Озон О3 защита, благо и опасность

Как отрицательное, так и положительное действие озона на живые клетки следует учитывать в среде обитания организмов. Угроза истощения озона в атмосфере и порой чрезмерное повышение его концентрации в приземном слое воздуха,  выдвигает проблему соотношения жизни и содержания озона в атмосфере на одно из первых мест .В связи с большой опасностью для живых организмов высоких концентраций тропосферного озона индикация повреждений, им вызванных,  представляет важную задачу.


 Озон О3  - аллотропическое видоизменение кислорода. Этот газ тяжелее воздуха и постоянно образуется в атмосфере. В отличие от обычного двухатомного кислорода О2 воздуха озон включает три кислородных атома, и, вследствие этого обладает высокой окислительной способностью. Это -  вещество с  характерным запахом свежести, названное  от греческого слова “озо” , что означает “пахну”. В сжиженной форме озон приобретает голубую окраску, поскольку имеет полосу поглощения в области 580-620 нм.
  Озон возникает при диссоциации кислорода воздуха, который поступает в атмосферу при фотосинтезе растений. Под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца  в начале образуется атомарный кислород О,который при соударении с молекулой молекулярного кислорода  и в присутствии любой частицы воздуха дает озон:

   Принципиально важно, что озон может образовываться в любых процессах, где возникает  атомарный кислород. Источниками озона являются окислы азота, угарный газ и углеводороды, выделяемые растениями или антропогенными источниками – выбросами промышленности и автотранспортом. В  цепи химических реакций под влиянием ультрафиолетовой радиации из этих соединений возникает атомарный кислород, из которого затем образуется озон. Появление техники, выделяющей ультрафиолетовую радиацию (компьютеры, копировальные аппараты и др.), также способствует образованию озона и внутри помещений.
   Распределение озона в атмосфере неравномерно. Наибольшая плотность озона (число молекул в единице объема)  наблюдается на высоте 24-26 км в тропиках и 18-20 км в полярной зоне.  Общее содержание озона в атмосфере принято условно характеризовать слоем озона, приведенным к нормальным условиям (0o С, 1 атм). Это - так называемый озоновый слой.  Принято считать, что он расположен в стратосфере на высоте примерно 20-25 км над поверхностью Земли.
   Значение озонового слоя для биосферы наглядно видно из оптических свойств этого газа, если сравнить спектры поглощения озона и важнейших компонентов живых клеток – нуклеиновых кислот и белков. Озон имеет самую интенсивную полосу поглощения в области 200-300 нм. В этой же области спектра поглощают нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. Озон, содержащийся в верхних слоях атмосферы, целиком поглощает особенно губительные коротковолновые ультрафиолетовые лучи, препятствуя тем самым повреждению живых систем. Снижение концентрации озона в атмосфере в целом хотя бы на 10 % уже сказывается на живых организмах - снижается урожай растений, у животных и человека наблюдаются различного рода патологии, например нарушение легочной функции, увеличение хронических заболеваний легких, нервной и иммунной систем, рак кожи и сетчатки глаз. Заметные сдвиги под влиянием возросшего ультрафиолетового облучения могут наблюдаться и в состоянии целых экосистем, особенно наземной растительности  и фитопланктона, а также осуществлении биогеохимических циклов.
    Снижение содержания озона в стратосфере связано с  различными химическими соединениями, проникающими в атмосферу в результате ядерных взрывов, космических полетов и полетов сверхзвуковой авиации, применением хлор- и фторорганических аэрозолей и удобрений в сельском хозяйстве, холодильном производстве и др. Под влиянием ультрафиолетовой радиации все они катализируют распад озона.
    Проблема  образования “озоновых дыр” (больших участков атмосферы, со сниженным содержанием или почти полностью лишенных озона) особенно актуальна для человечества , поскольку за последние двадцать лет наблюдалось заметное снижение концентрации озона в некоторых районах  Земли, особенно Антарктиды и Арктики.  Местами даже над Восточной Сибирью площадь “озоновых дыр” составляла несколько тысяч квадратных километров, а концентрация озона а таких участках атмосферы снижалась на 40 %.
   Озоновый слой имеет значение не только как экран биосферы от повреждения жестким ультрафиолетовым излучением, но и  определяет термический режим атмосферы. В инфракрасной области спектра у озона есть еще важная полоса поглощения с максимумом 960 нм. Благодаря этому, О3 поглощает выделяемую Землей энергию инфракрасного диапазона (тепловую), не дает ей рассеяться в Космосе,  и, тем самым задерживает тепло в атмосфере нашей Планеты.
    Если в верхнем слое атмосферы (в стратосфере)  концентрация озона  имеет тенденцию к снижению, то в нижних  районах атмосферы (в тропосфере), напротив, к увеличению. Обычно концентрация  озона в приземных слоях тропосферы невелика - до 2,1-21 мкг /м 3 (0,001-0,01 мкл /л).  Но она резко возрастает при грозе и, в еще большей мере, при загрязнении воздуха. Запах озона ощущается примерно  в  его концентрациях 21 мкг/м 3 (0,01 мкл/л), а превышение этой концентрации в 10 раз есть предел безопасности для живых организмов.  Обычно  экологи называют  ее предельно допустимой концентрацией. Выше нее состояние атмосферы характеризуют уже  определенным уровенем загрязнения, когда озон становится опасным токсикантом. В тропосфере озон является компонентом “фотохимического смога”, который представляет собой туман, ставший более тяжелым и более темным благодаря промышленным выбросам, продуктам сжигания угля и нефти. Впервые описанный в ЛосАнжелосе ,такой смог наблюдается во многих городах Мира. Под влиянием высоких 1-10 мкл/л концентраций озона в легких многих млекопитающих и Человека наблюдаются заметные воспалительные реакции, а у ряда чувствительных растений, которые служат индикаторами озонового загрязнения, видны характерные признаки повреждения в виде белых или цветных пятен.  На уровне целого организма озоновые повреждения при высоких концентрациях О3 вначале обнаруживаются по резкому снижению активности фотосинтеза (у растений и фотосинтезирующих организмов), а затем дыхания у всех живых существ.  Особенно наглядны эффекты на растениях при хроническом воздействии озоном, поскольку обнаруживаются выцветание пигментов и некротические пятна. 

