увеличению интенсивности УФИ на 1,4-2,5%. В настоящее время имеется общая тенденция к уменьшению концентрации этого газа в стратосфере (рис. 8.6).

Это может быть сопряжено:

· с ростом заболеваемости раком кожи. Установлено, что снижение концентрации озона на 1% будет вести к увеличению числа злокачественных заболеваний кожи на 4% и это явление зависит от географической широты (рис. 8.7, 8.8);

· с увеличением числа катаракт;

· со снижением устойчивости к инфекционным заболеваниям;

· 

.

 
для акваэкосистем - с гибелью морского фитопланктона, - основы пищевой цепочки для всех антарктических животных.

Дело в том, что океаническая пищевая цепочка начинается с так называемого микрослоя, водного слоя толщиной всего 50 мк. Это весьма тонкий слой, в 8 раз меньше точки, поставленной в конце данного предложения. Тем не менее, в нем концентрируется планктон, который является источником энергии для большинства гидробионтов. И именно этот слой больше всего поглощает УФ излучения.

В связи с описанным весьма актуальным является знание методов  снижения риска возникновения злокачественных новообразований кожи от действия УФ. К ним следует отнести ряд важных мероприятий.

1. Ограничивать время нахождения на солнце, особенно между 10:00 и 16:00 часами. Чем короче тень, тем разрушительнее действие солнечных лучей. Это пиковые часы и для ультрафиолетовой активности.

2. Помнить об отражающей способности УФ. Солнечный свет сильно отражается от песка, снега, льда и бетона, что может увеличивать повреждающее действие УФ от 10 до 50%.

3. Защищать орган зрения. Следует носить только стеклянные, солнцезащитные очки, которые отфильтровывают до 100 % ультрафиолетового света.

4. Необходимо учитывать, что загар, полученный в соляриях не имеет защитного эффекта от естественного солнечного УФ--излучения.

5. Использовать солнцезащитные кремы. Эти средства характеризуются определенным значением солнечного защитного фактора (sun protection factor - SPF), которое представляет собой отношение МЭД, для защищенной и незащищенной косметическим средством коже. На этот фактор необходимо умножать время безопасного загара.  Кремы следует наносить за 15-30 мин перед принятием солнечных ванн и повторять нанесение каждые два часа или после купания. Солнцезащитный крем с SPF 15 отфильтровывает приблизительно 94% УФВ. Крем с SPF--30-97%. Защитная активность касается, в основном, УФВ. Эффект против УФА в химических солнцезащитных кремах мал и составляет лишь 10% от поглощения в более коротковолновой области.

Имеются два типа солнцезащитных кремов: с химическим и физическим эффектами. К первым из них относятся изделия, которые содержат от 2 до 5% бензофенона или его производных (оксибензон, бензофенон--3). Бензофенон - один из наиболее мощных генераторов свободных радикалов. Используется в химической промышленности для инициации химических процессов. Поглощая УФ--излучение, это соединение распадается на две части, что и приводит поглощению энергии квантов. Нежелательным эффектом является то, что образующиеся два сводобно--радикальных фрагмента могут запускать цепочку окислительных реакций в коже, что может вести к повреждению ее клеток.

Солнцезащитные кремы с физическим эффектом содержат в своем составе инертные соединения типа диоксида титана, окиси цинка или талька. Их присутствие ведет к отражению ультрафиолетовых (УФА и УФВ) лучей.

Тем не менее, не следует полагаться лишь на один протекторный эффект солнцезащитных кремов для предупреждения рака кожи. Гораздо более эффективен умеренный, правильно полученный естественный загар.

6. Необходимо обеспечить поступление в организм достаточного количества витаминов и b--каротина. Недавнее исследование показало, что прием 30 мг b--каротина в день предупреждает подавление иммунной системы человека УФА. Рекомендуются ежедневные дозировки витамина С до 1 грамма, 800 IU витамина E и 200 микрограммов селена.

7. Пациенты с повышенным фактором риска развития онкологических заболеваний кожи должны ежегодно обследоваться дерматологом. Появления новых родимых пятен, потеря ими четких границ, изменяющаяся пигментация, зуд и кровоточивость сигнал для немедленного обращения к онкологу.

Различными странами принимаются меры для решения этой экологической глобальной проблемы.

Так, например, Конференция полномочных представителей по охране озонового слоя в 1985 г. приняла «Венскую конвенцию по охране озонового слоя», которую подписало большинство стран мира (рис. 8.9).

В сентябре 1987 года был принят «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой». Согласно ему, к 2000 году индустриально развитые страны должны прекратить производство и использование озоно--активных соединений. Помимо этого, им нужно оказать помощь развивающимся странам в постепенном отходе от технологий, использующих хлорфторуглеводороды.

Примером этого является отказ от фреонов и переход на использование гидрохлорфторуглеводродов (HCFC). Эти соединения очень похожи на фреоны, но содержат атомы водорода и, следовательно, менее устойчивы в атмосфере. Подавляющая часть HCFC реагирует в нижних слоях атмосферы с  радикалом гидроксида, образуя воду и органические радикалы, которые фотоокисляются до водорастворимых продуктов и выводятся из тропосферы с осадками.

Исключают фреоны и из технологических процессов в электронной промышленности. Так для очистки электронных компонентов в настоящее время применяют детергенты или растворители на основе терпенов.

В целом, в мировом производстве озоно--активных веществ наблюдается устойчивая тенденция к понижению (рис. 8.10).

8.4. Тропосфера

Неблагоприятные изменения происходят и в тропосфере, где сосредоточена вся наземная жизнь. В результате деятельности человека атмосферный воздух постоянно загрязняется. Источники загрязнения атмосферы делятся на природные и антропогенные.

