Основы токсикологии. Учебное пособие

lg ВДК (ОБУВ)р.з = 0,25 – (–2,01) + 0,71 – (–0,24) + 0,25 + 1,89 = = (–0,50) – 0,17 + 0,25 + 1,89 = 1,47;

ВДК (ОБУВ)р.з = 29,6 30 мг/м3 (узаконенная ПДК = 20 мг/м3).

Пример: расчет ориентировочного значения ВДК (ОБУВ)р.з аэрозоля двуокиси германия:

lg ВДК (ОБУВ)р.з мг/м3 = 0,85 – 1,31 – 3,0 + 2,02 – 0 = 0,13; ВДК (ОБУВ)р.з =1,35 1,4 мг/м3 (узаконенная ПДК = 2 мг/м3).

Пример: расчет ориентировочного значения ПДК паров этиленоксида по физико-химическим константам:

М = 44; d = 0,887; tкип = 10,7 °С;

lg ВДК (ОБУВ)р.з = –0,01 –М + 0,4 + lg M = –0,01 – 44 + 0,4 + 1,64 = 1,60; lg ВДК (ОБУВ)р.з = –0,01 – tкип + 0,6 + lg M = –0,01 – 10,7 + 0,6 + 1,64 = 2,13; lg ВДК (ОБУВ)р.з = –2,2 – d + 1,6 + lg M = –2,2 – 0,887 + 1,6 + 1,64 = 1,29; Средний lg ВДК (ОБУВ)р.з = (1,60 + 2,13 + 1,29) : 3 = 1,67.

В полученный конечный результат расчета следует внести поправку на химическое строение этиленоксида. Для подобных соединений (содержащих эпоксигруппу) предусмотрена поправка, равная –1,5:

lgВДК (ОБУВ)р.з.= 1,67 – 1,5 = 0,17;

ВДК (ОБУВ)р.з = 1,48 1,5 мг/м3 (узаконенная ПДК = 1 мг/м3).

Существует метод расчета ориентировочных ВДК (ОБУВ)р.з в пределах одного гомологического ряда с уже нормированными гомологами. В основу прогнозирования ВДК (ОБУВ)р.з по этому методу была положена химическая структура и условный показатель величины биологической активности химических связей соединений гомологических рядов. За величину биологической активности соединения условно принимается минимальный объем воздуха (в литрах), в котором допустимо содержание одного миллимоля химического вещества. Чем в большем количестве литров воздуха допустимо содержание одного миллимоля вещества, тем токсичнее вещество, и наоборот.

Значения биологической активности отдельных видов химических связей, вычисленные как средние величины для нормированных соединений в гомологических рядах, представлены в табл. 5.9. Эта таблица составлена по определению биологической активности химических связей веществ, для которых ранее были установлены ПДКр.з.

101

Таблица 5.9

Значения биологической активности химических связей нормированных соединений различных гомологических рядов

CC

242,4 Непредельные нециклические углеводороды

CC

451,8 Непредельные нециклические углеводороды

C C

2097,1 Непредельные углеводороды с тройной связью

C C

1126,5 Незамещенные ароматические углеводороды.

507,9 Замещенные ароматические углеводороды с од- C C ной или двумя боковыми связями.

7057,9 Замещенные ароматические углеводороды с непредельной боковой цепью

2230,3 Оксиды азота

N

O

NH

102

6113,5 Первичные алифатические амины.

N1565,7 Вторичные алифатические амины.

3266,2 Третичные алифатические амины.

NN

H100 223,6 Непредельные спирты. –5214,5 Ароматические спирты.

68,1 Алифатические простые эфиры

O6535,3 Сложные эфиры предельных спиртов.

1 644 538 Алифатические изоцианиды.

139 778,4 Ароматические изоцианиды

C

N

103

Имея значение представленных в табл. 5.9 показателей биологической активности веществ, а также зная молекулярную массу, можно рассчитать ориентировочное значение ВДК (ОБУВ)р.з по формуле

где М – молекулярная масса; Ji – сумма значений биологической активности всех химических связей атомов в молекуле нормируемого вещества; Ji – величина биологической активности i-й химической связи молекулы соединения.

