Экологический риск: источники, методы оценки и управление

       В токсикологии и химии окружающей среды существуют различные методы и приемы, связанные с введением  различных стандартов (ПДК или ориентировочно допустимое содержание поллютантов в различных средах). Они нужны для предотвращения обратимых или необратимых нарушений биогеохимии ландшафтов посредством снижения антропогенных нагрузок. Эти приемы основаны в основном на моделировании природных условий с экспериментальными животными. Они применяются при изучении воздушного загрязнения и при его контролировании. Как известно, время существования азота, серы, тяжелых металлов в атмосфере составляет примерно 5-7 дней, что абсолютно достаточно для переноса этих элементов на огромные расстояния посредством воздушных масс. Таким образом, преобладающий на европейской территории России западный перенос воздушных масс приводит к аккумуляции поллютантов на востоке. Аэрозоли элементов, попадая в  атмосферу, соединяются с парами воды и могут выпадать в виде осадков. Так, азот и сера при гидролизации образуют кислоты. Примером может служить выпадение кислотных дождей  на европейской части России, происходящее от источников, расположенных в Центральной и западной Европе (40%  оксидов азота принесено). А на азиатской территории влияние европейских источников прослеживается вплоть до озера Байкал. В связи с растущим экономическим потенциалом выбросы серы и азота продолжают увеличиваться в Китае, что отражается на экологической ситуации во всей Восточной Азии  - Северная и Южная Корея, Япония, Российский Дальний Восток, Монголия и другие страны. Также к потенциально опасным эмиссионным газам относятся аммонийные соединения азота, оксиды серы и тяжелых металлов. Таким образом, контролирование атмосферного загрязнения есть дело транснациональное, и экологическая обстановка каждого государства определяется не только личным характером производства, но и окружающих государств. Первым соглашением о контроле трансграничного загрязнения воздуха стала Конвекция ООН о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния в 1979 году, согласно которой страны согласились сократить на 30% к 1993году выбросы соединений серы. Конвенцию подписали 32 европейских государства, США, Канада.  А в 1988 году подписано соглашение о замораживании эмиссии оксидов азота. Первой концепцией по уменьшению выбросов стало плавное сокращение эмиссии серы, что не везде привело к положительным результатам.

         К концу 80х годов был предложен новый метод по оптимизации соотношения между получаемой экологической выгодой от сокращения эмиссии поллютантов и экономическими затратами – методология критических нагрузок. Она предлагала сокращать эмиссию серы поэтапно. Согласно В. Н. Башкину,  в основе концепции критических нагрузок лежит предположение о некоторой пороговой величине – пороге поступления загрязнителя, превышение которого приведет к необратимым изменениям в структуре функционирования экосистемы. Если концентрация ниже этого порога, то вредного воздействия на экосистему не наблюдается. Таким образом, для создания нормального развития природных экосистем необходимо обеспечить поступление загрязнителя в количестве меньшем допустимых норм. А при превышении  допустимых норм надо дать оценку этому превышению с целью снижения вредного воздействия.

       Концепция критических нагрузок также предусматривает  достижение максимальной экологической  выгоды при сокращении эмиссии поллютантов, поскольку показывает оценку дифференциальной чувствительности различных экосистем к атмотехногенным выпадениям поллютантов, включая кислые дожди. С помощью расчетов и картографирования критических нагрузок создают оптимизационные эколого-экономические модели с соответствующей оценкой минимальных экологических вложений для достижений максимального экологического результата, что особенно важно в континентальном масштабе. Величины критических нагрузок могут быть рассмотрены в качестве биогеохимических стандартов для оценки допустимого антропогенного воздействия на экосистемы различного уровня, а их превышения  - мерой  экологогеохимического риска антропогенной деятельности на данной территории.

       В основе расчетов критических нагрузок, как в любом анализе,  должна находиться определенная схема, согласно которой они производятся. При оценке воздействия поллютантов В.Н. Башкин выделяет два основных подхода: один строится на оценке различия между актуальными и критическими нагрузками, а второй на установлении различия между современным содержанием поллютанта в экосистеме, скоростью его поступления с атмотехногенными выпадениями и на расчете времени достижения ПДК, установленной для данного поллютанта. Эти два подхода схожи в своей сути, но второй подход почти не учитывает характеристики систем и их географическую привязку.

