Химические аномалии

Аномалии химической природы при всем их разнообразии можно объединить в пять основных групп:

Тяжелые металлы; Пестициды; Удобрения; Диоксины; Активные формы кислорода. Тяжелые металлы.

Ртуть является классическим токсикантом, вовлеченным в экологический кругооборот исключительно техногенным путем. Соединения ртути, загрязняя почву, воду, растения, животных, оказывают на живые существа биоцидное действие в очень малых концентрациях. Например, двухлористая ртуть уже в концентрации 0,01 мг на 1 л воды вызывает гибель рыб. 50 %- ную гибель животных соединения ртути вызывают в дозах на уровне 50 мг на 1 кг массы тела. Это высокотоксично. Ртуть, "упущенная" с целлюлознобумажных комбинатов, заводов по производству электрооборудования, красок, хлора, натрия, очень опасна как прямой токсиген. Ещё большую опасность представляет она, годами накапливаясь в почве, гидробионтах, растениях и животных.

Многолетними исследованиями ученых от Карелии до Дальнего Востока доказано, что предельно допустимые уровни ртути в различных объектах экологических систем порой превышают двадцатикратные размеры. Например, если в речной воде естественный фоновый уровень ртути составляет 1 микро грамм в литре, то в рыбе Северной Двины до сброса вод целлюлозно-бумажного комбината концентрация элемента равнялась 70, после сброса - 800. Повсеместное повышенное содержание ртути обнаруживается в мышцах сельскохозяйственных и диких животных в Московской, Горьковской областях, на Волге и Урале.

Общий анализ экологической ситуации с ртутью показывает, что много десятилетний антропогенный выброс её в круговорот сопровождается

одновременно как аномальной концентрацией в зонах периодических выбросов, так и рассеиванием по элементам биотопа и биоценоза экосистем.

Свинец все более активно вовлекается человеком в жизнедеятельность экологических систем города, села и в несколько меньшей степени - природных. Аномальные концентрации свинца сосредоточиваются вокруг металлургических, краскопроизводящих предприятий, вдоль шоссейных дорог. Несмотря на то, что свинец малоподвижный элемент, наблюдается устойчивая тенденция его рассеивания по почве, воде, растениям и животным. Так, если в пятиметровой полосе вдоль шоссейных дорог с интенсивным движением в почве концентрация свинца достигает 20 мг/кг, то в 30-метровом удалении - 10 мг/кг. При этом максимально допустимый уровень свинца в кормах для сельскохозяйственных животных не превышает 5 мг/кг.

В 30-километровых зонах промышленных предприятий, непосредственно связанных со свинцом, МДУ в почве, воде, кормах перекрываются в сотни и тысячи раз. Но и вблизи таких предприятий, как теплоэлектростанции содержание свинца превышает допустимые пределы, как в объектах биотопа, так и биоценоза сельских экологических систем в 10-50 раз. Но наиболее тревожно то, что практически вся экосистема села "заражена" свинцом, как впрочем, и ниже характеризуемым кадмием. Обнаруживаемые превышения допустимых уровней 1,5-3 раза.

Кадмий - высоко техногенный элемент. Его в настоящее время во всем мире используют в химической, краскоделательной промышленности, металлургии, автомобиле- и самолетостроении. Опасность кадмия для объектов биоценоза, в том числе продуктивных животных, усугубляется тем, что он не относится к биотическим элементам. Миграция кадмия в экологическую систему села подобна миграции свинца.

Вблизи источников загрязнения его обнаруживают, например, в растениях - до нескольких десятков мг/кг. Но и за сотни километров от

предприятий-загрязнителей кадмий обнаруживают в почве, воде, растениях, тканях животных в недопустимых количествах, достигающих 3-5 мг/кг.

Ощутимый вклад в образование техногенных аномалий, формирующих общий, в том числе и экологический кризис села, вносят многие другие элементы.

Дефицит микроэлементов в кормах, недостаточное поступление их в организм вызывают хронический комплексный гипомикроэлементоз, т.е. пониженное содержание меди, цинка, марганца, кобальта, йода, селена и других, крайне необходимых для процесса обмена веществ элементов. Это является одной из существенных причин повышенной заболеваемости органов системы воспроизводства, низкой воспроизводительной способности маточного поголовья и производителей, рождения слабого мало жизнеспособного молодняка, преждевременной выбраковки, снижения продуктивности и качества продуктов животноводства. При дефиците микроэлементов в организме животных в 5-10 раз снижается их содержание в молоке и молочных продуктах, мясе, яйцах, а это создает предпосылки для недостаточного обеспечения через эти продукты потребности человека в

этих микроэлементах, со всеми вытекающим отсюда отрицательными последствиями для его здоровья.

В связи с этим экологически значимым фактором, оказывающим негативное влияние на состояние здоровья и уровень продуктивности сельскохозяйственных животных, является не только избыток, но и дефицит в окружающей среде важнейших биоэлементов.