Расчеты ВДК (ОБУВ)р.з, опирающиеся на значения биологической активности химических связей нормируемых соединений, дают достаточно точные результаты и для некоторых соединений не уступают по точности расчетам, основанным на данных токсикометрии.

Пример расчета ВДК (ОБУВ)р.з для валериановой кислоты:

Регламентирование ПДК для атмосферного воздуха. В настоящее время для атмосферных загрязнений регламентируются два типа ПДК: максимальные разовые и среднесуточные. Расчет максимальных разовых ПДК опирается на значение порогов рефлекторного действия, среднесуточные концентрации учитывают главным образом пороги резорбтивного действия.

В том случае, когда порог токсического действия оказывается менее чувствительным, чем порог рефлекторный, ведущим при обосновании среднесуточных ПДК является порог рефлекторного воздействия. В подобных случаях среднесуточные и максимальные разовые ПДК совпадают.

Для предупредительного санитарного надзора и своевременного обоснования требований к оздоровительным мероприятиям, а также для определения предельно допустимых выбросов (ПДВ) промышленных предприятий, можно использовать данные расчета временных допустимых концентраций в атмосферном воздухе – ВДК (ОБУВ)а.в. Использование

104

ВДК (ОБУВ)а.в в предпроектной и проектной документации на строительство любых объектов не допускается.

Расчетные формулы могут быть оценены по коэффициенту корреляции r. Если этот коэффициент находится в пределах ±0,3, то это означает отсутствие корреляционной зависимости между исходными и конечными показателями или их незначительную связь; при r, равном от +0,3 до 0,5 – слабую связь, от +0,5 до +0,7 – удовлетворительную связь, от +0,7 и выше – высокую связь. Знак минус перед коэффициентом корреляции говорит о наличии отрицательной зависимости в тех же оценочных пределах.

Еще более наглядную оценку расчетных формул дает использование показателя Syx. Этот статистический показатель, выраженный в логарифмах, указывает, в каких максимальных пределах могут отклоняться расчетные значения ВДК (ОБУВ) от узаконенных ПДК в 66,6 % случаев использования данного уравнения. Чем меньше величина Syx, тем ближе расчетные значения к экспериментально обоснованным. Например, по уравнению Syx равна ±0,25. Следовательно, ВДК (ОБУВ) для 2/3 всех сопоставимых веществ, рассчитанных по этому уравнению, не будут отличаться от узаконенных величин ПДК более чем на ±0,25 по логарифму, т. е. не более чем в 1,8 раза. Если Syx равна ±0,68, т. е. отношение расчетных ВДК (ОБУВ) к узаконенным ПДК не превышает для 2/3 веществ уже пятикратной величины.

Формулы, опирающиеся на рефлекторные пороги, токсикометрические показатели и ПДКр.з, имеют высокий коэффициент корреляции, что позволяет говорить о большой достоверности получаемых результатов.

В формуле в качестве исходной величины привлечено значение порога обонятельного ощущения:

lg ВДКа.в (ОБУВ) = 0,96 lg ПКодор – 0,51 (r = +0,96; Syx = ±0,25). В формуле в качестве исходной величины использована ПДКр.з: lg ВДКа.в = 0,62 lg ПДКр.з – 1,77 (r = +0,7; Syx = ±0,68).

Если нет данных о ПДКр.з и не проведены одорометрические исследования, в качестве исходных могут быть привлечены среднесмертельные концентрации (CL50). Коэффициент корреляции для формулы составляет 0,68. Уравнение приведено ниже:

lg ВДКа.в = 0,58 lg CL50 – 1,6 (r = +0,68; Syx = ±0,68).

Вформуле в множественную корреляцию были включены данные

опорогах обонятельного ощущения и значение ПДКр.з:

lg ВДКа.в = 0,72 lg ПКодор + 0,22 lg ПДКр.з – 1,05.

Рассчитанные по этой формуле ВДКа.в (ОБУВ) дают значительно более точные показатели, нежели предыдущие формулы.

В следующей формуле наряду с порогом обонятельного ощущения использованы среднесмертельные концентрации. Выведено уравнение множественной линейной регрессии:

105

lg ВДКа.в (ОБУВ) = 0,81 lg ПКодор + 0,1 lg CL50 – 0,86.

