Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

ни) в общем виде называют биоматериалом или биосубстратом.

Биообъекты (или биосубстраты) наиболее чутко отражающие

состояние окружающей среды, изменения в которых корреляци-

онно связаны с уровнями загрязнения, являются диагностиче-

скими Они чаще всего используются при проведении биогео-

химического опробования, причем обычно это такие органы и

ткани, отбор которых не наносит сколько-нибудь серьезного

ущерба организму (плоды, листья, ветви, волосы, шерсть, кровь,

моча и т

д.).

Следует отличать критический орган — т.

е.

орган, в котором

накопление ксенобиотика наносит максимальный ущерб орга-

низму.

При гигиеническом исследовании выявление уровней накоп-

ления ксенобиотиков называют тестом накопления. Анализ ре-

зультатов изучения тестов накопления проводится путем срав-

нения данных с усиленно разрабатываемыми сейчас биохими-

ческими нормативами — допустимыми уровнями накопления.

Допустимыми называются такие уровни, при которых еще не

фиксируются изменения в состоянии здоровья. Критический уро-

вень — содержание химического элемента в организме, при ко-

тором проявляются выраженные биохимические изменения.

На основании результатов собственных исследований, а так-

же с учетом опыта отечественных и зарубежных работ установ-

лена информативность биосубстратов человека при индикации

воздействия загрязнения окружающей среды химическими эле-

ментами (табл. 7).

Таблица

7 Информативность диагностических биосубстратов для оценки

воздействия химических элементов на человека

Примечания

«-)—[-»—

увеличение

содержаний элемента в данном

биосубстрате

про

является раньше, чем в

других,

и корреляционные связи с показателями среды всегда

надежны,

«-)-»—

увеличение содержаний проявлено четко, но корреляционные связи

показатечями

среды

выражены

слабее,

«+Х»

—

увеличение

содержании

проявлено

только при высоких уровнях воздействия,

«-}-^»

—

данные противоречивы,

—

дан

ные

отсутствуют

Закономерности накопления химических элементов живыми

организмами (прежде всего, человеком) сейчас интенсивно ис-

следуются.

Важно подчеркнуть установленные надежные корреляцион-

ные связи в синхронно изученных системах «источники загряз-

нения — среда» и «среда — организм». Пример таких связей

приведен для свинца — элемента, изученного лучше многих дру-

гих (рис. 18). Аналогичные данные имеются по ртути, кадмию,

никелю и другим элементам.

Все больше появляется материалов, показывающих, что прак-

тически все химические элементы, фиксируемые в техногенных

ореолах и потоках рассеяния, в той или иной степени усваивают-

ся организмами и фиксируются в виде биогеохимических анома-

лий в одном из информативных биосубстратов. На рис. 19 по-

казаны биогеохимические спектры взрослых и детей, находящих-

ся в центрах геохимических аномалий, контрастно различных

по ассоциациям загрязняющих веществ. Сравнивая аэрогенные

аномалии комбината цветных металлов (выбросы содержат

обычный комплекс токсичных тяжелых металлов) и комбината

по производству минеральных удобрений (выбросы содержат

совершенно не изученные с биогеохимических позиций редкие

земли и немного тяжелых металлов), мы видим, что в обоих

случаях в волосах детей и взрослых полностью проявились

ассоциации геохимических аномалий.

В случае аномалии металлургического комбината можно от-

метить накопление малоизученных элементов (5Ь, Те,

А§).

Для

аномалий минеральных удобрений еще более необычно очень

большое накопление группы редких земель.

Таким образом, можно сделать принципиальный вывод о

том, что техногенные геохимические потоки всех элементов про-

никают в организмы и фиксируются в них. Трудность их выяв-

ления в технической сложности обработки и анализа проб с не-

обходимой чувствительностью, а, главное, в невозможности по-

лучения необходимого биоматериала. Мы еще очень мало знаем

о взаимосвязях химических элементов в организме (ниже пока-

зано, что некоторые биологические важные элементы в зонах

загрязнения даже снижают

концентрации).

Для многих элемен-

тов неясна их экологическая опасность. Однако важен сам факт

существования аэрогенных техногенных биогеохимических пото-

ков, который свидетельствует о факте воздействия геохимиче-

ских аномалий на организмы и взаимосвязи между ними.

Поступление и накопление ксенобиотиков в организме опре-

деляет появление ответных биологических реакций, выраженных

в виде тех или иных функциональных нарушений и морфологи-

ческих отклонений, в росте заболеваемости, и, в конечном итоге,

в увеличении смертности.

Функциональные нарушения — изменения, отклонения от

нормы в работе основных систем (иммунной, кроветворной, сер-

дечно-сосудистой и т. д.). Морфологические

отклонения

—

изме-

нения в строении организма, в форме, размерах, цвете или соот-

ношении отдельных его частей.