К природным источникам относят:

· космическую пыль;

· выбросы при извержении вулканов;

· пыль от выветривания горных пород;

· пыльные бури.

Источниками антропогенного происхождения являются:

· выхлопные газы транспорта;

· выбросы от сжигания ископаемого топлива;

· промышленные выбросы;

· сельское хозяйство (использование удобрений, ядохимикатов).

Основные источники и качественный состав основных загрязнителей в воздушную среду представлены на рис. 8.11 и 8.12.

Контаминанты имеют различную продолжительность нахождения в тропосферном слое воздуха. Их продолжительность жизни зависит от многих причин: способностью вступать в химические реакции, от конвекционных свойств воздуха и др. (рис. 8.14).

8.4.1. Автотранспорт. Оксиды углерода и азота. Фотохимический смог.

Выхлопные газы автотранспорта представляет собой смесь более 200 химических соединений, в том числе токсических и канцерогенных.

Оксид углерода (угарный газ - СО).  Оксид углерода бесцветный, лишенный запаха газ. Конкурирует с кислородом при связывании с гемоглобином. Механизм его действия заключается в следующем:

· способствует образованию карбоксигемоглобина (СОНb), что ведет к нарушению транспорта кислорода к тканям;

·  вызывает цитотоксическое действие путем торможения активности цитохромоксидазы;

· снижает кислородную емкость пула миоглобина;

· тормозит активность других гемсодержащих ферментов – каталазы, пероксидазы, что усиливает цитотоксический эффект.

Оксид углерода обладает в 300 раз большим сродством к гемоглобину, чем кислород. Поэтому даже небольшие его концентрации способны оказывать воздействие на человека. Средний период полураспада COHB - 320 мин. Повышение парциального давления О2 на одну сотую процента во вдыхаемом воздухе уменьшает этот показатель до 80 мин. Эмбриональный гемоглобин связывает СО с большей аффинностью, чем гемоглобин A. При этом уровень эмбрионального карбоксигемоглобина уменьшаются намного медленнее, чем у матери, что может объяснять случайную внутриутробную смерть плода.

Наибольшие концентрации СО формируются в больших городах, особенно вдоль дорог с интенсивным движением. Симптомы воздействия зависят от концентрации карбоксигемоглобина в крови. При пребывании в среде с 500 ppm СО в течение 1 часа происходит 20% насыщение гемоглобина крови. Концентрации в 1500 ppm представляют опасность для жизни. При содержании СО во вдыхаемом воздухе, которая составляет лишь 1/3000 часть содержания О2 (т.е. 0,07 об% СО в воздухе), уже 50% гемоглобина превращается в HbСО. Согласно нормам, принятым в ряде стран мира уровни оксида углерода не должны превысить 9 ppm (усредненные по 8--часовому интервалу) и 20 ppm в пиковый период.

При 20% насыщении гемоглобина у здорового человека наблюдаются головная боль, слабые поведенческие изменения, понижение работоспособности, снижение памяти. В диапазоне 20-50% отмечается сильная головная боль, тошнота, слабость и психические нарушения. Выше 50% имеет место потеря сознания с угнетением сердечного и дыхательного центра аритмия и падение артериального давления в результате расширения периферических сосудов.

Наиболее чувствительны к окиси углерода лица с заболеваниями мозговых, коронарных и периферических сосудов. Например, боли в сердце, вызываемые умеренной физической нагрузкой у таких больных, ускоряются при концентрации окиси углерода в крови 2,5-3%.

Глава8

По данным ВОЗ прирост частоты госпитализации и/или обращаемости по поводу заболеваний сердца (в возрасте 65 лет и более), выражается в виде отношения:

где Y - дополнительное число случаев госпитализации, выраженное на численность населения, СО - концентрация оксида углерода в мг/м3.

Глава8

Изменение содержания карбоксигемоглобина (ΔСO,%) в крови, при увеличении концентрации оксида в воздухе характеризуется следующей зависимостью:

У курильщиков уровень эндогенного насыщения гемоглобина СО составляет приблизительно 5-15% и, следовательно, симптомы отравления у них могут развиваться быстрее, чем у некурящих. У курящих матерей этот токсикант легко проникает через плаценту и индуцирует нейротоксическое воздействие на мозг плода, что может проявляться в последующей патологии у новорожденных.

Согласно рекомендациям ВОЗ получасовая концентрация СО не должна превышать концентраций, указанных в следующей таблице.

 

Средняя концентрация СО, мкг/м3

Период усреднения

100

15 мин

60

30 мин

30

1 час

10

8 час

 

Диоксид углерода - СО2. Приблизительно 70% общего количества CO2 попадают в атмосферу при сжигании топлива (нефть, газ, уголь). Остальное количество обусловлено метаболизмом организмов, вырубкой лесов, интенсивным ведением сельского хозяйства. С накоплением СО2 в атмосфере (а также других газов) связывают возникновение «парникового эффекта».

Это явление связано с тем, что значительная часть проходящего через атмосферу инфракрасной области солнечного спектра отражается от земной поверхности. Из--за большой длины волны эта часть отраженной радиации частично поглощается двуокисью углерода, водяными парами, метаном, двуокисью азота и озоном тропосферы, другая часть заново отражается к земле. В силу этого обстоятельства поверхность земли еще более нагревается. Этот феномен и получил название «парникового эффекта».

Как указано выше, наибольший вклад в описанный эффект вносит двуокись углерода. В настоящий момент концентрация СО2 в атмосфере составляет 275 ppmv (0,034%). Она увеличивается приблизительно на 1,6 ppmv или на 0,5% в год. За XX столетие концентрация СО2 возросла на 20%.

