Основы токсикологии. Учебное пособие

форме попадает в промышленные стоки или в воздух. Всего в мире в год производится 9000 т ртути, из них 5000 т оказываются в океане. У японских детей с врожденным отравлением диметилртутью отмечена повышенная частота уродств.

Цепь ртути наземная: почва – растения – животное – человек. Водная пищевая цепь: сточные воды планктон ракообразные рыбы птицы. Концевые звенья – чайки, скопы, чомги, орланы-белохвосты.

Мышьяк очень устойчив в природе и поэтому отходы, его содержащие, будут опасны и через тысячелетия.

Без защиты растений мировой урожай составлял бы лишь 70 % того, что мы получаем в действительности, поэтому возникает необходимость применения пестицидов. Но: а) во многих случаях можно достигнуть той же продуктивности другими средствами; б) если в теплых странах без пестицидов не обойтись, то в условиях Средней Европы вполне можно; в) качество сельскохозяйственных продуктов снижается при использовании пестицидов.

Химику Паулю Мюллеру была присуждена Нобелевская премия за обнаружение поразительных инсектицидных свойств у ДДТ, что впервые позволило провести успешную борьбу с переносчиками малярии, сыпного тифа и клещевого энцефалита и тем самым искоренить эти заболевания в некоторых областях. Так, в 1948 г. в Индии от этих заболеваний погибло 3 млн человек. В 1965 г. – ни одного.

Однако из-за широкого спектра действия ДДТ уничтожались полезные насекомые. Его устойчивость приводила к накоплению в пищевых цепях, что оказывало губительное действие на концевые звенья. Например, соколы-сапсаны стали исчезать от того, что вследствие отравления ДДТ они стали откладывать яйца со слишком тонкой скорлупой, которые во время насиживания разбивались.

Опасным токсикантом является смесь соединений с различным содержанием хлора (от 40 до 60 %). Полихлорированные дифенилы (ПХД) применяются в технике как изоляционные жидкости в трансформаторах, пластификаторы пластмасс и растворители лаков и растворители для пестицидов. Эти соединения используются в производстве химических средств защиты и уже десятилетия назад огромные количества ПХД включились в циркуляцию биоцидов в природе. ПХД можно обнаружить повсюду – в сточных водах, речном иле, морской воде.

ПХД – наиболее сильный яд среди хлорорганических инсектицидов и, что самое главное, практически не разрушающийся. Токсичность ПХД сравнима с ДДТ. В опытах над грызунами у ПХД установлена четкая канцерогенность. У людей, работающих с ПХД, обнаружена повышенная частота возникновения злокачественных опухолей.

Полихлорированные дибензо-п-диоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ) образуются в виде примесей в технологических процессах и при горении некоторых материалов. Содержание ПХДД и ПХДФ в различных

111

объектах окружающей среды крайне мало. Тем не менее даже такие уровни концентраций опасны, поскольку эти ксенобиотики относятся к самым сильным из известных человеку ядов. Высокая токсичность и чрезвычайно широкий спектр биологического действия ПХДД и ПХДФ стали причиной их выделения в категорию суперэкотоксикантов.

В плазме крови пострадавших людей ПХДД обнаруживались через 11 лет после воздействия. В организме высших животных мишенями токсического действия ПХДД и ПХДФ в первую очередь оказываются печень, легкие, лейкоциты крови и кожа.

Фтористые соединения в основном попадают в окружающую среду при производстве алюминия. Полифторированные углеводороды используются в качестве растворителей. На пастбище около алюминиевых заводов у скота наблюдаются повреждения костей.

Популяции и биоценозы как объект воздействия токсичных веществ. Популяция – совокупность особей одного вида, обладающих общим генофондом и занимающих определенную территорию.

Популяции характеризуются общей численностью особей, плотностью (число особей на единице площади), характером пространственного распределения особей, а также упорядоченностью структуры. Структура проявляется в определенном количественном соотношении особей разного возраста, пола, размеров, разных генотипов и т. д. Различают возрастную, половую, размерную, генетическую и другие структуры популяции.

