Для количественной эколого-геохимической оценки состояния окружающей нас природной среды, особенно для принятия определенных (в том числе административных) мер по недопущению ее загрязнения конкретными поллютантами или по ее улучшению, необходимо знать контрольные значения содержаний загрязняющих веществ, начиная с которых дальнейшая концентрация поллютантов должна считаться неприемлемой для безопасной жизнедеятельности. Такие контрольные значения содержания каждого загрязняющего вещества должны устанавливаться для почв, воздуха, подземных и поверхностных вод, растений (в первую очередь для сельскохозяйственных культур, употребляемых в пищу).
В соответствии с законом развития эколого-геохимических изменений в геохимическом ландшафте (см. гл. 6) изменение концентрации загрязняющих веществ в какой-либо части ландшафта несомненно отразится на всех его частях. Однако, учитывая природную консервативность, этот процесс может затянуться на годы. Загрязнение же такой части ландшафта, как, например, атмосфера может сказаться на состоянии (и даже
199
существовании) живых организмов, включая человека, гораздо раньше. Консервативность биосферы и предопределила установление во многих странах в качестве нормирующих показателей безопасности жизнедеятельности контрольных значений, называемых предельно допустимыми концентрациями (ПДК). Единые ПДК были введены в свое время и для такой громадной территории, как СССР, а затем – для России. Для части из них, регламентируемой с позиций времени пребывания человека в данном месте, учитывались "предельно безвредные для человека" содержания отдельных химических веществ, в том числе техногенных, не имеющих природных аналогов.
Кроме ПДК, используют и такой (тоже нормирующий) показатель, как предельно допустимые выбросы (ПДВ) – допустимое количество выбросов отдельным источником загрязняющих веществ в единицу времени. Теоретически повышение ПДВ сопровождается последующим превышением ПДК в среде, окружающей рассматриваемый источник загрязнения. К сожалению, при разработке общих для огромных территорий ПДВ не учитывались ландшафтно-геохимические особенности и история геологического (геохимического) развития отдельных участков загрязняемой территории хотя бы за последние миллионы лет. В соответствии же с одним из законов развития антропогенных изменений в биосфере (см. гл. 6) поведение загрязняющих веществ (концентрация, рассеяние, особенности распределения), поступивших в результате техногенеза в биосферу, а во многих случаях и их форма нахождения определяются конкретными ландшафтно-геохимическими условиями загрязняемой территории.
Кроме того, при установлении ПДВ не учитывается все многообразие возможных сочетаний совместного расположения источников загрязнения. Таким образом, предельно допустимые выбросы в целом представляют собой "средневыдуманную нормирующую величину", которая должна была бы ограничить количество выбросов до концентраций, не приводящих в конечном итоге к превышению в окружающей среде ПДК.
Для людей тяжелые, а главное, наиболее быстро сказывающиеся последствия загрязнения обычно связаны с аномальными концентрациями отравляющих веществ в воздухе и питьевой воде. Однако эти концентрации, как правило, в рассматриваемых частях биосферы сохраняются непродолжительное время. Техника очищения воздуха и воды относительно проста, а кроме того, для них во многих природных и даже в некоторых техногенных ландшафтах характерен процесс самоочищения.
200
Большинство загрязняющих веществ гораздо дольше сохраняется в почвах, которые в последующем сами могут стать источниками загрязнения атмосферы, воды, растительных и животных организмов. Именно поэтому особое внимание всегда уделяется вопросам, связанным с возможностью использования ПДК для почв. Однако проблема возможности использования ПДК для почв и проблема объективности этих нормирующих критериев, как правило, аналогичны и для остальных частей геохимических ландшафтов.
