Предельно допустимые концентрации химических элементов с точки зрения экологической геохимии

Предельно допустимые концентрации химических элементов с точки зрения экологической геохимии 

Попова Ю.С., ДонНТУ 

Введение 

В соответствии с законом развития эколого-геохимических изменений в геохимическом ландшафте изменение концентрации загрязняющих веществ в какой-либо части ландшафта, несомненно, отразится на всех его частях. Однако, учитывая природную консервативность, этот процесс может затянуться на годы. Загрязнение же такой части ландшафта, как, например, атмосферный воздух, может сказаться на состоянии (и даже существовании) живых организмов, включая человека, гораздо раньше. Эта определённая консервативность биосферы и сделала необходимым установление для различных её частей контрольных значений, получивших название предельно допустимых концентраций (ПДК). 

Предельно допустимые концентрации веществ, загрязняющих биосферу, вводились как нормирующие показатели во многих странах. Единые ПДК были введены в своё временя и для такой громадной территории, как СССР, а затем и России. Часть из них вводилась с учётом времени пребывания человека в данном месте. 

В них учитывалось предельно безвредное для человека содержание отдельных химических веществ, в том числе техногенных, не имеющих природных аналогов. 

Кроме ПДК были введены и другие (тоже нормирующие) показатели, например предельно допустимый выброс (ПДВ) загрязняющих веществ отдельным источником за единицу времени. Превышение ПДВ теоретически должно приводить к последующему превышению ПДК в среде, окружающей указанный источник загрязнения. Однако, разрабатывая общие для огромных территорий ПДВ, не учитывались ландшафтно-геохимические особенности и история геологического (геохимического) развития, хотя бы за последние миллионы лет, отдельных участков загрязняемой территории. В соответствии же с одним из законов развития антропогенных изменений в биосфере поведение загрязняющих веществ (концентрация, рассеяние, особенности распределения), поступивших в результате техногенеза в биосферу, а во многих случаях и форма нахождения этих веществ определяются ландшафтно-геохимическими условиями загрязняемой территории. 

Для людей тяжёлые, а главное – наиболее быстро сказывающиеся последствия загрязнения обычно связаны с аномальными концентрациями отравляющих веществ в воздухе и питьевой воде. Однако эти концентрации, как правило, в рассматриваемых частях биосферы сохраняются непродолжительное время. Техника очищения воздуха и воды относительно проста, а для многих природных и даже некоторых техногенных ландшафтов часто характерен процесс самоочищения. 

Гораздо дольше сохраняется большинство загрязняющих веществ в почвах, которые в последующем сами могут стать источниками загрязнения атмосферы, воды, растительных и животных организмов. Именно поэтому особое внимание всегда уделяется вопросам, связанным с возможностью использования ПДК для почв. 

С точки зрения экологической геохимии, да и экологии вообще, ПДК могут использоваться в практической деятельности лишь как предварительные показатели-ориентиры. Вероятно, они необходимы в странах с низкой экологической культурой и на первых этапах исследований в новых регионах. Однако их широкое использование при оценке состояния окружающей среды часто невозможно по целому ряду объективных причин. Отметим только важнейшие из них. 

• Предельно допустимые концентрации в их настоящем виде рассматриваются как нормы содержаний различных веществ в среде, окружающей человека, при которых он может безопасным своё существование в тех участках биосферы, для биосферы, для которых эти ПДК определены. При этом под существованием подразумевается  проживание или только нахождение во время работы в районах, для которых эти ПДК определены. Подразумевается также использование также использование продуктов и воды, для которых установлены ПДК. 

Однако надо учитывать, что ПДК стали устанавливаться только в последние десятилетия. А к настоящему времени достоверно известно, что последствия многих видов загрязнения (например, силикоза) проявляются через десятилетия после нахождения в загрязнённой зоне. Естественно, что большинство поздно сказывающихся последствий загрязнения не могло быть учтено. Положение усугубляется ещё тем, что многих видов загрязнения несколько десятилетий назад не существовало, а на некоторые не обращалось внимания. 

Определённые вещества могут вызывать генетические изменения. Последствия загрязнения такими поллютантами в полной мере скажутся тоько натпоследующих поколениях. Многие из таких веществ, а тем более их опасные концентрации даже не могли быть учтены при установлении ПДК, хотя эти вещества следует относить к наиболее опасным поллютантам. 

