Химия и состояние окружающей среды
Введение.
Ежегодно, американцы вываливают миллионы тонн пластиков в окружающую среду, значительная часть этих отходов низвергается прямо в океан. Действительно, 9 млн. тонн твердых отходов промышленности США ежегодно уходит непосредственно в море. Одним только коммерческие суда выбрасывают за борт 6,6млн. тонн мусора в год. Этим мусором можно было бы завалить 440000 классных комнат.
Вопреки общему мнению пластиковые отходы, в конце концов, разрушаются, но происходит это медленно - иногда для этого требуется до 50 лет. За такое время может скопиться масса мусора. Особенно чувствительны к пластиковому мусору морские экосистемы: он не тонет, и обитатели морей по ошибке принимают его за медуз, яйца и другие лакомства или запутываются в нем, ведь 150000т. отходов - это выбрасываемые в океан рыболовные снасти. Дело принимает особенно неприятный оборот в арктических районах, где мусор только накапливается, но не разрушается - этому препятствует очень низкая температура.
Химики сделали значительный шаг в решении этой серьезной проблемы. Выход из бедственного положения был найден в создании пластиков с особой структурой. Пластики - это полимерные материалы, получаемые из продуктов переработки нефти. Они состоят из длинных цепей, построенных из повторяющихся молекулярных группировок. Химики нашли способ изменять полимерные молекулы так, чтобы их свойства больше соответствовали гигиене окружающей среды. Одним из них - химическое присоединение светочувствительных молекулярных групп к макромолекулярным цепям через правильные интервалы. Когда пластик, изготовленный из такого полимера, подвергается действиюсолнечного света, светочувствительные группы поглощают излучение, что приводит к расщеплению полимера в местах их присоединения. Остальное - дело природы. Образующиеся небольшие фрагменты легко подвергаются биоразложению. Другой способ подчинить свойства пластика требованиям гигиены природы - ввести в них молекулярные группировки, считающиеся деликатесом у некоторых микроорганизмов. Микроскопические чревоугодники берут в этом случае на себя труд расщепления длинных молекул на короткие кусочки. Находки такого рода, можно надеяться, приведут к тому, что проблема пластиковых отходов начнет постепенно отступать и, в конце концов, уйдет в прошлое.
Любое общество старается обеспечить себя достаточным количеством пропитания, жильем и здоровой окружающей средой. Когда эти элементарные требования выполнены, можно подумать и о комфорте. Сегодня наше стремление к увеличению количества товаров, энергии и большей обеспеченности средствами передвижения пришло в столкновение со стремлением сохранить здоровую окружающую среду. Нашей главной заботой стала защита окружающей среды в условиях роста численности населения, его продолжающегося концентрирования (урбанизации) и повышения жизненного стандарта.
Ухудшение состояния окружающей среды и, как следствие, угроза здоровью и состоянию экосистемы - явление не новое. Нарушения в окружающей среде, вызванные деятельностью человека, прослеживаются с древнейших времен. Проблема нечистот возникла одновременно с появлением городов. Задолго до двадцатого столетия лондонский воздух был загрязнен дымом очагов и каминов. Ранним проявлением проблем индустриальной гигиены была малая продолжительность жизни трубочистов из-за подверженности их раковым заболеваниям, что теперь мы можем объяснить длительным воздействием сажи, содержащей следы канцерогенов (многоядерных ароматических углеводородов).
Однако то, что загрязнение окружающей среды не есть новейшее изобретение, - слабое утешение. Проблемы загрязнения дают о себе знать все более явственно, и мы научились распознавать трудноуловимые взаимодействия в окружающем мире и обнаруживать вторичные эффекты, которые прежде оставались незамеченными. Некоторые нарушения окружающей среды принимают глобальный характер. Трагедия в Бхопале предельно ярко высвечивает существующую дилемму. Эта трагедия произошла в стране, страдающей от голода. Токсичные вещества применялись для производства продуктов питания, ежегодно спасавших многие тысячи людей от голодной смерти.
Однако следует заметить, что человечество по-настоящему озабочено важностью сохранения здоровой окружающей средой, и это обнадеживает. Громадное большинство граждан США всех политических направлений заявляют о готовности платить более высокие цены за продукты (такие, как не содержащий свинца бензин) и более высокие подоходные налоги ради оздоровления окружающей среды. Такие же тенденции наблюдаются и повсеместно - за пределами США.
Выработка эффективной стратегии защиты окружающей среды требует информированности и знаний. Мы должны уметь ответить на следующие вопросы:
1. Какие потенциально опасные вещества содержаться в воздухе, воде, почве и пище?
2. Чем вызвано их появление?
3. Как можно решить проблему - полностью или хотя бы отчасти (использование альтернативных продуктов, процессов)?
4. Как зависит степень опасности от длительности воздействия данного вещества? Как следует подходить к выбору одного из вариантов, обещающих положительный эффект?
Ясно, что на химиков ложиться главная ответственность за правильность ответов на три первых решающих вопроса. Чтобы определить, какие вещества присутствуют в окружающей среде, аналитики должны разрабатывать все более и более чувствительные и селективные методы. Обнаружение источников может потребовать проникновения в детали процессов, которые ведут от исходного загрязнения к конечным вредным или токсичным продуктам. Если для удовлетворения энергетических нужд приходится довольствоваться более низкосортным топливом, то какие катализаторы и какие новые процессы следует разработать, чтобы не усугубить проблемы кислотных дождей и канцерогенных выбросов работающих на угле электростанций.
Четвертый вопрос - о допустимой длительности воздействия вредного вещества - принадлежит компетенции медицины, токсикологии и эпидемиологии. Теперь, когда общество осознало, что существует обратная связь между степенью понижения риска и затратами на ее достижение, перед этими дисциплинами встают серьезные проблемы. Медики должны уточнить данные о степени риска, обусловленного присутствием, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах. Необходимо научиться взвешивать риск и издержки, связанные с присутствием этих соединений, положив на другую чашу весов блага, которые мы теряем, ограничивая их использование. И что более важно, мы не можем позволить себе роскошь стремиться любой ценой устранить вероятность риска вообще, поскольку по мере приближения уровня риска к нулю цена устремляется к бесконечности.
Наконец, выбор вариантов решения проблемы должен принадлежать обществу. Химики и специалисты в других областях, связанных с экологией, несут особую и весьма серьезную ответственность за информированность на самой квалифицированной и объективной научной экспертизе. Долг ученых - ознакомить общество, средства массовой информации и правительство с реальной картиной, причем на языке, свободном от профессионального жаргона. Ученые должны дать научное обоснование предлагаемого решения и указать, чтонас ждет впереди.
От обнаружения к защите.
Все стратегии защиты окружающей среды должны основываться на знании действительных пороговых значений опасных концентраций и нашей способнос¬ти обнаружить нежелательный компонент задолго до того, как его концентра¬ция достигает такого значения. В ряде случаев обнаружение может быть эквива¬лентно защите.
