МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

УКРАИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО–ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

В.М.Набивач, М.П.Сухой

ОСНОВЫ

ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ

И

ПРОМЫШЛЕННОЙ ТОКСИКОЛОГИИ

Учебное пособие

Днепропетровск УГХТУ 2010

УДК 504.064+615.9

ББК 28.081

Н 13

Рецензенты:

Волошин Н.Д., д.т.н., проф., зав. кафедрой технологии неорганических веществ Днепродзержинского технического университета

Бобылев В.П., к.т.н., проф. зав. кафедрой инженерной экологии и охраны труда Национальной металлургической академии Украины

Гриф наданий Міністерством освіти і науки України

лист №14/18.2-861 від 22.04.2002р.

Набивач В.М., Сухой М.П. Основы экологического нормирования и промышленной токсикологии: Учебное пособие.–2-е изд., переработ. и доп. – Днепропетровск: УГХТУ, 2010.– 235 с.

Рассмотрены основные источники, масштабы и последствия антропогенного загрязнения окружающей среды. Освещены принципы контроля и управления качеством окружающей среды.

Подробно охарактеризованы принципы установления и показатели нормирования химических загрязняющих веществ в атмосфере, водных системах почве и пищевых продуктах.

Изложены основы промышленной токсикологии, токсикометрии и классификации вредных веществ по степени токсичности и опасности.

Пособие предназначено для студентов экологических и химико-технологических специальностей и может оказаться полезным специалистам-экологам и учителям средних школ.

ISBN 966-8018-08-07 © Набивач В.М., Сухой М.П., 2010

Введение

Интенсивное развитие современной промышленности, транспорта, сельского хозяйства и сферы услуг, а также расширяющееся использование биосферы и ее ресурсов, неизбежно приводит к постоянно возрастающему вмешательству человека в материальные процессы, протекающие на Земле. Связанные с этим планируемые и осознанные изменения материального состава окружающей среды направлены на улучшение условий жизни человека в техническом и социально-экологическом аспектах.

Вместе с тем, события последних десятилетий ХХ века сделали особенно наглядным тот факт, что развитие цивилизации не только улучшает качество жизни и повышает благосостояние людей, но и таит в себе немало опасностей. Порождение человеческой цивилизации – техносфера нарушила замкнутость природных круговоротов. Люди разомкнули круг жизни в биосфере, создав бесчисленные циклы и линейные цепи искусственных событий. Антропогенные выбросы в биосферу многих химических элементов и веществ достигли уровней, соизмеримых с естественными биогеохимическими потоками соответствующих элементов, а в ряде случаев они превосходят естественные потоки.

Любой вид человеческой деятельности сопровождается образованием различного вида продуктов и сопутствующих им отходов, зачастую опасных для человека и всего живого мира. Появление и накопление многочисленных токсичных загрязнений в окружающей среде может определяться как природными соединениями, так и образованием новых веществ, опасных для биосферы. К числу последних относятся соединения тяжелых металлов, а также появление в природной среде веществ исключительно антропогенного происхождения – пестицидов и галогенсодержащих органических веществ (диоксинов, бифенилов, дибензофуранов).

В настоящее время значительная часть человечества в той или иной мере подвержена действию химических соединений. Они попадают в организм с вдыхаемым воздухом, водой и продуктами питания. Очевидным последствием такого воздействия стало увеличение уровня заболеваемости, особенно связанной с нарушением иммунного статуса, и сокращение продолжительности жизни (в том числе и в Украине).

Сопоставление роста населения со середины прошлого века до наших дней с ростом количества парниковых газов в атмосфере, сокращением озонового слоя, обезлесиванием, расширением зоны пустынь, загрязнением гидросферы, увеличением массы отходов, исчезновением отдельных видов животных (хищные птицы, тюлени и др.) показывает, что между этими процессами прослеживается явная связь.

Начиная с 70-х г.г. прошлого века в научном и политическом лексиконе прочное место заняли такие термины, как „экологическая катастрофа”, „экологическая напряженность”, „экологическая безопасность” и т.п.

Индустриально развитые страны первыми осознали угрозу загрязнения окружающей среды и начали искать пути и разрабатывать подходы к оценке экологической опасности. Совершенно очевидно, что человечество не может бесконтрольно продолжать загрязнять окружающую среду, но оно не может и прекратить или хотя бы снизить темпы хозяйственной деятельности.

Единственно приемлемый путь выхода из сложившейся ситуации – это экологическое нормирование воздействий на окружающую среду и, как более высокий уровень, – нормирование состояние объектов окружающей среды, системы контроля мониторинга и управления окружающей средой, ориентирование на обеспечение безопасности жизни людей, охрану природы и ресурсосберегающие технологии.