При выборочных исследованиях в связи с загрязнением зерна ртутью

вШвеции выяснилось, что в сельской местности в печени у овсянок находили до 220 мг/кг ртути. Этим высоким содержанием ртути объясняется значительное уменьшение популяции этих птиц в Швеции. Интересно, что

вгородах у овсянки не было остатков ртути: они просто не могли найти

вгороде отравленного зерна.

Убактерий обычно вырабатывается устойчивость к тяжелым металлам, так что наличие подобных штаммов среди бактерий может служить показателем загрязнения окружающей среды. Нередко малярийные комары становятся резистентными к инсектицидам.

Биоценоз совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, совместно населяющих участок суши или водоема.

Примером вредного воздействия загрязнения воздуха на биоценозы может служить гибель хвойных лесов под действием сернистого газа. Механизм действия на хвойные породы деревьев следующий: просачиваясь в почву, кислые осадки вызывают освобождение ионов алюминия, связанных с минеральными компонентами. Эти токсичные вещества разрушают жизненно важную для питания деревьев систему тонких корней и открывают бактериям путь к корням и стволу. У основания дерева возникает патологическое мокрое ядро, блокирующее путь воде в верхние части дерева. На деревья нападают насекомые. Такие деревья легко ломаются под действием ветра. После сильных морозов происходит их массовое отмирание. В настоящее время явление гибели лесов наблюдается во всем мире.

112

Контрольные вопросы и задания для самоподготовки

1.Назовите этапы работы по установлению ПДКр.з.

2.Каким образом проводится обоснование временных допустимых концентраций ВДКр.з (ОБУВ)?

3.Что необходимо сделать для обоснования ПДКр.з?

4.Каким образом проводится корректировка ПДКр.з в результате анализа условий труда работающих и состояния их здоровья?

5.Перечислите этапы работы по обоснованию ПДК токсичных веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

6.Опишите проведение токсикологических исследований при разработке и внедрении новых технологических процессов и производств.

7.Раскройте понятие «токсиколого-гигиенический паспорт» для соединения.

8.Какие сведения о физико-химических свойствах веществ вносятся

втоксиколого-гигиенический паспорт?

9.Какие сведения о токсичности вещества вносятся в токсикологогигиенический паспорт?

10.Какие физико-химические константы могут быть рассчитаны для токсиколого-гигиенического паспорта при отсутствии экспериментальных данных?

11.Какие способы используются для расчета среднесмертельной концентрации CL50?

12.Какие способы используются для расчета среднесмертельной до-

зы DL50?

13.Каким образом рассчитывается зона острого опыта?

14.Каким образом рассчитывается зона хронического опыта?

15.Каким образом рассчитывается КОВОИО?

16.Чем отличается КОВОИО от КВИО?

17.Какие данные необходимы для расчета коэффициента кумуляции?

18.Какие способы используются для расчета ориентировочных ВДК (ОБУВ)р.з для воздуха рабочей зоны?

19.Каким образом регламентируется ПДК для атмосферного воздуха?

20.Каким образом регламентируется ВДКв (ОБУВ) воды водоемов санитарно-бытового пользования?

21.Каким образом регламентируется ВДКп (ОБУВ) почвы?

22.Как регламентируется ВДКпр (ОБУВ) продуктов питания?

23.Охарактеризуйте наиболее значимые токсиканты окружающей

среды.

24.Опишите воздействие токсичных веществ на биоценозы.

25.Каким образом осуществляется биоконцентрация и метаболизм токсичных веществ в биоценозах?

26. Опишите общие закономерности всасывания, превращений и транспорта металлов в организме.

113

27.Каким образом металлы распределяются в организме и выводятся

из него?

28.В чем заключается сущность процесса минерализации?

29.Что происходит на стадии деструкции при минерализации?

30.Каким образом осуществляется процесс глубокого жидкофазного окисления при минерализации?

31.Назовите этапы определения токсикологической оценки технологического процесса.

32.Какой комплекс мероприятий необходимо выполнить на первом этапе токсикологической оценки технологического процесса?

33.Какой комплекс мероприятий необходимо выполнить на втором этапе токсикологической оценки технологического процесса?

