Трансформация химических веществ в окружающей среде как неучтенный фактор опасности для здоровья населения

Актуальная, но малоизученная проблема трансформации химических веществ под воздействием внешних факторов, представляет большой интерес с точки зрения обеспечения химической безопасности окружающей среды и снижения риска для здоровья человека. Анализ данных о трансформации химических веществ в воздухе под действием природных физико-химических (озон, УФ-излучение, температура, окислители и др.) и техногенных факторов, а также в воде и в воздухе закрытых помещений, показывает, что вещества, являющиеся результатом химической трансформации, вызванной действием ряда перечисленных факторов,нередко обладают более высокой токсичностью и опасностью по сравнению с исходными соединениями.

Трансформация химических веществ в реальных условиях окружающей среды с точки зрения их результирующего воздействия на здоровье и безопасность человека – актуальная, но малоизученная проблема экоаналитического мониторинга и нормативного регулирования. Многолетние исследования объектов окружающей среды, проведенные в различных регионах России с использованием современных методов физико-химического анализа, показывают, что результаты анализов проб воздуха, воды, почвы демонстрируют широкий круг разнообразных химических веществ, не учтенных в технологических выбросах, характерных для этих объектов. В воздухе городов, воздушной среде помещений, воде, почве обнаружены сотни органических соединений, причем в количествах, часто превышающих их предельно допустимые концентрации. Это объясняется тем, что под влиянием природных и техногенных физико-химических факторов происходят процессы трансформации веществ, которые могут приводить к образованию новых соединений, нередко даже более токсичных и опасных, чем исходные [1–5].

Число известных химических веществ огромно, и с каждым годом продолжает расти. На данный момент в крупнейшей базе данных химических соединений Американского химического общества CASRegistry содержится информация о 157 млн уникальных органических и неорганических химических веществах (включая, помимо индивидуальных веществ, сплавы, координационные соединения, минералы, смеси, полимеры и соли) [6].

Что касается загрязняющих веществ – при обсуждении проблем контроля химического загрязнения окружающей среды приводятся разнообразные данные о количествах загрязняющих веществ: от 600 тыс. химических соединений, зарегистрированных в 1954 г., 12 млн. – в 1992 г., до 16 млн. – в 1998 г. При этом ежегодно синтезируется около 105 новых органических соединений [7, 8].

Однако значительную часть из них получают в микроколичествах и, соответственно, не производят и не используют в промышленности.

Среди веществ, способных поступать в окружающую среду, значительную часть составляют органические соединения, которые могут являться потенциально опасными веществами, поскольку находят практическое применение в промышленности и быту.

В то же время в нашей стране разработан о только не более 4,5 тыс. гигиенических нормативов для различных химических веществ: более 2000 –для нормирования их содержания в атмосферном воздухе, около 2000 – в воде, 180 – в почве. При этом даже такое относительно небольшое количество нормированных веществ контролируется недостаточно по причине отсутствия официальных методов контроля.

С другой стороны, известно, что объекты окружающей среды характеризуются многокомпонентностью состава химического загрязнения. Тем не менее, государственная система экоаналитического мониторинга качества окружающей среды осуществляет контроль лишь ограниченного числа веществ, выбранных без учета их реального содержания и происходящих с ними процессов трансформации под действием природных и техногенных физико-химических факторов [9, 10].

Состояние окружающей среды, в том числе отдельных ее компонентов, в частности, атмосферного воздуха, водных объектов, почвы в промышленных регионах Российской Федерации, в которых проживает значительная часть населения, остается неблагоприятным. Требованиям по химической безопасности не соответствует более 35% поверхностных источников питьевого водоснабжения и более 15% подземных источников из-за повышенного содержания в них загрязняющих веществ промышленного происхождения [11, 12]. По данным государственного экоаналитического мониторинга, более 50% городского населения подвержено воздействию загрязненного атмосферного воздуха. Перечень городов в Российской Федерации с высоким загрязнением атмосферного воздуха, концентрации отдельных веществ в которых превышают 10 ПДК, включает более 200 городов[12, 13]. Росгидромет публикует ежегодные отчеты, в которых определяет приоритетный список «грязных» городов по результатам замеров. Год от года он несколько меняется, но в целом в него входят практически одни и те же города. Например, в 2011 году приоритетный список городов с очень высоким уровнем загрязнения, в которых комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) достигал выше 14, включал 27 городов [12].

