В учебнике обсуждаются вопросы химии атмосферы, водных экосистем и почв с позиции химической безопасности окружающей среды. Подробно рассматриваются проблемы загрязнения окружающей среды приоритетными токсикантами и экотоксикантами, антропогенного и естественного происхождения, оказывающими воздействие на человека и биоту. Представлен обширный фактический материал по актуальным вопросам химии, экологии и токсикологии окружающей среды. Приводятся основные понятия и термины.

Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальностям химия, экология, почвоведение, природопользование, биология, география и смежным направлениям.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОТ АВТОРОВ

100-летию со дня рождения великого русского
мыслителя, академика Н.Н. Моисеева
посвящаем этот учебник

Идея написания этого учебника родилась 25 лет назад, когда один из авторов начал чтение одноимённого курса лекций для студентов МГУ им. М.В. Ломоносова и Московского городского педагогического университета (МШУ). К тому моменту уже в течение пяти лет одноимённый блок лекций читался этим же автором в комплексной программе Открытого Экологического Университета МГУ.

Учитывая, что основными элементами окружающей среды принято считать атмосферу, водные экосистемы и почвы, было очевидно, что в учебнике, прежде всего, необходимо обсудить вопросы химии атмосферы, гидрохимии и химии почв. Ознакомление с имеющимися учебниками и учебными материалами по данным дисциплинам показало, что подходы к написанию и язык этих учебных материалов существенно отличаются друг от друга. Происходит это потому, что в учебных программах химических факультетов университетов и других вузов вопросам химии атмосферы, гидрохимии и химии почв традиционно уделяется очень незначительное внимание, поскольку эти вопросы более глубоко изучаются в вузах и на факультетах, где преподаются климатология, гидрология и почвоведение.

Поэтому мы поставили перед собой задачу обсудить в нашем учебнике вопросы химии атмосферы, водных экосистем и почв, по возможности, с единых химических позиций, учитывая, однако, и то историческое наследие, которое накопилась в процессе изучения и преподавания этих проблем в предыдущие периоды. Это особенно важно было попытаться сделать ещё и потому, что химическое развитие основных элементов окружающей среды происходило в более ранние периоды без ярко выраженного влияния на них человека, который, используя ручной труд, не мог особенно заметно влиять, в частности, на изменение химического состава воздуха, природных вод и почв. Только с появлением промышленности, энергетики, транспорта, а также интенсивной химизации сельского и коммунального хозяйства начался период интенсивного антропогенного воздействия человека на окружающую среду, который продолжается и сейчас.

Однако наиболее светлые умы человечества уже достаточно давно начали осознавать пагубные последствия слишком агрессивного антропогенного воздействия человека на окружающую среду. И вовсе не случайно, что пионерами среди тех, кто первыми стал высказывать опасения о негативном влиянии некоторых процессов, которые предлагались учёными и инженерами для интенсификации хозяйствования в различных сферах деятельности человека, оказались медики. Учитывая, что по латыни medicina означает «лекарство», a medico - «лекарь», а лекарства готовили из окружающей среды химики, то исторически сложилась такая ситуация, что первыми медиками были химики, среди которых, конечно же, нужно упомянуть имена Агриколы и Парацельса.

Фактически уже тогда, в средние века, химики и лекари зародили и основы токсикологии - науки о негативном воздействии некоторых веществ на здоровье человека, а вслед за этим и на животных и растения. Таким образом, шаг за шагом, человек, совершенствуя свои методы хозяйствования, всё больше и больше концентрировался на создании новых возможностей для улучшения своей жизни, для обеспечения комфорта своих жизненных условий, часто не задумываясь над тем, что ориентация только на развитие новых методов строительства и обогрева жилья, создание новых средств передвижения и транспорта, интенсификация сельского и коммунального хозяйства может привести к долговременным негативным последствиям с точки зрения перспектив «коэволюции общества и природы», о чём очень детально и убедительно писал уже в конце 20-го века великий русский учёный, академик Н.Н. Моисеев. Он рассуждал следующим образом: «Человек должен быть вооружён умением глубоко понимать и анализировать то, что Природой действительно разрешено делать и поступать согласно этим новым знаниям»¹. Тем самым подчёркивалась роль науки и образования для развития цивилизованного мира, в котором роль Человека, как создателя и носителя новых знаний будет возрастать в каждом следующем поколении.