В основе современного законодательства различных стран, в том числе Украины, регулирующего антропогенные нагрузки на окружающую природную среду и обеспечивающего безопасность связи для человека, лежит система экологического нормирования. Основу этой системы составляют санитарно-гигиенические нормативы, направленные на сохранение здоровья человека. Не менее важным является также развитие тех разделов токсикологии, которые занимаются выявлением механизма действия химикатов на организм человека при концентрациях, лежащих ниже токсического уровня.

Понятие нормирования охватывает ряд аспектов: вопросы природопользования, охраны природных экосистем, обеспечения благоприятной окружающей среды и здоровья населения. Последнее выступает в качестве главного приоритета государственной экологической политики во всех странах.

В учебном пособии освещены источники химических загрязняющих веществ и масштабы их поступления в окружающую среду, рассмотрены принципы установления предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе, воде, почве, продуктах питания, а также предельно допустимых выбросов, обеспечивающих нормативное состояние элементов биосферы. В пособии отражены также основы промышленной токсикологии, методы и параметры количественной оценки токсичности и опасности ядов, характеристика токсикологических показателей природных экосистем.

1. Источники и масштабы техногенного загрязнения биосферы

1. Экологические последствия техногенных эмиссий

Загрязнение биосферы человеком представляет собой одну из самых древних проблем в истории цивилизации. Считается, что химическое загрязнение биосферы, вызванное деятельностью человека, началось с первого зажженного им костра. На этом этапе воздействие человека на окружающую среду было незначительным. Далее по мере развития научно-технического прогресса, роста численности населения и его потребностей антропогенное загрязнение возрастало.

Человек издавна рассматривал окружающую природную среду в основном как источник ресурсов. Однако развитие современной цивилизации приводит к парадоксу. Стремясь достигнуть независимости от природы, улучшить условия жизни, человек наращивает темпы материального производства. При этом большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, что ставит под угрозу существование как биосферы, так и самого человека.

Биосфера существует, многократно используя одни и те же атомы, т.е. в биосфере вещество используется в круговороте (биогеохимические циклы). Причем, в основном используются легкие биогенные элементы, из которых состоит живое вещество: О, N, C, S, P. Человек же использует вещество планеты крайне неэффективно с образованием огромного количества отходов. При этом в среду хозяйственной деятельности включаются практически все элементы таблицы Менделеева, а также синтезированные человеком соединения: пластмассы, пестициды, радионуклиды и др. В результате происходит обогащение биосферы не свойственными ей веществами, т.е. нарушается естественное соотношение химических элементов. Чтобы обеспечить одного человека предметами существования, каждый год из недр Земли извлекается до 40 т первичного сырья, которые в последующем рассеиваются в биосфере, радикально изменяя эволюционно сформировавшиеся биогеохимические циклы. Острота проблемы заключается в том, что при учете всех видов отходов количество полезного общественного продукта составляет около 10% используемых природных ресурсов, а остальные 90% переходят в отходы – газообразные, жидкие, твердые и, часто, весьма токсичные.

Выбрасываемые в окружающую среду загрязнители рассеиваются в биосфере и могут поглощаться живыми организмами. Для ряда загрязнителей наблюдаются очень высокие коэффициенты накопления в пищевых цепях (10³…10⁶ раз). При этом человек сталкивается с эффектом бумеранга: находясь в самом конце большинства пищевых цепей, он становится потребителем наиболее загрязненной пищевой продукции.

Так, современный горожанин получает в день вместе с пищей, питьевой водой, с табачным дымом и из атмосферы в среднем в 40 раз больше свинца, чем человек доиндустриального века.

Главной причиной глобального экологического кризиса является рост народонаселения, инициирующий другие экологические проблемы.

В настоящее время население планеты увеличивается быстрее, чем бьется сердце человека: каждую минуту рождается 250 детей, каждые сутки население земного шара увеличивается на 250…300 тыс. человек, за год – на 70…85 млн чел. Согласно последним данным ООН, к 2050 году население Земли достигнет 9 млрд человек, но во многих странах демографические показатели снизятся. В частности, сокращение населения в Болгарии составит 35%, в Украине, России, Молдове, Беларуси, Румынии – 25…35%. При этом прирост населения планеты на 88% будет осуществляться за счет развивающихся стран.

Появление каждого нового жителя Земли требует дополнительных 0,2…0,5га земли для производства продуктов питания, для жилья, работы, отдыха. Между тем, уровень производства сельскохозяйственной продукции достиг своего предела, и дальнейшее его увеличение может быть достигнуто лишь за счет применения минеральных удобрений, а также пестицидов – для сохранения выращенного урожая. И то, и другое напрямую связано с последующим загрязнением почвы и водоемов.

