Экотоксикология нефти и здоровье человека

Экотоксикология нефти и здоровье человека

С. Л. Давыдова, доктор химических наук 

Разве должно быть иначе:

Мы платим за все, не нужно и сдачи.

И. Бродский 

1 Материалы Всероссийской научной конференции «Влияние загрязнения окружающей среды на здоровье человека» / Под ред. Гичева Ю.П. — Новосибирск, 2002.

Все процессы в биосфере взаимосвязаны, и человек всего лишь незначительная часть биосферы, хотя и называет себя Homo Sapiens (человек разумный). Разум выделил человека из животного мира, дав ему огромное преимущество. Но на протяжении веков мы стремились не приспособиться к природной среде, а сделать ее удобной для своего существования. Только за последние полвека пришло осознание того, что любая деятельность человека оказывает негативное влияние на окружающую среду, а ухудшение ее состояния опасно для всех живых существ, в том числе и для него самого. Увы, в настоящее время хозяйственная деятельность человека все еще остается основным источником загрязнения биосферы. Различные газообразные, жидкие, твердые химические вещества, находящиеся в сырье и отходах, попадая в почву, воздух или воду, переходят по экологическим звеньям из одной цепи в другую и оказываются в конце концов в организме человека1. 

Человек загрязняет атмосферу в течение тысячелетий. Однако последствия от употребления дров, древесного угля в раннем периоде были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешает дыханию, что сажа ложится черным покровом на стенах жилища. Само загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали небольшими группами в обширной нетронутой природной среде. Так было вплоть до начала XX в. За последнюю сотню лет при развитии промышленности появились такие производственные процессы, последствия которых человек не мог предвидеть. Возникли города- миллионеры Мехико, Шанхай, Каир, Дели, Нью-Йорк с населением порядка 20 млн. чел., рост которых теперь уже нельзя остановить. Практически все города России с населением более миллиона человек (включая Санкт-Петербург и Москву) должны быть отнесены к I или II категориям («наиболее высокое» и «очень высокое») экологического неблагополучия. 

Медики и экологи установили прямую связь между ростом числа людей, болеющих аллергией, бронхиальной астмой, раком и другими заболеваниями, и ухудшением экологической обстановки в данном регионе. 

Вещества, загрязняющие природную среду, разнообразны. В зависимости от своей природы, концентрации, времени действия на организм человека они могут вызывать самые неблагоприятные последствия. Кратковременное воздействие небольших концентраций таких веществ может вызывать головокружение и тошноту. Попадание в организм человека больших концентраций может привести к потере сознания, острому отравлению и даже к смерти. Примерами подобного действия могут являться смог от выхлопа машин, образующийся в крупных городах в безветренную погоду, или аварийные выбросы в атмосферу от нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий. Признаками хронического отравления являются нарушение нормального поведения и привычек, а также нейропсихические отклонения: быстрое утомление или чувство постоянной усталости, сонливость или бессонница, апатия, ослабление внимания, рассеянность, сильные колебания настроения. 

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные (поступающие непосредственно в атмосферу) и вторичные (являющиеся результатом превращения последних в атмосфере). Так, поступающий при нефтепереработке сернистый газ SO2 окисляется в атмосфере до серного ангидрида SO3, который взаимодействует с парами воды и образует серную кислоту. Подобным образом в результате химических, фотохимических, физико- химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы образуется большое количество веществ. Главными источниками загрязнения на планете являются сегодня тепловые электростанции, нефтехимические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива, — они-то и дают основные вредные вещества пирогенного происхождения. 

2 Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Нефть как топливный ресурс и загрязнитель окружающей среды. — М.:Изд-во РУДН,2004.

Предприятия нефтяной отрасли при соответствующих условиях загрязняют окружающую среду множеством опасных веществ разной токсикологической значимости. В качестве загрязнителей, помимо собственно природных углеводородов и продуктов их переработки, рассматриваются также катализаторы, ингибиторы, щелочи и кислоты. К этому списку нужно добавить и вещества, образующиеся при химическом превращении нефтей и нефтепродуктов, а также поверхностно-активные и иные вспомогательные вещества, применяемые при добыче и переработке сырой нефти2. 

