Материал: Гончарук учебник

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ВОЗДУХЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

постоянного действия фитотоксических газов усыхание соснового древостоя в национальном лесу Сан-Бернардино увеличилось на 10%. Поражение растений кислотными дождями происходит вследствие нарушения метаболизма клеток, блокирования активности ферментов, катализирующих синтез жирных кислот или ацетилкоензимакарбоксилазы, галактолипидов мембран хлоропластов. Кис­ лотные дожди разрушают строения и памятники архитектуры. В Лондоне по­ страдали Вестминстерское аббатство, крепость Тауэр. В Голландии на соборе св. Иоанна статуи, по словам жителей, "тают, словно леденцы". В Риме разру­ шаются рельефные изображения на колонне Трояна. Знаменитый Акрополь в Греции за последние несколько десятилетий пострадал от загрязнений боль­ ше, чем за весь период существования.

В чем же состоит механизм образования кислотных дождей? Процесс вы­ мывания примесей из атмосферы разделяют на две стадии. В первой стадии вещество, которое вымывается или принимает участие в образовании капли облака и является ядром конденсации, или захватывается каплями облаков на этапе их развития, когда они еще не превратились в падающие дождевые кап­ ли. Эта стадия определяется как внутриоблачное вымывание. Во второй ста­ дии вещество захватывает капля падающего дождя на всем пути полета до кон­ такта с подстилающей поверхностью. Это стадия подоблачного вымывания. Существуют пять механизмов вовлечения молекул газа или частиц в каплю:

1)диффузофорез; 2) броуновская диффузия; 3) соударение и захватывание;

4)растворение газа; 5) образование капель на ядрах конденсации.

Во время диффузофореза аэрозольные частицы движутся в направлении среднего потока молекул в воздухе. Явление диффузофореза характерно лишь для частиц диаметром менее 0,1 мкм. Общий вклад такого механизма в вы­ мывание частиц дождевыми каплями незначителен. Случайное перемещение мелких частиц, вызванное столкновением с молекулами газа, также может спо­ собствовать переносу частицы к поверхности капли. Скорость броуновской диффузии определяется преимущественно размером частиц, и ее влияние ста­ новится ощутимым для частиц диаметром менее 0,1 мкм. В отличие от диффу­ зии частиц, диффузия молекул газа является главным механизмом их переме­ щения к поверхности капли. Механизм инерционного соударения и захватыва­ ния характерен лишь для подоблачного вымывания. Молекулы газа благодаря своей легкости обходят падающую каплю, в то время как частицы со значи­ тельно большей массой оказывают сопротивление изменениям движения. Чем массивнее частица, тем в меньшей степени она претерпевает такие изменения. Инерционное соударение присуще относительно крупным частицам. При кон­ такте частицы с поверхностью капли происходит ее захватывание, а сульфаты

инитраты переходят в жидкую фазу. Эффективность вымывания путем инер­ ционного соударения и захватывания зависит от скорости падающей капли, а также от массы и размера частиц, которые вымываются. Этот механизм ха­ рактерен для вымывания частиц диаметром более 1 мкм. Серы диоксид, азо­ та диоксид хорошо растворимы в воде. Растворение газов подчиняется зако­ ну Генри, т. е. длится до тех пор, пока не настанет равновесие между жидкой

игазовой фазами. Для капель диаметром 100 мкм равновесие между газовой

491

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

и жидкой фазами для серы диоксида устанавливается в течение нескольких се­ кунд. В жидкой фазе серы диоксид быстро окисляется. Кроме того, аммиак, находящийся в воздухе, также растворяется в капле и вступает в химическую реакцию с кислотой, что приводит к нарушению равновесия в системе газ — жидкость и накоплению серы за счет растворения и окисления серы диоксида. Такие же процессы происходят при растворении оксидов азота и азотной кис­ лоты. Основная часть серы и азота в аэрозольной форме представлена такими соединениями, как NH4 HS04 и NH4 N03 . Благодаря гигроскопической природе частицы соединений серы и азота являются высокоэффективными ядрами кон­ денсации облаков. Этот механизм вымывания соединений серы и азота может иметь очень большое значение. У источников выброса, где сера и азот преиму­ щественно имеют вид газообразных оксидов, а не частиц, механизм растворе­ ния газов может быть ведущим. На больших расстояниях вымывание за счет ядер конденсации облаков достигает 80%.