       Таким образом, можно заметить огромное значение расчетов критических нагрузок при  оценке экологического риска, так как  она представляет собой процесс  количественной оценки вероятности  воздействия поллютантов на здоровье человека и экосистему в целом. Количественная оценка риска возможна только при соблюдении последовательности описанной ниже схемы. Она включает в себя следующие стадии: идентификация опасности; учет опасности (определение потоков загрязнителей и границ их распространения, переноса и рассеивания); оценка воздействий (обратимость – необратимость,  доза-эффект взаимодействия, отклик системы и т.д.); характеристика риска; управление риском. В книге В.Н. Башкина эта схема рассматривается на примере подкисления почв в результате выпадения кислых дождей. Рассматривая эту схему можно прийти к выводу, что на уровне идентификации вредного воздействия  необходимо создать концептуальную модель, в основе которой будет характеристика загрязнителей, экосистем и наносимых эффектов. При анализе путей воздействия необходимо изучить характеристики поступлений и воздействий, собрать показатели для характеристики  почв, растительности, горных пород, гидрогеологии и гидрохимии вод, оценить биогеохимические циклы элементов в различных экосистемах, а также характеристики воздействия кислых выпадений на экосистемы, проявляющегося в накоплении свободного алюминия, потере биоразнообразия и гибели различных организмов. При описании характеристики риска рассчитываются величины критических нагрузок азота, серы и кислотности на наземные и водные экосистемы, сравниваются с настоящими выпадениями.  Последней стадией является выбор и применение мер по уменьшению риска – управление риском. Оно включает в себя разработку и использование эколого-экономических оптимизационных  моделей как на локальном и региональном уровне, так на национальном и транснациональном.

       Одним из наиболее актуальных методов оценки,  в связи с обширной антропогенной  деятельностью в биосфере, является оценка воздействия химических соединений на здоровье человека в различных средах. В связи с увеличением техногенных потоков различных загрязнителей быстро меняются биогеохимические условия среды. Человеческий организм  не всегда успевает за этими изменениями, что приводит к увеличению заболеваний, смертности, уменьшению продолжительности жизни. В ходе своей эволюции человеческое общество адаптировалось к определенным условиям среды, в которой оно проживало. Наиболее лимитирующими факторами являются температура и влажность, а в умеренном поясе возрастает роль биогеохимических факторов, таких как химический состав гидросферы, атмосферы и литосферы. В различных исследованиях выявлена четкая взаимосвязь организма человека с микроэлементным ставом биосферы. Наиболее ярко она проявляется в виде эндемических заболеваний, связанных с недостатком, избытком или дисбалансом микроэлементов. Например, известно, что при равном поступлении меди в организм человека обнаруживается более высокая ее концентрация в тканях новорожденных, а всасыванию меди способствует кальций, который в наибольшей степени представлен в детском рационе. Изменение химического состава гидросферы приводит к изменениям реакций, протекающих в почвах, горных породах и в подземных и поверхностных водах, которые сопровождаются негативным  влиянием на здоровье человека. Наиболее важными из химических элементов, присутствующих в питьевой воде, являются натрий, кальций, магний, калий, кремний, фтор, сульфат, хлорид, нитрат, цинк, фосфор, медь, железо, ванадий, никель, сера, кобальт, хром. Важность этих элементов известна при концентрациях, не превышающих предельную  допустимую концентрацию (ПДК).  Также ПДК установлены и для других элементов, влияние которых нельзя назвать негативным, но может вызывать отрицательный эффект при передозировке. Также на здоровье человека влияют природные геохимические факторы, что связано с реакциями, протекающими в горных породах с грунтовыми водами. Результатом могут являться растворение карбонатов и силикатов кислыми водами, что приводит к повышению концентрации этих элементов в природных водах и др. Кислые воды также способствуют мобилизации токсичных металлов и попадании их в природные воды, а далее и в организм человека. Жесткость воды, определяющаяся высоким содержанием кальция и магния, оказывает токсичное воздействие в виде сердечнососудистых заболеваний, а избыток натрия способствует повышению артериального давления. В Центрально-Черноземном регионе России выявлена корреляция между жесткостью воды и развитием раковых заболеваний. 

4.  Воздействие различных химических элементов.

         В.Н. Башкин рассматривает   влияние конкретных элементов  на биогеохимические циклы и  здоровье человека.

       Нитраты оказывают токсичное воздействие, находясь в избытке. Результатом  могут являться заболевания метгемоглобинемией и раком желудка. Восстанавливаясь до нитритов в щелочной обстановке в желудке младенцев, они восстанавливают гемоглобин, лишая его способности переносить кислород. Токсичное воздействие оказывает нитрозамины, вызывающие раковые заболевания.

