Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологическая токсикология. Практикум
.pdf
31
пестицидов. Накоплен большой опыт по диагностике и лечению отравлений человека
металлами и рядом органических соединений, включая боевые отравляющие
вещества. В эти годы активно разрабатываются такие важные для экологической
токсикологии направления, как химический и радиационный мутагенез,
эндемические заболевания человека и сельскохозяйственных животных,
радиобиология.
Важнейшей целью токсикологических исследований является установление
безопасных уровней воздействия токсических факторов на человека. В 1986 г.
Хиртом были введены первые предельно допустимые концентрации (ПДК) для
хлористого водорода в воздухе для промышленных условий. В 1922 г. Наркомат
труда СССР утвердил первые ПДК для трех химических веществ. В 1941 г. было
утверждено уже 80 ПДК, в настоящее время таких утвержденных регламентов,
например, в России насчитывается уже более 1000.
Сегодня под предельно допустимой концентрацией вещества понимается такая
его концентрация в атмосфере, воде, почве, продуктах питания, воздействие которой
не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья,
обнаруживаемых современными методами исследования в процессе работы или в
отдаленные сроки настоящего и последующих поколений.
Вводимые регламенты не являются чем-то раз и навсегда установленными. По
мере расширения наших познаний о патологических процессах, по мере улучшения
методов диагностики и по мере увеличения контингента лиц, подвергаемых действию
токсических веществ, ПДК периодически пересматриваются (таблица 1.4).
Например, допустимая концентрация анилина в воздухе за последние 40 лет была
снижена в 1000 раз [15].
32
Таблица 1.4 - Значения ПДК некоторых веществ
ПДК для воздуха производственных помещений,
мг/м
3
Предельно допустимая мощность дозы
ионизирующей радиации
год введения
бензол
анилин
год введения
бэр/неделя
1930
200,0
100,0
1924
1,5
1954
50,0 5,0 1934
1,0
1964
20,0 3,0 1950
0,3
1972
5,0 0,1 1956
0,1
Ориентация медиков-гигиенистов на защиту человека через использование
системы ПДК предполагает возможность поступления токсических веществ по
пищевым цепочкам. Например, регламентация содержания химических веществ в
почвах основана на возможности их поступления в продукты питания. Но при этом
не предусматривается защита составляющих почвы (почвенной фауны,
микроорганизмов, водорослей и т.д.), определяющих плодородие этого, по В. И.
Вернадскому, биокосного компонента, не ставится вопрос о влиянии загрязненных
почв на растения и животных, обитающих на этих участках.
В условиях широкого применения синтетических химических соединений
(известно около 100 млн. таких соединений, из которых около 120 тыс. находится в
постоянном использовании, а примерно 11 тыс. производится в количествах свыше
500 кг/год) одной из главных задач является поиск методов, позволяющих
предсказывать возможные последствия и оценивать потенциальный риск применения
химикатов. Получение такой оценки - важная предпосылка управления риском.
Согласно одному из определений риск - это вероятность реализации опасности,
или ожидаемая величина ущерба, связанного с каким-либо действием.
Это вероятностная характеристика той угрозы, которая возникает для
окружающей среды или человека при возможных антропогенных воздействиях или
других явлений и событий. Риск выражается либо величинами от нуля
(обозначающего уверенность в том, что вред не будет нанесен никому) до единицы
(выражающей уверенность в том, что вред будет нанесен всем), либо обозначается
как ожидаемая частота неблагоприятных эффектов, возникающих в популяции от
определенного вредного воздействия. Первый способ выражения риска иногда
33
трактуется как индивидуальный, второй — как популяционный риск.
Качественно экологический риск, связанный с использованием химикатов,
характеризуется через природу неблагоприятных последствий, а количественно –
через вероятность их возникновения. Следовательно, он может быть также
представлен и оценен как произведения: «риск = экспозиция × токсичность» или
«риск = экспозиция × эффект». Под экспозицией понимают количество химиката,
приходящегося на одну мишень (организм, орган, ткань и т. п.), а под токсичностью
- потенциальную опасность химиката, его способность причинить вред. Под
эффектом в данном случае понимают вызванный отрицательными последствиями
использования химикатов экологический ущерб. Он, как и ущерб экономический,
может иметь денежное выражение.
Следует отметить, что в современных условиях полностью исключить
экологический риск, обусловленный использованием химикатов, невозможно.