6. СПЕЦИФИКА ВОЗДЕЙСТВИЯ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

6.1. Основные формы и специфика последствий воздействия излучений на биологические объекты

Атомной радиацией, или ионизирующим излучением, называют потоки частиц или электромагнитных квантов, образующихся при ядерных превращениях, т. е. в результате ядерных реакций или радиоактивного распада.

Источники образования радиотоксинов. Чаще всего встречаются рентгеновское и γ-излучения, потоки α-частиц, электронов, нейтронов.

На население земного шара постоянно действует природный радиационный фон. Складывается он из трех составляющих: космической радиации (протоны, α-частицы, γ-лучи); излучения естественных радиоактивных веществ, присутствующих в почве; излучения тех радиоактивных веществ (также естественных), которые попадают к нам в организм с воздухом, пищей и водой.

Суммарная доза, создаваемая естественным излучением, довольно сильно варьирует в различных районах Земли. Естественный фон дает примерно одну треть популяционной дозы общего фона, т. е. средней дозы ионизирующего излучения, которая приходится на долю каждого жителя планеты. Еще треть человек получает при медицинских диагностических обследованиях – флюорографии, просвечиваниях.

Остальную часть облучения человек получает при пребывании в современных зданиях. В кирпиче и бетоне присутствуют радиоактивные элементы – уран, торий, радий и др. Вклад в техногенный фон вносят так-

114

же выбросы тепловых электростанций, работающих на угле. При полетах на самолетах на высоте 12 000 м, где проходят трассы современных лайнеров, естественный фон усиливается в 1,5…2 раза. Эта доза безвредна для человека.

Внешние источники излучений – космическое, -излучение природных источников. Внутренние источники – природные радиоактивные вещества, находящиеся в организме человека. Могут быть естественными и техногенными (глобальное загрязнение среды радионуклидами, локальное загрязнение, профессиональное облучение, медицинское облучение при диагностике и медицинском использовании радионуклидов). Радиоактивные вещества – углерод-14, калий-40, полоний-210, радон-222, радий-226. При распаде радиоактивных веществ происходит излучение, после чего они превращаются в устойчивые изотопы. Каждый радиоизотоп может быть охарактеризован периодом полураспада. Для людей наибольшую опасность представляют вещества с периодом полураспада одни сутки – годы: иод-131 – 8,05 сут., стронций 81…51 сут.

Виды излучений. Проникающая радиация – это - и нейтронное излучение. Источником является цепная реакция и распад радиоактивных продуктов. -излучение – электромагнитное излучение с малой длиной волны, с большой энергией, распространяется со скоростью света. Нейтронное излучение – это поток нейтронов, который может взаимодействовать с ядрами.

α-частицы – это поток частиц, которые распространяются со скоростью 20 000 км/с. Представляют собой ядра гелия, содержат два нейтрона и два протона. Защитой может служить лист бумаги.

β-частицы поток β-частиц из электронов или позитронов. Скорость выше, чем у α-частиц, более проникающее излучение, чем у α-частиц. Защита толстое стекло и металлические экраны в несколько миллиметров. Одежда защищает на 50 %.

Единицы измерения излучения. Оценивают радиационную опасность с помощью дозиметрических приборов. Основная физическая величина, характеризующая радиоактивный источник – это число происходящих в нем распадов. Эта величина названа активностью и измеряется в расп./c – 1 беккерель (Бк). Чаще используется внесистемная единица 1 Кюри (Ки) активность такого количества радиоактивного вещества, при котором происходит 37 млрд распадов в 1 с, т. е. 1 Ки = 3,7·1010 Бк эквивалентно 3 т урана-238, 1 г радия, 0,001 г кобальта-60.

Благодаря распаду, количество радиоактивных атомов в веществе уменьшается и время, за которое распадается половина радиоактивных атомов, называется периодом полураспада. Период полураспада урана-238 – 4,5 млрд лет, иода-131 – восемь дней, цезия 137 – тридцать лет. При авариях наиболее опасны два последних изотопа из-за летучести.

