Промышленная безопасность

15.8. ДИОКСИН

Несмотря на ряд утечек, происходивших в промышленности, впервые диоксин привлек к себе широкое внимание общественности после 10 июля 1976 г., когда в результате аварии им была заражена территория в несколько квадратных километров, использовавшаяся под сельскохозяйственные угодья в районе Севезо (Италия). Эта территория оставалась непригодной в течение нескольких лет. В результате аварии никто не погиб, но было много пострадавших, которые заболели хлоракне - это заболевание описано ниже.

Авария в Севезо как пример крупной химической аварии рассмотрена в гл. 18.

________________________________________________________________________________________

*Представляется более правильным для ингаляционного поражения оперировать не с летальными дозами (LD50), а с соответствующими токсодозами (LCt50), измеряемыми в г ∙ с/м3. -Прим. ред.

В данном разделе обсуждаются следующие вопросы: физические свойства диоксина, его биологическое действие и промышленное значение, причины и обстоятельства аварии в Севезо и ее последствия.

Еще одним фактором, привлекшим внимание общественности к диоксину, было использование американцами дефолиантов в войне против Вьетнама. Речь идет о конкретном веществе - "оранжевом агенте", содержащем в виде примеси диоксин. Отмечено развитие хронических заболеваний у американских военнослужащих, обращавшихся с ним. По фактам таких заболеваний пострадавшие обращались с исками в суды США.

Более того, гербицид 2,4,5-Т (трихлорфеноксиуксусная кислота), который широко используется, на 50% состоит из "оранжевого агента". Это вызвало серьезные опасения, особенно со стороны профсоюзов, что постоянная работа с 2,4,5-Т, например при обработке посевов, может привести к отравлению диоксином, несмотря на то, что он присутствует лишь в виде примеси.

Химическое название диоксина- 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин, его структурная формула приведена на рис. 15.8. Слово "диоксин" ранее употреблялось как торговое название (сейчас оно изменено) совершенно другого соединения - эфира уксусной кислоты 2,6-диметил-м-диоксан-4-ола, их не следует смешивать. Также нельзя путать диоксин с диоксаном - диэтилендиоксидом, который является димером этиленоксида (иногда его называют п-диоксином, тетрагидро). Ни одно из этих веществ не содержит хлора, который, по-видимому, играет важную роль в опасных свойствах диоксина и аналогичных соединений.

Диоксин - это также общее название для группы соединений -полихлорированных дибензо-п-диоксинов (ПХДД). Чтобы избежать путаницы, далее под диоксином мы будем понимать лишь 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин, для обозначения соединений этого же класса будет употребляться аббревиатура ПХДД.

Несмотря на то что рассматриваются случаи хронических заболеваний, все они, кроме особо оговоренных, были вызваны единичными аварийными выбросами диоксина.
15.8.2. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

По вопросам, связанным с диоксином, существует обширная литература. Для данного раздела выбран ряд работ, с которыми автор настоящей книги лично ознакомился. В табл. 15.4 указаны 14 работ; они расположены в более или менее хронологическом порядке, ниже к ним приведены краткие аннотации.

Первые три работы были опубликованы до аварии в Севезо. Первые две связаны с аварией 24 апреля 1968 г. в Болсовере (Великобритания) на предприятии Coalite Works. Это был предвестник Севезо. Тогда один человек погиб в результате падения со стены. Милнз [Milnes,1971] дает короткую справку об этом инциденте с кратким обсуждением способов образования диоксина, его токсических и биологических свойств. Мей [Мау,1973] рассматривает эту аварию с медицинской точки зрения в плане лечения пострадавших (79 человек заболели хлоракне). В работе [Carter,1975] описываются случаи отравления диоксином лошадей на конном заводе в шт. Миссури (США) в период с июня 1971 г. по январь 1974 г. Причиной отравлений послужил мазут, загрязненный диоксином, который распылялся на тренировочном поле. Из 85 лошадей, которых тренировали на этом поле, 62 заболели, из них 48 погибли. Отмечены многочисленные случаи гибели птиц, кошек, собак и грызунов.

Рис. 15.8. Диоксин и аналогичные соединения.

Тип литературы: М - монография (или сборник), С - статья (публикация в периодической печати или препринт).