Токсичность нефтепродуктов и выделяющихся из них газов определяется, главным образом, сочетанием углеводородов, входящих в их состав. Тяжелые бензины являются более токсичными по сравнению с легкими, а токсичность смеси углеводородов выше токсичности ее отдельных компонентов. Значительно возрастает токсичность нефтепродуктов при переработке сернистых нефтей. Наиболее вредной для организма человека является комбинация углеводорода и сероводорода. В этом случае токсичность проявляется быстрее, чем при изолированном их действии. 

Все углеводороды влияют на сердечно-сосудистую систему и на показатели крови (снижение содержания гемоглобина и эритроцитов), также возможно поражение печени, нарушение деятельности эндокринных желез. Особенности воздействия паров нефти и ее продуктов связаны с ее составом. Нефть, бедная ароматическими углеводородами, по своему действию приближается к бензиновым фракциям. Большое воздействие оказывает жидкая нефть на кожу, вызывая дерматиты и экземы. 

При попадании паров автомобильного бензина через дыхательные пути или в результате всасывания в кровь из желудочно-кишечного тракта, происходит частичное растворение жиров и липидов организма. Бензин поражает центральную нервную систему, может вызвать острые и хронические отравления, иногда со смертельным исходом. Все виды бензина обладают выраженным действием на сердечно-сосудистую систему. Раздражение рецепторов вызывает возбуждение в коре головного мозга, которое вовлекает в процесс подавления органы зрения и слуха. При остром отравлении бензином состояние напоминает алкогольное опьянение. Оно наступает при концентрации паров бензина в воздухе 0.005-0.01 мг/м3. При концентрации 0.5 мг/м3 смерть наступает почти мгновенно. В результате частых повторных отравлений бензином развиваются нервные расстройства, хотя при многократных воздействиях небольших количеств может возникнуть привыкание (понижение чувствительности). 

Общее действие керосина сходно с действием бензина, хотя раздражающее влияние его паров на слизистые ткани значительно сильнее. По токсическим концентрациям пары керосина близки к парам бензина, но они воздействуют и на кожу подобно мазутам, газойлям, смазкам, вызывая дерматиты и экземы. 

Предельные углеводороды химически наиболее инертны, но все же являются токсикантами. С увеличением числа атомов углерода сила наркотического воздействия их растет, зато собственное воздействие ослабляется ничтожной растворимостью в воде и крови. Характерна неустойчивость реакций центральной нервной системы, возникающая под влиянием паров углеводородов. Это проявляется не только при высоких, но и при низких (пороговых) концентрациях. Токсичность усиливается в присутствии H2S и при повышении температуры. 

Природный газ обычно рассматривается как безвредный, но по действию он идентичен влиянию предельных углеводородов, и главная опасность его связана с удушьем при недостатке кислорода. Это может происходить при большом содержании СИ, в воздухе, когда парциальное давление и удельное содержание кислорода резко уменьшаются. Природные газы, содержащие H2S, очень токсичны. Известно большое число смертельных отравлений такими газовыми смесями. Освобожденный от H2S природный газ при концентрациях около 20% не дает токсического эффекта. 

Сероводород H2S — газ с неприятным запахом, который ощущается даже при незначительных концентрациях (10-6 моль/л), хотя прямой пропорциональности между его концентрацией и интенсивностью запаха не наблюдается. Плотность H2S по отношению к воздуху составляет 1.912, ввиду чего он скапливается в низких местах (ямах, колодцах, траншеях). Он легко растворяется в воде и переходит из свободного в растворенное состояние. В организм сероводород поступает через органы дыхания и в небольших количествах через кожу и желудок. Он реагирует при соприкосновении с влажной (слабо щелочной) поверхностью слизистых оболочек, и образующиеся сульфиды оказывают прижигающее действие. 

H2S действует на центральную нервную систему, окислительные процессы и кровь. В небольших количествах сероводород угнетает центральную нервную систему, в умеренных — возбуждает, в больших — вызывает паралич дыхательного и сосудистого центров. H2S оказывает также отрицательное воздействие на механизмы окислительных процессов, снижает способность крови насыщаться кислородом. При хроническом отравлении H2S способность гемоглобина к поглощению кислорода уменьшается до 80-85%, при остром — до 15%, наблюдается и снижение окислительной способности тканей. Привыкания к сероводороду не наступает, но повышается чувстви тельность. После перенесенных легких отравлений повторные становятся возможны при меньших его концентрациях. При комбинированном воздействии в сочетании с различными углеводородами может изменяться характер его токсического влияния. Суммарный эффект комбинированного действия смеси из отдельных компонентов превосходит сумму действия этих компонентов в отдельности (так называемое синергическое действие). 

