экологическая токсикология. Н. В. Иваненко экологическая
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
Миграционные процессы химических в почвах обусловлены ря- дом факторов, важнейшими из которых являются окислительно- восстановительные и кислотно-основные свойства почв, содержание в 56 них органического вещества, гранулометрический состав, а также вод- но-тепловой режим и геохимический фон региона. Захват химических элементов растительностью знаменует их во- влечение в особую форму движения – биологическую миграцию. Учи- тывая неодинаковое физиологическое значение разных элементов, мож- но предположить, что интенсивность вовлечения разных элементов в этот процесс неодинакова. Б.Б. Полынов предложил характеризовать интенсивность биологического поглощения химического элемента частным от деления его содержания в золе и горных породах. Этот па- раметр А.И. Перельман (1975) назвал коэффициентом биологического поглощения К б . Так, например, расчеты показывают, что молибден в десятки раз интенсивнее аккумулируется растительностью, чем титан. Все элементы можно разделить по интенсивности биологического поглощения на две группы. К первой относятся те, концентрация кото- рых в золе больше, чем в земной коре. Особенно активно захватываются бор, бром, йод, цинк и серебро (К б > 10). Ко второй группе относятся элементы с низкой интенсивностью поглощения, имеющие К б < 1. Не- которые из них присутствуют в земной коре преимущественно в фор- мах, трудно доступных для растений (галлий, цирконий, титан, иттрий, лантан), другие токсичны, поэтому и поглощаются ограниченно (фтор, уран). Интенсивность биологического поглощения химических элементов не зависит от их содержания в земной коре. Циркония в гранитном слое континентов несколько больше, чем цинка, но интенсивность биологи- ческого поглощения циркония в 13 раз меньше. Причина – его слабое участие в биологических процессах и преобладание форм, трудно дос- тупных для растений. Глобальные геохимические закономерности рас- тительности суши, по-видимому, имеют глубокое физиологическое и эволюционное обоснование. Поглощение химических элементов растениями – процесс, в значи- тельной мере регулируемый организмом в зависимости от характера строения и химического состава клеточных оболочек у разных видов, составляет всего 2–3% от всей массы усвоенных минеральных элемен- тов. Однако регулирование растением поглощения элементов имеет место только при питании из уравновешенных растворов с низкой кон- центрацией минеральных веществ. При повышении концентрации про- цессы регуляции в значительной степени подавляются, в результате чего происходит значительное накопление элементов в растительном организме. При повышении уровня загрязнения инактивация токсикантов в почве становится неполной и поток ионов начинает атаковать корни. Часть ионов растение способно перевести в менее активное состояние еще до проникновения их в корни: хелатировать (связывать) с помощью 57 корневых выделений и адсорбировать на внешней поверхности корней. И все же большое количество токсикантов попадает в корень, где час- тично адсорбируется на стенках. Если в клетках корня окажется ионов все же больше допустимого уровня, то начинает действовать еще один механизм защиты, переводящий излишек в вакуоли. При продвижении по проводящим тканям растения элементы могут поглощаться ее стен- ками, а также закомплексовываться присутствующими в клеточном соке органическими соединениями. Для проникновения в клетку листа эле- менту необходимо преодолеть клеточную мембрану, то есть по анало- гии с корнями здесь действует механизм избирательного поглощения. Помимо поступления тяжелых металлов в растение через корни из загрязненных почв существует еще один путь – поглощение металлов через листовую поверхность из газопылевых выбросов и аэрозолей. При увеличении поступления химических элементов в природные среды возможно изменение химического состава живых организмов. Мигрируя по пищевым цепям, микроэлементы могут накапливаться в органах и тканях растительных и животных организмов в токсичных концентрациях. Это обстоятельство необходимо учитывать, так как ко- нечным звеном трофической цепи является человек. Сельскохозяйст- венная продукция и промысловые объекты с превышением уровня ПДК микроэлементов могут оказаться опасными для здоровья человека при использовании их в пищу и в качестве сырья для изготовления меди- цинских препаратов. Ртуть – единственный металл, который находится в обычных