Химический состав воздуха, его влияние на организм

Воздушная среда, составляющая земную атмосферу, представляет собой смесь газов. Сухой атмосферный воздух содержит 20,95% кислорода, 78,09% азота, 0,03% углекислого газа. Кроме того, в атмосферном воздухе присутствует мно­го инертных газов (аргон, гелий, неон, криптон, водород, ксенон, радон). В атмосферном воздухе присутствуют небольшие количества озо­на, закиси азота, йода, метана, водяных паров.

Химический состав атмосферного воздуха.

Кислород. Постоянное содержание кислорода поддерживается непрерыв­ными процессами его обмена в природе. Кислород потребляется при дыхании человека и животных, он необходим для горения и окисления. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза растений; Наземные растения и фитопланктон ежегодно поставляют в атмосферу около 1,5 х 10¹⁵ т кислорода, что полностью восстанавливает его естественную убыль. На поверхности зем­ли из-за интенсивного перемешивания воздушных масс концентрации кисло­рода остаются практически постоянными. Не ощущается существенной раз­ницы в содержании кислорода в воздухе промышленных городов и сельских мест. Концентрации кислорода колеблются лишь в пределах десятых долей процента, что не имеет существенного гигиенического значения. При паде­нии парциального давления кислорода, что наблюдается при подъеме на вы­соту, возможны явления кислородного голодания. Критический уровень пар­циального давления кислорода менее 110 мм рт. ст. Снижение парциального давления кислорода до 50—60 мм рт. ст. обычно несовместимо с жизнью. Вместе с тем повышение парциального давления кислорода более 600 мм рт. ст. ведет к развитию патологических процессов в организме — уменьшению жизнен­ной емкости легких, отеку легких и пневмонии.

Наряду с кислородом нормальной составной частью воздуха является озон.

Под влиянием коротковолновой ультрафиолетовой радиации с длиной вол­ны менее 200 мкм молекулы кислорода диссоциируют с образованием атомар­ного кислорода. Вновь образованные атомы кислорода присоединяются к ней­тральной молекуле кислорода, образуя озон. Одновременно с образованием озона происходит его распад.

Общебиологическое значение озона велико. Озон поглощает коротковол­новую ультрафиолетовую радиацию, оказывающую губительное действие на все живое. Одновременно озон поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, исходящую от Земли, и тем самым предотвращает чрезмерное ох­лаждение ее поверхности. Концентрация озона неравномерно распределяется по высоте. Наибольшее его количество отмечается на уровне 20—30 км от по­верхности земли. С приближением к поверхности земли концентрация озона уменьшается вследствие снижения ультрафиолетовой радиации и ослабления синтеза озона. В тропосферу озон поступает в результате перемешивания воз­душных масс и перехода из стратосферы.

Озон обладает окислительными способностями, поэтому в загрязненном воздухе городов его концентрации ниже, чем в воздухе сельской местности. В связи с этим озон считался показателем чистоты воздуха. Однако в после­дние годы установлено, что озон образуется в результате фотохимических ре­акций при формировании смога, поэтому обнаружение озона в атмосферном воздухе крупных городов считают показателем его загрязнения.

Азот. Наряду с кислородом и озоном в состав атмосферного воздуха входит азот, который по количественному содержанию является наиболее существен­ной составной частью атмосферного воздуха.

Азот принадлежит к инертным газам, он не поддерживает дыхание и горение. В атмосфере азота жизнь невозможна. В природе происходит его круговорот.

Азот воздуха усваивается некоторыми видами бактерий почвы, а также сине-зелеными водорослями. Азот воздуха под влиянием электрических разрядов превращается в окислы, которые, вымываясь из атмосферы осадками, обога­щают почву солями азотистой и азотной кислот. Под влиянием почвенных бактерий соли азотистой кислоты превращаются в соли азотной кислоты,которые в свою очередь усваиваются растениями и служат для синтеза белка. Установлено, что 95% атмосферного азота ассимилируется живыми организ­мами и лишь 5% связывается в результате физических процессов в природе. Следовательно, основная масса связанного азота имеет биогенное происхож­дение. Наряду с усвоением азота происходит его выделение в атмосферу. Сво­бодный азот образуется при горении древесины, угля, нефти, небольшое ко­личество свободного азота выделяется при разложении органических соедине­ний микроорганизмами-денитрификаторами. Таким образом, в природе идет непрерывный круговорот азота, в результате чего азот атмосферы превращает­ся в органические соединения. При разложении этих соединений азот восста­навливается и поступает в атмосферу, а затем его вновь связывают биологи­ческие объекты.