    Среди проблем, связанных с озоном особенно важна ранняя диагностика вызванных им нарушений, чтобы принять защитные меры. Ведется и поиск организмов – индикаторов озонового загрязнения в природе.
    Однако имеются все предпосылки для практического использования искусственного воздействия озоном, например в санитарных или лечебных целях. Следует учитывать, что у разных царств живых организмов проявляется разная чувствительность к озону.  Даже при небольших дозах озона может наступать гибель микроорганизмов, что широко используется в санитарии и пищевой промышленности, для обеззараживания воды и др. Причем при определенных дозах гибнут возбудители опасных инфекций, например таких как сальмонелла. Иногда даже улучшается состояние ВИЧ-инфицированных пациентов, по-видимому за счет воздействия на возбудителей вторичного бактериального заражения.        Окислительный эффект озона может быть так велик, что озонированная вода уже применяется  как пестицид в сельском хозяйстве для уничтожения паразитов.  У животных обнаружена стимуляция иммунитета при воздействии низкими дозами озона, и угнетение легочной функции в высоких его дозах. Причем наиболее чувствительны в этом отношении млекопитающие, а низкоорганизованные животные менее изучены – это поле деятельности в будущем. 
    Что же касается растений, то их реакции наиболее разнообразны по сравнению с другими царствами – от стимуляции роста и развития низкими дозами озона  до повреждения и опада листьев, усыхания лесов и общего нарушения фитоценозов при хронических воздействиях озона в урбанизированных районах. Особенно чувствительны хвойные растения. Это тем более опасно, поскольку источниками озона на Земле является окисление кислородом воздуха монотерпенов лесных растений, в основном, хвойных пород.
    Глобальные эффекты озона связаны,  в первую очередь, с экранирующей ролью озона для всей биосферы. В результате нарушения озонового экрана и появления “озоновых дыр”  происходит усиление ультрафиолетовой радиации. Это ведет, прежде всего,  к исчезновению организмов, неустойчивых к ультрафиолетовому излучению, и вследствие этого, происходит нарушение биоразнообразия фауны и флоры. В перспективе, возможно, будет расти число заболеваний, обусловленных УФ –радиацией, таких как рак кожи, катаракта и др.  Глобальные последствия действия озона в тропосфере приведут к снижению урожая (а это жизненно необходимые продукты питания и одежда), отмиранию лесов, будут прелюдией кислых дождей, поскольку при больших концентрациях озона образуется много пероксидов с кислой реакцией, произойдет ускорение старения и возникнут многочисленные заболевания легких.   
    Локальные последствия действия озона приведут к увеличению числа легочных заболеваний в городах, вымиранию растений, неустойчивых к озону. В настоящее время 64 миллиона человек постоянно живут в районах с концентрацией озона весьма опасной для здоровья. Основные меры для предотвращения таких нарушений - не создавать крупные мегаполисы и снижать число выбросов автотранспорта и промышленности в атмосферу.
          Литература
1.Рощина В.В. Озон и живые организмы. Наука в России, 2005, N2 , C. 60-63.

2.Учебное пособие
Рощина В.В. (2009) Озон и живая клетка. (Учебное пособие к спецкурсу). Электронное изд-во “Аналитическая микроскопия”. Пущино, 94 с. (каталог образовательных Интернет-ресурсов  http://window.edu.ru/window/library?p_rid=62294, http://cam.psn.ru/view.asp?p=bk&key=10 )

3.Roshchina V.V. ,  Roshchina V.D. Ozone and Plant Cell. 2003. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2003, 240 pp.