Контрольная работа: Воздействие элементов на окружающую среду и человека

Воздействие элементов на окружающую среду и человека

Стремительное развитие техногенной цивилизации обусловило масштабное загрязнение окружающей среды. Одновременно совершенствование аналитической техники способствовало росту исследований антропогенного (техногенного) химического загрязнения окружающей среды и среды обитания человека. Со второй половины XX в. лавинообразно начал возрастать объем данных о содержании химических элементов в различных объектах окружающей среды и живых организмах. Стали широко использоваться термины, отражающие определенные уровни содержания элемента: «макроэлементы» - (10⁰ - 10^-2 %), «микроэлементы» - (10^-3 - 10^-5 %) и «ультрамикроэлементы» - (< 10^-5 %). В настоящее время под микроэлементами часто подразумевают элементы, содержание которых в объекте составляет 10^-3 - 10^-12 % (объединенная группа микро- и ультрамикроэлементов).

В связи с увеличением темпов загрязнения природной среды большое значение приобрело выделение групп приоритетных загрязнителей. Оценка поступления загрязняющих элементов в окружающую среду в результате деятельности человека может быть основана на данных о потреблении минерального сырья. С этой точки зрения специалисты разделяют химические элементы по потенциальной интенсивности загрязнения. Потенциально загрязняющими рассматриваются те элементы, для которых скорость его добычи превысит естественную скорость его переноса в естественном геохимическом цикле в 10 и более раз. В качестве прогнозного показателя интенсивности участия химических элементов в загрязнении окружающей среды Перельман А.И. предложил использовать понятие «технофильность химических элементов» - отношение ежегодной добычи элемента к его среднему содержанию в земной коре. Потенциально наиболее опасными для биосферы элементами являются Ag, Au, Cd, Cr, Hg, Mn, Pb, Sb, Sn, Te, W, Zn [11]. Высокой технофильностью (более 10) обладают свинец, кадмий и ртуть [12]. По другим данным, наиболее опасными для состояния окружающей среды являются Be, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se, V, Zn [13].

Существуют классификации приоритетных загрязняющих веществ, учитывающие их способность к трансформации в различных средах, к накоплению в организме человека и в пищевых цепях, их токсичность и т.д. К наиболее опасному первому классу относятся радиоактивные ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs, ко второму - Cd и его соединения [14]. Ртуть и свинец относятся к третьему классу, мышьяк - к седьмому. С учетом токсичности элемента и степени его миграции в окружающую среду в результате деятельности человека рассчитан индекс опасности, который уменьшается в ряду Hg (40-1600) > Cd (13) > Cu (9) > Pb (7) >Zn (4,6) > Se (0,7) > As (0,7) [15].

В соответствии с российскими нормативными документами химические вещества подразделяются на четыре класса опасности, которые характеризуют различную степень их опасности для человека при загрязнении различных объектов окружающей среды (табл. 1). В этой классификации учитываются токсичность, способность к накоплению, вероятность появления отдаленных эффектов, лимитирующий показатель вредности (санитарно-токсикологический, общесанитарный, органолептический). При этом перечень элементов в различных природных средах не совпадает по классу опасности. С внедрением в жизнь человека новых технологических решений и материалов список будет постоянно расширяться.

Таким образом, при изучении антропогенного (техногенного) воздействия элементов на состояние окружающей среды и человека рассматривается широкий набор элементов. Прежде всего, вызывают интерес те элементы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и с учетом их токсических свойств и биологической активности представляют серьезную опасность при загрязнении природной среды. В первую очередь, это As, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sb, Se, Tl, V, Zn.

Таблица 1. Классы опасности химических веществ.

* - для упрощения восприятия таблицы элементы перечислены без учета их формы, поэтому отдельные элементы повторяются в разных классах: цинк в виде ZnCO₃ относится к 4-му классу, в виде Zn(NO₃)₂ и ZnO - к 3-му классу и в виде ZnSO₄ - ко 2-му классу.

В результате развития биогеохимической теории Вернадского В.И. в работах Виноградова А.П. и Ковальского В.В. была сформулирована экологическая обусловленность микроэлементного состава живых организмов [19-22].

Первое систематическое исследование микроэлементного состава биосубстратов человека проведено в 50-60-е годы. На основании его результатов определены интервалы содержаний элементов в организме человека, составлен его «микроэлементный портрет» [23-26]. Загрязнение природных сред, среды обитания человека, питьевой воды и продуктов питания существенно увеличило поступление токсикантов в организм человека в экологически неблагоприятных районах. Были изучены и объяснены экологические заболевания человека, возникновение которых связано только с воздействием определенных химических элементов. Среди них наиболее известные - болезнь Итай-Итай (кадмий), «черная стопа» (мышьяк), Минамата (ртуть) [1]. Произошло сближение геохимической экологии с биохимическими и медицинскими исследованиями по выяснению биологической роли химических элементов в жизненных процессах. Постепенно понятия, первоначально отражающие исключительно концентрацию химических элементов в определенном объекте, переключились на их биологическую роль. В сознании многих исследователей прочно укоренилось представление о макроэлементах, как об элементах, биологическая роль которых полностью изучена. Термин «микроэлементы» незаметно стал обозначать жизненно необходимые элементы. Под ультрамикроэлементами стали понимать токсичные элементы, а также элементы с недостаточно изученной биологической ролью [27].

