экологическая токсикология. Н. В. Иваненко экологическая
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
Тема 2. ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ ВЕЩЕСТВА 1. Ксенобиотический профиль среды С позиций токсиколога абиотические и биотические элементы того, что мы называем окружающей средой, – все это сложные, порой особым образом организованные агломераты, смеси бесчисленного количества молекул. Для экотоксикологии интерес представляют лишь молекулы, обла- дающие биодоступностью, т.е. способные взаимодействовать немеханиче- ским путем с живыми организмами. Как правило, это соединения, находя- щиеся в газообразном или жидком состоянии, в форме водных растворов, адсорбированные на частицах почвы и различных поверхностях, твердые вещества, но в виде мелко дисперсной пыли (размер частиц менее 50 мкм), наконец, вещества, поступающие в организм с пищей. Часть биодоступных соединений утилизируется организмами, участ- вуя в процессах их пластического и энергетического обмена с окружающей средой, т.е. выступают в качестве ресурсов среды обитания. Другие же, поступая в организм животных и растений, не используются как источники энергии или «пластический материал», но, действуя в достаточных дозах и концентрациях, способны существенно модифицировать течение нормаль- ных физиологических процессов. Такие соединения называются чужерод- ными или ксенобиотиками (чуждые жизни). Совокупность чужеродных веществ, содержащихся в окружающей среде (воде, почве, воздухе и живых организмах) в форме (агрегатном состоянии), позволяющей им вступать в химические и физико- химические взаимодействия с биологическими объектами экосистемы, составляютксенобиотический профиль биогеоценоза. Ксенобиотиче- ский профиль следует рассматривать как один из важнейших факторов внешней среды (наряду с температурой, освещенностью, влажностью, трофическими условиями и т.д.), который может быть описан качест- венными и количественными характеристиками. Важными элементами ксенобиотического профиля являются чуже- родные вещества, содержащиеся в органах и тканях живых существ, поскольку все они рано или поздно потребляются другими. Напротив, химические вещества, фиксированные в твердых, недиспергируемых в воздухе и нерастворимых в воде объектах (скальные породы, твердые промышленные изделия, стекло, пластмасса и др.), можно рассматри- вать как источники формирования ксенобиотического профиля. Ксенобиотические профили среды, сформировавшиеся в ходе эво- люционных процессов, миллионы лет протекавших на планете, можно назвать естественными ксенобиотическими профилями. Они различны в 14 разных регионах Земли. Биоценозы, существующие в этих регионах, в той или иной степени адаптированы к соответствующим естественным ксенобиотическим профилям. Различные природные коллизии, а в последние годы и хозяйствен- ная деятельность человека, порой существенным образом изменяют естественный ксенобиотический профиль многих регионов (особенно урбанизированных). Химические вещества, накапливающиеся в среде в несвойственных ей количествах и являющиеся причиной изменения естественного ксенобиотического профиля, выступают в качестве эко- поллютантов (загрязнителей). Изменение ксенобиотического профиля может явиться следствием избыточного накопления в среде одного или многих экополлютантов (табл. 1). Таблица 1 Перечень основных экополлютантов (По: С.А. Куценко, 2002) Загрязнители воздуха Загрязнители воды и почвы Газы: оксиды серы оксиды азота оксиды углерода озон хлор углеводороды фреоны Пылевые частицы: асбест угольная пыль кремний металлы Металлы Пестициды хлоорганические (ДДТ, алдрин, диэлдрин, хлордан) Нитраты Фосфаты Нефть и нефтепродукты Органические растворители (толуол, бензол, тетрахлорэтилен) Низкомолекулярные галогенированные углеводороды (хлороформ, бромди- хлорметан, бромоформ, тетрахлорме- тан, дихлорэтан) Полициклические ароматические угле- водороды (ПАУ) Полихлорированные бифенилы Диоксины Дибензофураны Кислоты Далеко не всегда это приводит к пагубным последствиям для жи- вой природы и населения. Лишь экополлютант, накопившийся в среде в количестве, достаточном для инициации токсического процесса в био- ценозе (на любом уровне организации живой материи), может быть обо- значен какэкотоксикант. Одна из сложнейших практических задач экотоксикологии – опре- деление количественных параметров, при которых экополлютант трансформируетсявэкотоксикант.При еѐ решении необходимо учиты- 15 вать, что в реальных условиях на биоценоз действует весь ксенобиоти- ческий профиль среды, модифицируя при этом биологическую актив- ность отдельного поллютанта. Поэтому в разных регионах (разные ксе- нобиотические профили, различные биоценозы) количественные пара- метры трансформации поллютанта в экотоксикант различны. 