Сказанное позволяет рассматривать ПДК только как один и часто не самый важный показатель быстрого воздействия на человеческий организм некоторых (и далеко не самых) загрязнителей окружающей среды. 

• Совершенно не ясны и практически не учтены в ПДК последствия совместного воздействия на человека разных химических элементов (а тем более их токсичных соединений), находящихся в самых различных концентрациях. С одной стороны, ассоциация основных антропогенных загрязняющих веществ известна. В соответствии с законом ассоциаций химических элементов, образующих крупные техногенные геохимические аномалии, она определяется в основном уровнем развития науки техники в период загрязнения. Однако, с другой стороны, учесть все возможные комбинации совместного воздействия этих поллютантов, к тому же находящихся в разных концентрациях, практически невозможно. К настоящему времени нет даже работ, рассматривающих суммарное влияние на организмы группы химических элементов с различными аномальными (повышенными и пониженными) концентрациями. 

Ряд химических элементов, при недостатке последних в среде (или продуктах питания), замещается их геохимическим аналогам. При этом возникают многие довольно тяжёлые болезни у растительных и животных (включая человека) организмов. К настоящему времени наиболее известными с этих позиций являются  пары  элементов Ca-Sr, Ba, S-Se. Так, уровская болезнь (поражение скелета человека и животных – искривление позвоночника, поражение суставов, ломкость костей, выпадение зубов и т. д.) характерна лишь для районов с пониженным содержанием Ca при избытке Ba и особенно Sr. 

В районах с повышенным содержанием в почвах Se, переходящего в в растения, наблюдается специфическое отравление этим элементом, получившее название алкалоз. Однако внесение кристаллической серы (и даже гипса) в почвы с тем же содержанием селена уменьшило содержание этого элемента в выращенном на этих почвах зерне с 12 до 4 мг/кг. При концентрации в зерне селена около 12 мг/кг поедающие его крысы, кролики, крупный рогатый скот, лошади через несколько месяцев умирали. Вскрытие показало поражение печени, а в некоторых случаях – почек, сердца и селезёнки. 

Таким образом, для геохимически подобных друг другу элементов чрезвычайно важным становиться относительное (по сравнению со средним) содержание каждого из них, так как одна и та же концентрация одного из этих элементов в одном случае является токсичной, а в других – совершенно безвредной. И это тоже было бы необходимо учесть в ПДК, иначе возможны большие ошибки, приводящие к ненужным затрат и заболеваниям людей. 

Поступление в организм в существенно повышенных (или пониженных) содержаниях одних элементов, определяемое изменением концентрации в окружающей среде других элементов, как бы «наследуется» при перемещении по трофической цепи и часто сопровождается болезнями организмов. Это широко развитое для отдельных элементов явление также совершенно не отражено в ПДК, хотя оказывает чрезвычайно большое воздействие на организмы. 

Всё рассмотренное, с позиции совместного токсичного воздействия нескольких химических элементов, делает практически невозможной разработку ПДК для больших территорий, включающих отдельные районы (и даже целые геохимические провинции) с повышенными или пониженными местными фоновыми содержаниями. 

 Токсичность химических элементов (их соединений) зависит не только от концентрации, но и от формы, а часто и от вида их нахождения в биосфере. Так, в почвах большинство химических элементов находится в минеральной форме. При этом чем труднее минерал растворим, тем менее доступны для организмов составляющие его химические элементы, а следовательно, меньше их токсичное воздействие даже при высоких концентрациях. 

Рассмотрим в качестве примера поведение натрия. Более доступным и токсичным он будет при высоких концентрациях в почвенных растворах, а не в минералах. Однако и в разных минералах степень его доступности будет различной: в галите (NaCl) – доступен, а в жадеите (NaAlSi2O6) – практически недоступен. Подобных примеров можно привести очень много. 

Учесть в ПДК все формы, а тем более конкретные виды, в которых находятся элементы, практически невозможно. Кроме того, растворимость многих соединений определяется щелочностью среды, температурой и ещё целым рядом изменяющихся в биосфере ландшафтно-химических факторов. 

• Природное распределение химических элементов в различных типах горных пород отличается крайней неравномерностью (а как уже указывалось, любой химический элемент, попадающий в организм, при определённой концентрации и форме нахождения может стать токсичным). 

