ЛЕКЦІЯ 3. ОСНОВНІ ШКІДЛИВІ РЕЧОВИНИ БІОСФЕРИ ТА ЇХ ВПЛИВ НА ЛЮДИНУ І ДОВКІЛЛЯ

3.1 Екотоксикологія шкідливих речовин біосфери

В ході біологічної еволюції людина адаптувалась до біологічного середовища і частково цим можна пояснити її виживання. В зв’язку із зростаючим забрудненням навколишнього середовища організм людини не встигає виробляти захисні механізми проти зростаючої дії токсичних речовин.

Вплив хімічних сполук, які містяться у відходах промисловості, здійснюється на людину як прямими так і непрямими шляхами. Прямий шлях – це потрапляння токсичних речовин в організм людини з повітрям і водою. Непрямий шлях – це коли токсичні речовини потрапляють спочатку в рослини, які поїдають тварини, а потім, разом із їжею – в організм людини.

Найбільш відомими шкідливими для людини речовинами, які накопичуються в атмосфері є CO, SO₂, оксиди N, формальдегід (мурашиний альдегід) та ін.

При цьому СО – газ без забарвлення і без запаху. Впливає на нервову і серцево-судинну систему людини. При попаданні СО організм людини, вона задихається (СО з’єднується з гемоглобіном крові, в результаті чого він втрачає здатність транспортувати до тканин кисень).

SO₂ – газ без забарвлення з різким запахом. Уражає слизисту оболонку очей і дихальні шляхи.

Оксиди азоту N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅ уражають верхні дихальні шляхи. В місцях з автомобільним скупченням утворюють “смог”. При осіданні оксидів азоту на вологій поверхні легень утворюються HNO₃ і HNO₂, що призводить до отікання (набряку) легенів.

Формальдегід уражає слизисту оболонку очей і верхні дихальні шляхи. 40%-ий розчин – формалін.

Токсичні сполуки металів. Найбільш шкідливими сполуками являються солі Hg і Pb, які викликають зміни в клітинах мозку. Приклад хвороби Мінамата. Хімкомбінат в м. Мінамата довгий час скидав в бухту стоки з солями Hg. Концентрація сполук Hg підвищувалась по ланцюгу: бактерії – водорості – риби – людина. Токсичними є також сполуки Pb, які в великих кількостях забруднюють атмосферу разом з вихлопними газами автотранспорту. Як антидетонатор в бензин додається тетраетилсвинець, який в процесі згорання в присутності етилброміду перетворюється в легколетучий PbBr₂. Бромід свинцю є отрутою нервово-паралітичної дії. Крім того, це ферментна отрута, яка перешкоджає синтезу гемоглобіну в організмі людини. Його дія – загальна слабкість, порушення пам’яті, неадекватні дії тощо.

Синтез і використання радіоактивних речовин призвели до нового виду забруднення біосфери – радіоактивного. Руйнування біологічних систем зумовлено властивістю радіоактивних α-, β-частинок і γ-випромінювань іонізувати молекули. Іонізуюче випромінювання впливає на живі клітини або безпосередньо, або ж непрямим шляхом (через продукти радіолізу води – вміст води в організмі до 90-95%).

---

γ-випромінювання є найбільш небезпечним видом випромінювання, оскільки активно проникає в тканини живих організмів, більша частина α-випромінювання поглинається шкірою, β-випромінювання проникає на глибину до 1 мм.

Більш небезпечним для здоров’я є те, що радіоактивні речовини разом з повітрям, водою і їжею попадають всередину організму. Деякі радіоактивні речовини попадають в організм людини, розподіляються в ньому не рівномірно, деякі концентруються в окремих органах. Так, наприклад, в кісткових тканинах відкладаються радій, уран, плутоній, стронцій. Кобальт (60) концентрується в легенях і т. д.

Таким чином, предметом екології людини є вплив на людину, її здоров’я і поведінку забруднень біосфери.

Найбільший вплив забруднень на людський організм спостерігається в містах. Так виявлена пряма залежність між концентрацією СО в повітрі і рівнем захворювань дітей.

