Эссе: Токсичных вещества и модели их распространения в биосфере

Перемещение и преобразование загрязнителей окружающей среды в геосфере играет принципиальную роль в формировании условий существования биосферы и населяющих ее организмов, начиная от простейших форм до человека. Перемещение загрязнителей, поставляемых транспортом и сопутствующими ему коммуникациями, может осуществляться через атмосферу, при выпадении осадков, с поверхностным стоком, при таянии снежного покрова и дождевыми потоками.

Вся накопленная информация о влиянии транспортных средств на окружающую среду в большей степени касается загрязнения атмосферы и в меньшей степени почвы. Хотя транспорт вносит существенный вклад в загрязнение гидросферы, внимание уделяется только сточным водам. Особое направление представляет миграция токсичных веществ с грунтовыми водами, особенно на территории автозаправочных и автомоечных станций. Движение грунтовых вод способствует переносу нефтепродуктов, тяжелых металлов, оксидов азота и серы.

Перемещение подземных потоков воды зависит как от характеристики почвы (плотность, пористость, температура и т. д.), так и от внешних факторов, таких как изменение климата. Свой вклад вносят организмы, населяющие почвы, принимая участие в трансформации и деструкции различных органических веществ, входящих в состав топлива и выбросов от транспортных средств.

Очень важно подчеркнуть такой аспект как перенос тепла с водными массами. Это может изменить характеристики потока жидкости и направленность химических реакций, особенно на территориях с вечной мерзлотой (крайний Север и Дальневосточный регион).

Сложные процессы перемещения токсикантов в биосфере в настоящее время только моделируются, и адекватность такого моделирования во многом определяется сбором фактических данных, которых пока недостаточно. Ненарушенные природные системы, а тем более измененные в результате хозяйственной деятельности, достаточно сложны для их описания, поэтому подготовка геохимической модели требует детализации множества процессов, ответственных за движение и распределение загрязнителей по всем компонентам биосферы. Среди этих процессов можно выделить наиболее важные (Кондратьев и др., 2005):

* химические реакции, которые преобразуют массу загрязнителей, переводя их в различные состояния;

* перенос химических элементов при растворении в воде и рассеивание их внутри геологических структур;

* биологическое разложение и преобразование опасных химических элементов в безвредные формы;

* процессы осаждения и растворения, которые могут увеличивать или уменьшать пористость, проницаемость среды и тем самым изменять скорости водных потоков (например, при загрязнении высокомолекулярными углеводородами). биогеохимический миграция антропогенный загрязнитель

Химический экологический фактор

Воздействие всех видов транспорта на биосферу можно объединить в рамках одного самого главного фактора - химического экологического. Сущность химического экологического фактора вытекает из закона толерантности Шелфорда и основных закономерностей миграции химических загрязнений в природной среде, их поступления в живые организмы. Согласно закону толерантности существование любых организмов невозможно при недостатке или избытке конкретного жизненно необходимого химического элемента в среде обитания в доступной для него форме.

Химический состав компонентов экосистем определяет качество среды обитания организмов и их биологическое разнообразие. Химические элементы способны оказывать воздействие на адаптационные механизмы, выработанные в ходе эволюции биоты.

Некоторые химические элементы и их соединения, накапливаясь в живом организме и превышая биологическую потребность, оказывают на него токсическое воздействие. К ним относятся соединения азота, серы, фосфора, галогены (F, Cl, Вг, I) и многие металлы, прежде всего тяжелые (As, Mn,Mo, Ag, Sn, Sb, Ba, W). Наиболее опасными элементами являются Hg, Cd, Pb, Co и Be. Катионы некоторых из перечисленных металлов (Hg, Pb, As, Snи Cd) легко алкилируются, образуя метил- и этилпроизводные, чрезвычайно токсичные для живых организмов, например диметилртуть (СНз)2Hg, тетраэтилсвинец (С2Н5)4РЬ.

Кроме химической природы элемента на его токсические свойства влияет и химическое строение соединения, в состав которого входит данный элемент. Например, жизненно необходимые микроэлементы азот и сера, поступающие в живые организмы в составе растительных белков, усваиваются ими в процессе синтеза животных белков. Однако соединения азота и серы в виде оксидов NOx, SO3, их гидроксидов HNO3, H2SO4 или органических производных (CH3)2N-NH2 оказывают сильное повреждающее воздействие.

Поэтому антропогенное нарушение естественных концентраций химических элементов и их соединений в природной среде, а через нее и в живых организмах губительно отражается на их развитии и жизнедеятельности.

Повреждающее (токсическое) воздействие химического элемента или его соединения проявляется на разных структурных уровнях организма:

- на молекулярном уровне имеют место процессы ингибирования ферментов, необратимые изменения макромолекул белков и нуклеиновых кислот и, как следствие, нарушение процессов метаболизма;

- на клеточном уровне происходят изменения структуры и проницаемости мембран, нарушение нормальной жизнедеятельности клеток вызывает расстройство функций органа, образуемого данными клетками;

- на уровне организма изменение функционирования органов проявляется характерными признаками отравления в виде замедления роста, ослабления репродуктивной функции (способности к самовоспроизведению и размножению), аномальных изменений физиологических параметров, хронических и онкологических заболеваний, преждевременного старения.

Повреждающее воздействие токсичного химического элемента (соединения) зависит от единовременной дозы химического вещества и продолжительности поступления его в организм. В качестве критериев используют среднелетальные дозы - ЛД50 (доза химического вещества, вызывающая при введении в организм гибель 50 % подопытных животных) и среднелетальные концентрации - ЛК50 (концентрация вещества (мг/л), вызывающая в течение 2 ч гибель 50 % подопытных животных).

На основании экспериментально устанавливаемых на подопытных животных значениях ЛД50 и ЛК50 вычисляют предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных для живых организмов (человека) веществ.

Специфика токсического повреждающего действия химических элементов определяется механизмом их воздействия на разных уровнях организма. В связи с этим в токсикологии введены понятия: критический орган, критическая концентрация для клетки и органа, критический эффект. Органы, в которых при введении в организм химического вещества наблюдаются критические токсические эффекты, называют органами-мишенями для данного вещества.

Знание биохимических основ токсичности химических элементов и устойчивости живых организмов к действию загрязняющих веществ позволяет дать адекватную оценку влияния хозяйственной деятельности общества на природную среду. Для этого необходимо знание принципов и путей миграции, превращения и воздействия загрязняющих веществ на живые организмы и среду их обитания (Астафьева, 2006).

Изучение экологической опасности загрязнения природной среды веществами антропогенного происхождения включает рассмотрение путей их миграции и трансформации в природных средах и живых организмах.

Современный качественный и количественный химический состав незагрязненной среды обитания живых организмов (биосферы) формировался на протяжении миллионов лет развития жизни на Земле. Между природной средой и живыми организмами установилось динамическое равновесие обмена веществом и энергией, которое достигалось путем миграции, непрерывного кругооборота жизненно необходимых (биогенных) макро- и микроэлементов.

Антропогенный фактор внес существенную дестабилизацию в динамику природных процессов, о чем уже было сказано выше (изменение климата, выпадение 'кислотных' дождей, формирование озоновых 'дыр', загрязнение всех компонентов биосферы и др.).