Применение этой формулы оправданно в тех случаях, когда отсутст-

вуют данные о ПДКр.з.

Использование уравнений множественной линейной регрессии, опирающихся как на токсикологические, так и на рефлекторные показатели, дает значительно большее приближение расчетных значений ВДКа.в (ОБУВ) к узаконенным среднесуточным предельно допустимым концентрациям вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест (ПДКс.с).

В следующие формулы введены значения порога острого действия. Все формулы имеют высокие коэффициенты корреляции – от 0,75 до 0,87:

lg ВДКа.в (ОБУВ) = 0,82 lg ПКодор + 0,23 lg ПКост – 1,37; lg ВДКа.в (ОБУВ) = 0,75 lg ПКодор + 0,23 lg Zост – 1,1; lg ВДКа.в (ОБУВ) = 0,83 lg ПКодор + 0,09 lg ПКр – 0,96.

Регламентирование ВДКв (ОБУВ) воды водоемов санитарнобытового пользования. Необходимость ускоренного нормирования химических веществ в воде водоемов привела к созданию расчетных методов, основанных на установлении зависимостей норматива в воде от нормативов в других средах либо различных физико-химических свойств и параметров токсичности.

Поскольку норматив в воде устанавливается с учетом нескольких лимитирующих показателей по вредности, то при расчете ВДКв (ОБУВ) обязательно указывается соответствующий лимитирующий показатель. Уравнение позволяет рассчитывать ВДКв (ОБУВ) по ПДК этих же веществ в воздухе рабочей зоны:

lg ВДКв (ОБУВ) мг/л = 0,61 lg ПДКр.з (в мг/м3) – 1,0 (r = 0,69).

При изучении зависимости между максимально недействующей концентрацией (МНД) в воде водоемов и ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з), среднесуточной предельно допустимой концентрацией вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест (ПДКс.с), а также среднесмертельной дозой (DL50) и концентрацией (CL50) были предложены формулы для расчета нормативов в воде водоемов санитарно-бытового водопользования:

lg МНДв мг/кг = 0,64 lg ПДКс.с + 0,08 (r = 0,56).

Для фосфорорганических соединений расчет целесообразно вести по формуле

lg МНДв мг/кг = 1,1 lg ПДКр.з – 0,6; для нитросоединений:

lg МНДв мг/кг = 0,88 lg DL50 – 3,6.

106

По этим уравнениям рассчитывается максимальная недействующая доза (МНД), ожидаемая в хроническом токсикологическом эксперименте. Так как коэффициент пересчета ПДКв равен 20, то конечный результат, т. е. ВДКв (ОБУВ), получается при умножении МНД на 20.

Для ориентировочного определения ВДКв (ОБУВ) органических соединений в воде водоемов рекомендуются уравнения по параметрам острой токсичности и некоторым физико-химическим константам.

Наилучшее приближение ориентировочных ВДКв (ОБУВ) в воде водоемов к экспериментально обоснованным ПДКв дают расчеты по показателям токсичности:

lg ВДКв (ОБУВ) мг/л = 1,7 lg CL50 – 2,12 (r = 0,64);

lg ВДКв (ОБУВ) мг/л = 1,39 lg DL50 – 4,76 (129) (r = 0,62);

lg ВДКв мг/л = 0,26 lg CL50 + 0,32 lg DL50 ВДК (ОБУВ) – 2,46 (Syx = ±0,57);

Регламентирование ВДКп (ОБУВ) почвы. Расчет ВДКп (ОБУВ) проводится в настоящее время лишь для пестицидов. ВДКп устанавливаются для тех препаратов, которые находятся на стадии государственных производственных испытаний, а также для пестицидов, допущенных к опытно-производственному применению, когда ВДКп (ОБУВ) для них еще не обоснованы или экспериментальное обоснование их нецелесообразно (ограниченный объем применения, малая – менее 2 мес – стойкость

впочве и др.). Обязательным условием утверждения ВДКп (ОБУВ) является наличие метода химического контроля остаточных количеств пестицида

впочве.

Расчет ВДКп (ОБУВ) проводится на основе предельно допустимых концентраций соответствующего пестицида в овощах или плодовых культурах по следующей формуле:

ВДКп (ОБУВ) = 1,23 + 0,48 lg ПДКпр.