Одновременно нарастает количество крупных городских агломераций. С 1950 по 1983 гг. число жителей в городах увеличилось в 2,6 раза, в то время как сельское население возросло лишь на 53%. Сейчас городское население растет вдвое быстрее, чем население Земли в целом. Среди крупных городов быстрее всего растут города-миллионеры (с населением свыше 1 млн чел.). В 1900г. таких городов было 10, в 1955 – 60, в 1980 – 210. В настоящее время в таких городах сосредоточено до 25% всего населения мира, а их число – более 430. В целом городское население планеты составляет более 50%, а в отдельных регионах еще выше: Северная Америка–83%, Австралия-85%, Европа и Латинская Америка-79%, Украина–около 70%. По прогнозам, к 2025 году городское население планеты достигнет 60%.

Неоспоримы экономические и социальные преимущества городской жизни. Однако вовлечение в хозяйственный оборот больших территорий по мере роста численности населения приводит к замене естественных экологических систем искусственными. Крупный город изменяет почти все компоненты природной среды: атмосферу, растительность, почву, рельеф, подземные воды, и даже климат. Крупные города имеют над собой «шапку» высотой до 3км, состоящую из устойчивых газообразных аэрозолей. Влияние города на недра распространяется на глубину до 4км. Считается, что город с 2-х млн. населением загрязняет атмосферу в зоне до 100км.

Факты интенсивного загрязнения городов общеизвестны. В среднем городской воздух содержит в 150 раз больше пыли и вредных веществ, чем загородный, а соединений свинца в нем в 2000 раз больше, чем над океаном. Например, смертность от рака легких среди жителей городов в 4-5 раз выше, чем у жителей деревень. Городских детей от легочных заболеваний умирает в 30 раз больше, чем деревенских. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) считает, что 70-90% всех раковых заболеваний в городах связано с присутствием в городском воздухе различных химических веществ канцерогенной природы, наиболее распространенными из которых являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе самый опасный из них 3,4–бензпирен (БП). За последние 25 лет количество заболеваний раком на планете возросло в 4 раза. Каждый житель большого промышленного города вдыхает в течение жизни (за 70 лет) почти 16 мг БП (при допускаемой концентрации 0,1 мкг/м³). Среднегодовая концентрация БП в атмосфере 37-ми городов Украины превышает норму в 2,5…5,8 раза, а максимальная среднемесячная – в 8 …23,5раза.

С ростом численности населения Земли темпы эксплуатации ресурсов недр постоянно возрастают. За минувший ХХ век годовое потребление угля, железа, марганца и никеля увеличилось в 50-60 раз; алюминия, вольфрама, молибдена и калия – в 200…1000 раз. Полагают, что при современной сырьевой базе и сохранении нынешних темпов потребления запасов алюминия хватит на 100 лет; железа – на 150 лет; запасов полиметаллических руд – на 30…60 лет; нефти – на 80…100 лет, природного газа – на 100…140 лет, каменного угля – на 400 лет.

Особую категорию с точки зрения исчерпаемости и возобновимости представляют земельные, водные и лесные ресурсы. В настоящее время человек эксплуатирует более 60% суши, использует безвозвратно более 13% годового стока рек, скорость сведения лесов составляет 17 млн га в год. Сейчас площадь тропических лесов сократилась примерно наполовину. Если темпы уничтожения тропических лесов сохранятся, то через 20…30 лет они как экосистемы исчезнут с лица Земли.

При строительных и горных работах перемещается более 4 км³ грунтов в год, извлекается из недр Земли ежегодно около 250 млрд т различных ископаемых, сжигается 11 млрд т топлива, выплавляется около 1 млрд т различных металлов, рассеивается на полях свыше 500 млн т минеральных удобрений и 5 млн т пестицидов.

Только 50% внесенных удобрений усваивается растениями, потери урожая от сорняков и вредителей часто достигают 30…35%, а 90% пестицидов расходуется впустую, загрязняя почву, воду и атмосферу.

В биосферу поступает до 50% извлеченных из недр металлов, 30% химического сырья, 67% теплоты, вырабатываемой ТЭС. Номенклатура продукции химической промышленности составляет 500 тыс химических соединений и ежегодно к ним прибавляется 1…2 тыс новых. Из этого числа 40 тыс обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс являются токсичными, особенно с точки зрения генетики.

Подсчитано, что за всю историю человеческого общества выплавлено 20 млрд т железа. Его количество в сооружениях, машинах, транспорте и т.д. сейчас составляет около 6 млрд т, остальное рассеяно в окружающей среде. В течение года рассеивается более 25% годовой продукции железа. Другие вещества рассеиваются еще в большей степени. Так, рассеивание ртути и свинца достигает 80…90% их годового производства.

Рост промышленного производства сопровождается лавинообразным нарастанием объема твердых отходов, ежегодное количество которых превышает 2 млрд т. Каждые 8…10 лет количество таких отходов увеличивается в два раза.