В то же время государственная система экоаналитического мониторинга загрязнения различных объектов окружающей среды ориентирована на контроль лишь ограниченного перечня, включающего, в частности для мониторинга загрязнения атмосферного воздуха городов, не более 10 приоритетных показателей, и не учитывает многокомпонентный состав загрязняющих веществ и происходящие в окружающей среде процессы трансформации под влиянием природных и техногенных физико-химических факторов.

Таким образом, существует необходимость восполнить имеющийся пробел знаний в этой области, что можно сделать, собрав и обобщив всю имеющуюся на данный момент информацию о неучтенной опасности химических веществ, образующихся в результате их трансформации, вызванной воздействием природных и антропогенных факторов.

ТРАНСФОРМАЦИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ

Трансформация загрязняющих веществ в воздухе в реальных условиях под действием природных факторов

Под действием природных факторов, например озона, УФ-излучения, температуры, присутствия оксидов азота и др., из одного вещества в реальных условиях загрязненного воздуха возможно образование нескольких десятков новых соединений – продуктов трансформации.

При этом зачастую образуются более токсичные и опасные вещества, чем исходные. В таблице 1 приведены продукты трансформации, образующиеся из конкретных органических веществ под действием озона, оксидов азота и УФ-излучения в реальных условиях загрязненного воздуха, а также количество вновь образованных продуктов [21–24].

Таблица 1. Продукты трансформации органических соединений под действием физико-химических факторов (озон, оксиды азота, УФ-излучение) в реальных условиях загрязнения воздуха

Примечание: курсивом выделены вещества, более токсичные и опасные, чем исходное.

Недооценка многокомпонентности химического состава при контроле загрязненного воздуха

В таблице 2 в качестве примера недооценки многокомпонентности состава химического загрязнения при контроле воздуха приведено количество органических соединений, обнаруженных при анализе проб воздуха вблизи различных городских и производственных объектов и проб воздуха из других источников антропогенного и природного происхождения [25–29].

Как видно из таблицы, процент ненормированных веществ, поступающих в воздушную среду, достаточно высок и в большинстве случаев составляет более половины от общего количества химических веществ, обнаруженных при анализе.

Данные таблицы 2 показывают, что в атмосферном воздухе на перекрестке автомобильных дорог с интенсивным движением транспорта зарегистрировано наличие 175 летучих органических соединений. В воздухе местности, прилегающей к мусоросжигательному заводу, обнаружено более 80 веществ. В воздухе жилой зоны вблизи расположения предприятия электротехнической промышленности, использующего в производственном цикле поливинилхлорид, идентифицировано более 80 соединений. При этом в пробах был детектирован не только винилхлорид, но также зафиксировано выс окое содержание хлористого водорода, четыреххлористого углерода, бензола и толуола. В воздухе рядом с табачной фабрикой обнаружен целый спектр органических соединений, состоящий из 88 веществ. В воздушной среде жилых помещений анализ также показал наличие широкого перечня летучих органических соединений - представителей различных групп химических веществ. Так, обнаружено, что на бытовой пыли адсорбировано 80 веществ.

Среди них присутствуют такие высокотоксичные вещества, как метакролеин, сероуглерод, акрилонитрил и др. В накуренном помещении было выявлено присутствие более 120 веществ, некоторые из них обладают высокой токсичностью и опасностью для человека – стирол, метилнитрозамины, метилпиразол, изоамилнитрил. В воздушной среде закрытого жилого помещения после евроремонта выявлено более 150 различных соединений. В воздушной среде кухни во время приготовления пищи идентифицировано около 70 веществ, среди них – полициклические ароматические углеводороды, альдегиды, соединения, содержащие азот и серу. Среди важных источников загрязнения внутренней среды закрытых помещений можно назвать продукты жизнедеятельности человека.

