Экологическая токсикология. Учебное пособие

1.1. Объект, предмет, цель и задачи экологической токсикологии

кологии – это биологические системы надорганизменного уровня (популяции, биоценозы), подверженные влиянию химического загрязнения

[1, 6, 9].

Токсическое действие экополлютантов на животных и растения, осуществляющееся через различные физиологические, биохимические и функциональные нарушения и проявляющееся на молекулярногенетическом, клеточно-тканевом и онтогенетическом уровнях, в рамках экологической токсикологии рассматривается как первичные токсические эффекты, приводящие к дезорганизации различных популяционных механизмов. При этом ответная реакция экологических систем на химическое загрязнение обычно бывает неспецифичной в форме изменения продуктивности, соотношения биологических видов и т.д. Таким образом, к сегодняшнему дню экологическая токсикология оформилась как междисциплинарное научное направление, основной целью которого является исследование воздействия токсичных экополлютантов на живые организмы, главным образом на их популяции, и биоценозы, входящие в состав экологических систем, с последующим обоснованием мероприятий по профилактике вредных воздействий химических загрязнителей на окружающую среду и оптимизации условий жизнедеятельности людей. С указанной целью экологическая токсикология изучает, во-первых, источники поступления загрязнителей в окружающую среду, во-вторых, их дальнейшее распространением и, в-третьих, воздействие на живые организмы, в том числе на организм человека. К актуальным задачам экологической токсикологии относятся:

идентификация источников химического загрязнения окружающей

среды;

разработка методов индикации и количественного определения экотоксикантов в объектах окружающей среды;

изучение маршрутов распространения поллютантов в почве, воде, атмосфере, растениях, животных, а также по трофическим цепям в целом, в том числе замыкаемых на человеке;

исследование механизмов токсичности и разработка критериев для дифференцированной оценки опасности ксенобиотиков и других экополлютантов, в том числе для здоровья человека;

оценка изменений в окружающей среде, вызванных загрязнителями (оценка опасности загрязнения для экосистемы в целом и для отдельных ее элементов);

11

1.Основы экологической токсикологии

разработка принципов и методов регламентирования содержания экотоксикантов в объектах окружающей среды;

моделирование с выходом на прогноз опасности загрязнения окружающей среды для человека, фауны, флоры и экологических систем в целом;

использование полученных данных для уменьшения неблагоприятного воздействия загрязнения, для разработки необходимых мероприятий, направленных на улучшение состояния биосферы и здоровья населения.

Основные методы экологической токсикологии: биоиндикация в це-

лях оценки качества окружающей среды, биотестирование – экспериментальное изучение токсических эффектов и мониторинг состояния здоровья человека. Важное значение сохраняют методы по изучению механизмов токсического действия, оценка соотношения «доза – эффект», определение токсикантов в объектах окружающей среды, живых организмах и т.д. [1, 7, 12].

1.2. Ксенобиотический профиль среды

Абиотические и биотические элементы окружающей среды представляют собой сложный конгломерат, представляющий собой бесчисленное количество различных молекул. Экологическую токсикологию интересуют только те из них, которые обладают свойством биодоступности, т.е. могут немеханическим образом взаимодействовать с биологическими объектами. К биодоступным, как правило, относятся химические вещества, представленные в жидком или газообразном агрегатном состоянии, накапливающиеся на поверхности частиц почвы и других объектов окружающей среды, поступающие в организм человека с пищевыми продуктами, либо твердые вещества в мелкодисперсном состоянии с размером частиц пыли менее 50 микрон. Химические вещества, находящиеся в твердых и нерастворимых в воде объектах (например, в скальных породах), биодоступностью не обладают, но могут служить источниками формирования ксенобиотического профиля. Судьба биодоступных химических соединений, утилизированных живыми организмами, может быть различной. Часть из них играют роль эссенциальных элементов окружающей среды, необходимых для жизнедеятельности живых организмов, включаются в их обменные процессы в качестве пластических и энергетических ресурсов. Другие биодоступные хими-