При исследовании функционально-морфологических измене-

ний в связи с загрязнением среды изучается довольно широкий

спектр реакций организмов. Это связано с тем, что функциональ-

но-морфологические нарушения и отклонения наиболее чувстви-

тельный вид реакции. По ним проводится так называемая

доно-

зо/югическая

диагностика, т.

е.

установление состояний пред-

болезни, когда наиболее эффективны профилактические меры.

Кроме того (это особенно важно), изучение функционально-

морфологических характеристик проводится

экспрессно

и чаще

всего позволяет получить количественные характеристики, вы-

являемые объективными приборными способами. При оценке

воздействия загрязнения на человека объектами исследования

обычно являются дети, состояние организма которых более тесно

связано со средой обитания. В последнее время в качестве

признака, наиболее чутко реагирующего на загрязнение среды,

используются иммунологические реакции, т. е. специфические

защитные реакции организма, определяющие его способность

противостоять повреждающим агентам и определяемые с по-

мощью хорошо разработанных приемов биотестирования. Эффек-

тивно также исследование

гемотологических

показателей (лейко-

цитоз, гемоглобин), оценка изменения показателей дыхательной

системы (частота дыхания, объем легких, проходимость брон-

хов и т.

д.).

Среди морфологических отклонений человека обычно

исследуют отклонения физического развития, т. е. изменения веса

и роста какой-либо однородной половозрастной группы детей.

Функционально-морфологические отклонения для растений

проявлены в нарушении

фенофаз

(сроков наступления морфоло-

гически фиксируемых этапов развития — вегетации раститель-

ного

организма),

в некрозах (полном или частичном омертвлении

тканей), в хлорозах (обесцвечивании листьев), гигантизме (уве-

личении размеров, чаще всего плодов, листьев), карликовости

(уменьшении размеров отдельных органов или растения в целом)

и в других более тонких изменениях.

Следует отметить, что различают специфическое и общеток-

сическое действие ксенобиотиков.

Специфическое действие — способность оказывать избира-

тельное или преимущественное действие на определенные функ-

циональные системы, орган или группу органов живого орга-

низма.

Общетоксичное действие — способность вызывать изменение

в ряде органов и систем, приводящее к общему ухудшению со-

стояния организма в целом.

Суммарный результат этих действий определяют показатели

здоровья (физическое развитие, заболеваемость,

инвалидизация

и демографические

характеристики).

Примером специфических воздействий (и, соответственно,

реакций), наиболее четко связанных с уровнями загрязнения

окружающей среды, являются: аллергенное действие — способ-

ность изменять иммунологические свойства, повышать, таким

образом, чувствительность организма к раздражителям и вызы-

вать, так называемые, аллергические заболевания — диатез,

бронхиальная астма и т.

д.—

наиболее распространенные сейчас

типы детских заболеваний;

гонадотоксическое

действие (свой-

ство нарушать развитие и функциональные способности половых

клеток); канцерогенное действие (способность индуцировать

злокачественные опухоли); мутагенное действие (способность

вызывать мутации половых клеток и соматических клеток тела

живых организмов); тератогенное действие (способность

инду

цировать

уродства) и

эмбриотоксические

действия (неблаго-

приятное влияние на формирование и развитие эмбрионов —

снижение их веса, размера, гибель).

Общетоксическое действие фиксируется прежде всего заболе-

ваемостью. При оценке влияния фактора загрязнения окружаю-

щей среды используется изучение общей заболеваемости (т.

суммарный показатель числа любых видов болезней, рассчитан-

ный на определенное количество населения).

Часто более контрастно связаны с характеристиками загряз-

нения отдельные группы болезней. При оценке следствий загряз-

нения воздуха наиболее эффективно изучение острых заболева-

ний органов дыхания (бронхит, фарингит,

тонзиллит).

При оценке связей показателей здоровья населения с состоя-

нием окружающей среды используются хорошо разработанные

эпидемиологические методы — методы количественного изучения

пространственных закономерностей распределения болезней.

В прикладных

эколого-геохимических

исследованиях в отличие

от принятых гигиенических систем анализа структуры заболевае-

мости, она увязывается с пространственной структурой проявле-

ния техногенных геохимических аномалий.

На основе материалов геохимических исследований загряз-

нения городов тяжелыми металлами авторы выполнили прост-

ранственные структуры распределения очагов загрязнения. Тяже-

лые металлы при этом использованы и как показатели появления

в окружающей среде опасных загрязняющих веществ, и как

индикаторы-трассеры, фиксирующие пространственное положе-

ние зон воздействия источников выбросов в присущим этим

источникам более широкими комплексами загрязняющих ве-

ществ (газы, органические соединения).