       Тяжелые металлы металлоиды могут накапливаться в окружающей среде как природным, так и антропогенным путем. Вредное воздействие на среду связано с ферментативными реакциями. Ртуть вызывает неврологические симптомы, умственные расстройства, потеря координации движений. Неорганические соли ртути вызывает повреждение почек. Скорость выведения ртути из организма очень низкая, что может привести к длительным заболеваниям и к смерти.

         Свинец поступает в организм  человека с пищей и водой  и действует как яд, замещаясь  на кальций в костях человека. А время выведения его из организма от 5 до 20 лет. Он вызывает чувство усталости, раздражительности, анемии, поведенческое отклонение и снижение умственного развития. Установлено, что природная растворимость свинца в мягких водах намного выше, чем в жестких водах.

       Кадмий  остро токсичен и симптомы отравления связаны с рвотой, затруднением дыхания  и потерей сознания при высоких  дозах. При длительном хроническом  воздействии кадмия наблюдается  анемия, анесмия, нарушение сердечнососудистой и нервной системы, блокирует усвоение жизненно важных меди и цинка. Потребление обычно происходит через воздух и с пищей.

       Железо  и марганец, наоборот, необходимы для  развития организма, но они токсичны при высоких концентрациях.

       Мышьяк  является ядом и канцерогеном. Его токсичное действие связано с нарушением пигментации кожи, расстройства периферических сосудов и различных форм рака. Мышьяк попадает в организм с пищей и водой. Восстановленные формы мышьяка наиболее токсичны. Он легко сорбируется гидроксидами железа и алюминия. Высокие концентрации мышьяка в природных водах приурочены к зонам распространения природных сульфидов – пиритов и арсенопиритов.

       Некоторые жизненно важные элементы находятся  в дефиците, что обусловлено биогеохимией территории. Недостаток таких элементов, как селен, йод и фтор в природных водах приводит к локальным заболеваниям населения, закономерно распределенных на планете.

       Недостаток  селена в организме человека приводит к серьезным заболеваниям сердечной  системы, дегенерации мышечных тканей, задержке роста, нарушению процессов деторождения у женщин, анемии и болезни легких. Но при избытке (более 10 мг/день) могут возникать проблемы с желудочно-кишечным трактом, обесцвечивание кожи и разрушение эмали зубов. Его геохимия сходна с геохимией серы: высокое содержание наблюдается в Ферганской долине, Калифорнии и Китае.

       Взаимосвязь между дефицитом йода в пище и  воде и эндемическим распространением зобовой болезни отмечал еще  Виноградов по геохимическому районированию. В России регионы с недостаточным количеством йода приурочены к черноземному лесостепному и степному биогеохимическому региону. Основной источник йода  - морская вода, где его среднее содержание составляет 58 мкг/л. Дополнительными источниками являются выходы подземных вод, извержения вулканов, антропогенные выбросы (из-за использования гербицидов, фунгицидов, стерилиантов, в фармацевтике и пищевой индустрии). Содержание йода повышено в почве относительно горных пород, так как почва является его геохимическим барьером. Недостаток йода в последнее время наблюдается в горных районах Гималаев и Анд, где отсутствуют прямые воздушные контакты с океаном, откуда приносится йод воздушным путем.

       Нормальное  содержание фтора в организме  обеспечивает нормальное развитие зубной эмали,  его недостаток приводит к кариесу, а избыток к флюорозису зубов. Установленная ПДК для фтора в питьевой воде – 1,5 мг/л. Геохимия этого элемента в основном определяется его равновесными взаимодействиями.  Наибольшее содержание фтора наблюдается в районах растворения апатитов, флюоритов и других пород, содержащих фтор. 

5. Управление  экологическими рисками.

В.Н. Башкин в  своей книге «Управление экологическим  риском» рассматривает управление рисками в различных и антропогенных системах.

              Управление экологическим риском в промышленности и энергетике.

       Загрязнение экосистемы в городских условиях складывается под воздействием целого комплекса промышленных предприятий, а поведение и распространение продуктов производства происходит под действием многих факторов. Степень экологического риска в таком случае зависит от времени жизни поллютантов в атмосфере. При расчете распространения выбросов от стационарных источников, на долю которых в Москве приходится 11% по массе загрязняющих веществ, необходимо учитывать объем загрязнения и высоту трубы и эффект совместного действия нескольких загрязнителей. Управление экологическими рисками в урбанизированных системах основывается на двух подходах: управление выбросами загрязняющих веществ на конечной стадии производства  и системная перестройка производственного цикла. Второй подход подразумевает полностью цикличное безотходное производство на основе нескольких технологических подходов: экономия сырья, материалов и энергии; увеличение степени использования промышленного продукта; извлечение полезных продуктов из промышленных отходов.