При аналізі екологічної обстановки основна проблема – це кількісна оцінка картини забруднення, оскільки в атмосфері нараховується сотні токсичних речовин, а постійно контролюються – 6-10. Тому часто використовують інтегральну оцінку стану навколишнього середовища. Так, наприклад, якщо експонувати певний час металічні пластинки стандартного хімічного складу на відкритому повітрі і точно виміряти кількість оксидів, які утворюються, то це дозволить оцінити і рівень забруднення атмосфери. Іноді в ролі детектора використовують дерева або рослини.

Вивченням впливу токсичних забруднень на здоров’я людини займається екотоксикологія. Зараз в біосфері знаходяться понад 50 тис. речовин, синтезованих людиною і не характерних для природи. Оскільки організм людей і тварин внаслідок довгої еволюції пристосувався до природних хімічних речовин, вплив заново синтезованих часто має фатальні наслідки. Так, наприклад, нещодавно встановлено, що в заповіднику в Балтійському морі почало різко зменшуватися поголів’я тюленів. Причиною цього стали мізерні кількості поліхлордифенілів, які є відходами пластмасових виробництв. Поступове їх накопичування призвело до порушення апарату розмноження тюленів. Або приклад з облисінням дітей в Чернівцях.

Зараз в охорону природи вкладається близько 1% національного доходу. Підраховано, що для того, щоб стабілізувати природне середовище потрібно витратити 3% доходу, а щоб його покращити – більше 5%.

3.2 Забруднення атмосфери

У зв’язку з недосконалістю багатьох технологічних процесів з екологічної точки зору, а також з низькою технологічною культурою і дисципліною, що характерно для нашої країни в біосферу постійно поступають відходи виробництв в газоподібному, рідкому і твердому станах.

За оцінкою Вернадського в давні часи людство використовувало сполуки 19-ти хімічних елементів, а на початку 20-го століття – 59. Зараз фактично з усієї періодичної таблиці всі хімічні елементи використовуються в промисловому виробництві. Основні забруднювачі – теплоенергетичні галузі, автотранспорт, хімічна, металургійна, нафтопереробна промисловості. Як приклад – матеріальний баланс ТЕС потужністю 2,4 МВт, яка працює на донецькому антрациті.

---

Загальна маса атмосферного забруднювання оцінюється від 240 до 790 млн. т/рік. При цьому 50-60% припадає на енергетику, до 30% – промисловість, решта – сільське господарство.

Сировина для теплоенергетики – кам’яне вугілля, мазут і природний газ. Але крім вуглецю, вугілля містить також сполуки S, N, Al, Ca та ін. Оксиди сірки утворюються за рахунок окислювання S домішок в вугіллі, а оксиди азоту – за рахунок окислення N₂ повітря.

Рисунок 3.1 – Матеріальний баланс ТЕС

Крім газоподібних продуктів горіння, утворюється також тверді – пил, сажа, зола, шлак. Пил і сажа – це неокислений вуглець. Наявність золи і шлаку характеризується зольністю вугілля. Зола складається з оксидів металів та інших елементів. При цьому перехід на рідке паливо зменшує золоутворення, проте не впливає на викиди оксидів азоту і сірки. Найменш екологічно шкідливим являється такий вид палива, як природний газ. При виділенні однакової кількості теплоти газове паливо в 3 рази менше забруднює атмосферу, ніж рідке і в 5 разів менше, ніж вугілля.

Досить токсичним газом є SО₂, який руйнує хлорофіл зелених рослин. Наявність його в атмосфері призводить до кислотних дощів. Одна тільки Ладижинська ДРЕС викидає в атмосферу до 500 т SО₂ на добу (близько 55 тис. т за рік).

Істотним джерелом шкідливих викидів в атмосферу є автотранспорт. У цих викидів є характерні особливості – кількість машин швидко збільшується, автомобіль – рухоме джерело викидів, тому найбільше їх в жилих районах, на місцях відпочинку. Викиди відбуваються на рівні росту рослин, дихання тварин, людини.

Крім тетраетилсвинцю, який додають для підвищення октанового числа, бензин містить інші домішки (сірку).

При спалювання палива в ідеальному варіанті утворюється Н₂О і СО₂:

С₉Н₂₀ + 14 О₂ → 9 СО₂ +10 Н₂О.

Однак, оскільки паливо згорає за долі секунди, а холодні стінки камери не дають можливості паливу згорати повністю, то відбувається викид продуктів неповного окислення в повітря.