усло- виях в виде жидкости и интенсивно выделяет пары. Из неорганических соединений ртути наиболее опасны металлическая ртуть, выделяемые пары и хорошо растворимые соли ртути. Соединения двухвалентной ртути токсичнее, чем одновалентные. В 1972 г. С. Йенсен и А. Йермелов высказали предположение о на- личии двух разных круговоротов ртути в окружающей среде – глобаль- ного (включающего циркуляцию паров ртути в атмосфере) и локального (основанного на предполагаемой циркуляции летучих соединений ди- метилртути). Основная часть вовлекаемой в глобальный круговорот ртути принадлежит ртути, поступающей преимущественно в результате техногенной деятельности. Считается, что основным природным источником ртути служит общая дегазация земной коры и океана (по грубым оценкам – 8– 10 тыс. т/год). Ртуть давно известна как яд. Выражение «сошел с ума как шляпоч- ник» появилось в те времена, когда многие люди, занимавшиеся изго- товлением фетровых шляп, страдали психическими расстройствами из- за высоких концентраций ртути, применявшейся в шляпном деле. В легких случаях отравление вызывает бессонницу, неспособность вос- 58 принимать критику, страхи, головную боль, депрессию и неадекватные эмоциональные реакции. Ни один известный биоцид не изучен так хорошо, как ртуть, в от- ношении своей циркуляции в пищевых цепях и зависящей от нее опас- ности для человека и животных. Это утверждение относится, прежде всего, к метилртути, которая представляет собой особо эффективный фунгицид, но одновременно очень токсична для теплокровных и очень стабильна. Как показывают имеющиеся данные, в настоящее время наиболее опасные и критические ситуации, связанные с загрязнением ртутью, проявляются в связи с ее поступлением в водные экосистемы. Свиде- тельством этому являются широко известные события в Японии, Шве- ции, Северной Америке. В районе Минамата (Япония) заболело около 120 человек; 46 из них умерли раньше, чем исследователи обнаружили, что люди и живот- ные отравлялись выловленными в заливе моллюсками и рыбой, содер- жащими большие количества ртути. Источником ртути оказалась фаб- рика пластмасс, расположенная на реке, впадающей в залив Минамата. Хотя для рыбы ртуть так же токсична, как и для людей, концентрации ее в воде залива были не столь высоки, чтобы рыбы и моллюски не мог- ли здесь жить. Ртуть из следового элемента превратилась в источник эпидемиологического заболевания. Согласно оценкам ученых, предприятия по производству хлора и каустической соды в США до начала семидесятых годов отдавали в стоки от 100 до 200 г ртути на каждую тонну произведенной каустиче- ской соды. Концентрация ртути в рыбе, выловленной в этой реке, оказа- лась такой же высокой, как и в рыбе из залива Минамата. Более того, у кошек при кормлении их рыбой из этой реки появились признаки от- равления ртутью. В настоящее время законы строго запрещают сброс ртути с промышленными отходами. Однако в тех местах, где раньше сбрасывали ртуть в среду, например при производстве бумаги и каусти- ческой соды, ртуть в донном иле до сих пор загрязняет воду и живущие в ней организмы. Во многих штатах США ограничены рыбная ловля, поскольку в рыбе накапливается ртуть, сброшенная с отходами в воду много лет назад. Один из крупнейших выбросов ртути в США имел ме- сто в Ок-Ридже (штат Тенесси) на заводе Y-12, выпускающем компо- ненты оружия. В 1983 г. частное исследование, предпринятое чиновни- ками Ок-Риджа, показало, что, по-видимому, произошло серьезное за- грязнение ртутью растительности и рыбы в окрестностях этого пред- приятия. Постепенно выяснилось, что примерно 1 млн кг элементарной рту- ти попало в окружающую среду; вероятно, большая часть ее медленно просачивалась в глубокие щели и трещины в породах, находящихся под 59 заводом. Около 200 тыс. кг было сброшено непосредственно в проток Ист-Форк-Поплар. Выловленная вблизи завода рыба содержала в два раза больше ртути, чем верхний предел, определяемый согласно закону 1·10 -6 (одна часть на миллион). Ртуть аккумулируют планктонные организмы (например водорос- ли), которыми питаются ракообразные. Ракообразных поедают рыбы, а рыб – птицы. Концевыми звеньями пищевых цепей нередко бывают чайки, чомги, скопы, орланы-белохвосты. В Швеции содержание ме- тилртути в организме птиц, в значительной части питающихся рыбой, приблизилось к тем уровням, при которых зерноядные наземные птицы уже погибали от действия ртути, полученной при поедании посевного зерна (в Швеции в 1940-х годах зерно протравливали