Влияние фотооксидантов на живые организмы.

Аэробная атмосфера земли обладает огромным окислительным потенциалом, который определяет скорость окисления естественных и антропогенных компонентов. При этом ключевая роль принадлежит не молекулярному кислороду, а кислородсодержащим частицам, таким как радикал гидроксила, пероксидный радикал, атомарный кислород, озон, которые называют фотооксидантами, так как они образуются в реакциях, инициируемых солнечной энергией. От их наличия и состава зависит окислительно-восстановительный потенциал атмосферы.

Молекула кислорода представляет собой бирадикал с неспаренными электронами. Энергия диссоциации молекулярного (триплетного) кислорода (3О2) на атомы составляет 496 кДж/моль. Эта высокая величина служит кинетическим фактором относительной химической инертности кислорода, что является одной из причин нахождения кислорода в свободном состоянии в атмосфере.

Молекулярный синглетный кислород (1О2). Квант энергии молекулярный кислород может получать как из солнечного потока, так и заимствовать у сенсибилизатора, образуя энергетически активную синглетную форму молекулярного кислорода 3О2+hn®1О2.

Если происходит процесс образования молекулярного синглетного кислорода в биологических системах, то это может приводить к повреждению структуры биомембран, к гемолизу эритроцитов, инактивации ферментов, появлению загара и др. В стратосфере он образуется при фотолизе озона одновременно с атомарным кислородом О3+hn® 1О2+ О.

Атомарный кислород (О). [О(1D), O(3P)– его различные возбужденные состояния], в атмосферных процессах имеет гораздо более важное значение, так как участвует в образовании и разложении озона как в стратосфере, так и в тропосфере.

Гидроксильный радикал (НО•). Нитриты, находящиеся в воздухе в составе аэрозолей или на поверхности твердых частиц (пыли), за счет фотохимической реакции могут быть источником образования очень сильного окислителя гидроксильного радикала НОNО + hn® NО + НО. Гидроксильный радикал HO обладает высокой реакционной активностью и способствует очищению атмосферы, играя роль детергента, превращающего газы в растворимые вещества, которые легко удаляются из атмосферы с осадками.

Гидропероксидный радикал (НОО•) в тропосфере может образовываться за счет реакции НО• +Н2О2 ® НО2 • +Н2О.

Гидропероксид (Н2О2) это слабая кислота, которая в щелочной и ней тральной средах диссоциирует на протон и супероксидный радикал Н-О-О-Н ® О • 2 + 2Н.

Супероксидный радикал (О•2) может образовываться при переносе электрона на кислород. Это очень активная и высокотоксичная частица.

Таким образом в атмосфере присутствует шесть активных форм кислорода: озон O3, атомарный кислород О, гидроксильный радикал НО•, гидропероксидный радикал НО2 •, супероксидный радикал О • 2 и синглетный кислород 1О2.

Из всех упомянутых фотооксидантов в наибольших количествах в атмосфере Земли присутствует озон (О3) - это вещество, молекула которого состоит из трех атомов кислорода. В нормальных условиях озон представляет собой голубой газ.
При сжижении превращается в жидкость цвета индиго.
В твёрдом виде образует тёмно-синие, практически чёрные кристаллы. Увеличение концентрации озона в тропосфере связано с характерным изменением относительного содержания оксидов: оно начинается после того, как отношение концентраций NO2 и NO достигает максимума.

Озон определяющим образом влияет на общую окислительную способность. По происхождению тропосферный озон может быть экзогенным или эндогенным. Свыше 90% молекул озона образуется в стратосфере, главным образом над экваториальным и тропическим поясом, откуда он переносится по направлению к полюсам.

В тропосфере образование и разрушение молекул озона происходит в результате следующих циклических реакций:NО2 + hn® NО + O(3P), O(3P) + О2 + М ® О3+М*.В этом случае накопления озона не происходит, так как
процесс обратим.