Отсюда вытекает необходимость определения уровней "нормального"
(приемлемого), повышенного и неприемлемого риска. Количественная оценка
экологического риска для конкретных экосистем в целом далеко не всегда возможна,
поскольку часто бывает неясна связь между неблагоприятными факторами и
вызываемыми ими экологическими последствиями. Однако лучше располагать
качественными заключениями, хотя и отягощенными неопределенностями, чем
игнорировать их из-за трудностей понимания и оценки.
Оценка риска и управление риском - два различных вида деятельности. Первый
включает оценку вероятности неблагоприятных эффектов, а второй состоит в выборе
образа действия по отношению к идентифицированному риску. Следовательно,
оценка экологического риска является только частью процесса принятия решений,
касающихся охраны окружающей среды и экологической безопасности. Менеджер
риска при принятии решений во многом руководствуется также и правовыми,
социальными, политическими и экономическими соображениями.
Принятие решения о допустимости использования того или иного химиката,
необходимости ограничения или полного запрещения его производства (т.е.
определение приемлемого уровня риска), разработка контрольных мероприятий и
34
подготовка соответствующей нормативной документации – все это входит в сферу
управления риском.
Информация, касающаяся экологического риска, должна быть организована
так, чтобы она могла быть применена для принятия решений относительно
окружающей человека и природной среды. Полученные данные могут
использоваться для поддержки различных типов управленческой деятельности,
например для определения мест захоронения опасных промышленных химикатов,
для установления нормативов использования пестицидов, при охране экосистем, на
которые воздействуют множественные химические и нехимические факторы [16].
Вопросы для самопроверки.
1. Дайте определение понятия «экологическая токсикология».
2. Когда и кем экологическая токсикология была выделена в самостоятельную
науку?
3. Когда и кем был введен термин «экологическая токсикология»?
4. Дайте определение понятия «экологический риск».
5. Дайте определение понятий «оценка риска» и «управление риском».
1.6 Биологические методы контроля действия экотоксикантов. Правила
отбора биоиндикаторов
Химическая экотоксикология для обнаружения и количественного определения
токсических веществ в объектах природной и окружающей человека среды
использует самые современные химико-аналитические методы. Однако
биологические методы исследования - биоиндикация и биотестирование сохраняют
свое важное место, в первую очередь, из-за высокой специфичности и
интегративности. Кроме того, именно эти методы могут дать информацию о
структурных изменениях в экосистемах.
Химические методы исследования позволяют получать более узкую
информацию, не всегда адекватно отражающую реальное положение дел.. Например,
35
в почвах отдельных регионов отмечается повышенное содержание тяжелых
металлов. Но вредное действие этих токсикантов сильно зависит от рН среды: в
кислых средах соли тяжелых металлов лучше растворимы; кроме того, если
повышенное содержание тяжелых металлов имеет естественное происхождение,
сложившиеся в этих регионах сообщества низших и высших растений и животных
приспособились к этим условиям.
В качестве биоиндикатора выбирают определенный биологический вид или
сообщество видов. Его состояние может служить для обнаружения, определения
концентраций загрязняющих компонентов, т.е. для оценки загрязнения среды
обитания. Накопление экотоксикантов в отдельных тканях и органах – пример такой
оценки. Например, содержание токсикантов в пчелином меде отражает содержание
их в медоносных растениях. Некоторые виды растений и животных избирательно
накапливают из окружающей среды микроэлементы и отдельные классы
органических экотоксикантов на несколько порядков больше. Например,
чувствительность биологического определения хлорорганических
суперэкотоксикантов диоксинов находится на уровне 10
-15
%. Это, в свою очередь,
требует снижения порога обнаружения именно до таких значений концентраций:
иногда нескольких молекул вещества достаточно для достоверно диагностируемой
патологии в опытах in vivo (на лабораторных животных).
Таким образом, правильно выбранный организм становится индикатором, если
может служить как для качественной характеристики, так и для количественной
оценки состояния среды обитатания или экосистемы. Например, молодые растения
табака (Nicotiana tabacum) очень чувствительны к присутствию в воздухе
фотооксидантов - озона и органических пероксидов. Изменение пигментации листьев
вследствие их некротизации линейно зависит от содержания в воздухе этих
токсикантов, отсюда использование растений табака позволяет судить о
возникновении и степени тяжести "смоговой ситуации". На использовании таких
индикаторных организмов основан биомониторинг. Он является составной частью
мониторинга экологического и осуществляется путем слежения за откликом
биологических объектов на природные и антропогенные воздействия. Откликом
36
могут служить различные параметры: изменение метаболизма, заболеваемость,
изменение многолетней динамики численности популяции, деструкция биоценоза/
Биологические индикаторы могут быть разделены на две группы:
биоиндикаторы уровней загрязнения и биоиндикаторы состояния экосистемы.