К сожалению, средства информации, общество и правительственные учреждения слишком часто ставят знак равенства между обнаружением и опасностью. Такая реакция основана на общем заблуждении, что вещество, обладающее выраженной токсичностью при некоторой определенной концентрации, токсично всегда. Существует множество примеров, показывающих, что это не так. Вспомните моноксид углерода. Этот обычный компонент атмосферы становит¬ся опасным при концентрациях, превышающих 1000 млн. долей. Считается, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превыша¬ющих 10 млн. долей, отрицательно сказывается на здоровье. Тем не менее, мы не настаиваем на полном устранении СО из атмосферы! Это было бы глупо (да и невозможно!), поскольку мы живем - и не плохо - в среде, всегда содер¬жащей легко обнаружимые количества СО, порядка 1 млн. доли.
Другой интересный пример - селен. Некоторые растения, растущие на относительно богатых селеном почвах, имеют тенденцию накапливать этот элемент в таких количествах, которые приводят к отравлению жвачных животных. К числу указанных растений относятся астрагал (Astragalus). Пшеница также мо¬жет накапливать селен, и хотя на людях это сколько-нибудь заметно не сказыва¬ется, куры, которых кормили ею, дают ненормальное потомство. В то же время сейчас известно, что селен - жизненно важный компонент пищи крыс, цыплят и свиней. Более того, селен в определенных концентрациях является природным антиканцерогенном; он входит в состав глутатион-пероксидазы - фермента, раз¬рушающего вредные гидропероксиды. В Китае в популяциях людей с низким содержанием селена в крови наблюдаются следующие отклонения от нормы: дети часто страдают множественным миокардитом (болезнь Кишана), высока смертность взрослых от рака, особенно распространен рак печени. Очевидно, что селен, является необходимым для человека и животных элементом при одних концентрациях и токсичным при других. Ежедневная норма потребления селена для взрослых, рекомендуемая Национальным советом по здравоохранению, со¬ставляет 50 - 100 мкг. Приведенный пример ясно показывает, что присутствие в окружа¬ющей среде следов вещества, которое может быть токсичным при высоких концентрациях, еще не свидетельствует об опасности.
Некоторые люди усиленно добиваются ориентированного на нулевой риск подхода к защите окружающей среды. Нулевой риск означает достижение абсо¬лютной и полной гарантии от любой возможной опасности. В приведенном вы¬ше примере с моноксидом углерода - это полное, до последней молекулы, удаление его из атмосферы. Сейчас такое нереалистичное стремление к нулевому риску постепенно вытесняется менее примитивной философией, которая ставит действия, связанные с наличием риска, в зависимость от оценки его уровня. Что касается будущего, то наилучшим капиталовложением была бы организация долговременных изысканий в области фундаментальной науки об окружающей среде и работ по совершенствованию диагностических ме¬тодов. Это позволило бы избежать необходимости прибегать к дорогостоящим аварийным программам.
Повышение эффективности измерений, проводимых в окружающей среде, требует более совершенных инструментов. Проблема состоит в том, чтобы определять следы искомого соединения в сложной смеси, содержащей много без¬вредных веществ. Одним из примеров успеха, достигнутого в повышении селективности аналитических методов, может служить разработка методов разделения и количественного определения каждого из 22 изомеров тетрахлордиоксина в концентрациях поряд¬ка триллионных долей (т.е. 1:1012)!
Легко реагирующие соединения, присутствующие в атмосфере, нельзя доставить для анализа в лабораторию. Это порождает специфические сложности, связанные с необходимостью дистанционного обнаружения и определения содержания таких соединений в местах их образования. Примером успехов, до¬стигнутых в этой области исследований, может служить измерение концентра¬ций формальдегида и азотной кислоты в смоге над Лос-Анджелесом методом инфракрасной спектроскопии, позволившим регистрировать поглощение излуче¬ния на расстоянии одного километра. Благодаря этим экспериментам удалось установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при их одновременном присутствии в воздухе на уровне миллиардных долей.
Все более важным становится выяснение химического состояния компоне¬нтов окружающей среды, поскольку, как это теперь известно, и токсичность, и легкость перемещения существенно зависят от того, в какой химической форме находится данный загрязнитель. Испыта¬ния, проведенные на животных, показали, что один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее самого токсичного из всех осталь¬ных. Эти примеры говорят о важности аналитических методов, которые позво¬ляют не только установить концентрацию потенциального загрязнителя, но и идентифицировать химическую форму, в которой он присутствует. К числу мощных средств, используемых для решения этой проблемы, относятся элек¬трохимия, хроматография и масс-спектрометрия.
Борьба с кислотными дождями.
Кислотные дожди - одна из самых очевидных проблем загрязнения воздуха, стоящих перед нами. Кислые вещества и соединения, которые служат их источ¬ником, образуются при сжигании минеральных топлив в энергетических уста¬новках и на транспорте. Это главным образом кислоты - производные оксидов серы и азота. Существует ряд природных источников таких соединений: они об¬разуются во время грозы или извержения вулкана, в результате жизнедеятель¬ности бактерий, однако, исключая нечастые извержения, вклад этих источников невелик. Основными “поставщиками” оксидов углерода и азота являются авто¬мобильный транспорт, электростанции и всякого рода плавильные печи.
Влияние кислотных дождей наиболее ощутимо и известно широкой публике в Европе и на северо-востоке США, но зоны риска включают также Канаду и, возможно, калифорнийскую Сьерру, Скалистые горы и Китай. В некоторых ме¬стах наблюдалось выпадение осадков, приближающихся по кислотности к сто¬ловому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных дождей продолжают оставаться предметом дискуссий. Первоначально внимание фокусировалось на вреде, приносимом озерным и речным экосистемам, однако в дальнейшем стали учитываться и такие дорогостоящие последствия, как порча зданий, мостов и оборудования. Труднее всего количественно оценить влияние загрязненного воз¬духа на здоровье человекам.
Наибольший урон наносится озерам, в которых вода обладает слабыми буферными свойствами. В присутствии природных щелочных буферов кислые соединения, приносимые дождем (большей частью серная и азотная кислоты, в меньших количествах органические кислоты), нейтрализуются. Однако озера, лежащие на гранитных (кислых) породах, весьма подвержены действию попада¬ющих в них кислот, способных переводить в раствор ионы таких металлов, как алюминий и марганец, что может повлечь подавление роста растений и водорос¬лей, а в некоторых озерах - сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Значительный ущерб наносят кислотные дожди и растительности, причем проявление их влияния может быть самым различным - от дефолиации до раз¬рушения тонкой корневой системы.
В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержа¬нием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязните¬лей, - это установка химических газоочистителей - устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, - это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.
Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосфер¬ные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.
Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержа¬щаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасыва¬ется из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вер¬нуться на землю за сотни миль вниз по ветру.
Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N02, а иногда и азотной кислоты, HNO3, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота - источников их поступления и мест выведения - содержат еще много неясного.
Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмос¬феры затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первосте¬пенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, - вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие.
Защита от климатических катастроф: парниковый эффект.
В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнеч¬ную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогноза¬ми говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопо¬ставим с эффектом накопления диоксида углерода.
Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут послед¬ствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль мета¬на, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом све¬сти на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в аркти¬ческих районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, - все это должно быть изучено и понято.
Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипоте¬за глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затем¬нить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в возду¬хе и влияния сажи на радиационный баланс.
В отличие от загрязнений местного характера проблемы глобальных загрязнителей создают тупиковые ситуации, поскольку их решение требует действий во всемирном масштабе, а граждане разных стран по-разному относятся к их приоритетности. В прошлом предпочтение, отдаваемое ископаемым или ядер¬ным топливам, диктовалось в первую очередь экономическими факторами, на¬пример наличием богатых запасов угля. Однако усиление глобальной угрозы окружающей среде, в частности в результате накопления углекислоты в атмос¬фере, которое ускоряется сжиганием угля, может вынудить нас пересмотреть плюсы и минусы ядерной энергетики. На приобретение фундаментальных зна¬ний, необходимых для разумного выбора, требуются годы. Мы должны стро¬ить этот фундамент, чтобы быть в состоянии взвешенно оценить реальную угрозу накопления углекислоты в атмосфере в свете имеющихся альтернатив. Эта оценка должна учитывать проблемы защиты окружающей среды и пробле¬му отходов ядерной энергетики.
Оценка риска.
Существует два вида токсичности. Один химический препарат может вызывать заболевание вскоре после своего воздействия – это острая токсичность. Другой препарат может оказывать нежелательное воздействие значительно позже, после продолжительного его использования – это хроническая токсичность. Например, остро токсичный газ фосген, Cl2CO, может случайно образоваться, если загорание электросети тушат огнетушителем с тетрахлоридом углерода. В концентрации 5 млн. долей фосген уже через несколько минут вызывает раздражение глаз, а концентрации выше 50 млн. долей могут оказаться смертельными. Напротив, бензол, С6Н6, обладает хронической токсичностью. Вдыхание паров бензола той же концентрации, 50 млн. долей, не дает немедленного эффекта, но при длительном (в течение многих месяцев или лет) ежедневном воздействии бензола может вызвать понижение числа красных кровяных телец (гемоглобина) и лейкоцитов в крови.
К сожалению, получить детальную информацию о токсичности нелегко. Наиболее точный способ – суровый способ – это подвергнуть достаточное число людей воздействию данного препарата, чтобы продемонстрировать его безопасность или установить дозу, при которой начинает обнаруживаться токсичность. Ясно, что сведения о хронической токсичности добыть труднее всего. Чтобы можно было извлечь из наблюдений необходимую статистическую информацию, воздействию исследуемого вещества должны быть подвергнуты в течение достаточно длительного времени очень большая группа людей. Проблемы такого рода принадлежат компетенции эпидемиологии.
Что такое эпидемиология.
Исторически эпидемиология развивалась как наука об эпидемиях, т.е. быстро распространяющихся заболеваниях. Однако сегодня эпидемиология используется и как статистический аппарат для обнаружения острой или хронической токсичности даже при весьма слабом воздействии на здоровье. Например, винилхлорид, СН2СНСl, известен как канцероген. Основанием для такого заключения послужило то, что, согласно статистическим данным, очень редкая форма рака печени, ангиосаркома, наблюдается главным образом у небольшого числа рабочих, которые продолжительное время подвергались воздействию высоких концентраций (сотни млн. долей) этого соединения. В этом случае удалось получить достоверное эпидемиологическое заключение относительно токсичности данного соединения и его весьма незначительной опасности для обычной публики.
Что является причиной чего?
К сожалению, результаты наблюдений можно неверно интерпретировать даже при наличии достаточного количества статистических данных. Так, статистические данные показывают, что рак толстой кишки гораздо более распространен в США, чем в Индии, и что американцы потребляют больше молочных продуктов, чем индийцы. Прежде чем сделать вывод, что молочные продукты вызывают рак, следует, однако, вспомнить, что рак толстой кишки распространен у пожилых людей и что средняя продолжительность жизни американцев гораздо выше, чем у жителей Индии. Таким образом, можно прийти и к противоположному выводу: потребление молочных продуктов позволяет прожить достаточно долго, чтобы начал проявляться (от других причин) рак толстой кишки. Эпидемиология может установить, что одно сопутствует друго¬му, но это не обязательно означает причинную связь между двумя явлениями. Эпидемиологи шутят, что снижение скорости роста населения в Западной Евро¬пе в 20 веке примерно соответствует скорости уменьшения в этом регионе популяции аистов, лишь немногие сделают отсюда вывод, что рождаемость уменьшилась потому, что для доставки детей не хватает аистов.
История с ДДТ.
Все началось в 1939г., когда швейцарский химик Пауль Мюллер в ходе систематических поисков новых инсектицидовсинтезировал дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Вначале на ДДТсмотрели, как на чудо: он исключительно эффективнодействует на самых разнообразных насекомых-вредителей и в отличие от широко использовавшихся в то время соединений свинца и мышьяка не проявляет острой токсичности по отношению к людям.
Выгоды.
США впервые широко применили ДДТ в 1944г. во время второй мировой войны в борьбе с распространившейся эпидемией тифа в воинских частях и среди гражданского населения в Италии. Тиф переносится нательными вшами, и чтобы уничтожить этих насекомых, тысячи людей были щедро, с ног до головы, осыпаны ДДТ. Эпидемия была остановлена, что предотвратило потери человеческих жизней, которые могли стать опустошительными.
После столь внушительного успеха решено было прибегнуть к ДДТ в борьбе с Anopheles – комаром-распространителем малярии. До использования ДДТ малярия уносила от 2 до 3 млн. жизней ежегодно, число же страдающих этой тяжелой болезнью было еще больше. В результате 10-летнего применения ДДДТ в ряде стран малярия перестала быть столь страшным бичом. В Индии число заболеваний сократилось с 75 млн. в 1952г. до 100 тыс. в 1964г., в СССР с 35 млн. в 1956г. до 13 тыс. в 1966г. За то же время в Шри-Ланке малярийная “дань” понизилась с 12 тыс. жизней до нуля! Всемирная организация здоровья и Организация объединенных наций относят на счет этого чудодейственного препарата спасение около 50 млн. жизней, отнятых у одной только малярии. За свою работу доктор Пауль Мюллер был удостоен в 1948г. Нобелевской премии в области медицины.
Риск.
К сожалению, история ДДТ на этом не кончается. В 1972г. Агентство по охране окружающей среды наложило запрет на использование ДДТ в США. Как удалось это сделать – особая история, и тоже история успеха, но на этот раз в борьбе за необходимость наблюдения за окружающей средой в ожидании появления побочного действия широко применяемых препаратов.
