Полная версия

Главная arrow Экология arrow Основы экологического нормирования

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Краткий очерк токсичности химических загрязнений

Используя выражение «токсический элемент», подразумевают токсичность для человека на уровне содержания микроэлементов. Для ЭС, адаптированных к содержанию в ОС некоторых ТА, как микробиогенных элементов, токсичность определяется дозой и формой химического соединения, а также отклонением содержания элемента — ниже или выше оптимального интервала функционирования ЭС.

Периодическая система и токсичность элементов

Периодическая система и токсичность элементов. Физико-химические свойства и токсические элемента в значительной степени определяются его положением в периодической таблице элементов. Токсичность элемента в большой степени зависит от степени окисления, валентности и его доминирующих форм в ОС, действительно анионные и, катионные формы могут переходить друг в друга в соответствии с параметрами ОС или внутренних сред организма. В первую очередь это прочность связи ТА с типовыми активными группами БАВ, реакционная способность, способность к образованию устойчивых комплексов или радикалов и, наконец, возможность сшивки нескольких молекул БАВ с изменением биологической активности.

Для систематизации токсических свойств элементов наиболее пригоден фундаментальный физико-химический подход с использованием особенностей строения атомов в соответствии с периодичностью свойств в менделеевской таблице. В табл. 3.5 сделана попытка рассмотреть токсичность химических элементов для человека и бионтов в зависимости от расположения в периодической системе. Для токсичных элементов (подчеркнуты в табл, и выделены красным цветом) устанавливают лишь верхние пределы концентраций и доз.

По значению в трофических цепях и токсичности соединения различных элементов условно подразделяют на эндобиотические и ксено- биотические. Эндобиотические вещества присутствуют в значительных количествах в ОС (обычно превышающих нижние гигиенические пределы по концентрации) и являются привычными для бионта, причем при длительной адаптации в биосистеме формируются механизмы детоксикации и обезвреживания избыточных количеств. Напротив, экзогенные вещества чужеродны биоте, и она не смогла выработать в процессе эффективные механизмы адаптации для их детоксикации и обезвреживания.

С учетом особенностей элементов поведения в трофических цепях целесообразно провести подразделение элементов на металлы и металлоиды. Действительно металлы, хотя и оказывают огромное влияние на жизнедеятельность биоты, напрямую не входят в схемы метаболизма и не подвержены биодеструкции. Кроме того, металлы благодаря развитой

Таблица 3.5. Распределение элементов по токсичности их соединений

Период

Тип орбиталей

Группы и подгруппы

1

2

3

4

5

6

7

8

la

16

2a

26

3a

36

4a

46

I

2s2p

Н

5a

56

6a

66

7a

76

II

3s3p

Li

Be

В

C

III

4s4p3d

Na

Mg

A1

Si

N

О

F

IV

5s4d5p

К

Си

Ca

Zn

Sc

Ga

Ti

Ge

P

s

Cl

V

6s5d6p

Rb

Лк

Sr

Cd

Y

In

Zr

Sn

V

As

Cr

Se

Mn

Br

Fe

Co

Ni

VI

Cs

Ли

Ba

tig

La*

Tl

Hf

Pb

Nb

Sb

Mo

Те

Tc

J

Ru

Rh

Pd

VII

Fr

Ra

Ac*

Та

Bi

W

Po

Re

At

Os

Ir

Pt

Принятые обозначения: высокотоксичные — Си; умеренно токсичные — В; малотоксичные — А1 и Re, Na — биогенные.

аналитической базе могут быть определены в малых и следовых количествах в биоте и абиоте, являются наиболее изученными и для многих из них установлены селективные рецепторы и механизмы токсического действия для различных бионтов.

