Анализ каменного угля, как источника попадания токсичных соединений в организм человека и сельскохозяйственных животных

Publication in electronic media: 11.11.2011 under http://journal.forens-lit.ru/node/470
Publication in print media: Актуальные вопросы судебной медицины и экспертной практики, Барнаул-Новосибирск 2011 Вып. 17

М.В. Бойченко, Г.А. Слащинин, Т.С. Шахворостова

г. Красноярск

На сегодняшний день основным источником загрязнения окружающей среды принято считать промышленные предприятия нефтеперерабатывающего и энергетического комплексов. Также большая роль в загрязнении окружающей среды фтором отводится таким промышленным гигантам, как Красноярский алюминиевый завод и Ачинский глиноземный комбинат. Считается, что основной вред, который могут наносить окружающей среде предприятия, работающие на твердом топливе (ТЭЦ, котельные) – это загрязнение прилегающих территорий продуктами неполного сгорания (окись углерода, пыль, сажа и др.). Однако, каменный уголь это довольно разнообразная биологическая структура, которая под действием высокой температуры может разлагаться и образовывать различные вещества, зачастую токсичные для окружающей среды. При его сжигании возникает сильный поток горячего воздуха, который разносит пыль и большое количество летучих соединений на большие территории, загрязняя их. Осевшие на почву соединения угля органического и неорганического происхождения, в дальнейшем, попадают в растения, а затем по пищевой цепи в организм животных, и как конечный результат, в организм человека.

Цель работы: Исследование основных путей распространения в окружающую среду вредных веществ, образующихся при сгорании каменного угля. Для ее достижения были поставлены следующие задачи: 1.Изучить возможный спектр токсических соединений, который содержится в воздухе при сгорании данного вида топлива. 2. Изучить содержание токсических металлов, которые могут выбрасываться в окружающую среду с пеплом и золой.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования был выбран каменный уголь, используемый в г. Ачинске и доставляемый из Балахты. Для определения летучих соединений проба угля измельчалась и подвергалась перегонке с водяным паром. Токсические компоненты извлекались хлороформом, который, в дальнейшем, исследовался с использованием метода хромато-массспектрометрии (ГХ/МС). Для исследования на содержание токсичных металлов (таких, как свинец, кадмий, медь и цинк), измельченная проба сжигалась при температуре 450°С, затем растворялась в смеси муравьиной кислоты и воды в соотношении 1:9. Полученный раствор исследовался вольтамперометрическим методом на приборе ТА-4. Кроме того, проводился отбор и исследование на наличие тяжелых металлов золы, полученной после промышленного сжигания каменного угля.

Результаты исследований и их обсуждение: В хлороформенном извлечении, подвергнутому хромато-масс-спектрометрическому анализу, наряду с «топливными компонентами» были обнаружены хлорированные бифенилы. Полихлорированные бифенилы (ПХБ) относятся к классу ароматических соединений, состоящих из двух бензольных колец, соединенных через межъядерную связь С-С и содержащие от одного до десяти атомов хлора. Всего существует 209 индивидуальных конгенеров ПХБ. По своим физико-химическим свойствам конгенеры ПХБ близки к диоксинам. Размеры молекулы (I) находятся в диапазоне 9-10,5Å в длину и около 3Å в ширину. ПХБ обладают рядом уникальных физических и химических свойств: исключительными теплофизическими и электроизоляционными характеристиками, термостойкостью, инертностью по отношению к кислотам и щелочам, огнестойкостью, хорошей растворимостью в жирах, маслах и органических растворителях, высокой совместимостью со смолами, отличной адгезионной способностью.

Это обуславливает их широкое применение в качестве диэлектриков в трансформаторах и конденсаторах, гидравлических жидкостях, в качестве теплоносителей и хладоагентов, смазочных масел, компонентов красок, лаков и клеевых составов, пластификаторов и наполнителей в пластмассах и эластомерах, антипиренов, растворителей. В основе промышленного получения ПХБ лежит заместительное хлорирование бифенила в присутствии катализатора электрофильного замещения (обычно Fe).

Уникальные технологические свойства, огромные объемы производства, заметная летучесть и растворимость и высочайшая химическая инертность привели к глобальному распространению ПХБ-содержащего оборудования и материалов и, как следствие, всеобъемлющему загрязнению этими веществами. Как это часто бывает, опасность ПХБ долгое время недооценивалась. Действительно, по своему острому токсикологическому воздействию, ПХБ идентичны другими веществам, относимым к четвертому классу опасности. Синтез ПХБ, как и других ароматических полихлорированных соединений, приводит в образованию самых опасных из известных человечеству химических веществ – полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов. Но и на этом не ограничивается опасность ПХБ, среди них имеются 12 конгенеров, воздействие которых на организм в 1997 году ВОЗ было признано аналогичным воздействию диоксинов.

На практике оказывается, что вклад диоксиноподобных ПХБ (ВОЗ-ПХБ) в общую токсичность (ДЭ-ВОЗ) зачастую не уступает и, даже, может превышать вклад ПХДД и ПХДФ.

Несмотря на это, в настоящее время отсутствует нормирование содержания диоксиноподобных бифенилов в продуктах питания или иных объектах, что, безусловно, является сдерживающим фактором в развитии мероприятий по контролю и снижению поступления ПХБ в организм человека. Крайне высокая стабильность ПХБ в окружающей среде и отсутствие действенных механизмов детоксикации, делает контроль качества продуктов питания практически единственным эффективным инструментом по защите здоровья населения.

Хорошо известно, что из пищевых продуктов наибольшие количества персистентных органических загрязнителей содержатся в рыбе, точнее в рыбьем жире. При этом загрязнители, содержащиеся в рыбе, могут попадать в пищу человека не только непосредственно с рыбой, но и с продукцией птицеводства или животноводства, где рыбная мука используется в качестве корма. В каменном угле бифенилхлориды могут образовываться путем хлорирования высококипящей каменноугольной смолы в присутствии катализатора. Если при этом в угле оказывается дифенил, то как раз и образуются хлорированные ди(би)фенилы.

При анализе угля на содержание токсичных металлов был получен следующий результат (табл. 1). Как видно из приведенных данных, в угле и золе содержится достаточно большое количество свинца – опасного токсиканта окружающей среды, обладающего большой степенью накопления. Таких металлов, как кадмий, медь и цинк в угле и золе, полученной при его сжигании, содержится фоновое количество.

Таблица 1. Анализ угля на содержание токсичных металлов.

Так же обращает на себя внимание и тот факт, что после сжигания содержание, например, свинца уменьшилось, по сравнению с исходной концентрацией в 4,9 раза, но полностью свинец не исчез. Это свидетельствует, что почти 80% свинца было выброшено в атмосферу и разнесено ветром на различные расстояния. Такое же уменьшение концентрации претерпели и другие металлы, загрязнив при этом, прилегающую к источнику выбросов территорию. Зола, полученная после сжигания, зачастую долгое время находится под открытым небом, что создает вероятность вымывания токсичных металлов из золы и попадания их в почву, вместе с дождевыми водами или другими осадками.

Таким образом, наши исследования показывают, что в летучих фракциях каменного угля могут содержаться достаточно токсичные вещества – хлорированные бифенилы, что требует дополнительных мер контроля за окружающей средой. Как свидетельствуют результаты анализов, уголь может содержать в себе довольно большое количество свинца, почти 80% которого может выбрасываться в атмосферу и загрязнять окружающие территории. Такое же действие оказывает процесс сжигания на остальные металлы. Так как зола может содержать остаточные количества токсичных металлов, то следует предусмотреть меры, препятствующие попаданию их в окружающую среду.