Органические меркаптаны RSH — высокотоксичные соединения. Они образуются при термическом воздействии на содержащуюся в нефти серу. Меркаптаны обнаруживаются в воздухе нефтегазопромысловых и перерабатывающих заводов в меньших концентрациях, чем сероводород. Меркаптаны обладают ярко выраженным специфическим запахом, благодаря чему они могут быть обнаружены в воздухе даже при концентрации 2 · 10-9 мг/м3, поэтому их используют для одорирования природного газа. 

Диоксид серы SO2 — бесцветный газ с резким запахом, раздражает дыхательные пути, образуя на влажной их поверхности серную и сернистую кислоты. Порог раздражающего действия диоксида серы находится на уровне 20 мг/м3, но острое токсичное действие оказывают более высокие его концентрации. При концентрации 20-60 мг/м3 SO2 влияет на слизистые дыхательных путей и глаз, при 120 мг/м3 вызывает одышку. Человек может переносить это только в течение 3 мин. При воздействии в течение 1 мин в концентрации 300 мг/м3 человек теряет сознание. 

Доказана зависимость частоты острых респираторных заболеваний и хронических заболеваний легких у взрослых и детей от загрязнения атмосферного воздуха именно диоксидом серы. Порог рефлекторного действия на состояние коры головного мозга лежит на уровне 0.6 мг/м3. 

Большинство людей ощущают запах газа в концентрации 2.6 мг/м3, а наиболее чувствительные — 1.6 мг/м3 Таким образом, ПДК 0.5 мг/м3 SO2 лежит ниже порога ощущения запаха и рефлекторного влияния на дыхание. При одновременном присутствии в воздухе SO2 и SO2 ПДК обоих веществ соответственно снижается. Токсичность SO2 резко возрастает при одновременном воздействии SO2 и СО. 

При концентрации сернистого ангидрида в воздухе 26 мг/м3 хвойные деревья погибают в течение нескольких часов; при 5.2-25.0 мг/м3 наблюдается острое отравление хвойных и лиственных пород, а при 1.8-5.2 мг/м3 происходит хроническое их отравление. 

Диоксид азота NO2 — красно-бурый газ с удушливым запахом, легко сжижается при температуре (-20)°С в бурую жидкость. При температуре выше 140°С начинает распадаться на NO и O2, а при температуре 600°С распадается полностью. Диоксид азота воздействует непосредственно на дыхательные ткани и препятствует работе легких. При продолжительном нахождении в среде с концентрацией NO2 0.8-5 мг/м3 развиваются хронический бронхит, эмфизема легких и астма. Повышение содержания оксидов азота в воздухе действует не только на людей , но и на весь растительный мир. Воздействие на окружающую среду кислотных дождей, представляющих собой слабые растворы серной и азотной кислот, вызывает закисление почв и снижение продуктивности сельскохозяйственных и садовых угодий. 

Высокоопасными (санитарный класс 2) ядовитыми компонентами нефти и газа являются меркаптаны, оксиды азота, сероводород; умеренно опасными — метанол. Диоксид серы относится к санитарному классу 3. Оксиды углерода и все предельные углеводороды относятся к малоопасным (санитарный класс 4). Чрезвычайно опасными (санитарный класс 1) являются ванадий, никель и другие тяжелые металлы нефтей. 

По характеру воздействия на человека токсиканты нефтепромышленности разделяют на три вида: 1) нервные (тяжелые углеводороды, сероводород, меркаптаны, тетраэтилсвинец); 2) раздражающие (оксиды азота и серы); 3) кровяные (монооксид углерода, образующий стойкий карбоксигемоглобин). 

Человек, как и другие виды живых организмов, способен адаптироваться к условиям окружающей среды. Адаптацию человека к новым природным и производственным условиям можно охарактеризовать как совокупность социально-биологических свойств и особенностей, необходимых сегодня для устойчивого существования организма в конкретной экологической среде. И жизнь каждого человека можно рассматривать как постоянную адаптацию, хотя наши способности к этому имеют определенные границы (как и способность восстанавливать свои физические и душевные силы). 

