Лекция №4

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ НАГРУЗОК.

 

1. Санитарно-гигиенические принципы нормирования токсических воздействий.

 

Санитарно-гигиеническое нормирование предполагает, прежде всего, установление граничных значений воздей­ствий со стороны окружающей среды на организм. Один из центральных моментов - обоснование критических зна­чений токсических воздействий.

Разработка нормативов ПДК, безусловно, имеет опре­деленную специфику для различных сред, длительности воздействия веществ и других факторов. Однако в целом используются следующие общие принципы:

- в основу положен только биологический принцип (в случае санитарно-гигиенических значений ПДК - воз­действие на человека);

- используются экспериментальные и натурные иссле­дования, результаты которых гармонизируются;

- в основу положена трехкоординатная система «доза-время-эффект» с нахождением вероятностных количе­ственных порогов вредного действия;

- из всего комплекса первичных, вторичных и опосредо­ванных эффектов выделяется лимитирующий;

- нормирование осуществляется с учетом предполага­емой физиологической адаптации человека;

- принцип пороговости действия: как основа гигиени­ческого нормирования устанавливается минимальная кон­центрация вредного вещества, вызывающая интоксикацию организма;

- принцип приемлемого риска: используется в беспороговой модели для оценки мутагенного и канцерогенного действия с отдаленными последствиями, при отсутствии экспериментальных данных, подтверждающих количествен­ную связь между силой действия и эффектом. Чаще исполь­зуется для оценки угрозы в аварийных ситуациях.

Отметим, что существуют ПДК веществ в средах для разных условий: общесанитарные ПДК веществ в атмо­сфере (максимально разовые и среднесуточные), ПДК рабо­чей зоны. Все они разработаны для различных «режимов воздействия» веществ на организм (продолжительность, интенсивность, периодичность) и поэтому могут отличаться между собой довольно существенно даже для одного и того же вещества. Более подробно эти граничные значения рас­сматриваются в соответствующих разделах. Однако особую важность приобретает норматив ПДК веществ в рабочей зоне (ПДК_рз), поскольку большую часть времени люди контакти­руют с опасными веществами в пределах производственных помещений.

ПДК_р.з - это концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны в мг/м³, которая не должна вызывать у рабо­тающих (при ежедневном вдыхании в течение 8 ч и не более 40 ч в неделю за все время рабочего стажа) каких-либо забо­леваний или отклонений от нормального состояния здоро­вья. Такие отклонения могут быть зафиксированы совре­менными методами исследования непосредственно во время работы или в отдаленные сроки. Под рабочей зоной пони­мается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой находятся работающие.

Воздействие поллютантов на организм человека может быть как прямым (непосредственное проникновение или контакт с организмом), так и косвенным.

Существуют следующие способы проникновения вредных веществ в организм:

1. Перорально – через желудочно-кишечный тракт с пищей и водой - основной путь для твердых и жидких веществ.

2. Ингаляционно – через дыхательные органы – основной путь для газообразных и твердых веществ.

3. Перкутанно – через кожу, в основном через сальные железы, устья протоков потовых желез, через волосяные фолликулы – основной пусть для жидких веществ.

Степенью токсичности вещества называется его абсо­лютное количество или доза, вызывающие определенный биологический эффект или патологические изменения. Под уровнем дозы понимается доза, вводимая за единицу вре­мени. В случае, когда неблагоприятный эффект воздействия вредного вещества проявляется в форме гибели или функ­циональных изменений организма, для оценки используют понятие «летальная доза».

Если действие вещества приводит к функциональным изменениям, то рассматривают понятия «действующие дозы» и «концентрации». К ним относятся:

Ø пороговая доза (порог однократного действия) - наи­меньшее количество вещества, вызывающее при однократ­ном воздействии такие изменения в организме, которые обнаруживаются с помощью биохимических или физиоло­гических тестов в отсутствие внешних признаков отравле­ния;

Ø недействующая доза - максимальное количество вещества, не приводящее к каким-либо изменениям в орга­низме;

Ø токсическая несмертельная доза (ЕД) вызывает види­мые проявления отравления без летального исхода;

Ø токсическая смертельная (летальная) доза (ЛД) или концентрация (ЛК) вызывает отравления, заканчивающиеся гибелью организма.