Под действием излучений в облучаемом объекте накапливаются нарушения. Принято считать, что изменения, происходящие в облучаемом

115

веществе, полностью определяются поглощенной энергией радиоактивного излучения. Поглощенная энергия излучения служит самой удобной величиной, характеризующей воздействие излучения на организм. Поглощенная доза – это энергия любого вида излучения, поглощенная в 1 г вещества. Поглощенная доза более точно определяет воздействие ионизирующих облучений на биологические ткани человека, имеющие разный состав и плотность. Единица измерения поглощенной дозы (внесистемная) – 1 рад (rad – radiation absorbed dose – поглощенная доза облучения) – такая поглощенная доза, при которой количество энергии, которая выделяется в одном грамме любого вещества, равно 100 эрг, независимо от вида и энергии ионизирующего излучения. 1 рад = 100 эрг/г = 10 2 Дж/кг для любого материала.

Единица СИ поглощенной дозы используется на практике значительно реже. 1 Гр-грей единица поглощенной дозы, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию в 1 джоуль, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг = = 100 рад.

Поглощенная доза – это чисто физическая величина и она не характеризует биологическое действие излучения на организм. Оказывается, тяжесть нарушений в организме сильно зависит от типа излучения, т. е. знания поглощенной дозы недостаточно для оценки радиационной опасности. Измерить поглощенную биологическим материалом дозу трудно. Поэтому возникла необходимость ввести такую легко измеримую величину, которая учитывала бы не только выделение энергии, но биологические последствия излучения. Биологические эффекты, вызванные любыми ионизирующими агентами, принято сравнивать с воздействием на живой организм рентгеновского или γ-излучения. Удобство в том, что для рентгеновского излучения заданные мощности и дозы легко воспроизводятся и надежно измеряются.

Для сравнения воздействия излучений с биологическими эффектами от рентгеновского и -излучения вводится эквивалентная доза, которая равна произведению поглощенной дозы на коэффициент качества Q, зави-

Эквивалентная доза измеряется в бэрах – биологический эквивалент рентгена, т. е. это доза, эквивалентная по воздействию на организм 1 рентгена. В свою очередь, 1 рентген это доза рентгеновского или -излу- чения, которая в 1 см3 сухого воздуха при н. у. создает 2,1·109 пар ионов, несущих одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака, т. е. эквивалентна экспозиционной дозе и характеризует потенциальную опасность воздействия ионизирующего облучения при общем и равномерном облучении человека.

116

1 бэр = 1000 милибэр (мбэр) = 1 000 000 микробэр (мкбэр) = 1 рентген. В системе СИ сравниваемые поглощенные дозы выражаются в зивертах (1 Зв = 1 Гр·Q) зиверт единица эквивалентной дозы, учитывающая

относительную биологическую эффективность данного вида излучения.

Основные формы воздействия излучения на биологические объекты. При прохождении частиц или квантов через вещество атомы и молекулы, из которых оно состоит, возбуждаются. Возможна даже ионизация, т. е. электроны переходят на более высокую орбиталь или вообще покидают атом.

При прохождении через биологический материал ядерная частица может вызвать нарушение функций биологически активных соединений или разрушить клетки.

Любое изменение в облучаемом объекте, вызванное ионизирующим облучением, называется радиационно-индуцированным эффектом. Эти эффекты могут быть как вредными, так и полезными. Крайний пример вредных последствий излучения – это лучевая болезнь в результате чрезмерных доз радиации. Вместе с тем ионизирующие излучения используются при лечении ряда заболеваний и диагностики в медицине.

Радионуклиды обладают разной биологической эффективностью в зависимости от вида, энергии излучения, периода полураспада, величины всасывания, накопления и скорости выведения из организма.

Наиболее опасны при попадании вовнутрь -излучатели в связи с их высокой плотностью ионизации в тканях. - и -излучатели менее опасны. Эффективность -частиц определяется их распределением в тканях. Если они находятся в малочувствительных тканях костях, то и эффект может быть даже меньше, чем у -излучателей. Пример: остеотропный радий-226 менее эффективен, чем -излучатели стронций-90, иттрий-90, барий-140.