Ещё две важных мысли академика Н.Н. Моисеева, высказанные в первой лекции в Открытом Экологическом Университете МГУ в 1987 году:
   1) «Я думаю, что пришло время научиться рассматривать развитие общества не через призму междоусобиц, подобных концепции классовой борьбы, а в единстве процессов развития Природы и Человека, того, что является фундаментом нашей жизни».
   2) «Переход к контролируемому, направляемому развитию Природы и общества, то есть вступление в эпоху ноосферы, способной обеспечить дальнейшее развитие цивилизации, - это единственная возможность развития планетарных процессов, при которой вид homo sapiens имеет будущее».

Моисеев Никита Николаевич (1917-2000) Выдающийся российский учёный в области механики и прикладной математики, академик РАН, почётный член РАЕН, член Международной академии астронавтики (Париж), президент Российского национального комитета содействия Программе ООН по охране окружающей среды, президент Международного независимого эколого-политологического университета (МНЭПУ), главный редактор журнала «Экология и жизнь». Основатель и руководитель ряда научных школ. Автор математической модели «Ядерной зимы», трудов по динамике твёрдого тела с жидкостью, численным методам математической физики, теории оптимизации управления и др. Написал 35 монографий, более 300 научных и научно-популярных статей.

Один из авторов этой книги имел счастливую возможность сотрудничать с академиком Н.Н. Моисеевым в течение 16 лет до последних дней его жизни. Это были годы, когда многие известные российские учёные призывали уделять самое пристальное внимание интенсивно накапливавшимся экологическим проблемам во всём мире и в России, в частности. Среди этих учёных следует поблагодарить безвременно ушедших из жизни академиков РАН Соколова В.Е., Хачатурова Т.С., Яншина А.Л, академика РАО Ягодина Г.А, чл-корр. РАН Яблокова А.В.

Осенью 1987 года все они, наряду с ещё 12-ю известными экологами, читали лекции в 1-ом образовательном проекте Открытого Экологического Университета МГУ, образованного одним из нас при активной поддержке тогда ещё профессора, первого проректора МГУ (а ныне ректора МГУ, академика РАН) Садовничего В.А. Эту важную поддержку экологического образования и просвещения в России, в целом, и в Москве, в частности, наш ректор оказывает нам все 30 лет, за что ему глубокая благодарность от почти девяти тысяч слушателей - участников образовательных программ и проектов Открытого Экологического Университета.

Садовничий Виктор Антонович (1939 г) Советский и российский математик, деятель российского высшего образования. После окончания мехмата МГУ им. Ломоносова в 1963 году работал на факультете ассистентом, доцентом, профессором, заведующим кафедрой. С 1982 года - проректор МГУ, с 1984 года - первый проректор, а с 1992 года - ректор университета. Лауреат Государственной премии СССР (1989 год), избран академиком РАН в 1997 году. С 1994 года является президентом Российского Союза ректоров. Является действительным членом ряда профессиональных академий России, почетным доктором многих зарубежных и отечественных университетов

Отдельная благодарность выражается руководителю Департамента природопользования и охраны окружающей среды Правительства Москвы Кульбачевскому А.О. за постоянную поддержку деятельности Открытого Экологического Университета МГУ последние шесть лет и большую удовлетворённость сотрудничеством с возглавляемым им Департаментом.

Благодарим также наших живых и ушедших из жизни родителей, а также членов наших семей за постоянную помощь и поддержку, в том числе, и в период написания этого учебника.

B.C. Петросян
Е.А. Шувалова

ПРЕДИСЛОВИЕ

Химическая наука за длительный период своей истории способствовала значительному развитию общества благодаря разнообразному применению большого числа природных и синтетических веществ (углеводородное топливо, полимеры, удобрения, пестициды, масла, красители, пищевые добавки, косметика, лекарства, растворители и др.). Долгое время казалось, что стремительное внедрение десятков тысяч химических веществ и препаратов, позволившее значительно повысить жизненный комфорт и эффективность во многих областях человеческой деятельности, будет и дальше расширять сферу использования различных продуктов химии.