С₉Н₂₀+9,5 О₂ → 9 СО+10 Н₂О або С₈Н₁₈+2,5 О₂ → 4 СН₃–СОН + Н₂О,

чи Pb(С₂Н₅)₄+2 СН₃–СН₂Br +14,5O₂ → PbBr₂+12CO₂+15H₂O.

При згоранні 1 кг бензину витрачається 200л О₂ , що в 2,5 рази більше, ніж потребує на добу 1 людина. Кожна автомашина в рік викидає близько 1 кг Pb. Тільки в США автомобілі викидають в рік понад 200 тис. т Pb, що складає 1/6 частину його виробництва в країні.

Токсичні гази ТЕС і автотранспорту здатні вступати в хімічну реакцію між собою і водяною парою, яка знаходиться в повітрі. Крім “кислотних дощів”, особливо в умовах вологого клімату, під дією сонячного світла утворюється фотохімічний смог – непрозорий туман:

NO₂+hNO+O*+O₃O₂+O₂ + NO; O₃+NO+hNO₂+O₂.

Озон і оксид азоту (ІІ) внаслідок сильних окисних і відновлювальних властивостей руйнують клітини рослин і живих організмів, роз’їдають гуму і тканини. Крім того, поступово в атмосфері накопичуються фреони (фторхлорвуглеводні) які застосовуються як в технології, так і в побуті. Фреони (ССl₂F₂) досить стійкі, але під впливом ультрафіолетових сонячних променів розкладаються з утворенням атомарного хлору і фтору, який реагує з озоном. Знищення озонового шару призводе до того, що ультрафіолетове проміння зруйнує структуру ДНК в живих організмах і порушить біохімічні процеси, що означає їх загибель.

---

Серед інших шкідливих викидів в атмосферу можна назвати SO₂ (від спалювання палива і підприємств кольорової металургії – більшість руд і кольорових металів – сульфіди): 2ZnS+3O₂2ZnO+2SO₂.

Міститься SO₂ у відходах виробництва Н₂SO₄. Крім того, відомі й інші парникові гази: галогенні сполуки, нітрозні гази, аміак, сірководень, меркаптани (целюлозні фабрики) підприємства чорної металургії (доменні печі) у великих кількостях викидають в атмосферу СO₂, НCN, СО тощо, наприклад, під час виплавки заліза: Fe₂O_3­ + 3C  2Fe + 3CO.

3.3 Забруднення гідросфери. Характеристика стоків

Водоспоживання нашої країни складає близько 8% від світового і перевищує зараз 3000 км³/рік. На ріки і озера покладають зараз дві протилежні функції, з якими вони з часом все менше справляється, з одного боку – це джерела водоспоживання для побутових та технічних потреб, з другого – це водойми для скиду побутових та промислових стоків. В результаті вода в річках така, що без відповідного очищення використовувати її вже не можна. Якщо до цього ми увесь час звертали увагу на майже мертві Великі озера в США, чи річку Рейн, в якій розчинено близько 60000 різних хімікатів, то тепер доводиться констатувати, що ми знаходимося не в кращому стані у цьому питанні. До речі, в колись мертвих Великих озерах США вже водиться риба! А як же у нас?

Отже, всі стоки поділяються на:

1. промислові, що утворюються в результаті технологічних процесів;

2. побутові;

3. атмосферні або зливостоки.

Розглянемо найважливіші технологічні процеси, при проведенні яких утворюються стоки:

Процес травлення, за допомогою якого виділяють з поверхні металів окалину. Суть його полягає в тому, що обролювану металеву деталь опускають в водні розчини мінеральних кислот (H₂SO₄, HCl, HNO₃, HF та інші). Це або 25%-ий розчин H₂SO₄ при температурі 80-90^оС або 20%-ий розчин НСl при температурі 60^оС. Іноді додають HNO₃ і HF кислоти (при травленні корозійно стійких сталей):

Fe₂O₃ + 3H₂SO₄  Fe₂ (SO₄)₃ + 3H₂O;

FeO + 2HCl  FeCl₂ + H₂O;

Cr₂O₃ + 6HNO₃  2Cr(NO₃)₃ + 3H₂O.

Але при цьому частково розчиняється і сам метал:

Fe+H₂SO₄FeSO₄+H₂.

