168372 (Химия и экология), страница 2

В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержанием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязнителей, - это установка химических газоочистителей - устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, - это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.

Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосферные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.

Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вернуться на землю за сотни миль вниз по ветру.

Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N0₂, а иногда и азотной кислоты, HNO₃, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота - источников их поступления и мест выведения - содержат еще много неясного.

Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмосферы затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первостепенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, - вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие.

Защита от климатических катастроф: парниковый эффект.

В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнечную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогнозами говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопоставим с эффектом накопления диоксида углерода.

Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут последствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль метана, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом свести на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, - все это должно быть изучено и понято.

Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затемнить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в воздухе и влияния сажи на радиационный баланс.

В отличие от загрязнений местного характера проблемы глобальных загрязнителей создают тупиковые ситуации, поскольку их решение требует действий во всемирном масштабе, а граждане разных стран по-разному относятся к их приоритетности. В прошлом предпочтение, отдаваемое ископаемым или ядерным топливам, диктовалось в первую очередь экономическими факторами, например наличием богатых запасов угля. Однако усиление глобальной угрозы окружающей среде, в частности в результате накопления углекислоты в атмосфере, которое ускоряется сжиганием угля, может вынудить нас пересмотреть плюсы и минусы ядерной энергетики. На приобретение фундаментальных знаний, необходимых для разумного выбора, требуются годы. Мы должны строить этот фундамент, чтобы быть в состоянии взвешенно оценить реальную угрозу накопления углекислоты в атмосфере в свете имеющихся альтернатив. Эта оценка должна учитывать проблемы защиты окружающей среды и проблему отходов ядерной энергетики.

Оценка риска.

Существует два вида токсичности. Один химический препарат может вызывать заболевание вскоре после своего воздействия – это острая токсичность. Другой препарат может оказывать нежелательное воздействие значительно позже, после продолжительного его использования – это хроническая токсичность. Например, остро токсичный газ фосген, Cl₂CO, может случайно образоваться, если загорание электросети тушат огнетушителем с тетрахлоридом углерода. В концентрации 5 млн. долей фосген уже через несколько минут вызывает раздражение глаз, а концентрации выше 50 млн. долей могут оказаться смертельными. Напротив, бензол, С₆Н₆, обладает хронической токсичностью. Вдыхание паров бензола той же концентрации, 50 млн. долей, не дает немедленного эффекта, но при длительном (в течение многих месяцев или лет) ежедневном воздействии бензола может вызвать понижение числа красных кровяных телец (гемоглобина) и лейкоцитов в крови.

К сожалению, получить детальную информацию о токсичности нелегко. Наиболее точный способ – суровый способ – это подвергнуть достаточное число людей воздействию данного препарата, чтобы продемонстрировать его безопасность или установить дозу, при которой начинает обнаруживаться токсичность. Ясно, что сведения о хронической токсичности добыть труднее всего. Чтобы можно было извлечь из наблюдений необходимую статистическую информацию, воздействию исследуемого вещества должны быть подвергнуты в течение достаточно длительного времени очень большая группа людей. Проблемы такого рода принадлежат компетенции эпидемиологии.

Что такое эпидемиология.

Исторически эпидемиология развивалась как наука об эпидемиях, т.е. быстро распространяющихся заболеваниях. Однако сегодня эпидемиология используется и как статистический аппарат для обнаружения острой или хронической токсичности даже при весьма слабом воздействии на здоровье. Например, винилхлорид, СН₂СНСl, известен как канцероген. Основанием для такого заключения послужило то, что, согласно статистическим данным, очень редкая форма рака печени, ангиосаркома, наблюдается главным образом у небольшого числа рабочих, которые продолжительное время подвергались воздействию высоких концентраций (сотни млн. долей) этого соединения. В этом случае удалось получить достоверное эпидемиологическое заключение относительно токсичности данного соединения и его весьма незначительной опасности для обычной публики.

Что является причиной чего?

К сожалению, результаты наблюдений можно неверно интерпретировать даже при наличии достаточного количества статистических данных. Так, статистические данные показывают, что рак толстой кишки гораздо более распространен в США, чем в Индии, и что американцы потребляют больше молочных продуктов, чем индийцы. Прежде чем сделать вывод, что молочные продукты вызывают рак, следует, однако, вспомнить, что рак толстой кишки распространен у пожилых людей и что средняя продолжительность жизни американцев гораздо выше, чем у жителей Индии. Таким образом, можно прийти и к противоположному выводу: потребление молочных продуктов позволяет прожить достаточно долго, чтобы начал проявляться (от других причин) рак толстой кишки. Эпидемиология может установить, что одно сопутствует другому, но это не обязательно означает причинную связь между двумя явлениями. Эпидемиологи шутят, что снижение скорости роста населения в Западной Европе в 20 веке примерно соответствует скорости уменьшения в этом регионе популяции аистов, лишь немногие сделают отсюда вывод, что рождаемость уменьшилась потому, что для доставки детей не хватает аистов.