Азот является разбавителем кислорода, так как дыхание чистым кислоро­дом приводит к необратимым изменениям в организме. При изучении дей­ствия на организм различных концентраций азота отмечено, что его повы­шенное содержание во вдыхаемом воздухе способствует наступлению гипок­сии и асфиксии вследствие снижения парциального давления кислорода. При увеличении содержания азота до 93% наступает смерть. Наиболее выражен­ные неблагоприятные свойства азот проявляет в условиях повышенного дав­ления, что связано с его наркотическим действием. Известна также роль азота в происхождении кессонной болезни.

К инертным газам относятся аргон, неон, гелий, криптон и ксенон. В химическом отношении эти газы инертны, в жидкостях организма растворяются в зависимости от парциального давления. Абсолютное количе­ство этих газов в крови и тканях организма ничтожно, действие инертных газов может быть наркотическим. Однако наркотическое действие возможно при очень высоком парциальном давлении этих газов, что в обычной жизни не встречается. Среди инертных газов особое место занимают радон, актинон и торон — продукты распада естественных радиоактивных элементов радия, тория, актиния. Опасное оздействие инертных газов на организм связано с их радиоактивностью. В природных усло­виях они определяют естественную радиоактивность атмосферы. В производ­ственных условиях эти газы считаются профессиональной вредностью, требу­ют соответствующей защиты персонала и контроля за уровнем облучения. С этим связано нормирование условий труда медицинского персонала в отде­лениях радоновых ванн.

Углекислый газ. Углекислый газ, или диоксид углерода, в природе находит­ся в свободном и связанном состоянии. До 70% углекислого газа растворено в воде морей и океанов, в состав некоторых минеральных соединений (извест­няков и доломитов) входит около 22% общего количества диоксида углерода. Остальное количество приходится на животный и растительный мир (камен­ный уголь, нефть и гумус). В природе происходят непрерывные процессы вы­деления и поглощения диоксида углерода. В атмосферу он выделяется в ре­зультате дыхания человека и животных, а также горения, гниения, брожения. Кроме того, диоксид углерода образуется при промышленном обжиге извест­няков и доломитов, возможно его выделение с вулканическими газами. Наря­ду с процессами образования в природе идут процессы ассимиляции диоксида

углерода — активное поглощение растениями в процесс фотосинтеза из воздуха диоксид углерода вымывается осадками.

Важную роль в поддержании постоянной концентрации диоксида углерода в атмосферном воздухе играет его выделение с поверхности морей и океанов. Диоксид углерода, растворенный в воде морей и океанов, находится в дина­мическом равновесии с диоксидом углерода воздуха и при повышении парци­ального давления в воздухе растворяется в воде, а при понижении парциаль­ного давления выделяется в атмосферу. Процессы образования и ассимиляции взаимосвязаны, благодаря этому содержание диоксида углерода в атмосфер­ном воздухе относительно постоянно и составляет 0,03%. За последнее время концентрация диоксида углерода в воздухе промышленных городов увеличи­вается в результате интенсивного загрязнения воздуха продуктами сгорания топлива. Среднегодовое содержание диоксида углерода в городском воздухе может быть выше, чем в чистой атмосфере, и составляет 0,037%. В литературе обсуждается вопрос о роли диоксида углерода в создании «парникового эф­фекта», приводящего к повышению температуры приземного слоя воздуха.

Диоксид углерода является физиологическим возбудителем дыхательного центра. Его парциальное давление в крови обеспечивается регулированием кислотно-щелочного равновесия. В организме он находится в связанном со­стоянии в виде двууглекислых солей натрия в плазме и эритроцитах крови. При вдыхании больших концентраций диоксида углерода нарушаются окис­лительно-восстановительные процессы. Чем больше диоксида углерода во вды­хаемом воздухе, тем меньше его может выделить организм. Накопление диок­сида углерода в крови и тканях ведет к развитию тканевой аноксии. При уве­личении содержания диоксида углерода во вдыхаемом воздухе до 4% отмечаются головная боль, шум в ушах, сердцебиение, возбужденное состояние, при 8% возникает тяжелое отравление и наступает смерть. По содержанию диоксида углерода судят о чистоте воздуха в жилых и общественных зданиях, значительное накопление этого соединения в воздухе закрытых помещений указывает на санитарное неблагополучие помещения (скученность людей, плохая вентиляция).

В обычных условиях при естественной вентиляции помещения и инфильт­рации наружного воздуха через поры строительных материалов содержание диоксида углерода в воздухе жилых помещений не превышает 0,2%. В этих концентрациях диоксид углерода не токсичен для человека, но пребывание в такой атмосфере приводит к ухудшению самочувствия и снижению работо­способности. Это объясняется тем, что параллельно с увеличением концент­рации диоксида углерода ухудшаются другие свойства воздуха: повышаются температура и влажность, появляются токсичные газообразные продукты жиз­недеятельности человека (меркаптан, индол, сероводород, аммиак), увеличивается содержание пыли и микроорганизмов.