Классификация загрязнений

1. Механическое (засорение) – затопленные деревья при сплаве леса, банки и прочий мусор. Засорение рек усиливается в результате сброса в них отходов лесоперерабатывающих предприятий (кора, опилки и т. д.)

2. Химическое (загрязнение) – наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия. Самые разнообразные по составу и свойствам химические соединения. К наиболее опасным загрязнителям гидросферы относят соли тяжёлых металлов, фенолы, пестициды, нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), минеральные удобрения.

3. Бактериальное и биологическое (заражение) – наличие в воде патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей. Такие воды могут явиться причиной возникновения инфекционных заболеваний.

4. Радиоактивное – загрязнение радиоактивными веществами.

5. Тепловое – выпуск подогретых вод ТЭС и АЭС. Повышение температуры воды приводит к уменьшению содержания растворённого кислорода, увеличению токсичности загрязняющих воду примесей, нарушению биологического равновесия, смене видового состава водных организмов. С повышением температуры в загрязнённой воде наблюдается бурное размножение болезнетворных организмов.

В таблице 5 приведены ориентировочные количества загрязнителей, ежегодно попадающих в гидросферу.

Таблица 5

Ориентировочные количества массовых загрязнителей океана и континентальных вод планеты [2]

Вещества	млн т/г
Затонувшие суда, плавающий и погружённый мусор	1200
Взвешенные вещества техногенного происхождения	1400
Растворённые неорганические вещества:	4000
минеральные удобрения	80
соли тяжёлых металлов	3
Синтетические органические вещества	2500
моющие средства СПАВ	15
фенолы и др. циклические углеводороды	5
пестициды	2
Биогенная органика	1200
Нефтепродукты	12
Аэрогенные выпадения техногенной природы	1800

Характеристика основных гидрополлютантов

Нефть [21-22] один из распространённых видов природного сырья. Нефть – вязкая маслянистая жидкость, имеющая тёмно-коричневый цвет, специфический запах и слабую флуоресценцию. Основные компоненты нефти – углеводороды (до 98 %). Кроме углеводородов в нефти содержатся кислородные, сернистые и азотистые органические соединения.

Первоначально нефть применялась для получения топлива, впоследствии стала основой для развития нефтехимии. Транспортировка нефти от места добычи до места переработки осуществляется по нефтепроводам и с помощью нефтеналивных танкеров. Попадает нефть в мировой океан при “аварийных” разливах, а также при использовании в качестве топлива и смазочных материалов в морском судоходстве, причём второй путь во много раз превышает первый.

Углеводороды нефти подразделяют на 4 класса.

1. Парафины (алканы) (до 90 % общего состава) – устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвлённой цепью атомов углерода (насыщенные углеводороды). Например, метан CH₄, этан С₂Н₆.

2. Циклопарафины (30–60 % от общего состава) – насыщенные циклические углеводороды с 5–6 атомами углерода в кольце. Например, циклопентан С₅Н₁₀. В нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

3. Ароматические углеводороды (20–40 % от общего состава) – ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов водорода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), бициклические (нафталин), полициклические (пирен).

4. Олефины (алкены) – до 10 % от общего состава – ненасыщенные нециклические углеводороды, имеющие прямую или разветвлённую цепь и одну двойную связь:

CH₂ = CH₂

этилен

Соотношение этих 4 классов углеводородов в нефти зависит от её сорта.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами достигло 1/5 общей поверхности мирового океана. При попадании на водную поверхность нефть растекается и образует тонкую плёнку. Часть компонентов нефти растворяется, тяжёлые фракции нефти оседают на дно, изменяя качества воды: вкус, запах, цвет, вязкость, вода приобретает токсические свойства. Скорость перечисленных процессов зависит от многих факторов: сорта нефти, плотности, условий погодных, температуры и состава морской воды.

Влияние нефти на окружающую среду можно рассматривать как механическое и токсическое. В первом случае нефтяная плёнка нарушает газовый обмен океана и атмосферы углекислым газом CO₂ и кислородом O₂, поэтому препятствует дыханию водных организмов, а также их питанию и передвижению. Нефть попадает в дыхательные пути животных, вызывает их гибель. У морских птиц оперение покрыто водоотталкивающей жировой смазкой, предохраняющей тело от контакта с водой. При попадании нефти на оперение слой смазки нарушается, птица “намокает” в воде, что приводит к переохлаждению её тела.

