26.07.2017
Металлические несущие конструкции являются неотъемлемым составляющим в строительных работах. При воздействии огня несущие функции...


26.07.2017
Большинству людей желтый цвет дарит бодрость и хорошее настроение. Он является символом спокойствия и умиротворения, а потому...


25.07.2017
Дорожное строительство – непростой многоступенчатый процесс. Положительный результат достигается только тогда, когда на каждом...


25.07.2017
Шелковая штукатурка – одно из самых популярных покрытий, которое наносится на стены или потолок. Свою популярность шелковая...


25.07.2017
Работа в коллективе важна и определена тем, что она повышает уровень предприятия или компании, а также конкурентоспособность,...


25.07.2017
Металлические ключницы настенного размещения представляют собой изделие в виде шкафчика или ящика и предназначены для хранения...


Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов

05.01.2017

В 1973 г. ООН был принят список наиболее опасных для человека 15 веществ, среди которых значились сернистый газ, оксид и диоксид углерода, оксид азота, углеводороды, хлор-органические соединения (ДДТ, ПХБ и др.), микотоксины, нитраты, нитриты, нитрозамины, аммиак, ртуть, свинец, кадмий, а также взвешенные в воздухе пылевые частицы, концентрирующие различные металлы.
В России содержание химических веществ начали контролировать еще в 1925 г., когда были определены первые ПДКрз, в настоящее время установленные почти для всех элементов и многих соединений; ПДКСС и ПДКмр впервые введены в 1949 г., а ПДК для воды — в 1950 г.
ПДК для токсичных элементов, утвержденные Минздравом России, в настоящее время действуют для >1300 веществ в воздухе и >1100 — в воде. Они уточнялись, дополнялись и в настоящее время приобрели достаточную стабильность, являясь наиболее жесткими в мире. Часть из них приведена в табл. 1. Общее количество веществ, отнесенных к токсичным, в настоящее время близко к 3000, большинство — органические соединения. За это же время Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в рамках Международной программы химической безопасности опубликованы «Гигиенические критерии состояния окружающей среды» для Hg, Be, Pb, Sn, Mn, As, Ti и других Металлов, которые также использованы в работе.
В 1956 г. при ООН был создан Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР), который периодически опубликовывал данные о мощностях доз облучения от различных источников и их критические значения, приведенные в, табл. 2.
Данные по токсичности и биологичности химических элементов показаны в периодической системе Д. И. Менделеева с выделением трех блоков элементов (рис. 1) — непереходных s-, р-(верхний), переходных d-(средний) и f-(нижний). Различаются высокотоксичные элементы, имеющие I и II классы опасности, общетоксичные (III и более низкие классы опасности) и слабо изученные с неясной токсичностью (см. табл. 1).
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов

Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов

Экологическое значение химических элементов обычно многоплановое. В частности, среди токсичных металлов по биологической важности выделяются главные жизненно необходимые Mg, Ca, Mn, Fe, Na, К, Co, Cu, Zn, Mo, а также возможно жизненно важные, но слабо изученные (см. рис. 1), среди которых известны металлы с уже установленными полезными функциями для некоторых растений и животных (Al, As, Li, Ni, Rb, Se, Sr, Ti, V и др.) и с прогнозируемыми (Be, Cd, Si, Cr, Sc, Ba, Cs).
Имеются данные по нормальным и экстремальным недостаточным и избыточным содержаниям некоторых элементов в почвах и растениях (табл. 3), а также для сельскохозяйственных животных (табл. 4). Эти оценки изменчивы и показывают лишь возможный примерный уровень содержаний.
Наиболее сложной и слабо изученной проблемой является медико-санитарное нормирование воздействия элементов на жизнедеятельность. ПДК и другие нормы выведены эмпирически, при отсутствии общей теории вопроса. Они не учитывают даже главные особенности химизма природных и техногенных систем, для которых предназначены, и не всегда привязаны к определенным соединениям или формам нахождения элементов. He решены вопросы суммарного влияния нескольких элементов — эффектов их антагонистического (снижающегося) или синергетического (увеличивающегося) взаимодействия. Эта проблема наиболее остра, так как обычно в экогеохимических системах присутствуют ассоциации большого числа элементов. А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас обобщили имеющиеся данные по этому вопросу для растений (микроорганизмов). Они сделали вывод, что наиболее полно антагонизм изучен для Fe, Mn, Cu, Zn, а также для Cr, Mo, Se; антагонизм и синергизм нередко сменяют друг друга. Синергизм между микроэлементами в растениях обычно не доказан. В частности, упомянутые авторы подвергают сомнению данные о синергизме Cd с Pb, Fe, Ni. Для животных таких обобщений еще не выполнено, за исключением исследований по совместному действию различных радионуклидов.
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов

