Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Смертельные дозы и концентрации называются соответственно летальной дозой (ЛД, lethal dose – LD) и летальной концентрацией (ЛК, lethal concentration – LC). Доза или концентрация, которые вызывают гибель 50% подопытных организмов, обозначаются как ЛД50 (LD50) или ЛК50 (LC50). Абсолютно смертельная доза или концентрация – ЛД100 или ЛК100. Чем меньше значения этих показателей, тем выше токсичность.

Вредные вещества, воздействуя на организм, могут оказывать острое и хроническое воздействие. Острое проявляется после однократного воздействия и может приводить к смертельному исходу, хроническое развивается в результате систематического воздействия доз, не приводящих к острому отравлению. Некоторые вещества (например, синильная кислота или цианистый калий, токсин ботулизма) вызывают только острые отравления, другие – только хронические (например, свинец, марганец, пары ртути). Поэтому для вредных веществ устанавливают две пороговые концентрации: минимальную при остром воздей-

ствии (ПДКмин.остр.) и минимальную при хроническом (ПДКмин.хрон.). Отношение концентраций, вызывающих острую и хроническую токсичность, варьирует

в диапазоне 10–100.

Токсикологические исследования начинаются с проведения острого опыта, цель которого – установить величины смертельной (ЛД100), среднесмертельной (ЛД50) и минимально недействующей (ЛД0) дозы регламентируемого вещества. Одновременно устанавливается среднее время гибели животных (ET50) и, по возможности, среднеэффективная доза (ED50).

Острые опыты проводят как на лабораторных животных (мыши, крысы, морские свинки и др.), так и на специально отобранных изолированных видах организмов – тест-системах (рыбы, водоросли, дафнии, инфузории, определенные группы микроорганизмов и др.).

На основании полученных результатов разрабатываются методологические принципы проведения второго этапа – хронического эксперимента, определения хронической токсичности.

Целью хронического эксперимента является установление минимальной эффективной (пороговой) и максимальной недействующей дозы (МНД) вещества. Эксперименты проводятся на наиболее чувствительном к данному веществу виде лабораторных животных. Выбор доз вещества для изучения в хроническом эксперименте осуществляется на основании острого опыта и с использованием расчетных методов.

Большинство классификаций веществ по их токсичности, принятых как в России, так и в других странах, основано на различиях среднелетальной дозы ЛД50. При этом величины токсических доз зависят от путей поступления вещества в организм.

В зависимости от степени токсичности выделяют 4 класса опасности веществ (табл. 11.1). Наиболее опасен первый класс.

Таблица 11.1.

Классификация токсических веществ по классам опасности

Помимо параметра ЛД50 в токсикологии используется ряд параметров, которые отражают уровень воздействия вредных веществ на организм:

CD50 (50% cell death) – доза (концентрация) вещества, вызывающая 50%-ю гибель клеток (цитотоксическое действие по отношению к клеточным культурам;

PD50 (в промышленной токсикологии принято обозначение Limac) – порог острого воздействия, т. е. доза, вызывающая появление начальных симптомов поражения у 50% организмов, подвергнувшихся воздействию;

толерантный лимит (tolerance limit, TLm) – концентрация токсиканта, при которой гибнет или выживает 50% тест-организмов за 48 ч опыта;

Limsp – порог специфического действия, характеризует начало патологического процесса, является порогом безвредного воздействия вещества;

ЛК0 (LC0) – минимальный порог чувствительности, при котором отмечаются специфические тест-реакции или смертность тест-объектов;

Kк – коэффициент кумуляции, используется при оценке вредного воздействия при длительном поступлении загрязняющего вещества в организм;

Limch – порог хронического действия, который является одним из главных параметров промышленной токсикометрии. Этот показатель определяется при испытаниях на одном виде животного, чаще всего грызунов (крыс или мышей). Однако параметры токсичности (средние смертельные дозы) для разных видов млекопитающих, в том числе и для человека, различаются в пределах одного-двух порядков. Поэтому порог действующего вещества устанавливается с учетом особенностей организма человека. Величину ПДК получают не непосредственно в эксперименте, а путем расчета на основании данных токсикологических и гигиенических исследований, исходя из пороговой концентрации Limch и коэффициента запаса Kз:

Показатель коэффициента запаса устанавливают эмпирически в пределах одного-двух порядков, с учетом переноса токсикологических данных, полученных для грызунов, на организм человека.

