Контроль за содержанием токсикантов в природных средах и сельскохозяйственной продукции

Содержание:

Введение                                                                                                         3

1. Обзор литературы

1.1 Химико-токсикологическая характеристика диоксинов и диоксиноподобных веществ                                                                                              5

1.2 Источники поступления и миграция диоксинов и диоксиноподобных веществ.                                                                                                        9

1.3 Поведение диоксинов и диоксиноподобных веществ в почве            12

1.4 Содержание и накопление высокохлорированных канцерогенов в водных организмов                                                                                             14

1.5 Токсичность для животных и птиц                                                        16

1.6 Токсичность для человека                                                                       18

1.7 Влияние диоксинов на растительные  организмы                                 22

1.8 Поведение токсиканта в окружающей среде                                        24                                       

2 Целесообразные пути и меры  снижения опасного действия диоксинов  на объекты биосферы                                                                                  

2.1 Нормативное регулирование                                                             28

2.2 Технология обеззараживания                                                             31

2.3 Совершенствование технологий                                                         32

2.4 Уничтожение отходов производства                                                  33

2.5 Очистка объектов                                                                                35

2.6 Захоронение диоксинсодержащих  отходов                                      35

3 Контроль за содержанием  токсикантов в природных средах  и сельскохозяйственной продукции                                                                           35

3.1 Мониторинг      

3.2 Выбор системы наблюдения  за поллютантом в Амурской области   36                                                                                              

Заключение                                                                                                   37         

Список использованной литературы                                                        38

 Введение

В настоящее время  невозможно представить ни один вид  человеческой деятельности, прямо или  косвенно не связанный с влиянием на организм химических веществ, количество которых представляет десятки тысяч и продолжает непрерывно расти.

Ведущие токсикологи  с обоснованным беспокойством и  тревогой отмечают, что бурное развитие химической промышленности, внедрение химических технологий во многие отрасли  народного хозяйства и сферу быта создают химическое загрязнение среды обитания и серьёзную угрозу здоровью населения, приводят к значительным экономическим потерям (заболевания и гибель животных, экологически связанных с человеком, например рыб, ухудшение пищевых свойств сельскохозяйственных растений и многое другое).

Прогрессирующее загрязнение  окружающей среды различными видами органических и неорганических примесей является последним стимулом для  развития токсикологических исследований. Одним из наиболее токсических соединений считается диоксин, спектр его воздействия на биологические системы чрезвычайно широк. Эффекты воздействия диоксинов на организмы проявляется на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях. Проблема опасности и последствий контактов людей с диоксинами носит общепланетарный характер (Цырлов, 1990).

В своей курсовой работе, я изучила воздействие на окружающую среду таких поллютантов, как диоксины и диоксиноподобные вещества.

Целью курсовой работы является выяснение опасности загрязнения диоксинами, путей поступления токсикантов в окружающую среду. Токсичность диоксинов и диоксиноподобных вещест для почвенной биоты, рыб и водных организмов, птиц и зверей, человека. Также рассматривается влияние токсикантов на растительные организмы, их поведение в природных средах и живых организмах.

Большое значение в курсовой работе я уделяю рассмотрению целесообразные путей по снижению токсического действия диоксинов на объекты биосферы. В завершении своей курсовой работы, я указываю на важность глобального рассмотрения проблемы загрязнения диоксинами.

   1 Обзор литературы

          1.1 Химико-токсикологическая характеристика диоксинов и диоксиноподобных веществ.

Диоксины – это вещества, чуждые живой природе, ксенобиотики, суперяды, супертоксиканты, поступающие в экосистемы с продуктами или отходами многочисленных производств. Ввиду исключительно высокой токсичности их еще относят к так называемой "грязной дюжине".

