Пылевые выбросы медно-никелевого производства и последствия их воздействия на организм человека в условиях Крайнего Севера

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 669:613.6

ПЫЛЕВЫЕ ВЫБРОСЫ МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА И ПОСЛЕДСТВИЯ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

А. Г. Касиков

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. И. Тананаева КНЦ РАН

Аннотация

Работники находящихся на Крайнем Севере предприятий, подверженные в процессе деятельности интенсивному воздействию выбросов медно-никелевого производства, особенно пирометаллургических переделов, имеют повышенный процент заболеваемости и меньшую продолжительность жизни. В проведенном исследовании представлен химический анализ металлургической пыли АО «Кольская ГМК». Установлено, что наиболее тонкие пыли состоят из микро- и наночастиц и, помимо никеля, могут быть обогащены мышьяком, свинцом, кадмием, селеном и таллием, избыточное поступление которых в организм приводит не только к различным заболеваниям, но и вызывает дефицит ряда эссенциальных микроэлементов. Обсужден вопрос повышенного токсического воздействия пылевых выбросов в разных регионах, и предложено введение для Крайнего Севера более жестких предельно допустимых концентраций для атмосферы рабочей зоны. Ключевые слова:

пыль, медно-никелевое производство, выбросы, токсичные элементы, никель, свинец, кадмий, ванадий, наночастицы, предельно допустимые концентрации (ПДК).

PARTICULATE EMISSIONS FROM COPPER-NICKEL PRODUCTION AND THE CONSEQUENCES OF THEIR IMPACT ON HUMAN BODY IN THE FAR NORTH

Alexander G. Kasikov

V. I. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS

It has been shown, that workers of enterprises, located in the Far North exposed to intensive effects of the emissions of copper-nickel production, particularly pyrometallurgical processes, have an increased rate of morbidity and lower life expectancy. The chemical analysis of the Kola MMC, JSC metallurgical dust is given. It has been established that the fine dust is composed of micro and nanoparticles and in addition nickel can be enriched with arsenic, lead, cadmium, selenium and thallium, their excessive intake in organism causes not only various diseases, but also deficiency of some essential trace elements. The increased toxic effects of dust emissions in different regions are discussed and introduction of more stringent MPC for the atmosphere of the working area in the Far North, has been proposed.

dust, copper and nickel production, emissions, toxic elements, nickel, lead, cadmium, vanadium, nanoparticles, MPC.

Введение

На организм человека, проживающего на Севере, воздействуют различные негативные факторы, влияющие на функционирование всех систем организма, включая минеральный обмен. Жители Севера подвержены так называемому синдрому полярного напряжения [1, 2], вызванному холодной погодой, контрастной фотопериодикой, скачками давления, возмущениями ионосферы и дисбалансом микроэлементов. При полярном напряжении наблюдаются различные патологии, при которых страдает весь организм

Abstract

Keywords:

человека. Установлено, что у жителей северных регионов наблюдается развитие зоба даже при достаточности йода [3]. Особенно сильное воздействие испытывают мигранты, у которых адаптация к Северу выражена в меньшей степени, чем у аборигенов [4].

Очевидно, что при дополнительном воздействии на организм человека неблагоприятных экологических факторов синдром «полярного напряжения» будет только увеличиваться, что, в свою очередь, вызовет рост числа заболеваний и значительное сокращение продолжительности жизни. Например, продолжительность жизни работников комбинатов ГМК «Норильский никель» на 10 лет меньше, чем в среднем по России [5]. Без сомнения, климатический фактор Заполярья негативно сказывается на здоровье, но у жителей Норильска, проживающих на территориях, подверженных загрязнению, общий уровень заболеваемости примерно на 30 % выше, чем у жителей Дудинки. Особенно велико превышение по онкологическим заболеваниям, которые у жителей Норильска развиваются в 1,7 раза чаще, чем в среднем по России, а у тех, кто проживает в центре промышленной зоны, — в 2,7 раза. В первую очередь это связано с тем, что норильчане до 75 раз в год испытывают воздействие вредных веществ в концентрациях, превышающих максимально разовые ПДК в 5-10 раз [6].

У работников металлургического производства уровень заболеваемости еще выше. Распространенность, например, заболеваний пародонта у работников никелевого завода Заполярного филиала НГМК «Норильский никель» оказалась в 1,7 раза, а слизистой ротовой полости — в 8,5 раза выше, чем у жителей Норильска, не работающих на заводе [7].