12

1.2. Ксенобиотический профиль среды

ческие соединения, попадая в организмы представителей флоры и фауны, как пластический или энергетический материал не могут быть использованы, однако в определенных концентрациях и дозах способны нарушать физиологические процессы, проявляя токсическое воздействие различного характера – общетоксическое, раздражающее, сенсибилизирующее, канцерогенное, мутагенное, нарушение репродуктивной функции и др. Эта вторая группа биодоступных химических соединений носит название ксенобиотиков, чуждых жизни веществ. Ксенобиотики могут попадать в орг а- низм различными путями – во-первых, через органы дыхания (ингаляционный путь), во-вторых, через органы пищеварения (перорально), в третьих, через кожу (перкутанно), а также через плаценту от матери к плоду (вертикальный путь). В зависимости от химического строения ксенобиотики подразделяются на неорганические, органические и элементоорганические вещества и соединения; в зависимости от типичных поражаемых органовмишеней и систем органов – на гепатотоксические (печень), нефротоксические (почки), нейротоксические (нервная система), кардиотоксические (сердечно-сосудистая система), гемотоксические (система крови) и т.д.

Современная экологическая токсикология как один из ключевых факторов окружающей среды рассматривает ксенобиотический профиль биогеоценоза, который представляет собой совокупность ксенобиотиков,

находящихся во всех компонентах окружающей среды (вода, почва, атмосферный воздух и живые организмы) в таком агрегатном состоянии, которое позволяет им вступать в химические и физико-химические взаимодействия с биологическими объектами экологической системы. В целях детальной характеристики ксенобиотического профиля используются его качественные и количественные параметры. Как значимый компонент любого ксенобиотического профиля рассматриваются ксенобиотики, находящиеся в живых организмах, так как они неизбежно будут мигрировать через трофические цепи [2, 6, 11].

В ходе процессов филогенеза, на протяжении миллионов лет сфор-

мировались естественные ксенобиотические профили, к которым адап-

тированы сформировавшиеся на этих территориях биоценозы. Не всегда естественный ксенобиотический профиль среды безопасен для ее обитателей. Различные аномальные процессы, включая природные пертурбации и антропогенные вмешательства в окружающую среду, способны коренным

13

1. Основы экологической токсикологии

образом модифицировать существующий естественный ксенобиотический профиль, прежде всего урбанизированных территорий.

К основным природным источникам ксенобиотиков относятся переносимые ветром частицы пыли в атмосферном воздухе, аэрозоль морской соли, выбросы при вулканической деятельности, лесные пожары, биогенные частицы и биогенные летучие вещества. Самый опасный источник ксенобиотиков – антропогенный. Локальное загрязнение отмечается в пределах границ источников загрязнения (как правило, границы его распространения не выходят за пределы подфакельной области). Импактная зона

– зона, где концентрация вредных веществ превышает предельно допустимые концентрации. Местное загрязнение не выходит за пределы населенного пункта, города, района. Региональное загрязнение почвы и растительного покрова возникает в результате совокупного влияния переноса в атмосфере загрязняющих веществ из разных источников загрязнения и охватывающие крупные территории интенсивного хозяйственного пользования. Значимую роль в формировании и модификации ксенобиотического профиля среды играют физические воздействия электромагнитных, акустических, радиационных, тепловых, вибрационных и других факторов.

Те химические вещества и соединения, которые за счет значительного накопления в компонентах окружающей среды обуславливают изменения естественного ксенбиотического профиля принято называть экополлютантами (загрязнителями окружающей среды). К числу приоритетных экополлютантов относятся, во-первых, загрязнители воздушной среды – как газы (например, NO2, SO2, CO, углеводороды, фреоны), так и пыль (асбестовая, угольная, кремниевая и другая) и, во-вторых, загрязнители водной среды и почв (тяжелые металлы, хлорорганические и ртутьорганические пестициды, нитраты, фосфаты, нефть и нефтепродукты, органические растворители, низкомолекулярные галогенированные углеводороды, полициклические ароматические углеводороды – ПАУ, полихлорированные бифенилы, диоксины и другие).