Диоксины и родственные соединения непрерывно генерируются цивилизацией в последние полвека, выбрасываются в природную среду и накапливаются в ней. Этот процесс не знает ни пределов насыщения, ни национальных границ. В настоящее время ситуация такова, что концентрация диоксинов в гидросфере и литосфере может достичь критических значений, и поражение живого вещества может принять необратимый характер.(Крайнов И.П., Скоробогатов В.М.,2007).

Диоксин опасен по двум причинам. Во-первых, являясь наиболее сильным синтетическим ядом, он отличается высокой стабильностью, долго сохраняется в окружающей среде, эффективно переносится по цепям питания и таким образом длительное время воздействует на живые организмы. Во-вторых, даже в относительно безвредных для организма количествах диоксин сильно повышает активность узкоспецифических монооксигеназ печени, которые превращают многие вещества синтетического и природного происхождения в опасные для организма яды. Поэтому уже небольшие количества диоксина создают опасность поражения живых организмов имеющимися в природе обычно безвредными ксенобиотиками (Витер В.Н., 2008).

К диоксинам – полихлордибензодиоксинам (ПХДД) относится большая группа ароматических трициклических соединений, содержащих от одного до восьми атомов хлора. Кроме этого существуют две группы родственных химических соединений – полихлордибензофураны (ПХДФ) и полихлорбифенилы (ПХБ), которые присутствуют в окружающей среде, продуктах питания и кормах наряду с диоксинами.

В настоящее время  выделено 75 ПХДД, 135 ПХДФ и 209 ПХБ. Из них токсичны только 7 диоксинов, 10 фуранов и 12 бифенилов. Они являются высокотоксичными соединениями, обладающими мутагенными, канцерогенными и тератогенными свойствами. (Каплин В.Г., 2006).

Диоксины относятся  к ядам беспорогово действия, т.е. ничтожно малое количество этих веществ представляет опасность для живых организмов.

Основными представителями  диоксинов являются 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксин (ТХДД), 2,3,7,8-тетрахлордибензофуран (ТХДФ).

По показателю онкотоксичности  наиболее опасен ТХДД, избранный за единицу для построения шкалы токсичности остальных диоксинов (Д) ( таблица 1). В структуру ТХДД входит два бензольных кольца  с различной степенью хлорирования, связанные между собой двумя атомами кислорода. ТХДД представляет собой самое ядовитое из всех известных искусственно созданных соединений. ТХДД ядовитей цианистого калия в 67 тыс. раз и стрихнина в 500 раз. Смертельная доза ТХДД для человека составляет около 0,03 млн^-1 г на 1 кг массы тела. Из – за липофильности ТХДД может накапливаться в жировых отложениях организма, где его содержимое может превысить содержание в природной среде  в 100 – 20 000 раз. (Каплин В.Г., 2006).

Таблица 1 – Эквиваленты  токсичности (ЭТ) ПХДД и ПХДФ (Каплин В.Г.,2006)

У ТХДФ онкотоксичность в 10 раз  меньше, чем у ТХДД, а его токсичность, выраженная в эквивалентах токсичности (ЭТ), равна 0,1. Такая шкала простирается от 1 до 0. Суммарную токсичность диоксинов определяю как Т= ∑ [Д]_i * [ЭТ]_i. ЭТ диоксиновых больше ЭТ фурановых и много больше ЭТ бифениловых хлорпроизводных (ПХБ). Содержание же этих веществ в окружающей среде обратное:

[ПХД] > [ПХДФ] > [ПХДД].

Структура полихлорированных дибензофуранов (ПХДФ) также содержит два бензольных кольца с различной степенью хлорирования, соединённых между собой одним атомом кислорода и связью С – С.

Полихлорированные бифенилы (ПХБ) во многом сходны с ПХДД и ПХДФ. Основу структуры бифенилов представляют два бензольных кольца, связанные  обычной химической связью. Период полураспада этих соединений в природной среде  составляет от 10 до 100 лет. Токсичность ПХБ заметно возрастает с увеличением  содержания в них хлора.