Не лучше ситуация и в Мурманской обл., которая занимает 4-е место по уровню профессиональной заболеваемости в Российской Федерации, что связывается в основном с выбросами Кольской ГМК. Например, среднегодовые концентрации нерастворимых соединений никеля в атмосферном воздухе городов Никель и Заполярный достигают 12-20 мкг/м3, что превышает ПДК в 12-20 раз.

Обследование населения, проведенное в Мончегорске, показало, что частота онкологических заболеваний у людей, работающих на комбинате «Североникель», в 3 раза выше, чем у жителей, не занятых на предприятии [5], чему причиной является выброс в атмосферу канцерогенных элементов, в первую очередь никеля, который Международным агентством по изучению рака отнесен к I группе канцерогенных веществ.

В связи с высокой токсичностью выбросов проведен ряд онкоэпидемиологических исследований. При этом установлено, что наибольшая смертность зарегистрирована у работников пирометаллургического производства, которые подвержены интенсивному воздействию пылевых выбросов [5]. Помимо роста онкозаболеваний, воздействие никеля на организм проявляется также в нарушении репродуктивной функции у работников никелевого производства [8].

Влияние пылевых выбросов на загрязнение атмосферы высокотоксичными металлами

Токсичность пылевых выбросов медно-никелевого производства определяется не только наличием в них никеля: многие токсичные элементы характеризуются высокой летучестью и при высокотемпературном рафинировании сульфидного медно-никелевого сырья легко переходят в газовую фазу. Высокая запыленность пирометаллургических производств обусловлена также тем, что пыль в основном перерабатывается путем оборота на обжиг или плавку. При загрузке пыли происходит дополнительное загрязнение атмосферы рабочей зоны.

Основное количество тонкой пыли улавливается фильтрами, но часть наиболее мелкой пыли неизбежно поступает в атмосферу. Пыль комбината «Североникель», помимо никеля и меди, обогащена свинцом и цинком (табл. 1). Еще выше концентрация высокотоксичных элементов в тонкой конвертерной пыли плавильного цеха комбината «Печенганикель» и никелевого завода Заполярного филиала НГМК «Норильский Никель», где содержание свинца и мышьяка превышает 5 %. Обращает на себя внимание присутствие в конвертерной пыли таких высокотоксичных элементов, как кадмий и таллий.

Дополнительное количество никеля выбрасывается в атмосферу при сжигании мазута, на котором работает часть ТЭЦ арктического региона. Так, в пробе летучей золы, отобранной на ТЭЦ г. Заполярный, содержание никеля составило 3 мас. %. Помимо никеля, летучая зола содержала 8 мас. % ванадия. В зависимости от вида сжигаемого мазута летучая зола может содержать и другие тяжелые металлы [10].

Тонкие пыли (табл. 1) имеют размер частиц преимущественно менее 5 мкм. Наиболее тонкая анодная пыль, которую стали улавливать в последнее время на комбинате «Североникель» с помощью рукавных фильтров КЕЛ (рис.), состоит в основном из еще более мелких частиц, включая наноразмерные.

Микрофотографии тонкой пыли никелевой анодной плавки, отобранной из рукавных фильтров металлургического цеха Кольской ГМК (анализ выполнен В. В. Семушиным): а — микрочастицы; б — микро- и наночастицы пыли

Таблица 1

Содержание токсичных элементов (мас. %) в тонкой пыли предприятий ГМК «Норильский Никель»

№ п/п Вид пыли № Pb Zn Cd Se И As

1 Тонкая пыль никелевой анодной плавки

из электрофильтров 40-60 5-7 0,2-0,5 0,5 - 0,1 - -

из рукавных фильтров 40-50 5-6 0,5-0,9 0,9 - 0,2 - 0,5

2 Пыль от обжига никелевого концентрата в печах КС 33-63 8-9 0,1-0,9 0,005 0,002 0,02-3 0,002 2-6

3 Тонкая конвертерная пыль комбината «Печенганикель » 3-10 2-5 8-13 1,5-2,5 0,25 0,1-0,2 0,02 2-6

4 Конвертерная пыль никелевого завода 6,4-7,3 6 1,7-3,6 1-2 - - - 2-5

Примечание. Пыли 1-2 отобраны в металлургическом цехе комбината «Североникель», 3 — в г. Никеле из электрофильтров плавильного цеха и проанализированы в аналитическом отделе ИХТРЭМС КНЦ РАН (аналитики Н. В Серба и С. В. Дрогобужская), 4 — г. Норильск, по данным работы [9].