Метан (CH4) образуется в результате деятельности анаэробных микроорганизмов. Главные источники его - заболоченные земли, тундра, термитники, добыча и использование природного газа, горение биомассы и угольная промышленность. В 1985 году средние концентрации метана в атмосфере составляли 1,7 ppmv в Северном и 1,6 ppmv в Южном полушарии (в доиндустриальную эпоху 0,8 ppmv). Ежегодное увеличение этого компонента составляет приблизительно 1%.

Средняя глобальная концентрация двуокиси азота в 1985 году составляла 310 ppbv с небольшими географическими вариациями. Период нахождения в атмосфере - 150 лет. Ежегодный прирост составляет 0,2-0,3%. Главный естественный источник - процессы нитрификации в почве. Антропогенное происхождение связано со сжиганием топлива и использованием азотных удобрений.

В парниковый эффект свой вклад вносит и тропосферный озон. Расчеты указывают, что увеличение концентрации тропосферного озона на 50% будет сопровождаться увеличением температуры приблизительно на 0,3о С.

Существуют прямые доказательства повышения глобальной температуры на планете.

В 1994 году исследователи обнаружили повышение температуры глубинных вод Индийского океана на 0,5оC по сравнению с той температурой, которая была зарегистрирована 20 лет назад. Это был третий океан, в котором наблюдалось повышение температуры воды. В 1992 было сообщено о повышении температуры юго--западной части Тихого океана на 0,5оC. В начале 1994 также было сообщено, что нагревается Северная Атлантика. В 1995 году была измерена температура под Арктическими льдами. Нагрев составил также 0,5оC. Впервые за миллионы лет в районе Северного полюса появилось открытое водное пространство.

Другой пример глобального повышения температуры - сообщение о смещении в Альпах границы ареала распространения некоторых разновидностей растений. Их перемещение в более прохладные зоны идет вверх со скоростью примерно 4 метра в десятилетие.

Третье доказательство - тот факт, что количество полярных льдов за последние 15 лет сократилось приблизительно на 6%. Снеговое покрытие в северном полушарии сократилось на 8% с 1973 года.

Подсчитано также, что с 1880 года уровень всемирного океана повысился от 9 до 25 см.

Расчеты климатологов показывают, что при нынешнем темпе загрязнения атмосферы средняя глобальная поверхностная температура на Земле к 2030 году может увеличиться на 1,5-4,5о С. Это увеличение должно больше всего проявиться в высоких широтах Северного полушария, где температура может повыситься на 8-10 градусов C.

Парниковый эффект будет сопровождаться определенными негативными последствиями. Согласно принятой прогнозной модели, границы тропиков могут расшириться и перекрыть существующие субтропические области, часть же текущих зон с умеренным климатом может стать субтропическими.

Во--вторых, из--за расширения объема океана и таяния полярных льдов произойдет повышение уровня мирового океана на 0,10-0,32 м. Если льды Антарктики полностью растают, уровень мирового океана должен повысится на 74 метра.

Вполне вероятно возникновение чрезвычайных климатических событий (засух, ураганов, муссонов). Возможно усиление годовых колебаний температуры воздуха с установлением более низких температур в зимние месяцы.

К 2050 году ожидается увеличение интенсивности ультрафиолетовой радиации примерно на 20-25%, главным образом за счет УФВ.

Климатические изменения должны развиваться постепенно на протяжении нескольких десятилетий.

Изменения температуры могут оказывать на человека непосредственное воздействие, а также косвенное, через экосистемы, агроэкосистемы, питьевую воду, атмосферный воздух, продукты питания и др.

Повышение глобальной температуры приведет к гибели лесов в силу того, что они не могут быстро приспосабливаться к изменяющимся условиям. Погибающие леса освободят большие количества двуокиси углерода. Последняя, в свою очередь, ускорит глобальное потепление и разрушение еще большего количества лесов.

В результате глобального потепления Россия, Канада и Скандинавские страны могут лишиться до 70% своих нынешних видов флоры и фауны. С другой стороны, такие страны как Монголия могут пережить беспрецедентный демографический взрыв фауны.

Непосредственные эффекты действия измененных климатических факторов могут при повышении температуры приводить к увеличению объема крови, увеличению активности свертывающей системы крови (из--за увеличения концентрации фибриногена), увеличению кровяного давления и др.

Естественно, что у человека существуют детерминированные адаптационные механизмы в виде функционирующей терморегулирующей системы, которая до некоторой степени позволяет приспособиться к измененным метеорологическим условиям. Однако глобальное повышение температуры заставит системы терморегуляции работать с напряжением. В свою очередь это потребует перенапряжения системы циркуляции крови, которая очень тесно связана с системой терморегуляции. У индивидуумов, имеющих заболевания системы кровообращения (стенокардия, цереброваскулярная патология) дополнительное напряжение, вызванное повышенной температурой, может сопровождаться увеличением заболеваемости и смертности. На рис. 8.14 показана, к примеру, зависимость между общей смертностью и температурой окружающей среды. В США ежегодно от низких температур погибает примерно 1000 человек, в то время как от повышенных температур в 2 раза больше.

Метеорологические условия оказывают большое значение на процесс загрязнения атмосферного воздуха, особенно в условии городских экосистем. Установлено, что при повышении температуры воздуха на 2ºС создаются условия для лучшего (на 5%) образования тропосферного озона (см. ниже). Следовательно, в условиях повышенных температур увеличится заболеваемость и смертность от патологии легких.