На каждую тонну добытого угля приходится 20…24 т шахтной воды. Ежегодно из угольных шахт на поверхность откачивается около 2,5 млрд. м³ загрязненных шахтных вод, сброс которых в природные или искусственные водоемы без предварительной очистки наносит природе большой вред. В некоторых шахтах Кривбасса содержание солей в шахтных водах достигает 10…100 г/л.

Растут объемы водопотребления, особенно в промышленных странах. Для сносного существования человеку достаточно 15 л воды в сутки. Однако в крупных городах развитых стран потребляют 250…500 л (Москва – 700, Киев – 515, Днепропетровск – 450 л). Расход воды на одного сельского жителя составляет в среднем 60 л/сутки. В мире в среднем – 220…300 л/сутки.

В сельском хозяйстве на орошение расходуется 69…70% всей воды, используемой человеком на Земле, 22…23% – в промышленности, а на бытовые нужды идет лишь 8…9%.

Одна из причин нехватки воды – расточительность. Так, много воды, накопленной за высокими плотинами водохранилищ, испаряется или просачивается в почву.

Воду загрязняют промышленные и бытовые отходы, нитраты из удобрений, смытых с полей, кислотные дожди и вещества, просачивающиеся из свалок токсичных отходов.

Уровни содержания нитратов в реках Европы, на которых ведется мониторинг, в среднем в 45 раз выше, чем в чистых реках.

Аральское море – классический и печальный пример неправильного хозяйствования. Забор воды на орошение из рек, питающих море, снизил его уровень более чем на 12м, а соленость увеличилась в 10 раз. Кстати, Азовское море в настоящее время недополучает около 23% воды.

Качество воды водных объектов Украины находится на чрезвычайно низком уровне. В частности, качество воды Днепра, Северского Донца, речек Приазовья, притоков Днестра и Западного Буга классифицируется как очень грязная (VI класс). К основным загрязнителям рек Украины относятся нефтепродукты, фенолы, азот (аммонийный и нитратный), тяжелые металлы и галогенуглеводороды.

Серьезные опасения вызывает состояние почвы. Наибольшей трансформации подвергается самый верхний, поверхностный горизонт литосферы в пределах суши. Под влиянием деятельности людей возникает ускоренная эрозия, когда почвы разрушаются в 100…1000 раз быстрее, чем в естественных условиях. В результате такой эрозии общие потери земельных угодий за всю историю человечества составили 2 млрд га, т.е. превышают ныне обрабатываемую площадь – около 1,5 млрд га (по другим данным – 1,2 млрд га).

В ряде регионов Украины заметно ухудшилось состояние земельных угодий в связи с проведением оросительной мелиорации, которая отрицательно влияет на черноземные почвы: уменьшается гумусный горизонт, увеличивается рН до 8…8,5, происходит вторичное засоление корневого слоя.

Ежегодно в почву страны вносится 1,75 млн центнеров пестицидов, что приводит к повышенной концентрации вредных веществ в сельскохозяйственных продуктах.

Основной глобальной проблемой является сохранение тропических лесов. Обычных лесов сохранилось в мире еще достаточно много: 20% территории Земли покрыто лесами. Но тропические леса – это самые богатые жизнью участки планеты. К настоящему времени влажно-тропические леса в Латинской Америке сведены на 37% от первоначальной площади, в Азии – на 42%, в Африке – на 52%. В отдельных странах положение ещё хуже: в Малазии сохранились 8% лесов, в Таиланде – 7%, в Пакистане – 4%.

Если уничтожение лесов будет продолжаться с прежней интенсивностью, то через 50…60 лет тропические леса исчезнут везде, кроме Заира в Африке и Западной Амазонки в Южной Америке. Эти леса – дождевые, занимают всего 6% территории Земли, но в них обитает столько же видов, как и во всех других экосистемах планеты вместе взятых. Каждую минуту дождевой лес исчезает на площади равной футбольному полю. Каждый год он исчезает на территории, равной Австралии (~7,7 млн. км²). Тропические леса Бразилии ежегодно вырубают на площади свыше 23 тыс км².

Важнейшей проблемой здесь является кислотная интоксикация биосферы, т.е. выбросы SO₂. Кроме серы на леса воздействуют оксиды азота выхлопных газов. В отдельных местах кислотность почв возросла в 5…10 раз.

Так, на территории Германии кислотными дождями повреждено 35…50% площади лесных массивов страны. В Голландии и Великобритании около 30% деревьев оказались засохшими, в Чехии и Швейцарии погибли 16% деревьев.

В Украине осталось 14% лесов от того количества, которое было 200 лет тому назад.

Таким образом, человеческая деятельность меняет характер окружающей среды, причем в большинстве случаев эти изменения оказывают негативное влияние на самого же человека.

Последствия техногенного влияния на окружающую среду настолько серьезны, что привели к заметному ухудшению экологического состояния атмосферы, гидросферы, литосферы.