CC BY
3
/
^УДК 614.79:1614.71:632.951
Е. И. Гокчарук, Т. Э. Липатова, И. И. Филатова
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПОВЫШЕННЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ
ПЕСТИЦИДОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОЛЯХ
Киевский медицинский институт им. акад. А. А. Богомольца
Повышенные концентрации пестицидов в приземном слое атмосферного воздуха сельскохозяйственных полей могут возникать в результате сорбции молекул пестицидов, испарившихся с поверхности почвы, на капельках воды тумана, образующихся в летний период при определенных метеорологических условиях с возникновением точки росы. В этих условиях концентрация пестицидов в атмосферном воздухе^ может в несколько раз превышать - максимально ^возможную концентрацию, определенную по Давлению насыщенного пара. При этом давление насыщенного пара определяется не температурой воздуха, а температурой почвы.
Исследованиями С. Г. Малахова и соавт. [4] установлено, что при определенных метеорологических условиях (приземная температурная инверсия и скорость ветра, близкая к штилю) образуются высокие концентрации пестицидов в приземном слое атмосферы. Мы полагаем, что в этом случае определенную, достаточно большую площадь почвы и приземный слой воздуха можно рассматривать как замкнутую систему. Концентрация паров пестицидов в этой замкнутой системе при отсутствии капелек воды тумана будет определяться температурой поверхностных слоев почвы, и в этом случае максимально возможную концентрацию пестицидов в атмосферном воздухе можно рассчитывать по уравнению Менделеева — Клапейрона:
щ,
С
М-Ри-273-1000 760-22,4-Т
(О
где С — концентрация паров вещества при определенной температуре (в мг/м3); М — молекулярная масса вещества; Ри — давление насыщенного пара при температуре Т, взятое по справочной литературе (в мм рт. ст.); 273 —
абсолютная температура (в К); 760-ное атмосферное давление (в мм рт.
нормаль-ст.); Т—
температура, при которой было определено Ри (в К); 22,4 — объем вещества при нормальных условиях (в м3/кг); Г000 — коэффициент пересчета. Например, максимально возможная концентрация двух выбранных нами препаратов гамма-изомера гексахлорциклогексана (ГХЦГ) и метафоса — в атмосферном воздухе при температуре почвы 30 °С составит соответственно 2 и 0,55 мг/м3 (при ПДК в атмосферном воздухе соответственно 0,05 и 0,1 мг/м3).
Расчеты по формуле (1) будут корректны в тех случаях, когда почва не обладает сильно
выраженной сорбционной способностью, как, например, легкие подзолистые почвы. Чаще всего в натурных условиях использование уравнения Менделеева — Клапейрона невозможно, так как на испарение пестицидов из почвы определяющее влияние оказывает содержание органических веществ, влажность почвы и др. Установлено, например, что давление паров резко уменьшается вследствие сорбции пестицидов органическими веществами почвы [9]. Поэтому над почвами с высоким содержанием органических веществ концентрация пестицидов в атмосферном воздухе гораздо ниже, чем над легкими почвами, что обусловлено адсорбцией пестицидов органическим веществом почвы [2, 9]. Увеличение влажности почвы, наоборот, способствует повышению концентрации пестицидов в паровой фазе. Так, исследованиями W. F. Spencer и соавт. [8] установлено, что при высокой влажности почвы давление паров пестицидов может повышаться до максимальной величины, определяемой уравнением Менделеева — Клапейрона. Влияние содержащейся в почве воды на давление паров пестицидов, по мнению W. F. Spenser [8], обусловлено тем, что вода адсорбируется на поверхности почвы и адсорбционные центры становятся недоступными для пестицида. Вода также переносит пестициды, локализованные в местах адсорбции, из глубины на поверхность почвы. На основании результатов работы [8] можно заключить, что из влажной почвы (даже с выраженной сорбционной способностью), особенно после дождя, в атмосферный воздух возможно поступление высоких концентраций пестицидов. Однако при этом концентрация пестицидов в приземном слое атмосферы не может превышать величины, рассчитанной по уравнению Менделеева — Клапейрона.