Уже в 1946г. ученые установили, что ДДТ накапливается в жировых тканях и остается там чрезвычайно долго. Животные и рыбы, так же как и человек, – это преимущественно водные системы. Транспорт и вывод веществ из организма осуществляется у них в водной среде. Но хлорсодержащие углеводороды типа ДДТ очень плохо растворяются в воде (порядка 2 млн. долей): они продолжительно растворяются и концентрируются в жировых тканях. Например, ДДТ легко переходит в жир материнского молока. Агентство должным образом отреагировало на эту тревожную информацию, установив предельно безопасную концентрацию ДДТ в коровьем молоке и других продуктах питания. Из осторожности сначала был принят нулевой уровень безопасности. Однако при “нулевом подходе” возникают свои проблемы. Образец молока можно признать безопасным, если ДДТ не обнаруживается в нем самыми чувствительными измерениями. Поэтому усовершенствования аналитических методов приводит к изменению смысла понятия безопасной концентрации. Нулевой предел всегда связывает уровень безопасности с методом обнаружения, а не с наиболее достоверной оценкой степени опасности. По этой и другим причинам нулевой предел оказался неудачным, и Агентство заменило его “приемлемым уровнем безопасности” в 0,05млн. доли.
С течением времени стало ясно, что попадание в окружающую среду, ДДТ разлагается там с большим трудом. Усовершенствованные методы обнаружения позволили установить, что через 10 лет исчезает лишь около 50% пестицида – вследствие разложения или уноса на другую территорию.
Наконец, накопились данные о концентрировании ДДТ по мере продвижения по лестнице потребления продуктов питания. После обработки вязов концентрация ДДТ в почве достигала 100 млн. долей, в земляных червях она составляла 140 млн. долей, а, в птицах, поедавших этих червей, превышала 400 млн. долей. Такая концентрация ДДТ оказалась явно пагубной для птиц, особенно более крупных, хищных птиц. По-видимому, ДДТ мешает их воспроизводству, вызывая опасное утоньшение яичной скорлупы. Некоторые виды птиц, например орлы и соколы-сапсаны, стали быстро исчезать, как только эта неприятность добавилась к другим посягательствам человека на их место обитание.
Максимальный уровень производства ДДТтолько в США достигал 156 млн. фунтов (в 1959г.). С самого начала ДДТ так широко применялся во всем мире, что не один участок земли не остался незатронутым. Его обнаруживают в жировых тканях жителей отдаленных районов Аляски, пингвинов и тюленей Антарктиды. К тому же некоторые насекомые и вредители приобрели, устойчивость к ДДТ за продолжительное время его использования, а некоторые полезные насекомые в отдельных местностях были уничтожены этим препаратом.
Уравнение риск/выгода.
История с ДДТ – наглядный пример сочетания риска и выгоды, Ясно, что сначала доминирует непосредственно ожидаемая выгода (в нашем случае – спасение человеческих жизней), и нет цены, которая могла бы ее превысить. Ожидаемое благо реализуется, но бдительное наблюдение обнаруживает повсеместные нарушения в окружающей среде, на которые невозможно закрыть глаза. И хотя ни одного случая заболевания человека нельзя было связать с действием ДДТ, ясно, что некоторые свойства препарата вступают в конфликт с нашим стремлением защитить окружающий мир: это необыкновенная стабильность ДДТ, его подвижность и сродство к системам живых организмов. С одной стороны, возникшие проблемы поставили преграду дальнейшему использованию ДДТ, а с другой, они же подсказали, какими свойствами должен обладать его заменитель. Такие заменители уже найдены – это инсектициды, биологическое действие которых гораздо более специфично, которые так же, как в ДДТ, не токсичны для человека, но разлагаются в природной среде за несколько дней или недель. ДДТ не только сохранил миллионы человеческих жизней, но и указал путь к наилучшему решению уравнения риск/выгода.
Заключение.
Громче всего звучит вывод о трудности оценки степени риска. Парацельс утверждал, что ядовито все и что яд определяется лишь дозой. Но определить дозу необычайно сложно. Опыты на людях не возможны, а применимость результатов, полученных в экспериментах с животными, всегда вызывает сомнения. Эпидемиология указывает на сопутствование, но не вскрывает причинных связей.
Существует и множество субъективных факторов. Риск, которым кто-то еще пренебрегает, для кого-то уже оказывается не приемлемым. Еще хуже, когда риску подвергаетсяодна группа людей, а выгоду получает другая. Наконец, все мы очень чувствительны к риску, которому приходится подвергаться не по своей воле.
Невзирая на эти порой обескураживающие трудности, сравнительные оценки риска и выгоды стали обычным делом при выработке бесчисленных решений, влияющих на нашу жизнь. Некоторые из них принимаются без нашего участия избранным нами правительством. Другие мы выбираем сами в кабинах для голосования. Но в любом случае эти решения должны основываться на принципах общего блага и общей воли. Чтобы достичь этой цели, необходимо повысить научную грамотность населения. Ясно, что начинать надо пораньше, со школьного возраста; научному образованию нужно уделять больше внимания.
Литература.
Дж. Пиментел, Дж. Кунрод: “Возможности химии сегодня и завтра”, издательство “Мир”, 1992год.
Ежегодно, американцы вываливают миллионы тонн пластиков в окружающую среду, значительная часть этих отходов низвергается прямо в океан. Действительно, 9 млн. тонн твердых отходов промышленности США ежегодно уходит непосредственно в море. Одним только коммерческие суда выбрасывают за борт 6,6млн. тонн мусора в год. Этим мусором можно было бы завалить 440000 классных комнат.
Вопреки общему мнению пластиковые отходы, в конце концов, разрушаются, но происходит это медленно - иногда для этого требуется до 50 лет. За такое время может скопиться масса мусора. Особенно чувствительны к пластиковому мусору морские экосистемы: он не тонет, и обитатели морей по ошибке принимают его за медуз, яйца и другие лакомства или запутываются в нем, ведь 150000т. отходов - это выбрасываемые в океан рыболовные снасти. Дело принимает особенно неприятный оборот в арктических районах, где мусор только накапливается, но не разрушается - этому препятствует очень низкая температура.
Химики сделали значительный шаг в решении этой серьезной проблемы. Выход из бедственного положения был найден в создании пластиков с особой структурой. Пластики - это полимерные материалы, получаемые из продуктов переработки нефти. Они состоят из длинных цепей, построенных из повторяющихся молекулярных группировок. Химики нашли способ изменять полимерные молекулы так, чтобы их свойства больше соответствовали гигиене окружающей среды. Одним из них - химическое присоединение светочувствительных молекулярных групп к макромолекулярным цепям через правильные интервалы. Когда пластик, изготовленный из такого полимера, подвергается действиюсолнечного света, светочувствительные группы поглощают излучение, что приводит к расщеплению полимера в местах их присоединения. Остальное - дело природы. Образующиеся небольшие фрагменты легко подвергаются биоразложению. Другой способ подчинить свойства пластика требованиям гигиены природы - ввести в них молекулярные группировки, считающиеся деликатесом у некоторых микроорганизмов. Микроскопические чревоугодники берут в этом случае на себя труд расщепления длинных молекул на короткие кусочки. Находки такого рода, можно надеяться, приведут к тому, что проблема пластиковых отходов начнет постепенно отступать и, в конце концов, уйдет в прошлое.