Менее значимые из них - это случайные интоксикации, возникающие в результате нарушения условий хранения и использования пестицидов. Больший вклад в углубление кризиса экологической системы села привносят остаточные количества и метаболиты пестицидов. От органических элементов биотопа и биоценоза до комнатных растений это показано на примере ДДТ и гексахлорана. Введенные в мировую экосистему с благими намерениями они продолжают своё разрушительное действие. Непредсказуемые, возможно даже катастрофические для сельских экосистем, результаты использования пестицидов обусловлены неуправляемой регуляцией численности видов и занятости биогеоценотических ниш. Как пример, лето 1999 г., нашествие саранчи, дошедшее из Средней Азии до Центрального Черноземья. Удобрения. Более половины высокого урожая зерновых и других культур обеспечивается использованием различных удобрений, а тепличное

земледелие просто немыслимо без них. И, несмотря на это, во взаимоотношении химических, особенно азотистых, удобрений, как с элементами биотопа, так и биоценоза сельской экосистемы есть проблемы. Главная из них - нитраты, источником которых являются азотистые удобрения. Нитраты вездесущи, высокореакционно способны, агрессивны для жизни. Хотя и не долгоживущие, но постоянно возобновимые.

растворяются в жирах и приобретают высочайшую агрессивность по отношению к живой системе.

Еще с 1950-х годов известны интоксикации животных диоксинами. Они носили массовый характер продолжительностью до полугода. При этом прямыми источниками диоксинов служили хлорорганические пестициды. Есть еще хлорированная вода, моющие средства, электролитические препараты хлора и др.

Но неизмеримо опаснее диоксины в качестве стабильных, практически очень мало метаболизирующихся токсикантов - ксенобиотиков, обеспечивающих постоянно высокую с трудно прогнозируемыми последствиями стрессорную напряженность экологической системы села.

Среди веществ, загрязняющих атмосферу большое место занимают различные углеводороды (парафины, олефины, ацетилены, ароматические углеводороды). Сами по себе, находясь в воздушной среде, они проявляют низкую токсичность, однако солнечная радиация инициирует

фотохимические реакции окисления, в результате которых увеличивается в атмосфере уровень двуокиси азота, а затем и озона. Вторичными продуктами фотохимиических реакций являются озон, перекиси, альдегиды, кетоны, ок- сикислоты и другие продукты окисления, приводящие к накоплению в атмосфере свободных радикалов.

Длительное воздействие относительно низких концентраций указанных вредных веществ способствует появлению хронических неспецифических заболеваний легких.

Самым распространенным химическим элементом биосферы является кислород. Давно известно, что кислород воздуха обладает токсическим действием. В начале второй половины XIX века это было доказано экспериментами Пастера. Однако молекулярный кислород сам по себе обычно не вступает в неконтролируемые химические реакции. Повреждающими агентами являются активные формы кислорода (АФК), образующиеся в ряде физикохимических процессов.

Активные формы кислорода, озон, оксид азота и многочисленные органические соединения перекисной природы образуются в результате фотохимических реакций при условии высокой концентрации в атмосфере оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветренной погоды. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Из-за циклических реакций с их участием образуется большое количество озона, и различных органических перекисей. Эти компоненты атмосферного воздуха и сами по себе достаточно ядовиты, но в результате их взаимодействия образуются так называемых свободные радикалы, среди которых наибольшее токсикологическое значение имеют активные формы кислорода. Основная их опасность состоит в том, что в организме АФК вступают в цепные реакции. Нескольких вдохов воздуха содержащего АФК достаточно для того, чтобы они начали свое разрушительное действие. Они вызывают многочисленные

болезни, развитие которых принято считать связанным с загрязненной атмосферой.

Активные формы кислорода - это соединения, которые являются сильными окислителями или крайне реакционноспособными свободными радикалами. Они образуются при последовательном 4-х электронном восстановлении кислорода до воды:

О2 + е ^ О2*

О2 + 2е ^ Н2О2 02 + 3е ^ Н20 + ОН*

О2              + 4е ^ 2Н2О

Так как АФК содержат не спаренные электроны они отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью, несмотря на короткий период жизни (табл. 1).

Таблица 1

Значения времен жизни и радиусов диффузии (по Зенкову и др., 2001)

За очень короткий период они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом. Однако не все АФК являются свободными радикалами (например, перекись водорода, синглетный кислород) и не все кислородсодержащие радикалы относятся к АФК (например, оксид азота -NO*). В настоящее время к кислородсодержащим

соединениям радикальной и нерадикальной природы относят: супероксид- ный анион-радикал (О/ ), гидроперекисный радикал (Н02*), перекись водорода (Н202), гидроксильный радикал (ОН*), синглетный кислород (102), оксид азота (NO*), алкоксильные (RO*) и перекисные (RO2*) радикалы, гипогалоиды (HOCl, HOBr, HOI).