Характер рассмотрения данного вопроса: █ - освещаются все аспекты проблемы, и ▓ - затрагиваются отдельные моменты.

А - физические и химические свойства диоксинов, аналитическое определение диоксинов.

Б - способы синтеза диоксинов.

В - биологические свойства диоксинов и их гомологов.

Г - болезнь хлоракне.

Д - аварии с выбросами диоксина (кроме аварии 10 июля 1976 г. в Севезо (Италия)).

Е - причины и обстоятельства аварии 10 июля 1976 г. в Севезо (Италия).

Ж - природа и течение поражений у пострадавших в аварии 10 июля 1976 г. в Севезо (Италия), данные медицинских наблюдений за пострадавшими в авариях с выбросами диоксина.

3 - экологический ущерб аварии 10 июля 1976 г. в Севезо (Италия).

И - проблемы дегазации зараженной диоксином зоны.

Работа [Cattabeni,1978] касается принципиальных возможностей качественного и количественного определения диоксина, его биологических свойств и способов дегазации. Это, по-видимому, самая обстоятельная работа по данным вопросам, за исключением, может быть, работы [Homberger,1979].

Работа [Crow, 1978], хоть и написана после катастрофы в Севезо, уделяет этому случаю мало внимания. Это медицинское исследование, в котором описано заболевание хлоракне и дана информация по другим веществам, также вызывающим это заболевание. Отмечается, что все упомянутые в этой работе вещества, вызывающие хлоракне, имеют приблизительно одинаковую химическую структуру. Это симметричные молекулы с двумя бензольными кольцами, связанными азотом или кислородом, или конденсированные вещества типа производных нафталина, имеющие в молекуле 4 атома хлора, как представлено на рис. 15.8.

Отчет [Seveso,1978] - это официальный доклад парламентской комиссии по расследованию причин и обстоятельств аварии в Севезо. Существует определенное сомнение в отношении года опубликования этой работы, так как он не указан в сборнике [H&SE,1980], который является английским переводом данной работы.

В работе [Marshall,1980a] проанализированы итоги работы комиссии. Отметим, что в отчете [Seveso,1978] приведены 674 библиографические ссылки по диоксину и аналогичным соединениям.

Работа [Whiteside,1978] - это обзор токсических эффектов при применении гербицида 2,4,5-Т, который в качестве примеси содержит диоксин. Особое место уделяется применению этого вещества во время войны во Вьетнаме. В работе приводится краткое описание аварии в Севезо, в котором принижена роль конструкции реактора как основной причины, вызвавшей мгновенное поражение людей и растительности. В цитируемой работе содержится обширная информация по поводу психологического воздействия, оказанного аварией на население пораженного района. Есть раздел, посвященный подробному описанию хлоракне, возникающей после длительного воздействия ПХДД на организм человека.

Статья [Homberger,1979] представляет собой подробный обзор по токсичности диоксина и последствиям аварии для здоровья местного населения, включая результаты медицинского наблюдения после аварии. Обсуждается воздействие диоксина на человека, сельскохозяйственные культуры и почву, включая проблему дегазации. Авторы цитируемой работы были сотрудниками либо компании Givaudan, либо компании Hoffmann La-Roche - эти компании являлись владельцами завода в Севезо. Это обстоятельство сыграло основную роль в том, что выводы работы - малое количество случаев заболеваний хлоракне, да и то в легкой форме, и отсутствие статистики, подтверждающей серьезность последствий аварии, - не были единодушно приняты специалистами и общественностью. Однако в современных работах, например [Coulston,1983], которая представляет точку зрения независимых экспертов, содержатся факты, противоречащие этим выводам. В работе [Holmstedt,1980] описаны другие аварии с диоксином (кроме Севезо) и их последствия. Механизм цепной реакции, возникшей во время аварии в Севезо, рассмотрен в статье [Theophanous,1981]. С выводами этой статьи, которые описаны ниже, соглашаются авторы работы [Coulston,1983].

В книге [Нау,1982] приводится наиболее полная информация по диоксину и аналогичным соединениям: начиная от событий во время войны во Вьетнаме и кончая проблемами дегазации почвы после аварии в Севезо и других подобных инцидентов. Подробно описано биологическое действие диоксина и других ПХДД.

