экологическая токсикология. Н. В. Иваненко экологическая
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Владивостокский государственный университет экономики и сервиса _________________________________________________________ Н.В. ИВАНЕНКО ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ Учебное пособие Владивосток Издательство ВГУЭС 2006 2 ББК 20 И 17 Иваненко Н.В. И 17 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ: Учебное пособие. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2006. – 108 с. В основу учебного пособия положены современные пред- ставления о накоплении различных токсикантов в экологических системах. Разобраны механизмы их концентрации по пищевым цепям. Рассмотрены аспекты научного подхода к проблеме адап- тации систем надорганизменного ранга. Изложены принципы оценки токсичности вещества, с точки зрения эпидемиологиче- ской токсикологии и экотоксикологии, даны основные понятия. Также рассматриваются особенности токсикологического и эко- токсикологического нормирования в России и зарубежных стра- нах. Предназначено для студентов специальности 013100 «Эко- логия». ББК 87.715.4 Печатается по решению РИСО ВГУЭС © Издательство Владивостокского государственного университета экономики и сервиса, 2006 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Активная жизнедеятельность человеческого общества вызывает многосторонние изменения в окружающей среде. До развития промыш- ленной цивилизации, до начала XIX века, загрязнения были сильно ог- раничены по природе, количеству и распространению. Сейчас к старым проблемам добавились новые – химические неприродные соединения, к которым биологические системы адаптироваться не могут. За последние годы (20–30 лет) синтезировано более 4 млн новых химических соеди- нений. Ежегодно производится около 30 тыс. видов новых химических соединений-ксенобиотиков. Возникла необходимость их оценки с точки зрения опасности для живых организмов, популяций организмов и био- ценозов. Экологическая токсикология – новая область науки об окру- жающей среде – возникла на этапе осознания человеком необходимости формирования знаний о колебаниях и изменениях состояния среды его обитания под воздействием огромного числа чуждых природе веществ. Дисциплина «Экологическая токсикология» является одной из со- ставляющих общепрофессиональной подготовки студентов-экологов, поскольку будущий специалист должен свободно разбираться в вопро- сах оценки и всестороннего анализа воздействий на объекты окружаю- щей среды и реакциях отдельных природных сред на эти воздействия. Основная цель курса – заложить у студентов основы знаний об ис- точниках поступления вредных веществ в окружающую среду, их рас- пространении, действии на живые организмы и системы надорганиз- менного ранга. При составлении данного курса лекций автором за основу отдель- ных тем взяты главы из учебников и монографий С.А. Куценко, В.С. Безеля с соавт., С.С. Юфита, Ю.Е. Саета, Ф. Корте с соавт., Д.С. Орлова с соавт., С.А. Патина, В.М. Питулько с соавт., В. Эйхлера, Н.А. Черных, С.Н. Сидоренко. При составлении тем 2, 4, 5, 6 были использованы ресурсы Интер- нета (включены в список литературы). 4 ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ Экотоксикологические исследования направлены на изучение ми- грации ксенобиотиков (чужеродных для живых организмов соединений, не вступающих ни в пластический, ни в энергетический обмен в клетке) в экологических системах, механизмов включения их в природные цик- лы, а также последствий изменения естественных потоков веществ в биосфере – нарушения экологического равновесия и трансформации элементов биосферы, снижения биоразнообразия, риска в отношении здоровья человека. История токсикологии теряется в глубине веков. Человек столк- нулся с ядовитым действием различных веществ растительного и жи- вотного происхождения еще в каменном веке. По мере освоения при- родной среды в поле его зрения стали попадать все новые и новые ядо- витые вещества, в том числе и антропогенные, т.