ECOTOXICOLOGIA AERULUI

FACULTATEA DE INGINERIA ALIMENTARA, TURISM SI PROTECTIA MEDIULUI

ECOTOXICOLOGIA AERULUI

Structura atmosferei

Atmosfera (gr. atmos = aer; sphaira = sfera) reprezinta invelisul gazos al scoartei teresre. Aceasta are proprietati fizice si chimice dependente de altitudine, fiind impartita in zonele:

Ø         Troposfera - este stratul cel mai apropiat de sol, are inaltime de 17-18 km la ecuator si 7-9 km la poli si se caracterizeaza prin mai mare densitate de gaze si o mare instabilitate a proprietatilor fizice.

Ø         Stratosfera (lat. stratus) - dupa zona geografica, se extinde intre 7-17 km pana la 50 km inaltime; contine o mare cantitate de ozon, rezultat al radiatiei ultraviolete solare.

Ø         Mezosfera (gr. mesos = mijloc) - se extinde de la 85 la 50 km inaltime.

Ø         Termosfera - intre 80-85 km.

Ø         Ionosfera - partea din atmosfera ionizata prin radiatiile solare, localizata in termosfera.

Ø         Exosfera - intre 500-1000 km.

Gazele care alcatuiesc aerul, format de amestecul din straturile inferioare ale atmosferei, rezulta din procesele de respiratia, oxidarea, fermentatie etc. Astfel, in conditii naturale, aerul atmospheric contine:

O prezentare sintetica a compozitiei chimice a aerului este:

Pastrarea si continuarea vietii pe Pamant este dependenta de calitatea aerului: plantele, animalele si omul pot trai sanatos doar daca elementele normale din structura aerului isi pastreaza raportul constant.

Aerul pur este impalpabil, inodor si incolor. La om si animale acesta patrunde prin nas si gura in trahee si apoi in pulmon. La nivelul alveolelor pulmonare se face schimbul de gaze. Oxigenul traverseaza membranele, fine care sunt in contact cu capilarele sangvine. Prin sange este transportat la celule unde se foloseste ca sursa de energie ce intretine functiile celulare. Din celule este preluat bioxidul de carbon si transportat, tot pe cale sangvina, la alveolele pulmonare unde difuzeaza in aer. Oxigenul nu poate fi stocat in organism cum este stocata apa sau alte elemente.

De aceea, nevoile zilnice de oxigen ale unui om se asigura prin 25.000 de inspiratii si expiratii. Un om adult expira circa 15.000 de litri de aer pe zi, din care isi ia cantitatea de oxigen necesara organismului. Compozitia chimica a aerului inspirit difera de cea a aerului expirat.

Compozitia chimica, in procente, a aerului inspirit si expirat de om

Este explicabil, cunoscand aceste lucruri, de ce la altitudine crescuta, organismul uman poate suferi tulburari grave datorita scaderii concentratiei de oxigen din aer.

Atunci cand prin aerul inspirit sunt vehiculate particule poluate (cu atat mai mult cand acestea sunt solide), este afectat circuitul respirator, nemaiputandu-se realiza difuzia oxigenului si a bioxidului de carbon.

Chiar daca aparatul respirator dispune de sisteme naturale de filtrare a aerului, poluarea excesiva a aerului atrage tulburari grave atat la om cat si la animalele expuse.

SURSE NATURALE DE POLUARE A AERULUI

Eruptiile vulcanice

Eruptia unui vulcan consta in scoaterea din adancurile Pamantului a lavelor cu diferite compozitii mineralogice, cenusilor, bombelor (lave fluide cu forma elipsoidala sau neregulata proiectate in atmosfera).

La suprafata Pamantului pot sa erupa gaze care antreneaza si namol care sunt degajate dintr-un zacamant de hidrocarburi. Impropriu, o asemenea eruptie este denumita vulcan noroios. Particulele solide, gazoase si vaporii pot sa ajunga la inaltimea de 30-50 km si la distante foarte mari fata de locul eruptiei. Cantitatile de pulberi, cenusa si gaze pot fi foarte insemnate (zeci de tone) ce contin metale grele, cenusa, gaze (CO, CO₂, H₂, S, SO₂) si alte substante minerale care se constituie in poluanti insemnati ai aerului.