Любое общество старается обеспечить себя достаточным количеством пропитания, жильем и здоровой окружающей средой. Когда эти элементарные требования выполнены, можно подумать и о комфорте. Сегодня наше стремление к увеличению количества товаров, энергии и большей обеспеченности средствами передвижения пришло в столкновение со стремлением сохранить здоровую окружающую среду. Нашей главной заботой стала защита окружающей среды в условиях роста численности населения, его продолжающегося концентрирования (урбанизации) и повышения жизненного стандарта.
Ухудшение состояния окружающей среды и, как следствие, угроза здоровью и состоянию экосистемы - явление не новое. Нарушения в окружающей среде, вызванные деятельностью человека, прослеживаются с древнейших времен. Проблема нечистот возникла одновременно с появлением городов. Задолго до двадцатого столетия лондонский воздух был загрязнен дымом очагов и каминов. Ранним проявлением проблем индустриальной гигиены была малая продолжительность жизни трубочистов из-за подверженности их раковым заболеваниям, что теперь мы можем объяснить длительным воздействием сажи, содержащей следы канцерогенов (многоядерных ароматических углеводородов).
Однако то, что загрязнение окружающей среды не есть новейшее изобретение, - слабое утешение. Проблемы загрязнения дают о себе знать все более явственно, и мы научились распознавать трудноуловимые взаимодействия в окружающем мире и обнаруживать вторичные эффекты, которые прежде оставались незамеченными. Некоторые нарушения окружающей среды принимают глобальный характер. Трагедия в Бхопале предельно ярко высвечивает существующую дилемму. Эта трагедия произошла в стране, страдающей от голода. Токсичные вещества применялись для производства продуктов питания, ежегодно спасавших многие тысячи людей от голодной смерти.
Однако следует заметить, что человечество по-настоящему озабочено важностью сохранения здоровой окружающей средой, и это обнадеживает. Громадное большинство граждан США всех политических направлений заявляют о готовности платить более высокие цены за продукты (такие, как не содержащий свинца бензин) и более высокие подоходные налоги ради оздоровления окружающей среды. Такие же тенденции наблюдаются и повсеместно - за пределами США.
Выработка эффективной стратегии защиты окружающей среды требует информированности и знаний. Мы должны уметь ответить на следующие вопросы:
1. Какие потенциально опасные вещества содержаться в воздухе, воде, почве и пище?
2. Чем вызвано их появление?
3. Как можно решить проблему - полностью или хотя бы отчасти (использование альтернативных продуктов, процессов)?
4. Как зависит степень опасности от длительности воздействия данного вещества? Как следует подходить к выбору одного из вариантов, обещающих положительный эффект?
Ясно, что на химиков ложиться главная ответственность за правильность ответов на три первых решающих вопроса. Чтобы определить, какие вещества присутствуют в окружающей среде, аналитики должны разрабатывать все более и более чувствительные и селективные методы. Обнаружение источников может потребовать проникновения в детали процессов, которые ведут от исходного загрязнения к конечным вредным или токсичным продуктам. Если для удовлетворения энергетических нужд приходится довольствоваться более низкосортным топливом, то какие катализаторы и какие новые процессы следует разработать, чтобы не усугубить проблемы кислотных дождей и канцерогенных выбросов работающих на угле электростанций.
Четвертый вопрос - о допустимой длительности воздействия вредного вещества - принадлежит компетенции медицины, токсикологии и эпидемиологии. Теперь, когда общество осознало, что существует обратная связь между степенью понижения риска и затратами на ее достижение, перед этими дисциплинами встают серьезные проблемы. Медики должны уточнить данные о степени риска, обусловленного присутствием, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах. Необходимо научиться взвешивать риск и издержки, связанные с присутствием этих соединений, положив на другую чашу весов блага, которые мы теряем, ограничивая их использование. И что более важно, мы не можем позволить себе роскошь стремиться любой ценой устранить вероятность риска вообще, поскольку по мере приближения уровня риска к нулю цена устремляется к бесконечности.
Наконец, выбор вариантов решения проблемы должен принадлежать обществу. Химики и специалисты в других областях, связанных с экологией, несут особую и весьма серьезную ответственность за информированность на самой квалифицированной и объективной научной экспертизе. Долг ученых - ознакомить общество, средства массовой информации и правительство с реальной картиной, причем на языке, свободном от профессионального жаргона. Ученые должны дать научное обоснование предлагаемого решения и указать, чтонас ждет впереди.
От обнаружения к защите.
Все стратегии защиты окружающей среды должны основываться на знании действительных пороговых значений опасных концентраций и нашей способнос¬ти обнаружить нежелательный компонент задолго до того, как его концентра¬ция достигает такого значения. В ряде случаев обнаружение может быть эквива¬лентно защите.
К сожалению, средства информации, общество и правительственные учреждения слишком часто ставят знак равенства между обнаружением и опасностью. Такая реакция основана на общем заблуждении, что вещество, обладающее выраженной токсичностью при некоторой определенной концентрации, токсично всегда. Существует множество примеров, показывающих, что это не так. Вспомните моноксид углерода. Этот обычный компонент атмосферы становит¬ся опасным при концентрациях, превышающих 1000 млн. долей. Считается, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превыша¬ющих 10 млн. долей, отрицательно сказывается на здоровье. Тем не менее, мы не настаиваем на полном устранении СО из атмосферы! Это было бы глупо (да и невозможно!), поскольку мы живем - и не плохо - в среде, всегда содер¬жащей легко обнаружимые количества СО, порядка 1 млн. доли.
Другой интересный пример - селен. Некоторые растения, растущие на относительно богатых селеном почвах, имеют тенденцию накапливать этот элемент в таких количествах, которые приводят к отравлению жвачных животных. К числу указанных растений относятся астрагал (Astragalus). Пшеница также мо¬жет накапливать селен, и хотя на людях это сколько-нибудь заметно не сказыва¬ется, куры, которых кормили ею, дают ненормальное потомство. В то же время сейчас известно, что селен - жизненно важный компонент пищи крыс, цыплят и свиней. Более того, селен в определенных концентрациях является природным антиканцерогенном; он входит в состав глутатион-пероксидазы - фермента, раз¬рушающего вредные гидропероксиды. В Китае в популяциях людей с низким содержанием селена в крови наблюдаются следующие отклонения от нормы: дети часто страдают множественным миокардитом (болезнь Кишана), высока смертность взрослых от рака, особенно распространен рак печени. Очевидно, что селен, является необходимым для человека и животных элементом при одних концентрациях и токсичным при других. Ежедневная норма потребления селена для взрослых, рекомендуемая Национальным советом по здравоохранению, со¬ставляет 50 - 100 мкг. Приведенный пример ясно показывает, что присутствие в окружа¬ющей среде следов вещества, которое может быть токсичным при высоких концентрациях, еще не свидетельствует об опасности.