2. Экотоксикокинетика 2.1. Персистирование (стойкость в окружающей среде) Экотоксикокинетика – раздел экотоксикологии, рассматривающий судьбу ксенобиотиков (экополлютантов) в окружающей среде: источни- ки их появления; распределение в абиотических и биотических элемен- тах окружающей среды; превращениексенобиотика в среде обитания; элиминацию из окружающей среды. Многочисленные процессы, происходящие в окружающей среде, на- правлены на элиминацию (удаление) экополлютантов. Многие ксенобио- тики, попав в воздух, почву, воду, приносят минимальный вред экосисте- мам, поскольку время их воздействия ничтожно мало. Вещества, оказы- вающиеся резистентными (устойчивыми) к процессам разрушения и вслед- ствие этого длительно персистирующие в окружающей среде, как правило, являются потенциально опасными экотоксикантами (табл. 2). Таблица 2 Период полуразрушения некоторых ксенобиотиков в окружающей среде (По: С.А. Куценко, 2002) Поллютант Период полуразрушения Среда ДДТ ТХДД Атразин Фенантрен Карбофуфан Фосфорилтиохолины Иприт Зарин 10 лет 9 лет 25 месяцев 138 дней 45 дней 21 день 7 дней 4 часа Почва Почва Вода (РН 7,0) Почва Вода (рН 7,0) Почва (t + 15 0 ) Почва (t + 15 0 ) Почва (t + 15 0 ) Постоянный выброс в окружающую среду персистирующих пол- лютантов приводит к их накоплению, превращению в экотоксиканты для наиболее уязвимого (чувствительного) звена биосистемы. После прекращения выброса персистирующего токсиканта он еще длительное время сохраняется в среде. Так, в воде озера Онтарио в 90-е годы опре- деляли высокие концентрации пестицида «Мирекс», использование ко- 16 торого было прекращено еще в конце 70-х годов. В водоемах испыта- тельного полигона ВВС США во Флориде, где в 1962–1964 годах был с исследовательскими целями распылен Оранжевый Агент, спустя 10 лет ил содержал 10–35 нг/кг ТХДД (при норме, по стандартам США – 0,1 пкг/кг, России – 10 пкг/кг). К числу веществ, длительно персистирующих в окружающей среде, относятся тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, ко- бальт, сурьма, ртуть, мышьяк, хром), полициклические полигалогениро- ванные углеводороды (полихлорированные дибензодиоксины и дибен- зофураны, полихлорированные бифенилы и т.д.), некоторые хлорорга- нические пестициды (ДДТ, гексахлоран, алдрин, линдан и т.д.) и многие другие вещества. 2.2. Трансформация Подавляющее большинство веществ подвергаются в окружающей среде различным превращениям. Характер и скорость этих превраще- ний определяют их стойкость. Абиотическая трансформация. На стойкость вещества в окру- жающей среде влияет большое количество процессов. Основными яв- ляются фотолиз (разрушение под влиянием света), гидролиз, окисление. Фотолиз. Свет, особенно ультрафиолетовые лучи, способен разру- шать химические связи и тем самым вызывать деградацию химических веществ. Фотолиз проходит главным образом в атмосфере и на поверх- ности почвы и воды. Скорость фотолиза зависит от интенсивности света и способности вещества его поглощать. Ненасыщенные ароматические соединения, например полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее чувствительны к фотолизу, т.к. активно поглощают энергию света. Свет ускоряет и другие процессы деградации веществ: гидролиз и окисление. В свою очередь наличие в средах фотооксидан- тов, таких как озон, окислы азота, формальдегид, акролеин, органиче- ские перекиси, существенно ускоряет процесс фотолиза других поллю- тантов (показано для ПАУ). Гидролиз. Вода, особенно при нагревании, быстро разрушает мно- гие вещества. Эфирные связи, например, в молекулах фосфорорганиче- ских соединений, высокочувствительны к действию воды, чем опреде- ляется умеренная стойкость этих соединений в окружающей среде. Скорость гидролиза сильно зависит от рН. В результате превращения химических веществ в окружающей сре- де образуются новые вещества. При этом их токсичность иногда может быть выше, чем у исходного агента. Например, в результате фотоокис- ления паратиона в среде может образовываться параоксон. Токсичность 17 последнего для млекопитающих в несколько десятков раз выше, чем у исходного вещества. Фотохимические превращения в окружающей среде 2,4,5- трихлорфеноксиуксусной кислоты, известного гербицида, могут при- вести к образованию опасного экополлютанта 2,3,7,8-тетрахлордибензо- р-диоксина. Еще один хорошо известный пример: образование нитрозосоедине- ний. Так, по данным ученых США, в почве (в кислой среде) легко всту- пают в соединение с нитритами целый ряд пестицидов. Среди них диал- килтиокарбаматы, тиокарбамоилдисульфиды, соли феноксиуксусной кислоты и др. Образующиеся нитрозосоединения рассматриваются в настоящее время как возможные канцерогены. Биотическая трансформация. Абиотическое разрушение химиче- ских веществ обычно проходит с малой скоростью. Значительно быст- рее деградируют ксенобиотики при участии биоты, особенно микроор- ганизмов (главным образом бактерий и грибов), которые используют их как питательные вещества. Процесс биотического разрушения идет при участии энзимов. В основе биопревращений веществ лежат процессы окисления, гидролиза, дегалогенирования, расщепления циклических структур молекулы, отщепление алкильных радикалов (деалкилирова- ние) и т.