Однако уже к середине XX века возникли серьёзные экологические проблемы и стало очевидно, что использование многих химических веществ приводит к значительной биодеградации экосистем, ярко выраженному уменьшению биоразнообразия и ухудшению здоровья человека.

Развивая представления об эволюции биогеосферы, В.И. Вернадский уже более 100 лет назад считал, что «до появления человека эволюция была сугубо стихийным процессом, и только появление разума привело к возникновению нового организующего фактора в биосфере»1. Он был убежден, что «деятельность человека приобрела геологические масштабы и человек в состоянии отныне направлять химическую эволюцию биосферы, а, следовательно, и геологическую эволюцию». Важным этапом необратимой эволюции биосферы В.И. Вернадский считал ее переход в стадию ноосферы.

Он отмечал, что «основные предпосылки возникновения ноосферы это:

   1) расселение Homo sapiens по всей поверхности планеты и его победа в соревновании с другими биологическими видами;
   2) развитие всепланетных систем связи, создание единой для человечества информационной системы;
   3) открытие новых источников энергии (как, например, атомная), после чего деятельность человека становится важной геологической силой;
   4) победа демократий и доступ к управлению широких народных масс; всё более широкое вовлечение людей в занятия наукой, что также делает человечество геологической силой».

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) Русский и советский учёныйестествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель. Создатель биогеохимии и учения о ноосфере. Являлся академиком Российской и СанктПетербургской академий наук, а так же академии наук СССР; президент Украинской академии наук. Лауреат Сталинской премии первой степени (1943г.). Создал и возглавил Радиевый институт в Санкт-Петербурге в 1922 году. Организовал в Академии наук СССР в 1927 году «отдел живого вещества» и Биогеохимическую лабораторию. Опубликовал 473 научные работы.

К сожалению, В.И. Вернадский переоценил интеллект обитателей планеты Земля. Человек действительно стал важнейшим фактором, определяющим изменения химического состава биогеосферы, однако эти изменения пошли биосфере в целом и человеку в частности не на пользу, а во вред. И речь уже пошла о возникновении значительных химических стрессов как экосистем (воздуха, вод, почв), так и всех видов биоты (растений, животных) и людей.

В качестве первого примера можно привести нефтепродукты (бензин, керосин, дизельное топливо), при сжигании которых образуются и поступают в окружающую среду канцерогенные полиядерные ароматические углеводороды (ПАУ) и, в первую очередь, наиболее термодинамически устойчивые и наиболее токсичный бенз(а)пирен, а также вызывающий гипоксию (кислородное голодание) монооксид углерода (угарный газ) и влияющий на глобальное изменение климата диоксид углерода.

К другим примерам относятся:

   1) полихлорированные бифенилы (ПХБ), используемые в качестве термостойких добавок к маслам трансформаторов и конденсаторов и обладающие сильными негативными эффектами на здоровье человека;
   2) поливинилхлорид (ПВХ), сжигание остатков которого приводит к образованию и накоплению в биосфере очень устойчивых и одних из самых 11токсичных веществ - полихлорированных дибензодиоксинов (ПХДД) и дибензофуранов (ПХДФ);
   3) азотсодержащие удобрения, приводящие к накоплению в организмах нитрат-ионов, легко трансформирующихся в ещё более токсичные нитритионы, приводящие к образованию канцерогенных нитрозаминов;
   4) хлорорганические пестициды, включая ДДТ и продукты диенового синтеза, вызывающие раковые и другие заболевания;
   5) производные алкилфенолов, используемые в стиральных порошках и моющих средствах, являющихся сильными эндокринными разрушителями, негативно влияющими, в частности, на репродуктивное здоровье как женских, так и мужских организмов;
   6) броморганические антивоспламенители, добавляемые в краски и импрегнируемые в различные бытовые материалы (в частности, пенополиуретановые матрацы), но при выделении из них оказывающие негативные эффекты на внутренние органы человека;
   7) канцерогенная перфтороктановая кислота, используемая для получения перфторированных полимеров, применяемых в качестве антипригарных покрытий в кухонной посуде;
   8) фреоны, использовавшиеся долгое время в качестве хладагентов и разрушающие защитный озоновый слой Земли и внутренние органы людей.