Биологический эффект от -частиц определяется энергией электронов. При остром лучевом воздействии мягкие -излучатели – водород-3, ниобий-95, прометий-147 – значительно более эффективны жестких руте- ния-106, церия-144. Меньший эффект жестких излучателей объясняется распределением их в органах, а также большей биологической эффективностью замедленных концов пробега -частиц.

Радионуклиды с коротким временем полураспада, не имеют выраженных различий между острым, подострым и хроническим течением заболевания.

Специфика последствий воздействия излучения на биологические объекты различного иерархического уровня. Человеческие органы чувств не приспособлены к восприятию проникающей радиации. Поэтому без специальных приборов невозможно судить о наличии радиации.

Биологическое действие ионизирующих излучений в организме условно делят на три уровня – физико-химический, клеточный и организменный.

117

Физико-химический уровень включает в себя все первичные процессы, протекающие в клетке. Ионизирующее излучение (рентгеновское,- и -излучение, тяжелые ядерные частицы) обладает высокой биологической активностью. Первичное действие излучений на организм бывает непосредственным и косвенным. При непосредственном действии наблюдается расщепление атомов и молекул вещества, вызванное ионизацией. Вклад прямого действия составляет менее 50 %. При прямом действии происходит основной акт взаимодействия ядерных излучений с тканями – ионизация. Она способна разрывать любые химические связи, что вызывает зарождение центров радиационных-химических реакций, протекающих с большими ионными выходами и вовлекающих в химические превращения сотни и тысячи молекул, чем значительно усиливает общий объем разрушений в клетках организма.

Косвенным действием радиационного излучения является расщепление воды с образованием свободного водорода и пероксидов. Происходит изменение различных биохимических процессов в организме. Продукты расщепления вступают во взаимодействие с белковыми и липидными молекулами. В результате происходят структурные изменения в тканях, разрыв углеродных связей, нарушение ферментных систем, синтеза ДНК, белка. Подавление активности ферментов приводит к замедлению и прекращению роста тканей. Нарушение обмена веществ ведет также к нарушению химических процессов в клетках и их гибели. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма.

Клеточный уровень воздействия включает в себя все нарушения и процессы, обусловленные изменениями функциональных свойств облученных клеточных структур. Изменения на клеточном уровне приводят к изменениям наследственных структур. Это проявляется в подавлении органогенеза при облучении зародышей, угнетении иммунореактивности.

Организменный, или системный, уровень включает в себя все процессы и изменения, связанные с нарушением функций организма. Наблюдаются изменения в кроветворной, периферической и центральной нервной системах. Возникает разнобой между нервной системой и эндокринной, а также другими системами организма.

Острое, подострое и хроническое воздействие излучений на организм. Лучевая болезнь – это завершающий этап в цепи процессов, развивающихся в результате воздействия больших доз ионизирующего излучения на ткани, клетки и жидкие среды организма. Изменения на молекулярном уровне и образование химически активных соединений в тканях и жидких средах ведет к появлению в крови продуктов патологического обмена, токсинов. Но главное – это гибель клеток. Лучевая болезнь проявляется в изменении функций нервной, эндокринной системы, нарушениях регуляции деятельности других систем организма. И все это в сочетании с клеточно-тканевыми поражениями. Повреждающее действие ионизирующих излучений особенно сказывается на стволовых клетках кроветворной ткани костного мозга, на тканях кишечника. Угнетается иммунитет, это

118

приводит к развитию инфекционных осложнений, интоксикации и кровоизлияниям в ткани и органы.

В зависимости от характера воздействия (однократное массивное или длительное повторное) и дозы различают острую и хроническую формы лучевой болезни различной тяжести. По тяжести лучевую болезнь разделяют на четыре степени.

Воздействие излучений на организм бывает острым, подострым и хроническим. Острое воздействие возникает от введения в организм большой дозы радионуклидов. При этом наблюдаются выраженные изменения в крови, кровоизлияния в различные органы, угнетение иммунологической реактивности, снижение массы тела. Гибель животных наступает в течение двух недель. Подострое поражение характеризуется изменениями кроветворения. Нарушается проницаемость сосудов, удлиняется время свертывания крови, уменьшается количество тромбоцитов, возникают инфекционные осложнения, падает масса тела. Животные гибнут через 1…3 мес. после введения радионуклида. При острой лучевой болезни легкой степени у некоторых больных отсутствуют признаки первичной реакции, но у большинства отмечается через несколько часов тошнота, возможна однократная рвота, носящая мучительный, неукротимый характер.