Прогнозируется увеличение числа аллергических заболеваний. Глобальное потепление будет иметь воздействия на лесные экосистемы, заболоченные земли, что увеличит концентрацию в воздухе аллергенов типа пыльцы, спор и др.

Из--за глобального повышения температуры прогнозируется увеличение числа желудочно--кишечных заболеваний, связанное с хранением продовольственного сырья, так как во влажных условиях будет стимулироваться рост бактерий, грибов и увеличиваться загрязнение пищевых продуктов ядовитыми соединениями типа афлатоксинов.

Согласно прогнозам должно увеличиться число инфекционных и паразитарных заболеваний (рис. 8.15). Показано, что повышение температуры способствует распространению москитов типа Aedes albopictus, являющихся в Юго--Восточной Азии переносчиком геморрагической лихорадки. Anopheles – передаточное звено Plasmodium falciparum участвуют в распространении малярии при температуре воздуха не меньше 16 градусов С. Цикл развития P. falciparum при температуре 20ºС составляет 26 дней, при 25 градусах укорачивается до 13 дней.

Расширение климатических условий, благоприятных для развития шистосомоза, будет вести к существенному увеличению ареала этого заболевания, которое тесно связано с орошаемым сельским хозяйством.

Аналогичная ситуация может сложиться и по заболеваемости африканским трипаносомозом, лейшманиозом, так как повышение температуры и влажности - благоприятные факторы размножения мухи «цеце», ракообразных,  играющих важную роль в передаче этих заболеваний.

Увеличение глобальной температуры будет связано с засухами, сокращением запасов питьевой воды и серьезными изменениями сельского хозяйства. В менее развитых странах Африки и Азии это может быть связано с недоеданием у населения и увеличенной восприимчивостью к разнообразным инфекционным болезням. В настоящее время, по оценке Мирового Банка, по крайней мере, 100 миллионов жителей Африки испытывают недостаток продовольствия. Глобальное потепление еще больше усугубит эту ситуацию.

Так как глобальное повышение температуры приведет к затоплению прибрежных районов, произойдет значительное перемещение людских масс, что обострит многие из проблем, с которыми сталкиваются в городах.

Последовательность возможных изменений, связанных с парниковым эффектом, суммирована на рис. 8.16.

В 1988 г. Генеральная Ассамблея ООН приняла резолюцию о «Сохранении глобального климата для нынешнего и будущих поколений человечества». Для выполнения этого необходимо уменьшить выбросы СО2, снизив потребление энергии от ТЭС, увеличить выработку энергии за счет солнца, ветра, АЭС, прекратить вырубку лесов, проводить масштабное озеленение.

Оксиды азота (NOх). Помимо выбросов автотранспорта, в которых содержание газа может доходить до 1000 мг/м3, эти соединения попадают в атмосферу из природных источников:

· при грозовых разрядах и молниях;

· при горении биомассы;

· в процессах денитрификации.

В качестве других антропогенных источников фигурируют:  производство красок, а также нитроцеллюлозы.

Для экологически благополучных районов естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м3 (Арктика). В средних широтах  – 1,23 мкг/м3, что существенно ниже ПДК, равного 40 мкг/м3.

Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, если температура превышает 1000°С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота NО, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид NO2 и тетраоксид диазота N2O4. Первоначально образующийся диоксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид – гораздо более опасное соединение.

Оксид азота (NO) – газ не имеющий запаха. Его воздействие ведет к метгемоглобинообразованию, агрегации тромбоцитов и вазодилятации. В присутствии кислорода воздуха NO быстро превращается в диоксид азота.

Диоксид азота – газ с резким, раздражающим запахом, окрашенный в коричневый цвет (обонятельный порог 0,12 ppm). При контакте с влажной тканью легких образуются азотная кислота, что и ведет к патологии легких (трахеобронхиты, токсические пневмонии, вплоть до токсического отека легких). Патологии способствует повреждение диоксидом азота эластиновых и коллагеновых волокон соединительной ткани. Диоксид азота способен вызывать развитие аллергических реакций к другим веществам; усиливать восприимчивость к инфекционным заболеваниям легких, потенцирует бронхиальную астму и другие респираторные заболевания. Это особенно касается детей. Длительное воздействие высоких концентраций диоксида азота может приводить к хроническому воспалению ткани легких, которое по признакам напоминает эмфизему.

Добровольцы, получавшие ослабленный вирус гриппа наряду с воздействием диоксида азота, были более восприимчивы к вирусной инфекции, чем группа лиц, на которую не воздействовали диоксидом азота.

Глава8

По данным ВОЗ при увеличении среднесуточной концентрации на 30 мкг/мЗ число заболеваний нижних дыхательных путей у детей в возрасте 5-12 лет возрастает на 20%. В случае хронического воздействия данного газа для расчета прироста частоты случаев заболеваний органов дыхания у детей в возрасте 6--7 лет используется уравнение:

где: Y - прирост числа случаев, выраженное на численность популяции, NO2 - концентрация диоксида азота в мкг/м3; k - коэффициент для мальчиков =1, для девочек = 0.

При увеличении среднесуточной концентрации диоксида азота на 10 мкг/м3 продолжительность приступов обострения заболеваний верхних дыхательных путей (в частности, бронхиальной астмой) возрастает на 6,5%.

Помимо этого диоксид азота (NO2)обладает способностью:

· блокировать тиоловые группы ферментов, подавляя тканевое дыхание;

· снижать активность холинэстеразы;

· оказывать эмбрио-- и гонадотоксическое действие;

· нарушать обмен витаминов группы С и В.

У растений NO2 нарушает фотосинтез и клеточный обмен.

Особенно опасную форму принимает загрязнение атмосферы оксидами азота при образовании так называемого фотохимического смога (происходит от 2 английских слов Smoke [дым] + Fog [туман] = Smog).