Диоксины устойчивы  к высоким температурам (таблица 2). Так, температура разложения 2,3,7,8-ТХДД около 1200 ^оС. Устойчивы к действию кислот и щелочей, обладают высокой растворимостью в жирах. Способны к нуклеофильному замещению и гидролизу в сильнощелочных, спиртовых растворах при нагревании, т.е гидролиз – основной путь метаболизма Д в живых организмах.

Таблица 2 – Физико-химические характеристики полихлордибензодиоксинов (ПХДД) (Фёдоров, 1993)

Диоксин – бесцветное кристаллическое вещество с t^о плавления 305^оС. Хорошо растворяется в органических растворителях, что определяется их гипофильной (гидрофобной) природой.

Так, растворимость диоксина составляет (мг/л):

• 720 в хлорбензоле;
• 570 в бензоле;
• 370 в хлороформе;
• 110 в ацетоне;
• 50 в н – октаноле;
• 10 в метаноле.

Диоксины практически  нерастворимы в воде. Ведут себя как идеальный газ; обладают высокой сорбционной и высокой адгезионной способностью. В неживой природе очень медленно испаряются с поверхности. (Мосина Л. В., 2000).

Для диоксинов не существует ПДК, эти вещества токсичны при любых  концентрациях. Как основной принят показатель онкотоксичности Д. Расчёт допустимой суточной дозы (ДСД) ведётся  так, чтобы за 70 лет жизни в организм не поступило больше 2 · 10^-2 мг Д или 10^-11 г/кг в день, их содержание в воде не должно превышать 2 · 10^-11 г/л. Содержание диоксинов в пищевых продуктах определяется их жирностью. Больше всего диоксинов в жирных сортах рыбы и мяса, масле, сырах.

Для расчёта допустимой суточной дозы (ДСД) диоксинов в разных странах пользуются различными критериями, В Европе в качестве основного критерия токсичности диоксинов принимают его онкогенность (способность вызывать раковые заболевания), в США – иммунотоксичность (снижение иммунной системы). Согласно рекомендации ВОЗ ДСД  для человека – 10 нг/кг. Аналогичный уровень принят в России.

1.2 Источники поступления и миграция диоксинов и диоксиноподобных веществ.

Диоксин — синтетический  яд. Он образуется при температурах от 250 до 800 градусов, как побочный продукт многих производств, в основном тех, где используется хлор. Это металлургические заводы, предприятия бумажной и химической промышленности, фабрики по производству пестицидов, мусоросжигательные заводы. Диоксины попадают в окружающую среду и в результате техногенных катастроф, когда горят неорганические вещества, содержащие хлор (пластмасса, бутылки, оплетка кабелей и т. д.). Из источника загрязнения диоксины и диоксиноподобные вещества попадают в воздух, а затем в почву, где они могут оставаться долгое время на глубине 2 — 5 см, постепенно поглощаясь растениями. Опасность состоит в том, что они никуда не исчезают, а постепенно накапливаются во всех звеньях пищевой цепочки, пока не дойдут до человека. Из растений — в мясо и молоко животных, из воды — в рыбу и морепродукты, что наглядно демонстрирует рисунок 1.  Любое звено пищевой цепочки может внести свою долю в общую «копилку диоксина» каждого человека. Большую часть этого вещества, около 95%, мы просто съедаем. (Шумяковский, 2001)

Источники возникновения  диоксинов разнообразны. Известны попытки  объяснить картину появления  диоксинов в биосфере только лишь лесными и степными пожарами. Это оказалось упрощенным, хотя сама по себе идея их возникновения в процессах пожара весьма плодотворна.

В настоящее время  считается строго доказанным, что  диоксины имеют исключительно техногенное  происхождение, хотя и не являются целью  ни одной из существующих технологий. Их появление в окружающей среде обусловлено развитием разнообразных технологий, главным образом, в послевоенный период, и в основном связано с производством и использованием хлорорганических соединений и утилизацией их отходов. Во всяком случае, ни в тканях эскимосов, замёрзших 400 лет назад, ни в тканях чилийских индейцев, мумифицированных  2800 лет назад, диоксины не обнаружены даже в следовых количествах. (Федоров Л.А., 1993).