В составе продуктов жизнедеятельности, попадающих в воздух помещений вместе с потом и выдыхаемым воздухом, идентифицировано до 200 веществ.

Таблица 2. Многокомпонентный состав загрязняющих веществ в воздухе вблизи антропогенных и природных источников

Анализ волос человека выявил наличие более 100 адсорбированных на них веществ. Обращает на себя внимание тот факт, что среди идентифицированных веществ значительная их часть (от 46 до 97%) не имеет гигиенических нормативов, из чего следует, что ненормированные вещества вовсе не учитываются при контроле загрязнения воздушной среды. При исследовании городской наземной растительности, представленной примерно 20 видами деревьев и кустарников, обнаружено почти 60 органических соединений. Выделяемые объектами природного происхождения

вещества относились, в основном, к группе терпеновых соединений. Однако малотоксичные терпеновые соединения являются высокореакционноспособными химическими вещества ми и легко трансформируются в воздухе с образованием более токсичных продуктов – альдегидов и кетонов.

В то же время контроль, как правило, ориентирован на анализ исходных веществ, выбранных без учета более значимых для безопасности здоровья человека продуктов трансформации [21, 30–33].

Трансформация химических веществ в воздухе под действием техногенных факторов при проведении природоохранных мероприятий

Применение природоохранных технологий, например, очистных сооружений и установок, направленных на снижение компонентного состава загрязняющих веществ в выбросах, или проведение других оздоровительных мероприятий иногда приводит не только к очистке от контролируемых веществ, входящих в состав выбросов, но и к неблагоприятному изменению химического состава очищенного воздуха или водного объекта. Это может происходить под влиянием различных видов физико-химического воздействия применяемой технологии очистки (нагревание, горение, хлорирование, озонирование, УФ-облучение, ароматизация, ионизация, фитоионизация, биофильтрация и др.) и проявляется в виде негативных побочных эффектов, вызванных образованием продуктов трансформации.

Трансформация компонентного состава выбросов предприятий в процессе очистки.

Хромато-масс-спектрометрический анализ выбросов в атмосферный воздух табачной фабрики в г. Ярославле выявил присутствие около 50 органических веществ.

Среди них в значительных концентрациях идентифицированы азотсодержащие вещества, в частности, производные пиридина, пиррола, пиразина и никотина, а также фурановые соединения, включая фуран. Более 90% обнаруженных веществ не имели гигиенических нормативов. Сравнительный анализ химического состава проб до и после прохождения выбросов через очистные сооружения показал уменьшение уровней содержания группового состава химических веществ, при этом содержание никотина снизилось почти в 70 раз, а общее количество веществ после очистки уменьшилось в 3 раза. Вместе с тем, было выявлено присутствие около 10 новых веществ, среди них ряд ненормируемых азотсодержащих соединений, относящихся к группам токсичных и опасных соединений.

Поскольку для этих веществ не установлены гигиенические нормативы, то они не контролируются предприятием, и в связи с этим их влияние на здоровье населения, проживающего вблизи расположения табачной фабрики, остается неучтенным. Из этого следует, что, поскольку в результате применения установленной технологии очистки было обнаружено образование в выбросах веществ, относящихся к группам более токсичных и опасных, чем исходные, возникает необходимость совершенствования технологии очистки выбросов табачной фабрики.

Хромато-масс-спектрометрические исследования выбросов производства растворимого кофе на пищевом предприятии «Русский продукт» (г. Москва), характеризующегося многочисленными жалобами населения, проживающего вблизи этого предприятия, на присутствие запаха, выявили более 30 химических веществ. Среди них были обнаружены азотсодержащие соединения, в том числе кофеин, а также фурановые углеводороды.