Если же в воздухе будут находиться углеводороды, то они будут связывать NO и в атмосфере будет накапливаться О3: O3 + NO→ NO2 + O2.

Фотооксиданты оказывают на живые организмы прямое и косвенное воздействие. Первое из них связано с поглощением и химическим взаимодействием этих токсикантов с биомолекулами тканей. Сильнейшим из фотооксидантов является озон. Биохимическое действие озона обусловлено его высокой реакционной способностью по отношению к липопротеидам клеточных мембран и многих энзимов, имеющих в составе молекул двойные углерод-углеродные связи и сульфгидрильные группировки —SН. Повреждая мембраны, он влияет на скорость поглощения диоксида углерода из атмосферы листвой растений, поражает ткани легких животных. В клетках образуются свободные радикалы, легко вступающие в реакции с элементами биомолекул, при этом происходят процессы, аналогичные наблюдаемым под действием проникающей радиации.

В случае растений крайним проявлением фитотоксического эффекта служит образование некротических пятен на поверхности листвы, высыхание и опадение хвои. При массированном повреждении фотосинтезирующих органов происходит гибель растения. Если концентрации фотооксидантов в окружающем воздухе лежат ниже уровня острой токсичности, изменения не столь очевидны и драматичны. Они выражаются в уменьшении продуктивности фотосинтеза, снижении сопротивляемости болезням и насекомым-вредителям.

Это проявляется в снижении урожайности: в США около 90 % потерь урожая из-за загрязнения воздуха относят на счет озона. Экономический ущерб, причиняемый озоном сельскому хозяйству этой страны, ежегодно составляет более 2 млрд. долларов.

Длительное воздействие озона при концентрациях, типичных для воздуха многих городов мира, вызывает быстрое старение клеток животных. Озон оказывает негативное воздействие на многие полимерные материалы, в том числе резину, хлопчатобумажные ткани. Он взаимодействует и со многими красителями на основе синтетических органических соединений, используемыми в текстильной промышленности, с масляными красками и др. В результате изделия из этих материалов быстро теряют свою прочность, ткани постепенно изменяют свой цвет, появляется угроза утраты многих ценнейших произведений искусства, таких как картины и фрески. Преждевременное старение резины и тканей приносит огромные убытки.

Для увеличения сопротивляемости тканей и красителей действию фотооксидантов в их состав вводят в качестве добавок специальные вещества-антиоксиданты. К таким же мерам прибегают для увеличения срока службы изделий из резины, сильно страдающей от постоянного контакта с загрязненным озоном воздухом.

Значительное загрязнение воздуха городов фотооксидантами наблюдается в ряде стран: Японии, Англии, Италии, Голландии и др. Установлено присутствие этих веществ в воздухе некоторых городов СССР.Национальный норматив качества воздуха (1971 г.) для фотооксидантов (с поправкой на содержание Э02 и N02) составляет 160 мкг/м3 (0,08 млн-1) при осреднении за 1 ч. Эта величина не должна превышаться в течение 1 ч более одного раза в год. Как правило, нормирование предельного содержания оксидантов в атмосфере производится по озону.

Негативные эффекты в окружающей среде, вызываемые кислотными осаждениями и фотооксидантами, заметно переплетаются и взаимно усиливаются. Доказательством такого синергизма может служить деградация лесов на обширных территориях Европейского континента.

Анализ данных литературы и результатов собственных исследований позволяет считать, что содержание фотооксидантов в воздухе наших городов сейчас сравнительно невелико. Так, в городах СССР не наблюдается случаев фотохимического тумана. Однако, давая гигиеническую оценку этому новому фактору внешней среды с позиций ближайших перспектив автомобилизации, следует указать на необходимость дальнейшего углубленного изучения этой проблемы, особенно в южных городах страны с природно-климатическими условиями, благоприятствующими протеканию фотохимических процессов в загрязненной атмосфере.

Дата добавления: 2015-08-17