Работа [Rice, 1982] затрагивает вопросы экологии в районе Севезо и проблему дегазации. Книга [Coulston,1983] - это работа коллектива авторов по вопросам воздействия диоксина на человека и окружающую среду и по проблеме дегазации.

В работе [Cardillo,1984] принята и развита далее точка зрения [Theophanous,1981], а также рекомендованы меры по повышению безопасности технологического процесса получения 2,4,5-трихлорфенола.

Отмеченные в предыдущем разделе работы касаются в основном биологических эффектов диоксина и ПХДД, но не затрагивают их химических и физических свойств.

Согласно работе [Cattabeni,1978], первым синтезированным представителем ПХДД было октахлорпроизводное, полученное Мерцем и Уэйтом в 1872 г., а собственно диоксин был синтезирован Зандерманном в количестве 25 г в 1957 г. [Sandermann,1957]. Впоследствии лаборант, проводивший эту работу, был госпитализирован по поводу хлоракне. Согласно письму Зандерманна, опубликованному в работе [Cattabeni,1978], в этой же больнице ранее лечились работники местной фабрики, которые заболели хлоракне в 1953 г. Милнз [Milnes,1971] описывает способ выделения продукта, полученного в результате экзотермической реакции смеси, содержащей 1,2,4,5-тетрахлорбензол, с этиленгликолем и гидроксидом натрия. Этот продукт представляет собой белые кристаллы с т. пл. около 300 °С. При проведении масс-спектрографического и хроматографического анализов это вещество оказалось идентичным диоксину. Таким образом, было получено косвенное подтверждение того, что диоксин имеет т. пл. около 300 °С.

В книге [Hay, 1982] указано низкое значение растворимости диоксина в воде - 2 ∙ 10-4 млн-1. Чуть больше он растворим в органических растворителях (44 млн-1 в жирах); углеводородах (570 млн-1 в бензоле); наибольшая растворимость - в хлорорганических соединениях (1400 млн-1 в дихлорбензоле). Но даже и в последнем случае он относится к категории "очень малорастворим". В цитируемой работе отмечается, что диоксин обладает стойкостью к термическому воздействию, кислотам и основаниям. Утверждается, что при 700 °С в течение 21 с распадается только 50% диоксина. В работе [Rice,1982] обсуждается термическая стабильность диоксина и приводятся данные из работы [Stehl,1973], согласно которой "диоксин полностью распадается при 800 °С в течение 21 с". Кроме того, утверждается, что время полураспада диоксина при 1200 °С составляет 10-4 с.

Короче говоря, диоксин химически очень инертен и практически нерастворим во многих растворителях. Остается неясным, каким образом столь инертное в химическом и физическом отношении вещество проявляет такую высокую биологическую активность.

Отметим, что в специальной литературе ведутся многочисленные дискуссии относительно структуры веществ, аналогичных диоксину, включая ПХДД (см. табл. 15.4). По данным журнала Chemical Abstracts в дибензодиоксине можно заместить до восьми атомов водорода на хлор (см. рис. 15.8). В работе [Cattabeni,1978] утверждается, что количество хлорзамещенных производных этого вещества равняется 75, хотя и не все из них были синтезированы. Следует учитывать, что два изомера не обязательно проявляют одинаковую биологическую активность. Примером могут служить два изомера монохлордибензодиоксина [МХДД]: 1-МХДД и 2-МХДД (очевидно, что все другие положения - 3, 4, 6, 7, 8 - неотличимы от положения 1 либо от положения 2). Однако для дихлордибензодиоксинов существует уже 10 возможных неидентичных производных, для трихлордибензодиоксинов - 14, а для тетрахлордибензодиоксинов - 22. Для хлорпроизводных с большим количеством атомов хлора число неидентичных изомеров резко сокращается. Так, для октапроизводных существует лишь одно соединение. Таким образом, при описании биологических свойств надо указывать не только количество атомов хлора, но и их положения, поскольку изомеры проявляют разные биологические свойства.