ЛД₅₀ - полулеталъная доза: экспериментально устанав­ливаемое значение дозы вещества, при котором погибает половина членов испытуемой группы; один из наиболее широко применяемых показателей опасности ядовитых и умеренно токсичных веществ. Обычно указывают в еди­ницах массы вещества на единицу массы испытуемого субъ­екта. Предполагается, что в ходе эксперимента исследуемый объект находится в типичном состоянии, в нормальных условиях, без приема антидотов и других специальных мер предосторожности.

Характеристики эти для разных биологиче­ских видов серьезно различаются, в связи с чем весьма ответственным моментом является перенос резуль­татов опытов на лабораторных животных для установления допустимых нагрузок на организм человека.

Большое значение при установлении предельных кон­центраций и доз имеет не только собственно количество веществ, но и время, в течение которого вещество контакти­рует с организмом. Традиционно рассматривают:

·        кратковременное однократное воздействие вещества, приводящее к острым отравлениям;

·        систематическое (и длительное) воздействие доз вредного вещества, которые при однократном поступлении в организм не вызывают отравления - хроническое отрав­ление.

В связи с этим рассматривается два значения пороговых концентраций: для однократного (С_{мин остр}) и хронического (С_{мин хрон}) воздействий.

Различают две формы кумуляции, имеющие большое значение при экологическом нормировании, которые могут развиваться одновременно. Материальная - сопровождается накоплением токсикантов в организмах или в экосистеме в целом (поступление больше, чем выведение вещества). Она характерна для веществ, которые медленно метаболизируются и недостаточно полно выводятся из организма, поэтому при повторных введениях, если интервалы между ними недостаточно продолжительны, в организме постепенно нарастает их концентрация. Это сопровождается усилением их эффекта и может приводить к развитию интоксикации. Функциональная кумуляция - это накопление эффекта от вредного воздействия; опасность данного вида кумуляции не в количестве накопившегося вещества, а в общем уменьшении защитных свойств организма или системы, нарушении (вплоть до прекращения) функций органов и систем организма.

Подпороговая концентрация - максимальная доза раздражающего агента, не вызывающая при хроническом воздействии патологических изменений в организме подопытных животных. Экспериментально полученные подпороговые концентрации вредных веществ делят на коэффициент концентрации для человека и получают таким образом ПДК для пищевых продуктов, рассчитанных на организм человека. Допустимому остаточному содержанию вредных веществ в сырье и пищевых продуктах при гигиеническом нор­мировании уделяется особое внимание.

 

 

2. Методы оценки опасности веществ.

 

Для нормирования чаще всего применяются критерии оценки пестицидов. Пестициды по своим токсическим свойствам, химической стойкости, от которой зависит загрязнение компонентов окружающей среды, значительно различаются между собой даже в преде­лах одного класса. Они имеют разное сопротивление к раз­рушению за счет воздействия внешних факторов и подраз­деляются на нестойкие (сохраняются в окружающей среде 1-12 недель); вещества средней стойкости (1-18 месяцев); и стойкие (более 2 лет).

Выделяются следующие пути поступления пестицидов в организм человека (короткие и длинные):

почва - человек;

почва - атмосфера - человек;

почва - подземные воды - человек;

почва - водоем - человек;

почва - растительные продукты - человек;

почва - растительные продукты - животные - человек.

Расчеты на примере многих пестицидов, которых в насто­ящее время насчитывается более 10 тыс. видов показали, что установленные ранее значения нормативов агрохимикатов в отдельных средах на поря­док и более превышает допустимую суточную дозу (ДСД). В связи с этим была предложена схема комплексного гигие­нического нормирования пестицидов взамен существовав­шего. ДСД представляет собой максимально безвредную суточ­ную дозу пестицида для человека, которая не вызывает каких-либо неблагоприятных воздействий на организм при ежедневном поступлении на протяжении всей жизни дан­ного и последующих поколений.