Для его формирования необходимы следующие условия:

· температурная инверсия;

· солнечный свет;

· присутствие оксидов азота;

· наличие органических соединений в воздухе.

Температурная инверсия связана с застоем воздуха в силу тех обстоятельств, что слой теплого воздуха нависает над холодным приземным, задерживая конвекцию газов. Это возможно после определенных метеоусловий, связанных с перемещением холодных воздушных масс. При этом особую важность приобретает рельеф местности, когда холодный воздух с возвышенности спускается в более низменную местность. При этом диоксид азота, поглощая УФ--излучение солнца, диссоциирует на оксид азота NO и атомарный кислород (О), который соединяясь с молекулой О2, образует тропосферный озон, один из сильнейших окислителей. Наиболее благоприятное время для развития смога – 10-16 часов дня в силу того обстоятельства, что в эти часы наиболее интенсивно УФ--излучение (рис. 8.17).

Помимо этого, при одновременном присутствии в воздухе органических соединений, типа углеводородов запускается цепь сложных химических реакций, в результате которых образуются альдегиды, кетоны, свободные радикалы, пероксиды (например, пероксиацетилнитрат, являющийся сильным лакриматором). Вновь образованные вещества или фотохимические окислители по токсичности превосходят исходные продукты.

Озон - газ с высокой токсичностью. В нижний слоях тропосферы его концентрация может находиться между 0,004 и 0,2 мг/м3. Период полураспада О3 в тропосфере весьма короток (7 мин).

На основе высокой реактивности озона, точка его приложения - повреждение ткани легких. В клетках О3 может явиться причиной разнообразных нарушений: в липидных структурах мембран индуцируется перекисное окисление, белки (ферменты, структурные и рецептурные белки), а также гиалуроновая кислота подвергаются окислению, что сопровождается изменением функциональной активности клеток.

Токсическое воздействие О3 происходит при ингаляции в течение 1-2 часов воздуха с концентрацией озона 2-10 мг/м3. Оно сопровождается раздражением слизистых глаз и дыхательного тракта. Следствие этого - слезотечение, цианоз и нарушение дыхательной функции легкое (диспноэ, токсический отек легких, уменьшение жизненной емкости легких). Вдыхание даже 0,2 мг О33 в течение 1-2 часов может привести у человека к рези в глазах, раздражению носоглотки. Дети более чувствительны к озону, чем взрослые.

Хроническое поступление 0,5-1 мг О33 может привести у человека к эмфизематозным и фибротическим изменениям ткани легкого, гиперплазии альвеолярных клеток. Из--за торможения образования в активированных макрофагах весьма токсичных для бактерий супероксидных радикалов и снижении цилиарной функции клеток эпителия, увеличивается опасность последующих инфекционных заболеваний.

На рис.8.18 показана структура нормальной газообменной области легкого. Видны очень тонкие стенки нормальных альвеол. Лишь два слоя слеток и тонкая прослойка интерстициального матрикса отделяют альвеолы от жидкой фазы кровеносных сосудов. Клетки, которые выстилают альвеолы, называются пневмоцитами. Это обеспечивает очень большую поверхность, поперек которой газы могут эффективно транспортироваться в противоположных направлениях.

На рис. 8.19 показан эффект воздействия озона в концентрации 0,2 ppm в течение 4 часов. В некоторых крупных городах уровни загрязнения озоном в летние дни могут приближаться к 0,2 ppm. Очевидно присутствие дополнительных клеток, называемых макрофагами и некоторого материала, который представляет собой фрагменты поврежденных озоном альвеолярных пристеночных клеток.

Более обширные повреждения происходят после воздействия озона в концентрации 0,6 ppm (рис. 8.19). Альвеолярные стенки более толстые и имеются доказательства пенетрации в них клеток. В альвеолярном пространстве присутствует большее количество макрофагов. Происходит замена обычных клеток на кубические клетки, которые являются более стойкими к ядовитым эффектам озона. Все эти изменения происходят в пределах 48 часов после его воздействия.

Американским Управлением по охране окружающей среды (EPA US) рекомендовано, чтобы уровень озона в городах не превышал концентрации в 0,08 ppm, усредненной в течение 8--часового периода. При превышении озоном этого уровня, рекомендуется ограничивать пребывание на открытом воздухе детей и взрослых, чья деятельность или образ жизни характеризуются повышенной физической активностью, людей, имеющих патологию органов дыхания (бронхиальную астму) и других индивидуумов с повышенной чувствительностью к этому газу.

В табл. 8.2 приведена шкала степени загрязнения воздуха городских экосистем, принятая в ряде стран мира и необходимые мероприятия для различных групп населения.

Таблица 8.2.

Шкала концентраций озона

Качество воздуха

Меры воздействия

8-часовая усредненная концентрация озона, ppm

Индекс качества воздуха

Хорошее

Отсутствие воздействия

0-0,064

0-50

Измененное

Индивидуумам с повышенной чувствительностью необходимо ограничить пребывание на открытом воздухе

0,065-0,084

51-100

Частично плохое

Играющим детям, спортсменам, людям с хроническими респираторными заболеваниями необходимо ограничение пребывания на открытом воздухе

0,085-0,104

101-150

Плохое

Играющим детям, спортсменам, людям с хроническими респираторными заболеваниями (астма) необходимо избегать длительного пребывание на открытом воздухе.

0,105-0,124

151-200

Очень плохое

Всем категориям населения необходимо избегать нахождения на открытом воздухе.

