Contaminants of Emerging Problem (CECs) — термин, используемый специалистами по качеству воды для описания загрязняющих веществ , которые были обнаружены в образцах мониторинга окружающей среды , которые могут оказывать воздействие на окружающую среду или здоровье человека и, как правило, не регулируются действующим законодательством об охране окружающей среды. Источниками этих загрязняющих веществ являются сельское хозяйство , городские стоки и обычные бытовые продукты (такие как мыло и дезинфицирующие средства) и фармацевтические препараты, которые сбрасываются на очистные сооружения и впоследствии сбрасываются в поверхностные воды. [1] [2]
К КЭЧ относятся различные вещества, такие как фармацевтические препараты, средства личной гигиены, промышленные побочные продукты и сельскохозяйственные химикаты. Эти вещества часто обходят обычные процессы обнаружения и обработки, что приводит к их непреднамеренной стойкости в окружающей среде. Сложность КЭЧ возникает не только из-за их различной химической природы, но и из-за сложных способов их взаимодействия с экосистемами и здоровьем человека. Таким образом, они находятся в центре все большего изучения со стороны исследователей, политиков и должностных лиц общественного здравоохранения, которые хотят понять их долгосрочные эффекты и разработать эффективные вмешательства. Глобальные инициативы, такие как инициативы Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и Агентства по охране окружающей среды США (US EPA), подчеркивают необходимость создания международных стандартов и эффективной экологической политики для решения проблем, связанных с КЭЧ. Общественная осведомленность и пропаганда играют решающую роль в продвижении повестки дня исследований и разработке политики в отношении КЭЧ, подчеркивая необходимость обновленных производственных практик и разработки дополнительных методов устранения и обнаружения.
Концепция CEC привлекла значительное внимание в начале 21-го века, поскольку достижения в области аналитических методов позволили обнаружить эти вещества на уровне следов в различных экологических матрицах. Возросшая осведомленность о CEC частично объясняется их обильным присутствием в сточных водах, поверхностных водах, грунтовых водах и питьевой воде, часто из-за урбанизации, промышленной деятельности и широкого использования фармацевтических препаратов и средств личной гигиены. [3] Осознание потенциальных рисков, которые представляют CEC, привело к росту числа исследований, направленных на понимание их источников, судьбы и воздействия на окружающую среду, а также на разработку стратегий по их управлению и удалению. [4]
Для того чтобы соединение было признано новым загрязнителем, оно должно соответствовать как минимум двум требованиям: [12]
Новые загрязняющие вещества — это те, которые ранее не были обнаружены с помощью анализа качества воды или были обнаружены в небольших концентрациях с неопределенностью относительно их воздействия. Риск, который они представляют для здоровья человека или окружающей среды, до конца не изучен. [12]
Загрязнители, вызывающие обеспокоенность (CEC), можно в целом классифицировать по нескольким категориям химикатов, таким как фармацевтические препараты и средства личной гигиены , цианотоксины , наночастицы и антипирены , среди прочих. [13] Однако эти классификации постоянно меняются по мере обнаружения новых загрязнителей (или эффектов), а новые загрязнители прошлых лет становятся менее приоритетными. Эти загрязнители в целом можно отнести к действительно «новым» загрязнителям, которые были обнаружены и исследованы совсем недавно, загрязнителям, о которых было известно, но их воздействие на окружающую среду не было полностью изучено, или «старым» загрязнителям, в отношении рисков которых появляется новая информация. [13]
Фармацевтические препараты привлекают все больше внимания как CEC из-за их постоянного попадания в окружающую среду и общего отсутствия регулирования. [14] Эти соединения часто присутствуют в низких концентрациях в водоемах, и в настоящее время мало что известно об их влиянии на окружающую среду и здоровье при хроническом воздействии; фармацевтические препараты только сейчас становятся объектом внимания в токсикологии из-за усовершенствованных аналитических методов , которые позволяют обнаруживать очень низкие концентрации. [14] Существует несколько источников фармацевтических препаратов в окружающей среде, включая наиболее заметные сточные воды с очистных сооружений , аквакультуры и сельскохозяйственные стоки . [15]