Горными породами во многом определяется состав формирующихся на них (и за счёт них) почв, вод, растительных и животных организмов. К неравномерности распределения элементов в породах, а точнее, к вполне определённым концентрациям химических элементов в конкретных породах отдельных регионов живые организмы (от простейших до высших) «привыкли», по крайней мере, за миллион лет (четвертичный период). В некоторых регионах такое привыкание и эволюция происходили не один, а многие миллионы лет. 

• Особо следует учесть, что для всех живых организмов, включая человека, нет химических элементов «полезных» и «вредных». Для нормального развития организма необходимы все элементы, но только при их определённых концентрациях и формах нахождения в различных частях биосферы. При этом одни элементы нужны в больших концентрациях, а другие – в меньших. 

Как известно, элементы, находящиеся ниже линии питательных веществ, даже при незначительном повышении концентрации очень быстро становятся токсичными. 

Резко пониженные содержания элементов также вызывают различные болезни живых организмов, включая человека. Вспомним йод, фтор и ряд других элементов, недостаток которых уже учитывается в обыденной жизни (фторирование воды и зубной пасты, йодирование соли и т. д.). 

Оценивая как токсичность химических элементов при определённых высоких концентрациях, так и последствия их недостаточно высокой концентрации, следует помнить о влиянии на организмы величин абсолютного разброса химических  элементов, установившегося на континентах после образования осадочных пород и почв. Существенное техногенное увеличение или уменьшение содержания химических элементов в первую очередь может негативно сказаться на развитии организмов для следующих элементов: Bi (1,43), Ag (2,9), W (3,67), I (4), Be (6), Au (6), Br (6,2), P (6,47), Zn (8,67). В скобках приведены значения абсолютного разброса для каждого химического элемента. 

Таким образом, при определении нормирующих показателей для химических элементов должны учитываться две цифры – максимальная и минимальная их концентрация. Они должны ограничивать величины содержаний, определяющих условия наиболее оптимального развития организмов. 

• В последние десятилетия всё большую роль в биосфере начинают играть техногенные соединения, не имеющие природных аналогов. Токсичность и время её проявления для многих из них ещё не известны. Пока ясно, что их количество поддаётся учёту (и это необходимо делать), что особенности их разложения и свойства продуктов разложения следует изучать. Наверное, уже классическим примером стало изучение фреона и продуктов его разложения, влияющих на мощность озонового слоя, а в конечном итоге – на выживание организмов. Для большинства техногенных соединений ПДК нет и в ближайшее время их невозможно определить. 

• ПДК учитывают токсичность элементов или их определённых соединений по отношению к человеку. При этом не берётся во внимание их воздействие на другие организмы, в том числе и микро, а также то, что биосфера – это особая биокосная система, в которой тесно связаны и взаимообусловлены живые организмы и косное (минеральное) вещество. Изменения косного вещества (концентраций, форм нахождения, закономерностей распределения и т. д.), происшедшие в определённом районе, несомненно, сказываются на каких-то (может быть, немногих из находящихся в этом районе) организмах. Ими могут быть вирусы, бактерии, растения, грибы или животные. Непосредственно для людей эти изменения могут быть в первое время безвредными. Но гибель или мутация определённых видов организмов безусловно скажутся на остальных организмах. 

Заключение 

В биосфере все организмы связаны между собой, а человек составляет часть биосферы. Выделение каких-либо ПДК только для человека – по крайней мере, бессмысленно. Загрязняя биосферу или её отдельные части и районы веществами,  вызывающими смерть, болезни и мутации определённых организмов, но безвредными на каком-либо первом промежутке времени для человека, мы создаём для людей бомбу замедленного действия. Раньше или позже эта бомба взорвётся. 

Список литературы

1. Алексеенко В.А. Миграция и концентрация химических элементов в биосфере. М.: ГТУ, 1997. 

2. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера. М.: Наука, 1994. 

3. Глазовская М.А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов. М.: МГУ, 1964. 

4. Жданов Ю. А. Экология с человеческим лицом. // Экология: опыт, проблемы, поиск. Новороссийск, 1991. С. 52-58. 

5. Морозов В.И. Литохимические аномалии в зоне гипергенеза. М.: Недра, 1992. 

6. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1989. 

7. Перельман А.И. Геохимия эпигенетических процессов. М.: Недра, 1968. 

8. Риклефс Р. Основы общей экологии. М.: Мир, 1979.