Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологическая токсикология. Учебник для студентов высших учебных заведений
.pdf
И.Н. Лыков
Г.А. Шестакова
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ
ТОКСИКОЛОГИЯ
Учебник для студентов
высших учебных заведений
КАЛУГА
2013
УДК 57.04
ББК 20.1
Л88
Рецензент:
А. П. Коржавый, заведующий кафедрой промышленной экологии
Калужского филиала МГТУ им. Н. Э. Баумана, доктор технических
наук, профессор, лауреат государственной премии
Лыков И. Н., Шестакова Г. А.
Л88
Экологическая токсикология: учебник для студ. высш. учебн.
заведений / И. Н. Лыков, Г. А. Шестакова. — Калуга: Издатель
Захаров С. И. («СерНа»), 2013. — 256 с.
В учебном пособии рассматриваются вопросы, посвященные экологической роли
химических веществ, являющихся посредниками в экологических взаимоотношениях между организмами.
Рассматриваются основные источники образования токсических соединений,
миграция токсикантов в окружающей среде. Дана характеристика важнейших видов
загрязнений и токсикантов: органических соединений, пестицидов, диоксинов, ми-
котоксинов, тяжелых металлов. Обсуждается воздействие токсических соединений
на различных уровнях организации живой материи. Рассмотрены механизмы биотрансформации ксенобиотиков в экосистемах. Рассказывается о применении биотестирования в контроле объектов окружающей среды.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности
«Экология». Учебник может быть рекомендован студентам, обучающимся по специальностям «Природопользование», «Промышленная экология», «Геоэкология»,
«Лечебное дело».
УДК 57.04
ББК 20.1
ISBN 978-5-905849-12-1
© Лыков И. Н., Шестакова Г. А. Текст, 2013
© Издатель Захаров С.И. («СерНа»). Оформление, 2013
Введение
Наука экотоксикология. Предмет изучения, основные определения, понятия
и задачи экотоксикологии. Классификация токсических соединений
Химические вещества участвуют во всех сферах деятельности человека, приобретая опасные масштабы. Это влияет на ухудшение качества атмосферного воздуха, воды, почв, пищевых продуктов. Многие
экосистемы подвержены влиянию повышенных концентраций химических веществ, оказывающих неблагоприятное влияние на живые организмы. Свойства ядовитых веществ, механизм их действия на организм
человека и животных
вает методы диагностики, профилактики и терапии токсикозов.
Проблема влияния веществ на живые организмы имеет более чем
тысячелетнюю историю. С древних времен человек встречался с ядовитыми растениями и животными, использовал яды для охоты, в военных целях, в религиозных культах и т. п. Поскольку
известна, им придавали мистическое значение. Учение о вредном действии веществ на организм человека разрабатывали Гиппократ (около
460–377 гг. до н. э.), Гален (около 130–200 гг.), Абу Али ал Хусейн ибн
Абдаллах ибн ал Хасан ибн Сина (Авиценна — X–XI века н. э.), Парацельс (1493–1541 гг.), Рамацзини (1633–1714 гг.). Опыт, накопленный
этими выдающимися деятелями своего времени, способствовал формированию представлений о ядах и противоядиях.
Развитие химии, биологии и медицины в XVIII–XIX веках дало новый толчок развитию учения о ядах. Большой вклад в его развитие
внесли алхимики и аптекари. Развитие аптекарского дела побуждало
к выделению новых веществ и исследованию их свойств, что способ
ствовало разработке новых методов исследования строения и свойств
вещества. Начала развиваться неорганическая и органическая химия.
Появились новые вещества с новыми свойствами, поэтому проблема
изучения воздействия этих веществ на живые организмы стала особенно актуальной. Изучением этих веществ занимается токсикология.
изучает наука токсикология. Она же разрабаты-
природа ядов не была
-
4
ВВЕДЕНИЕ
Токсикология (от греч. toxicon — яд, logos — учение) — наука о потенциальной опасности вредного воздействия веществ на живые
организмы и экосистемы. Она изучает также механизмы токсического
действия, диагностику, профилактику и лечение отравлений.