В рамках хронического эксперимента определяется характер вредного воздействия изучаемого фактора.

Помимо токсического различают несколько видов возможного воздействия загрязняющих веществ на живой организм:

Цитотоксическое – изменение проницаемости клеточных мембран, нарушение функциональных свойств ферментативных систем клеток.

Мутагенное (генетическое) воздействие – изменение темпа мутагенеза организма.

Тератогенное воздействие связано с нарушением действия генов, органогенеза, вызывающее дефекты зародыша или плода без влияния на наследственные структуры клетки и организма.

Канцерогенное воздействие (способность вызывать злокачественные опухоли) может быть и/или тератогенным, и/или генетическим.

Аллергенное действие – способность вещества изменять иммунологический статус, приводить к сенсибилизации организма, возникновению аллергических реакций и заболеваний.

Гонадотоксическое действие – способность вещества нарушать развитие и функциональную способность половых клеток.

Резорбтивное действие – способность вещества вызывать токсический эффект при поступлении его в кровь.

К настоящему времени хорошо изучены воздействия многих химических веществ на метаболизм клетки. Так, установлено снижение активности реакции фосфорилирования глюкозы в процессе гликолитического расщепления сахаров под воздействием ионов меди и мышьяка, подавление активности фермента фосфоглицератмутазы под влиянием ртути и др. Определены воздействия таких органических соединений, как 2,4-динитрофенол, пентахлорфенол и других на дыхательную цепь организмов на стадии окислительного фосфорилирования. Показано, что ряд пестицидов, нитро- и полиароматических углеводородов обладают потенциально мутагенными и канцерогенными свойствами и т. д.

Количество известных к настоящему времени мутагенов исчисляется десятками и сотнями тысяч. Мутагенную активность проявляют не только физические факторы (ионизирующие излучения, жесткий ультрафиолетовый свет), химические соединения и продукты антропогенного происхождения, но и вещества природного происхождения, например афлатоксин B1, продуцируемый грибами Aspergillus flavus, алкалоиды, гликозиды. Мутагены могут различаться по своей активности в 106–107 раз.

Мутагенные и канцерогенные свойства могут приобретать соединения в результате метаболизма или при сочетании с другими компонентами, циркулирующими в окружающей среде. Это учитывается при прогнозировании максимально недействующей концентрации загрязнения.

Определение ПДК является длительной и довольно дорогостоящей работой. Исследование лишь канцерогенности и токсичности одного вещества традици-

онными методами требует более 800 животных, более трех лет работы и оценивается в 2 млн долл. При этом часто огромные расходы на определение ПДК оказываются необоснованными, поскольку уже на этапах лабораторных работ и опытного производства выясняется нецелесообразность дальнейшего исследования и внедрения данного химического вещества по технологическим или токсикологическим показателям.

Показатели токсичности могут сильно различаться для разных видов организмов и даже для одной и той же группы организмов в разных сериях экспериментов. В таких случаях используют правило: если в отношении какого-либо тест-организма анализируемая проба (или вещество) токсична, то проба определенно токсичная, если же токсичность не обнаружена, то она потенциально может оказаться токсичной.

Другие сложности, возникающие при обосновании ПДК, обусловлены различными путями поступления вредных веществ в организм, возможностью комбинированного действия нескольких веществ, многообразием физических, химических и биологических факторов окружающей среды и их влияния на токсические эффекты, проблемой соотношения и соответствия данных, полученных разными методами. Кроме того, при использовании лабораторных животных возникают этические и гуманные проблемы. Все это затрудняет нормирование и может привести к установлению необъективной величины ПДК. Поэтому до сих пор нормирована лишь очень малая доля известных и практически используемых химических веществ.

Наряду с большими затратами на работы по определению ПДК еще выше затраты на определение ПДЭН, на идентификацию нормируемых соединений в сложных смесях и разработку новых аналитических методик для их определения на фоне большого числа ненормируемых и часто неизвестных соединений.

