Современные яды: Дозы, действие, последствия

Колок Алан

Глава 7

Частицы-путешественницы

 

 

В предыдущей главе мы изучили транспорт веществ между разными фазами среды – но только в их свободной молекулярной форме. Однако реальность куда сложнее: твердые частицы тоже могут перемещаться в воде и воздухе, наряду с жидкими аэрозолями. Перемещение частиц в воде и воздухе происходит по-разному, но в этих процессах есть поразительное сходство. Во-первых, зависимость расстояния, на которое способны перемещаться частицы, от их размера: чем меньше частица, тем больше расстояние. Во-вторых, процесс колонизации, то есть связывание токсичных веществ с какими-либо частицами, «верхом» на которых вещества могут путешествовать по течению или по ветру.

 

Перемещение твердых веществ в воде: осадочные частицы

Если осадок в воде – это просто твердые частицы разного размера, то чем больше эти частицы, тем большей харизмой они обладают. Белоснежный песок на карибском пляже и массивные булыжники в горном ручье Колорадо – настоящий подарок для фотографа, но они создают искаженное представление о взаимодействиях воды и осадочных частиц. На самом деле это не две разные несмешивающиеся фазы веществ, а инь и ян водной среды, которые, дополняя друг друга, составляют единое целое. Вода перемещает осадочные частицы, и чем больше ее напор, тем более крупные частицы передвигаются. Они, в свою очередь, также взаимодействуют с водой, обмениваясь молекулами с раствором.

Самые крупные осадочные частицы называются булыжниками – это куски камня более 25 см в поперечнике. Обломки поменьше (по мере убывания размера) – это галька, гравий, песок, пыль и глина. Самые мельчайшие частицы – коллоиды, которые остаются во взвешенном состоянии даже в полностью спокойной воде. Коллоидные частицы ведут себя не совсем как истинные частицы (не выпадают в осадок), но и не как истинно водорастворимое вещество. Они занимают некое промежуточное положение. Подобно белкам плазмы крови, коллоидные частицы могут влиять на концентрацию веществ в воде, связываясь с ними, удаляя их из растворимой фазы и таким образом снижая токсичность.

Но если коллоиды остаются во взвешенном состоянии, то почему океаны и реки не наполнены коллоидным материалом? По двум причинам: во-первых, неорганические и органические коллоидные частицы в определенных условиях среды объединяются, образуя хлопьевидные структуры, и оседают на дно, прихватывая с собой различные связавшиеся с ними вещества. Во-вторых, органические коллоиды – это пища для детритофагов и прожорливых микроорганизмов. Голодные бактерии, питающиеся органическими коллоидами, могут изменять структуру молекул некоторых токсичных веществ или разрушать их полностью. В некоторых природных системах коллоиды и токсичные вещества могут находиться в состоянии постоянного потока и перемешивания. Там, где коллоидный материал доминирует, токсичность переносимых водой веществ может быть снижена, а в других водоемах, где коллоидов практически нет, токсины остаются в растворенном состоянии и наносят максимальный вред.

По мере увеличения осадочных частиц в размере, от коллоида до глины и далее, на их транспорт по воде требуется все больше энергии (то есть вода должна течь быстрее), в противном случае они оседают на дно. Однако, даже оказавшись в донных отложениях, осадочные частицы продолжают влиять на подвижность токсичных молекул. Отчасти это объясняется тем, что мелкие осадочные частицы, например глина, могут как притягивать, так и отталкивать различные химические вещества. Поверхность частицы обычно имеет отрицательный заряд, поэтому она будет отталкивать другие отрицательно заряженные частицы в воде, а положительно заряженные – притягивать.

Говоря в общем, чем меньше осадочная частица, тем важнее ее роль в передвижении веществ в водной среде. На это есть две основные причины. Первая – отношение площади поверхности к объему частицы. Представьте себе, что вы сняли оболочку с баскетбольного мяча и разложили ее на плоской поверхности. Она покроет определенную площадь, приблизительно равную площади небольшого полотенца для рук. Но если вы набьете баскетбольный мяч бусинами, а потом разложите поверхность всех этих бусин на плоскости, то она покроет площадь примерно с простыню, то есть приблизительно в 10 раз большую, чем площадь оболочки мяча. Общая площадь поверхности всех частиц в определенном объеме называется удельной поверхностью. Этот показатель очень важен, так как помогает объяснить, почему в горсти мелких камушков во много раз больше мест для связывания молекул, чем у одного большого камня. В случае с мелкими частицами это труднее представить наглядно, однако общая закономерность остается той же: в ложке глины или пыли во много раз больше мест для связывания органического материала, чем в ложке песка.