С точки зрения экологической геохимии, да и экологии вообще, ПДК можно использовать в практической деятельности лишь как предварительные показатели-ориентиры. Вероятно, они особо необходимы в странах с низкой экологической культурой и на первых этапах исследований в новых регионах. Однако их широкое использование при оценке состояния окружающей среды часто невозможно по целому ряду объективных причин. Отметим только важнейшие из них:
1. В своем настоящем виде ПДК рассматриваются как нормы содержаний различных веществ в среде, окружающей человека, при которых он может считать безопасным свое существование в определенных участках биосферы. При этом под существованием подразумевается проживание, или только нахождение во время работы в районах, для которых эти ПДК определены. Подразумевается также использование продуктов и воды, для которых установлены ПДК.
Однако учтем, что собственно критерий ПДК появился и им начали пользоваться только в последние десятилетия. А к настоящему времени достоверно известно, что последствия многих видов загрязнения (например, силикоз) проявляются через 10-летия после нахождения в загрязненной зоне. Естественно, что большинство поздносказывающихся последствий загрязнения не могло быть учтено. Положение усугубляется тем, что многих видов загрязнения несколько десятилетий назад не существовало, а на многие не обращалось внимания.
Определенные вещества вызывают генетические изменения. Последствия загрязнения такими поллютантами в полной мере могут сказаться только на последующих поколениях. Многие вещества, а тем более их опасные концентрации даже не могли быть учтены при установлении ПДК, хотя эти вещества следует относить к наиболее опасным поллютантам.
Сказанное позволяет рассматривать ПДК только как один и далеко не самый важный показатель лишь быстрого воздействия на человеческий организм некоторых (и не самых опасных) загрязнителей окружающей среды.
201
2. Совершенно не ясны и практически не учтены в ПДК последствия совместного воздействия на человека различных химических элементов (а тем более их различных токсичных соединений), находящихся в самых различных концентрациях. С одной стороны, ассоциация основных антропогенных загрязняющих веществ известна. В соответствии с законом ассоциаций химических элементов, образующих крупные техногенные геохимические аномалии, она определяется в основном уровнем развития науки и техники в период загрязнения.
Однако с другой стороны, учесть все возможные комбинации совместного воздействия этих поллютантов, к тому же находящихся в разных концентрациях, практически невозможно. К настоящему времени нет даже работ, рассматривающих суммарное влияние на организмы группы химических элементов с различными аномальными (повышенными и пониженными) концентрациями.
Ряд химических элементов при их недостатке в среде (или продуктах питания) замещаются своими геохимическими аналогами, если содержание последних достаточно велико. При этом возникают многие довольно тяжелые болезни у растительных и животных (включая человека) организмов. К настоящему времени с этих позиций наиболее известны пары элементов Ca-Sr, Ba; S-Se. Так, уровская болезнь (поражение скелета человека и животных – искривление позвоночника, поражение суставов, ломкость костей, выпадение зубов и т.д.) характерна лишь для районов с пониженным содержанием Са при избытке Ва, и особенно Sr.
В районах с повышенным содержанием в почвах Se, переходящего в растения, наблюдается специфическое отравление этим элементом, получившее название алкалоз. Так, при концентрации в зерне селена около 12 мг/кг поедающие его крысы, кролики, крупный рогатый скот, лошади через несколько месяцев умирали. Вскрытие показало поражение печени, а в некоторых случаях – почек, сердца и селезенки. Однако внесение в эти почвы кристаллической серы (и даже гипса) при том же содержании селена уменьшило концентрацию последнего в зерне с 12 до 4 мг/кг.
Таким образом, для геохимически подобных друг другу элементов чрезвычайно важно относительное (по сравнению со средним) содержание каждого из них, так как одна и та же концентрация одного из них в одном случае токсична, а в других – совершенно безвредна. И это тоже необходимо учитывать в ПДК, иначе возможны большие ошибки, приводящие к ненужным затратам и заболеваниям людей.
202
В 1969 г. В.А. Алексеенко было установлено, что потребность во многих металлах контролируется особенностями биогеохимической связи между химическими элементами в каждом организме. Справедливость этой закономерности четко прослеживается в растениях прежде всего для Рb, Сu и Mo; Be, Bi и К, Na, Si.