>0,125

201-300

 

Другие компоненты фотохимического смога также обладают раздражающим эффектом на слизистую глаз, верхних дыхательных путей, способствуют развитию аллергического конъюнктивита, вызывают сухость слизистых, аллергический ринит, обострение хронического синусита, насморк (рис.8.20). Со стороны легких может отмечаться затруднение дыхания, кашель, одышка, отделение мокроты. Возможно появление астатических приступов, развитие гиперчувствительной пневмонии, бронхита, пневмоний, вызванные Legionella и Aspergillus и др. Со стороны кожи – сухость кожи, раздражение, высыпания на коже. Общие признаки включают ухудшение общего самочувствия, повышенную усталость, неопределенные жалобы пациента, тошноту, обострение респираторных заболеваний. Рентгенологически регистрируется ограничение дыхательной активности легких.

Компоненты смога - сильные фитотоксины для растений. Озон легко проникает в хвою или листья в процессе дыхания растений, нарушая процесс фотосинтеза.

Для предотвращения загрязнения атмосферы соединениями азота был принят межгосударственный «Протокол об ограничении выбросов оксидов азота или их трансграничных потоков к конвенции 1979 года о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния».

В 1988 г. в Софии был подписан «Протокол об ограничении выбросов окислов азота».

Свинец. Ежегодно в атмосферный воздух выбрасывается около 300 тыс. т. свинца. Свинец вводится в автомобильный бензин в виде антидетонатора - тетраэтилсвинца, соединения, снижающего скорость сгорания бензино--воздушной смеси.

В Европе свинец содержится в средней концентрации в воздухе около 1 мкг/м3 (максимальное значение = 100 мкг Pb/м3 воздуха). Свинец--содержащие аэрозольные частицы резорбируются преимущественно в легких (70%). Оседая на почве, свинец смывается осадками (дождь, снег), переходит в воду,в том числе и в питьевую. Вследствие этого, механизм действия свинца на организм человека описан в гл 9.

Наиболее оптимальным выход из создавшегося положения по загрязнению биосферы свинцом является замена этого соединения свинца в автомобильном топливе на другой антидетонатор. В настоящее время в качестве такого вещества стали применять органические соединения марганца.

Кадмий. Еще один компонент автомобилизации - кадмий. Его источником являются  продукты износа автомобильных шин. В их состав входят окись цинка (до 2%), кадмий, медь и свинец. Кроме того, даже в продуктах сгорания неэтилированного бензина присутствует кадмий. Как и для свинца, кадмию присущ водный путь распространения. В силу этого, механизм действия кадмия также описан в главе 9.

Основными способами снижения воздействия на человека продуктов выбросов автотранспорта являются следующие:

· повышение экономичности двигателей, т.е. уменьшение количества потребляемого топлива;

· улучшение конструктивных особенностей автомобилей (уменьшение коэффициента лобового сопротивления встречному потоку воздуха);

· оптимизация работы автомобильных двигателей (проверки на содержание СО, оборудование машин катализаторами). По существующим нормам допускается содержание CO в выхлопных газах легкового автомобиля до 1,5%.

Функция катализаторов состоит в реакциях конвертирования продуктов неполного сгорания автомобильного топлива:

2CO + 2 NO ® N2 + 2 CO2

2H2 + 2 NO ® N2 + 2 H2O

2 CO + O2 ® 2 CO2

2 SO2 + O2 ® 2 SO3;

· увеличение числа экологически более чистых дизельных двигателей. Они выбрасывают меньшее количество токсичных продуктов (табл. 8.3);

· правильная организация  автомобильного движения в городах;

· изыскание других видов топлив (спирт, водород, электроэнергия).

8.5. Продукты сжигания ископаемого топлива. Оксиды серы. Кислотные дожди.

В атмосфере крупных промышленных городов в значительных количествах содержатся соединения серы - SO2 , H2S, сульфатные частицы. Сера попадает в атмосферный воздух в результате естественных процессов, а также антропогенной деятельности.

Естественные источники соединений серы:

· вулканическая деятельность;

· жизнедеятельность анаэробных бактерий;

· диметилсульфит - серосодержащее вещество, выделяющееся с поверхности вод Мирового океана.

Антропогенные источники:

· сжигание ископаемого (уголь, мазут). Содержание серы в них колеблется от 0,5 до 6%;

· производство цемента;

· химическая и нефтеперерабатывающая промышленность;

· металлургическая промышленность.

Естественная фоновая концентрация SО2 в атмосфере достаточно стабильна, включена в биогеохимический круговорот и для экологически благополучных территорий равна 0,39 мкг/м3 (Арктика). В средних широтах  – 1,28 мкг/м3. Эти концентрации значительно ниже принятого в мировой практике предельно допустимого значения (ПДК) по SО2, равного 15 мкг/м3.

Таблица 8.3.

Сравнительная характеристика карбюраторного (бензинового) и дизельного двигателей

Компонент, об/%

Двигатель

карбюраторный

дизельный

Азот

74-77

76-78

Кислород

0,3-0,8

2-18

Водяной пар

3,0-5,5

0,5-4,0

Диоксид углерода

5,0-12,0

1,0-10,0

Оксид углерода

0,5-12,0

0,01-0,5

Оксиды азота

0-0,8

0-0,5

Углеводороды

0,2-0,3

0,01-0,5

Альдегиды

0-0,2

0-0,01

Сажа, г/м3

0-0,4

0,01-1,1

Бенз[a]пирен, мкг/м3

До 20

До 10

 

При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 тыс. т. Серы, главным образом в виде диоксида (до триоксида окисляется менее 3% серы). Необходимо учитывать, что в 4–5 раз меньше окисленной серы дает сжигание мазута.