Одним из центральных понятий токсикологии является понятие
о вредном веществе. Теоретически не существует веществ, лишенных токсичности. При тех или иных условиях
живой организм всегда реагирует на действие вещества в определенных дозах. Эта реакция может проявляться в виде повреждения, нарушения функций
или гибели. Токсичность веществ, инертных в отношении биологических объектов, может быть количественно обозначена как стремящаяся к нулю, но не равная ему. По этому поводу Филипп Ауреол
Теофраст
Бомбаст фон Гогенгейм (Парацельс, 1493–1541) говорил:
«Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости». То есть одно и то же
вещество может быть вредным (ядом), лекарством и необходимым
для жизни средством в зависимости от его количества и условий
взаимодействия с организмом.
Изначально токсикология развивалась как одна из отраслей меди-
цины, главным
объектом которой был человек. Поэтому основными
направлениями медицинской токсикологии являются изучение физиче-
ских и химических свойств ядов, путей их проникновения, биотрансформации в организме человека, предупреждение и лечение отравлений.
Медицинская токсикология включает три взаимосвязанных направления: экспериментально-теоретическое, профилактическое (гигиеническое) и клиническое.
Экспериментально-теоретическое направление в токсикологии из-
учает основные
закономерности взаимодействия вещества с биологи-
ческими объектами.
Профилактическое направление занимается предупреждением потенциальной опасности вредного воздействия веществ на человека.
Клиническая токсикология исследует заболевания, возникающие
вследствие влияния на человека химических веществ окружающей
среды.
Различают также сельскохозяйственную, ветеринарную, судебно-медицинскую, военную токсикологию. Особое место принадлежит про-
мышленной токсикологии, изучающей действие на
человека вредных
веществ, встречающихся в производственных условиях, с целью разработки санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий, направленных на создание наиболее благоприятных условий труда.
Значительное увеличение масштабов использования химических
веществ в различных отраслях экономики, распространение токсичных
веществ в глобальных масштабах заставило ученых более пристальное
ВВЕДЕНИЕ
внимание уделять изучению влияния химикатов на экосистемы. Это
способствовало появлению новой науки об окружающей среде — экологической токсикологии.
Экотоксикология — это раздел токсикологии, изучающий
действие веществ антропогенного происхождения на живые организмы
на различных уровнях организации.
Предметом изучения экотоксикологии являются процессы поступления, перемещения, накопления и превращения токсичных веществ
в окружающей среде. Она
исследует особенности действия токсичных
веществ на живые организмы на различных уровнях организации биологической системы, на живые сообщества и их компоненты. Основным
объектом экологической токсикологии являются биологические системы, подверженные техногенному загрязнению.
В самостоятельную науку экотоксикологию выделил в 1969 году
Рене Траут, когда при Международном научном комитете по проблемам
окружающей среды (
СКОПЕ) была организована специальная Рабочая
комиссия по экологической токсикологии. В 1978 году на конференции
СКОПЕ экологическая токсикология рассматривалась как наука, изучающая токсическое воздействие химических веществ на живые организмы и биоценозы, входящие в состав экосистем.
Становлению и развитию экотоксикологии как науки способствовали химическая экология и экологическая химия. Химическая экология
ограничивается изучением свойств только природных материалов (ал-
лелохимикатов). В отличие от химической экологии, экологическая
химия изучает изменения антропогенных химических веществ под воздействием факторов окружающей среды. Центральной задачей экологической химии является изучение поведения антропогенных химических веществ в окружающей среде: изменение их концентрации, процессы разложения, превращения, накопление в
организмах и окружа-
ющей среде.
В 90-х годах было дано определение экологической токсикологии
как области знаний о распространении и влиянии антропогенных химикатов и продуктов их трансформации на экосистемы.
К важнейшим задачам экотоксикологии относятся:
1. Выявление степени вредного воздействия химических веществ
(в качественном и количественном отношении);
2 Прогнозирование возможных последствий вредного
воздействия
химических веществ на экосистемы;
3. Проведение эпидемиологических исследований и выявление изменений видового состава и функций экосистемы;
4. Разработка мероприятий по сохранению ненарушенных экосистем и восстановлению уже пострадавших.
5
6
ВВЕДЕНИЕ
Идеальным решением было бы изучение всех химических продук-
тов в отдельности, определение их содержания и поведения в окружа-
ющей среде, а также исследование биологических последствий их воздействия. Однако из-за очень большого числа загрязняющих химических
соединений (несколько сотен тысяч) этот путь пока невозможен.