Взаимодействие наночастиц с биологическими объектами может приводить к их встраиванию в мембраны и проникновению в клетки, взаимодействию с нуклеиновыми кислотами, белками и различными классами органических соединений (липидами, полисахаридами и др.), что в итоге вызывает изменение функции различных биологических структур [11]. Следует отметить, что проникновение наноразмерных частиц в организм происходит не только с вдыхаемым воздухом, предполагается, что сенсорные окончания нейронов, входящие в дерму, также служат каналом проникновения наночастиц в организм человека и животных.

Влияние токсичных элементов на организм человека

Опасность тяжелых металлов состоит не только в их способности вызывать острые отравления, но и в том, что они плохо выводятся из человеческого организма. Регулярное попадание в организм тяжелых металлов ведет к их постепенному накоплению в организме, что приводит к тяжелым поражениям жизненно важных органов и нервной системы, а также отрицательно влияет на наследственность. Конкретные последствия избыточного воздействия наиболее токсичных компонентов пыли представлены в табл. 2. Большинство элементов относятся к I классу опасности, причем на примере содержащегося в выбросах ТЭЦ пентаоксида ванадия видно, что класс опасности зависит от размера частиц.

Таблица 2

Предельно допустимы концентрации и характеристика токсического действия элементов и их соединений

Элемент ПДК в воздухе рабочей зоны Класс опасности Последствия избыточного поступления в организм [12, 13]

№ и его соединения 0,0005-0,05 1 Аллергия, дерматиты, снижение функции легких, бронхит, ингибирование синтеза ДНК, онкологические заболевания, особенно часто рак легких

Pb 0.005 1 Накапливается в костях. Блокирует или снижает деятельность некоторых ферментов. Вызывает анемию, поражает почки и мозг, снижает интеллект

As 0,01 2 Острая почечная и печеночная недостаточность, внутрисосудистый гемолиз, поражение нервной системы

Cd 0,01 1 Поражение почек, анемия. Остеопороз. Деформация скелета, развитие гипертонии. Ингибирует ДНК и нарушает их синтез, увеличивает концентрацию кальция в печени. Блокирует синтез витамина D

SeOГ 0,1 1 Анемия, нарушение функции печении и сердца

V2O5 Дым — 0,1 1 При избыточном поступлении ванадия развивается оксидативный стресс, который приводит к разрывам цепи ДНК и другим нарушениям. Ингибирует или стимулирует РНК-ферменты, что вызывает генотоксические и мутагенные эффекты. Раздражает глаза и верхние дыхательные пути

Пыль — 0,5 2

И 0,01 1 Нарушает функционирование различных ферментных систем, ингибирует их и препятствует синтезу белков. Вызывает выпадение волос. Через несколько недель после отравления таллием возможна внезапная смерть, связанная с остановкой сердца

ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. Требуется специальная защита кожи и глаз.

Воздействие токсичных элементов не ограничивается только вредным влиянием на отдельные органы. Избыточное поступление тяжелых металлов может приводить к нарушению минерального обмена. Как показано А. В. Скальным (табл. 3), избыток одних элементов вызывает дефицит других элементов, включая эссенциальные. Избыточное поступление токсичных элементов в организм приводит к дефициту селена (табл. 3). Свинец способен вызвать нарушение обмена цинка, а также кальция, который является макроэлементом и принимает активное участие в минеральном обмене.

Таблица 3

Взаимное влияние элементов по данным работы [14]

Элемент Приводит к дефициту Элемент Приводит к дефициту Элемент Приводит к дефициту

Щ Бе Бе Си, Ъп Ъп Си, Бе

Л8 Бе Мп М^ Си РЬ Са, Ъп

Cd Бе, Ъп Мо Си Си Ъп, Мо

Са Ъп, Р

Заключение

Тонкие пыли медно-никелевого производства характеризуются высокой токсичностью, так как содержат относящиеся в основном к I классу опасности элементы и состоят из микро- и наночастиц, обладающих высокой проникающей способностью.

В связи с тем, что в условиях Крайнего Севера негативный эффект воздействия выбросов на организм человека усиливается, целесообразно проводить районирование при установлении норм ПДК.

Снизить токсичное воздействие элементов возможно за счет приема некоторых пищевых добавок, способствующих выводу тяжелых металлов из организма. Однако более правильным решением данной проблемы является модернизация медно-никелевого производства и организация гидрометаллургической переработки промежуточных продуктов и отходов, что не только позволит снизить выбросы тяжелых металлов в атмосферу, но и получить дополнительную продукцию в виде концентратов редких и благородных металлов [15].