Опасность анализируемых факторов для человека наи­более полно может быть установлена на основе эпидемио­логических исследований, характеризующих зависимость «доза - время - эффект». Для оценок норм содержаний пестицидов с этих позиций был проверен критерий ДСД. Проведенные исследования показали, что при использо­вании ряда пестицидов выявлены достоверные изменения в структуре заболеваемости с временной утратой трудо­способности. У работниц теплиц по сравнению с лицами контрольной группы была отмечена повышенная частота заболеваний центральной нервной системы, патологий сердечно-сосудистой системы, пищеварительной системы и ряда других болезней.

Анализ многопараметрических закономерностей «доза - время - эффект» в системе «окружающая среда - организм» показывает, что оценка негативного действия химических веществ по отдельным критериям (степень загрязнения воз­духа рабочей зоны, пищевых продуктов, воды и т.п.) характе­ризует лишь отдельные патогенные факторы и не позволяет прогнозировать весь комплекс негативных последствии для организма вследствие их совместного действия. В качестве выхода разработчиками предлагается системный подход, основанный на анализе данных обо всех источниках поступ­ления пестицидов в организм и сопоставлении их концент­раций с ДСД.

Разработка ДСД проходит в два этапа:

1.     на базе использования комплекса принятых токсико­логических тестов устанавливают пороговую и подпороговую дозы заданного пестицида;

2.     определяют коэффициент запаса при переходе от поро­говых или подпороговых доз к ДСД.

Коэффициент запаса может рассчитываться в зависимо­сти от величины токсикометрических показателей, большое внимание при этом придается учету отдаленных послед­ствий и оценке поведения вещества в объектах окружа­ющей среды.

 

 

3. Классификации веществ по степени опасности.

 

В зависимости от степени влияния вредных веществ на живые организмы их принято разделять на классы опас­ности. При этом одно и то же вещество при нахождении в разных средах может быть отнесено к разным классам. Это связано с тем, что в разных вмещающих средах (атмосфер­ный воздух, вода, почвы, продукты питания) механизмы воз­действия этих веществ на организм и характер проявления ими их свойств неодинаковы.

Классификация веществ приводится в ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности», согласно которому выделены:

1-й класс - вещества чрезвычайно опасные;

2-й класс - вещества высокоопасные;

3-й класс - вещества умеренно опасные;

4-й класс - вещества малоопасные.

В современных условиях производств многие профессио­нальные группы людей контактируют с широким спектром веществ, которые имеют различную токсичность и пути поступления в организм. Существуют различные подходы к оценке их токсичности. Так, например, в медицинской экологии все вещества, поражающие организм, объединены в пять групп: 1) вещества раздражающего типа; 2) нейротропные; 3) гепатроиные; 4) яды крови; 5) почечные яды.

 

 

Лекция №5

 

МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ К ТЕХНОГЕННЫМ НАГРУЗКАМ.

 

1. Устойчивость природных систем и ее оценка.

 

Экосистемные принципы нормирования вредных воздей­ствий на элементы природной среды - важнейшая часть тео­ретической базы управления состоянием природных ресур­сов. Механизмы нормирования - лимитирование на основе принципов пороговости действия и приемлемого риска, лицензирование, сертификация, паспортизация и другие административно-управленческие подходы.

Методологические подходы к нормированию вредных воздействий должны быть основаны на таком общесистем­ном свойстве, как устойчивость, под которой понимают способность систем возвращаться в состояние равновесия после их выведения из этого состояния под влиянием внеш­них (или в системах с активными элементами - внутрен­них) возмущающих воздействий. Эта способность обычно присуща системам с постоянным значением выход­ных результатов (параметров), когда их отклонения не пре­вышают некоторых пределов, или запаса устойчивости.