метилртутьдициа- намидом). В водной пищевой цепи концентрация метилртути от звена к звену увеличивается. Так как метилртуть растворима в жирах, она легко пере- ходит из воды в водные организмы. При захвате мельчайших живых существ более крупными, для которых они служат пищей, это вещество сохраняется в последних. Так как у него период полураспада (особенно в организмах с низким уровнем обмена веществ) необычайно длителен (у человека 70 дней), яд не выделяется, а, наоборот, накапливается в организме. Особенно страдают от этого морские млекопитающие, так как они живут всецело за счет питания рыбой. Каким бы путем ртуть ни попадала в воду, микроорганизмы мети- лируют ее, и при этом всегда образуется метилртуть (рис. 6). Рис. 6. Упрощенная схема превращений ртути в воде (По: В. Эйхлер, 1986) Это соединение жирорастворимо (как упоминалось выше), чрезвы- чайно ядовито и очень устойчиво. Свинец. Человечество уже более 2 тыс. лет знакомо с опасностью, которую несет использование этого металла и свинцовых изделий. В Древней Греции отравления людей, работавших со свинцом, на- зывали сатурнизмом. Его симптомами были колики, сопровождавшиеся бредовым состоянием и параличами. Много отравлений вызвало хране- ние напитков, вин и продуктов в глазурованных керамических сосудах. В 1883 г. в английском законодательстве появился первый закон, по- 60 священный предупреждению свинцового отравления; он запрещал исполь- зование гончарной посуды, покрытой свинцовой глазурью. В настоящее время свинец используется в аккумуляторах, в производстве кабелей, кра- сок, стекла, смазок, бензина, средств защиты от радиации и т.д. К настоящему времени накоплено огромное количество сведений о токсическом действии свинца на живые организмы, о поведении этого элемента в природных средах. Загрязнение среды свинцом обусловлено в основном четырьмя видами хозяйственной деятельности: 1) сжиганием жидкого и твердого топлива, сопровождающимся выбросами в атмосферу; 2) свинцовоплавильным про- изводством, с которым тоже связаны выбросы свинца в атмосферу; 3) сбрасыванием сточных вод, в которых свинец обычно содержится в по- вышенных количествах, и 4) внесением в почву химикатов. Настоящим бичом современности является загрязнение атмосферы автомобильными выхлопами, содержащими продукты неполного сгорания топлива, в том числе и неразложившуюся часть тетраэтилсвинца. В результате вдыхания воздуха, содержащего свинец, не менее 15% его поступает в кровь. Токсическое действие свинца по отношению к организму человека, животных связывают в первую очередь с SH- группами устойчивых меркаптидов и блокированием ферментных сис- тем. Свинец обладает кумулятивными свойствами. Среди механизмов депонирования свинца главным является отложение его в костной ткани в результате замещения кальция. В значительно меньшей степени сви- нец откладывается в селезенке, печени, почках, головном мозгу и дру- гих органах. Этот элемент может сохраняться в организме человека долгое время (годы). Под влиянием неблагоприятных воздействий (ал- коголизм, инфекция, травма) нередко наблюдается проявление или обо- стрение свинцовой интоксикации, обусловленное выделением свинца из депонирующего органа, ткани в ток крови. Свинец является протоплазматическим ядом, действующим на все органы и системы организма. Токсической дозой свинца для человека является 1 мг, летальной – 10 г. Основным источником поступления свинца в организм человека служат продукты питания, в связи с этим опасно техногенное загрязне- ние свинцом пищевых и кормовых культур. Важную роль играет посту- пление свинца в организм человека с почвой, пылью, питьевой водой и вдыхаемым воздухом. Данные по содержанию свинца в крови детского населения России свидетельствуют о том, что почти у 44% детей в го- родах России могут возникать проблемы в поведении и обучении, обу- словленные воздействием свинца; около 9% нуждаются в лечении; здо- ровье 0,2% детей находится в опасности и примерно 0,01% нуждается в неотложном медицинском вмешательстве (Доклад о свинцовом загряз- нении…, 1997). 