Общие сведения о полициклических ароматических углеводородах (ПАУ)

Происхождение ПАУ

Полициклические ароматические углеводороды – нежелательный побочный продукт сжигания ископаемого топлива, в первую очередь угля и нефтепродуктов. Уголь считается смесью огромного количества поликонденсированных ароматических бензольных ядер с минимальным содержанием водорода. При сжигании этих веществ в печах, электростанциях, двигателях внутреннего сгорания эти соединения разлагаются. При низких температурах сгорания и недостаточном поступлении атмосферного кислорода образуется очень реактивный ацетилен, равно как и различные алифатические фрагменты углеводородов. Ацетилен полимеризуется в бутадиен, который в дальнейшем образует ядро ароматического углеводорода. При добавлении его к существующим ароматическим ядрам возникает ПАУ, например пирен, из которого путем добавления еще одной молекулы бутадиена выделяется наиболее известный канцероген – бензо[а]пирен (БаП). При сжигании при высокой температуре и обильном поступлении атмосферного кислорода образуется мало ПАУ, потому что практически весь углерод сгорает, превращаясь в оксид углерода.

При неполном сгорании возникают частички углерода – сажа. Можно предположить, что образующиеся ПАУ, адсорбированные на поверхности частичек сажи и дыма, вместе с ними попадают в окружающую нас среду. Сажа, твердые частички дыма и выхлопных газов содержатся в дорожной пыли, смоге больших городов, пыльном воздухе коксовых заводов. Вместе с пылью они попадают на одежду, кожу, в дыхательные пути. Сегодня известно уже несколько сот различных полициклических ароматических веществ: несколько десятков из них – канцерогены. Однако их действие неодинаково и зависит от строения соответствующего вещества.

Где встречаются ПАУ

Кроме сажи, дыма и выхлопных газов ПАУ (и среди них, естественно, канцерогенные) встречаются практически всюду, где происходит неполное сгорание: в сигаретном дыме, копченых продуктах, молотом кофе, пережаренном мясе, асфальте и дегте, пригоревшей корочке хлеба, расплавленном сахаре, смазочных минеральных маслах, парафиновом масле, которое иногда использовали как слабительное. Несмотря на это, главным источником опасности является сжигание угля и нефтепродуктов, а также каменноугольный деготь, нефтяной асфальт и другие «тяжелые» продукты распада ископаемого топлива. Легкие – главный путь поступления этих веществ в организм. На их внутренней влажной поверхности оседают твердые частички пыли и дыма, которые являются в известном смысле «носителями» канцерогенных ПАУ. Установлено, что больше всего ароматических углеводородов содержат именно мельчайшие твердые частички (в среднем 0,5-5 мкм), которые легче всего попадают в легкие и от которых труднее всего избавиться. По-видимому, частички дыма таких размеров представляют наибольшую опасность для легких и гортани человека.

В качестве примера образования канцерогенных ПАУ можно привести процессы, протекающие в двигателе внутреннего сгорания автомобиля – одном из «выдающихся продуцентов» этих веществ. Содержание БаП в сырой нефти составляет около 1 части на миллион (ч. н. м.) (т. е. миллион килограммов сырой нефти содержит около 1 кг БаП). При сжигании нефти одна часть ПАУ распадается и сгорает, другая при этом образуется. Большая часть добываемой нефти энергетически и экономически используется самым невыгодным способом, т. е. сжигается. И лишь немного ее служит основным сырьем для химической промышленности. Подсчитано, что в США в 1974 г. было использовано такое количество сырой нефти, которое соответствует 840 т БАП! Очевидно, что после сжигания нефти и ее продуктов это количество попадает в окружающую человека среду.

Различные виды бензина содержат 0,2-0,5 мкг БаП на 1 г топлива. Однако в атмосферу при сгорании попадают не только ПАУ, содержащиеся в топливе, но и возникающие в процессе сгорания. Полициклические ароматические углеводороды образуются главным образом тогда, когда сжигается «богатая» смесь. При соотношении воздуха и топлива 10:1 выделяется в 30 раз больше БаП, чем при соотношении 14:1.

При сжигании тяжелых топлив для дизельных двигателей окружающая среда загрязняется намного большим количеством ПАУ, чем при использовании легких бензинов. Так, при сжигании 1 галлона бензина окружающая среда «обогащается» примерно на 170 мкг БаП, а такое же количество дизельного топлива выделяет его уже 690 мкг.

Моторные масла, относящиеся к «тяжелым» нефтепродуктам, также характеризуются высоким содержанием ПАУ. Источником их являются главным образом двухтактные двигатели мотоциклов и некоторых марок автомобилей. Дело в том, что в двигателях вместе с бензином сжигают и масло (обычно в соотношении 1:30). Если четырехтактный двигатель при сжигании одного галлона топлива выбрасывает в окружающую среду около 170 мкг БаП, то такое количество топлива с содержанием масла в двухтактном двигателе выбрасывает до 11000 мкг!

Нежелательные последствия развития автомобилизма

Образование канцерогенных ПАУ в значительной мере зависит от технического состояния двигателя автомобиля. Приведенные данные касаются исправных, практически новых двигателей. Автомобильный двигатель, испытанный после пробега 50 000 миль, выбрасывал в 5 раз больше БаП, чем двигатель автомобиля, пробежавшего только 5000 миль. Это объясняется тем, что в более изношенном двигателе уплотнение цилиндров намного хуже, чем в новом, и поэтому в нем наряду с бензином сжигается и смазочное масло. Кроме того, содержание БаП во вновь залитом моторном масле (0,03 мкг на 1 г масла) увеличивается в 200 раз (до 0,6 мкг на 1 г) после пробега 1400 миль. Использованное моторное масло очень опасно еще тем, что оно содержит нитраты (нитро-производные). Дело в том, что при сгорании возникают также оксиды азота, которые химически соединяются с уже присутствующими ПАУ и образуют их нитропроизводные. Эти вещества лучше растворяются в воде, чем исходные полициклические углеводороды, и поэтому могут легче попасть в организм человека, с одной стороны, и как прямые канцерогены вызвать рак без предварительной метаболической активации – с другой.

К кругу этих проблем относятся также нежелательные последствия развития автомобилизма. Автомобильные дороги покрыты в основном асфальтом – одним из самых тяжелых нефтепродуктов.

Содержание ПАУ в нефтяном асфальте наиболее высокое (до 0,2 вес.% БаП). Это вещество содержится в парах расплавленного асфальта, образующихся при покрытии и ремонте дорог. Эти пары содержат до 0,4 вес.% БаП. И хотя ПАУ очень плохо растворяются в воде, их все же вымывает дождевой водой с поверхности асфальтового покрытия дорог и вместе с ней они попадают в верхние слон почвы, где накапливаются.

Это только один пример загрязнения окружающей среды. Не будем останавливаться на других источниках загрязнения канцерогенными ПАУ – печном дыме в отопительный сезон, саже электростанций, выбросах заводских труб, загрязнении моря при авариях танкеров и т. д.