Impuritatile produse de cutremure

O data cu distrugerea constructiilor, in timpul cutremurelor, se formeaza curentii de aer care vehiculeaza cantitati insemnate de impuritati, la distante mari.

Meteoritii

Aeroliti, astroni sau bolizi, corpuri sau bucati de corp cosmic (proveniti, deci din spatiul interplanetar) cu structura minerala sau metalica care cad pe pamant, se sfarma si produc cratere.

Cometele (astronii)

Stele cu coada, stele comate sau cu coama, acestea sunt formate dintr-un nucleu luminos care este inconjurat de gaze si pulberi. Acestea se prelungesc uneori sub forma de coada eliptica opusa Soarelui (datorata presiunii luminii).

Praful sau pulberea cosmica este apreciata cam la 1000 de tone, ceea ce inseamna o concentratie mica pe unitatea de suprafata a Pamantului. Importanta acestuia creste, devenind periculos pentru organisme in cazul cand este contaminat radioactiv.

Particule produse prin eroziunea solului

Solul este erodat sub actiunea vantului si ploilor. Erodarea se intensifica pe zonele golase. Pulberile rezultate prin erodare, in afara de faptul ca produc impurificare locala, pot sa fie duse de vant la distante foarte mari. In Romania se produc rar furtuni de praf. Acestea sunt localizate in sud, de la Dunare spre Campia Baraganului.

Particulele care ajung in aer pe cale naturala se depoziteaza pe sol si in apa datorita gravitatiei. Intre ele se gasesc di substante alergice sau radioactive. De asemenea, pulberile pot fi infectate de patogenitate (patogeni sau conditionat patogene).

Apa si vantul

Devin factori poluanti naturali indirecti datorita rolului pe care il au in transportul si dispersia in spatiu a pulberilor produse natural sau artificial.

Aerul, sub foarme de curentii sau vanturi, produce in multe zone poluare locala sau - pe suprafete mari - poluare globala cand disperseaza particule de nisip pe distante de mii de kilometri.

Apa marilor si oceanelor transporta, prin valuri si curentii acvatice, deseori petroliere sau de alta natura, la distante foarte mari.

Incendii spontane ("focul salbatec")

Se produc datorita cresterii temperaturii, indeosebi in zone foarte uscate. In zonele tropicale, se cunosc asemenea distrugeri din vechime. In zilele noastre sunt frecvente si produc distrugeri deosebit in ecosistem deoarece prin materia organica arsa se degaja fum si cantitati mari de bioxid de carbon. In timpul arderii substantele organice dezagragate "redau naturii" bioelementele de structura, sub forma de combinatii chimice daunatoare sanatatii vietuitoarelor.

SURSE ARTIFICIALE (ANTROPICE) DE POLUARE A AERULUI

Poluantii artificiali ai aerului sunt concentrati in zonele urbane si industriale. Desigur ca la acestia se adauga sursele legate de activitatea in agricultura. Daca la inceputul aparitiei si dezvoltarii urbanistice, deseori organice rezultate din activitatea antropica erau biodegradabile, pe masura inmultirii populatiei umane si a dezvoltarii tehinicii, sursele de poluare au devenit numeroase iar poluantii emisi, foarte multi si diferiti. Totodata, au aparut deseori, cum sunt cele radioactive, pesticidele sau detergentii, care se degradeaza greu sau nu pot fi biodegradate. Ca urmare, capacitatea de epurare prin procesele obisnuite de biodegradare a mediului este depasita, lucru ce duce la distrugerea ecosistemelor, pana la aparitia unor zone pustii, fara viata.

Tipuri de surse de poluanti ai aerului atmosferic

a)        Surse fixe: centrale termice individuale sau collective, instalatii industriale, intreprinderi in care sunt incinerate deseurile, centrale electrice care folosesc combustibili conventionali (carbine, pacura, combustibili lichizi).