Средства личной гигиены часто содержат сложную смесь химических веществ, таких как консерванты (например, парабены), УФ-фильтры (например, оксибензон), пластификаторы (например, фталаты), противомикробные препараты (например, триклозан), отдушки и красители. [16] Многие из этих соединений являются синтезированными химическими веществами, которые обычно не встречаются в природе. Химические вещества из средств личной гигиены могут попадать в окружающую среду различными путями. После использования они часто смываются в канализацию и могут оказаться в сточных водах. Эти вещества не все полностью удаляются обычными процессами очистки сточных вод, что приводит к их попаданию в естественные водоемы. Некоторые из этих химических веществ устойчивы в окружающей среде и могут биоаккумулироваться в тканях организмов, потенциально вызывая экологические нарушения. Они также могут иметь свойства, нарушающие работу эндокринной системы, которые влияют на гормональные системы диких животных и людей. [17]
В последние годы наблюдается увеличение цветения цианобактерий из-за эвтрофикации (или повышения уровня питательных веществ ) поверхностных вод по всему миру. [18] Увеличение определенных питательных веществ, таких как азот и фосфор, связано со стоком удобрений с сельскохозяйственных полей, а также содержится в определенных продуктах, таких как моющие средства, в городских пространствах. [19] Это цветение может выделять токсины, которые могут снизить качество воды и представляют риск для здоровья человека и диких животных. [18] Кроме того, отсутствуют правила относительно максимально допустимых уровней загрязняющих веществ (MCL), разрешенных в источниках питьевой воды. [19] Цианотоксины могут оказывать как острое, так и хроническое токсическое воздействие, и часто существует множество последствий для здоровья окружающей среды, где происходит это цветение. [19]
Промышленные химикаты из различных отраслей промышленности производят вредные химикаты, которые, как известно, наносят вред здоровью человека и окружающей среде. Обычные промышленные химикаты, такие как 1,4-диоксаны , перфтороктановый сульфонат (ПФОС) и перфтороктановая кислота (ПФОК) , обычно встречаются в различных источниках воды.
Наноматериалы включают в себя материалы на основе углерода, оксиды металлов, металлы и квантовые точки. [20] Наноматериалы могут попадать в окружающую среду во время их производства, использования потребителями или утилизации. Из-за своего малого размера наноматериалы ведут себя иначе, чем более крупные частицы. [21] Они имеют высокое отношение площади поверхности к объему, что может привести к повышенной реакционной способности и потенциалу переноса в окружающей среде. Наноматериалы сложно обнаруживать и контролировать из-за их размера и отсутствия стандартизированных методов измерения их присутствия и концентрации в различных средах. [5]
Сельскохозяйственные стоки являются основным путем, по которому CECs попадают в окружающую среду. [22] Такие соединения, как пестициды и фармацевтические препараты из удобрений, переносятся водой с ферм в почву и водоемы окружающих территорий. [23] Затем сток происходит после дождя или орошения, что приводит к притоку химикатов, которые просачиваются из почвы, где они были сброшены, в реки, озера и грунтовые воды. [23] Сток может содержать CECs, которые не регулируются или чье воздействие на окружающую среду недостаточно изучено, [12] способствуя загрязнению водных экосистем и потенциально влияя на источники воды для человека. Значительной проблемой является мониторинг уровней CECs в водоемах. Общенациональное исследование показало, что эрозия почвы, потеря питательных веществ и сток пестицидов с обширных сельскохозяйственных угодий Америки являются основными причинами загрязнения качества воды. Примерно 46% рек и ручьев в Соединенных Штатах имеют условия, которые вредны для водной флоры и фауны. Кроме того, только около 28% этих водоемов оцениваются как «здоровые» на основе их биологических сообществ. [24]
Промышленные сбросы — это когда отходы сбрасываются в окружающую среду с производственных и химических предприятий. [25] Эти отходы могут включать в себя широкий спектр CEC, таких как тяжелые металлы, растворители и различные органические соединения, которые не всегда обнаруживаются или удаляются стандартными процессами очистки. [26] Эти загрязняющие вещества могут накапливаться в отложениях и биоте, представляя риски для водной флоры и фауны и здоровья человека. Сложность и разнообразие промышленных сбросов требуют передовых технологий очистки и более строгих нормативных рамок для предотвращения загрязнения окружающей среды CEC. Были исследованы и показано, что передовые процессы окисления и мембранные технологии снижают CEC из промышленных сбросов, однако модернизация существующих очистных сооружений с использованием этой технологии сопряжена с чрезмерными затратами. [27]