За год в атмосферу выбрасывается более 150 млн. т. диоксида серы, из них 90% выбросов за счет ТЭС и котельных.

Диоксид серы - политропный яд. Резорбируется непосредственно в верхних дыхательных путях. При интенсивном дыхании, например занятии спортом, значительная часть соединения серы достигает альвеол. Диоксид серы раздражает слизистые оболочки дыхательных путей, усиливает слезоотделение. Инкорпорированный SO2 может задерживаться в организме до одних суток вследствие связывания с белками. Основа его воздействия на организм - обратимое торможение парасимпатической нервной системы, контролирующей тонус гладкой мускулатуры дыхательных путей. Поэтому результатом его воздействия будет бронхоспазм, обострение хронических заболеваний ВДП.

Хроническое воздействие диоксида серы сопровождается утолщением мукозных мембран и ухудшением ретроградного транспорта твердых частиц за счет работы мерцательного эпителия. Даже незначительное воздействие SO2 (>0,25 ppm) ведет у чувствительных людей, особенно астматических больных, к возникновению повышенной чувствительности верхних дыхательных путей.

Помимо этого показано, что воздействие SO2 может вести к возникновению раку легкого у людей.

По данным ВОЗ увеличение среднесуточной концентрации диоксида серы на 10 мкг/м3 приводит к росту общей смертности на 0,6%, смертности от заболеваний органов дыхания на 1,2%, смертности от сердечно--сосудистых заболеваний на 0,6%. У людей в возрасте 65 лет и более прослеживается увеличение госпитализации и/или обращаемости за скорой медицинской помощью по поводу респираторных заболеваний на 0,5 % на каждые дополнительные 10 мкг/м3.

Более того, попавший в атмосферу диоксид серы  претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот (рис. 8.21). Частично это соединение в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО3:

2SO2 + O2 → 2SO3,

который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

SO3 + Н2O → Н2SO4.

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SО2*nH2O, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой Н23:

SO2 + H2O → H2SO3.

 

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:

23 + О2 → 2Н2SO4.

Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег).

Помимо этого, при сжигании топлива образуются твердые микрочастицы сульфатов металлов (в основном при сжигании угля), легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы. Показано, что за последние полвека кислотность дождевой воды увеличилась в 40 и более раз.

В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР), где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км2 выпадает около 60 т серы в год в виде кислотных осадков.

Под влиянием кислотных осадков погибают леса, разрушаются памятники культуры, архитектуры. Известняк, мел, мрамор, туф, т.е. материалы, содержащие карбонат кальция, разрушаются под действием кислотных дождей:

СаСО3 + Н24 → Са2+ + SO42–+ СО2 + Н2О,

СаСО3 + 2HNO3 → Са2+ + 2NО3 + СО2 + Н2О.

Многие скульптуры и здания в Риме, Венеции и других городах, памятники зодчества, такие, как Акрополь в Афинах, Кёльнский собор и другие, за несколько последних десятилетий получили значительно большие повреждения, чем за все предыдущее время. Под угрозой полного разрушения в результате действия кислотных осадков находятся более 50 тыс. скульптур скального «Города Будд» под Юньанем в Китае, построенного 15 веков назад.

Из бетона и других минеральных строительных материалов, а также стекла под действием кислотных дождей выщелачиваются не только карбонаты, но и силикаты. Если рН осадков достигает значений, равных 4,5–3, то ионы алюминия начинают вымываться из кристаллической решетки. С уменьшением рН интенсивно протекает разрушение силикатной кристаллической структуры, как, например, в полевом шпате (сырье для производства керамики, стекла, цемента):

3KAlSi3O8 + 12Н2О + 2H+ → КAl3Si3O10(ОН)2 + 6H4SiO4 + 2К+,

2КAl3Si3O10(ОН)2 + 18Н2О + 2Н+ → 3Al2O32О)3 + 6H4SiO4 + 2К+.

Подобным образом кислотные дожди разрушают древние оконные стекла церквей, соборов и дворцов. Старинное стекло из--за повышенного содержания оксидов щелочных и щелочно--земельных металлов более подвержено действию кислот, чем современное.

Металлы под действием кислотных дождей, туманов и рос разрушаются еще быстрее, чем строительные материалы и стекло. Корка образующегося на поверхности железных изделий гигроскопичного сульфата железа (II) окисляется кислородом воздуха, при этом образуется основная соль сульфата железа (III), являющаяся составной частью ржавчины:

2FeSO4 + Н2О + 1/2O2 → 2Fe(ОН)SO4.

Помимо этого, кислотные осадки разрушают корневую систему у растений, нарушают всасывание ими воды и питательных веществ, снижают запасы рыбных ресурсов.

На живые организмы кислотные осадки могут оказывать прямое или косвенное действие.

На растительность прямое действие оказывается в виде:

· генетических и видовых изменений;

· подавления фотосинтеза.

Косвенное действие на живые организмы может осуществляться через:

· изменение рН водоемов, ведущее к нарушению экологического равновесия в них, а затем и к гибели гидробионтов;

· нарушение кислотности почвы, которое ведет к снижению всасывания растениями ионов Са, Мg, К, т.к. возрастает их подвижность и происходит вымывание из кислой почвы, снижение всасывания фосфатного иона, т.к. в кислой почве он находится в связанном состоянии;

· изменяется состав микроорганизмов почвы, что сопровождается понижением активности редуцентов и азотфиксаторов, тем самым, обостряя дефицит биогенных элементов;

· в кислой почве повышается растворимость тяжелых металлов (Cd, Al, Cu, Hg, Pb, Mn), которые поглощаются растениями, а затем по пищевым цепочкам поступают в организм человека.