Удельная поверхность частиц различного размера во многом объясняет взаимодействие различных молекул с осадочными частицами, но это еще не вся история. По мере уменьшения размера частиц также уменьшается и свободное пространство между ними (представьте себе пустые места между сложенными в кучу баскетбольными мячами и пустые места между сложенными бусинами). В водных системах это пространство заполнено водой, которая называется внутрипóровой, так как находится в пустых местах, или порах, между осадочными частицами.

В горных потоках вода движется очень быстро и вымывает ил и глину вместе со всем органическим материалом – например, кусочками разлагающихся листьев, – оставляя таким образом чистую воду, крупные отложения и минимум органики. Токсичные вещества и органика, находящиеся в воде внутри пор, по большей части не успевают взаимодействовать с имеющимися осадочными частицами, а уносятся вниз по течению. Вода в равнинных реках – например, текущая через кукурузные поля Иллинойса, – наоборот, движется достаточно медленно, и мелкие частицы (песок, пыль и глина) оседают на дне. Любая органика, движущаяся вниз по течению, также может задерживаться в поровом пространстве между мелкими неорганическими осадочными частицами. Этот органический материал обладает большей липофильностью, чем окружающие его неорганические частицы, поэтому липофильные молекулы притягиваются к ним. В отличие от горных потоков, где липофильные вещества, прилипающие к осадочным частицам, в основном уносятся течением, в медленно текущей воде они главным образом формируют органические донные отложения.

Мы все интуитивно понимаем эту зависимость между размером частиц и бактериальной активностью, что видно даже по терминологии. Наименования более крупных осадочных частиц (от гравия до песка) не меняются, в каком бы состоянии они ни находились. Мокрый песок остается песком, мокрый гравий – гравием. Однако названия пыли и глины меняются, когда эти частицы намокают и смешиваются с органическим материалом. Мокрая глина и мокрая пыль, особенно смешанные с большим количеством органики, становятся илом или просто грязью.

У большинства людей термины «ил» и «грязь» вызывают негативные ассоциации, и на это есть причина. Грубо говоря, они воняют. Илы и грязи – это место разложения органических веществ (биотрансформации на высокомолекулярном уровне), при котором выделяются газы и пары, которые действительно могут иметь не слишком приятный запах. Бактерии в таких сообществах совершают грязную, но необходимую для экосистемы работу.

Вполне понятно, колонии бактерий, растущие в иле и грязи, гораздо более многочисленны, разнообразны и активны, чем те, что живут среди частиц песка. Все эти бактерии находятся в постоянном поиске съедобных молекул и, когда находят их, производят биотрансформацию, изменяя структуру прилипшего к осадочным частицам органического материала и в некоторых случаях освобождая их в воду. Нередко бывает, что вещество, попавшее в верхний слой донных отложений, преобразуется и снова переходит в толщу воды уже в виде метаболитов.

Современные исследования позволяют предположить, что вещества, выделяющиеся из богатых донных отложений, могут оказывать токсическое воздействие. Недавно в штате Небраска ученые провели следующий эксперимент. В разных водоемах были взяты образцы воды и донных отложений. В лаборатории их смешивали и помещали туда рыбок-толстоголовов, обычных для данной местности. Вода с осадком была набрана из мест, где присутствовало загрязнение продуктами агрохимической промышленности, в частности, весной после применения пестицидов. У самок толстоголова, помещенных в лабораторную смесь речной воды и донных отложений, наблюдались те же самые негативные эффекты (дефеминизация), что и у рыб, пойманных в самой реке. Однако, к удивлению ученых, те же самые изменения возникали и у рыб, помещенных в смесь чистой лабораторной воды и речных отложений. Таким образом, становится очевидно, что загрязняющие вещества не просто оседают на дне, а могут выделяться из отложений обратно в воду.

 

Перенос твердых и жидких частиц в атмосфере: аэрозоли

Размещение осадочных частиц на дне рек и океанов препятствует тесным взаимодействиям между осевшим веществом и людьми. В то же время частицы, оказывающиеся в воздухе даже на короткое время, могут попадать к нам в легкие, вызывая серьезные проблемы. Так же как и частицы донных отложений, частицы, переносимые по воздуху, классифицируются в первую очередь по своим размерам, при этом размеры влияют на их общую токсичность.

Представьте себе пыль, поднимаемую автомобилем на грунтовой дороге. Частицы, взвешенные в воздухе, имеют диаметр менее 100 мкм (для сравнения, толщина человеческого волоса составляет от 40 до 70 мкм) и все вместе составляют суммарное количество взвешенных твердых частиц. Самые крупные из них (от 100 до 10 мкм) обычно быстро оседают на землю и не перемещаются на большие расстояния.