Некоторые люди усиленно добиваются ориентированного на нулевой риск подхода к защите окружающей среды. Нулевой риск означает достижение абсо¬лютной и полной гарантии от любой возможной опасности. В приведенном вы¬ше примере с моноксидом углерода - это полное, до последней молекулы, удаление его из атмосферы. Сейчас такое нереалистичное стремление к нулевому риску постепенно вытесняется менее примитивной философией, которая ставит действия, связанные с наличием риска, в зависимость от оценки его уровня. Что касается будущего, то наилучшим капиталовложением была бы организация долговременных изысканий в области фундаментальной науки об окружающей среде и работ по совершенствованию диагностических ме¬тодов. Это позволило бы избежать необходимости прибегать к дорогостоящим аварийным программам.
Повышение эффективности измерений, проводимых в окружающей среде, требует более совершенных инструментов. Проблема состоит в том, чтобы определять следы искомого соединения в сложной смеси, содержащей много без¬вредных веществ. Одним из примеров успеха, достигнутого в повышении селективности аналитических методов, может служить разработка методов разделения и количественного определения каждого из 22 изомеров тетрахлордиоксина в концентрациях поряд¬ка триллионных долей (т.е. 1:1012)!
Легко реагирующие соединения, присутствующие в атмосфере, нельзя доставить для анализа в лабораторию. Это порождает специфические сложности, связанные с необходимостью дистанционного обнаружения и определения содержания таких соединений в местах их образования. Примером успехов, до¬стигнутых в этой области исследований, может служить измерение концентра¬ций формальдегида и азотной кислоты в смоге над Лос-Анджелесом методом инфракрасной спектроскопии, позволившим регистрировать поглощение излуче¬ния на расстоянии одного километра. Благодаря этим экспериментам удалось установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при их одновременном присутствии в воздухе на уровне миллиардных долей.
Все более важным становится выяснение химического состояния компоне¬нтов окружающей среды, поскольку, как это теперь известно, и токсичность, и легкость перемещения существенно зависят от того, в какой химической форме находится данный загрязнитель. Испыта¬ния, проведенные на животных, показали, что один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее самого токсичного из всех осталь¬ных. Эти примеры говорят о важности аналитических методов, которые позво¬ляют не только установить концентрацию потенциального загрязнителя, но и идентифицировать химическую форму, в которой он присутствует. К числу мощных средств, используемых для решения этой проблемы, относятся элек¬трохимия, хроматография и масс-спектрометрия.
Борьба с кислотными дождями.
Кислотные дожди - одна из самых очевидных проблем загрязнения воздуха, стоящих перед нами. Кислые вещества и соединения, которые служат их источ¬ником, образуются при сжигании минеральных топлив в энергетических уста¬новках и на транспорте. Это главным образом кислоты - производные оксидов серы и азота. Существует ряд природных источников таких соединений: они об¬разуются во время грозы или извержения вулкана, в результате жизнедеятель¬ности бактерий, однако, исключая нечастые извержения, вклад этих источников невелик. Основными “поставщиками” оксидов углерода и азота являются авто¬мобильный транспорт, электростанции и всякого рода плавильные печи.
Влияние кислотных дождей наиболее ощутимо и известно широкой публике в Европе и на северо-востоке США, но зоны риска включают также Канаду и, возможно, калифорнийскую Сьерру, Скалистые горы и Китай. В некоторых ме¬стах наблюдалось выпадение осадков, приближающихся по кислотности к сто¬ловому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных дождей продолжают оставаться предметом дискуссий. Первоначально внимание фокусировалось на вреде, приносимом озерным и речным экосистемам, однако в дальнейшем стали учитываться и такие дорогостоящие последствия, как порча зданий, мостов и оборудования. Труднее всего количественно оценить влияние загрязненного воз¬духа на здоровье человекам.
Наибольший урон наносится озерам, в которых вода обладает слабыми буферными свойствами. В присутствии природных щелочных буферов кислые соединения, приносимые дождем (большей частью серная и азотная кислоты, в меньших количествах органические кислоты), нейтрализуются. Однако озера, лежащие на гранитных (кислых) породах, весьма подвержены действию попада¬ющих в них кислот, способных переводить в раствор ионы таких металлов, как алюминий и марганец, что может повлечь подавление роста растений и водорос¬лей, а в некоторых озерах - сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Значительный ущерб наносят кислотные дожди и растительности, причем проявление их влияния может быть самым различным - от дефолиации до раз¬рушения тонкой корневой системы.
В таком районе, как северо-восток США, главными источниками подобных загрязнений являются электростанции, работающие на угле с высоким содержа¬нием серы. Одно из возможных средств, предотвращающих выброс загрязните¬лей, - это установка химических газоочистителей - устройств, в которых нежелательные примеси, содержащиеся в промышленных газах, растворяются, выводятся в осадок или поглощаются. Катализаторы, снижающие выбросы оксидов азота как стационарными, так и мобильными устройствами, - это еще один пример, иллюстрирующий важную роль химии в борьбе за качество воздуха.
Различные способы борьбы с кислотными дождями требуют ежегодных вложений миллиардов долларов. Когда ставки так высоки, важно, чтобы атмосфер¬ные процессы, включающие перемещение, химические превращения и конечную “судьбу” загрязнителей, были основательно изучены.
Кислоты выпадают либо вместе с дождем и снегом (“мокрые” осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислых соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (“сухие” осадки). То, что заканчивает свой путь в виде осадков, обычно проникает в атмосферу в совершенно иной форме. Например, содержа¬щаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасыва¬ется из печных труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно окисляется и реагирует с водой, образуя серную кислоту, в виде которой сера может вер¬нуться на землю за сотни миль вниз по ветру.
Пути образования оксидов азота, их химических превращений и выведения из атмосферы также чрезвычайно сложны. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, образуют моноксид азота, N0, который реагирует с окислителями с образованием диоксида, N02, а иногда и азотной кислоты, HNO3, в качестве конечного продукта. Количественные оценки мирового баланса оксидов азота - источников их поступления и мест выведения - содержат еще много неясного.
Пока наши знания о биогеохимических циклах различных химических форм азота, серы и углерода, об их источниках и превращениях в мировых масштабах не будут исчерпывающими, выбор стратегии контроля за загрязнением атмос¬феры затруднителен. Химия атмосферы и окружающей среды имеет первосте¬пенное значение для создания более здорового и чистого местообитания. Развитие надежных методов определения следов примесей в воздухе, изучение кинетики важных атмосферных реакций и открытие новых, более эффективных химических процессов, позволяющих сократить выделение загрязнителей, - вот цели, которые должны войти в национальную программу действий на грядущее десятилетие.