Это позволило разделить население городов (прежде всего,

детское) для изучения пространственно-дифференцированной

оценки ответных реакций организма на загрязнение и создать

Рис. 20.

Эколого-геохимическая

модель

«среда—здоровье»

(зависимость часто-

ты отклонения состояния здоровья детей

от интенсивности загрязнения почв

I—IV

— уровни загрязнения почв (в

мг/г):

I — менее 16, II —

16—32,

III

—

32—64,

—64-

128. Цифры в круж-

ках — виды заболеваний: 1 — измене-

ние показателей иммунной системы,

2 — заболевания органов дыхания

—

1 — острый фарингит и тонзиллит,

2—

—

острый бронхит),

3—функцио-

нально-морфологические отклонения

(3—1

— увеличение количества лейко-

цитов,

3—2

— нарушения физического

развития, 3— 3 — функциональные от-

клонения сердечно-сосудистой системы,

3—4

—снижение

количества гемогло-

бина),

4—хронические

заболевания

своего рода экологическую или геогигиеническую модель «сре-

да — организм».

В подавляющем большинстве случаев в связи с загрязнением

наблюдается однотипная структура изменения показателей здо-

ровья детей. Отклик организма на интенсивность загрязнения

атмосферного воздуха, фиксируемую геохимическими аномалиями

в почвах, снеговом покрове, других природных средах, в порядке

уменьшения образует ряд: 1) иммунологическая реактивность;

2) острые заболевания органов дыхания аллергического харак-

тера); 3) отклонения от норм функциональных и физиологиче-

ских показателей — нарушение гармоничности физического

развития, увеличение числа лейкоцитов при снижении гемогло-

бина; 4) рост хронических заболеваний (рис.

20).

Это дало воз-

можность создать шкалу оценки опасности геохимических анома-

лий. По опасности загрязнения аномалии разделены на 4 кате-

гории: 1)

допустимые

—

фоновый уровень, в сущности пока еще

плохо изученный и определяемый в каждом случае как исходная

для сравнения зоны с низким уровнем заболеваемости и мини-

мальной частотой проявления функциональных отклонений;

2) умеренно-опасные — увеличение общей заболеваемости;

3) опасные — увеличение частоты хронических заболеваний,

функциональных отклонений; 4) чрезвычайно опасные — увели-

чение нарушений репродуктивных функций и других отдаленных

Таблица

8. Ориентировочная шкала оценки аэрогенных очагов загрязнения

Таблица 9. Ориентировочная шкала оценки загрязнения водных систем

Примечание:

суммарный показатель загрязнения.

Уровень загряз-

нения

Средний уме-

ренно опасный

Высокий опас-

ный

Очень высокий

чрезвычайно

опасный

Состояние атмосферного

воздуха

Превышение

ПДК

от-

дельных загрязняющих

веществ (пыль, оксиды

углерода и азота, серни-

стый

ангидрид)

;

содер-

жание тяжелых металлов

выше фона

Превышение ПДК комп-

лекса загрязняющих ве-

ществ (пыль, оксиды уг-

лерода

-и

азота, сернис-

тый ангидрид); содержа-

ния отдельных металлов

(главным образом свин-

ца) выше ПДК

Превышение ПДК (иног-

да многократное) комп-

лекса загрязняющих ве-

ществ, в том числе ряда

тяжелых металлов

Показатели загрязнения снегового

покрова и почв

Средний уровень загрязнения почв

—

32)

и снегового покрова

(7,^

—

128).

Повышенная запылен-

ность снегового покрова (среднесуточ-

ная нагрузка

250

—

450

кг/км

Содер-

жание

РЬ

в почве более 100

мг/кг

Высокий уровень загрязнения почв

—

128)

и снегового покрова

128

—

256).

В составе аномалий

присутствуют

химические

элементы и

загрязняющие вещества I класса опас-

ности (особенно РЬ,

Сс1,

Нц)

в высоких

концентрациях

(К<.>

10). Содержание

РЬ в почве более 250 мг/кг. Средне-

суточный

уровень выпадения пыли

450—800

кг/км

Очень высокий уровень загрязнения

почв

128) и снегового покрова

(2^

256).

В составе аномалий в почве

присутствуют РЬ

(/>

400 мг/кг) и

Н^

(2,1 мг/кг), что является индикатором

превышения ПДК этих ингредиентов в

воздухе.