В настоящее время значительная часть болезней человека связана с ухудшением экологической обстановки в среде его обитания: загрязнениями атмосферы, воды и почвы, в том числе и нефтепродуктами. Приспосабливаясь к неблагоприятным экологическим условиям, организм человека испытывает состояние напряжения. Напряжение — это мобилизация всех механизмов, обеспечивающих определенную деятельность организма человека. В зависимости от величины нагрузки, степени подготовки организма, его функционально-структурных и энергетических ресурсов, снижается возможность функционирования организма на заданном уровне, наступает утомление. 

При утомлении здорового человека может происходить перераспределение возможных резервных функций организма, и после отдыха могут вновь появиться силы. Люди способны переносить самые суровые природные условия в течение относительно продолжительного времени. Однако человек, не привыкший к этим условиям и попадающий в них впервые, оказывается в значительно меньшей степени приспособленным к жизни в незнакомой среде, чем ее постоянные обитатели. 

Способность адаптироваться к новым условиям у разных людей неодинакова. Так, у многих людей при дальних авиаперелетах с быстрым пересечением нескольких часовых поясов, а также при сменной работе возникают такие неблагоприятные симптомы, как нарушение сна, падает работоспособность. Среди людей можно выделить два крайних адаптивных типа человека. Первый из них — спринтер, характеризующийся высокой устойчивостью к воздействию кратковременных экстремальных факторов и плохой переносимостью длительных нагрузок. Обратный тип — стайер. 

Интересно, что в некоторых регионах страны среди населения преобладают люди типа «стайер», что явилось результатом длительных процессов формирования популяции, адаптированной к местным условиям. Все сказанное относится и к адаптации людей, проживающих в районах нефтедобычи и нефтепереработки. 

Одним из самых тяжелых химических токсикантов XX в. стали и продолжают быть свинцовые добавки к автомобильному топливу. Основными антропогенными источниками поступления свинца в окружающую среду ранее считались свинцовые краски и литеры, свинецсодержащие пестициды (теперь запрещены), почва вокруг некоторых промышленных предприятий. Главным источником загрязнения окружающей среды свинцом к настоящему времени является автомобильное топливо. Автотранспорт выносит в атмосферу до 80% и более общего поступления свинца.Использование этилированного бензина с высоким содержанием свинца приводит к повсеместному загрязнению атмосферного воздуха. 

В современных городах, перегруженных автотранспортом, концентрация свинца в атмосфере превышает фоновые значения в несколько десятков раз, а в уличной пыли содержится его иногда до 1000 мкг/кг почвы. Оксиды и соли тяжелых металлов со временем почти не разрушаются, они постепенно накапливаются в среде обитания человека. Из атмосферы через почву и воды ионы РЬ+4 мигрируют в растения, а из них по пищевым цепям в организмы животных и человека. Сейчас уже достоверно известно, что алкилированию под действием бактерий (как аэробных, так и анаэробных) и почвенных грибов подвержен и свинец, который способен переходить в высокотоксичные, очень летучие и гибельные для живого организма формы (даже в нанограммовых количествах). И накопление в природе свинца приводит ко все возрастающему количеству его токсичных соединений в биологических объектах. К 2000 г. количество автомобилей на земном шаре увеличилось примерно в 1.5 раза (в России — в 4 раза). Усугубился и выброс свинца с выхлопными газами, что представляет серьезную угрозу для человека, особенно для детей. 

Мифы и реальности перехода на неэтилированный бензин

Мифы

Реальности

Свинцовое отравление не является проблемой, заслуживающей внимания

Воздействие свинца на здоровье человека чрезвычайно опасно и не подлежит сомнению

Применение этилированного бензина не является причиной свинцовых отравлений

Прямое соотношение между масштабами применения этилированного бензина и содержанием свинца в крови человека хорошо известно

Старые автомобили не могут использовать неэтилированный бензин

Интенсивные исследования и практический опыт подтверждают, что все автомобили могут работать на неэтилированном бензине

Единственный заменитель свинца — бензол является известным канцерогеном

Добавки к бензину большинства известных заменителей тетраэтил свинца делают неэтилированный бензин более безопасным (по сравнению с этилированным)

Переход на неэтилированный бензин требует огромных материальных затрат

Переход на неэтилиро ванный бензин экономически эффективен для владельцев автомоби лей, нефтеперерабатывающих предприятий и общества в целом