Не каждый экополлютант, присутствующий в окружающей среде, а только тот, концентрация которого достаточна для запуска токсических процессов на любом уровне организации живых организмов данного биоценоза обозначается как экотоксикант. В рамках процедур анализа экологического риска (оценки и управления) используется также понятие «стрессор» которым обозначается любое воздействие (химическое или фи-

14

1.2. Ксенобиотический профиль среды

зическое), способное привести к изменениям в биологической системе – как благоприятным, так и неблагоприятным. Таким образом, любой экотоксикант является стрессором, а одна из приоритетных практических задач экологического нормирования заключается в определении пороговых количественных параметров содержания экополлютанта в компонентах окружающей среды, при превышении которых он становится экотоксикантом. Решение указанной задачи затрудняется тем, что в условиях любой реальной экологической системы биоценоз находится под системным воздействием всего ксенобиотического профиля, обуславливающим модификацию биологической активности отдельных экополлютантов. Следствием этого являются различия в количественных параметрах трансформации поллютантов в экотоксиканты для отдельных ксенобиотических профилей среды и биоценозов. Те экотоксиканты, которые обладают такими свойствами как, во-первых, высокая стойкость в окружающей среде – в почве, воде, растениях, воздухе (персистентность), во-вторых, медленно подвергаются процессам метаболизма в биологических объектах и способны к накоплению в них (кумуляции), в-третьих, подвижность (активно мигрируют в окружающей среде и по трофическим цепям), принято называть суперэкотоксикантами. К суперэкотоксикантам относятся, например, хлорорганические пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), диоксины и тяжелые металлы. В динамикеивоздействиеэкотокс кантов может быть однократным и многократным, постоянным и прерывистым – интермиттирующим с чередованием периодов действия вещества в одних концентрациях с периодами действия его в других концентрациях или с периодами полного отсутствия его воздействия. В реальных условиях экотоксиканты воздействуют на организмы и популяции не изолированно, а в комбинации друг с другом, различают комбинированное, комплексное и сочетанное действие. Совокупность действий нескольких факторов среды обозначается как экологическая констелляция (созвездие). Под

комплексным действием понимается одновременное или последовательное поступление в организм ксенобиотика различными путями (ингаляционным, перкутанным, пероральным). Комбинированное действие – одн о- временное или последовательное действие нескольких веществ при их совместном поступлении в организм одним и тем же путем. Эффект комбинированного действия может проявляться, во-первых, в виде суммации (аддитивного действия), когда эффект действия веществ равен сумме эффектов,

15

1. Основы экологической токсикологии

вызванных каждым веществом в отдельности; во-вторых, в форме антагонизма (менее чем аддитивное действие) – эффект действия веществ меньше, чем простая сумма эффектов, вызванных каждым веществом в отдельности; в-третьих, как потенцирование (синергизм, более чем аддитивное действие), если эффект действия веществ больший, чем простая сумма эффектов, вызванных каждым веществом в отдельности. Количественной характеристикой комбинированного действия является суммарный эффект, который при суммации равен 1, при антагонизме <1 и при потенцировании >1. Результирующий эффект комбинированного, комплексного и сочетанного действия оценивается по интегральной токсичности и является ключевой характеристикой ксенобиотического профиля среды в экологической токсикологии (например, выбросы автомобильного транспорта, обладают большей токсичностью, чем исходные продукты). Суммирование токсических эффектов при комбинированном действии ядов регистрируется, когда вещества, составляющие комбинацию, обладают идентичным действием (например, хлороформ, этиловый эфир, этанол и гексенала; стирол и бензол; бензол и ацетон). Потенцирование, в частности, отмечается при совместном действии сероводорода с фенолом, окисью углерода и углеводородами; хлорофоса и карбофоса, карбофоса и тиофоса, окиси углерода и тетраэтилсвинца, окиси углерода и адреналина, окиси углерода и бензола, диоксинов и других ксенобиотиков. Одним из механизмов потенцирования токсических эффектов ксенобиотиков может быть торможение одним экотоксикантом процессов биотрансформации другого (например, подавление одним из компонентов воздействующей смеси экотоксикантов ферментной системы, ответственной за детоксикацию другого компонента или образование соединения, обладающего значительно большей токсичностью, чем исходные экополлютанты). Ослабление токсических эффектов при комбинированном действии ксенобиотиков может быть следствием химического, физического или физиологического взаимодействия. Антагонизм при комбинированном действии ядов наблюдается при их химическом взаимодействии (как во внешней среде, так и в организме) с образованием малотоксичных продуктов. Так, совместное действие сернистого ангидрида и хлора на крыс и кроликов сопровождается резким ослаблением токсичности смеси за счет химического взаимодействия в атмосфере этих веществ. Токсичность аммиака ослабляется при его взаимодействии с углекислым газом. Эффект малых доз экотоксикантов и химических факторов малой интен-