Необходимо несколько более подробно остановиться на алюминии. Этот металл в естественных условиях практически не растворим и поэтому безвреден, но под влиянием кислотных осадков, в кислой среде,  переходит в раствор.

При повышении кислотности воды (критическим порогом выживания водной биоты, например, для моллюсков является рН = 6, для окуней – рН = 4,5) в ней быстро нарастает содержание алюминия за счет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой:

Аl(ОН)3 + 3H+ → Al3+ + 3Н2О.

Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/л) смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитие фитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с алюминием, становятся малодоступными этим организмам.

Алюминий, попавший в организм человека по пищевым цепочкам, оказывает:

· прямое повреждающее действие на ядерный хроматин;

· нарушает обмен минеральных веществ;

· блокирует активные центры ферментов, участвующих в кроветворении.

Следовательно, алюминий оказывает:

· нейротоксическое;

· мутагенное и канцерогенное;

· гемолитическое действия.

Активные накопители алюминия - чайный лист, морковь, помидоры, яблоки, цветная капуста.

Для уменьшения загрязнения атмосферы оксидами серы необходимо:

· совершенствовать методы очистки топлива от серы перед сжиганием;

· производить очистку отходящих газов от этих соединений;

· вводить прогрессивные технологии производства электроэнергии.

Содержание серы в выбросах можно уменьшить, используя низкосернистый уголь, а также путем физической или химической его промывки. Первая позволяет очистить уголь от неорганических примесей серы, таких, как сульфиды металлов. С помощью второй удаляется органическая сера. Отметим, что физические методы очистки малорентабельны, а применение химических методов очистки из--за ряда технических сложностей эффективно лишь на вновь строящихся электростанциях. Для средних и малых предприятий энергетики используется метод сжигания топлива в кипящем слое, при котором удаляется до 95% диоксида серы и от 50 до 75% оксидов азота.

Хорошо разработана технология уменьшения содержания оксидов азота (на 50–60%) путем снижения температуры горения.

Перспективно использование на электростанциях в качестве топлива природного газа.

Реально заменить горючие ископаемые могут возобновимые экологически чистые энергетические ресурсы, такие, как солнечная энергия, ветер, морские приливы, термальные источники недр Земли.

Для предотвращения загрязнения воздуха соединениями серы в Хельсинки в 1985 году был принят международный «Протокол о сокращении выбросов серы или их трансграничных потоков».

Согласно рекомендациям ВОЗ концентрация диоксида серы не должна превышать значений, приведенных в следующей таблице.

 

Среднее значение концентрации, мкг/м3

Период усреднения

500

350

10 мин

1 час

 

8.6. Аэрозольные частицы.

Аэрозольные частицы могут попадать в воздух с продуктами сжигания ископаемого топлива, выхлопными газами дизельных двигателей, ходовой части автомобилей (асбестовые волокна), с выбросами производств, с дымом пожаров, пыльцой растений и др.

Аэрозольные (пылевые) частицы обладают способностью сорбировать различные соединения и благодаря этому служить проводниками в организм металлов, токсичных органических соединений и аллергенов.

Представляют особую опасность для пожилых людей и людей, имеющих отклонения в состоянии здоровья.

На проникновение в организм влияют свойства частиц и их размер. Большие по размеру частицы (больше 10 мк) отделяются в носоглотке и выводятся из дыхательных путей при кашле, чихании. При заглатывании слюны попадают в ЖКТ. Частицы меньше, чем 5 мк способны проникать в бронхи. И, наконец, частицы с диаметром меньше 2,5 мк могут попадать в альвеолы. В них отсутствует мерцательный эпителий и, следовательно, механизм удаления аэрозолей. Если частицы растворимы в воде, они проходят непосредственно в поток крови в пределах нескольких мин. Если они не растворимы в воде, они сохраняются в легких в течение длительных периодов времени (месяцы или годы).

Установки для сжигания отходов выбрасывают в атмосферу большие количества частиц, которые имеют размеры два микрометра или меньше в диаметре. Такие газы, как диоксид серы адсорбируются на поверхности или поглощаются частицей и таким образом транспортируются в альвеолярную область. При этом нормируемый или приемлемый уровень диоксида серы может стать опасным из--за присутствия аэрозольных частиц.

Другой источник аэрозолей в городах - автомобили. Приблизительно 60% фрагментов автомобильных покрышек в виде пыли настолько малы по своим размерам, что они могут проникать в глубокие части человеческого легкого, где латексный каучук может вызывать аллергические реакции вплоть до крапивницы, бронхиальной астмы и анафилактического шока.

В США в 1995 году эксплуатировалось 280 миллионов покрышек. Так как каждая покрышка освобождает около 3 кг пыли в год, пыль автомобильных покрышек в 1995 составила 8 млн. т. В Лос--Анджелесе, по крайней мере, 5 тонн пыли от автомобильных покрышек освобождаются в воздух каждый день.

Покрышки с радиальным кордом создают более мелкие аэрозоли, и большее количество пыли, чем ранее производимые диагональные покрышки.

Необходимо отметить, что в атмосфере протекают и процессы самоочищения. Важная роль в этом принадлежит гидроксид--радикалам. Они присутствуют в очень низких уровнях в атмосфере (сто частей на триллион), но, тем не менее, выполняют очень важную функцию – чрезвычайно активно разрушают загрязнители, находящиеся в воздухе: оксид углерода, метан, оксиды серы и др. В конце 1991 NASA показало, что количество молекул гидроксидных радикалов, под влиянием антропогенной деятельности уменьшилось за последние 200 лет, что служит дополнительным фактором продолжающегося загрязнения тропосферы.

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика