четвёртая. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПРОБЛЕМА ОТХОДОВ

...Человек, освобождая силы Извечных равновесий вещества, Сам делается в их руках игрушкой.

Максимилиан Волошин. «Путями Каина»

Грязноватая окраска всех предметов, тусклый воздух, земля, усыпанная золой и пылью, ...густые клубы дыма, медленно выползавшие из высоких труб и заволакивавшие окрестность, — всё указывало на быстрое приближение к большому фабричному городу...

Чарльз Диккенс. «Посмертные записки Пиквикского клуба»

Основные типы загрязняющих веществ и их характеристики

Любая производственная деятельность связана с появлением отходов. «Безотходность» природных циклов — это миф, который опровергается огромными пластами геологических отложений, возникших в результате деятельности живых организмов. Отходы производства, попадая в природную среду, практически всегда изменяют её химический состав или физические свойства и, следовательно, являются загрязняющими веществами.

Ландшафты и экосистемы наиболее заселённых местностей и весь современный облик биосферы сформировались под антропогенным воздействием. К сожалению, предсказать дурные последствия человеческой деятельности обычно можно, но никогда нельзя сказать с уверенностью, что учтены все возможные опасности. Поэтому упомянутые здесь и ниже, в пятой главе, источники загрязнения, опасные вещества и технологии, разрушительные для природных экосистем, — это только наиболее распространённые виды отрицательных антропогенных воздействий на природу. Пытаться строго классифицировать эти воздействия — невыполнимая задача, но по характеру условно их можно разделить по преимуществу на физико-химические, биологические и физико-механические.

Примеры физико-химического загрязнения — выбросы в атмосферу и водоёмы загрязняющих веществ (в том числе радиоактивных).

Примеры биологического загрязнения — загрязнение воды и почвы нечистотами, содержащими болезнетворные микроорганизмы, и антропогенная интродукция (внедрение) биологических видов, чужеродных для биоценоза и губительных для его природных обитателей.

Примеры физико-механического загрязнения — засорение атмосферы частицами пыли из-за неправильной распашки, ведущей к эрозии, то есть разрушению, почв, или шумовое загрязнение городской среды.

По времени и степени создаваемого ущерба антропогенные воздействия можно разделить на кратковременные аварии и перманентные (постоянные или долговременные) нагрузки на экосистемы, длительность которых превышает или сопоставима со временем сукцессии. При этом аварийные нагрузки могут иметь и весьма долговременные последствия. Хотя последствия катастрофических аварий обычно производят наиболее сильное впечатление, основной экологический ущерб приносит перманентное загрязнение окружающей среды.

Химическое загрязнение может носить двоякий характер.

Во-первых, это антропогенное изменение природных циклов имеющихся в природе веществ и сдвиг их биогеохимиче-ских циклов и концентраций. Пример: выброс огромных количеств окислов углерода, серы и азота при сжигании ископаемого топлива.

Во-вторых, это распространение в природных средах синтетических веществ, в том числе особо ядовитых, в принципе в природе не существующих (ксенобиотики). Примеры: утечки диоксинов^[1] и использование ядохимикатов в сельском хозяйстве. Подобные вещества особо опасны тем, что в экосистемах могут отсутствовать механизмы их разложения или консервации, а живые организмы не обладают способностью к их уничтожению при попадании во внутренние органы.

Для загрязняющих веществ вводят нормативы, называемые предельно допустимыми концентрациями (ПДК).

ПДК устанавливаются отдельно по каждой среде. Кроме того, для воздуха ПДК устанавливаются в зависимости от времени воздействия. Под разовой ПДК для воздуха обычно понимают концентрацию, допустимую в течение не более 20 минут. Среднесуточная ПДК — это концентрация вредного вещества в воздухе населённых мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом (годы) вдыхании. Поэтому среднесуточная ПДК есть основной норматив для оценки качества воздуха. В качестве отдельного норматива вводится ПДК рабочей зоны. Эту ПДК определяют, учитывая продолжительность рабочего времени, и за соблюдением этой нормы должны следить органы охраны труда. Особо устанавливаются ПДК для продуктов питания.

Согласно природоохранному законодательству Российской Федерации «нормирование в области охраны окружающей среды осуществляется в целях государственного регулирования воздействия хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду, гарантирующего сохранение благоприятной окружающей среды и обеспечение экологической безопасности. Нормирование в области охраны окружающей среды заключается в установлении нормативов качества окружающей среды, нормативов допустимого воздействия на окружающую среду при осуществлении хозяйственной и иной деятельности, иных нормативов в области охраны окружающей среды, а также государственных стандартов и иных нормативных документов в области охраны окружающей среды. Нормативы и нормативные документы в области охраны окружающей среды разрабатываются, утверждаются и вводятся в действие на основе современных достижений науки и техники с учётом международных правил и стандартов в области охраны окружающей среды»^[2]. Под воздействием здесь подразумевается любая деятельность, вносящая физические, химические или биологические изменения в природную среду.

Первоначально ПДК устанавливались исходя из «отсутствия практического влияния на здоровье человека». Однако этот критерий оказался слишком неопределённым и недостоверным, так как он не учитывал генетических и долгосрочных последствий воздействия загрязнения. Например, стало ясно, что многие канцерогены, то есть вещества, вызывающие рак, опасны при любых концентрациях, а их действие проявляется спустя много лет. В других случаях накопление вещества в пищевых цепях превращает его вполне безопасные для человека концентрации в природной среде в смертельно опасные в пищевых продуктах (см. гл. 5, рис. 5.9). Кроме того, многие вещества, практически безвредные для человека при наблюдаемых концентрациях, наносят громадный ущерб природной среде. Поэтому нормы ПДК постоянно пересматриваются в сторону их уменьшения.

Гипотеза, на которой основывается установление ПДК, состоит в том, что существует порог вредного действия как некая доза получаемого организмом вещества, начиная с которой в нём (организме) возникают изменения, выходящие за пределы физиологических и приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология. Таким образом, пороговая доза вещества (или пороговое действие вообще) — это граница, переход которой вызывает в биологическом объекте негативные изменения, которые не могут быть компенсированы механизмами гомеостаза (механизмами поддержания внутреннего равновесия организма).

Для факторов, с которыми биота сталкивалась на протяжении миллионов лет эволюции, эта гипотеза существования порога вредного действия вполне справедлива. Фактически она основана на понятии диапазона толерантности и законе Шелфорда (см. п. 1.2). Однако, для многих ксенобиотиков пороговой концентрации, по-видимому, не существует. Они опасны в любой концентрации и в этом смысле ничем не лучше, чем возбудители чумы или чёрной оспы. Такие вещества мы обычно называем ядовитыми, и для их характеристики используется понятие токсичности. Токсичность есть способность вещества нарушать жизненно важные физиологические функции организма, то есть мера несовместимости вещества с жизнью.

Количественно токсичность определяется токсической дозой вещества (отнесенной, как правило, к массе тела животного или человека), вызывающей определённый токсический эффект (интоксикацию или отравление). Чем токсическая доза вещества меньше, тем выше его токсичность. Обычно токсичность характеризуют абсолютно летальной (смертельной) дозой ОЬ₁₀₍₎ или среднесмертельной дозой ОЬ₅₀. Здесь цифры в индексе указывают вероятность (в %) гибели подопытного животного. Значения токсических доз зависят от путей поступления вещества в организм.

В табл. 4.1, 4.2 и 4.3 приведены данные о ПДК некоторых распространённых загрязняющих веществ в природных средах^[3], а в табл. 4.2 и данные об их токсичности. Можно видеть, что ПДК для веществ, существующих, пусть в незначительных количествах, в незагрязнённых средах, в сотни и тысячи раз выше, чем ПДК для ксенобиотиков, таких как диоксины, бериллий или «тяжёлые металлы» и их соединения — ртуть, ванадий, кадмий, свинец и т. д. В табл. 4.4 перечислены основные источники загрязняющих веществ и характер их воздействия на здоровье человека и природные объекты.

Как правило, и люди, и природные объекты одновременно подвергаются действию нескольких загрязняющих веществ. Чтобы учесть совместное действие нескольких загрязняющих веществ, рассчитывается общий относительный уровень загрязнения 5 как сумма относительных уровней загрязнения по каждому из них:

5=^5, = С|/ПДК| + С₂/ПДК₂ + СуПДКз + .... (4.1)

где С, — фактическая концентрация /-го вещества, а ПДК, — его предельно допустимая концентрация. Нормой считается, если выполняется условие:

5<1. (4.2)

Этот подход предполагает, что загрязняющие вещества действуют независимо друг от друга. Проблема в том, что при одновременном воздействии нескольких веществ возможен синергетический эффект, состоящий в том, что совместное действие нескольких веществ больше суммы их воздействий по отдельности. Это означает, что при одновременном присутствии нескольких загрязнителей ПДК по каждому из них должна быть снижена. Однако вопрос о синергетическом действии загрязняющих веществ исследован пока недостаточно, и применяется простая норма (4.2).