61 По данным многочисленных исследований, в промышленно разви- тых городах с увеличением уровня загрязнения возрастает вариабель- ность свинца (так же как и других элементов) в почвах, изменяется хи- мический состав растений. Техногенные воздействия на почву и растительный покров значи- тельно меняют параметры биологического круговорота свинца. Вокруг промышленных предприятий и автодорог растения поглощают свинец не только из почв с помощью корневых систем, но и из атмосферы по- верхностью листьев. Газопылевые выбросы, содержащие свинец, могут механически осаждаться на листовых пластинках и попадать внутрь тканей. Ориентировочные подсчеты показывают, что таким путем в экс- тремальных условиях в растения может попадать до половины содер- жащегося в нем свинца. Исследованиями выявлено, что в зоне аномаль- ных ареалов загрязнения многие сельскохозяйственные культуры со- держат свинец в концентрациях, превышающих ПДК в несколько раз. Растения накапливают свинец в количествах n·10 -5 – n·10 -4 %. Хотя в природных условиях свинец присутствует во всех видах растений, его роль в метаболизме установить не удается. Взаимодействие свинца с другими элементами в различных условиях среды не позволяет точно определить его токсичные для жизненных процессов (в отношении рас- тений) концентрации. В ряде работ описано токсичное действие свинца на фотосинтез, дыхание, митоз и водный обмен, при этом строго специ- фичных симптомов свинцового токсикоза у растений не отмечено. Кадмий. Среди всех токсичных и особотоксичных элементов таб- лицы Д.И. Менделеева кадмий по темпам и масштабам загрязнения стал одним из приоритетных загрязнителей планеты. После накопления большого массива данных по токсикологии кадмий признан особо опасным экотоксикантом для здоровья человека. Это обусловлено про- явлением токсических эффектов соединений кадмия в низких дозах; длительным периодом полувыведения – 30 лет; низким уровнем кон- центрации в выделениях из организма; преимущественным накоплени- ем в мягких тканях, почках и печени. Полагают (С.Н. Волков, 2003), что метаболическая активность кад- мия выше, чем у ртути. Толчком к резкому возрастанию интереса к кадмию явилось обна- ружение отрицательных биологических последствий при избыточном поступлении этого элемента в среду. В 1960-х годах в Японии произош- ла вспышка болезни «Itai-Itai», когда было установлено, что попадание кадмия в пищу представляет большую опасность. Болезнь начиналась болями в спине и почках, а заканчивалась деформацией скелета, множе- ственными переломами костей и ужасными страданиями, вызываемыми давление массы тела на кости. Трагедия возникла в результате длитель- 62 ного загрязнения оросительных вод рисовых полей промышленными отходами, содержащими кадмий. Согласно рекомендациям ФАО/ВОЗ, допустимая суточная доза кадмия для человека равна 0,4–0,5 мг. Кадмий – относительно новый для техники металл. Хотя он был открыт в начале прошлого века, его широкое применение началось в 20–30-е годы XX века, особенно в конце 40-х годов. Кадмий оказался единственным из всех редких тяжелых металлов, который по своему разнообразию свойств удовлетворял требованиям к качественным характеристикам выпускаемой продукции – износостой- кости изделий и устойчивости к внешним воздействиям. Поступление кадмия в городские системы последовательно возрас- тало с увеличением разнообразия выпускаемой продукции, используе- мой в высоких технологиях и хозяйственно-бытовых целях. Будучи по своей природе элементом, не способным к высокой ак- кумуляции в геосистемах (его кларк в литосфере составляет 0,13 мг/кг), кадмий под воздействием человека превратился в элемент, аккуму- лирующийся в городском пространстве. До тех пор, пока в своем развитии город не импортирует Cd и не нарушает баланс естественных геохимических процессов, геохимия Cd будет близка к природной. В среду кадмий поступает через воздух и воду при добыче, про- мышленной переработке сырья, при сжигании топлива и городских от- ходов, со стоками гальванических цехов, а также заводов, выпускающих серебряно-кадмиевые аккумуляторы, при изнашивании предметов, со- держащих кадмий. Однако резкое возрастание кадмия в воздухе наблю- дается лишь вблизи предприятий по выплавке кадмия. Во всем мире в окружающую среду ежегодно выбрасывается около 5 тыс. т Cd, в то время как мировая добыча этого металла составляет 15 тыс. т/год. Кадмий, как и ртуть, образует крайне токсичные летучие алкилиро- ванные формы. В биоценозах за счет ковалентного связывания с органиче- скими соединениями кадмий может как проникать в зеленую массу расте- ний через кутикулу листа, так и удаляться с листовой поверхности обратно в атмосферу. Именно с этими замечательными свойствами – высокой лету- честью и высокой проникающей способностью – связаны сверхвысокие темпы распространения кадмия в биосредах и ландшафтах. Как отмечает В.