16

1.2. Ксенобиотический профиль среды

сивности, наиболее выражен при комбинированном и комплексном действии в сочетании с другими вредными факторами, например, физической природы. Сочетанное действие – одновременное или последовательное действие факторов различной природы (химических, физических, биологических). Наиболее типичный в экологической токсикологии пример сочетанного действия факторов – усиление токсических эффектов ксенобиотиков при аномальной высокой температуре окружающей среды, воздействии электромагнитного поля или ионизирующего излучения. Так, повышение температуры ускоряет метаболизм ядов и повышает чувствительность организма к их действию (согласно правилу Вант–Гоффа при повышении температуры на 10°С биохимические реакции ускоряются в 2-3 раза). Повышение температуры среды, наблюдающееся при поступлении подогретых вод с тепловых и атомных электростанций, способствует увеличению токсичности ксенобиотиков для гидробионтов (последствия химического загрязнения для рыб более выражены в теплых водах, чем в холодных). В мелководных водоемах с хорошо прогреваемой водой процессы метилирования ртути происходят более активно, нанося больший урон рыбным и водным ресурсам. Повышение температуры до 35°С стимулируют развитие патогенной микрофлоры, а также массовое «цветение» воды, вызванное развитием нитчатых водорослей и цианобактерий, выделяющих в воду метаболиты, токсичные для рыб, теплокровных животных и человека. Подогрев воды повышает активность организмов и ускоряет темп оборота всех звеньев трофических цепей. Обычно изменения имеют ступенчатый характер, зависящие от продолжительности и степени подогрева водоемов, а также от синергического воздействия иных антропогенных факторов (загрязнений токсическими веществами и эвтрофизации – насыщения водоёмов биогенными элементами, прежде всего фосфором и азотом, что сопровождающееся ростом биологической продуктивности водных бассейнов). При этом нарушается стабильность биоценозов – ухудшается качество воды и она становится непригодной для хозяйственных и рыбоводных целей. При повышении температуры усиливается токсическоедействие атм сферных загрязнителей, в почве активизируются процессы транслокации токсических веществ в растения.

17

1. Основы экологической токсикологии

1.3. Экотоксикокинетика

Судьбой биодоступных ксенобиотиков и других экотоксикантов, находящихся в окружающей среде в определенных количествах и составляющих ее ксенобиотический профиль занимается специальный раздел экологической токсикологии – экотоксикокинетика. К сфере интересов экотоксикокинетики относятся, во-первых, источники экотоксикантов, загрязняющих среду обитания, во-вторых, дальнейшая миграция загрязнителей в компонентах окружающей среды абиотической и биотической природы, в-третьих, их трансформации в различных объектах окружающей среды и, в-четвертых, удаление (элиминация) экополлютантов из окружающей среды, на достижение которой направлены многочисленные природные процессы. Основная задача экотоксикокинетики – изучение закономерностей миграции по трофическим цепям, всасывания, распределения, метаболизма и выведения токсинов из организмов.

Если экотоксикант, попавший в окружающую среду (почву, атмосферу, гидросферу, растения и др.), является нестойким и, соответственно, продолжительность реальной экспозиции мала, то вред, наносимый данным веществом экологической системе, будет незначительным. Высокую потенциальную опасность представляют собой резистентные (устойчивые) к процессам разрушения экотоксиканты, обладающие способностью к длительной персистентности (от лат. persistere – упорствовать) – сохранению биологической активности в компонентах окружающей среды. Стойкость ксенобиотика характеризуется периодом его полураспада Т50 – временем, за которое количество токсичного вещества в исследуемом объекте снизится на 50 % (к персистентным относят химические соединения с периодом полураспада более 50 дней). Так, например, период полураспада ДДТ и ТХДД в почве составляет соответственно 10 и 9 лет, атразина в воде при pH 7,0 – 138 дней.

Итогом перманентного поступления в окружающую среду экополлютанта с высокой степенью персистентности является его неизбежное накопление в количестве, обеспечивающем его превращение в экотоксикант для наименее резистентных (устойчивых) звеньев экологической системы. Даже после завершения выбросов подобного вещества в окружающую среду, оно сохраняется там длительное время (например, несмотря на прекращения использования пестицида «Мирекс» еще в 70- г.г. XX в., он

18

1.3. Экотоксикокинетика

обнаруживался в воде озера Онтарио в высоких концентрациях даже в конце 90-х г.г.; высокие концентрации ДДТ отмечались в организмах коренных народов Арктики, питающихся морскими животными). Даже достаточно быстро разрушающиеся вещества могут наносить вред человеку при систематическом поступлении в организм (так, компонент ракетного топлива «гептил», накапливаясь в грибах, ягодах, организмах и распространяясь по трофическим цепям, достигает человека; далее он приводит к поражению иммунной, сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, желудочно-кишечного тракта, к нарушению репродуктивной деятельности

– тяжелым врожденным уродствам, нарушениям внутриутробного развития и др.).