Рассмотрим это понятие на примере. Тепло и влага в гео­системах распределяются относительно их оптимального соотношения в двух формах:

- избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности и

- недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности.

Если испаряемость меньше, чем коли­чество влаги, поступающей на деятельную поверхность, создаются естественные условия накопления воды в почвах и породах, а также на поверхности водосборов. Если же испа­ряемость преобладает над количеством атмосферных осад­ков, в элементах водосборов формируется дефицит влаги. В первом случае избытку влаги обязательно сопутствует недостаток тепла, во втором - недостатку влаги - избыток тепла. На границе этих двух противоположностей существуют условия равновесия между избыточным и недостаточным увлажнением, а также избыточной и недостаточной тепло обеспеченностью. 

Понятие устойчивости определяется как условиями ста­тики (равновесия), так и динамикой направленных изменений тепла и влаги на пространственно-временной последователь­ности переменных состояний водной геосистемы. Именно изу­чение динамики этих соотношений наиболее информативно с точки зрения определения траектории поведения систем.

Кроме устойчивости отдельных компонентов природных и природно-техногенных систем принято различать есте­ственную устойчивость и устойчивость, сформированную в условиях воздействия техногенеза.

Поиск пределов запаса устойчивости систем в условиях техногенеза методически развивается в двух направлениях.

К первому относится направление, основанное на мето­дах нормирования отдельных показателей природных (при­родно-техногенных) систем с их последующим суммирова­нием по балльной системе относительно некоторых эталонов (например, оценка защищенности или уязвимости подзем­ных вод).

Второе направление базируется на построении математи­ческих моделей, отражающих сами механизмы существова­ния устойчивости. На основе этих моделей могут быть полу­чены критические значения параметров устойчивости систем в эмпирическом выражении, при достижении которых она теряет это важнейшее свойство. По отношению к этим крити­ческим значениям определяется вариант развития системы.

Таким образом, оценка устойчивости природных систем не сводится к учету только одного какого-либо свойства, она получается как результат учета (перебора) многих свойств системы, характеризующихся большим набором параметров на определенном интервале времени. Поэтому при проведе­нии оценок устойчивости необходимо проводить обоснова­ние выбираемых критериев оценки (параметров).

В системном анализе принято выделять три вида устой­чивости:

1)    инертную (резистентную) - способность системы сохранять свое состояние при внешнем воздействии в тече­ние некоторого периода времени;

2)    пластичную - способность переходить из одного состояния равновесия в другое, сохраняя свои внутренние связи;

3)    восстанавливаемую (упругую) - способность возвра­щаться в исходное состояние после внешнего воздействия.

Оценка устойчивости геосистемы может быть дана с точ­ки зрения ее энергетики. Геосистема считается устойчивой, если она обладает своего рода внутренней энергией, способ­ной производить работу, направленную против изменения состояния природной среды (действия внешних факторов).

Сложности учета разнообразных видов устойчивости реальной экосистемы связаны с тем, что различные ее эле­менты (подсистемы) используют различные механизмы для обеспечения устойчивости:

—                  устойчивость геосистем обеспечивается разбавлением, обменной и необменной сорбцией, миграцией веществ, что в целом характеризует механизм регенерационной устойчи­вости;

—                  биота сохраняет устойчивость путем адаптации орга­низмов к антропогенным воздействиям вследствие внутрен­ней резистентности биохимической организации, разложе­ния новообразований в результате обмена веществ и т.п., это сущность механизма адаптационной устойчивости.

В практике экологического нормирования чаще исполь­зуется адаптационная составляющая устойчивости для получения количественных оценок уровня устойчивости конкретных природных систем. При этом в основу разра­ботки нормативов положена математическая теория устой­чивости.

А. Согласно теории устойчивости по А. М. Ляпунову, устойчивой считается экосистема, которая может довольно длительное, время существовать и развиваться при разру­шающих внешних воздействиях без ущерба для основных ее элементов (например, без вымирания и деградации био­логических видов).