Городской сток — это дождевая вода, которая течет по улицам, садам и другим городским поверхностям, собирая по пути различные загрязняющие вещества. [28] Эти загрязняющие вещества могут включать в себя такие CEC, как микропластик из синтетических материалов, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) из выхлопных газов автомобилей и фармацевтические препараты из неправильно утилизированных лекарств. [29] Этот неочищенный сток может попасть в ливневые стоки и в конечном итоге сбрасываться в естественные водоемы, часто минуя очистные сооружения и приводя к их накоплению в окружающей среде, где они могут нанести вред дикой природе и потенциально попасть в пищевую цепочку человека. Проницаемые тротуары и дождевые сады внедряются и тестируются в некоторых городских районах для смягчения последствий стока, помогая фильтровать загрязняющие вещества до того, как они достигнут водной системы. [30]
Очистные сооружения сточных вод (ОССВ) предназначены для удаления загрязняющих веществ из бытовых и промышленных сточных вод до их сброса в окружающую среду. [31] Однако некоторые ОССВ, особенно старые или недостаточно обеспеченные ресурсами, не оснащены для эффективного удаления всех очистных сооружений, таких как современные фармацевтические препараты, ингредиенты средств личной гигиены и определенные типы промышленных химикатов. [32] Эти вещества могут проходить через процесс очистки и попадать в водные экосистемы, [33] что создает проблему для технологии очистки воды и подчеркивает необходимость постоянных исследований и улучшения инфраструктуры для решения проблемы удаления очистных сооружений из сточных вод. Такие достижения, как этапы третичной очистки, которые включают передовые методы фильтрации и удаления химикатов, проходят испытания для решения проблемы присутствия очистных сооружений в отходах, хотя широкое внедрение еще предстоит увидеть из-за новизны, стоимости и логистических проблем. [34]
Существует перекрытие многих антропогенных химических веществ, которым люди регулярно подвергаются. Это затрудняет приписывание негативной причинности для здоровья конкретному изолированному соединению. EPA управляет списком кандидатов на загрязняющие вещества для обзора веществ, которые, возможно, необходимо контролировать в системах общественного водоснабжения . [35] EPA также перечислило двенадцать загрязняющих веществ, вызывающих растущую обеспокоенность на федеральных объектах, с различным происхождением, последствиями для здоровья и способами воздействия. [36] Двенадцать перечисленных загрязняющих веществ следующие: трихлорпропан (TCP), диоксан , тринитротолуол ( TNT ), динитротолуол , гексагидротринитротриазан (RDX), N-нитрозодиметиламин (NDMA), перхлорат , полибромированные бифенилы (PBB), вольфрам , полибромированные дифениловые эфиры (PBDE) и наноматериалы .
Сеть NORMAN [37] улучшает обмен информацией о новых экологических веществах. Была создана система обмена списком подозреваемых веществ [38] (SLE), позволяющая обмениваться информацией о многих потенциальных загрязнителях, вызывающих обеспокоенность. Список содержит более 100 000 химикатов.
Таблица 1 представляет собой сводку новых загрязняющих веществ, которые в настоящее время перечислены на одном веб-сайте EPA и в обзорной статье. Подробное использование и риск для здоровья обычно идентифицируемых CECs перечислены в таблице ниже. [39] [40]
Влияние CEC на окружающую среду водной флоры и фауны широко. Например, химикаты, нарушающие работу эндокринной системы (EDC), могут имитировать естественные гормоны, что может привести к репродуктивным нарушениям и, в конечном итоге, к сокращению или увеличению популяции рыб и земноводных. EDC содержатся в различных распространенных загрязняющих веществах, включая пестициды и промышленные химикаты, и они также могут приводить к изменению роста и размножения водной флоры и фауны (US EPA) (USGS.gov). [41] [42] Микропластики представляют собой еще одну проблему, поскольку они могут приводить к физической закупорке пищеварительных трактов водных организмов и выступать в качестве путей для других токсинов, что приводит к биоаккумуляции и повышению концентрации по мере продвижения вверх по каждому уровню пищевой цепи. [41] Эти воздействия не только угрожают биоразнообразию, но и стабильности водных экосистем, от которых зависят многие виды. Постоянный мониторинг и регулирующие усилия имеют решающее значение для оценки полного масштаба воздействия CEC и для разработки эффективных стратегий по смягчению их присутствия в водных экосистемах (NOAA.gov). [43]