Атмосферу можно рассматривать как окислительную систему с высоким содержанием основного окислителя — кислорода. Соединения, содержащие атомы С, H, S и N природного и антропогенного происхождения, попадая в атмосферу, превращаются в соединения, которые участвуют в процессах обра­ зования кислот с выделением их с атмосферными осадками. В этих процессах, кроме кислорода, принимают участие озон, гидроксильный радикал НО", гидропероксидный радикал НО*, органические пероксидные радикалы (ROO") пероксиацетилнитрат (ПАН), пероксид водорода (Н2 02 ).

Наиболее реакционноспособным является гидроксильный радикал НО", принимающий участие в окислении азота и серы оксидов в азотную и серную кислоты. Следующими по активности являются озон и ПАН. При фотовозбуж­ дении озона светом происходит реакция с образованием атомарного и молеку­ лярного кислорода:

03 —£*-> О' + 02 .

Примерно 1% атомарного кислорода реагирует с паром воды, образуя гид­ роксильный радикал вступает в реакцию, а водород — с молекулярным кисло­ родом с образованием гидропероксидного радикала:

О' + Н2 0 = 2НО\ Н' + 02 = HOY

При фотовозбуждении азота диоксида светом происходит реакция с обра­ зованием азота оксида и атомарного кислорода:

Атомарный кислород взаимодействует с молекулярным кислородом с об­ разованием озона:

О' + 02 = 03 .

Азота оксид вступает в реакцию с озоном с образованием азота диоксида и молекулярного кислорода:

NO +• 03 = N02 + 02 .

492

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ВОЗДУХЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

В дневные часы гидроксильный радикал НО" вступает в реакцию с азота диоксидом с образованием азотной кислоты:

НО* + N02 = HNO3.

Азота диоксид образуется также при взаимодействии азота оксида с гидропероксидным радикалом с дальнейшим выпадением в виде азотной кислоты:

NO + HO'2 =N0 2 + HO\

3N02 + НХ> = 2HN03 + NO.

Во время протекания гетерогенных реакций азота диоксид, достаточно лег­ ко растворимый в воде или каплях водных пленок, может окисляться:

2N02 + Н2 02 = 2HN03. Пероксид водорода образуется при реакции:

Н0'2 + Н0'2 = Н2 02 + 02 .

Кроме газофазных реакций, достаточно эффективным механизмом выве­ дения серы диоксида из атмосферы являются гетерогенные реакции, которые происходят на поверхности аэрозольных частиц. На поверхности частиц лету­ чей золы и сажи адсорбируются молекулы серы диоксида и радикалы окисли­ тельных агентов. При достаточно высокой относительной влажности поверх­ ность частиц покрывается слоем молекул воды. Образованная в результате окисления серы диоксида серная кислота со временем частично или полнос­ тью нейтрализуется аммиаком. Реакция нейтрализации происходит обычно в жидкой фазе или на поверхности полужидких частиц. Кроме указанных вы­ ше кислот, могут образовываться органические кислоты.

Формирование кислотного дождя зависит от скорости поглощения при­ месей аэрозольными частицами, обусловленной их размерами и химической природой. Важную роль в этом процессе играют средние [(0,2—2,0) • 10~3 мм] аэрозольные частицы, состоящие преимущественно из сульфатов и нитратов. Крупные частицы, которые переносятся массами воздуха, представляют собой мелкодисперсную сажу, копоть и продукты неполного сгорания топлива. По­ ведение аэрозолей в воздушном потоке определяется коэффициентом диффу-

зии и скоростью осаждения (табл. 83). Частицы аэрозоля диаметром менее 0,1 • 10"3 мм присоединяются к каплям

жидкости вследствие броуновского дви­ жения, а частицы размером 1 • 10~3мм благодаря инерционному механическо­ му взаимодействию. Поскольку аэро­ зольные частицы гигроскопичны, пар во­ ды быстро конденсируется в виде плен­ ки на их поверхности. Серы и азота ди­ оксиды поглощаются каплями влаги. Именно в этой стадии начинается слож­ ный комплекс жидкофазных реакций.

493

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Серы диоксид хорошо растворяется в воде [ % (мае.) ]: 13,34 (10 °С), 9,61 (20 °С), 5,25 (40 °С). При переходе из газовой фазы в жидкую серы диоксид может су­ ществовать в растворимой форме, а также взаимодействовать с водой с образо­ ванием бисульфит- и сульфит-ионов:

S02(ra3) ^ 802(жид.),

S02 (жид.) + Н2 0 = HS03 + Н\

HS03 ^ SO/" + Н+.

