Экологический риск: источники, методы оценки и управление

1. Введение.

       Современно  промышленное и сельскохозяйственное производства используют огромное количество различных химических веществ в  качестве сырья, промежуточных продуктов, конечных товаров и отходов. В  результате чего многие химические вещества оказываются на свалках, в сточных водах и в атмосфере, загрязняя окружающую среду. В связи с этим возникает вопрос об устойчивости различных компонентов среды, о возможности возникновения необратимого разрушения биосферы и других, сопряженных с ней оболочек (атмосфера, гидросфера). Для этого необходимо уметь предсказывать вероятность проявления негативного воздействия различных загрязняющих веществ и размеры необходимой очистки экосистем. Химические вещества воздействуют как на человека, так и на микроорганизмы, как на индивидуальный организм, так и на всю популяцию. Их воздействие может быть обратимым и необратимым (летальным). Стрессоры могут быть химическими, биологическими и физическими.

       Оценка  экологического риска - представляет собой процесс оценки вероятности возникновения обратимых или необратимых изменений в биогеохимической структуре и функциях экосистем в ответ на антропогенное воздействие. Она также дает ответ на вопрос о приемлемости риска для человека и различных экосистем.

       В последнее время  воздействие  на биосферу, связанное с хозяйственной  деятельностью человека, находится  под контролем у специально уполномоченных организаций, что привело к разработке различных механизмов по нивелированию  вредного эффекта в системе «природа-общество-хозяйство». В настоящее время существуют два подхода: оценка воздействия на окружающую среду и оценка экологического риска.

       Оценка  воздействия на окружающую среду  – мощный  инструмент, применяющийся  к практике более чем в 100 странах  мира. Она  сформирована в США в начале 70-х годов и рассматривает вопросы вредного воздействия на здоровье человека и окружающую среду в рамках процесса экологической оценки. В отличие от нее, оценка экологического риска, разработанная в СССР, представляет собой комплексную, научно обоснованную методологию оценки последствий хозяйственной деятельности высокой степени неопределенности и потенциально опасных для окружающей среды и здоровья человека. Выводы по оценке риска должны стать основой для управления риском. Одним из инструментов управления является сравнительный анализ рисков.

       Оценка  экологического риска представляет собой сложный научный процесс. Исходная информация служит основой  для научных исследований. На основании  полученных данных можно приступить к самой оценке риска, которая начинается с идентификации опасности – качественное предсказание воздействия. После этого можно перейти к количественной оценке опасности, для чего необходимо рассмотреть полный жизненный цикл вещества от сырья до отхода. Следующий этап – оценка путей воздействия, которая предусматривает рассмотрение общей схемы воздействия загрязняющего вещества на биоту и на здоровье человека.  Процесс характеристики риска оценивает частоту и серьезность токсического воздействия, его обратимость или необратимость. Последний этап оценки, управление риском, предусматривает выбор и использование мер для уменьшения риска.

       Необходимость экологической оценки риска вытекает из наличия большого числа неопределенностей  при описании жизненных циклов химических продуктов, редко может быть дан однозначный ответ обо всех стадиях и процессах. Источники этих неопределенностей охватывают почти все области промышленности. Они могут быть обусловлены природой веществ, климатическими условиями, производственной несовершенностью, недостаточностью знаний и информативности в научной области и другими. 

2. Источники  экологического риска.

       Биогеохимические  источники экологического риска.

       Так как в наибольшей степени  особенности  территории, где производится хозяйственная деятельность, проявляются в биогеохимических параметрах, которые и определяют геохимические и биогеохимические источники рисков, то для количественной оценки экологического риска и определения экономических и управленческих подходов для минимизации этого риска необходимо знать механизмы, управляющие потоками веществ в биогеохимических пищевых цепях.