ЛИТЕРАТУРА

1. Гудков А. Б., Попова О. Н., Лукманова Н. Б. Эколого-физиологическая характеристика климатических факторов Севера: обзор литературы // Экология человека. 2012. № 1. С. 12-17. 2. Белишева Н. К. Особенности функционального состояния организма человека и живых систем в условиях Заполярья // Наука и развитие технобиосферы Заполярья: опыт и вызовы времени: материалы междунар. конф. (Апатиты, 29 ноября - 1 декабря 2005 г.). Апатиты, 2005. С. 42-45. 3. Агеенко К. И., Горбачев А. Л., Шуберт Э. Е. Макроанатомия щитовидной железы у жителей г. Магадана // Фундаментальные исследования. 2011. № 6. С. 18-22. 4. Квашнина С. И. Здоровье населения на Севере России (социально-гигиенические и экологические проблемы). Ухта: УГТУ, 2001. 2б0 с. 5. Горно-металлургическая компания «Норильский никель» (влияние на окружающую среду и здоровье людей): докл. объединения Ве11опа. 2010. 70 с. 11Р1_: www.bellona.ru. 6. Куркатов С. В., Тихонова И. В., Иванова О. Ю. Оценка риска воздействия атмосферных загрязнений на здоровье населения г. Норильска // Гигиена и санитария. 2015. № 2. С. 28-31. 7. Федорова Н. Г., Тумшевиц О. Н. Исследование стоматологического статуса и оценка эффективности профилактических мероприятий в группе работников металлургии на Крайнем Севере (г. Норильск) // Сибирский медицинский журнал. 2007. № 6. С. 76-78. 8. Роль производственных факторов риска в формировании репродуктивных эффектов у работников никелевых предприятий Крайнего Севера / А. Никанов [и др.] // Экология человека. 2009. № 6. С. 44-46. 9. Навтанович М. Л.,. Ромазанова И. И. Исследования технологии выщелачивания свинца и цинка из пылей электрофильтров конвертеров Норильской ГМК: сб. науч. тр. Л.: Гипроникель, 1985. С. 68-70. 10. Выявление источника пылевых осаждений при оценке качества воздуха / Т. Т. Горбачева [и др.] // Медицина труда и промышленная экология. 2016. № 8. С. 43-47. 11. Пути поступления наночастиц в организм млекопитающих, их биосовместимость и клеточные эффекты / О. А. Подколодная [и др.] // Успехи современной биологии. 2012. Т. 132, № 1. С. 3-15. 12. Дабахов М. В., Дабахова Е. В., Титова В. И. Экотоксикология и проблемы

нормирования / Нижегород. гос. с.-х. академия. Н. Новгород: Изд-во ВВАГС, 2005. 165 с. 13. Тарантин А. В., Землянова М. А. Эссенциальная роль и токсические эффекты ванадия: обзор литературы // Экология человека. 2015. № 12. С. 59-64. 14. Скальный А. В. Микроэлементы в медицине. Гигиеническая диагностика и коррекция // Микроэлементы в медицине 2000. № 1. С. 2-8. 15. Арешина Н. С., Касиков А. Г.Возможности получения дополнительной продукции при решении проблем утилизации медьсодержащих отходов и возвратных продуктов газоочистки на комбинате «Североникель» // Север и рынок: формирование экономического порядка. 2014. № 3. С. 101-103.

Сведения об авторе

Касиков Александр Георгиевич — кандидат химических наук, член-корр. МАНЭБ, заведующий сектором гидрометаллургии кобальта, никеля и благородных металлов ИХТРЭМС КНЦ РАН E-mail: kasikov @chemy.kolasc.net.ru

Author Affiliation

Aleksander G. Kasikov — PhD (Chemistry), Corresponding Member of International Academy of Ecology and Life Protection Sciences, Head of Sector at the I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS E-mail: kasikov@chemy.kolasc.net.ru.

Библиографическое описание статьи

Касиков А. Г. Пылевые выбросы медно-никелевого производства и последствия их воздействия на организм человека в условиях Крайнего Севера / А. Г. Касиков // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 4 (9). — С. 58-63.

Reference

Kasikov Alexander G. Particulate Emissions from Copper-Nickel Production and the Consequences of their Impact on Human Body in the Far North. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 4 (9), pp. 58-63. (In Russ.).