В кислотных дождях и туманах сера присутствует в виде как четырехвалент­ ных, так и шестивалентных соединений. Растворимость серы диоксида зависит от pH водяных капель и наличия органических комплексообразующих агентов (например, формальдегида), которые снижают скорость жидкофазного окисле­ ния S4+ и S6+. Соединения шестивалентной серы (преимущественно сульфатанион) образуются при окислении четырехвалентных соединений. Летом почти 55—70% растворимой серы диоксида переходит в сульфат-анион в результате окислительных реакций. Зимой с осадками выпадает 3fr—35% сульфатов.

В табл. 84 приведены данные о составе дождей в период роста растений для разных регионов мира.

Влияние качества атмосферного воздуха на здоровье населения

Состояние здоровья населения является одним из главных критериев ка­ чества окружающей среды. В структуре общей заболеваемости населения все больший удельный вес занимают болезни, являющиеся следствием техноген­ ного загрязнения окружающей среды, в частности атмосферного воздуха. Такая тенденция в последнее время наблюдается не только в промышленных регио-

494

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА НА ЗДОРОВЬЕ НАСЕЛЕНИЯ

нах, но и сельских районах. Атмосферные загрязнения могут оказывать острое и хроническое специфическое и неспецифическое действие на организм чело­ века. На рубеже XX—XXI в. при существующем состоянии атмосферы изме­ нилась заболеваемость по классам заболеваний и отдельным нозологическим формам.

Увеличилось количество больных с гипертонической болезнью, злокачес­ твенными новообразованиями, патологией органов дыхания. Чаще стали реги­ стрировать экссудативный диатез, аллергический дерматит, острые респира­ торные заболевания с астматическим компонентом, отек Квинке, бронхиаль­ ную астму. У детей, проживающих в промышленных районах с загрязненным атмосферным воздухом, индекс здоровья (число неболевших детей в пересче­ те на каждый год жизни на 100 обследованных) в 2—3 раза ниже, чем у детей контрольного района. У них изменен иммунный статус: снижены содержание иммуноглобулина А в слюне, активность лизоцима и титр гетерофильных ан­ тител, индекс бактерицидности сыворотки крови, титр гетерофильных анти­ тел. В мазках и отпечатках со слизистых оболочек воздухоносных путей рото­ вой полости выявлено высокое содержание полиморфноядерных лейкоцитов. В цитологических препаратах обнаружено повышенное содержание клеток с признаками деструкции, ослабление их тинкториальных свойств, снижение прочности межклеточных соединений. В буккальном эпителии определяется цитотоксический эффект. О дезорганизации белков соединительной ткани сви­ детельствует наличие в моче метаболитов коллагена. Кроме того, у детей соде­ ржание свинца в моче составляет 0,041—0,07 мг/кг, что превышает верхнюю границу нормы (0,022 мг/кг), в назальном секрете — 0,32—0,45 мг/л (в нор­ ме 0,20 мг/л). Частота поражения эндокринной системы составляет в среднем 23,2—25,7 случая на 100 обследованных. Патологию органов пищеварения, дискинезию желчевыводящих путей, вегетоневрозы, аллергические болезни и поражение системы кровообращения наблюдают в 1,2—1,3 раза, заболева­ ния нервной системы и органов чувств — в 1,4—1,7 , врожденные аномалии — в 1,5 раза чаще, чем у детей, проживающих в районах с чистым атмосферным воздухом. Загрязненный атмосферный воздух влияет также и на фетоплацентарную систему, которая особенно чувствительна к нарушениям гомеостаза. Установлено достоверное уменьшение массы плаценты, оболочек и пуповины. Деструктивно-дистрофические процессы проявляются увеличением количества бессосудистых, склерозированных, фибриноидных ворсин, появлением их не­ зрелых форм. Уменьшаются объемные частицы хориального эпителия, сосу­ дистого русла ворсин и межворсинчатого пространства, то есть структур, обес­ печивающих обменные процессы в системе мать — плод. Изменение процес­ сов метаболизма в околоплодных водах проявляется повышением содержания протеинов, креатинов и щелочной фосфатазы, что обусловливает увеличение проницаемости клеточных и субклеточных мембран плода и плаценты. Содер­ жание РНК и ДНК в плаценте снижается на 24%.

Изменение фетоплацентарной системы на организменном, органном, кле- точно-тканевом и субклеточном уровнях вследствие влияния атмосферных примесей является основанием для выявления групп риска детской патологии

495