Наиболее выраженной способностью к персистированию в окружающей среде обладают, в частности, такие экополлютанты, как, во-первых, тяжелые металлы (в том числе ксенобиотики – кобальт, свинец, ртуть, мышьяк, а также хром, цинк, никель, кобальт, медь, сурьма и др.), во-

вторых, полигалогенированные полициклические, иуглеводороды, -третьих,

многие хлорорганические пестициды (гексахлоран, алдрин, ДДТ, линдан и др.).

Большинство химических веществ, попав в окружающую среду, изменяются под воздействием большого числа различных природных процессов. Качественные и скоростные параметры подобной трансформации характеризуют такое свойство экополлютантов, как стойкость.

1.3.1. Абиотическая трансформация. Одним из вариантов превра-

щений экополлютантов в окружающей среде является абиотическая трансформация. К числу основных природных процессов, способных влиять на стойкость экополютанта, относятся фотолиз (распад молекул под воздействием поглощенного света, в первую очередь ультрафиолетового, скорость которого находится в зависимости от интенсивности светового потока и способности его поглощать веществом), гидролиз (взаимодействие с водой, химическая реакция с разложением экополлютанта и воды, скорость которой находится в зависимости от pH) и окисление.

Образующиеся в результате абиотической трансформации новые соединения могут обладать более высокой токсичностью, чем исходные экополлютанты. Например, ряд пестицидов (соли феноксиуксусной кислоты и др.) вступают в соединение с нитритами в почвах при pH менее 7,0 с образованием нитрозосоединений, обладающих канцерогенными свойствами.

19

1.Основы экологической токсикологии

1.3.2.Биотическая трансформация. Значительно быстрее, чем при абиотической трансформации, деградация ксенобиотиков и других экополлютантов происходит в условиях биотической трансформации с участием биоты, в первую очередь различных микроорганизмов (бактерии, грибы и др.), способных использовать данные вещества в качестве пластического и энергетического материала. Процессы биотической трансформации обеспечиваются различными ферментными системами (энзимами ), реализую-

щими процессы окисления, гидролиза, дегалогенирования, деалкилирования

идругие. Биотическая трансформация экополлютанта может приводить к

его полной деструкции – минерализации с образованием CO2, H2O и других простых соединений. Другой вариант биотической трансформации завершается с образованием промежуточных продуктов, которые могут обладать существенно более высокой токсичностью, чем исходные соединения (например, неорганические соединения ртути могут превращаться в высокотоксичное ртутьорганическое соединение – метилртуть).

1.3.3.Процессы элиминации, не связанные с разрушением. Ряд

процессов, протекающих в окружающей среде, способны обеспечивать элиминацию ксенобиотиков и других экотоксикантов без их трансформации, а только за счет изменения распределения данных веществ в объектах окружающей среды (процессы элиминации, не связанные с разрушением).

Так, экополлютант с высоким уровнем давления пара способен к активному испарению из водной и почвенной среды с последующей миграцией в атмосфере на значительные расстояния посредством воздушных потоков (например, повсеместное распространение ряда хлорорганических инсектицидов – линдана, гексахлорбензола и др.). Другим значимым вариантом перераспределения экополлютантов в окружающей среде является перенос частиц токсикантов (или адсорбированных на частицах почвы) с участием ветра и атмосферных течений, например, полициклические арома-

тические углеводороды (ПАУ) – бензпирены, дибензпирены, бензантрацены, дибензантрацены и другие. ПАУ, включая 3,4-бенз(а)пирен, как антропогенного (выбросы предприятий теплоэнергетики, металлургии, нефтепераработки, автомобильного транспорта и др.), так и естественного (например, вулканического) происхождения, способны к вовлечению и активному участию в круговороте веществ биосферы с переходами из одной среды в другую, в основном будучи связанными с твердыми частицами атмосферной пыли. Расстояние, на которое переносятся пылевые частицы зависит,

20