Дополнительным условиям, способствующим формированию в атмосферном воздухе концентраций пестицидов, превышающих максимально возможные, при определенных условиях является влажность приземного слоя атмосферного воздуха, при которой возможно образование тумана. Как показали наши исследования, на поверхности капелек тумана могут сорбироваться пары пестицидов, в результате чего концентрация последних в приземном слое атмосферного воздуха может превысить максимально возможную, определяемую давлением насыщенного пара при данной температуре почвы.
Таблица 1
Зависимость величины поверхности капелек тумана от их
диаметра и водности тумана
Содержание жидкой воды в тумане» г/м3 А, мкм 5, м2
0,1 2 0,3
0,5 2 1,5
1 2 3,14
2 2 6,28
2 3 4,2
2 4 3
8 2 25,12
Образование тумана для рассматриваемого нами случая (замкнутая система) можно представить следующим образом. Упругость паров воды в приземном слое атмосферы определяется температурой поверхности почвы. При испарении воды в этих условиях упругость ее паров достигает величины упругости насыщенного пара для этой температуры. Незначительное (на 3—4°С) понижение температуры таких паров может вызвать их конденсацию в виде мельчайших капелек воды, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде, т. е. образование тумана. Туман состоит из водяных капель диаметром 2—4 мкм. Содержание жидкой воды в тумане (водность тумана), по данным литературы [1, 6, 7], колеблется в интервале 0,1—8 г/м3 и составляет в среднем 2 г/м3. При этом число капель в 1 см3 воздуха колеблется от 300 до 2000 [1], достигая в экстремальных условиях 5-Ю5 в 1 см3. Как показали наши расчеты, общая поверхность капелек, содержащихся в 1 м3 воздуха, может составить квадратные метры для монодисперсного аэрозоля. Общую поверхность капелек тумана рассчитывали по формуле
2
5
(2)
где 5 — общая поверхность капелек тумана в 1 м3 воздуха; — диаметр капельки; N — количество капелек в 1 м3 воздуха. Полученные данные представлены в табл. 1 и показывают, что чем больше водность тумана и меньше диаметр капелек, тем больше общая поверхность капелек, содержащихся в 1 м3 воздуха.
Затем мы произвели расчеты количества ад-
1 2
а
6
Сорбция молекул пестицидов на поверхности капелек тумана.
а — мономолекулярная сорбция; б — полимолекулярная сорбция
1 — капелька тумана; 2 — молекулы пестицидов.
сорбированных молекул пестицидов на поверх-^ ности капелек тумана при условии, что адсорб-' ция происходит в виде монослоя, занимающего всю поверхность капли (см. рисунок). При этом мы не учитывали интенсивность межмолекулярных взаимодействий и природу сорбционных центров. Зная общую поверхность капелек тумана, можно найти количество адсорбированных молекул пестицидов. Для этого в первую очередь необходимо найти диаметр молекул исследуемых пестицидов:
¿2
м
т
яр N А
(3)
диаметр молекулы; р
— относительная постоянная Авогадро
где с1м —
плотность вещества; А!а (число молекул в одной грамм-молекуле вещества), равная 6,022045-1023 моль-1. Зная диаметр молекулы пестицида, можно рассчитать посадочную площадку, занимаемую одной молекулой на поверхности капли:
1
тсс1
ПП
М
(4)
где ПП — посадочная площадка. Далее мы рассчитывали число молекул (А) пестицидов, которые могут разместиться на поверхности капель тумана:
А
5
ПП
(5)
где А—общая поверхность капелек тумана в
воздуха. Количество грамм-молекул (В)
1
пестицида, содержащегося в 1 считывали по формуле:
м6 воздуха, рас-
в
А
(6)
Наконец, умножив величину В на молекулярную массу пестицида, получаем количество адсорбированных пестицидов (в мг на 1 м3 воздуха} (см. табл. 2). Как видно из табл. 2, чем больш суммарная поверхность капелек тумана в 1 м3 воздуха, тем больше сорбируется пестицидов.
Так, при найденной нами расчетной общей поверхности капелек тумана в 1 м3 воздуха, равной 0,3 м2, количество адсорбируемого ГХЦГ составит 2,9 мг/м3, а при расчетной площади 6,28 м2 его количество достигнет 61,95 мг/м3.