История с ДДТ.

Все началось в 1939г., когда швейцарский химик Пауль Мюллер в ходе систематических поисков новых инсектицидов синтезировал дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Вначале на ДДТ смотрели, как на чудо: он исключительно эффективно действует на самых разнообразных насекомых-вредителей и в отличие от широко использовавшихся в то время соединений свинца и мышьяка не проявляет острой токсичности по отношению к людям.

Выгоды.

США впервые широко применили ДДТ в 1944г. во время второй мировой войны в борьбе с распространившейся эпидемией тифа в воинских частях и среди гражданского населения в Италии. Тиф переносится нательными вшами, и чтобы уничтожить этих насекомых, тысячи людей были щедро, с ног до головы, осыпаны ДДТ. Эпидемия была остановлена, что предотвратило потери человеческих жизней, которые могли стать опустошительными.

После столь внушительного успеха решено было прибегнуть к ДДТ в борьбе с Anopheles – комаром-распространителем малярии. До использования ДДТ малярия уносила от 2 до 3 млн. жизней ежегодно, число же страдающих этой тяжелой болезнью было еще больше. В результате 10-летнего применения ДДДТ в ряде стран малярия перестала быть столь страшным бичом. В Индии число заболеваний сократилось с 75 млн. в 1952г. до 100 тыс. в 1964г., в СССР с 35 млн. в 1956г. до 13 тыс. в 1966г. За то же время в Шри-Ланке малярийная “дань” понизилась с 12 тыс. жизней до нуля! Всемирная организация здоровья и Организация объединенных наций относят на счет этого чудодейственного препарата спасение около 50 млн. жизней, отнятых у одной только малярии. За свою работу доктор Пауль Мюллер был удостоен в 1948г. Нобелевской премии в области медицины.

Риск.

К сожалению, история ДДТ на этом не кончается. В 1972г. Агентство по охране окружающей среды наложило запрет на использование ДДТ в США. Как удалось это сделать – особая история, и тоже история успеха, но на этот раз в борьбе за необходимость наблюдения за окружающей средой в ожидании появления побочного действия широко применяемых препаратов.

Уже в 1946г. ученые установили, что ДДТ накапливается в жировых тканях и остается там чрезвычайно долго. Животные и рыбы, так же как и человек, – это преимущественно водные системы. Транспорт и вывод веществ из организма осуществляется у них в водной среде. Но хлорсодержащие углеводороды типа ДДТ очень плохо растворяются в воде (порядка 2 млн. долей): они продолжительно растворяются и концентрируются в жировых тканях. Например, ДДТ легко переходит в жир материнского молока. Агентство должным образом отреагировало на эту тревожную информацию, установив предельно безопасную концентрацию ДДТ в коровьем молоке и других продуктах питания. Из осторожности сначала был принят нулевой уровень безопасности. Однако при “нулевом подходе” возникают свои проблемы. Образец молока можно признать безопасным, если ДДТ не обнаруживается в нем самыми чувствительными измерениями. Поэтому усовершенствования аналитических методов приводит к изменению смысла понятия безопасной концентрации. Нулевой предел всегда связывает уровень безопасности с методом обнаружения, а не с наиболее достоверной оценкой степени опасности. По этой и другим причинам нулевой предел оказался неудачным, и Агентство заменило его “приемлемым уровнем безопасности” в 0,05млн. доли.

С течением времени стало ясно, что попадание в окружающую среду, ДДТ разлагается там с большим трудом. Усовершенствованные методы обнаружения позволили установить, что через 10 лет исчезает лишь около 50% пестицида – вследствие разложения или уноса на другую территорию.

Наконец, накопились данные о концентрировании ДДТ по мере продвижения по лестнице потребления продуктов питания. После обработки вязов концентрация ДДТ в почве достигала 100 млн. долей, в земляных червях она составляла 140 млн. долей, а, в птицах, поедавших этих червей, превышала 400 млн. долей. Такая концентрация ДДТ оказалась явно пагубной для птиц, особенно более крупных, хищных птиц. По-видимому, ДДТ мешает их воспроизводству, вызывая опасное утоньшение яичной скорлупы. Некоторые виды птиц, например орлы и соколы-сапсаны, стали быстро исчезать, как только эта неприятность добавилась к другим посягательствам человека на их место обитание.