В работе [Нау,1982] также обсуждаются свойства хлорпроизводных дибензофуранов, структура которых аналогична диоксину (см. рис. 15.8). Утверждается, что эти вещества в 2 - 4 раза менее токсичны, чем диоксин.
15.8.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИОКСИНА

Чрезвычайно высокая токсичность диоксина требует высокочувствительной техники химического анализа. В работе [Rice, 1982] отмечается, что какое-либо зонирование по степени опасности зараженной территории в Севезо было бы невозможно без аналитического мониторинга. Техника того времени, согласно [Rice, 1982], позволяла определять количества диоксина с точностью до 5 ∙ 10-12 г. Хей [Hay, 1982] критикует измерения количества диоксина в 2,4,5-Т с помощью спектрометра, сделанные представителями UK Office of the Government Chemist: чувствительность этой модели масс-спектрометра имела порядок нескольких частей на миллион, а нынешние модели имеют в миллион раз более высокую чувствительность. Техника измерений, выполнявшихся в Севезо, описана в работе [Cattabeni,1972]. Там же приводится описание способа анализа методом газовой хроматографии на колонках со стеклянными капиллярами, когда хроматограф соединен с масс-спектрометром. Использование для анализа способа масс-спектрометрической фрагментации описано в работе [Holmstedt,1980].

2,4,5-ТРИХЛОРФЕНОЛА

В данном разделе мы рассмотрим вопрос о том, каким образом может образоваться диоксин при синтезе 2,4,5-Т. Именно этот процесс использовался в Севезо в 1976 г. и на Coalite Works в 1968 г. Основной реакцией в обоих случаях (см. рис. 15.8) было взаимодействие 1,2,4,5-тетрахлорбензола с гидроксидом натрия в среде метанола или этиленгликоля, служащее для получения трихлорфенолята натрия, ацилирование которого давало затем конечный продукт производства - 2,4,5-трихлорфенол.

При этом возможно протекание побочной реакций, в результате которой образуется диоксин: две молекулы трихлорфенолята натрия конденсируются, образуя одну молекулу диоксина и две молекулы хлорида натрия (см. рис. 15.8). Однако из уравнений реакции, представленных на рис. 15.8, нельзя ничего сказать о количественном соотношении трихлорфенолята натрия и диоксина. На первый взгляд может показаться, что весь конечный продукт будет диоксином, но на практике (даже в самом худшем случае) количество диоксина будет крайне малым: тем не менее даже низкие количества этого вещества могут принести большой вред. Общеизвестно, что при температуре около 180°С (а именно при этой температуре проводились оба процесса) количество образующегося диоксина крайне мало. Также известно, что при повышении температуры процесса выход диоксина растет. Из этого, однако, не следует, что весь получившийся диоксин оставался в конечном продукте: в Севезо в конце технологического потока была установлена печь на 1000 °С с целью ликвидации отходов производства, содержащих, как известно, диоксин [Seveso,1978].

Механизм цепной неконтролируемой реакции, происшедшей в Севезо, обсуждается ниже. Альтернативный механизм образования диоксина приводится в работах [Cattabeni,1978; Hay,1982]. Имеется в виду пиролиз многочисленных органических соединений, имеющих в своем составе хлор. Такие процессы, например, происходят в установках по сжиганию городского мусора. Эти процессы приводят к различным случаям хронических отравлений, например постоянному загрязнению атмосферы. Случай образования диоксина в таком процессе описан в работе [Coulston,1983]: на установке для пиролиза, содержащей около 5 т полихлордифенилов и хлорпроизводных бензола, случился пожар. Анализ воздуха в районе пожара показал, что в пробе содержалось около 3 млн-1 диоксина.
15.8.6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИОКСИНА

В литературе широко обсуждается вопрос о биологических свойствах диоксина. Из 13 работ, отмеченных в табл. 15.4, пять посвящены в основном именно этому вопросу. Одну треть объема отводит этому вопросу [Cattabeni,1978], а книга [Coulston, 1983] полностью посвящена этой теме.

По-видимому, точная статистика летальных исходов от воздействия диоксина отсутствует. В работе [Нау,1982] отмечены следующие случаи: 1 случай в США в 1960 г. при работе с диоксином и 2 случая, также в результате профессиональной деятельности, в Чехословакии в 1964 -1969 гг. Для одного из двух случаев в Чехословакии приводится описание, однако число погибших не указано. Отмечен еще один случай гибели человека в ФРГ в 1959 г. Официальное расследование пришло к выводу, что смерть наступила от воздействия диоксина, однако Хей с этим не согласен.