Если для овощных и плодовых культур установлено несколько нормативов, то в расчет берется минимальное значение. Когда содержание остаточных количеств пестицидов в растениях не допускается, для расчета берется величина чувствительности утвержденного метода определения данного препарата в растениях. Следующее уравнение позволяет рассчитывать ВДКп (ОБУВ) при величине ПДКпр, или чувствительности метода определения, начиная от 0,003 мг/кг.

Если после установления ПДКпр, препарата в пищевых продуктах, были выявлены отдаленные эффекты его действия (эмбриотоксичность, мутагенность, канцерогенность), необходимо вводить в расчет коэффициент запаса, в котором учитывается степень выраженности отдаленных эффектов и данные о фактическом загрязнении почв остаточными количествами препарата.

107

Регламентирование ВДКпр (ОБУВ) продуктов питания. В настоящее время расчетный метод для выявления возможных остаточных вредных веществ в пищевых продуктах применяется лишь для пестицидов.

Временную допустимую концентрацию пестицидов (ВДК (ОБУВ) в продуктах питания (в мг/кг) можно рассчитывать по формуле

ВДКпр (ОБУВ) = 0,13 10–2 DL50 = 0,76 (r = 0,7).

ВДКпр (ОБУВ) для пестицидов разных классов рекомендуется рассчитывать по регламентируемому значению ВДКв (ОБУВ). Для фосфорорганических пестицидов применяется формула

ВДКпр (ОБУВ) = 1,45 ПДКв + 0,68, а для хлорорганических пестицидов – формула

ВДКпр (ОБУВ) = 2,2 ПДКв + 0,33.

Расчетное регламентирование дает достоверные результаты только в том случае, когда в формулы заложены токсикометрические, физиологические параметры или нормативные величины из смежных областей гигиены, которые, в свою очередь, опирались на экспериментальные исследования.

5.7. Влияние токсичных веществ на популяции и экосистемы

Знание механизмов трансформации химикатов в окружающей среде необходимо для оценки их экотоксикологической роли, включая действие на объекты окружающей среды промежуточных и конечных продуктов превращений. Количественные характеристики, касающиеся устойчивости химикатов и образования продуктов их превращений в природных условиях, получают либо в ходе мониторинга

Мониторинг – это отслеживание тренда концентраций отдельных химических соединений путем систематического (через равные промежутки времени) анализа представительных проб.

Токсиканты окружающей среды. Токсиканты окружающей среды –

это вредные вещества, которые распространяются в окружающей среде далеко за пределы своего первоначального местонахождения и связи с этим оказывают более или менее скрытое вредное воздействие на животных или растений и в ряде случаев и на человека.

Это могут быть природные вещества (ядовитые газы, выделяемые при извержении вулканов), однако чаще токсиканты – это те вещества, которые сам человек неосмотрительно включает в круговорот природы. Например, нефть становится токсикантом только тогда, когда терпит аварию какой-нибудь танкер и вся масса вытекшей нефти поступает в пищевые цепи морских животных. Но и это приобрело экологическое значение только тогда, когда такие случаи участились.

108

Экотоксикант – устойчивое в условиях окружающей среды токсичное вещество, способное накапливаться в тканях живых организмов (в исходном или измененном в результате метаболизма виде) и передаваться от низших звеньев пищевой цепи к высшим звеньям. К типичным экотоксикантам относятся хлорорганические пестициды, диоксины, диметилртуть.

Поведение химикатов в окружающей среде. Загрязнение окружающей среды различными химическими веществами превышает соответствующий критический предел, из-за чего они входят в общий круговорот веществ в природе. В связи с этим особый теоретический и практический интерес представляет вопрос о миграции химических вредностей в окружающей среде.

Абиотические процессы. Направления превращений химикатов в природных средах зависят от нескольких абиотических факторов: химического строения их молекул, среды, в которую они попадают (воздух, вода и т. д.); характера источников энергии, а также ее доступности. Абиотические превращения можно классифицировать по типам реакций, например: гидролиз, окисление, восстановление и др.