Защита от климатических катастроф: парниковый эффект.
В погоне за продуктами питания, потребительскими товарами, теплом для жилищ и энергией для промышленности мы увеличили содержание в атмосфере многих газообразных микрокомпонентов. Некоторые из них поглощают солнеч¬ную энергию и превращают ее в тепло, что в конечном итоге может привести к климатическим изменениям с катастрофическими последствиями. Если обусловленный человеческой деятельностью выпуск этих газов в атмосферу приведет к ощутимому глобальному потеплению, результатом может стать наводнение от таяния полярных льдов, превращение продуктивных сельскохозяйственных угодий в пустыню и как следствие голод. Чаще всего в связи с такими прогноза¬ми говорят о диоксиде углерода, улавливающем солнечную энергию. Однако суммарный эффект увеличения содержания оксида диазота, метана и др. сопо¬ставим с эффектом накопления диоксида углерода.
Методы, используемые для сокращения выбросов других загрязнителей, недостаточны, когда речь идет о диоксиде углерода, образующемся в гигантских масштабах при горении минеральных топлив и биомассы. Громадное значение приобретает биогеохимический круговорот углерода. Каковы будут послед¬ствия вырубки и выжигания лесов в развивающихся странах? Какова роль мета¬на, вырабатываемого термитами и другими микроорганизмами? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечного света и таким образом све¬сти на нет эффект увеличения содержания диоксида углерода, метана и оксида диазота? большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в аркти¬ческих районах. Источники, состав, излучательные свойства, конечная судьба и воздействие этих аэрозолей, известных как “арктический туман”, - все это должно быть изучено и понято.
Поведение сажи в атмосфере приобретает еще большее значение в связи с возможными атмосферными последствиями применения ядерного оружия. Гипоте¬за глобального похолодания, вызванного образованием сажи в ходе ядерной войны, была выдвинута совсем недавно, в 1982 г. С тех пор этот эффект получил название “ядерной зимы”. Согласно прогнозам, даже ограниченные ядерные войны привели бы к образованию сажи в количестве достаточном, чтобы затем¬нить Солнце, и вызвать вымерзание посевов в летнее время. Существует много неясностей относительно продолжительности существования аэрозолей в возду¬хе и влияния сажи на радиационный баланс.
В отличие от загрязнений местного характера проблемы глобальных загрязнителей создают тупиковые ситуации, поскольку их решение требует действий во всемирном масштабе, а граждане разных стран по-разному относятся к их приоритетности. В прошлом предпочтение, отдаваемое ископаемым или ядер¬ным топливам, диктовалось в первую очередь экономическими факторами, на¬пример наличием богатых запасов угля. Однако усиление глобальной угрозы окружающей среде, в частности в результате накопления углекислоты в атмос¬фере, которое ускоряется сжиганием угля, может вынудить нас пересмотреть плюсы и минусы ядерной энергетики. На приобретение фундаментальных зна¬ний, необходимых для разумного выбора, требуются годы. Мы должны стро¬ить этот фундамент, чтобы быть в состоянии взвешенно оценить реальную угрозу накопления углекислоты в атмосфере в свете имеющихся альтернатив. Эта оценка должна учитывать проблемы защиты окружающей среды и пробле¬му отходов ядерной энергетики.
Оценка риска.
Существует два вида токсичности. Один химический препарат может вызывать заболевание вскоре после своего воздействия – это острая токсичность. Другой препарат может оказывать нежелательное воздействие значительно позже, после продолжительного его использования – это хроническая токсичность. Например, остро токсичный газ фосген, Cl2CO, может случайно образоваться, если загорание электросети тушат огнетушителем с тетрахлоридом углерода. В концентрации 5 млн. долей фосген уже через несколько минут вызывает раздражение глаз, а концентрации выше 50 млн. долей могут оказаться смертельными. Напротив, бензол, С6Н6, обладает хронической токсичностью. Вдыхание паров бензола той же концентрации, 50 млн. долей, не дает немедленного эффекта, но при длительном (в течение многих месяцев или лет) ежедневном воздействии бензола может вызвать понижение числа красных кровяных телец (гемоглобина) и лейкоцитов в крови.
К сожалению, получить детальную информацию о токсичности нелегко. Наиболее точный способ – суровый способ – это подвергнуть достаточное число людей воздействию данного препарата, чтобы продемонстрировать его безопасность или установить дозу, при которой начинает обнаруживаться токсичность. Ясно, что сведения о хронической токсичности добыть труднее всего. Чтобы можно было извлечь из наблюдений необходимую статистическую информацию, воздействию исследуемого вещества должны быть подвергнуты в течение достаточно длительного времени очень большая группа людей. Проблемы такого рода принадлежат компетенции эпидемиологии.
Что такое эпидемиология.
Исторически эпидемиология развивалась как наука об эпидемиях, т.е. быстро распространяющихся заболеваниях. Однако сегодня эпидемиология используется и как статистический аппарат для обнаружения острой или хронической токсичности даже при весьма слабом воздействии на здоровье. Например, винилхлорид, СН2СНСl, известен как канцероген. Основанием для такого заключения послужило то, что, согласно статистическим данным, очень редкая форма рака печени, ангиосаркома, наблюдается главным образом у небольшого числа рабочих, которые продолжительное время подвергались воздействию высоких концентраций (сотни млн. долей) этого соединения. В этом случае удалось получить достоверное эпидемиологическое заключение относительно токсичности данного соединения и его весьма незначительной опасности для обычной публики.
Что является причиной чего?
К сожалению, результаты наблюдений можно неверно интерпретировать даже при наличии достаточного количества статистических данных. Так, статистические данные показывают, что рак толстой кишки гораздо более распространен в США, чем в Индии, и что американцы потребляют больше молочных продуктов, чем индийцы. Прежде чем сделать вывод, что молочные продукты вызывают рак, следует, однако, вспомнить, что рак толстой кишки распространен у пожилых людей и что средняя продолжительность жизни американцев гораздо выше, чем у жителей Индии. Таким образом, можно прийти и к противоположному выводу: потребление молочных продуктов позволяет прожить достаточно долго, чтобы начал проявляться (от других причин) рак толстой кишки. Эпидемиология может установить, что одно сопутствует друго¬му, но это не обязательно означает причинную связь между двумя явлениями. Эпидемиологи шутят, что снижение скорости роста населения в Западной Евро¬пе в 20 веке примерно соответствует скорости уменьшения в этом регионе популяции аистов, лишь немногие сделают отсюда вывод, что рождаемость уменьшилась потому, что для доставки детей не хватает аистов.
История с ДДТ.
Все началось в 1939г., когда швейцарский химик Пауль Мюллер в ходе систематических поисков новых инсектицидовсинтезировал дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Вначале на ДДТсмотрели, как на чудо: он исключительно эффективнодействует на самых разнообразных насекомых-вредителей и в отличие от широко использовавшихся в то время соединений свинца и мышьяка не проявляет острой токсичности по отношению к людям.