И этот список, к сожалению, можно значительно расширить.

Наиболее яркими экологическими потрясениями XX века стали следующие события, которые наконец-то открыли глаза широкой общественности на существующие проблемы нерационального и зачастую варварского отношения человека к окружающей среде.

Первым из них была трагедия, произошедшая в заливе Минамата (Япония) в 50-х годах, когда тысячи жителей прибрежного региона в течение длительного времени систематически травились солями метилртути, образовывавшимися в ходе многолетних сбросов в залив компанией «Cisso» сточных вод, содержащих неорганические соли ртути, вызвавшая огромный резонанс во всём мире.

Затем, в 1962 году Рэйчел Карсон, американский биолог и писатель, одна из пионеров в области охраны природы опубликовала проникновенный и тревожный труд «Безмолвная весна», получивший всемирную популярность и описывающий серьёзные нарушения, претерпеваемые живыми организмами в ходе повсеместного использования пестицидов. Одной из следующих трагедий стала химическая катастрофа, произошедшая в 1976 году на севере Италии, в городе Севезо, на заводе «Icmesa». Ядовитое облако ПХДД и ПХДФ повисло над городом, вызвав серьёзные отравления и смерти нескольких тысяч людей, в ходе чего в регионе наблюдались массовые заболевания раком.

Небезызвестная авария на Чернобыльской АЭС, произошедшая в 1986 году, в результате которой в атмосферу в течение полугода было выброшено значительное количество радиоактивных веществ, распространившихся от Атлантики до Урала, что способствовало сильному росту заболеваний щитовидной железы в СССР и Европе. Чернобыль до сих пор возглавляет список самых загрязнённых городов мира, регулярно публикуемый Институтом Блэксмита.

В 90-е годы Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) опубликовала результаты исследования содержания ПХДД и ПХДФ в молоке кормящих матерей. Сделанный при этом вывод о том, что современная женщина не в праве более кормить своего новорожденного ребёнка грудным молоком, вызвал огромный скандал.

Формируемая с конца 70-х годов теория «устойчивого развития» приобрела к концу XX века глобальный характер, основываясь на взаимосвязи социальной, экономической и экологической сфер жизни человека, при которых осуществлялись бы согласованные друг с другом изменения методов эксплуатации природных ресурсов, направления инвестиций, ориентации научно-технического и личностного развития и т.д.

К сожалению, следует признать, что на сегодняшний день, человечество всё ещё находится на том этапе развития, когда осознание проблемы уже носит всемирный характер, но конкретные действия, направленные на изменения ситуации, ещё слабы и, в большей степени, локальны, в связи с чем, малоэффективны. На этом фоне продолжают происходить всё новые и новые катастрофы, которые только усугубляют ситуацию.

Среди крупнейших техногенных катастроф, произошедших в последние несколько лет, особым образом стоит выделить взрыв нефтяной платформы «Deepwater Horizon» в апреле 2010 года в Мексиканском заливе, в 80 км от побережья штата Луизиана (США). При разливе нефти, длившемся 152 дня, вылилось около 5 миллионов баррелей нефти (примерно 800 млн. л нефти). Достигшее 75 тысяч квадратных километров нефтяное пятно принесло не только разрушительные последствия в данном регионе, но и повлияло на тёплое течение Гольфстрим, замедлив его, в результате чего наблюдались серьёзные климатические изменения на севере Европы и США.

Следующий, 2011 год принёс ещё одну страшную аварию, произошедшую в Японии на АЭС «Фукусима I». В результате аварии произошло значительное распространение радиоактивного йода в атмосфере Земли и радиоактивного цезия в водах Мирового океана. К концу 2012 года уровень радиации на побережье, где произошёл взрыв, превышал норму более чем в сто раз.

В ходе этих поистине печальных событий, начало XXI столетия ознаменовалось неутешительным выводом, что морепродукты, выловленные в любой точке земного шара, более не могут считаться безопасными для здоровья человека.