При совместном присутствии в экологической системе нескольких токсичных веществ (1, 2, ..., n) сумма их концентраций не должна превышать единицы при расчете по формуле: C1/ПДК1 + С2/ПДК2 + ... + Сn/ПДКn ≤ 1, где C1,2, ..., n — фактические концентрации токсиканта, ПДК1,2, ..., n — предельно допустимые концентрации тех же веществ в соответствующей экосистеме.
Поскольку одним из основных регулирующих факторов экологической роли элементов является степень их подвижности и время присутствия в конкретной среде (лито-, гидро-, атмо-, био-), это необходимо учитывать во всех геоэкологических построениях.
Впервые научное значение разделения геосфер и физико-химических сред Земли установил В.И. Вернадский, который показал, что их различия имеют большее значение, чем сходства. О главном сходстве уже говорилось, а различия становятся очевидными, если обратиться к составу и свойствам объектов: твердой среды—литосферы (минералов, руд, пород, почв), жидкой — гидросферы (типов вод), газовой — атмосферы.
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов

Биосфера, объединяющая всюду проникающим живым веществом все перечисленные косно-минеральные составляющие верхней части Земли, также специфична по составу, состоянию и времени обращения химических элементов и их соединений. He только биос, но и минеральное вещество проникает во все различные физические среды поверхности Земли, определяя микроэлементный состав воды (взвесь) и воздуха (аэрозоль), и это также объединяет различные геоэкологические среды. Наиболее комплексным и реагирующим на изменение состава всех составляющих объектов являются почвы. В их составе отмечаются все циклические главные компоненты и многие микроэлементы, степень накопления — выноса которых показана в табл. 5. Видно, что для одного и того же элемента величина привноса — выноса меняется и зависит от условий среды. Многочисленные факты большого влияния различных геохимических, геоморфологических, климатических, ландшафтных и других факторов на эндогенную и экзогенную миграцию элементов приведены в работе далее.
В свое время В.И. Вернадский для количественного выражения геохимических зависимостей использовал понятие кларк концентрации элемента (отношение конкретного содержания элемента в объекте или системе к кларку элемента). Это понятие широко вошло в отечественную литературу и в память о В.И. Вернадском и для краткости названо нами вернад. В качестве оценок кларков земной коры для большинства элементов в работе приняты средние значения, полученные K.Н. Овчинниковым из всех имеющихся оценок кларков (табл. 6). Приведенные в табл. 6 кларки биосферы выведены М.А. Глазовской и Н.Ф. Глазовским, кларки гидросферы — по А.П. Виноградову, В.В. Гордееву, В.Н. Иваненко, A.П. Лисицину, биоса — по А.П. Виноградову, Н. Боуэну, B.В. Добровольскому.
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов

В настоящей работе введены новые понятия, характеризующие экогеохимические и геоэкологические особенности элементов: их литотоксичность (табл. 7), а также гидротоксичность — атмотоксичность (табл. 8), геоэкофильность и показатели геоэкологичности.
На основе коэффициентов литотоксичности Тя подсчитаны значения литоэкологичности различных объектов. Элементарный экогеохимический параметр литоэкологичности элемента ГЭ = ВТл, где В — кларк концентрации (вернад) элемента. Для глобальных построений используется кларк элемента земной коры или биосферы, для региональных — ферсм, для локальных — фон. Суммарный экогеохимический показатель литоэкологичности минерала ГЭм рассчитывается следующим образом:
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов

где Y — показатель устойчивости минерала, учитывающий химическую, механическую и гидроаэродинамическую устойчивость и имеющий три градации: высокую (Y=10), среднюю (Y=5) и низкую (Y=1). Этот показатель дает представление об относительной потенциальной экологической неблагоприятности минерального литообъекта или территории. Средние значения могут быть подсчитаны для всех минералов, месторождений и т. д. Для минералов самый высокий ГЭм ртути самородной 1*10в8, киновари 5*10в6, теллуридов и селенидов n*10в6, галхаита 7*10в5, галенита и арсенопирита 5*10в5, акташита 3*10в5, халькопирита и сфалерита 5*10в4, антимонита и блеклых руд 3-104, молибденита 2*10в4; среди минералов классов оксидов и солей кислородных кислот наиболее неблагоприятны хризоберилл 5*10в6, бертрандит 5*10в6, уранинит 8*10в4, торианит 5*10в4, торит 4*10в4, берилл 4*10в4, целестин, стронцианит, барит, витерит и флюорит 3*10в4, шеелит, лопарит и эвдиалит 2*10в4, пирохлор 1*10в4 и т. д.; для кальцита ГЭм=1—5.
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов

Аналогичные средние оценки получены для типов пород и месторождений (как суммы минералов), а также площадей — аномальных геохимических и рудных районов разных типов и масштабов (для пород и месторождений показатели ГЭл приведены в соответствующих разделах).
Гигиенические оценки токсичности химических элементов (ПДК и др.), используемые при экологических исследованиях, не учитывают геохимические параметры (кларки, ферсмы и др.). При сопоставлении имеющихся значений ПДК и степени токсичности металлов (I, II классы опасности, общетоксичные) с их положением в периодической системе и значениями кларков в земной коре общих зависимостей не обнаружено. В менделеевской системе супер- и высокотоксичные металлы (Be, Co, Hg, Tl, Pb, U и др.) соседствуют с общетоксичными, а распространенные металлы нередко имеют ПДК близкие или даже более низкие, чем редкие. Можно лишь отметить, что особенно насыщена наиболее токсичными металлами II группа периодической системы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Cd, Hg), а также длинные периоды (4-й и 6-й) и актиноиды (возможно, лантаноиды), где установлена высокая токсичность V, Cr, Co, Ni, Th, U и др.
Обращает внимание факт наибольшей токсичности микроколичеств ряда редких металлов. Возможно, это связано не с геохимическими особенностями самих металлов, а со слабой адаптацией живых организмов к редким металлам, техногенные концентрации которых относительно недавно появились в окружающей среде.
Токсичность, биологичность и геоэкологичность элементов