д. Деградация соединения может завершаться его полным раз- рушением, т.е. минерализацией (образование воды, двуокиси углерода, других простых соединений). Также возможно образование промежу- точных продуктов биотрансформации веществ, обладающих порой бо- лее высокой токсичностью, чем исходный агент. Так, превращение не- органических соединений ртути может приводить к образованию более токсичных ртутьорганических соединений, в частности метилртути. Подобное явление имело место в Японии на берегах бухты Минамато в 1950–60-х годах. 2.3. Процессы элиминации, не связанные с разрушением Некоторые процессы, происходящие в окружающей среде, способ- ствуют элиминации ксенобиотиков из региона, изменяя их распределе- ние в компонентах среды. Загрязнитель с высоким значением давления пара может легко испаряться из воды и почвы, а затем перемещаться в другие регионы с током воздуха. Это явление лежит в основе повсеме- стного распространения относительно летучих хлорорганических ин- сектицидов, таких как линдан и гексахлорбензол. Перемещение ветром и атмосферными течениями частицтоксикан- тов или почвы, на которых адсорбированы вещества, также важный путь перераспределения поллютантов в окружающей среде. В этом пла- не характерен пример полициклических ароматических углеводородов 18 (бензпирены, дибензпирены, бензантрацены, дибензантрацены и др.). Бензпирен и родственные ему соединения как естественного (главным образом вулканического), так и антропогенного происхождения (выброс металлургического, нефтеперерабатывающего производств, предпри- ятий теплоэнергетики и т.д.) активно включаются в биосферный круго- ворот веществ, переходя из одной среды в другую. При этом, как прави- ло, они связаны с твердыми частицами атмосферной пыли. Мелкодис- персная пыль (1–10 мкм) длительно сохраняется в воздухе, более круп- ные пылевые частицы достаточно быстро оседают на почву и в воду в месте образования. При этом, чем выше выброс, тем на большее рас- стояние рассеиваются поллютанты. Сорбция веществ на взвешенных частицах в воде с последующим осаждением приводит к их элиминации из толщи воды, но накоплению в донных отложениях. Осаждение резко снижает биодоступность за- грязнителя. Перераспределению водорастворимых веществ способствуют дожди и движение грунтовых вод. Например, гербицид атразин, используемый для защиты широколиственных растений в сельском и парковом хозяйст- вах США, повсеместно присутствует там в поверхностных водах. По не- которым данным, до 92% исследованных водоемов США содержат этот пестицид. Поскольку вещество достаточно стойкое и легко растворимо в воде, оно мигрирует в грунтовые воды и там накапливается. 2.4. Биоаккумуляция Если загрязнитель окружающей среды не может попасть внутрь ор- ганизма, он, как правило, не представляет для него существенной опас- ности. Однако, попав во внутренние среды, многие ксенобиотики спо- собны накапливаться в тканях. Процесс, посредством которого орга- низмы накапливают токсиканты, извлекая их из абиотической фазы (во- ды, почвы, воздуха) и из пищи (трофическая передача), называется био- аккумуляцией. Результатом биоаккумуляции являются пагубные по- следствия как для самого организма (достижение поражающей концен- трации в критических тканях), так и для организмов, использующих данный биологический вид в качестве пищи. Водная среда обеспечивает наилучшие условия для биоаккумуля- ции соединений. Здесь обитают мириады водных организмов, фильт- рующих и пропускающих через себя огромное количество воды, экстра- гируя при этом токсиканты, способные к кумуляции. Гидробионты на- капливают вещества в концентрациях порой в тысячи раз больших, чем содержатся в воде. 19 Пример водной пищевой цепи, протекающей в сторону увеличения размеров тела: растворенные вещества – фитопланктон – рачки рыбы – хищные птицы – теплокровные животные, питающиеся рыбой. В случае потребления чужеродных веществ, если эти вещества не могут быть «переварены» или просто выведены из организма, начинает- ся их накопление по ходу пищевой цепи, особенно в том случае, если данное вещество имеет длительный период биологического полураспа- да. Коэффициент накопления неразлагающихся