При этом в первом случае концентрация ГХЦГ в приземном слое атмосферного воздуха будет превышать ПДК в 58 раз, а во втором — в 1239 раз. Как следует из данных, полученных в НИИ общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР и в Киевском НИИ общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Марзеева (Г. И. Сидоренко, М. А. Пинигин, М. Г. Шандала, Я. И. Звиняцковский и др.), при повышении ПДК в атмосферном воздухе в 3— 4 раза наблюдаются физиологические и биохимические изменения в организме человека: при
✓ Таблица 2
I . *
^ Зависимость количества сорбированных пестицидов от общей поверхности капелек тумана и кратность превышения
ПДК
Препарат S, м~ Количество адсорбированных пестицидов, мг/м3 пдк, мг/м3 Кратность превышения пдк
% ГХЦГ 0,3 2,9 0,05 58
1,5 14,78 295
3,14 30,9 618
6,28 61,95 1239
4,2 41,4 827,8
3 29,6 591,3
Волатон 0,3 2,2 0,1 22
1,5 10,8 109
3,14 22,56 225,6
6,28 45,64 456,4
Метафос 0,3 1,9 0,1 19
1,5 10 100
3,14 20,5 205
^арбофос 6,28 41,3 413
0,3 2,3 0,5 4,6
1,5 11,39 22,8
• 3,14 23,7 47,4
6,28 46,2 92,5
превышении в 8 раз — четко регистрируемое изменение в состоянии здоровья, а при превышении более чем в 500 раз возможны острые отравления человека. Если принять во внимание, что при определенных метеорологических условиях на сельскохозяйственных полях в приземном слое атмосферного воздуха при образовании капелек тумана, занимающих общую поверхность более 6 м2, в 1 м3 воздуха может сорбироваться количество некоторых пестицидов, превышающее 500 ПДК, то можно утверждать, что вдыхание такого воздуха людьми может привести к острым отравлениям. Следует также принять во внимание, что, по данным литературы [3], пестициды в виде аэрозоля более ^токсичны, чем пары. Это обусловлено, по-видимому, тем, что задержка и всасывание аэрозолей происходят на всем протяжении дыхательного тракта, начиная с полости носа.
С учетом полученных данных задачей наших следующих исследований будет разработка оценочной шкалы метеорологических условий,
при которых возможно образование мелкодисперсного тумана на сельскохозяйственных полях в приземном слое атмосферного воздуха в весенне-летний период.
Кроме токсического тумана, образованию повышенных концентраций пестицидов в атмосферном воздухе способствуют и другие факторы. К ним прежде всего относится образование насыщенных паров пестицидов, имеющих температуру почвы. Необходимо также иметь в виду, что при охлаждении насыщенных паров пестицидов они становятся пересыщенными благодаря охлаждению до температуры воздуха, что может привести к формированию новой фазы пестицидов— мельчайших капелек или кристаллов [2, 5]. Другим фактором, способствующим повышению концентрации пестицидов в приземном слое атмосферы, является пыль, несущая их на себе. Естественно, что во влажных условиях данный фактор не может иметь большого значения.
Ранговые значения указанных факторов, определяющие опасность острых отравлений пестицидами, мы приведем в специальном сообщении.
Литература
1. Беликов П. Н. // Физический словарь. — М., 1939. — Т.
5.— С. 256.
2. Гончарук Е. И. Санитарная охрана почвы от загрязнения химическими веществами. — Киев, 1977.
3. Каган Ю. С. Токсикология фосфорорганических пестицидов.— М., 1977.
4. Малахов С. Г. и др.//Гиг. и сан. — 1983. — № 1. — С. 34—37.
5. Фольмер М. Кинетика образования новой фазы: Пер. с англ. — М., 1986.
6. Хргиан A. X. Физика атмосферы: Пер. с англ. — Л., 1969.—С. 9.
7. Хромов С. П. Метеорология и климатология. — Л., 1983. —С. 27.
8. Spenser W. F. et al.//J. environm. Quai. — 1973. — Vol. 2.— P. 284—289.
9. Spenser W. F. et al. // Environm. Toxicol. Chem. — 1982.—Vol. 1. —P. 17—26.
Поступила 19.05.87
Summary. Derived calculations show that in consequence of pesticide molecule sorption on the surface of minute fog drops pesticide content in the atmospheric boundary layer can greatly exceed MACs. The conditions giving rise to the elevation of pesticide content in atmospheric air are set forth.