Выгоды.
США впервые широко применили ДДТ в 1944г. во время второй мировой войны в борьбе с распространившейся эпидемией тифа в воинских частях и среди гражданского населения в Италии. Тиф переносится нательными вшами, и чтобы уничтожить этих насекомых, тысячи людей были щедро, с ног до головы, осыпаны ДДТ. Эпидемия была остановлена, что предотвратило потери человеческих жизней, которые могли стать опустошительными.
После столь внушительного успеха решено было прибегнуть к ДДТ в борьбе с Anopheles – комаром-распространителем малярии. До использования ДДТ малярия уносила от 2 до 3 млн. жизней ежегодно, число же страдающих этой тяжелой болезнью было еще больше. В результате 10-летнего применения ДДДТ в ряде стран малярия перестала быть столь страшным бичом. В Индии число заболеваний сократилось с 75 млн. в 1952г. до 100 тыс. в 1964г., в СССР с 35 млн. в 1956г. до 13 тыс. в 1966г. За то же время в Шри-Ланке малярийная “дань” понизилась с 12 тыс. жизней до нуля! Всемирная организация здоровья и Организация объединенных наций относят на счет этого чудодейственного препарата спасение около 50 млн. жизней, отнятых у одной только малярии. За свою работу доктор Пауль Мюллер был удостоен в 1948г. Нобелевской премии в области медицины.
Риск.
К сожалению, история ДДТ на этом не кончается. В 1972г. Агентство по охране окружающей среды наложило запрет на использование ДДТ в США. Как удалось это сделать – особая история, и тоже история успеха, но на этот раз в борьбе за необходимость наблюдения за окружающей средой в ожидании появления побочного действия широко применяемых препаратов.
Уже в 1946г. ученые установили, что ДДТ накапливается в жировых тканях и остается там чрезвычайно долго. Животные и рыбы, так же как и человек, – это преимущественно водные системы. Транспорт и вывод веществ из организма осуществляется у них в водной среде. Но хлорсодержащие углеводороды типа ДДТ очень плохо растворяются в воде (порядка 2 млн. долей): они продолжительно растворяются и концентрируются в жировых тканях. Например, ДДТ легко переходит в жир материнского молока. Агентство должным образом отреагировало на эту тревожную информацию, установив предельно безопасную концентрацию ДДТ в коровьем молоке и других продуктах питания. Из осторожности сначала был принят нулевой уровень безопасности. Однако при “нулевом подходе” возникают свои проблемы. Образец молока можно признать безопасным, если ДДТ не обнаруживается в нем самыми чувствительными измерениями. Поэтому усовершенствования аналитических методов приводит к изменению смысла понятия безопасной концентрации. Нулевой предел всегда связывает уровень безопасности с методом обнаружения, а не с наиболее достоверной оценкой степени опасности. По этой и другим причинам нулевой предел оказался неудачным, и Агентство заменило его “приемлемым уровнем безопасности” в 0,05млн. доли.
С течением времени стало ясно, что попадание в окружающую среду, ДДТ разлагается там с большим трудом. Усовершенствованные методы обнаружения позволили установить, что через 10 лет исчезает лишь около 50% пестицида – вследствие разложения или уноса на другую территорию.
Наконец, накопились данные о концентрировании ДДТ по мере продвижения по лестнице потребления продуктов питания. После обработки вязов концентрация ДДТ в почве достигала 100 млн. долей, в земляных червях она составляла 140 млн. долей, а, в птицах, поедавших этих червей, превышала 400 млн. долей. Такая концентрация ДДТ оказалась явно пагубной для птиц, особенно более крупных, хищных птиц. По-видимому, ДДТ мешает их воспроизводству, вызывая опасное утоньшение яичной скорлупы. Некоторые виды птиц, например орлы и соколы-сапсаны, стали быстро исчезать, как только эта неприятность добавилась к другим посягательствам человека на их место обитание.
Максимальный уровень производства ДДТтолько в США достигал 156 млн. фунтов (в 1959г.). С самого начала ДДТ так широко применялся во всем мире, что не один участок земли не остался незатронутым. Его обнаруживают в жировых тканях жителей отдаленных районов Аляски, пингвинов и тюленей Антарктиды. К тому же некоторые насекомые и вредители приобрели, устойчивость к ДДТ за продолжительное время его использования, а некоторые полезные насекомые в отдельных местностях были уничтожены этим препаратом.
Уравнение риск/выгода.
История с ДДТ – наглядный пример сочетания риска и выгоды, Ясно, что сначала доминирует непосредственно ожидаемая выгода (в нашем случае – спасение человеческих жизней), и нет цены, которая могла бы ее превысить. Ожидаемое благо реализуется, но бдительное наблюдение обнаруживает повсеместные нарушения в окружающей среде, на которые невозможно закрыть глаза. И хотя ни одного случая заболевания человека нельзя было связать с действием ДДТ, ясно, что некоторые свойства препарата вступают в конфликт с нашим стремлением защитить окружающий мир: это необыкновенная стабильность ДДТ, его подвижность и сродство к системам живых организмов. С одной стороны, возникшие проблемы поставили преграду дальнейшему использованию ДДТ, а с другой, они же подсказали, какими свойствами должен обладать его заменитель. Такие заменители уже найдены – это инсектициды, биологическое действие которых гораздо более специфично, которые так же, как в ДДТ, не токсичны для человека, но разлагаются в природной среде за несколько дней или недель. ДДТ не только сохранил миллионы человеческих жизней, но и указал путь к наилучшему решению уравнения риск/выгода.
Заключение.
Громче всего звучит вывод о трудности оценки степени риска. Парацельс утверждал, что ядовито все и что яд определяется лишь дозой. Но определить дозу необычайно сложно. Опыты на людях не возможны, а применимость результатов, полученных в экспериментах с животными, всегда вызывает сомнения. Эпидемиология указывает на сопутствование, но не вскрывает причинных связей.
Существует и множество субъективных факторов. Риск, которым кто-то еще пренебрегает, для кого-то уже оказывается не приемлемым. Еще хуже, когда риску подвергаетсяодна группа людей, а выгоду получает другая. Наконец, все мы очень чувствительны к риску, которому приходится подвергаться не по своей воле.
Невзирая на эти порой обескураживающие трудности, сравнительные оценки риска и выгоды стали обычным делом при выработке бесчисленных решений, влияющих на нашу жизнь. Некоторые из них принимаются без нашего участия избранным нами правительством. Другие мы выбираем сами в кабинах для голосования. Но в любом случае эти решения должны основываться на принципах общего блага и общей воли. Чтобы достичь этой цели, необходимо повысить научную грамотность населения. Ясно, что начинать надо пораньше, со школьного возраста; научному образованию нужно уделять больше внимания.
Литература.
Дж. Пиментел, Дж. Кунрод: “Возможности химии сегодня и завтра”, издательство “Мир”, 1992год.
Главная