ядов в большинстве случаев составляет около 10 на каждую ступень пищевой цепи. К тому же накопление ядов в пищевых цепях нередко усиливается из-за мень- шей быстроты реакции и ограниченной подвижности животных, несу- щих в себе яд, так как сильнее отравленные особи легче становятся до- бычей хищников, чем все остальные. Вследствие этого в пищевой цепи водоема наиболее высокое содержание ядовитых веществ отмечается у хищных рыб. В дальнейшем ядовитые вещества могут переходить к птицам, питающимся рыбой, к ластоногим, а также и к человеку. Факторы, влияющие на биоаккумуляцию. Склонность экотокси- кантов к биоаккумуляции зависит от ряда факторов. Первый – персистиро- вание ксенобиотика в среде. Степень накопления вещества в организме, в конечном счете, определяется его содержанием в среде. Вещества, быстро элиминирующиеся, в целом плохо накапливаются в организме. Исключе- нием являются условия, при которых поллютант постоянно привносится в окружающую среду (регионы близ производств и т.д.). Так, синильная кислота, хотя и токсичное соединение, в силу высо- кой летучести не является, по мнению многих специалистов, потенци- ально опасным экополлютантом. Правда, до настоящего времени не удалось полностью исключить, что некоторые виды заболеваний, нару- шения беременности у женщин, проживающих близ золотодобывающих предприятий, где цианиды используются в огромных количествах, не связаны с хроническим действием вещества. После поступления веществ в организм их судьба определяется токсикокинетическими процессами. Наибольшей способностью к био- аккумуляции обладают жирорастворимые (липофильные) вещества, медленно метаболизирующие в организме. Жировая ткань, как правило, основное место длительного депонирования ксенобиотиков. Так, спустя много лет после воздействия, высокое содержание ТХДД обнаруживали в жировой ткани и плазме крови ветеранов армии США, участников вьетнамской войны. Многие липофильные вещества склонны к сорбции на поверхно- стях различных частиц, осаждающихся из воды и воздуха, что снижает их биодоступность. Например, сорбция бензапирена гуминовыми ки- слотами снижает способность токсиканта к биоаккумуляции тканями рыб в три раза. Рыбы из водоемов с низким содержанием взвешенных 20 частиц в воде аккумулируют большее количество ДДТ, чем рыбы из эвтрофических водоемов с высоким содержанием взвеси. Вещества, метаболизирующие в организме, накапливаются в меньшем количестве, чем можно было бы ожидать, исходя из их физи- ко-химических свойств. Межвидовые различия значений факторов био- аккумуляции ксенобиотиков во многом определяются видовыми осо- бенностями их метаболизма. Значение биоаккумуляции. Биоаккумуляция может лежать в ос- нове не только хронических, но и отсроченных острых токсических эф- фектов. Так, быстрая потеря жира, в котором накоплено большое коли- чество вещества, приводит к выходу токсиканта в кровь. Мобилизация жировой ткани у животных нередко отмечается в период размножения. В экологически неблагополучных регионах это может сопровождаться массовой гибелью животных при достижении ими половой зрелости. Стойкие поллютанты могут также передаваться потомству, у птиц и рыб – с содержимым желточного мешка, у млекопитающих – с молоком кормящей матери. При этом у потомства возможно развитие эффектов, не проявляющихся у родителей. 2.5. Биомагнификация Химические вещества могут перемещаться по пищевым цепям от организмов-жертв к организмам-консументам. Для высоколипофильных веществ это перемещение может сопровождаться увеличением концен- трации токсиканта в тканях каждого последующего организма – звена пищевой цепи. Этот феномен называется биомагнификацией. Так, для уничтожения комаров на одном из калифорнийских озер применили ДДТ. После обработки содержание пестицида в воде составило 0,02 части на миллион (ppm). Через некоторое время в планктоне ДДТ определялся в концентрации 10 ppm, в тканях планктоноядных рыб – 900 ppm, хищных рыб – 2700 ppm, птиц, питающихся рыбой, – 21000 ppm. То есть содержание ДДТ в тканях птиц, не подвергшихся непосредственному воздействию пестицида, было в 1000000 раз выше, чем в воде и в 20 раз выше, чем в организме рыб – первом звене пище- вой цепи. В уже упоминавшейся ранее книге Рашель Карсон «Молчаливая весна» приводится такой пример. Для борьбы с переносчиком «гол- ландской болезни», поражающей вязы вязовым заболонником Scolytes multistriatus, деревья обрабатывали ДДТ. Часть пестицида попадала в почву, где его поглощали дождевые черви и накапливали в тканях. У перелетных дроздов, поедающих преимущественно дождевых червей, развивалось отравление пестицидом. Часть из них погибала, у других, нарушалась репродуктивная функция – они откладывали стерильные |