Воздействие оксидов азота на организм человека и растения
Воздействие оксидов азота на организм человека и
растения
Голдовская Л.Ф.
Оксид
азота (I), образующийся главным образом естественным путем, безвреден для
человека. Он представляет собой бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым
вкусом. Вдыхание небольших количеств N2O приводит к притуплению болевой
чувствительности, вследствие чего этот газ иногда в смеси с кислородом
применяют для наркоза. В малых количествах N2O вызывает чувство опьянения
(отсюда название «веселящий газ»). Вдыхание чистого N2O быстро вызывает
наркотическое состояние и удушье.
Оксид
азота NO и диоксид азота N2O в атмосфере встречаются вместе, поэтому чаще всего
оценивают их совместное воздействие на организм человека. Только вблизи от
источника выбросов отмечается высокая концентрация NO. При сгорании топлива в
автомобилях и в тепловых электростанциях примерно 90% оксидов азота образуется
в форме монооксида азота. Оставшиеся 10% приходятся на диоксид азота. Однако в
ходе химических реакций значительная часть NO превращается в N2O - гораздо
более опасное соединение. Монооксид азота NO представляет собой бесцветный газ.
Он не раздражает дыхательные пути, и поэтому человек может его не
почувствовать. При вдыхании NO, как и CO, связывается с гемоглобином. При этом
образуется нестойкое нитрозосоединение, которое быстро переходит в
метгемоглобин, при этом Fe2+ переходит в Fe3+. Ион Fe3+ не может обратимо
связывать O2 и таким образом выходит из процесса переноса кислорода. Концентрация
метгемоглобина в крови 60 – 70% считается летальной. Но такое предельное
значение может возникнуть только в закрытых помещениях, а на открытом воздухе
это невозможно.
По
мере удаления от источника выброса все большее количество NO превращается в NO2
- бурый, обладающий характерным неприятным запахом газ. Диоксид азота сильно
раздражает слизистые оболочки дыхательных путей. Вдыхание ядовитых паров
диоксида азота может привести к серьезному отравлению. Диоксид азота вызывает
сенсорные, функциональные и патологические эффекты. Рассмотрим некоторые из
них. К сенсорным эффектам можно отнести обонятельные и зрительные реакции
организма на воздействие NO2. Даже при малых концентрациях, составляющих всего
0,23 мг/м3, человек ощущает присутствие этого газа. Эта концентрация является
порогом обнаружения диоксида азота. Однако способность организма обнаруживать
NO2 пропадает после 10 минут вдыхания, но при этом ощущается чувство сухости и
першения в горле. Хотя и эти признаки исчезают при продолжительном воздействии
газа в концентрации, в 15 раз превышающей порог обнаружения. Таким образом, NO2
ослабляет обоняние.
Но
диоксид азота воздействует не только на обоняние, но и ослабляет ночное зрение
– способность глаза адаптироваться к темноте. Этот эффект же наблюдается при
концентрации 0,14 мг/м3, что, соответственно, ниже порога обнаружения.
Функциональным
эффектом, вызываемым диоксидом азота, является повышенное сопротивление
дыхательных путей. Иными словами, NO2 вызывает увеличение усилий, затрачиваемых
на дыхание. Эта реакция наблюдалась у здоровых людей при концентрации NO2 всего
0,056 мг/м3, что в четыре раза ниже порога обнаружения. А люди с хроническими
заболеваниями легких испытывают затрудненность дыхания уже при концентрации
0,038 мг/м3.
Патологические
эффекты проявляются в том, что NO2 делает человека более восприимчивым к
патогенам, вызывающим болезни дыхательных путей. У людей, подвергшихся
воздействию высоких концентраций диоксида азота, чаще наблюдаются катар верхних
дыхательных путей, бронхиты, круп и воспаление легких. Кроме того, диоксид
азота сам по себе может стать причиной заболеваний дыхательных путей. Попадая в
организм человека, NO2 при контакте с влагой образует азотистую и азотную
кислоты, которые разъедают стенки альвеол легких. При этом стенки альвеол и
кровеносных капилляров становятся настолько проницаемыми, что пропускают
сыворотку крови в полость легких. В этой жидкости растворяется вдыхаемый
воздух, образуя пену, препятствующую дальнейшему газообмену. Возникает отек
легких, который зачастую ведет к летальному исходу. Длительное воздействие
оксидов азота вызывает расширение клеток в корешках бронхов (тонких
разветвлениях воздушных путей альвеол), ухудшение сопротивляемости легких к
бактериям, а также расширение альвеол. Некоторые исследователи считают, что в
районах с высоким содержанием в атмосфере диоксида азота наблюдается повышенная
смертность от сердечных и раковых заболеваний.
Люди,
страдающие хроническими заболеваниями дыхательных путей (эмфиземой легких,
астмой) и сердечно-сосудистыми болезнями, могут быть более чувствительны к
прямым воздействиям NO2. У них легче развиваются осложнения (например,
воспаление легких) при кратковременных респираторных инфекциях. Полагают, что
около 10 – 15% населения США страдает хроническими респираторными
заболеваниями. Исходя из этого, в США установлен стандарт на содержание NO2 на
уровне, предохраняющем население от респираторных инфекций. Среднегодовой
стандарт качества воздуха в США предусматривает концентрацию NO2 0,1 мг/м3. Нет
данных на допустимое содержание NO2 в небольшие промежутки времени (например,
среднесуточную концентрацию). В Германии принята максимально допустимая
эмиссионная концентрация (МЭК) NO2 - 9 мг/м3. МЭК показывает, какая
концентрация вещества выбрасывается тем или иным источником в воздух. Измерение
концентрации выбросов производится непосредственно в потоке газов. Но следует
знать, что диоксид азота представляет собой опасность для здоровья человека,
даже если его концентрация в воздухе меньше МЭК, особенно при длительном
действии.