В. Добровольский, из всех тяжелых металлов кадмий имеет максималь- ный коэффициент аэрозольной аккумуляции – более 100. Селен. В течение многих лет при изучении содержания токсичных элементов в среде и биоте внимание исследователей было сосредоточе- но на тяжелых металлах, список которых традиционно начинался Hg, Pb, Cd, в то время как уровни концентраций селена в компонентах эко- систем, особенно морских, оставались малоизвестными. 63 Появление новых сведений о биологическом значении селена и его токсичных свойствах делают необходимым исследование этого элемен- тов не только в живых организмах, но и в компонентах экосистем в це- лом, в первую очередь в регионах, подверженных интенсивному антро- погенному воздействию. Содержание селена в земной коре, почвах и организмах не превышает 0,001%, однако его биологическая роль весьма значительна. Основным проявлением биологической активности селена является способность заме- нять серу. Селен до недавнего времени считался канцерогеном, но, как по- казали детальные исследования последних лет, это ошибочное мнение. Этот элемент входит в состав фермента глютатионпероксидазы, играющей важную роль в качестве антиоксиданта в организме. С явлениями недоста- точности селена в рационе связаны такие заболевания, как токсическая дистрофия печени, эксудативный диатез, мышечная дистрофия, энцефало- маляция (размягчение мозга). При недостатке селена в рационе животных наблюдаются следующие изменения в организме: задержка роста, беспло- дие, дегенеративные изменения в миокарде и скелетных мышцах, нервных клетках, печени, почках, семенниках и др. органах, повышается проницае- мость капилляров и др. изменения. В Китае, особенно в провинции Кешан, многие сотни лет свирепство- вало заболевание сердечной мышцы и уносило жизни детей и молодых матерей до тех пор, пока не выяснили, что причина этого заболевания свя- зана с дефицитом селена в их питании. В областях с очень низким содер- жанием селена распространены болезни Кешана и Кашина-Бека. Селен защищает организм от накопления продуктов перекисного окисления липидов, способствующих в первую очередь окислительной деструкции клеточных и органоидных мембран. Являясь антиоксидантом, селен стабилизирует клеточные мембраны важнейших органов человека, особенно сердечной мышцы; нормализует активность ядер, предупреждает повреждение их хромосом, стимулирует функции рибосом; нормализует обмен простагландинов, простациклинов, дистантных гормонов, таких как гормон роста, тироидные; одновременно нормализуя обмен протеинов и нуклеиновых кислот, увеличивает репродуктивность животных. Биологическая активность селена зависит от химической формы, в которой он содержится в пище и организме. Элементарный селен инертен, наиболее токсичны некоторые орга- нические соединения селена. Наиболее ядовитыми являются селени- стый водород, двуокись селена, галогениды селена и соединения селена с тяжелыми элементами. Селенистая кислота и ее соли действуют зна- чительно сильнее, чем селеновая кислота и ее производные. Дать срав- нительную оценку токсичности неорганических и органических соеди- нений пока еще нельзя. 64 Отдельно следует отметить предельно допустимые уровни нахож- дения селена в среде и накопление его организмами в концентрациях, вызывающих функциональные нарушения. Содержание селена в воде в количестве 2 мкг/л или выше следует рас- сматривать как опасное для здоровья и долговременного разведения рыбы и других видов диких животных, которые через биоаккумуляцию могут быть токсичными для пищевых цепей воспроизводства. В некоторых слу- чаях ультраследовые количества растворенного и особенно органического селена могут привести к биоаккумуляции и токсичности даже при концен- трациях селена в воде менее чем 1 мкг/л. Результаты исследований, прове- денных Л. Барон и др. (Baron et al., 1997), показывают, что в органах и тка- нях зимородков, питающихся загрязненной водной пищей, концентрации селена находятся на потенциально токсичном уровне. Организмы, участвующие в пищевых цепях, такие как зоопланктон, моллюски бентоса и некоторые виды рыб, могут накапливать селен до 30 мкг/г сухой массы (в некоторых особях до 370 мкг/г) без очевидных признаков изменения поведения или воспроизводства. Однако за порог токсичности пищи, потребляемой рыбами и дикими животными, при- нимается концентрация не более 3 мкг/г. П. Нассос и др. (Nassos et al., 1980) установили концентрацию селена в воде, достаточную для того, чтобы убить половину тестируемых организмов (зоопланктон) за опре- деленное время (табл. 7). Таблица 7 |