11.3.Особенности нормирования загрязнения природных сред

11.3.1. Нормирование загрязняющих веществ в воздухе

Качество воздушной среды непосредственно влияет на здоровье человека. Для каждого вредного вещества в воздухе устанавливают два нормативных значе-

ния: ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.) и ПДК в атмосферном воздухе (ПДКа.в.) населенных мест (в селитебной зоне, предназначенной для размещения жилого

фонда, общественных зданий и сооружений).

При нормировании вредных веществ в воздухе производственных помещений учитывается время пребывания людей в зоне загрязнения. Принимается, что ПДКр.з. – это концентрация, которая не может вызвать заболеваний у работающих и их детей при работе не более 41 ч в неделю в течение всего рабочего стажа.

ПДКа.в. – это предельная концентрация, которая на протяжении всей жизни человека не должна оказывать на него вредного влияния, прямого или косвен-

ного воздействия, включая отдаленные последствия в условиях неопределенно долгого круглосуточного вдыхания.

Необходимость такого раздельного нормирования определяется тем, что на предприятии в течение рабочего дня работают практически здоровые люди, а в населенных пунктах круглосуточно находятся не только здоровые взрослые, но и дети, пожилые и больные люди, беременные и кормящие жен-

щины и др. Поэтому ПДКр.з. > ПДКа.в. Например, для диоксида серы ПДКр.з. = 10 мг/м3, а ПДКа.в. = 0,5 мг/м3. Для диоксида азота эти показатели соответственно равны 9 и 0,05 мг/м3, в для метилмеркаптана – 0,8 и 9 • 10–6 мг/м3.

При нормировании загрязняющих веществ в атмосферном воздухе используют два значения ПДК:

ПДКм.р. – максимально разовая ПДК. Допускается срок вредного воздействия до 30 мин.

ПДКс.с. – среднесуточная ПДК, наиболее важный показатель, допускается максимальный период воздействия поллютанта до 24 ч. ПДКс.с. рассчитана на все группы населения и на неопределенно долгий период воздействия, является наиболее жестким санитарно-гигиеническим нормативом, устанавливающим концентрацию вредного вещества в воздушной среде.

При нормировании атмосферных загрязнений для веществ, обладающих запахом, устанавливаются максимально разовые предельно допустимые концентрации в экспериментах с добровольцами, кратковременно (5–10 мин) вдыхающими воздух с содержанием безопасных для организма человека концентраций изучаемого вещества. Для перехода от пороговой концентрации к ПДК используются коэффициенты запаса. Среднесуточные ПДК устанавливаются на основе токсикологического эксперимента на животных.

В основе методической схемы, позволяющей определять параметры хронической токсичности и опасности атмосферных загрязнений лежит закономерность, согласно которой зависимость времени развития определенных общетоксических эффектов от концентрации вещества в воздухе в пределах 4–6 мес

где С – концентрация, вызывающая определенный эффект за время T; C0 – концентрация, вызывающая тот же эффект за время, равное принятой единице измерения (час, сутки); a – угол наклона прямой к оси абсцисс (ось времени).

В хроническом опыте моделируются условия длительного контакта человека с веществом. Лабораторные животные подвергаются круглосуточному ингаляционному воздействию изучаемого вещества в течение 3–4 мес в разных концентрациях. При этом обязательно используется концентрация, равная порогу острого действия (Limac) или 1/2–1/10 среднесмертельной концентрации (ЛК50).

Пороговая и подпороговая (недействующая) концентрации устанавливаются по резорбтивному действию (способность вещества вызывать токсический

эффект при поступлении в кровь) загрязняющего вещества. Чаще всего эта величина и принимается за предельно допустимую концентрацию загрязнения в атмосферном воздухе населенных мест.

Если для вещества не установлено ПДК, то допускается определять ориентировочную величину ПДК на основании токсикологических признаков веществ: ЛД50 при пероральном введении и среднесмертельной концентрации ЛК50 при ингаляционном воздействии.

На основе корреляционного и регрессионного методов анализа получен ряд формул, позволяющих определять ориентировочные нормативы – ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) атмосферных загрязнений по соответствующим значениям ПДК в воздухе производственных помещений с учетом химической структуры и физико-химических свойств веществ. Эти нормативы атмосферных загрязнений, полученные расчетным путем, используются в основном на стадии проектирования, предупредительного санитарного надзора.