В ходе гидролиза химиката, имеющего в составе молекул определенные функциональные группы R-X, происходит присоединение воды, например: гидролиз сложных эфиров.

Восстановительные процессы в окружающей среде происходят обычно только при отсутствии кислорода, например в донных отложениях. В таких условиях в результате жизнедеятельности некоторых групп микроорганизмов происходят выделение водорода, восстановление Fe (III) до формы Fe (II) и некоторые другие процессы.

Окисление химикатов в газовой и водной фазах, а также в адсорбированном состоянии происходит главным образом за счет различных активированных форм кислорода. Фотохимическое окисление происходит в случае соединений, способных поглощать свет, проникающий в нижнюю атмосферу или в поверхностный слой воды.

Прямые фотохимические реакции протекают при поглощении молекулами квантов света с энергией, достаточной для возбуждения электронных переходов.

Биотрансформация экотоксикантов. Пищевые цепи представляют собой одну из основных форм взаимосвязи между различными организмами, когда каждый из них пожирается другим видом, как правило, более крупным. В случае потребления чужеродных веществ, если эти вещества не могут быть переварены или просто выведены из организма, начинается накопление их по ходу пищевой цепи. Это накопление происходит потому, что в пищевой цепи организмы-потребители обладают меньшей биомассой, чем те, которые служат им пищей.

Меньшая масса вида потребителя обусловлена тем, что особи этого вида используют для построения своего тела только часть потребляемой пищи, а остальное употребляется в виде энергии. Однако неразлагающиеся

109

ядовитые вещества не используются в энергетическом обмене, особенно если данное вещество имеет большой период биологического полураспада. Коэффициент накопления в большинстве случаев составляет около 10 на каждую ступень. Таким образом, рыбы могут содержать в тысячи раз больше токсичных веществ, чем окружающая их водная среда. Вследствие этого в пищевой цепи водоема наиболее высокое содержание ядовитых веществ отмечается у хищных рыб. В дальнейшем ядовитые вещества от них могут переходить к птицам, питающимся рыбой, а также человеку.

Некоторые ксенобиотики, попав в пищевые цепи, претерпевают преобразования. Они подвергаются минерализации до углекислого газа и воды, а также превращению в низкомолекулярные вещества с выделением и без выделения в окружающую среду. Основное направление превращений – в более полярное соединение и связывание его с высокополярным фрагментом, облегчающим его выделение. Оказалось, что продукты превращения иногда более токсичны, чем исходные.

Тяжелые металлы чаще всего выводятся в виде металлорганических соединений. Например, катион ртути (2+) метилируется в микроорганизмах донных отложений. Диметилртуть растворима в жирах и поэтому накапливается в живых организмах и передается по пищевым цепям. Это соединение чрезвычайно ядовито и очень устойчиво.

Особо опасные токсиканты. Весьма заметную роль даже среди современных токсикантов играет свинец. Алкильные соединения свинца примешивали к бензину в качестве антидетонаторов. В ФРГ в 1969 г. выпущено в воздух 7000 т свинца.

В ФРГ около города Норденхам, где находился металлургический завод, постоянно гибли коровы на пастбище из-за свинцового отравления. В этом же районе нашли признаки отравления свинцом у детей. Любое повышение содержания тяжелых металлов в почве приводит к повышенному его содержанию в растениях и, следовательно, в пищевых продуктах

икормах растительного происхождения. Большинство тяжелых металлов накапливается в листьях и в меньшей степени в плодах и зерне.

Кадмий стал токсикантом в последнее время. В природной среде он встречается очень редко и в малых количествах. Кадмий значительно токсичнее свинца и опасен в любой форме. Симптомы: поражение почек

инервной системы, костные боли в ногах. Накапливается в организме в почках. Однако в последнее время он стал находить все большее техни-

ческое применение в мазуте и дизельном топливе, как присадка к сплавам, при нанесении гальванических покрытий и т. д. Причина накопления в природной среде – промышленные газообразные выбросы. Растения поглощают 70 % кадмия из воздуха и 30 % из почвы.

Соединения ртути применяют в качестве фунгицидов (например, для протравливания посевного материала), а также при производстве бумажной массы; также они служат катализаторами при синтезе пластмасс. Вместе с отходами производства ртуть в металлической или связанной

110