Щоб цього не відбувалось, у травильні розчини додають інгібітори (в основному органічні речовини). Через деякий час вміст кислот в травильних розчинах зменшується і його замінюють свіжим, а відпрацьований скидається в стоки. Але процес кислого травлення має певні недоліки – довга тривалість процесу, втрата металу, низька якість високолегованих сталей і т. д.

Тому часто використовують лужні процеси травлення (особливо для відділення керамічної окалини):

Fe₂O₃ + 2NaOH  2NaFeO₂ + H₂O;

SO₂ + 2NaOHNa₂SiO₃ + H₂O;

Cr₂O₃ + 2NaOH  2NaCrO₂ + H₂O.

Крім відпрацьованих кислих травлень розчинів з солями металів в стоки викидаються і вода від промивки деталей після травлення.

Під час виробництва кальцинованої соди в результаті технологічного

процесу на тону готової продукції утворюється 10-12 м³ дистилірної рідини (суспензії СаSO₃, CaSO₄, Ca(OH)₂, пісок). Цю рідину закачують на полігони і таким чином утворюються “білі моря”. Щороку в світі утворюється близько 200 млн. м³ цієї рідини, а методи її вторинної переробки ще не розроблені.

---

Але найбільш небезпечні промислові стоки із вмістом токсичних речовин (ціаніди, сполуки ртуті, кадмію, свинцю і т.д.). Промислові стоки утворюються при мокрій очистці газових викидів чорної металургії ТЕС, а також в радіопромисловості та машинобудуванні (скрізь, де є цехи гальванопокриття). Найбільш якісним електролітом для покриття деталей Zn, Au, Ag, Cd, Cu є ціаністі електроліти. Але з часом відпрацьовані електроліти і промивні води потрапляють в стоки, потім у водойми і так далі. А токсичність ціанідів для живих істот полягає в подавленні здатності клітини поглинати кисень і призводить до швидкої смерті.

Технічним методом отримання каустику і газоподібного хлору є електроліз кухонної солі на ртутних електродах. На кожну тону товарного хлору втрати ртуті разом з відходами складають 100-150 г. А далі, при потраплянні у водойми, розвиваються процеси, аналогічні “хворобі Мінамото”.

Який вклад сільське господарство внесло у водне забруднення? В основному, це вимивання з ґрунтів пестицидів, хімічних сполук, які містять Cl, P, Hg, As та інші. Пестициди застосовуються для знищення шкідливих комах (інсектициди), бур’янів (гербіциди). Проте, з нашою невисокою культурою сільськогосподарського виробництва значна їх частина потрапляє у воду.

Очевидно, майбутнє все-таки за біологічними методами захисту рослин. Цікавий приклад винахідливості в цій справі показала така країна, як Ізраїль. При такій малородючій землі вона добилась того, що повністю забезпечує себе чистими продуктами, ще й експортує їх. І все завдяки організації крапельного зрошування. Поливається тільки культурна рослина, а бур’ян під палючим сонцем просто не росте.

3.4 Забруднення літосфери

Тверді відходи, які в основному забруднюють літосферу, утворюються в гірничій і гірничо-збагачувальній промисловості, теплоенергетиці і крупнотонажній хімічній промисловості. В нашій країні заскладовано 10-12 млрд. м³ відходів гірничодобувної та інших промисловостей на 500 тис. га.

Так, наприклад, при добуванні вугілля, сама вугільна маса складає 20% породи, решта йде на терикони. В рудах кольорових металів їх вміст складає не більше 1-2%. Так що об’єми відходів досить великі. Під їх складування відводяться тисячі гектарів землі придатної для сільського господарства. Вітрова ерозія розносить в повітря і у воду частки пилу з цих відвалів. А вторинна переробка не встигає за темпами накопичення первинних відходів (вторинне використання не перевищує 1%).

А використовувати є що. Так, наприклад, в шлаках міднеплавильних заводів знаходиться близько 27 млн. т Fe , 335 тис. т Сu , 2 млн. т Zn і т.д.

Причому кількості твердих відходів швидко зростають. В 1980 р. шлакові відходи на Земній кулі складали 2 млрд. т, на 1990р. ця цифра зросла вдвічі.

Добавляє тверді відходи і крупнотонажна хімія: отримання H₂SO₄ – початкова стадія – відпалювання сірчаного колчедану. В результаті – щороку нагромаджується 4 млн. т огарку (FeS₂+2О₂Fe+2SO₂).

---