е. такие, которые про- изводились самим человеком либо как промежуточные, либо как конеч- ные продукты его трудовой деятельности. В связи с развитием про- мышленности, химии и химической технологии эти вещества – «про- мышленные яды» – потребовали пристального внимания. Зародилась промышленная токсикология. Затем – сельскохозяйственная. В даль- нейшем с формированием общей токсикологии, изучающей наиболее общие закономерности взаимодействия организма и яда, происходило и происходит все большее ее дробление. Появились, например, такие ее ветви и самостоятельные разделы, как токсикология металлов, пестици- дов, полимеров, военная токсикология, токсикология замкнутых про- странств, экотоксикология (рис. 1). Основным понятием современной токсикологии является токсич- ность. В общей форме можно определить токсичность как свойство (способность) химических веществ, действуя на биологические системы немеханическим путем, вызывать их повреждение или гибель, или, применительно к организму человека, – способность вызывать наруше- ние работоспособности, заболевание или гибель. Теоретически не существует веществ, лишенных токсичности. При тех или иных условиях обнаружится биологический объект, реагирую- щий повреждением, нарушением функций, гибелью на действие веще- ства в определенных дозах. Токсичность веществ, полностью инертных в отношении биологических объектов, может быть количественно обо- значена, как стремящаяся (но не равная) к нулю. В связи с изложенным представляется возможным определить ток- сикологию как науку, изучающую свойство, присущее практически всем веществам окружающего нас мира как естественного, так и антро- погенного происхождения – токсичность. 5 Рис. 1. Классификация основных разделов токсикологии (По: И. Трахтенберг, 2000) 6 Действие веществ, приводящее к нарушению функций биологиче- ских систем, называется токсическим действием. В основе токсиче- ского действия лежит взаимодействие вещества с биологическим объек- том на молекулярном уровне. Химизм взаимодействия токсиканта и биологического объекта на молекулярном уровне называется механиз- мом токсического действия. Следствием токсического действия веществ на биологические систе- мы является развитие токсического процесса (формирование и развитие реакций биосистемы на действие токсиканта, приводящих к еѐ поврежде- нию, т.е. нарушению еѐ функций, жизнеспособности или гибели). Становление токсикологии в нашей стране связано с работами фи- зиолога Ивана Сергеевича Цитовича. Признанные лидеры промышлен- ной токсикологии – Николай Сергеевич Правдин и Николай Васильевич Лазарев. Начало развития новой ветви науки – экотоксикологии, положила книга Рашель Карсон «Молчаливая весна», вышедшая в 1962 году, в кото- рой автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтроль- ного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. Эта книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительственные законодатель- ные акты, регламентирующие выбросы ксенобиотиков. В самостоятельную науку экотоксикологию (ecotoxicology) выде- лил Рене Траут, который впервые, в 1969 году, связал воедино два со- вершенно разных предмета: экологию и токсикологию. На самом деле эта область знаний включает в себя, помимо указанных, элементы и других естественных наук, таких как химия, биохимия, физиология, популяционная генетика и др. Термин «экологическая токсикология» (экотоксикология) появился в отечественной и зарубежной литературе в 1973 году как направление профилактической токсикологии, которое занимается изучением при- способления (адаптации) живого к изменениям химического состава среды его обитания в условиях целостного ансамбля абиотических, био- тических и социальных факторов. Позднее это определение было уточнено на конференции СКОПЕ (Международный научный комитет по проблемам окружающей среды) в 1978 г. По мере развития само понятие «экотоксикология» претерпело оп- ределенную эволюцию. В 1978 году Батлер (По: С.А. Куценко, 2002) рассматривал экотоксикологию как науку, изучающую токсические эф- фекты химических агентов на живые организмы, особенно на уровне популяций и сообществ, в пределах определенных экосистем. Левин и др. в 1989 г. определили ее как науку, прогнозирующую влияние хими- 7 ческих веществ на экосистемы. В 1994 году В. и Т. Форбсы дали сле- дующее определение экотоксикологии: «Область знаний, которая сум- мирует экологические и токсикологические эффекты химических пол- лютантов на популяции, сообщества и экосистемы, прослеживая судьбу (транспорт, трансформацию и удаление) таких поллютантов в окру- жающей среде» (По: С.А. Куценко, 2002). В настоящее время под экологической токсикологией понимается междисциплинарное научное направление, связанное с токсическим воздействием на живые организмы, преимущественно на популяции организмов, и биоценозы, входящие в состав экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их рас- пространение в окружающей среде, действие на живые организмы. Че- ловек, несомненно, является наивысшей ступенью в ряду биологиче- ских мишеней. Позже в рамках экотоксикологии стали выделять в качестве само- стоятельного направления один из еѐ разделов, получивший название «токсикология окружающей среды» (environmental toxicology). Сформировалась тенденция использовать термин «экотоксиколо- гия» только для обозначения суммы знаний, касающихся эффектов хи- микатов на экосистемы, исключая человека. Так, по Уолкеру и др. (1996) экотоксикология – учение о вредных эффектах химикатов на эко- системы (По: С.