Современные методы определения элементов (спектрометрия пламен, изотопный и нейтронно-активационный анализ) позволяют выделить многие элементы и оценить изменения их реальных концентраций в ОС и биоте на уровне ppb и ppt. Анализ концентраций в ОС и биоте позволяет оценить биодоступность и накопление элементов в биоте по сравнению с абиотой. Неизменность металлов, в отличие от металлоидов и органических соединений позволяет определить для них возможный след в ОС и изменение уровня накопления в биоте, а также более четко определить природные и техногенные источники загрязнения. Следует отметить, что токсичность и экотоксичность металлов и их роль в различных биокаталитических процессах являются наиболее изученной областью химических воздействий на биоту. Еще одно подразделение элементов (макро-, микробиогенные) проводят по содержанию элемента в ОС и биоте.

К макробиогенным относят элементы, соединения которых необходимы для построения биомассы С, О, N, Н, Р, S в макроколичествах и поэтому в биоте они существуют в макроциклах. Из металлов к этой группе следует отнести Na, К, Са, Mg. Для этих элементов или их соединений характерны верхние и нижние пределы как для бионта, так и для биосистемы. Так, превышение концентрации биогенных элементов сверх верхнего предела приводит к негативному эффекту «избыточного питания (трофности)», например, к нарушению обмена веществ или к эвтрофикации водных ЭС. При концентрациях, меньших нижнего предела, наблюдается дефицит биогенного элемента и соответственно недостаточность его в трофических цепях ЭС.

Микробиогенные элементы жизненно необходимы биосистемам лишь в весьма небольших количествах (от микрограммов до сотен миллиграммов). Содержание микроэлементов в живых организмах и ПС не превышает 0,01 %. Известно около 30 микроэлементов, которые необходимы организму для синтеза витаминов, ферментов и важнейших БАВ, основные из них: бром, ванадий, железо, йод, кобальт, кремний, марганец, медь, молибден, селен, фтор, хром и цинк. Например, дефицит йода в воде и пище по некоторым исследованиям снижает средний коэффициент интеллектуальности человека примерно на 15 %, повышает вероятность заболеваний щитовидной железы и может привести к кретинизму. Иногда это обусловливается национальными особенностями питания и типом геохимической провинции, так, по статистике жители, России с водой и пищей получает 40 мкг йода в день при норме 200. Известны добавки микроколичеств токсичных боратов в минеральные удобрения, обеспечивающие существенный экономический эффект в растениеводстве. Причем микробиогенные элементы весьма тесно связаны с витаминами, антиоксидантами и онкопротекторами. Например, кальций не усваивается без витамина D; для усвоения железа необходим витамин В)2, в состав которого входит другой микроэлемент — кобальт, селен и витамин Е. Вместе они обеспечивают синергетический эффект и работают во много раз лучше, чем по отдельности.

Из множества элементов периодической системы наиболее исследованы взаимосвязи «строение — токсичность» для группы разновалентных металлов. В первую очередь, это проявляется в обменных реакциях ме- таллокомплексов с БАВ, которые регулируют активность биокаталитиче- ских систем и витаминов в организме, во вторых, в селективном связывании металлов с активными группами рецептора или БАВ (селективная токсичность).

Согласно принципу константности, содержание элементов на нашей планете практически неизменно. Большинство неорганических веществ, кроме макробиогенных, характеризуется отсутствием метаболизма и сохранением своеобразного следа в биосфере по самому элементу или его изотопам. При этом скорость своеобразного кругооборота элементов может служить критерием эволюционных изменений.

Для классификации по токсичности используют поэлементный принцип, когда токсичность вещества определяется токсичностью наиболее опасного элемента. Согласно ГОСТ 17.4.1.02—83 химические элементы по степени опасности подразделялись на три класса:

  • 1. As, Cd, Hg, Se, Pb, Zn, F.
  • 2. B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr.
  • 3. Ba, V, W, Mn, Sr.

Причем в менее токсичном 3-м классе оказываются реальные ТА с весьма небольшими дозами для острого отравления. Как видно, большинство элементов относятся к металлам, присутствующим в токсичных веществах как катионы. Исключение составляют лишь пять металлоидов (As, Se, F, В, Sb), входящих в состав вещества в основном как анионы. Большинство металлов, несмотря на высокую токсичность, необходимы биоте как микробиогенные элементы для согласованной работы ферментных и других жизненно важных систем.