Когда CEC обходят системы фильтрации воды и загрязняют питьевую воду или накапливаются в пищевой цепочке, они также могут представлять опасность для здоровья человека. Хроническое воздействие низких доз CEC было связано с различными проблемами со здоровьем. Например, некоторые фармацевтические CEC и EDC были связаны с гормональным дисбалансом, повышенным риском некоторых видов рака и проблемами развития. [41] Антибиотики, присутствующие в окружающей среде, также могут способствовать развитию устойчивых к антибиотикам бактерий, что представляет серьезную угрозу для здоровья человека, снижая эффективность лечения антибиотиками. [41] Исследования показали, что даже при низких концентрациях присутствие CEC в питьевой воде может коррелировать с неврологическими расстройствами и может со временем снижать когнитивные функции. [44] Некоторые перфторалкильные вещества (PFAS) , которые являются типом CEC, были связаны с различными неблагоприятными последствиями для здоровья, такими как повышение уровня холестерина, изменения в ферментах печени и снижение эффективности вакцин, что вызывает опасения по поводу широко распространенного воздействия этих химических веществ. [45] CDC также определяет воздействие высоких уровней CEC с негативным воздействием на иммунную систему, ставя под угрозу способность организма бороться с инфекциями и увеличивая риск ревматологических заболеваний. [44] Воздействие комбинации различных CEC, которое может происходить через загрязненную питьевую воду или пищевые цепи, может привести к кумулятивным последствиям для здоровья человека, которые еще не полностью изучены. [44] [45]
Дикие животные, особенно виды, зависящие от водной среды, исключительно уязвимы к нарушениям, вызванным CEC. Наземные виды могут подвергаться воздействию CEC через загрязненную пищу, воду и почву. Эти загрязнители могут вызывать загрязнение, которое может привести к смертности или косвенно привести к изменениям в поведении, которые влияют на такие важные виды деятельности, как кормление и спаривание. Мигрирующие виды особенно подвержены риску, поскольку они могут распространять воздействие CEC на различные экосистемы. [41] [42] Здоровье популяций диких животных является важным показателем качества окружающей среды, а наличие CEC может сигнализировать о более широких экологических проблемах, требующих внимания.
Обнаружение и мониторинг CEC осуществляется с помощью различных сложных аналитических методов. Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) в сочетании с масс-спектрометрией (МС) может помочь идентифицировать органические CEC из-за их высокой чувствительности и селективности EPA. Для летучих и полулетучих соединений обычно используется газовая хроматография (ГХ) в сочетании с МС FDA. Металлы и металлоиды обычно анализируются с помощью таких методов, как масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС), которая позволяет проводить одновременный анализ нескольких элементов USGS. Сложности с мониторингом CEC выходят за рамки простого обнаружения. Их пути через различные среды также должны контролироваться. Это можно сделать с помощью пассивных устройств для отбора проб, которые накапливают загрязняющие вещества с течением времени и дают полное представление об уровнях загрязняющих веществ в разных местах NOAA. Биосенсоры также используются и интегрируются для быстрого обнаружения определенных загрязняющих веществ, что важно для приложений мониторинга на месте NIH. Использование дистанционного зондирования и географических информационных систем (ГИС) для пространственного анализа расширяется, эти инструменты облегчают отслеживание распространения загрязнения NASA Earth Science. Недавние достижения в области нанотехнологий привели к разработке нанодатчиков, которые могут обнаруживать следовые количества CECs Nature Nanotechnology.
Существуют места с отходами, на очистку которых и предотвращение дальнейшего просачивания и загрязнения грунтовых вод и окружающей биосферы уйдут сотни лет . В Соединенных Штатах органы по регулированию окружающей среды на федеральном уровне в первую очередь отвечают за определение стандартов и уставов, которые направляют политику и контроль в штате, чтобы предотвратить воздействие вредных соединений на граждан и окружающую среду. Возникающие загрязняющие вещества являются примерами случаев, когда регулирование не выполняет то, что должно, и сообщества остаются уязвимыми для неблагоприятных последствий для здоровья. Многие штаты оценили, что можно сделать с возникающими загрязняющими веществами, и в настоящее время рассматривают это как серьезную проблему, но только восемь штатов имеют специальные программы управления рисками, направленные на решение проблемы возникающих загрязняющих веществ. [46]
Это тактики и методы, направленные на устранение последствий определенных или всех CEC путем предотвращения перемещения по окружающей среде или ограничения их концентрации в определенных экологических системах. Особенно важно гарантировать, что подходы к очистке воды не просто перемещают загрязняющие вещества из сточных вод в ил, учитывая потенциал распространения ила на землю, что обеспечивает альтернативный путь попадания в окружающую среду.