Существует большое количество данных по экспериментам на животных. В отчете [Seveso,1978] приводятся значения LD50 для определенного количества животных. Диапазон значений LD50 простирается от 0,006 мг/кг (ингаляционно) для морских свинок до 0,114 мг/кг для мышей. Первое из этих значений вызвало большое возбуждение в кругах специалистов, и были высказаны предположения, что диоксин - самое опасное из химических веществ, синтезированных человеком. Но как видно из приведенных значений, LD50 для разных животных отличается на порядки. Приведем цитату из работы [Bridges,1984]: "При пероральном отравлении диоксин значительно менее токсичен для мышей, чем для морских свинок, а хомяки в 600 раз менее восприимчивы, чем морские свинки. Различия в восприимчивости к диоксину у трех видов животных говорят о том, что экстраполяция от животных к человеку весьма проблематична". Однако в работе [Brown,1983] сделано следующее предупреждение: "Мы до сих пор точно не знаем, насколько диоксин токсичен для человека, но тем не менее вряд ли кто-нибудь не признает, что диоксин является очень токсичным веществом, даже при отсутствии точных данных по его токсичности для человека". Большой объем информации по экспериментам с диоксином на животных приведен в работах [Cattabeni,1978; Coulston,1983; Hay,1982].

Интересно отметить, что основной симптом нелетального отравления диоксином - хлоракне - почти не воспроизводится при экспериментах на животных. Согласно работе [Crow,1978], хлоракне проявляется у макака резуса, одного типа мышей и кроликов. У последних даже в случае перорального отравления проявления болезни обнаруживаются лишь за ушами. Эта особенность кроликов сделала их очень полезными животными при выяснении способности химических веществ вызывать хлоракне.

Симптомы нелетального отравления диоксином для человека хорошо известны. Это повреждения кожи - хлоракне, потемнение кожи, избыточная волосатость, повреждения печени, сердца, поджелудочной железы, легких, нервной системы, ослабление нижних конечностей и функций органов чувств, подавленность и неврастения.

Эксперименты на животных показали возможность эмбриотоксического и канцерогенного воздействия. Однако для людей такие поражения не были выявлены.

15.8.7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ,

АНАЛОГИЧНЫХ ДИОКСИНУ

Данные по относительной токсичности диоксина и аналогичных соединений содержатся в работах [Cattabeni,1978] и других. Результаты этих исследований представлены на рис. 15.9, из которого видно, что при замещении водорода в положениях 2, 3, 7, 8 ПХДД становятся крайне токсичными для морских свинок и мышей.

В работе [Crow,1978] представлены результаты исследования ПХДД в отношении их способности вызывать хлоракне. Из рис. 15.8, где представлены формулы этих соединений, видно, что они похожи по структуре: симметричные молекулы с двумя бензольными или конденсированными бензольными кольцами. В цитируемой работе также отмечается, что эти вещества имеют одинаковое расположение электронов на внешней молекулярной орбитали.

Автор настоящей работы выступал в качестве эксперта по вопросам хлоракне для одной крупной компании, занятой в производстве азо- и азоксисоединений.

15.8.8. ХЛОРАКНЕ КАК ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ЗАБОЛЕВАНИЕ

Этот вопрос обсуждается в работах [Мау,1973; Нау,1982] и наиболее детально -в работе [Crow,1978].

Заболевание хлоракне было признано в качестве профессионального с 50-х годов нашего столетия. Согласно работам [Whiteside,1978; Hay,1982], хлоракне впервые было отмечено у работников хлорной промышленности в Германии, и считалось, что оно вызывается хлором. Впоследствии было выяснено, что причиной хлоракне служат хлорированные (или бромированные) ароматические соединения. По мнению автора данной книги, случаи хлоракне у работников хлорной промышленности вызывались органическими смолами, применяемыми в то время в качестве герметика для электродов. В Великобритании хлоракне было признано профессиональным заболеванием в 1948 г.

Хлоракне является результатом острого или хронического отравления

Рис. 15.9. Относительная токсичность хлорзамещенных пара-диоксинов.