       Биогеохимия, наука, зародившаяся в ХХ веке, отрасль геохимии, изучает живые организмы и их роль (и их продуктов разложения) в процессах миграции распространения, рассеивания и накопления элементов. Теоретической основой биогеохимии являются концепции живого вещества и биосферы. Концепция живого вещества говорит о биогеохимических процессах – геологических процессах происходящих в результате жизнедеятельности организмов. Под биосферой В.И.Вернадский понимал наружную оболочку земли, охваченную геохимической деятельностью живого вещества, место взаимодействия живого и не живого вещества. В результате чего идет образование биокосных тел: почва, нефть, морская, речная и озерная вода и др. В биогеохимической структуре биосферы выделяют регионы, субрегионы и провинции. Биогеохимические провинции выделяют в различных территориях с характерными признаками биологических реакций организмов на химический состав окружающей среды, связанный с избыточным или недостаточным содержанием питательных элементов в биогеохимических трофических цепях. Они бывают природными и антропогенными, которые собственно и представляют интерес в связи с оценкой экологического риска. Для нормального функционирования системы необходим некий интервал концентрации, оптимальная концентрация, того или иного химического элемента: от нижней пороговой концентрации до верхней. При биогеохимическом картографировании учитывают запасы, миграцию и аккумуляцию химических элементов, где показан  дефицит или избыток тех или иных элементов на данной территории.  Так установлено, что в таежное зоне дефицит кобальта вызывает ряд биологических эффектов: уменьшение содержания кобальта в тканях; уменьшение содержания витамина B₁₂ в печени, в тканях и в молоке; ослабление синтеза белков и др. Все это приводит к заболеваниям животных, следствием чего является низкая продуктивность мяса, шерсти и низкое воспроизводство. Дефицит меди в зональных почвах приводит к анемии у овец и коров. Дефицит йода при совместном избытке марганца, что усиливает эффект, в этом же регионе в биогеохимических цепях приводит к распространению эндемических заболеваний щитовидной железы, как среди людей, так и среди скота. В сухостепном, полупустынном и пустынном регионе биосферы на Предкавказской равнине, в Каспийской низменности и западносибирских степных экосистемах с мощными черноземами, солончаками, лугово-степными и песчаными почвами встречается дефицит меди при избытке молибдена и сульфат-иона. У человека это приводит к нарушению движений и конвульсиям. Таким образом, источником экологического риска может быть неравномерное распределение химических элементов на поверхности земли и в ее недрах.

       Антропогенные источники экологического риска.

       В течение ХХ века резко увеличилась антропогенная активность, что привело к увеличению концентрации загрязняющих веществ в биосфере, изменению  ее биогеохимической структуры и формированию различных антропогенных биогеохимических провинция как структурных единиц биосферы. В. Н. Башкин рассматривает несколько видов таких нарушенных экосистем.

       Месторождения металлов формируют природные биогеохимические провинции, положение которых географически  определенно. При антропогенном  вмешательстве в окружающую среду поступает много химических элементов в ходе добычи, трансформации, переработки сырья, что приводит к нарушению функционирования природной экосистемы и формированию металогенных биогеохимических провинций. К таким территориям можно отнести месторождения железных руд, урана, цветных и редких металлов и агрономических руд. Загрязнение ландшафтов в таких случаях может приводить к дефляции, размыву вскрытых пород и продуктов их переработки и представляет собой обратимое или необратимое изменение биогеохимической структуры экосистемы. Практически все металлы оказывают токсичное действие на здоровье человека, особенно те, чья молекулярная масса больше 55 у.е. (тяжелые металлы).

       Также пагубное воздействие на окружающую среду и здоровье человека оказывают  добыча и использование нефти и газа. Глазовский показал, что в районах добычи и переработки угля, нефти и газа на 1 км² поверхности суши приходятся сотни и тысячи тонн органических и минеральных загрязняющих веществ. Основными загрязнителями являются сырая нефть, высокоминерализованные нефтяные и сточные воды, продукты сжигания попутных газов. Особенно сильное загрязнение происходит при авариях на скважинах и нефтепроводах. Нефтепроизводственное загрязнение пагубно влияет на микроорганизмы, водоросли, почвенных животных и растения. Минерализованные воды приводят к засолению ландшафтов. Глубина и характер воздействия изменяются в зависимости от природной зоны.