С

Рисунок 1 – Поступление  диоксинов и передача их по пищевым  цепям(Шумяковский,2001)

По хозяйственно – территориальным признакам источники удобно подразделять на локальные и диффузным (пространственно распределённые), а по темпам накопления в окружающей среде и объектах живой природы – на регулярные и экстремально – залповые.

Диффузные источники диоксинов с точки зрения загрязнения окружающей среды диоксинами представляются особенно опасными. Это обусловлено двумя причинами: во – первых, изомерно – гомологическим разнообразием поступающих в окружающую среду ксенобиотиков, а во – вторых, чрезвычайной трудностью обнаружения опасности до того, как она себя проявит.

Типов пространственно  распределённых источников чрезвычайно  много. Перечислю некоторые из тех, что принципиально возможны и уже попали в поле зрения специалистов:

- лесные пожары (леса, обработанные хлорфенольными пестицидами);

- хлорирование питьевой  воды;

- выхлопы автомобилей;

- работа домашних печей,  использующих «техногенную» древесину  (пропитанную пестицидами и иными галогенорганическими веществами);

- обработка сельскохозяйственных  угодий диоксинсодержащими гербицидами, или гербицидами, способными превращаться  в диоксины непосредственно в живой и неживой природе и т.д.

Что касается источников, способствующим основным поступлениям диоксинов в живую и неживую природу, то возможно выделить три основные группы:

1. Функционирование несовершенных, экологически небезопасных технологий производства продукции химической, целлюлозно-бумажной, металлургической и иной промышленности. Для всех них характерны диоксинсодержащие отходы и сточные воды в период регулярной деятельности, а также большие дополнительные выбросы диоксинов в случае аварийной обстановки.
2. Использование химической и иной продукции, содержащей примеси диоксинов и образующей их в процессе использования или же в случае аварии.
3. Несовершенство и небезопасность технологий уничтожения, захоронения или же утилизации бытового мусора, отходов химических и иных производств.

Нельзя забывать и  о субъективных моментах. Пути проникновения  диоксинов в сферу быта могут зависеть и от подхода к обеспечению экологической безопасности, культивируемого тем или иным государством. Другими словами, в одних странах диоксины могут быть опасны при контакте всего населения с продукцией, а в других, где применяются более интенсивные очистные операции, - лишь при контакте с отходами производства. (Федоров Л.А., 1993).

Можно заключить, что  в России предстоит большая работа в области идентификации и  нормирования диоксинов. Принятый в  настоящее время норматив по воде труднообъясним с гигиенических позиций, так как это продукт ежедневного и практически неконтролируемого потребления.

1.3 Поведение диоксинов и диоксиноподобных веществ в почве

Одним из важнейших депо диоксинов является почва, куда они  поступают от различных источников загрязнения. В почве диоксины прочно связываются с почвенными частицами, главным образом в верхнем 15-см. слое, причём наибольшее их содержание отмечается на глубине 5 – 10 см. (Мосина Л.В., 2000). Диоксины довольно медленно вымываются дождями, причём много медленнее, чем ДДТ. В целом подвижность в ней диоксинов снижается с ростом в ней органической компоненты. Роль почвы в дальнем транспорте диоксинов, как правило, незначительна. Она является, скорее, местом их сбора и сохранения. Не исключён горизонтальный транспорт в рамках поверхностной эрозии. В принципе, испарение из почвы ПХДД существует, и это основной путь горизонтального распространения диоксинов. Однако осуществляется оно чрезвычайно медленно. Теоретические и экспериментальные данные указывают, что количественно поток испаряющегося из почвы 2,3,7,8-ТХДД определяется величиной 6 · 10^-8 кг/дм².