Первые суть организмы-концентраторы; позволяющие оценить содержание
экотоксикантов в объектах природной и окружающей человека среды, т.е. решить
экоаналитические задачи. Вторые наиболее полно и прямо соответствуют конечным
задачам экологического мониторинга [17].
Требования, предъявляемые к биологическим индикаторам фоновых уровней
загрязнения выработаны эмпирически и в основном сводятся к следующему
(Степанов, 1988):
- широкий ареал. Виды, заселяющие узкие ареалы, менее интегративны;
- эвритопность, выражающаяся в способности к обитанию в разных
ландшафтах и биотопах. Виды, приуроченные к определенным стадиям сукцессии, не
подходят для биоиндикационных исследований. С другой стороны, при работе с
высокоэвритопными видами следует учитывать стадии сукцессии, на которых
проводятся наблюдения. В противном случае в трактовку результатов могут
вкрасться ошибки;
- оседлость. Высокомигрирующие виды меньше отражают экологическую
обстановку в конкретном регионе;
- антисинантропность (синантропы, от греческих слов syn - вместе и anthropos человек, - животные, растения, грибы и микроорганизмы, которые приспособились к
существованию рядом с человеком). Виды-индикаторы должны принадлежать к
естественным сообществам и не быть связанными с человеком, в противном случае
они могут быть приспособлены к антропогенным воздействиям;
- индикационная пластичность вида. Наиболее удобен для биоиндикации
загрязнений вид, совмещающий чувствительность и толерантность. При прочих
равных условиях предпочтение следует отдавать организмам с коротким жизненным
циклом, накопление экотоксикантов у которых отражает их содержание в
окружающей среде в данный момент;
37
- достаточная масса пробы. Для заданной статистической значимости
результатов анализов (D) необходимая величина пробы (N) определяется
соотношением: N=(S/D)
2
. Например, при сопоставлении загрязненности двух озер
гексахлорбензолом предлагается использовать в качестве биоиндикатора оседлого
хищника - щуку. Известно, что значение D = 0,3 достаточно для выявления
статистически значимых различий. При средней концентрации токсиканта в
гомогенатах мышечной ткани щуки, равной 10 нг/г, предварительно определенная
величина S=1,5. Подстановка этих значений S и D в приведенное уравнение даст
необходимый размер пробы N = 25 экземпляров. По этой причине можно использовать
только те виды, численность и биомасса которых в пределах обследуемого района
достаточно высока (и невелики сильные колебания численности особей выбранного
вида, что позволяет проводить исследования на протяжении ряда лет);
- простота добычи и учета и их дешевизна. Первое из этих требований может
оказаться особенно важным при организации широких, охватывающих многие
районы обследований. Учет таких показателей, как численность, биомасса,
половозрастная структура популяции и т. д., необходим для биоиндикации состояния
экосистем. Но он же бывает весьма полезен при индикации уровня загрязненности,
часто коррелирующего с перечисленными показателями. Поэтому для развития
биоиндикационных методов и их унификации большое значение имеет создание
стандартных методик учета;
- изученность видов и внутривидовых таксонов. Легкость определения
упрощает процедуру отбора и предотвращает появление неопределенностей,
связанных с межвидовыми различиями метаболизма. Например, сложности в
интерпретации результатов исследований могут возникнуть, если в качестве
индикаторного растения будет выбрана береза. С одной стороны, использование ее
представляется привлекательным и обоснованным, поскольку береза относится к
числу эдификаторов лесной зоны европейского континента. Однако на нем
встречаются 34 трудноразличимых вида из рода Веtulla, легко скрещивающихся и
дающих множество гибридных форм, отличающихся метаболизмом. Требование
38
изученности относится не только к морфологии, таксономии и экологии видов, но
также и к их способности накапливать экотоксиканты [18].
Изложенные требования часто оказываются противоречивыми и трудно
сочетаемыми в каком-либо одном индикаторном виде. Кроме того, конкретные
условия определенного района могут воздействовать на выбранный вид, изменяя его
индикационные характеристики. Например, при мониторинге загрязнения экосистем
тяжелыми металлами широко используются лишайники. Они в целом отвечают
требованию чувствительности и толерантности по отношению к этим
экотоксикантам. Однако постоянное присутствие в воздухе даже сравнительно
небольших количеств диоксида серы приводит к угнетению и последующей
элиминации лишайников [19].