Токсикология оперирует такими понятиями, как вредные вещества
токсичность, опасность, риск и толерантность.
Вредные вещества, образующиеся в организме, называются эндо-
генными, образующиеся вне организма — экзогенными. Вредные ве-
щества характеризуются степенью токсичности и опасности.
Под токсичностью вещества понимают способность хими-
ческих веществ, действуя на биологические системы не механическим
путем, вызывать в них патологические изменения или приводить к ги-
Токсичность (греч. toxikon — яд) — это мера несовместимости
бели.
вещества с жизнью (И. В. Саноцкий). Количественно токсичность оце-
нивают дозой. Доза вещества, вызывающая определенный токсический
эффект, называется токсической дозой.
Генотоксичность — свойство химических, физических
и биологических факторов оказывать повреждающее действие на генетические структуры организма.
Действие веществ, приводящее к нарушению функций биологи-
ческих систем, называется
токсическим действием. В основе токсического действия лежит взаимодействие вещества с биологическим объектом на молекулярном уровне. Взаимодействие токсиканта и биологического объекта на молекулярном уровне, приводящее
к развитию токсического процесса, называется механизмом
токсического действия. В основе механизма токсического
действия лежат физико-химические и химические реакции взаимодействия токсиканта с
элементами биологической системы. Поэтому
токсичность проявляется и может быть изучена только в процессе
взаимодействия химического вещества и биологических систем (клетки, изолированного органа, организма, популяции).
Опасность вещества характеризует вероятность вредного воздействия вещества в реальных условиях производства и применения. Опасность веществ не может характеризоваться одной величиной
для всех случаев, а
имеет ряд параметров. Эти параметры определяет
наука токсикометрия.
Формирование и развитие реакций биологической системы на дей-
ствие токсиканта, приводящих к нарушению её функций, жизнеспособ-
ности или гибели называется токсическим процессом.
Механизмы формирования и развития токсического процесса, его
качественные и количественные характеристики определяются строе-
,
ВВЕДЕНИЕ
7
нием вещества и его действующей дозой. Формы проявления токсического процесса зависят от вида биологического объекта и его свойств.
Риск есть вероятность проявления конкретного неблагоприятного воздействия вещества. Степень риска — это вероятность
наступления неблагоприятного воздействия, а также размер возможного ущерба от него. Степень риска часто выражается в процентах слу-
в данной популяции и в течение определенного периода времени.
чаев
Оценка риска может быть осуществлена на примере реальных случаев,
на случаях, возможных в будущем, основанных на экстраполяции. Величина риска определяется как произведение величины ущерба I на вероятность W события i, вызывающего этот ущерб:
R = IW
.
i
Толерантность — способность организма переносить воздействие определенных количеств веществ без развития токсических
эффектов.
В экологической токсикологии различают такое понятие, как загрязнение. Загрязнение окружающей среды предполагает
поступление в окружающую среду любых веществ или видов энергии
(тепло, радиоактивность, шум, вибрация, электромагнитные излучения
и др.) в количествах, превышающих установленный допустимый уро-
и оказывающих нежелательное воздействие на здоровье, жизне-
вень
деятельность или выживаемость человека и других живых организмов.
Экотоксикантом называют токсичное и устойчивое в условиях окружающей среды вещество, способное накапливаться в организмах до опасных уровней концентраций. Чужеродные для организмов
химические вещества, не входящие в естественный биотический круговорот, называют ксенобиотиками (от
греч. xenos — чужой
и bios — жизнь). К ним относятся промышленные загрязнения, пестициды, препараты бытовой химии, лекарственные средства и т. п. Эти
вещества не образуются в живом объекте, а синтезируются искусственно человеком.
В качестве токсических соединений могут выступать практически любые соединения различного строения, если, действуя на биологические системы не механическим
путем, они вызывают их повреждение или гибель.
При масштабном использовании токсичных веществ часто наблюдается увеличение концентрации химиката в организмах при переходе
от низших трофических уровней данной экосистемы к высшим. Такое
явление называется экологическая магнификация. Например, если
в планктоне содержание диметилртути составляет 0,01 мкг/г, то в мышечной ткани хищных
рыб ее концентрация достигает 1,5 мкг/г,
а у птиц-рыболовов — 3–14 мкг/г.