Poluantii emisi in aer din surse fixe pot fi: particule solide, gazoase si lichide ca: particule de carbine si de alti carburanti solizi, praf de la fabricile de ciment, particule radioactive provenite din centrale nucleare, cenusa rezultata din arderea gunoaielor sau vegetatiei uscate.

O combustie completa (totala) a materiilor organice se face cu redarea (reintoarcerea in natura, a bioelementelor constitutive sub forma de apa, bioxid de carbon si alte substante lipsite de nocivitate). Raman substantele minerale, sub forma de cenusa. Insa combustia (arderea) este incompleta iar combustibilii nu sunt puri. Deci, in urma arderii raman deseuri periculoasa, sau foarte periculoasa pentru vietuitoare.

Intre emisiile poluante foarte importante sunt cele provenite din intreprinderile matalurgice, siderurgice si chimice. Prin acestea, ajung in atmosfera: fluoruri, oxizi de Pb, oxizi de S, oxizi de Fe, C, F, Zn, Cu, Ba, Cd, Ni, Se, Pb, As, Hg, V. Din combinatele chimice industriale se emana in atmosfera particule gazoase si lichide. In gaze, pe langa vapori de apa, se gaseste: oxid de azot (NO si NO₂, denumiti N_x), oxid de carbon, bioxid de carbon, bioxid de sulf, acid clorhidric, solventi, tincture, compusi organici (aldehide, hidrocarburi).

O sursa de poluare atmosferica continua sau permanenta, la noi in tara, este cea de la Copsa Mica.

b)        Surse mobile: care sunt reprezentate de toate formele motorizate de transport: feroviare, maritime, aeriene, auto.

Din combustia incomplete a combustibililor folositi ca sursa de energie pentru motoarele termice se elimina: oxid si bioxid de carbon, oxizi de azot (N_x), hidrocarburi care nu ard, compusi organici volatili, particule solide.

In afara de faptul ca poluantii din aer afecteaza omul si animalele, acestia se depun pe sol, plante si in apa exercitand actiune toxica, uneori continua, directa si indirecta asupra vietuitoarelor animale si vegetale.

Modificarile generate de actiunea poluantilor atmosferici la nivel vegetal individual si de populatie constau in retardarea cresterii, subdezvoltare, chiar disoaritia plantelor. La fel, in lumea animala si la om se pot produce tulburari ale starii de sanatate care au si consecinte economice importante.

In fruntea surselor de poluare atmosferica se afla automobilul. Acesta se deplaseaza folosind energia rezultata din combustia diferitelor carburanti. Carburantul reactioneaza cu oxigenul din aer, eliberand energia sub forma de caldura. Dar cum combustia este incomplete, din reactie rezulta produsi care sunt eliberati in mediu prin toba de esapament. Substantele emise in atmosfera difera cu natura carburantului utilizat.

Benzina, amestec de hidrocarburi minerale si de sinteza, in urma combustiei elimina: oxid de carbon (CO), bioxid de carbon (CO₂), oxizi de azot (N_x).

Oxidul de carbon eliminate prin teava de la toba de esapament creste in cantitate si este mai nociv cand arderea se produce mai aproape de sol, deoarece densitatea acestora este mai mica decat a aerului. Datele din literatura estimeaza ca la arderea unui litru de benzina se elimina circa 275g CO₂ (Petre M., 2003).

Oxizii de azot (NO si NO₂) - se elimina la arderea benzinei in cantitati variabile, intre 14-25 g/litru. In atmosfera, in prezenta unor hidrocarburi sub actiunea radiatilor solare, se formeaza substante care elibereaza oxigen atomic, care este foarte irritant pentru om si animale. Fenomenul este denumit "poluare fotochimica oxidanta".

Plumbul a fost folosit mult timp ca si aditiv. Practic, acesta nu se mai foloseste decat in cazuri rare la automobilele care au motoare cu aprindere prin scanteiere. In momentul aprinderii, tetraetilul sau tetrametilul de plumb se descompun iar plumbul organic este transformat in plumb anorganic, foarte toxic.

Hidrocarburile sunt eliberate in cantitati de 16-25 g/litru de combustibil. Acestea cuprind: hidrocarburi aromatice, hidrocarburi policiclice aromatice, olefine, naftene, parafine la care li se cunoaste efectul cancerigen.