А. Куценко, 2002). Устраняя из круга рассматриваемых экотоксикологией объектов человека, это определение детерминирует различие между экотоксикологией и токсикологией окружающей среды, определяет предмет изучения последней. Термин «токсикология окру- жающей среды» предлагается использовать только для исследований прямого действия «загрязнителей» окружающей среды на человека. В процессе изучения эффектов химических веществ, присутствую- щих в окружающей среде, на человека и человеческие сообщества, ток- сикология окружающей среды оперирует уже устоявшимися категория- ми и понятиями классической токсикологии и применяет, как правило, ее традиционную экспериментальную, клиническую, эпидемиологиче- скую методологию. Объектом исследований при этом являются меха- низмы, динамика развития, проявления неблагоприятных эффектов дей- ствия токсикантов и продуктов их превращения в окружающей среде на человека. Методологические различия между экотоксикологией и токсиколо- гией окружающей среды полностью стираются, когда перед исследова- телем ставятся задачи оценить опосредованное действие загрязнителей на человеческие популяции (например обусловленное токсической мо- дификацией биоты), или, напротив, выяснить механизмы действия хи- микатов, находящихся в среде, на представителей того или иного от- дельного вида живых существ. В этой связи, с теоретических позиций, 8 «токсикология окружающей среды» как наука является лишь частной проблемой «экотоксикологии», при этом методология, понятийный ап- парат и структура наук – едины. По С.А. Куценко (2002), содержанием дисциплины «Экотоксиколо- гия» является учение об экотоксичности, а основными рассматривае- мыми вопросами: характеристика ксенобиотического профиля среды обитания, проблемы экотоксикокинетики, экотоксикодинамики, экоток- сикометрии. В.С. Безель с соавторами (1994) отмечает, что экотоксикологиче- ские исследования направлены на изучение биологических систем на- дорганизменного уровня, подверженных техногенному загрязнению. Тогда естественно, что теоретической основой экотоксикологии служат фундаментальные закономерности функционирования и структуры природных систем популяционного и биоценотического ранга, активно разрабатываемые современной теоретической экологией. Важнейшее значение имеет общая концепция устойчивости и стабильности эколо- гических систем. Как отмечают Ф. Корте и др. (1997), к важнейшим задачам экоток- сикологии относятся: 1) выявление степени вредного воздействия (в качественном и ко- личественном отношении) и разработка «лечебных мероприятий»; 2) выявление изменений видового состава и функций экосистемы. В первом случае последствия могут проявляться как в количест- венном, так и в качественном отношении. Исследования колебаний ви- дового состава, а также взаимосвязей видов на одном трофическом уровне имеют преимущественно качественный характер. Для экотокси- кологии особенно важен фактор снижения разнообразия видов (дивер- сификация), так как уменьшение числа видов может повлечь за собой исчезновение существовавших ранее организмов-индикаторов. Если проводятся эпидемиологические исследования, то выпадение или сни- жение численности ведущих видов организмов требует проведения ана- лиза тенденций развития биологических сообществ. Такие исследования являются еще одной задачей экотоксикологии, они могут способство- вать выявлению степени риска и предотвращению опасных явлений. Такое же важное значение, как и структурно-видовые изменения, имеют функциональные нарушения в экосистеме. Здесь речь идет о контрольных количественных параметрах роста организмов и обмена веществ. Если под экотоксикологией понимать одно из направлений иссле- дования экосистем, то ее важнейшими частями должны быть проблемы сохранения (при работе с ненарушенными экосистемами) и восстанов- ления (для уже пострадавших систем). Обе эти цели могут быть достиг- нуты лишь на пути функционального моделирования. Однако в связи с 9 тем, что нет никакой универсальной модели, разработка таких моделей, а также создание лабораторных и математических моделей или подоб- ные исследования в естественных условиях проводят исходя из постав- ленной цели для решения какой-либо конкретной проблемы. Считается, что по видовому составу легче поддаются изучению аг- рарные системы, чем природные или близкие к природным экосистемы. Однако здесь требуются довольно дорогие исследования для количест- венной оценки экотоксикологического влияния агрохимических препа- ратов. По мнению Ф. Корте и др. (1997), следует отказаться от примене- ния термина экотоксичность, поскольку он