Впервые реакционная способность кислородных радикалов была выявлена Фентоном в 1894 году. Он показал, что окислительная способность перекиси водорода значительно возрастает в присутствии сульфата железа. Габер и Вейс показали, что высокая реакционность раствора перекиси водорода и сульфата железа обусловлена образованием гидроксильных радикалов.

Токсическое действие кислорода и радиоактивное облучение имеют общий биологический механизм, который обусловлен образованием свободнорадикальных молекул. После создания атомного оружия исследования, проведенные в 50-60-х годах показали, что биологическое действие ионизирующего излучения в значительной степени реализуется через образование различных радикалов обусловленных радиолизом молекул воды. Как известно, АФК образуются под воздействием экзогенных и эндогенных факторов. К экзогенным факторам относят действие как физических факторов, таких как ионизирующая радиация, так и действие химических веществ.

в организме в норме, активные формы кислорода вырабатываются при аутоокислении катехоламинов, флавинов, хинонов и тиолов, при окислении гемоглобина и миоглобина, в процессе синтеза простангландинов, лейкотрие- нов и тромбоксанов, в результате респираторного взрыва фагоцитирующих клеток, при восстановлении кислорода в дыхательной цепи митохондрии, а также при окислении ксенобиотиков и эндогенных субстратов в митохондриальной цепи транспорта электронов. человек за 70 лет жизни потребляет около 17 тонн кислорода; за это время в его организме нарабатывается от 800 до 1700 кг кислородных радикалов. Располагая большим количеством энергии, АФК легко могут привести к разрыву химических связей в жизненно важных

макромолекулах. В нормальной клетке избыток активных форм кислорода устраняется многоступенчатой системой антиоксидантной защиты. Токсико-экологическое аудирование объектов животноводства

В условиях генерализованного загрязнения среды обитания животных нужны объективные критерии ее безвредности и безопасности, а экспертизу качества готовой продукции необходимо проводить по классической цепи: почва - вода - растение (корм, рацион) - животное - продукты животноводства - человек.

В этой обстановке должна меняться стратегия и тактика деятельности всех звеньев аграрного производства, в том числе ученых и практиков ветеринарного профиля, которые основное внимание должны сосредоточить на углублении изучения качественного анализа, установления причинноследственных связей и прогнозной оценке состояния здоровья животных в связи с токсико-экологическим состоянием среды обитания.

Токсико-экологическое аудирование означает независимая оценка, экспертиза объектов животноводства. В объекты животноводства входят земля, помещения, вода, все виды кормов, продукция и сами животные.

Целью проведения такой экспертизы является получение достоверной информации о наличии контаминации объектов животноводства токсинами, источниках загрязнения и приоритетных загрязнителях. Для этого комплексные химико-токсикологические исследования необходимо проводить по регионам не менее 2-х раз в год в течение 4-х лет.

Основные этапы токсико-экологического аудирования представлены на рисунке 3.

Месторасположение, климатические условия, возможные источники

загрязнения экосистемы

Характеристика места расположения объекта:

а)              соблюдение санитарных норм разрыва между производственными корпусами и жилыми зонами;

б)              близость крупных промышленных предприятий, транспортных магистралей и других возможных источников загрязнения;

в)              среднегодовая температура воздуха и ее колебания, интенсивность осадков и ветра.

Соблюдение норм санитарных разрывов производственной и жилых зон позволяет профилактировать не только инфекционные заболевания, но и учитывать расширение площади загрязнения различными токсикантами и радионуклидами.

Рис.3. Схема токсико-экологического аудирования объектов животноводства

Близость постоянных и передвижных источников загрязнения (крупных промышленных предприятий, транспорта) сопряжено с постоянным выбросом и накоплением большого количества отходов производства. В связи с этим необходимо заранее проводить оценку характера загрязнения почвы, воды и кормов.

Наличие крупных водоемов, лесных массивов способствует уменьшению отрицательного влияния антропогенных загрязнителей экосистемы.

Учет среднегодовой температуры воздуха и ее колебаний также необходимы. При чередовании осени, зимы, весны и лета, колебании температуры происходят изменения интенсивности течения жизни всего биогеоценоза, а значит и скорости миграции воздушных масс, микроорганизмов, токсических элементов и др., что, в конечном счете, оказывает существенное влияние на их накопление во всех компонентах окружающей среды. В этом смысле необходимо учитывать интенсивность осадков, скорость ветра.

При резко континентальном климате зимы холодные и снежные, токсические элементы больше накапливаются в снегу и при быстром потеплении, обильном его таянии попадают в водоемы, минуя почву и растения. В зонах с мягким климатом зимы теплые, и токсические элементы, напротив, больше остаются в почве, откуда мигрируют в растения.