Переход на неэтилированный бензин — практически неосуществимая задача для развивающихся стран

Переход на неэтилированный бензин несет в себе реальные преимущества именно для развивающихся стран



Попадая в атмосферу с выхлопными газами автомобилей и аккумулируясь в верхних слоях почвы, свинец попадает в организм человека через желудочно-кишечный тракт с продуктами питания, выращенными вблизи автомобильных дорог или при вдыхании дорожной пыли. Попав в организм, свинец поступает в кровь, а затем откладывается в костях, печени, почках и мозге. Свинец оказывает необратимое воздействие на нервную систему, вызывает нарушения в деятельности репродуктивной системы, почек, задержку умственного и физического развития у детей. Особенно опасно воздействие свинца на детский организм, так как дети поглощают свинец с пылью примерно в 5 раз больше, чем взрослые, и усвояемость этого металла у них выше в несколько раз. 

Проблеме свинцовой интоксикации населения уделяется сейчас чрезвычайное внимание. Загрязнение воздуха свинцом от автотранспорта вошло в число трех основных факторов риска для здоровья населения стран Центральной и Восточной Европы. Комиссия по устойчивому развитию ООН считает повсеместное запрещение применения этилированного бензина одной из первоочередных задач для сохранения здоровья населения планеты. Обсуждение плана полного прекращения производства этилированного бензина было главным вопросом повестки дня Экологической конференции 1998 г. (г. Орхус, Дания). Уже с середины 80-х гг. у населения США было отмечено падение уровня свинца в крови в связи с сокращением использования освинцованного бензина. 

Во многих странах Европы, например, в Швеции, Австрии, Финляндии, Словакии, этилированный бензин уже не используется. Все выпускаемые там автомобили (кроме малолитражных из Франции) оборудованы каталитическими конвертерами. Для снижения цен на неэтилированный бензин некоторые страны осуществляли специальную налоговую политику. Согласно Директиве ЕС 2002 г., во всех без исключения странах обязаны прекратить использование этилированного бензина. И все же, несмотря на запреты, такой бензин все еще используется в Южной и Восточной Европе. Особенно далека от разрешения эта проблема в странах СНГ. 

До настоящего времени Россия все еще является одним из главных в мире потребителей этилированного бензина, а тетраэтилсвинец производится как для собственных нужд, так и на экспорт. Поскольку полный переход на неэтилированный бензин связан с полной реконструкцией технологических установок нефтеперерабатывающих заводов, разработана программа реконструкции таких предприятий, но в сегодняшних экономических условиях ее выполнение полностью не реализуется. 

3 Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами. — М.: Изд-во РУДН, 2006.

В европейских странах в качестве октаноповышающих добавок вместо тетраэтилсвинца использовались также этанол, метил- трет- бутиловый эфир, этил-трет-бутиловый эфир и антидетонационные присадки на основе марганца. При переходе к использованию новых присадок требуется подробнее изучать их потенциальную экологическую опасность для здоровья человека и среды, а это требует времени и денег3. 

Каталитические конвертеры — вот средство, позволяющее снизить уровень вредных веществ в выхлопных газах автомашин. Однако их применение возможно только при использовании неэтилированного бензина, так как оксид свинца PbO2, образующийся при сжигании этилированного бензина, ведет к быстрому разрушению конвертера. К тому же при полном переходе на неэтилированный бензин потребуется строительство новых емкостей и мест хранений, чтобы препятствовать смешению его с «этилированным». Для России и стран СНГ в связи с резким увеличением парка личного автотранспорта и выхода таксопарков из-под руководства государством проблема загрязнения свинцом окружающей среды обостряется из-за бесконтрольного выброса отработанных свинцовых аккумуляторов, поскольку почти прекратились их централизованный сбор и переработка. 

В 1997 г. в США была издана брошюра, озаглавленная «Мифы и реальности перехода на этилированный бензин», в которой обосновывается необходимость, и главное, возможность полного перехода на неэтилированный бензин во всем мире. Данные из этого издания приведены в таблице. Успешный опыт ряда стран по переходу на неосвинцованный бензин позволяет надеяться, что эта проблема будет полностью решена и в России, для чего уже сегодня необходимо предпринять ряд самых срочных мер.