В
Украине установлены следующие экологические стандарты на содержание оксидов
азота в атмосферном воздухе населенных мест: для NO2 максимальная разовая
предельно допустимая концентрация (ПДКм.р.) составляет 0,085 мг/м3, а
среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДКс.с.) – 0,04 мг/м3; для NO
ПДКм.р = 0,4 мг/м3, ПДКс.с = 0,06 мг/м3.
Разрушающее
воздействие составляющих фотохимического смога на растения было обнаружено
раньше, чем подтверждено их влияние на здоровье людей.
Оксиды
азота NOx могут воздействовать на растения тремя путями:
прямым
контактом с растениями;
через
образующиеся в воздухе кислотные осадки;
косвенно
– путем фотохимического образования таких окислителей, как озон и ПАН.
Прямое
воздействие NOx на растения определяется визуально по пожелтению или побурению
листьев и игл, происходящему в результате окисления хлорофилла. Окисление
жирных кислот в растениях, происходящее одновременно с окислением хлорофилла,
кроме того, приводит к разрушению мембран и некрозу. Образующаяся при этом в
клетках азотистая кислота оказывает мутагенное действие. Отрицательное
биологическое воздействие NOx на растения проявляется в обесцвечивании листьев,
увядании цветков, прекращении плодоношения и роста. Такое действие объясняется
образованием кислот при растворении оксидов азота в межклеточной и
внутриклеточной жидкостях.
Ботаники
считают, что первоначальные симптомы повреждения растений оксидами азота
проявляются в беспорядочном распространении обесцвечивающих пятен серо-зеленого
оттенка. Эти пятна постепенно грубеют, высыхают и становятся белыми. Оксиды
азота токсичны при концентрации 3 млн-1. Для сравнения: сернистый газ вызывает
поражение растений при большей концентрации (5 млн-1).
Нарушения
роста растений при воздействии NO2 наблюдаются при концентрациях 0,35 мг/м3 и
выше. Это значение является предельной концентрацией. Опасность повреждения
растительности диоксидом азота существует только в больших городах и
промышленных районах, где средняя концентрация NO2 составляет 0,2 – 0,3 мг/м3.
Растения
более устойчивы (по сравнению с человеком) к воздействию чистого диоксида
азота. Это объясняется особенностями усвоения NO2, который восстанавливается в
хлоропластах и в качестве NH2- группы входит в аминокислоты. При концентрации
0,17 – 0,18 мг/м3 оксиды азота используются растениями в качестве удобрений.
Эта способность к метаболизированию NOx человеку не присуща.
Разрушительное
действие NO2 на растения усиливается в присутствии диоксида серы. Это
подтверждено на опытах, проведенных со следующими породами деревьев: тополь
черный, береза плакучая, ольха белая, липа мелколистная. Эти газы обладают
синергизмом, и в атмосфере зачастую присутствуют вместе. В то время как
действие одного диоксида азота многие растения переносят в концентрации до 0,35
мг/м3, в присутствии диоксида серы такое же количество NO2 может нанести им
ущерб.
Озон
и пероксоацилнитраты (ПАН) – сильные окислители. Они оказывают влияние на
метаболизм, рост и энергетические процессы в растениях, ингибируя многие
ферментативные реакции, например, синтез гликолипидов, полисахаридов стенок
клетки, целлюлозы и т.д. Озон и ПАН также влияют на процесс фотосинтеза.
Озон
значительно токсичнее оксидов азота при действии на растения. Для них он
токсичен при концентрации 0,2 млн-1. Чувствительные виды растений уже после
часовой обработки озоном при концентрации 0,05 – 0,1 мг/м3 проявляются признаки
угнетения (белая или коричневая крапчатость). Озон также изменяет структуру
клеточных мембран, вследствие чего можно наблюдать серебристую пятнистость
листьев. При воздействии озона также окисляются пигменты и листья
обесцвечиваются. На глянцевом слое кожицы листьев и игл проявляются трещины, и
лист становится хрупким. Кроме того, в трещинах могут прорастать грибные споры,
проникающие затем вглубь листа и разрушающие его. Этот инфекционный процесс
является одной из причин гибели лесов.
При
окислительных процессах в клетке растений может выделяться этилен, вызывающий
опадание листьев и игл. Результатом воздействия высоких концентраций озона
является штриховая исчерченность листьев. Установлено, что озон влияет на
цитрусовые, приводит к чрезмерно раннему созреванию плодов и опаданию их до
достижения нормальных размеров. Специальное исследование, проведенное с
четырьмя видами сельскохозяйственных растений (соя, кукуруза, пшеница и
земляной орех), показало, что загрязнение воздуха озоном приводит к потере
урожая.
Таким
образом, признаки повреждений, вызванных NO2 и O3, визуально диагностируются.
Однако следует учитывать, что в естественных условиях, эти газы действуют на
растения не по отдельности, а комплексно в сложной смеси с другими
загрязнителями, поэтому идентификацию воздействия провести трудно. ПАН
становится физиологически активным только при освещении. Фотолитически он
распадается на и пероксоацетил-радикал, который окисляя, разрушает пигменты
растений. В заключении следует отметить, что фотохимические окислители
оказывают наибольшее воздействие на салатные культуры, бобы, свеклу, злаки,
виноград и декоративные насаждения. Сначала на листьях образуется водное
набухание. Через некоторое время нижние поверхности листьев приобретают
серебристый или бронзовый оттенок, а верхние становятся пятнистыми с белым
налетом. Затем наступает быстрое увядание и гибель листьев.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://masters.donntu.edu.ua