Б. Устойчивость по Ж. Лагранжу предполагает, что при внешних воздействиях экосистема способна развиваться в границах, определяющих зону «нормальных» значений ее состояний.

Количественную оценку устойчивости экосистемы мож­но получить определением индекса устойчивости.

Анализ устойчивости конкретных экосистем на практике применяется для нормирования нагрузок на них с тем, чтобы система была способна оставаться в пределах «нормы». При этом используют следующие подходы:

Анализ зависимости «доза-эффект», связывающей антропогенную нагрузку как входной параметр экосистемы с ее состоянием - выходным параметром. В частности, используется подход, основанный на понятии критической точки этой зависимости. При выходе нагрузки на критиче­скую точку экосистема переходит в область новых качествен­ных состояний. С математической точки зрения за пределами этой точки негативные изменения состояния экосистемы будут происходить значительно быстрее, чем до нее.

Модификация представленного подхода - способ опре­деления предельной нагрузки как максимально недейству­ющей: определяется такая величина нагрузки, при которой функция состояния системы не проявит заметной реакции на воздействие (эффект нового). Предполагается, что функ­ция «эффекта» имеет пороговый характер по отношению к воздействию («дозе»).

В другой группе методов полагается, что нормативы состояния системы определяются границами есте­ственной флуктуации ее параметров, предельно допусти­мая нагрузка не должна выводить экосистему за их уровни. Так, допустимый уровень воздействия не должен вызывать роста доли естественно гибнущих видов живых организмов.

Модификация этого направления - подход, предпола­гающий возможность изменения параметров экосистемы на допустимую величину. Предельно допустимая нагрузка определяется исходя из ограничения: возможное сниже­ние продуктивности экосистемы не должно превышать 20%. Этот норматив положен в основу зонирования терри­торий с точки зрения их экологического неблагополучия, хотя общеизвестное правило 10% гласит, что необра­тимые изменения в экосистеме наступают уже при 10%-ном отклонении от траектории ее развития. Однако из практики известны примеры, когда экосистемы способны дегради­ровать при отклонении от траектории даже на 1%. В то же время запас устойчивости для других экосистем (и по отно­шению к другим факторам) может составлять и 60%.

В большинстве исследований предлагается весь спектр возможных состояний экосистемы (от идеального до полно­стью разрушенного) разделить на четыре зоны - нормы (Н), риска (Р), кризиса (К) и бедствия (Б):

—                  зона экологической нормы: территории, способные выдержать существующую (и, может быть, дополнитель­ную) экологическую нагрузку без снижения уровня эко­логического качества, деятельность объектов на которых осуществляется без существенного увеличения рисков эко­номических потерь;

—                  зона экологического риска: территории с нарушением экологического качества, при котором возврат в устойчивое состояние возможен, но при условии либо снижения уровня антропогенного воздействия, либо проведения комплекса восстановительных мероприятий. Риск получения ущер­бов при деятельности на таких территориях существенно увеличивается, если не предпринимаются меры по защите от неблагоприятных воздействий, обусловленных сниже­нием качества окружающей среды;

—                  зона экологического кризиса: территории, разрушения в которых могут быть устранены только при полном прекра­щении антропогенной нагрузки и проведении необходимого комплекса восстановительных работ. Иными словами, пред­принимаемые меры по снижению риска оказываются недо­статочными для избежания рисков экономических потерь;

—                  зона экологического бедствия: территории с практиче­ски необратимыми нарушениями экосистем. Экономические ущербы при деятельности на таких территориях неизбежны при любых защитных мероприятиях.

Границы этих зон устанавливаются с учетом выбран­ной системы показателей уровня качества экологического состояния территории. Так, при использовании показателя доли деградированной площади зону Н определяют терри­тории с долей деградированных площадей менее 5%, зону Р - в пределах 5-20%, зону К – 20-50% и зону Б - свыше 50%.