Очень высокая запыленность снегово-

го покрова

(среднесуточная

нагрузка

800

кг/км

)

Уровень загрязнения

Слабый

Средний

Сильный

Очень сильный

Т.,

токсичных

элементов в донных

отложениях

Менее 10

10—30

30—100

Более 100

Содержания токсичных элементов в воде

Слабоповышенные относительно фона

Повышенные относительно фона; эпи-

зодическое превышение ПДК

Во много раз выше фона; стабильное

превышение отдельными элементами

уровней ПДК

Практически постоянное присутствие

многих элементов в концентрациях вы-

ше ПДК

Примечания:

— суммарный показатель

загрязнения,

(

— коэффициент концентрации

относительно фонового содержания.

последствий. Оценочная шкала такого рода вошла в Методи-

ческие указания, утвержденные Минздравом СССР.

Более детальные шкалы, оценивающие уровни загрязнения

аэрогенных и гидрогенных аномалий в связи с формируемыми

ими неблагоприятными последствиями, приведены в табл. 8, 9.

Эколого-геохимической

нормой условий обитания человека в

биосфере является

кларковая

концентрация. Этот уровень при-

ближенно определяет наиболее распространенную обстановку

жизни. Природные вариации содержаний довольно узки и, как пра-

вило, отклонения от

кларка

не превышают

двух-трехкратного

уровня.

Экстремальные геохимические ситуации в природе, т.

е.

об-

становки резко повышенных концентраций химических элемен-

тов образуются чаще всего в связи с рудными месторождения-

ми — территориями, где, как правило, население не концентри-

руется.

Антропогенные геохимические преобразования окружающей

среды по своему уровню превышают интенсивности воздействия,

наблюдаемые в районах рудных месторождений (табл.

10).

Сложные цепи миграции загрязняющих веществ, формируе-

мые в связи с рассеянием в природных системах твердых отходов,

выбросов, стоков и средств химизации (рис.

21),

неизбежно приво-

дят к формированию геохимических аномалий и биогеохимиче-

скому концентрированию химических элементов в окружающей

среде городов и сельскохозяйственных территорий. Таким образом,

экстремальные ситуации горно-рудных районов распространяются

на громадные территории, являющиеся средой обитания значи-

тельной части человечества.

Таблица

10. Интенсивность накопления химических элементов живыми

организмами в природных и антропогенных аномалиях (в коэффициентах

концентрации по отношению к фону)

Элемент

Литий

Олово

Хром

Свинец

Кадмий

Сера

Марганец

Антропогенные аномалии

Человек и животные

1,5—2,5

1,5—2

1,2—3

2—10

1,5—3

2—17

2,5—10

Растения

1,5—6

1,5—15

1,2—2

до 50

3—8

2—10

1,5—15

Растения и животные

в природных

аномалиях

1,5—2,5

2—8

1,5—3

1,5—3,5

2—3,5

2—5

1,5—2,5

Глава 2

ТЕХНОЛОГИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ РАБОТ

Геохимическая оценка состояния окружающей среды базируется

на данных, получаемых при проведении специализированных

эколого-геохимических

исследований, направленных на установ-

ление источников загрязнения, прослеживание всех возможных

путей миграции загрязняющих веществ и выявление территорий,

где их концентрация становится опасной для живых организмов.

2.1. ОБЩАЯ СХЕМА

ПРИКЛАДНЫХ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В геохимических исследованиях загрязнения окружающей среды

химическими элементами рационально выделить три основных

этапа, различающихся решаемыми задачами и

комплексируемы-

ми

методами

[26—30]:

начальный

—

рекогносцировочные исследования геохими-

ческих особенностей состояния окружающей среды

(рекогносци-

ровочно-геохимические

работы);

2) средний (основной) — выделение и

оконтуривание

на

местности антропогенных ореолов рассеяния (геохимическое

картирование);

3) завершающий — детальные геохимические и биогеохими-

ческие исследования аномалий (детальные

эколого-геохимиче-

ские

исследования).

Рекогносцировочные геохимические работы проводятся с

целью выявления основных источников загрязнения и геохими-

ческой специфики зон их воздействия, а также установления

природных условий формирования техногенных ореолов рассея-

ния и особенностей распределения фоновых параметров.

Важнейшая часть этапа — опробование компонентов природ-

ных сред фоновых ландшафтов: почв, растительного покрова

(в необходимых случаях), выпадений, донных отложений, воды.

При выборе фоновых территорий важно изучить наиболее рас-

пространенные типы

ландшафтно-геохимических

обстановок

ис-

следуемой территории.

Для автономных ландшафтов водоразделов и склонов выбор

фоновых эталонов с естественными (природными) параметрами

распределения химических элементов обычно лимитируется воз-

можностью подбора территорий, не испытывающих локальных

воздействий в результате выпадения загрязняющих веществ из

атмосферы. Для рек (даже малых) такие территории уже редки,

и в ряде случаев для этих целей приходится использовать водо-

токи меньшего порядка.

Геохимическое исследование фоновых территорий —

спе-