При проектировании или строительстве предприятий в промышленных зонах городов или в районах, где воздух уже загрязнен выбросами других предприятий, нормативы устанавливаются с учетом присутствующих загрязнений, т. е. фоновой концентрации (Сф). Сумма отношений концентраций загрязняющих веществ к их ПДК (с учетом Cф) не должна превышать единицы:

(11.3)

где Сi – концентрация i-го вещества; ПДКi – предельно допустимая концентрация i-го вещества; Сфi – фоновая концентрация i-го вещества; n – число суммируемых веществ.

Наряду с гигиеническими нормативами разработаны критерии оценки опасности загрязнения воздуха, учитывающие не только кратность превышения ПДК, но и класс опасности вещества. Предусмотрены четыре степени опасности фактического загрязнения атмосферного воздуха: допустимая, вызывающая опасения, опасная и чрезвычайно опасная. Границы этих степений загрязнения определяются с помощью номограмм и зависят от класса опасности вещества, времени усреднения фактических концентраций и кратности превышения значений ПДК. При одинаковом коэффициенте превышения ПДК веществ степень опасности загрязнения атмосферного воздуха будет тем больше, чем выше класс опасности вещества и чем продолжительнее оно воздействует.

При оценке загрязнения атмосферного воздуха, как вызывающего опасения, разрабатывается план мероприятий по его снижению; при оценке загрязнения, как опасного, намечаются специальные (дополнительные) мероприятия по снижению ypoвня загрязнения; при регистрации чрезвычайно опасного загрязнения принимаются срочные меры по сокращению выбросов согласно разработанному заранее плану.

11.3.2.Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах

При нормировании качества природных вод учитывается качество воды как ресурса, потребляемого человеком, и необходимость сохранения водных экосистем.

Требования к качеству воды зависят от вида водопользования (см. разд. 1.1.1, 1.1.2).

За ПДК загрязняющих веществ в природной воде принимается концентрация, при превышении которой вода непригодна для определенного вида водопользования, а при концентрации вещества, равной или меньше ПДК, вода безвредна для всего живого.

Гигиеническая ПДК вредного вещества в воде водоемов устанавливается для воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв). Это максимальная концентрация, которая не оказывает прямого или опосредованного влияния на состояние здоровья настоящего и последующих поколений. Этот показатель определяется с учетом воздействия вредного вещества на организм человека в течение всей его жизни и отсутствия влияния на гигиенические условия водопользования населения. Концентрация вредного вещества в воде, не оказывающая вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых – предельно допустимая концентрация для водоемов рыбохозяйственного пользования (ПДКвр). ПДКв и ПДКвр главным образом ориентированы на сохранение здоровья человека и интересы рыбного хозяйства и практически не учитывают экологической безопасности водных экосистем.

При разработке гигиенических нормативов веществ в воде предусматривается исследование трех основных признаков вредности вещества: а) токсикологические исследования влияния вещества на организм; б) влияние на органолептические свойства воды; в) влияние на санитарный режим водоема, а также получение данных о стабильности веществ и способности к биотрансформации

в водной среде.

Как правило, ПДК устанавливают на основании токсикологических признаков вредности (токсикологические исследования на теплокровных лабораторных животных при оральном поступлении вещества в организм).

Изучение токсических свойств вещества проводится в несколько этапов. Исследования начинаются с проведения острого опыта, на основании ко-

торого устанавливают верхние параметры токсичности вещества, т. е. величины среднесмертельной дозы (ЛД50), а также среднее время гибели животных (ЕТ50).

Соотношение величин ЛД50 и пороговой дозы позволяет судить о кумулятивных свойствах вещества в соответствии со следующей шкалой:

Кумулятивные свойства вещества могут быть ориентировочно определены на основе величины ЕТ50.

Заключительный этап – хронический санитарно-токсикологический эксперимент – требует не менее 6 мес наблюдения за экспериментальными живот-

ными. В хроническом эксперименте устанавливают минимально эффективную и максимально недействующую дозы вещества.