Получены данные многолетнего изучения вертикального распределения диоксинов в почве. Развита математическая модель, описывающая вертикальный транспорт низколетучих органических соединений в почвенном слое. Предположили, что это диффузный процесс, регулируемый температурой. Модель была использована для описания скорости транспорта диоксина 2,3,7,8-ТХДД в почве. Как оказалось, рассчитанная скорость удовлетворительно совпадает с реально наблюдаемой на полигоне базы ВВС Эглин (США), для которого характерно отсутствие растворителей и тому подобных курьеров, резко изменяющих характер процесса. Диоксин от места расположения движется чрезвычайно медленно, причём вверх и вниз с одинаковой скоростью. Реально за 12 лет диоксин преодолел расстояние 12 см.

Склонность к образованию  прочных молекулярных комплексов в  органической фазе почв приводит к необычным путям вертикальной и горизонтальной миграции диоксинов в литосфере, сильно зависящим от почвенно-климатических особенностей и условий нахождения.

Уже известно немало случаев  вертикальной миграции диоксинов в  литосфере, что определяет вероятность загрязнения ими водоносных слоёв почвы. Речь в данном случае идёт о миграционной способности диоксинов в почвах, загрязнённых органическими растворителями, нефтепродуктами и т.д.

В связи с экологической  опасностью, связанной с загрязнением окружающей среды диоксинами, введены ограничения на пригодность почв, заражённых диоксинами, (таблица 3).

Таблица 3 – Пригодность почв, заражённых диоксинами (по нормам ЕРА). (Фокин, Коломиец, 1985)

1.4 Содержание и накопление высокохлорированных канцерогеннов в водных организмах

Ущерб, наносимый ПХБ природным экосистемам был осознан не сразу. Между тем гидрофобность, липофильность и персистентность ПХБ обуславливает большое время их пребывания в окружающей среде и возможность их бионакопления. Впервые сообщение о высоком содержании ПХБ в жировых тканях балтийского тюленя и сельди было опубликовано в 1966 г. Поэтому в 1970-х годах не только в США, но и во многих других странах мира производство и импорт ПХБ были или полностью запрещены, или взяты под полный контроль. В частности, в рамках Международной Хельсинской конференции 1974 г. все страны бассейна Балтийского моря прибегли к таким мерам. Тем не менее, по современным оценкам, в экосистеме Балтийского моря в настоящее время содержится более 250 т полихлорированных бифенилов, основная часть которых находится в донных отложениях (таблица 4). По данным таблицы 4 наибольшее количество ПХБ содержится  в донных илистых отложениях и морской воде. Зообентос, по – сравнению с рыбами и  планктоном  также содержит больше ПХБ.

Согласно недавним полученным данным среднее содержание ПХБ в мышечной ткани балтийской сельди составляет 570 нг/г. Отмечалось, что концентрации хлорорганических пистецидов в абиотических средах и в организмах гидробионтов Балтийского моря в последнее десятилетие постепенно уменьшаются, однако содержание в них ПХБ остаётся неизменным. (Роотс, 1996)

Способность морских  организмов накапливать ПХБ оценивалась  по арохлору 1242. В лабораторных экспериментах были установлены следующие коэффициенты биоконцентрирования для некоторых индикаторных видов:

Диатомеи 1100                  Устрица              8100

Краб          4600                  Ушастый окунь 71400

Таблица 4 - Средние концентрации, общее количество и распределение ПХБ в Балтийском море (Роотс, 1992)

В водных экосистемах по мере перехода от низших звеньев трофических цепей к высшим наблюдается накопление высокохлорированных канцерогенов. Например, изучение поведения ПХБ в антарктических экосистемах показало преобладание в морской воде низкохлорированных конгенеров с двумя – тремя атомами хлора в молекуле. Однако в рыбах на их долю приходилось всего лишь примерно 20 % общего содержания всех конгенеров. В жире тюленя Уэдделла (высший трофический уровень) около 75% уже составляли конгенеры с шестью – семью атомами хлора. (Исидоров В. А., 1999).