Такие особенности потребления организмами отдельных элементов в резко повышенных или пониженных количествах при их неизменном и невысоком содержании в окружающей среде в зависимости от изменения концентрации других элементов сопровождаются болезнями организмов и как бы "наследуются" в процессе перемещения по трофической цепи. Это широко развитое для отдельных элементов явление также совершенно не отражено в ПДК, хотя очень сильно влияет на организмы.
Все рассмотренное, с позиции совместного токсичного воздействия нескольких химических элементов, делает практически даже невозможной разработку ПДК для больших территорий, включая отдельные районы (и даже целые геохимические провинции) с повышенными или пониженными местными фоновыми содержаниями.
3. Токсичность химических элементов (их соединений) зависит не только от концентрации, но и от формы, а часто – и от вида их нахождения в биосфере. Так, в почвах большинство химических элементов находится в минеральной форме. При этом, чем минерал труднее растворим, тем менее доступны организмам составляющие его химические элементы, а следовательно, меньше их токсичное воздействие даже при высоких концентрациях. Например, натрий будет более доступным и токсичным при высоких концентрациях в почвенных растворах, а не в минералах. Однако и в разных минералах он будет обладать разной степенью доступности, поскольку, в частности, галит (NaCl) растворим, а жадеит (NaAlSi2O6) – нет. Подобных примеров можно привести очень много.
Учесть в ПДК все формы, а тем более конкретные виды, в которых находятся элементы, практически невозможно. Кроме того, растворимость многих соединений определяется щелочностью среды, температурой и еще целым рядом изменяющихся в биосфере ландшафтно-геохимических факторов.
4. Природное распределение химических элементов в различных типах горных пород отличается крайней неравномерностью. (А как уже указывалось, любой химический элемент, попадающий в организм, при определенной концентрации и форме нахождения может стать токсичным.) Горные
203
породы во многом обусловливают состав формирующихся на них (и за их счет) почв, вод, растительных и животных организмов. К неравномерности распределения элементов в породах, а точнее – к вполне определенным концентрациям химических элементов в конкретных породах отдельных регионов "привыкли" живые организмы (от простейших до высших), по крайней мере за миллион лет (четвертичный период). В некоторых регионах такое "привыкание" и эволюция происходили не один, а многие миллионы лет.
Как пример возникновения резких геохимических отличий существования организмов можно рассмотреть участки биосферы с карбонатными и ультраосновными горными породами. В первых содержание Сr и Со соответственно в 100 и 1500 раз меньше, чем во вторых. Отличаются эти породы (хотя и не столь контрастно) содержанием и других элементов.
Весьма существенны геохимические отличия и между другими типами горных пород. Конечно же, геохимические особенности пород, преимущественно распространенных в отдельных регионах, вызвали в их пределах естественный отбор определенных организмов. Так, по наблюдениям С.М. Ткалича на Сахалине над угленосными пластами произрастают лиственные ольхово-березовые леса, а над вмещающими их породами – хвойные. Над кимберлитами в Сибири лиственничники и ольховники обитают на фоне лишайниковых редколесий (А.Н. Лукачева, 1960).
А теперь вернемся к двум упомянутым элементам (Со и Сr) в почвах. Для Со ПДК составляет 0,005%, для Сr – 0,01%. Соответственно их кларковые содержания в ультраосновных породах – 0,015% и 0,16%. Природа перечеркивает эти ПДК для районов с ультраосновными породами, где обломки коренных горных пород даже в почвенном горизонте С следует рассматривать как очаги интенсивного загрязнения. Но сравним эти же ПДК с кларком в карбонатных толщах (соответственно 0,00001% и 0,0011%), и картина резко изменится. В этом случае содержание в почвообразующих породах Со в 500 раз меньше предельно допустимого, а Сr – почти в 10 раз.