Gazolina, carburant pentru Diesel, format din amestecuri de hidrocarburi din a carui combustie rezulta SO₂ (bioxidul de sulf) si particule de funingine care sunt implicate in etiologia bolilor respiratorii si cardiace. Acestea au si efecte cancerigene.

Acvagazolul - este un amestec de gazol cu 10-20% apa. Emite poluanti in timpul combustiei in cantitati proportionale cu combustia gazolului. Amestecul este, insa, instabil.

Exista si carburanti care sunt mai putin poluanti, ca de exemplu GPL - gaz petrol lichefiat, format din 50% propan si 50% butan, precum si carburanti obisnuiti din biomasa sau deseuri agricole. Dar acestia, precum si impactul asupra mediului, sunt in studiu.

In poluarea aerului, Sursele mobile de poluare a aerului au importanta mai mare decat intreprinderile industriale (sursele fixe).

Daca echilibrul natural al gazelor din atmosfera s-a mentinut timp de milioane de ani, in ultimele doua secole, prin procesele de industrializare globale, in acesta s-au produs dereglari importante. Astfel, dupa cum s-a aratat anterior, prin arderea carbunelui, a gazului metan, prin aparitia su utilizarea automobilului, in natura s-au eliminat cantitati immense de CO₂, metan, oxizi de sulf si alte gaze care sunt extrem de nocive.

Pe de alta parte, gazele inspirate de populatia umana au dus la cresterea bolnavilor cu afectiuni respiratorii si cardiovasculare, mai ales copii si persoanele in varsta. Sunt estimari conform carora peste un milliard de oameni din populatia de pe Terra, inspira aer extrem de poluat, mai ales cu oxizi de carbon (CO) si sulf (SO₂).

DATE PRIVITOARE LA VALORILE GAZELOR EMISE IN ATMOSFERA SI LA EFECTELE TOXICE ASUPRA VIETUITOARELOR

Poluantii gazosi reprezinta peste 90% dim masa totala a poluantilor atmosferici.

Bioxidul de carbon (CO₂) - este un gaz lipsit de culoare si miros. Nu arde si nu intretine viata. Fiind mai greu decat aerul, se lasa jos, la suprafata solului, in incaperile neventilate. Se elimina prin aerul expirat al tuturor vietuitoarelor animale, in cantitati reduse. In cantitati mari rezulta in procesele de fermentatie ale fructelor (prune, borhot de struguri, etc.), acumulandu-se in silozuri, pivnite, depozite de fructe, fantani vechi, canale, pesteri, santuri, gropi (unde rezulta din fermentatia materiilor organice).

O mare cantitate de CO₂ se degaja in timpul incendiilor. In timpul arderii de expemplu, a 12 g de carbine se produc 48 g CO₂ iar in timp de un an se emit in atmosfera 15,4 milioane tone de CO₂. In mod normal, CO₂-ul este absorbit si folosit in procesul de fotosinteza si de catre apele oceanice (annual retin 92 gigatone si restituie 90 gigatone de CO₂).

In ultimul secol, cantitatea de CO₂ din atmosfera a crescut ca urmare a activitati umane (antropice), mai ales defrisarea Padurilor si arderea lemnului, arderea carbunelui si petrolului. La acestea se adaugat CO₂-ul emis in timpul eruptiilor vulcanice. O mare concentratie de CO₂ rezulta din arderea prin "foc salbatic" a padurilor si oxidarea humusului forestier. Anual din aceste zone se elimina o cantitate de CO₂ mai mare de 8x10⁹ tone. Inainte de dezvoltarea industriala si de despaduririle masive, s-a pastrat un echilibru intre cantitatea de CO₂ degajat in aer si CO₂-ul absorbit de vegetatia verde (fotosensibilizanta).