Растворённая в воде нефть может оказывать токсическое действие на морские организмы, особенно на развивающиеся. Гибнут личинки морских организмов, икра, мальки рождаются с уродствами. Составные компоненты нефти накапливаются в жировой и мышечных тканях морских животных. Например, сильным канцерогеном является бенз(а)пирен. Он попадает в организм человека по пищевой цепочке.

Процессы биодеструкции нефти крайне замедленны, поэтому разработаны различные способы ликвидации разливов нефти: использование заграждений, ограничивающих распространение нефти по поверхности воды, удаление или выжигание. Крупные разливы нефти при определённых обстоятельствах сжигают. Удаляют нефть в основном механически, но созданы и химические средства для ускорения процессов очистки воды от нефти, под их действием идут процессы диспергирования нефти (образования эмульсий). Для этих целей используют сорбенты (диатомит, вермикулит). Диатомит – осадочная порода на основе диатомовых водорослей, обладает большой пористостью и малой плотностью. Вермикулит – алюмосиликатный минерал, образуется при выветривании магнезиально-железистых руд.

Тяжёлые металлы. В основном загрязнителями гидросферы являются хром, никель, медь, цинк, свинец, ртуть, кадмий. Попадают в воду они или из атмосферы, или при сбросе сточных вод. Ежегодное антропогенное загрязнение Мирового океана составляет: свинец ~2,1·10⁶ т, ртуть ~7,0·10³ т, кадмий ~1,7·10⁴ т [2]. Тяжёлые металлы в воде адсорбируются на поверхности твёрдых частиц и выводятся из раствора или образуют комплексы с органическими и неорганическими лигандами, коллоиды. Растворённые тяжёлые металлы переходят в осадки. Например, за 100 лет содержание ртути в донных осадках увеличилось в 100 раз, высокое содержание ртути обнаружено в водах Балтийского и Северного морей. Ртуть попадает в окружающую среду при сжигании топлива, работы предприятий цветной металлургии, использовании в сельском хозяйстве как фунгицида для протравливания посевного материала, в качестве катализатора при синтезе пластмасс.

Большинство тяжёлых металлов – клеточные яды. Растворённая форма обычно токсичнее связанной, металлы, связанные с органическими. соединениями, токсичнее неорганических форм. Некоторые металлы действуют как синергисты: токсический эффект цинка и меди совместно в 8 раз превышает токсичность каждого из этих металлов, взятого в отдельности в таком же количестве. Повышенное содержание тяжёлых металлов в водах Мирового океана имеет негативные последствия как для гидробионтов, так и для людей, использующих морепродукты для питания.

Пестициды – собирательный термин, охватывающий химические соединения различных классов, применяемые для борьбы с вредными организмами в сельском хозяйстве, здравоохранении, промышленности и многих других случаях. Известно об использовании пестицидов природного происхождения ещё с Александра Македонского, когда порошок далматской ромашки применяли для борьбы с паразитами человека. В здравоохранении пестициды применяют для борьбы с переносчиками опасных заболеваний, как чума, малярия, многие кишечные заболевания и т. п. В промышленности для предохранения неметаллических материалов (древесины, текстильных изделий), для предохранения труб от коррозии. Большая часть пестицидов используется в сельском хозяйстве.

В качестве пестицидов применяют как неорганические, так и органические соединения, большинство современных пестицидов – синтетические вещества. Пестициды – очень устойчивые соединения, которые разрушаются в окружающей среде крайне медленно. Особенности химической структуры обуславливают их устойчивость к воздействию как физико-химических факторов окружающей среды (окислению, гидролизу, фотохимическому разложению и т. п.) так и биодеструкции (метаболичекому разложению под действием микроорганизмов и гидробионтов).

В окружающей среде происходит накопление токсичных веществ по пищевым цепям и аккумуляция их в организме животных. Первый пестицид ДДТ (дуст) был рекомендован к применению в 1938 г.

