Загрязняющими биосферу веществами могут быть соединения практически всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева.
Колоссальное число химических соединений, распространенных в окружающей среде, разнообразных по своей химической структуре и источникам происхождения, условно можно разделить на следующие группы.
Группа I – продукты полного и частичного сгорания органического топлива – угля, природного газа, нефтепродуктов (бензин, мазут), древесины, а также простые продукты окисления – токсичные радикалы кислорода и пероксиды, оксиды азота, сернистый газ, оксид углерода (II), СО, сложные полициклические соединения, образующиеся при неполном сгорании углеводородов: бензапирены, бензантрацены, холантрены.
Группа II – продукты переработки химической промышленности: бензол, фенолы, ксилол, аммиак, формальдегид, отходы производства пластмасс, резиновой, лакокрасочной индустрии, нефте-перерабатывающей промышленности.
Группа III – продукты бытовой и сельскохозяйственной химии. Это различные пестициды, детергенты – моющие средства, синтетические ткани и краски, органические растворители для химической чистки. Это добавки, применяемые для консервации, окраски продуктов питания или для придания им необходимых вкусовых качеств, и косметические средства.
Группа IV – тяжелые металлы (хром, свинец, ртуть, кобальт, марганец, ванадий, мышьяк и др.), поступающие в биосферу при сгорании органического топлива или с заводов, выплавляющих эти металлы из руд.
Группа V – неорганическая пыль (силикаты, асбест, частицы углерода).
Группа VI – биологические поллютанты, растительные аллергены, микроскопические грибы, микробы, вирусы, а также микотоксины.
Особую группу составляют радионуклиды.
При изучении загрязнения минеральными веществами обычно исследуют отдельные химические элементы, а не их соединения. При этом в отношении микроэлементов с начала 60-х годов ХХ в. очень широко используется термин «тяжелые металлы», или «токсичные металлы», в англоязычной литературе эти металлы называются также «следовыми» (trace metals). Для них характерны высокая токсичность, мутагенный и канцерогенный эффекты.
Термин «тяжелые металлы» принято использовать, когда речь идет об опасных уровнях концентрации металлов с атомной массой более 40.
Термин «микроэлемент» строгого понятия не имеет. Под термином «микроэлементы» понимают все химические элементы, содержание которых в живых организмах и природной среде не превышает 0,01%.
Живые организмы эволюционировали в геохимической среде, их состав формировался и приспосабливался к химическому составу окружающей среды. В связи с этим В.В. Ковальский отмечает, что следует исключить выражение «токсический элемент» (в том числе и «токсичный металл»), а указывать дозу и форму соединения, в которых проявляется токсичность элемента. Любой из микроэлементов при определенном уровне будет проявлять токсичность по отношению к живым организмам.
По степени опасности химические элементы подразделяются на три класса (ГОСТ 17.4.1.02-83):
1. As, Cd, Hg, Se, Pb, Zn, F.
2. B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr.
3. Ba, V, W, Mn, Sr.
Важнейшей характеристикой ксенобиотиков с позиции экотоксикологии является их экотоксическая опасность. Опасность – это потенциальная способность вещества в конкретных условиях вызывать повреждение биологических систем при попадании в окружающую среду. Потенциальная опасность вещества определяется его стойкостью в окружающей среде, способностью к биоаккумуляции, величиной токсичности для представителей различных биологических видов.
По степени воздействия на организм вредные вещества подразделяются на 4 класса опасности:
1 – вещества чрезвычайно опасные;
2 – вещества высоко опасные;
3 – вещества умеренно опасные;
4 – вещества малоопасные.
Класс 1 – очень высокотоксичные: кадмий, ртуть, свинец и их соединения, диоксины, полициклические хлорированные, ароматические углеводороды, токсичные радикалы кислорода, серы, азота.
Класс 2 – соединения высокой токсичности: мышьяк, стронций, цинк, фенол, хлор, фосген, сероводород и сероуглерод, цианиды и др.
Класс 3 – опасные соединения и вещества: уксусная и некоторые другие органические кислоты; спирты: метиловый, бутиловый, пропиловый; селен, табак, этилен, пыль.
Класс 4 – умеренно или малотоксичные вещества: аммиак, нафталин, этиловый спирт, бензин, оксид углерода (II), бутан, нитраты.