Содержащиеся в промышленных стоках вредные вещества могут изменять органолептические свойства воды (мутность, запах, привкус, пено- и пленкообразование). В этом случае нормируются такие предельные концентрации веществ, которые не воспринимаются органами чувств человека. ПДК, установленные по органолептическому признаку вредности, часто являются более жесткими (более низкими), чем установленные по другим признакам вредности, так как чувствительность физиологических рецепторов человека очень высока (часто выше, чем у самой точной аппаратуры).

По санитарному признаку устанавливаются микробиологические и паразитологические показатели воды (коли-индекс и коли-титр, см. разд. 1.1.2). Многие химические вещества могут угнетать естественные процессы самоочищения, в частности биохимическое окисление органических веществ, что часто приводит к ухудшению общего санитарного состояния водоема (дефициту кислорода, гниению, минерализации азотсодержащих веществ, появлению сероводорода, метана, развитию водной сапрофитной микрофлоры и т. д.). В этом случае устанавливают ПДК по общесанитарному признаку вредности. При постановке опытов наибольшее значение придается динамике БПК. Конечной целью исследований является установление концентраций вещества, не нарушающих санитарный режим водоема (процессы биологического потребления кислорода, аммонификации и нитрификации, развития и отмирания сапрофитной микрофлоры).

Методическая схема гигиенического (токсикологического) обоснования ПДК химических веществ в водной среде предусматривает экспериментальные исследования стабильности вещества в водной среде. Определяется сохраняемость (время полураспада) вещества в водных растворах с учетом химического или биохимического окисления, гидролиза, температуры, рН, интенсивности аэрации воды, ферментативной активности сапрофитной микрофлоры, интенсивности инсоляции и т. д. Экспериментальным путем с применением методов химического анализа и биотестирования определяются степень влияния образующихся продуктов трансформации вещества на органолептические свойства воды, санитарный режим водоемов, а также их токсичность.

По каждому показателю гигиенического нормирования устанавливаются не только пороговая, но и максимальная недействующая (подпороговая) концентрация, на основании которых определяется уровень безвредности вещества.

Для одного и того же вещества могут определяться разные предельные концентрации по перечисленным признакам вредности. Например, ионы меди оказывают токсическое действие при концентрации 10 мг/л, нарушают процессы самоочищения в водоеме при концентрации 5 мг/л и придают привкус воде при концентрациях 1 мг/л. ПДК устанавливается по признаку вредного действия вещества, который характеризуется наименьшей пороговой концентрацией. Эта концентрация предлагается в качестве предельно допустимой, а признак, по которому она рекомендована, – лимитирующий признак вредности (ЛПВ).

Одно и то же вещество для водоемов, используемых для разных нужд, мо-

ностных вод, а также сохранения среды обитания объектов животного и растительного мира устанавливаются водоохранные зоны.

11.3.3.Нормирование загрязняющих веществ в почве

Вредные вещества, загрязняющие почву, поступают в организм человека через контактирующие с почвой среды (вода, воздух) и произрастающие на почве растения, используемые как непосредственно в пище человека, так и в кормлении животных. Поэтому гигиеническое обоснование ПДК загрязняющего вещества в почве базируется на четырех основных количественных показателях, определяемых экспериментально: транслокационном, миграционном водном, миграционном воздушном, общесанитарном (рис. 11.1).

Транслокационный показатель – способность химического вещества переходить из пахотного слоя почвы через корневую систему растений и накапливаться в зеленой массе и плодах. Устанавливается допустимая концентрация в почве загрязнения, гарантирующая его переход в растения в количествах, не превышающих установленные ПДК в продуктах питания. Транслокационный показатель вредности является основным критерием гигиенического регламентирования загрязняющих веществ в почве, так как определяет уровень их накопления в продуктах питания и кормах. С растительными продуктами питания в организм человека поступает в среднем 70% вредных химических веществ.

Рис. 11.1. Показатели вредности химического вещества в почве

Миграционный водный показатель – способность химического вещества переходить из пахотного слоя почвы в подземные грунтовые воды и поверхностные водоисточники. Устанавливается допустимая концентрация, гарантирующая переход загрязнения в грунтовые и поверхностные воды в количествах, не превышающих ПДК.