предполагает точное и одно- значное воздействие вещества на природу. В действительности это не- возможно ввиду сложной структуры и путей взаимодействия химиче- ского вещества с природными объектами (индивидуальное, суммарное, синергическое, антагонистическое действия). Даже само понятие «эко- токсикология» имеет некоторую неопределенность, поскольку оно поя- вилось в виде кальки с английского ecotoxicology. Трудности становления экологической токсикологии в качестве са- мостоятельного направления связаны сегодня с отсутствием достаточно строгой теоретической основы, объединяющей накапливаемый полевой и экспериментальный материал и объясняющий его. Неоднозначность исходных данных, получаемых в различных природных условиях и при различных воздействиях, отсутствие объяснимой связи между натур- ными наблюдениями и экспериментом, оторванность теоретических положений от конкретного их приложения к решению практических задач – все это признаки новизны научного направления, его первых шагов. 10 Тема 1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ТИПЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В конце XX века объем выбросов загрязняющих веществ антропо- генного происхождения стал соизмерим с масштабами природных про- цессов миграции и аккумуляции различных соединений. Резко обострились проблемы, непосредственно связанные с хими- ческим загрязнением биосферы, нередко приводящие к острым токси- коэкологическим ситуациям. Это вызвало расширение и интенсифика- цию различных исследований, касающихся масштабов и темпов загряз- нения окружающей среды, поиск эффективных приемов охраны атмо- сферного воздуха, природных вод, почвенного и растительного покрова, которые основаны на снижении потоков химических загрязняющих ве- ществ, поступающих в биосферу с выбросами промышленности, транс- порта, бытовыми отходами, а также ограничение или полное устранение токсического действия различных веществ и соединений техногенного происхождения на растительный и животный мир, предотвращение их негативного влияния на здоровье человека. По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из бо- лее чем 6 млн известных химических соединений практически исполь- зуется до 500 тыс. соединений; из них около 40 тыс. обладают вредны- ми для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными. В биогеохимические циклы теперь включается большой перечень син- тетических соединений, неизвестных для целинных природных сред. К ним, в частности, относится большая группа веществ, объединяемых общим тер- мином «пестициды», фенолы и их производные, фреоны, диоксины. Характер и степень влияния химических загрязняющих веществ на общую экологическую обстановку, отдельные биогеоценозы и компо- ненты биосферы неодинаковы в различных природных зонах и даже по отношению к отдельным видам животных и растений. Вследствие этого наряду с общими и закономерно обусловленными проявлениями опас- ных токсико-экологических ситуаций нередко возникают частные и ло- кальные нарушения природной среды. Природные экосистемы обладают способностью противостоять как ко- лебаниям обычных природных факторов, так и изменениям условий сущест- вования под влиянием антропогенных воздействий. Поэтому при рациональ- ной организации охраны природы существенное значение приобретают свойства, позволяющие обнаружить неблагоприятные или потенциально опасные изменения среды на самых ранних стадиях. Соответственно необхо- димы и эффективные методы раннего обнаружения тех или иных изменений. Всякое преобразование окружающей среды в результате деятельно- сти человека может быть названо антропогенным. Антропогенное воз- действие, приводящее к изменению химического состава одного или нескольких природных компонентов окружающей среды, является гео- 11 химическим, поскольку неизбежно с той или иной скоростью и интен- сивностью включает это изменение во взаимодействующие друг с дру- гом природные системы. С классических геохимических позиций изменение химических свойств окружающей среды, не связанное с естественными природными процессами, является загрязнением. При использовании этого термина ча- ще всего вкладывается медико-биологический смысл, когда загрязнение рассматривается с точки зрения здоровья человека. В этом случае под за- грязнением подразумевают любые изменения воздуха, вод, почв и пище- вых продуктов, оказывающие нежелательное воздействие на здоровье, вы- живаемость или деятельность человека. Более точным и справедливым будет распространить это определение и на другие формы жизни. Тяжесть воздействия загрязняющих веществ определяют три фактора. Первый – их химическая природа, то есть насколько они ак- тивны и вредны для человека, растений и животных. Второй – кон- центрация, то есть содержание на единицу объема или массы воздуха, воды или почвы. Третий фактор – устойчивость, то есть продолжитель- ность существования в воздухе, воде и почве. По масштабам загрязнения подразделяются на локальные (вокруг промышленных предприятий, животноводческих комплексов, нефтебаз и пр.), региональные (в пределах области, бассейна региона, республи- ки, государства), космические (в космическом пространстве – например отработанные ступени летательных аппаратов и пр.). Источники загрязнения разделяются по характеру поступления загрязняющих веществ в окружающую среду – локальные, точечные, площадные и линейные (неточечные). Все промышленные источники выбросов и стоков точечные. Неточечные источники связаны с сель- ским хозяйством, химизацией, поверхностным стоком с загрязненных территорий и т.д. При оценке влияния загрязнений на природную среду необходимо различать прямое (первичное) и опосредованное (вторичное воздействие. Например, прямое воздействие выбросов металлургического или химиче- ского комбината вызывает первичный эффект гибели растительности в ближайших окрестностях. Вслед за этим неизбежно развиваются вторич- ные процессы эрозии и дефляции оголенной поверхности почв вплоть до полного разрушения почвенного покрова (опосредованное воздействие). По характеру образования загрязнения подразделяются на природ- ные и антропогенные. Природное загрязнение вызывается естественны- ми причинами, без влияния человека или в результате его отдаленного косвенного воздействия на природу. Природное загрязнение в более узком понятии называется естественным, если происходит без всякого влияния человека на природные процессы; как правило, это катастро- фические процессы – мощное извержение вулкана, селевой поток и т.п. Сюда же следует отнести геохимическое загрязнение, которое возникло в процессе образования и развития нашей планеты. Оно может быть как 12 положительным, так и отрицательным. В первом случае в данной местности имеется избыток какого-то элемента, а во втором – недостаток. Загрязнения, возникающие в результате хозяйственной деятельности человека, называют антропогенными. Их подразделяют на промышленные (вызываемые отдельно взятым предприятием или всей отраслью промыш- ленности), сельскохозяйственные (возникающие при внесении удобрений, использовании ядохимикатов, сбросе отходов животноводства и других действиях, связанных с сельскохозяйственным производством), военные (возникающие в результате работы военной промышленности, военных испытаний и военных действий, сюда можно отнести затопление химиче- ских боеприпасов и взрывчатых веществ, последствия уничтожения хими- ческого оружия и последствия военных действий). По своей природе все загрязнения делятся на физические, физико- химические, химические, биологические и механические. Физическое загрязнение связано с изменением физических факто- ров среды: температуры – тепловое загрязнение; волновых параметров – световое, шумовое, электромагнитное загрязнения; радиационных па- раметров – радиационное, радиоактивное загрязнения. Единственной формой физико-химического загрязнения является аэрозольное загрязнение, то есть загрязнение воздуха мелкодисперсны- ми жидкими и твердыми веществами; примером такой формы загрязне- ния является промышленный смог или просто дым. Проникновение в окружающую среду химических веществ, отсутст- вующих в этой среде ранее или изменяющих естественную концентрацию до уровня, превышающего обычную норму, относят к химическому загряз- нению. Сюда входит загрязнение тяжелыми металлами, пестицидами, от- дельными простыми или сложными химическими веществами. Биологическое загрязнение связано с внесением в окружающую среду и размножением в ней нежелательных для человека организмов, а также с проникновением или внесением в природные экосистемы чуждых данным сообществам и обычно там отсутствующих видов организмов. Биологическое загрязнение может быть сознательным (интродук- ция растений и животных, применение биологического оружия), слу- чайным (занос сорных растений и вредных насекомых с импортируемой продукцией или завозимой из других регионов: колорадский жук, ам- брозия многолетняя и др.). Загрязнение окружающей среды микроорга- низмами является микробиологической формой биологического загряз- нения, а загрязнение биогенными веществами (выделения, мертвые тела и т.п.) – биотической формой. Засорение среды агентами, оказывающими неблагоприятное меха- ническое воздействие без физико-химических последствий (например мусором), называют механическим загрязнением. Такое выделение не- сколько условно, так как фактически замусоривание всегда сопровож- дается негативными физико-химическими эффектами. 13 |