Сравнительная оценка качественно-количественного химического состава выбросов в результате применения новой очистной технологии показала, с одной стороны, существенное снижение уровней содержания общего группового состава загрязняющих веществ в выбросах и уменьшение концентрации одного из основных компонентов выбросов – кофеина – почти в 50 раз, а с другой стороны, выявлено образование целого ряда продуктов трансформации. Среди них оказались ненормированные вещества – 2-этилгексаналь, 4-метоксифенол, 2,3,4,5-тетрагидропиразин, бутилпиразин, 4-пиридинамин, нафталин. Более 90% веществ, идентифицированных в выбросах после применения очистной технологии, не имели гигиенических нормативов, из чего следует необходимость совершенствования используемой технологии очистки, ориентированного на снижение концентраций или ликвидацию образующихся продуктов трансформации.

Трансформация компонентов свалочного газа на полигоне твердых бытовых отходов при использовании новой технологии очистки.

Полигоны и свалки твердых бытовых отходов (ТБО) представляют серьезную опасность для благополучия окружающей среды и здоровья человека. При создании, эксплуатации и ликвидации полигонов ТБО необходимо решить целый комплекс экологических проблем. С этой целью на территориях полигонов ТБО осуществляются различные варианты оздоровительных мероприятий, при этом не всегда учитывается потенциальная способность химических веществ к нежелательным трансформациям.

Так, например, на полигоне ТБО «Тимохово» с целью повышения химической безопасности была применена новая технология очистки и обезвреживания свалочного газа [ 34].

На рисунке 1 представлен групповой состав компонентов свалочного газа на полигоне ТБО при эксплуатации очистной установки. Применение новой системы очистки свалочного газа позволило снизить от 63 до 2200 раз кратность суммарной концентрации загрязняющих веществ и уменьшить концентрацию углеводородов (включая предельные и ароматические соединения), а также количество спиртов, кислородсодержащих и серосодержащих соединений. Кроме того, удалось полностью очистить выбросы от дурнопахнущих меркаптанов, сульфидов, ди- и трисульфидов, нафтеновых и терпеновых углеводородов и хлорсодержащих соединений. В целом, количество загрязняющих соединений уменьшилось более, чем в два раза.

Однако анализы зарегистрировали на выходе из системы очистки соединения, которые не входили в состав исходной смеси, а образовались в результате реакций трансформации в процессе сжигания углеводородов. Среди новых соединений были выявлены: серо- и хлорсодержащее соединение (метилсульфохлорид), а также стирол, 1-бутанол, фенол, альдегиды (гексаналь, нонаналь, безальдегид, бензацетальдегид), ацетофенон и карбоновые кислоты (уксусная, пропионовая, бутановая, гексановая, октановая, бензойная), фталевый ангидрид, диизобутилфталат, диоксан, 4-метил-2,3-дигидропиран и азотсодержащие соединения (ацет онитрил и оксимбензальдегида). Идентификация и количественная оценка химического состава выбросов, полученных при использовании новой системы очистки с помощью хромато-масс-спектрометрических исследований, позволили провести мониторинг выбросов и определить реальное содержание химических веществ и оценить изменение группового и компонентного состава под влиянием физико-химического воздействия новой технологии.

На основе полученных результатов были разработаны рекомендации по совершенствованию установки очистки выходящих газов с учетом решения возникших экологических проблем.

ТРАНСФОРМАЦИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ

Технологии хлорирования  и озонирования воды для её обеззараживания в  процессе водоподготовки не безупречны  с  экологической  точки  зрения. В результате  трансформации загрязняющих химических веществ во время такой водоподготовки происходит образование токсичных  и  опасных  для  здоровья...

А. Г. Малышева, С. М. Юдин

Трансформация химических веществ в окружающей среде как неучтенный фактор опасности для здоровья населения».

Журнал «Химическая безопасность». Том 3, № 2, декабрь 2019