       Возникновение и постоянное увеличение площади  и численности населения городов  приводит к появлению так называемых урбогеохимических провинций, неотъемлемой характеристикой которых может являться постоянно возрастающее загрязнение окружающей среды. Особенностью загрязнения в урбоэкосистемах является формирование техногенных биогеохимических аномалий, т.е. локальное увеличение концентрации загрязняющих веществ. Техногенные потоки элементов формируются между тремя экологическими блоками: источники выбросов (промышленный комплекс города, городское жилищно-коммунальное хозяйство и транспорт), транзитные (атмосфера и осадки, грунтовые воды, временные и постоянные водотоки, поверхностные водоемы) и депонирующие среды (донные отложения, почвы, растения, микроорганизмы, городские сооружения, население). Таким образом экологическая ситуация в городах во многом определяется соотношением природных и техногенных факторов.

       Антропогенное влияние в агрогеохимических  провинциях проявляется в локальном, региональном и глобальном масштабах. В регионах интенсивного земледелия последствия агротехногенеза часто  сопровождаются масштабным загрязнением поверхностных и подземных вод, загрязнением и деградацией земель, частичным загрязнением атмосферы, хотя эти процессы выражены в меньшей степени, чем в вышеописанных антропогенных провинциях. Влияние агротехногенеза может быть прямым и косвенным. Прямое влияние связано с применением удобрений, а косвенное проявляется вследствие процессов гидромелиорации, эрозии почвы, обезлесения, опустынивания и других процессов деградации и трансформации ландшафтов. 

3. Методы  оценки воздействия  загрязнителей.

       Как уже говорилось, воздействие поллютантов может иметь обратимый или летальный характер на всех уровнях: начиная от повреждения клеточных структур, кончая гибелью всего организма. Также оно может распространяться, как и на один организм, так и на всю популяцию в целом, а через трофические цепи на всю экосистему и человека. Таким примером может служить глобальное распространение многих хлорорганических соединений.

         Для оценки поведения токсикантов  в организме используются различные  подходы и методы, основой для  которых служат знания биохимии и физиологии организмов, токсических механизмов, токсикологических реакций в организмах. Одним из основных приемов является рассмотрение взаимодействия между дозой и эффектом воздействия – количественная оценка. Для описания взаимосвязи используют «доза-эффект»-модели, в которых численное и графическое выражение взаимосвязи основывается на следующих предположениях: эффект является функцией от концентрации; концентрация является функцией дозы; эффект и доза причинно взаимосвязаны. Для понимания токсикологического воздействия большую значимость имеет время воздействия. При этом используют «время-эффект»-отношения. При изучении графиков зависимости эффекта от дозы можно видеть, что чем меньше доза, тем позже проявляется эффект и наоборот. Одним из критериев для оценки вредного воздействия является пороговая концентрация, для определения которой строят гипотетические кривые функции «доза-эффект». В большинстве случаев организмы подвергаются множественному воздействию загрязнителей, что существенно усложняет поставленные задачи. Поскольку воздействие поллютантов не останавливается на индивидууме, а проникает в высшие уровни организации биологических систем, то для оценки воздействия актуален такой метод, как анализ и прогноз любых системных изменений, который во многом определяется воздействием на отдельный организм. В рамках этого анализа устанавливается толерантность организма к загрязнению и вид воздействия (летальный или сублетальный). Так как многие поллютанты являются устойчивыми к окислению и гидролизу, что определяет долговременность их пребывания в экосистеме, и в основном представляют собой неполярные и липофильные (растворимые в неполярных органических растворителях и липидах живых организмов) соединения, то для количественной оценки липофильности используют октаноловый коэффициент, характеризующий распределение веществ в системе вода–октанол. Изучения показали, что вещества подверженные биоконцентрированию поглощаются из окружающей среды гораздо быстрей, чем выделяются в нее обратно. Также для количественной оценки используют индикаторные виды, нахождение которых характеризует условия загрязнения. Использование таких индикаторных видов позволяет отслеживать низкие концентрации поллютантов. Так как все организмы связаны в трофические цепи, то и анализ, проведенный с помощь одного индикаторного вида, может быть проверен на других звеньях цепи и быть выполнен с большей точностью.