Согласно классификации Агентства по охране окружающей среды США (US EPA) список веществ-канцерогенов в порядке убывания приоритетности представлен: хром (VI), мышьяк, никель, бензол, кадмий, акрилонитрил, бенз(а)пирен, свинец, формальдегид, углерод 4-хлористый, дихлорэтан.
Вещества – неканцерогены также проранжированы, в результате составлен список 15 приоритетных веществ: марганец, диоксид серы, никель, окислы азота, хром (VI), свинец, сероводород, диметиламин, мышьяк, ванадия пятиокись, фенол, меди оксид, оксид углерода, акролеин, кобальт.
Все виды источников загрязнения (рассеиваемые пыли, твердые отходы, стоки) содержат широкую группу загрязняющих веществ полиэлементного состава. Сочетание химических элементов характеризует специфические индивидуальные особенности источников загрязнения.
Загрязнение окружающей среды происходит в результате миграции загрязняющих веществ, генерируемых источниками загрязнения.
Геохимическая миграция – неразрывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах.
Основной геохимической мерой качества окружающей среды является содержание химических элементов: массовая доля химического элемента (мкг/г, мг/кг, г/т или %) либо объемная концентрация – масса химического элемента в единице объема (мкг/л, мг/л, г/м3).
Каждая миграционная природная система является одновременно транспортирующей и вмещающей средой. В результате геохимической миграции может происходить как рассеяние химических элементов, так и их концентрирование. Процесс рассеяния химических элементов обусловливается их разбавлением или осаждением из транспортирующих потоков. Процесс концентрации происходит в случаях, когда в силу тех или иных физических или химических причин скорость транспортирующего потока в целом или скорость перемещения каких-либо составляющих частиц потока резко уменьшается. Такие участки являются геохимическими барьерами. Вся система от источника поставки элементов до геохимического барьера может быть названа миграционным потоком или цепью распространения загрязняющего вещества.
Природные среды, накапливающие загрязняющие вещества (почвы, растительный покров, снеговой покров, донные отложения), являются депонирующими. Перемещение происходит в транспортирующих средах в вводно-миграционных и воздушно-миграционных потоках, а также путем биологического поглощения элементов растительностью и далее по цепям питания живых организмов. Транспортирующие среды для живых организмов являются главными жизнеобеспечивающими природными средами. Распространение химических элементов в антропогенезе может происходить и техническими средствами (автомобильные и железнодорожные перевозки, авиатранспорт и т.д.).
В процессе миграции происходит распределение химических элементов между природными телами.
Интенсивность миграции определяется скоростью обмена, перераспределения химических элементов между компонентами природной среды. Она зависит от физических, физико-химических и биологических свойств природных систем. В конечном счете интенсивность миграции зависит от ландшафтно-геохимических условий, т.е. от специфики сочетания гидрометеорологических, литолого-геохимических и почвенно-ботанических характеристик конкретной территории. Численно интенсивность миграции может быть выражена в виде какого-либо индекса или коэффициента, т.е. относительного показателя, сопоставляющего содержание химических элементов или их объемную концентрацию в фиксированном наблюдении, массе или моменте, по отношению к такому же состоянию природного объекта, принимаемого за базовый (исходное состояние – до начала геохимического преобразования). Применительно к прикладным геохимическим исследованиям в качестве базового чаще всего принимается фоновое содержание. Фоновое содержание – среднее содержание химических элементов в природных телах по данным изучения их естественной вариации (статистических параметров распределения). Геохимический фон – понятие местное, локальное – средняя величина природной вариации содержаний химических элементов. Коэффициенты концентрации, подсчитанные по отношению к геохимическому фону, называются коэффициентами аномальности (контрастности). Коэффициенты концентрации, подсчитанные по отношению к среднему содержанию химического элемента в литосфере (кларку), в какой-либо геохимической системе (почве, горной породе, растительности и т.д.) или ее таксономической части (тип почвы, тип горной породы и т.д.), называются кларками концентрации.
В результате миграции химических элементов по природным транспортным каналам в окружающей среде образуются геохимические аномалии.
Геохимическая аномалия – участок территории, в пределах которого хотя бы в одном из слагающих его природных тел статистические параметры распределения химических элементов достоверно отличаются от геохимического фона.
Появление геохимических аномалий всегда связано с теми или иными природными и неприродными источниками воздействия, не являющимися обязательным компонентом данного типа геологической структуры или ландшафта. В случае антропогенных источников воздействия образуются антропогенные геохимические аномалии.