Жизненная необходимость элемента (эссенциальность) определяется его участием в биохимических реакциях, обеспечивающих состояние здорового организма [28]. Существуют определенные разногласия в признании тех или иных элементов необходимыми для нормальной жизнедеятельности человека. По мнению разных авторов к необходимым элементам относятся железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, никель, ванадий, селен, марганец, мышьяк, фтор, кремний и литий. Кадмий (!), свинец (!), олово, рубидий являются «серьезными кандидатами на эссенциальность» [27]. Между тем еще в 1973 г. ООН был принят список наиболее опасных для человека 15 веществ, среди которых из химических элементов значились As, Cd, Hg, Pb. В 1980 г. к ним добавились Cu, Co, Cr, Mn, Mo, Ni, Sb, Se, Sn, V. Как видно, более половины «эссенциальных» элементов находятся в списке опасных. Национальный Совет по научным исследованиям США считает, что результаты проведенных экспериментов не дают достаточных оснований считать фтор жизненно необходимым элементом [29]. По результатам многочисленных экологических, эколого-эпидемиологических и эколого-медицинских исследований, связанных со свинцовым воздействием, не найдено подтверждения «эссенциальности» свинца [30]. В настоящее время становится очевидным, что разделение микроэлементов на эссенциальные и токсичные в значительной степени условно. Каждый химический элемент имеет присущие ему диапазоны безопасного и токсического воздействия. В зависимости от концентрации один и тот же элемент может быть и эссенциальным, и токсичным [31]. Основным средством оценки степени опасности элемента является количественная характеристика его содержания в изучаемом объекте.

Специфичным признаком воздействия элемента на здоровье человека со стороны окружающей среды является увеличение его содержания в биосубстратах человека - кровь, волосы, моча (табл. 2).

Для отдельных элементов разработаны классификации уровней их содержаний в наиболее информативном (диагностическом) биосубстрате для профессионального и непрофессионального населения (табл. 3 - 5). Классификация включает характеристику состояния организма, а в некоторых случаях - описание необходимых профилактических или лечебных мер при повышенных содержаниях.

Таблица 2. Информативность определения содержания элементов в биосубстратах человека [32-34]

«++» - повышается содержание элемента в этой биосреде раньше, чем в других; корреляционные связи с концентрацией в производственной или окружающей среде достоверны

«+» - повышается содержание элемента; корреляционные связи с концентрацией в производственной или окружающей среде выражены слабо

«х+» - содержание элемента повышается только при высоких уровнях воздействия

«+?» - данные об изменении содержания элемента противоречивы

«-» - данных нет

Таблица 3. Классификация концентрации кадмия в моче рабочих, имеющих производственный контакт с кадмием и его соединениями [35]

*Кадмий в крови свидетельствует о недавнем контакте

**Кадмий в моче свидетельствует о перегрузке организма кадмием

Таблица 4. Классификация концентрации фторида в костях [29]

Таблица 5. Классификация концентрации фторида в моче [33]

Уточнение экспозиционных характеристик чрезвычайно важно для профилактики эколого-зависимой патологии, особенно при хроническом воздействии низких содержаний элементов. С получением новых данных уровни безопасного содержания элемента в дианостическом биосубстрате, в основном, снижаются. Так, в середине 70-х годов в качестве нормального содержания свинца в крови детей принималась концентрация 20 мкг/дл, к середине 80-х годов был предложен более жесткий норматив в 12 мкг/дл [36]. В 90-е годы на основе результатов многочисленных эколого-биологических и эколого-медицинских исследований Центром по контролю и профилактике заболеваний (CDC, США) разработана классификация уровней свинца в крови с интерпретацией степени его опасности для детского здоровья, в соответствии с которой не вызывает тревоги содержание свинца до 10 мкл/дл (табл. 6). В настоящее время в США этот показатель снижен до 5 мкг/дл даже для взрослых [30]. В российской литературе также предложены критерии экологической безопасности тяжелых металлов в крови человека при проведении биологического мониторинга состояния окружающей среды и здоровья населения [37]. Для раннего (!) выявления заболеваний и дифференциальной диагностики экологически обусловленной патологии при свинцовом воздействии предлагается использовать содержание свинца в крови на уровне 0,2 мг/л (20 мкг/дл). Необходимо отметить, что в соответствии с табл. 6 содержание свинца в крови 20 мкг/дл интерпретируется, как высокое, при котором уже должно проводиться медицинское обследование и даже медикаментозное лечение.

Таблица 6. Классификация концентрации свинца в крови детей [8]

Для волос, несмотря на огромное число работ по изучению их микроэлементного состава, классификации уровней содержания элементов не существует. Имеются попытки установить допустимые значения на основе данных по содержанию элементов в волосах населения, не испытывающего воздействия их повышенных концентраций со стороны окружающей среды («фоновые» содержания). В качестве допустимого содержания свинца в волосах отдельные авторы принимают уровень 8 - 9 мкг/г, мышьяка - 1 мкг/г, кадмия - 2 мкг/г [36, 38-40]. Однако понятие «допустимый» уровень включает оценку состояния здоровья человека и должно основываться на результатах совместных биохимических и медицинских исследований. Между тем, результаты исследования связи содержания микроэлементов в волосах и состояния здоровья населения (детей) немногочисленны и противоречивы [39, 41]. Кроме того, в настоящее время из-за глобального загрязнения окружающей среды «фоновое» содержание микроэлементов становится весьма условным применительно к биосубстратам человека, и, в особенности, к волосам. Использование в качестве «фонового» содержания микроэлементов в биосубстратах сельских жителей не всегда правомерно из-за резкого различия характера используемых продуктов питания и источников водоснабжения. Согласно разным авторам, «фоновое» содержание отдельных элементов в волосах различается в десятки раз [33, 42-44].