Таблица 4.1. ПДК некоторых загрязняющих веществ в воздухе для населённых мест по данным ВОЗ и нормативам РФ (1 пг = 10^-12 г, 1 нг = 10^-9 г, 1 мкг = 10^_6 г)

Окончание табл. 4.1

Таблица 4.2. Предельно допустимые концентрации некоторых загрязняющих веществ в питьевой воде по данным ВОЗ и нормативам РФ (содержание в 1 литре воды, 1 пг = 10¹² г, 1 нг = 10"⁹ г, 1 мкг = 10 ⁶ г,

1 мг = 10‘³ г)*

Окончание табл. 4.2

Таблица 4.3. Предельно допустимые концентрации некоторых загрязняющих веществ в почвах по данным ВОЗ и нормативам РФ (содержание в 1 кг сухо-воздушной почвы; 1 нг = 10^-9 г, 1 мкг = 10^-6 г, 1 мг = 10^_3 г)

Окончание табл. 4.3

Таблица 4.4. Основные типы загрязняющих веществ, их источники и характер воздействия на людей и природные объекты

Опасность, исходящая от загрязняющего вещества, зависит не только от характера его воздействия, величины эмиссии (то есть выброса в окружающую среду) и ПДК, но и от параметров его распространения.

Пространственный масштаб распространения загрязнения зависит от того, в какую среду оно попало и от времени жизни загрязняющего вещества в этой среде. В атмосфере загрязняющие вещества разносятся ветрами со скоростями от 1 до 20 м/с («4—70 км/час), в проточных водах они распространяются со скоростью течений, в стоячих водах и почвах их распространение зависит от скоростей диффузии — это доли см/с в воде и сантиметры в год — в почвах.

Время жизни загрязняющего вещества в природной среде — это среднее время существования в этой среде молекул или атомов вещества до их распада, трансформации или выведения за пределы среды. Если распад вещества носит абсолютно случайный характер, то это время, за которое количество молекул вещества уменьшается в е = 2,71... раз¹. Используется также понятие времени жизни в некоторой среде (например, в атмосфере) относительно конкретного процесса, например, физико-химического распада или вымывания дождями.

Под временем пребывания вещества в данной среде (атмосфера, вода или почва) будем понимать другую величину, а именно время, за которое концентрация вещества становится меньше предельно допустимой концентрации или просто ниже порога обнаружения¹. Существенно, что время жизни не зависит от исходного количества вещества, то есть от величины его выброса или эмиссии, тогда как время пребывания зависит и от времени жизни, и от эмиссии.

Время жизни вещества в данной среде зависит от двух факторов: скорости его химической (или физической в случае радиоактивного распада) трансформации или разложения в природной среде и скорости его механического выведения. Например, вы- ^{[4] [5]} брошенное в атмосферу из заводской трубы опасное органическое химическое соединение под действием кислорода воздуха может окисляться, превращаясь в углекислый газ и воду, и одновременно осаждаться на почву (время жизни в атмосфере), где подвергается иному набору воздействий (время жизни в почве).

В табл. 4.5 приведены типичные масштабы пространственного распространения загрязняющих веществ и времена их пребывания в природных средах.

Таблица 4.5. Дальность распространения от источника и время пребывания в природных средах основных типов загрязняющих веществ

• [1] Наиболее печально известен тетрадибензопарадиоксин, выделяющийся при производстве многих пестицидов и разложении полихлорди-фенила. Последний широко используется при производстве пластмасс, трансформаторных масел, красок и лаков. Абсолютно смертельная доза диоксина для приматов 70 мкг/кг веса тела (это в 20 раз меньше смертельной дозы цианистого калия!). 5 мг этого вещества, то есть 1 мм3, смертельны для взрослого человека при пероральном отравлении. В малых дозах диоксин — сильный канцероген и мутаген, провоцирует сердечную недостаточность.
• [2] Статья 19 Закона РФ № 7-ФЗ «Об охране окружающей природной среды» от 10 января 2002 г. Примерно такие же нормы применяются и в других странах.
• [3] Эти данные, собранные из различных источников, могут незначительно отличаться от норм, принятых в России в настоящее время, и приведены здесь как ориентировочные исключительно с иллюстративной целью.
• [4] Это означает, что распад есть так называемый пуассоновский случайный процесс, в котором моменты наступления событий (в данном случае — распадов молекул вещества или их ухода из среды) не зависят друг от друга. Абсолютно точным пуассоновским процессом является радиоактивный распад.
• [5] Иногда под временем пребывания подразумевают время жизни, что неизбежно вносит путаницу.