Подчеркнем, что установленные градации во многом условны, и для реальных экосистем такое грубое деление не всегда оправдано. В настоящее время разработаны более обоснованные методы, позволяющие давать интегральную характеристику состояния территорий. В частности, это подход, предполагающий выделение поясов экологической безопасности для хозяйственных объектов на основе данных экологического мониторинга с обоснованием оптимальных методов управления природопользованием для выделенных зон.

 

2. Критерии деградации наземных экосистем.

 

Степень деградации экосистемы оценивается по крите­риям, которые определяют негативные изменения в струк­туре и функционировании экосистем и учитывают их про­странственную дифференциацию по степени нарушенности, а также динамику процессов деградации.

Системные критерии состояния природной среды подраз­деляют:

—                  на ландшафтные: вытекают из методологии ландшафт­ного планирования, основаны на представлениях о естествен­ной емкости ландшафта по отношению к нагрузкам, структур­ной сложности и нормах нарушенности (соотношения между измененными и ненарушенными урочищами и другими эле­ментами ландшафта). При оценках состояния степень пре­образования ландшафта, деградации ландшафтных единиц, ресурсно-сырьевая нагрузка и распределение загрязнений приводятся в процентах от площади или по структурным ком­понентам, предпочтительно в виде картосхем;

—                  экосистемные: показатели нарушенности сукцессионного процесса, которые отражают нарушения в закономер­ных изменениях видового разнообразия, спектра жизненных форм, биомассы, продуктивности, накопления отмершей орга­ники, деструкционной активности, биогенного круговорота. При наступлении кризисной ситуации возможны снятие климаксной фазы, девиация (отклонение) вплоть до переключе­ния на иную последовательность или ретроградное развитие.

Видовое разнообразие наиболее эффективно оценивается с помощью индексов, которые характеризуют выравненность встречаемости вида.

При оценках и прогнозировании состояния экосистем с точки зрения их устойчивости весьма важным является представление о лимитирующих факторах. Они ограничи­вают возможности существования экосистемы, несмотря на то что другие характеристики других факторов могут оставаться весьма благополучными.

В роли лимитирующих могут выступать факторы, присут­ствующие не только в минимальных, но и в максимальных количествах (закон толерантности В. Шелфорда). Диапа­зон между минимумом и максимумом определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фак­тору. В роли лимитирующих факторов для экоси­стем наиболее часто выступают температура, свет, наличие биогенных веществ, течения и давление в среде, пожары.

Оценка экологического состояния территории должна проводиться с учетом:

—                  площади проявления негативных изменений, посколь­ку при равной степени деградации участка территории воз­можность восстановления обратно пропорциональна его пло­щади;

—                  пространственной неоднородности распределения участков разной степени деградации на исследуемой терри­тории;

—                  изменения показателей в разных природно-климатиче­ских зонах.

Скорость деградации экосистем рекомендуется рассчи­тывать по 5-10-летним рядам наблюдений. Для про­гноза ухудшения экологической обстановки и проведения мероприятий по ее стабилизации и улучшению необходимо оценивать направленность и скорость деградации экосистем при напряженной экологической ситуации.

Таким образом, оценка устойчивости экосистем прово­дится на основе пространственных и временных (динамиче­ских) признаков с выделением ряда дополнительных показа­телей, которые иногда имеют больший отклик на изменения экосистем в зависимости от видов воздействий. На основа­нии обобщения результатов полевых исследований выяв­лено, что надежными индикаторами устойчивости или дег­радации земель являются:

·        основные характеристики растительности (общей, подземной, мертвой и живой надземной биомассы, проек­тивного покрытия);

·        морфологические характеристики (мощность органо­генного слоя);

·        агрохимические характеристики (содержание гумуса, фосфора, калия);

·        водно-физические характеристики (полная, капилляр­ная и молекулярная емкость запасов доступной влаги);

·        теплофизические характеристики;

·        устойчивость и деградированность почвенно-расти­тельного покрова;

·        динамика основных характеристик биопродуктивно­сти почвенно-растительного покрова в процессе его самовос­становления;

·        противоэрозионная устойчивость.