Требования во многом относятся и к биоиндикаторам состояния экосистем.
Однако следует помнить, что ни один из видов сам по себе не может служить этой
цели: для характеристики состояния необходим набор биоиндикаторов,
представляющих как различные систематические группы продуцентов, так и разные
уровни трофической цепи консументов, а также редуцентов. При всем при этом число
отобранных биоиндикаторов должно быть минимизировано [20].
39
2 Частная токсикология
2. 1 Токсическое действие тяжелых металлов
В группу тяжелых металлов входит более 40 элементов с высоким атомным
весом и относительной плотностью более 5,0, например, ртуть, медь, кадмий, золото,
железо, свинец, мышьяк и др.
Словосочетание «тяжелые металлы» по смысловому содержанию не
аналогично понятию «токсичные металлы», так как значительная часть элементов
данной группы участвуют в протекании основных биохимических процессов в
организме живых организмов. Такие элементы называют эссенциальными.
Совершенствование техники химического анализа в сочетании с детальным
изучением биохимических процессов позволило установить важную биологическую
роль многих элементов, еще совсем недавно причислявшихся к числу ксенобиотиков.
Всего в живых организмах к настоящему времени обнаружено 80 элементов. Их
биологическая роль определяется положением в Периодической системе, т. е.
строением атомов и физико-химическими свойствами. Как известно, в растениях и
животных в наибольших количествах содержатся s- и p-элементы первого, второго и
третьего периодов. В их числе мы находим почти все элементы-органогены, в сумме
составляющие примерно 97 % массы организмов: водород, углерод, азот, фосфор и
серу, а также жизненно необходимые натрий, магний и хлор. К эссенциальным
относятся также некоторые s-элементы четвертого периода (калий и кальций) и pэлемент - йод. К ним же по праву причисляют такие тяжелые металлы, как Мn, Ni,
Си, Сг, Со, V и Zn. Все они наряду с железом, кобальтом и молибденом входят в
состав биокатализаторов (ферментов) или их активаторов.
Марганец, например, обнаружен в простетических группах ферментов,
ответственных за синтез специфических полисахаридов, входящих в состав хрящей.
К важнейшим марганецсодержащим ферментам относится пируваткарбоксилаза;
40
марганец входит в состав супероксиддисмутазы, фосфаттрансферазы, ДНКполимеразы.
Еще более обширен перечень энзимов (около 200), в которые входит цинк.
Среди них один из наиболее распространенных в органическом мире -
карбоангидраза, катализирующая обратимую гидратацию СО
2
и участвующая в
тканевом обмене всех органов. К числу цинксодержащих ферментов относятся
карбоксипептидаза, а также типичные катализаторы гликолиза (алкоголь-, лактат- и
глицеральфосфатдегидрогеназы) и др.
Медь в живых организмах входит в состав белков: у млекопитающих это в
основном белок сыворотки крови церулоплазмин, синтезируемый в печени. В числе
тканевых ферментов можно назвать также цитохромкиназу. У беспозвоночных медь
содержится в дыхательном пигменте гемоцианине.
Относительно недавно начала проясняться биологическая роль хрома и никеля.
Первый из них участвует в липидном, а также в углеводном обмене: при сахарном
диабете содержание хрома в тканях человека понижено. Никель обнаружен в уреазах,
широко распространенных в растениях и найденных у ряда микроорганизмов. Он
присутствует в составе ферментов метанового брожения архебактерий (в организме
животных никельсодержащие энзимы не выявлены).
Индивидуальная потребность в эссенциальных тяжелых металлах очень
невелика (например, в организме взрослого человека общее содержание марганца
составляет всего лишь около 8 мг). Между тем многие живые организмы склонны к
их бионакоплению и экологической магнификации, а превышение естественных
уровней содержания этих элементов часто приводит к тяжелым нарушениям
метаболизма, высшей нервной деятельности, развития плода и т. д.
С одной стороны, эссенциальные металлы из числа d-элементов в составе
биомолекул выступают в качестве составляющих эффективных биокатализаторов и
участвуют в метаболизме. При этом сходные физико-химические свойства ряда (d-
элементов (близкие величины ионных радиусов, одинаковые координационные числа)
являются причиной некоторого параллелизмма их поведения в однотипных процессах.
Например, в состав гемоглобина крови почти всех высших животных, выполняющего
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]