Concentratia maxima admisa in aerul atmospheric este de 0,3 mg/mc CO₂. O crestere la proportia de 2-3% este toxica pentru om iar la 10-12% produce intoxicatie letala. In general chiar daca o cantitate de 2-3% CO₂ in aerul inspirat este toxica, omul suporta bine pana la 4%. La concentratia de 8% se produc modificari manifestate prin ameteli si cefalee, la 9-10%, omul isi pierde cunostinta iar la peste 10% CO₂ in aer, survine moartea. Pentru protectia respiratiei la om se pot folosi dispozitive sau aparate filtrante a aerului, in caz de urgenta (incendii, diferite noxe intre care si CO₂).

In conditiile in care in atmosfera nu exista o cantitate normala de oxigen (peste 18%) se produc tulburari care pot duce la moartea omului sau animalelor. Astfel, daca oxigenul scade la 18-15% in timpul muncilor intense survin accidente de circulatie, intre 15-9% nu se mai pot efectua activitati fizice, la 8-9% oxigen, omul mai poate supravietui doar in repaus total, culcat, iar sub 8% se produce paralizia membrelor, pierderea cunostintei si moartea. Ceea ce este important  consta in faptul ca omul (desigur ca si animalele) nu percepe scaderea concentratiei de oxigen din aer datorita faptului ca respiratia este reglata de CO₂ care este excitant al centrului respirator.

Dar nocivitatea CO₂-ului este considerabila pentru viata, in general. Daca avem in vedere ca in afara de apa oceanica, doar plantele (in procesul de respiratie) preiau din aer CO₂-ul si elimina oxigen, defrisarea padurilor (numai in America de Sud se distruge annual zone care ating milioane de kilometri patrati din padurile ecuatoriale) si distrugerea vegetatiei duce la cresterea cantitatii de CO₂ in atmosfera Pamantului.

Cantitatile de CO₂ eliminate, alaturi de alte gaze contribuie considerabil la saracirea in oxigen, formarea efectului de sera si la schimbari climatice care conduc la distrugerea ecosistemelor si deci la schimbarea conditiilor de viata pe Pamant.

Oxidul de carbon (CO) - este poluantul cel mai raspandit. Are forma de gaz incolor, fara miros, care se gaseste in atmosfera, in mod natural, in concentratie de 0,1-0,2 ppm. Cantitatea de CO maxima admisa in aerul atmospheric este de 1 mg/mc iar in zonele cu productie industriala de 20 mg/mc.

CO se elimina in aer din intreprinderi (mai ales turnatorii de fonta si otel) unde combustibilii care au carbon in structura sunt arsi incomplete, prin gazelle de esapament etc. CO-ul patrunde in organism prin aerul inspirat. La concentratie mai mare de 0,06 mg/l aer, CO-ul produce intoxicatii. Din caile respiratorii trece in sange unde, in urma combinatiei cu hemoglobina, formeaza carboxihemoglobina (COHb), compus care nu mai transporta oxigen la celule. Ca urmare, se instaleaza hipoxia pana la anoxemie, care afecteaza indeosebi sistemul nervos central si aparatul circulator (cardiovascular).

Dupa cantitatea de COHb formata, toxicitatea se poate instala acut (cu efecte rapide) sau cronic (efecte de durata). In conditii fiziologice normale, concentratia de COHb a sangelui este cuprinse intre 0,5-0,8%. La persoanele expuse sa inhaleze CO nu se semnaleaza modificari pana la concentratia de 2%. Intre valorile de 2-10% COHb in sange apar semen de hipoxie, mai ales la persoanele care au consumat alcool sau au folosit sedative.

Cand COHb din sange atinge valori de 10-20% se produc tulburari ale circulatiei cerebrale, urmate de cefalee, dispnee, tahicardie, scaderea activitatilor fizice si intelectuale. La concentratia de 20-40% COHb se produce intoxicatie acuta, manifestata la om prin: cefalee puternica insotita de vertij, greturi, adinamie, tulburari senzoriale. Daca COHb din sange ajunge la valori de 40% se produce pierderea cunostintei iar la concentratie de 60%, intoxicatia acuta determina moartea. Expunerea cronica la concentratii de CO relativ crescute determina intoxicatie cronica, manifestata la om prin sindrom astenic-vegetativ, cu afectarea aparatului cardiovascular.