Химия и токсикология окружающей среды как научная дисциплина

Попытки учёных в XX веке контролировать и изменять ситуацию в биосфере в лучшую сторону, способствовали развитию целого ряда новых научных дисциплин, направленных непосредственно на исследование и регуляцию различных экосистем по отдельности и окружающей среды в целом. Так образовалось большое количество наук, находящихся на стыке двух и более дисциплин, позволяющие рассматривать процессы, происходящие в биосфере с различных точек зрения, детально изучить те или иные изменения окружающей среды, влияющие на неё факторы, а так же разработать методы контроля и восстановления естественного природного баланса.

Рассматривая науки образованные в ходе симбиоза химии с экологией, биологией, геологией и физикой (экологическая химия, биохимия, химия природных соединений, геохимия, химия атмосферы, гидрохимия, химия почв и др.), в контексте химии и токсикологии окружающей среды следует особое внимание уделить:

   1) Биогеохимии {bios - жизнь, geos - Земля) науке, изучающей геохимические процессы и роль живых организмов в этих процессах; химический состав веществ в основных элементах биосферы, их превращения и распределение.
   2) Экологической химии (oicos - среда обитания, logos - наука) - науке, рассматривающей экологические проблемы и явления, возникшие, 14преимущественно, в результате роста антропогенного воздействия, а так же процессы, происходящие при этом в атмосфере, гидросфере и почвах с точки зрения химии. Одной из задач является поиск «зелёных» технологий, снижающих риски возникновения нарушений в биосфере.
   3) Химической экологии - разделу экологии, рассматривающему влияние химических веществ на биосферу, а так же пути изменения этого влияния. Изучаются химические взаимодействия между видами в экосистеме.

Приведённые выше дисциплины, возникли в ходе обострения «экологической обстановки» в большинстве регионов мира. Сравнивая их определения, становится понятно, что данные науки очень близки между собой. Помимо того, что они рассматривают в сущности, одни и те же объекты, они имеют ещё и весьма сходные цели, направленные на контроль химических процессов в биосфере и охрану природных систем от возможных негативных воздействий, которые несут в себе те или иные химические взаимодействия. Именно поэтому комплекс всех перечисленных выше дисциплин можно объединить общим названием «Химия и токсикология окружающей среды». Такое название обосновано тем, что само по себе изучение химических процессов в биосфере, особенно тех, что происходят в ходе антропогенного вмешательства (а доля этого вмешательства крайне велика) и влияния его последствий на человека и биоту, уже нельзя рассматривать отдельно, не принимая во внимание токсичность и экотоксичность веществ, провоцирующих эти изменения. Таким образом, ведя речь уже о дисциплине «Химия и токсикология окружающей среды», необходимо рассмотреть определение «токсикологии окружающей среды» или «экотоксикологии», а так же понять, что в данном случае подразумевается под «окружающей средой»

Экотоксикология - наука о токсикантах, воздействующих на живые организмы в загрязненных водных экосистемах, атмосфере и почве (более подробно о данной науке, её объектах и методах, можно узнать из соответствующего раздела учебника).

Окружающая среда - общее понятие, характеризующее некую среду, обладающую специфическими физико-химическими свойствами, в которой находится тот или иной биологический объект или их группа.

В глобальном плане, под «окружающей средой» можно понимать всё космическое пространство, окружающее и оказывающее особое влияние на планету Земля. Таким же образом «окружающей средой» является вся планета и её оболочки, включая биосферу.

В узком смысле «окружающей средой» может являться и какая-то конкретная часть биосферы (тропосфера, литосфера, гидросфера), а также конкретная экосистема (пруд, лес, поле) или её часть. В таком случае это понятие тождественно «среде обитания».

Среда обитания - часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует.

Таким образом, «Химия и токсикология окружающей среды» представляет собой комплекс научных дисциплин, изучающих любые происходящие во всех оболочках Земли химические вещества и процессы различного генеза, а также их влияние не только на конкретную среду обитания и её биологические объекты (живые организмы), но и на всю биосферу в целом.

Одной из задач данной дисциплины является прогнозирование возможных последствий того или иного вмешательства в естественную среду, а также поиск методов снижения и предотвращения негативных эффектов этих воздействий; разработка новых технологий, позволяющих снизить возможные риски для биосферы и человека.