8
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время известны тысячи химических веществ, используемых человеком в быту, медицине, на производстве, в сельском хозяйстве. Поскольку любое из химических веществ при тех или иных
условиях может вызвать токсический процесс, полная классификация
токсикантов возможна только на принципе их химического строения.
Однако такая классификация очень сложна и неудобна в
повседневной
практике.
Различают супертоксиканты, высокотоксичные соединения, уме-
ренно токсичные соединения и т. д. Кроме того, токсиканты могут классифицироваться по токсическому эффекту (аллергенные, нейротоксические, канцерогенные и т. д.). Эта классификация имеет больше информационное и предупредительное значение.
Токсические вещества классифицируют
1. По происхождению:
• токсиканты естественного происхождения;
• биологического происхождения;
• бактериальные
токсины;
• растительные яды;
• яды животного происхождения;
• неорганические соединения;
• органические соединения не биологического происхождения;
• синтетические токсиканты.
2. По способу использования человеком:
• ингредиенты химического синтеза и специальных видов произ-
водств;
• пестициды;
• лекарства и косметика;
• пищевые добавки;
• топлива и масла;
• растворители, красители, клеи;
• побочные продукты химического синтеза, примеси
и отходы.
3. По условиям воздействия:
• загрязнители окружающей среды (воздуха, воды, почвы, продовольствия);
• производственные токсиканты;
• бытовые токсиканты;
• вредные привычки и пристрастия (табак, алкоголь, наркотиче-
ские средства, лекарства и т. д.);
• поражающие факторы при специальных условиях воздействия
(аварии или катастрофы).
Разнообразные вещества могут поступать в окружающую среду
естественных и антропогенных источников. Естественные загрязне-
из
ВВЕДЕНИЕ
9
ния связаны с вулканической активностью, разрушением горных пород,
выделением продуктов жизнедеятельности организмов.
Вещества, поступившие в окружающую среду, немедленно вовлека-
ются в цепь различных процессов:
– физических (механическое перемешива ние, осаждение, сорбция
и десорбция, улетучивание, фотолиз и т. д.);
– химиче ских (диссоциация, гидролиз, комплексообразование,
окислительно-восста новительные реакции и др.);
– биологических (поглощение живыми
организ мами, разрушение
и другие превращения, в т. ч. с участием ферментов и метаболитов);
– геологических (захоронение в грунтах и породообразование и др.).
Существенное влияние на эти превращения оказывают температура, концентрация растворенного кислорода, активность водородных
ионов (кислотность среды), свет (особенно в коротковолновой, ультрафиолетовой области). Большую роль в биогенном
превращении загряз-
няющих веществ играют микроорганизмы.
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ
ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Часть I
Глава 1. Загрязнения природных сред обитания
и их последствия
1.1. Масштабы и источники загрязнений
В окружающую среду химические вещества поступают из естественных и антропогенных источников. Естественные источники подразделяются на земные (терригенные) и внеземные (космогенные) (рис. 1).
Терригенные источники связаны с природными геохимическими из-
менениями. Эти изменения носят долгосрочный характер и происходят
в результате сложных геохимических и геофизических процессов, которые на протяжении всей
биологическое и энергетическое состояние. Эти процессы включают
диссипативные (разрушение, связанное с выделением энергии)
и упорядочивающие (связанные с поглощением энергии) процессы. Среди них отмечаются следующие природные процессы различной скорости химического воздействия на окружающую среду:
• Землетрясения — за короткий промежуток времени изменяют мор-
фологическую и химическую
• Вулканическая деятельность — один из наиболее мощных средне-
срочных природных процессов, который эпизодически, но много тысячелетий подряд изменяет химический состав морской и океанической
воды, газовой оболочки атмосферы (кроме кислорода).
• Выветривание, эрозия и осадочные процессы — в течение всей
истории нашей планеты, меняясь в соответствии с переменами кли-
, эти процессы во многом определяли формирование химическо-
мата
го состава биосферы. Годовое количество растворенных веществ, ко-
торое реки выносят в моря всего мира, составляет на сегодня около
истории планеты формировали её химическое,
картину окружающего мира.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]