Очевидно, что, становясь мельче, частицы также становятся легче, и поэтому могут оставаться в воздухе дольше и путешествовать дальше от своего источника. При вдыхании эти частицы продолжают свое движение по дыхательным путям, от носовой или ротовой полости – в альвеолы легких. Это непростой путь, так как в дыхательных путях человека много изгибов и поворотов. Грубые частицы, диаметром от 10 до 2,5 мкм, обычно сталкиваются с внутренними стенками респираторных путей, прилипая к слизистой выстилке и задерживаясь на пути к альвеолам. Но более мелкие частицы способны с потоком воздуха попадать прямо в легкие.

«Агентство по защите окружающей среды» США обращает наиболее пристальное внимание на два класса взвешенных в воздухе частиц: PM10 и PM2,5. Ситуация здесь не совсем такая, как с классификацией осадочных частиц в воде: РМ10 и РМ2,5 – это не конкретный, а максимальный размер частиц в данном классе. Иными словами, к РМ10 относятся все частицы, диаметр которых составляет 10 мкм и менее, в том числе и те, диаметр которых равен 2,5 мкм и меньше. Во многих скоплениях пыли, классифицируемых как РМ10, до половины может составлять мелкая фракция, диаметром до 2,5 мкм. Еще одно отличие осадочных частиц в воде и взвеси в воздухе касается значения отношения площади к объему. В воздухе частицы не склонны объединяться, поэтому удельная площадь поверхности и межпоровое пространство не дают нам практически ничего для выяснения их токсичности.

Различия между частицами РМ10 и РМ2,5 заключаются преимущественно в источнике и составе аэрозоля. Мелкие частицы класса РМ2,5 в основном являются продуктами реакций горения и окисления; их типичные источники – автомобильные выхлопы, а также продукты сгорания различных видов топлива – дерева, мазута, угля. Эти крошечные частицы могут проникать в легкие до уровня альвеол, где растворяются в покрывающей альвеолы водной пленке и всасываются через легочный эпителий в кровь. Они настолько малы, что начинают действовать не как мельчайшие частицы твердого вещества, а скорее как макромолекулы. Также они часто связываются с органическими молекулами, подверженными биотрансформации, и способны очень сильно влиять на их токсичность (подробнее в главе 10). Класс РМ10 – это в целом более грубые и крупные частицы, так называемая сдуваемая пыль. Она состоит из отдельных крупинок – например, частиц соли, образующихся при испарении морской воды, пыльцы и спор растений, частиц резины от стирающихся шин и почвы, летящей из-под колес. Как уже говорилось, при вдыхании более крупные частицы могут задерживаться в дыхательных путях на пути к легким. Однако, учитывая тот факт, что до 50 % массы сдуваемой пыли могут составлять частицы диаметром до 2,5 мкм, эта фракция все равно попадает в легкие, становясь причиной респираторных заболеваний и повреждений легочной ткани.

Аэрозоли, в отличие от осадочных частиц в воде, не создают благоприятную среду для микробов. Отчасти это объясняется тем, что между частицами в воздухе нет пригодного для обитания микроорганизмов «межпорового пространства». Другая причина состоит в том, что дым и пыль – это преимущественно сухая среда, куда менее подходящая для микроорганизмов, чем поверхность частиц, погруженных в воду. Это особенно верно для частиц класса РМ2,5, так как они часто представляют собой продукты горения, при котором микроорганизмы просто не выживают. Но, несмотря на все эти препятствия, колонизация аэрозолей иногда все же происходит, пример чего можно найти на сухих равнинах западного Техаса.

Прерии на западе Техаса известны своим сухим и ветреным климатом. Этот регион также знаменит своим скотом, и когда этот скот испражняется, навоз быстро высыхает и растаптывается коровьими копытами. Сочетание сухости и ветра приводит к очень быстрому иссушению этого субстрата, а механическое измельчение создает идеальные условия для образования сдуваемой пыли, которая повсюду разносится ветром с пастбищ. Кроме того, в этой пыли может содержаться достаточно много фекальных бактерий. Переносясь ветром на большие расстояния, потенциально токсичные вещества и болезнетворные бактерии могут стать источником загрязнения.

На чистой и упрощенной модели Земли загрязняющие вещества должны были бы оставаться в одной и той же форме, за исключением тех случаев, когда могли бы полностью перейти в другую. Переходы между твердой, жидкой и газообразной фазами сводились бы к относительно простым процессам замерзания, таяния, кипения и испарения. Однако в реальных экосистемах не все так просто и чисто. Твердые вещества могут путешествовать в виде частиц по воде или по воздуху под влиянием уникальных процессов, которые отличаются от тех, которые происходят при растворении веществ. Пыль и осадочные частицы работают как транспортное средство для токсичных веществ, которые благодаря им порой могут перемещаться с водой и ветром на огромные расстояния.