Его создатель – швейцарский химик Мюллер – получил за это открытие Нобелевскую премию. Пестицидом посыпали поля, с осадками и при поливе происходил смыв почвы в реки, и накопление ДДТ в водных организмах.

Накопление вещества в организме можно оценить коэффициентом накопления:

Наибольшую опасность представляет накопление ядовитых веществ именно в водных организмах, поскольку концентрирование в них ядов происходит интенсивнее, чем в наземных организмах вследствие большей длины водных пищевых цепей по сравнению с наземными.

Токсичные вещества не могут быть переварены или выведены из организма, поэтому происходит их накопление по ходу пищевой цепи. Накопление ядов в пищевых цепях нередко усиливается из-за меньшей скорости реакции и ограниченной подвижности животных, несущих в себе яд. Сильнее отравленные особи легче становятся добычей хищника, чем все остальные. В последующем ядовитые вещества могут переходить к птицам, питающимся рыбой, ластоногим и к человеку.

На рис. 11 над пищевой цепью указано во сколько раз происходит увеличение содержания ядов при передаче от одного организма к другому, под пищевой цепью – коэффициенты накопления.

Рассмотрим водную пищевую цепь, протекающую в сторону увеличения размеров тела:

10 50 5 2 25

Растворённые вещества - фитопланктон – рачки – рыбы - хищные рыбы – теплокровные животные, питающиеся рыбой

Коэффициент 10 500 2500 5000 125000

накопления

Рис. 11. Накопление токсикантов в водной пищевой цепи [16]

ДДТ запрещён к применению с 1970 г., однако до сих пор его находят в крови и жировой ткани людей и даже в теле пингвинов Антарктиды.

Больше всего случаев отравления пестицидами приходится на развивающиеся страны, такие как Гондурас, Нигерия, Эквадор и др. Малограмотность населения этих стран приводит к несоблюдению ими инструкций по применению пестицидов, сбросу остатков и упаковочной тары в реки, применению ядов не по назначению (например, для лечения людей от глистов). Сельскохозяйственная продукция развивающихся стран попадает на Мировой рынок и поэтому неконтролируемое использование пестицидов может приводить к глобальным проблемам, связанным с отравлением большого количества людей. Пестицид ДДТ был первым пестицидом, поэтому он хорошо изучен в токсикологическом отношении. Те инсектициды, которые пришли ему на смену, не менее токсичны, но менее изучены.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – группа различных по химической структуре веществ, обладающих способностью понижать поверхностное натяжение жидкостей. Это свойство ПАВ обусловило их использование в нефтедобывающей, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности, а также в качестве бытовых моющих средств. Поступают ПАВ в Мировой океан с бытовыми и промышленными сточными водами, а также при устранении нефтяных загрязнений морской воды.

ПАВ обладают токсическим эффектом, но меньшим, чем пестициды. Они взаимодействуют с плазматической клеточной мембраной, нарушают её структуру и функционирование. Характерным последствием воздействия ПАВ на организм теплокровных является повышение уровня холестерина в крови, развитие атеросклеротического поражения сосудов. При длительном контакте с организмом ПАВ воздействуют на иммунную систему, что приводит к развитию аллергических заболеваний – дерматитов, бронхитов, астмы и т. п.

ПАВ обладают слабым кумулятивным эффектом, а также могут усиливать токсическое действие пестицидов. Если животным вводить одновременно пестициды и ПАВ, то содержание пестицидов в крови и тканях животных увеличивается в 1,5–3,5 раза по сравнению с контрольной группой [22].

В водоёме ПАВ нарушают процессы самоочищения, так как на их окисление расходуется большое количество растворённого кислорода. Они затрудняют дыхание водных организмов, активизируют процессы всасывания других токсичных веществ.

Особое опасение вызывает радиоактивное загрязнение Мирового океана. Вопросу радиационного загрязнения окружающей среды будет посвящена отдельная лекция, во-первых, потому что оно носит глобальный характер, а во-вторых, принципиально отличается фактор воздействия на окружающую среду. Поражающим фактором в подавляющем большинстве случаев выступает не химическая природа веществ, а физический фактор – ионизирующее излучение.