Лучевую болезнь I и II степени лечат успешно, но лечение происходит индивидуально и зависит от особенностей организма. Как правило, при лечении легких степеней используют переливание составляющих крови, назначают современные антибиотики. При облучении происходит резкое падение иммунитета, поэтому таких больных держат в стерильных боксах. Пересадки донорского костного мозга делают для того, чтобы восстановить способность организма творить кровь.

Хроническое течение процесса связано с воздействием малых доз. При этом в ранние сроки клинические явления могут отсутствовать. В крови отмечаются качественные изменения. У животных снижается иммунологическая реактивность, появляются сосудистые расстройства, угнетение половой функции, раннее старение, сокращение продолжительности жизни, развиваются опухоли различных органов и тканей.

Биологическое действие малых доз радиоактивных веществ, не укорачивающих естественной продолжительности жизни, компенсируется защитными физиологическими функциями организма. Однако при изменениях условий внешней среды и функционального состояния организма компенсаторные механизмы могут истощаться и в отдаленные сроки могут проявиться последствия излучения.

6.2. Токсикокинетика и токсикометрия радиотоксинов

Всасывание радиотоксинов. Распределение радионуклидов. Радиотоксины могут всасываться хорошо или плохо. Биологическое действие хорошо всасывающихся радиотоксинов практически не зависит от путей

119

поступления их в организм. В некоторых случаях биологическое действие плохо всасывающихся радионуклидов зависит от путей поступления их в организм.

Специфика заболевания будет зависеть от распределения в организме радионуклидов. Так при воздействии остеотропных радионуклидов стронция-90, бария-140, радия-226, плутония-239 выраженные изменения наблюдались в костной ткани, кроветворной системе вследствие избирательного отложения их в костном мозге и, как следствие, его облучения. В отдаленные сроки могут возникнуть лейкозы, опухоли костной ткани.

Равномерно распределяются радионуклиды окиси трития (НТО), ниобия-95, рутения-106, цезия-137, вызывающие диффузную картину поражения с угнетением лимфопоэза, преимущественным возникновением опухолей молочных желез, гипофиза, яичников, почек, ЖКТ.

Токсикометрия радиоактивных веществ. Для оценки токсичности различных радионуклидов определяют летальные дозы. При изучении сравнительной токсичности различных радионуклидов пользуются абсолютно летальной, минимально летальной дозой и дозой, вызывающей гибель 50 % животных к определенному сроку, например ЛД50/30.

Токсичность радионуклидов оценивают по поглощению в организме тканевой дозы. При этом надо иметь в виду различную радиочуствительность разных органов и тканей на облучение и разную скорость восстановительных процессов.

Биологический эффект радионуклидов определяется поглощенной дозой в органах и тканях, которая накапливается за время пребывания их в организме. Поглощенная доза (Грей, Гр.) это средняя энергия dE, переданная излучением веществу в некотором элементарном объеме, разделенная на массу dm в этом объеме:

D = dE / dm.

В реальных условиях в окружающей человека среде действует сложный комплекс разнообразных факторов физической и химической природы, которые могут сочетаться с ионизирующим излучением и вызывать последствия, вредные для здоровья. В токсикологии рассматривается два класса совместного действия: 1) один радиационный фактор и второй радиационный или нерадиационный фактор; 2) второй фактор сам по себе неактивен. Для первого класса приняты термины: аддитивность, синергизм (усиление эффекта) и ингибирование. Для второго класса аддитивности нет.

Сочетанное действие биологическое действие факторов разной природы.

Комбинированное действие действие факторов близкой природы. Пример комбинированного действия стронций-89 и прометий-147, остетропные радионуклиды. Облучение по критерию ведущего эффекта – продолжительности жизни – не сопровождается суммированием эффекта до дозы 2…3 Гр. При более высоких дозах эффект становится более чем аддитивным.

120