Были подсчитаны величины отношений генеральных оценок средних содержаний токсичных металлов (соединений) Кл в определенных природных средах к их ПДК в соответствующих средах — воздухе ПДКсс, воде ПДК., а также коэффициенты геоэкофильностй элементов (ГЭФ), представляющие собой отношение Кл: ПДК. Оценки получены для токсичных металлов, охарактеризованных соответствующими величинами в атмосферной и (или) водной средах. Кларки для водной среды приняты по оценкам С. Тейлора и других исследователей в реках, для атмосферы подсчитаны нами по данным Ф.Я. Ровинского с соавторами, С.Г. Пушкина, В.А. Михайлова, А. Кабата-Пендиас, А.А. Волох и других исследователей для различных индустриальных территорий (Северная и Западная Европа, Япония, Северная, Южная, Центральная Америка, бывш. СССР).
По снижению значений ГЭФг в водной среде (гидроэкофильность) получен следующий ряд: Li 0,1; Mg, Fe 0,08; Mn, Cu 0,07; Se 0,06; Be 0,05; As 0,04; Sr 0,035; Ti, Pb 0,03; Al, Tl, Ba 0,01; Cr 0,01—0,002; V 0,009; Ag 0,007; Ni 0,005; Zn 0,004; Nb 0,003; Mo 0,002; Hg, Cd, Sb 0,001; Th<0,001; W 0,0006; Co 0,0001; для атмосферного воздуха (атмоэкофильность) ряд такой: Ni 0,28; Be 0,18; Cr 0,066; Cu 0,023; Pb 0,018; Mn 0,016; As 0,009; Hg 0,004; Zn 0,0037; V 0,0027; Co 0,0012.
Параметры гидро- и атмоэкофильности позволяют перейти к соответствующим коэффициентам степени экотоксичности (Tг и Tа), которые можно использовать для определения относительной суммарной оценки состояния геоэкологичности воздушных и водных сред. Элементы с высокими значениями ГЭФ (0,01—0,n — см. табл. 8) вносят больший вклад, поэтому для них условно приняты высокие показатели — Эг = 100-20: Li 100; Mg, Al 90; Fe, Mn, Be 80; Cu 70; Se, As, S 60; Sr, Ra 50; Pb 40; Ti, Cr 30; Ba, Tl 20; Эа = 100-40: Be 100; Ni 90; Cu 80; Pb 70; Cr 60; Mn 50; As, Ca 40. Для элементов с меньшими ГЭФ (<0,01) принят Эг = 10 (Fe, Ba, Mn, Cr, V, Ti, Th, Nb, Sn, Mo, As, Pb, Zn, Sb, Hg, Cd, V, Co, U) и Эа = 10 (Ca, Cr, Zn, As, V, Co, Hg, F).
В отличие от ГЭл (литоэкологичности) объектов и систем соответствующие показатели гидроэкологичности ГЭг и атмоэкологичности ГЭа подсчитываются по следующим формулам: ГЭг = Σ(ГЭ*Э)i = ГЭ1Эг + ... + ГЭnЭг; ГЭа = Σ(ГЭ*Э)i = ГЭ1Эa + ... + ГЭnЭa. При расчетах ГЭi значения В берутся для соответствующей среды — водной или воздушной, значения Tг и Tа из табл. 8, а Эг.а — из приведенного ряда.
Для геоэкологической характеристики микроэлементов существенное значение имеют сведения о их патологичности П при избытке и недостатке в окружающей среде. В первом приближении такое понятие дают ряды снижающейся относительной патологичности П микроэлементов при их избытке или недостатке, составленные исходя из количества установленных типов заболеваний и патологий для каждого элемента: при его избытке — Hg (21), Ba (20), As (19), Tl (17), Ni (15), Be, Cd, Pb (по 14), F (13), Co (12), Br (11), Fe, Cu (10), Se, Al (9), V, Cr, Mo, В (8), Mn (7), Li (6), Si (5), I, Bi, Sr, Pt (4), In (3), Zn, Ag (2), W, Sn (1?); при недостатке — Zn (14), Fe, Cu (по 13), I, Se (10), Co, Mn (8), Mo (5), Ni (4), F, Pb (3), Cd, Si (2), В, Br (1), Al(?)... Для макроэлементов детальные обобщения отсутствуют, однако известно огромное значение как недостатка, так и избытка главных биоэлементов — Ca, Na, К, С, S, Mg, Р, N и др.
Приведенные выше первые оценки коэффициентов геоэкологичности элементов являются полуколичественными, но дают общее представление о состоянии соответствующих сред. Одновременно они заставляют обратиться к данным по геохимии токсичных веществ, чтобы использовать их для расширения рядов ГЭ, Т, ГЭФ и других и выявления главных экогеохимических свойств элементов. Исходя же из приведенных данных можно сказать, что важным, вероятно, окажется сочетание нескольких свойств, среди которых, кроме значительного превышения или недостатка по сравнению с кларковой распространенностью В, будут геоэкологические особенности и миграционная способность элементов и соединений.