Для некоторых новых загрязняющих веществ несколько передовых технологий — сонолиз, фотокатализ , [40] окисление на основе Фентона [47] и озонирование — обрабатывали загрязняющие вещества в лабораторных экспериментах. [48] Другая технология — «усиленная коагуляция», при которой очистной объект будет работать над оптимизацией фильтрации, удаляя предшественников загрязнения посредством обработки. В случае ТГМ это означало снижение pH, увеличение скорости подачи коагулянтов и поощрение работы бытовых систем с фильтрами из активированного угля и аппаратами, которые могут выполнять обратный осмос . [49] Хотя эти методы эффективны, они являются дорогостоящими, и было много случаев, когда очистные сооружения отказывались платить за удаление загрязнения, особенно если оно не было создано в процессе очистки воды, поскольку многие EC возникают из-за стоков, прошлых источников загрязнения и средств личной гигиены. Также трудно стимулировать штаты иметь собственную политику в отношении загрязнения, поскольку для штатов может быть обременительно платить за процессы скрининга и профилактики. Существует также элемент экологической несправедливости, поскольку сообщества с низким доходом и меньшей покупательной способностью и политической властью не могут купить собственную систему фильтрации и регулярно подвергаются воздействию вредных соединений в питьевой воде и пище. [50] Однако недавние шаги для систем на основе света показывают большой потенциал для таких приложений. С уменьшением стоимости систем УФ-светодиодов и растущей распространенностью систем на солнечных батареях [40] это показывает большой потенциал для устранения CEC, сохраняя при этом низкие затраты.
Исследователи предположили, что металлоорганические каркасы (MOF) и наноадсорбенты на основе MOF (MOF-NA) могут быть использованы для удаления определенных CEC, таких как фармацевтические препараты и средства личной гигиены , особенно при очистке сточных вод. Широкое использование наноадсорбентов на основе MOF еще не реализовано из-за осложнений, вызванных обширными физико-химическими свойствами, которые содержат CEC. Удаление CEC во многом зависит от структуры и пористости MOF-NA и физико-химической совместимости как CEC, так и MOF-NA. [51] Если CEC несовместим с MOF-NA, то определенные функциональные группы могут быть химически добавлены для повышения совместимости между двумя молекулами. Добавление функциональных групп заставляет реакции полагаться на другие химические процессы и механизмы, такие как водородные связи , кислотно-основные реакции и сложные электростатические силы. [51] Ремедиация на основе наноадсорбента MOF в значительной степени зависит от качества воды, такого как pH, для того, чтобы реакция выполнялась эффективно. Ремедиация MOF-NA также может использоваться для эффективного удаления других тяжелых металлов и органических соединений при очистке сточных вод.
Другим методом возможного восстановления CEC является использование мембранных биореакторов (МБР), которые действуют через механизмы сорбции и биодеградации . Мембранные биореакторы показали результаты по способности отфильтровывать определенные растворенные вещества и химикаты из сточных вод с помощью методов микрофильтрации , но из-за чрезвычайно малого размера CEC, МБР должны полагаться на другие механизмы, чтобы гарантировать удаление CEC. Одним из механизмов, который МБР используют для удаления CEC из сточных вод, является сорбция. Сорбция CEC на отложениях ила в системе МБР может позволить отложениям осесть и подвергнуться бомбардировке водой, что приведет к возможной биодеградации CEC в мембране. Сорбция конкретного CEC может быть еще более эффективной в системе, если CEC является гидрофобным, заставляя его перемещаться из сточных вод в отложения ила быстрее. [52]
В последние годы управление CEC привлекло все большее внимание из-за их потенциального воздействия на общественное здоровье и окружающую среду. В ответ на эти опасения различные правительственные и международные организации инициировали усилия по решению проблемы CEC посредством исследований, регулирования и работы с общественностью.
В январе 2024 года Управление по политике в области науки и технологий Белого дома объявило о скоординированной федеральной исследовательской инициативе по решению проблемы CEC в поверхностных водах. Инициатива направлена на улучшение понимания источников, возникновения и последствий CEC, а также на разработку эффективных стратегий их удаления и управления. [53]
Кроме того, Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) активно участвует в решении проблемы CEC. Семинар ОЭСР по управлению загрязняющими веществами, вызывающими обеспокоенность в поверхностных водах, собрал экспертов из разных стран для обсуждения проблем и решений, связанных с CEC, подчеркивая важность международного сотрудничества в решении этой глобальной проблемы. [53]
Эти недавние события подчеркивают растущее признание необходимости согласованных усилий по решению проблем, создаваемых КЭЦ, в целях защиты общественного здоровья и окружающей среды.
Пропагандистские усилия по регулированию CEC важны для продвижения законодательства и регулирующих действий. Группы по защите окружающей среды повышают осведомленность о потенциальных рисках, связанных с CEC, и призывают к продвижению политики защиты окружающей среды. Эти группы лоббируют повышение стандартов качества воды, в частности включение CEC в протоколы мониторинга и очистки сточных вод, что приводит к улучшению качества сточных вод NECRI. Кроме того, они продвигают комплексную структуру обнаружения и выступают за меры предосторожности для предотвращения выброса вредных химических веществ в окружающую среду (Рабочая группа по охране окружающей среды).
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)