Увеличение агрессивности (опасности) воздействия неорганических соединений достигается за счет локального (регионального) повышения концентрации на определенной территории в основном за счет изменения дисперсности, способности к трансграничному переносу или активации соединений с переводом их в более реакционноспособные формы или валентности.

Изменение фоновых концентраций и глобальных циклов обычно достигается по небольшому количеству элементов за счет локальных природных и техногенных выбросов. Под фоновой концентрацией понимают усредненное содержание элемента (вещества) в объекте ОС, которое формируется в результате межфазового или трансграничного переноса данного элемента и определяется суммой естественных и антропогенных, общих и региональных вкладов. Причем если их фоновые концентрации значительны, то для них, как правило, создаются в биоте приспособительные механизмы детоксикации, обезвреживания и депонирования.

Токсичность или агрессивность воспринимается как отклонение от постоянных константных показателей ОС, которые обеспечивают устойчивое развитие биосистемы или нормальное функциональное состояние для бионта. Постоянство концентрационных показателей химических веществ определяется вхождением соответствующей формы элемента в организованные биотой циклы (биогенные элементы). В этом случае вещество и его метаболиты как эндобиотики на уровне фоновых концентраций привычны для биосистемы и, как правило, малотоксичны, поскольку для них за длительное время контакта в биоте вырабатываются механизмы обезвреживания и метаболизации.

Вклад фоновых концентраций элементов. Обычно уровень воздействия химических элементов зависит от их концентрации в определенном объеме (воздух, вода) или массе ОС (почва). Фоновая концентрация формируется в воздухе и воде в первую очередь в зависимости от содержания элемента в земной коре, литосфере и почве. В соответствии с аномалиями почвы выделяются так называемые геохимические провинции, для которых характерны специфические и измененные фоновые концентрации отдельных элементов. Так, данные медицинской статистики в отдельных геохимических провинциях показывают, что аномальные концентрации кальция, магния и фтора в почве влияют на прочность костей и зубов, а повышенная минерализация питьевой воды дает предрасположенность к почечнокаменной болезни и т. п.

Для количественной оценки неоднородности химических элементов в земной коре Вернадским был введен показатель кларк концентрации Кк:

где А — содержание элемента в породе, минерале; К — кларк элемента в земной коре.

Аналогичный подход используется для расчета коэффициента аэрозольной аккумуляции (Ка):

где А — содержание элемента в твердой фазе аэрозоля;

К — кларк элемента в гранитном слое континентальной земной коры.

В табл. 3.6 представлены основные элементы, концентрирующиеся в аэрозолях от естественного фона, что значительно увеличивает уровни этих субъектов воздействия. Причем для таких элементов, как свинец, олово, цинк, медь, никель, хром, коэффициенты концентрирования рассмотренных элементов в аэрозолях вполне сравнимы с коэффициентами биоконцентрирования в системе вода — гидробионты в пресных и соленых водах.

Фактически уровень воздействия каждого ТА формируется из фоновых концентраций ТА (Сф) и дополнительной концентрации (Сдоп), например, за счет трансграничного переноса, региональной активации, химической трансформации или техногенного фактора.

При анализе динамики роста техногенного вклада было установлено, что уровень загрязнения во времени неорганическими ТА (Ag, Bi, F, W, Be, Au, Br, Zn) значительно возрастает. Подобные изменения могут негативно сказаться на большинстве представителей биоты и к ним должны

Таблица 3.6. Параметры концентрации рассеянных элементов в аэрозолях

Металл

Коэффициент Ка

Интенсивность обогащения

Кадмий

>100

Очень сильная

Свинец,олово

50-100

Сильная

Цинк, медь, никель, хром

10-50

Средняя

Ванадий

1-10

Умеренная

Титан

<1

Отрицательная

применяться жесткие нормативы по выбросам в ОС. Таким образом, лишь превышение концентраций над фоновыми или аномальные условия фона в геохимической провинции могут привести к созданию поражающих концентраций этих элементов для человека.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>