Вряд ли организмы будут нормально развиваться, если в почвенных горизонтах А и В содержание Со будет в 500 раз выше, чем в горизонте С. (А ПДК предопределяют именно такую картину.) К тому же нужно учесть, что расстояние между горизонтами по вертикали может быть не больше первых двух десятков сантиметров. Во всех подобных случаях меняется содержание (пусть хоть не так контрастно) и еще многих элементов.
Таким образом, с точки зрения геохимии природных образований выбрать для всех участков биосферы (или даже для такой большой страны,
204
как Россия) единые ПДК невозможно, а ориентирование на предлагаемые цифры без учета конкретной ландшафтно-геохимической обстановки может привести к экологическим осложнениям, вплоть до катастроф.
5. Особо следует учесть, что для всех живых организмов (включая человека) нет "полезных" и "вредных" химических элементов. Для нормального развития организма необходимы все элементы, но только в определенных концентрациях и формах нахождения в различных частях биосферы.
Как известно, элементы, находящиеся в таблице Д.И. Менделеева ниже линии питательных веществ, даже при незначительном повышении концентрации очень быстро становятся токсичными.
Резко пониженные содержания элементов также вызывают различные болезни живых организмов, включая человека. Вспомним J, F и ряд других элементов, недостаток которых уже учитывается даже в обыденной жизни (фторирование воды и зубной пасты, иодирование соли и т.д.).
Оценивая как токсичность химических элементов (при определенных высоких концентрациях), так и последствия их недостаточно высокой концентрации, следует помнить о влиянии на организмы значений абсолютного разброса химических элементов, установившегося на континентах после образования осадочных пород и почв. Существенное техногенное увеличение или уменьшение содержаний химических элементов в первую очередь может негативно сказаться на развитии организмов для следующих элементов: Bi (1,43), Аg (2,9), W (3,67), J (4), Be (6), Аu (6), Вr (6,2), Р (6,47), Zn (8,67) (в скобках приведены значения АР).
Таким образом, при определении нормирующих показателей для каждого из химических элементов следует учитывать максимальную и минимальную их концентрации, которые ограничивают содержания, определяющие условия наиболее оптимального развития организмов.
6. В последние десятилетия все большую роль в биосфере начинают играть техногенные соединения, не имеющие природных аналогов. Токсичность и время ее проявления для многих из них еще не известна. Пока ясно, что они "чужды конкретным природным условиям", что их количество поддается учету (что и необходимо делать), что особенности их разложения и свойства продуктов разложения следует изучать. Наверное, уже классическим примером стало изучение фреона и продуктов его разложения, влияющих на мощность озонового слоя, а в конечном итоге – на выживание организмов. ПДК для большинства техногенных соединений нет и в ближайшее время их невозможно определить.
205
7. ПДК учитывают токсичность элементов (или их определенных соединений) по отношению к человеку. При этом не принимается во внимание их воздействие на другие организмы, в том числе и микро, а также то, что биосфера – это особая биокосная система, в которой тесно связаны и взаимообусловлены живые организмы и косное (минеральное) вещество. Изменения косного вещества (концентраций, форм нахождения, закономерностей распределения и т.д.) в определенном районе несомненно сказываются на каких-то (может быть немногих из находящихся в этом районе) организмах. Ими могут быть вирусы, бактерии, растения, грибы или животные. Непосредственно для людей эти изменения могут быть в первое время безвредными. Но гибель или мутация определенных видов организмов несомненно скажутся на остальных организмах. В биосфере все организмы связаны между собой, а человек составляет часть биосферы. Выделение каких-либо ПДК только для человека – по крайней мере бессмысленно. Загрязняя биосферу или ее отдельные части веществами, вызывающими смерть или болезни и мутации определенных организмов, но "безвредными" на каком-либо первом промежутке времени для человека, мы создаем бомбу замедленного действия. Раньше или позже эта бомба взорвется.
206