В последние годы было установлено, что полихлорированные дибензо- n- диоксины и дибензофураны циркулировали в окружающей среде всегда, поскольку в небольших количествах образуются при горении древесины. Свидетельство тому служит их присутствие в донных отложениях с возрастом более 100 лет из некоторых озёр Северной Америки и Европы. Однако интенсивное их накопление совпало с началом бурного развития промышленного производства хлорорганических соединений. К числу главных загрязнителей водных объектов ПХДД и ПХДФ относятся предприятия лесохимической и целлюлозно-бумажной промышленности. ПХДД и ПХДФ были обнаружены в донных отложениях вблизи предприятий бумажной промышленности, и в живых организмах (лосось). По некоторым оценкам, за всю историю своего существования предприятия лесохимической промышленности Швеции и Финляндии сбросили в воды Балтийского моря около 300 г ПХДД и ПХДФ. (Исидоров В. А., 1999).

1.5 Токсичность для животных и птиц

Отравление диоксинами

В последние годы, в  развитых капиталистических странах  проведены мониторинговые исследования по определению степени контаменации диоксинами тканей животных. ЛД₅₀ при однократном введении внутрь ТХДД для самцов морских свинок, наиболее чувствительных из всех млекопитающих к диоксинам, составляет 0,6 мкг/кг массы тела, для самок – 2,0, для белых мышей 114 – 184, для белых крыс – 22 – 45, для обезьян – около 70 мг/кг. Особенно чувствительны к ТХДД куры и цыплята. Куры, соприкасавшиеся с диоксином, утрачивали способность отличать зерно от гальки. В экспериментальных условиях у кур, особенно цыплят, при попадании с кормами ТХДД на уровне 0,2 – 0,5 мкг/кг массы животного развивается отечная болезнь, проявляющаяся особым угнетением, одышкой, снижением продуктивности.

При хронической интоксикации ТХДД в экспериментальных условиях у лабораторных животных не удаётся установить характерных морфологических изменений в органах и тканях подопытных животных. Указывается на дегенеративные изменения в печени и почках, точечные кровоизлияния под эпи – и эндокардом, у кур – скопление жидкости в брюшной полости и околосердечной сумке, набухание слизистых оболочек. (Ветеринарная …, 2002)

Постановка прижизненного  и посмертного диагнозов при  отравлении диоксинами в производственных условиях представляет большие трудности. Случаев массовой гибели сельскохозяйственных животных, в том числе и птиц, в зонах с повышенным уровнем загрязнения окружающей среды диоксинами, отмечено не было. (Ветеринарная …, 2002)

Отравление  полихлорированными бифенилами

По токсичности ПХБ  для теплокровных животных относятся  ко второму – четвёртому классам опасности с ЛД₅₀ для лабораторных животных при однократном введении внутрь от 500 до 5000 мг/кг.

Наиболее чувствительны  к ПХБ птицы. Молодые фазаны при ежедневном введении им внутрь ПХБ (аэрохлор 1254) в капсулах в дозе 210 мг на одну голову в день погибают на 1 – 9-й день, при дозе 20 мг – на 39 – 54-й день, при дозе 10 мг на одну голову в день – на 40 – 50-й день. Минимальная токсическая доза ПХБ, при которой отмечалось снижение прироста живой массы у цыплят. Находилась на уровне 20 мг\кг корма. Установлено также, что ПХБ в этой дозе при длительном поступлении с кормами снижают яйценоскость у кур – несушек и отрицательно влияют на выводимость цыплят. (Оксенгендлер Г.И., 1991).

Минимальная токсическая  доза для свиней ПХБ при длительном поступлении с кормами, находится на уровне 40 – 50 мг/кг корма, однако имеются сообщения о том, что некоторые виды ПХБ при их ежедневном поступлении с кормами в дозе до 250 мг/кг повышают прирост живой массы у свиней.