Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Экологическая токсикология. Учебник для студентов высших учебных заведений

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 267 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

ГЛАВА 2. ТОКСИКОКИНЕТИКА, ПОВЕДЕНИЕ ТОКСИКАНТОВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

2.3. Химическое преобразование токсикантов

Диссоциа= ция (от лат. dissociatio — разделение, разъедине-

ние) — процесс распада молекул на атомы, радикалы или ионы.

Различают три вида диссоциации:

1) термическая;

2) электролитическая;

3) фотохимическая.

Термическая диссоциация — это процесс обратимого разложения

вещества в условиях повышенной температуры.

Электролитическая диссоциация происходит в полярных растворителях. При этом наблюдается полный или частичный распад молекул растворенного

вещества на катионы и ионы.

Фотохимическая диссоциация — это химическая реакция, протека- ющая под действием фотонов электромагнитного излучения. Такая реакция возможна, если молекула приобретает достаточно большое количество энергии и приходит в электронное возбуждение. После этого происходит распад молекулы на атомы. Типичным примером такого процесса может служить разложение воды с

образованием атома водорода Н и гидроксильного радикала ОН под действием света с длиной волны менее 242 нм. При облучении нитробензола ультрафиолетом

образуются нитрозобензол и п-нитрофенол.

К фотохимическим процессам относится также фотоминерализация,

которая представляет собой полное разложение веществ под действием

света до небольших неорганических молекул (оксид углерода, вода, хло-

ристый водород

). Фотоминерализация наблюдается главным образом

у химических веществ, находящихся в адсорбированном состоянии.

Гидролиз (от греч. hydor — вода и lysis — разложение, распад) — процесс расщепления молекул химических соединений за счет присоединения воды. Различают гидролиз электролитов (гидролитиче-

ская диссоциация) и гидролиз органических соединений.

При гидролитической диссоциации соли слабых оснований или кислот в водном растворе распадаются

на ионы. Причем один из ионов

связывается в недиссоциированную молекулу, а второй сообщает рас-

твору ту или иную реакцию.

В отличие от процессов гидролитической диссоциации, протекающих очень быстро, гидролиз органических соединений происходит в большинстве случаев весьма медленно. Под влиянием кислот или щелочей многие органические соединения в водной среде распадаются на более простые составные части. К процессам такого рода относится, например, гидролитическое расщепление эфиров (омыление). При этом многие органические химикаты в соответствии с их структурой легко

ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ

гидролизуются до гидрофильных конечных продуктов. Например, гидролиз пестицидов в природных условиях приводит к потере токсических свойств. Поэтому скорость гидролиза многих пестицидов в водных системах является важным критерием определения срока жизни этих химикатов в окружающей среде. Скорость гидролиза сильно зависит от рН среды и температу ры. Например, в кислых почвах

при низких

температурах хлорорганические пестициды сохраняются долгие годы.

Восстановление. Восстановительные процессы в окружающей среде реализуются обычно в ана эробных условиях. Чаще всего это происходит в донных отложениях или в толще полигонов твердых бытовых отходов. В результате жизнедеятельности анаэробных микроор ганизмов

происходят выделение водорода и метана.

Окисление. Окисление химикатов в газовой

и водной фазах, а также

в адсорбированном состоянии происходит главным образом за счет раз-

личных акти вных форм кислорода. В химических реакциях с металлами,

проходящих при участии микроорганизмов, особое место занимает образование метилсодержащих соединений, которое особенно активно проходит в анаэробных условиях. Помимо ртути, возможно метилирование оло-

ва, кобальта, селена

, таллия, хрома, меди, кадмия и других металлов.

2.4. Биотическая трансформация токсикантов

В основе биотической трансформации токсикантов лежат биохими-

ческие процессы окисления, восстановления и гидролиза. В процессе

метаболизма происходит минерализация ксенобиотика, разрушение его до низкомолекулярных соединений, которые более эффективно выводятся из организма.

Основные процессы биотрансформации у человека и животных происходят в печени. Все ксенобиотики из кишечника, транспортируются в печень по венозному

стволу (воротная вена — vena portae). Клет-

ки печени содержат ряд ферментов, которые окисляют ксенобиотики.

Окисленные метаболиты далее преобразуются другими ферментами

в полярные молекулы, которые связываются с высокополярным фрагментом. Это облегчает выделение метаболитов из организма.

Ферменты, обеспечивающие процессы биотрансформации ксено-

биотиков, присутствуют и в других органах, таких как легкие и почки.

Причем

метаболиты, образующиеся в одном органе, могут быть в дальнейшем метаболизированы в другом органе. В процессе биотрансформации активное участие принимает кишечная микрофлора.

Если два ксенобиотика метаболизируются одним и тем же фермен-

том, то может произойти торможение биотрансформации. Очень часто

ГЛАВА 2. ТОКСИКОКИНЕТИКА, ПОВЕДЕНИЕ ТОКСИКАНТОВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

биотическая трансформация ксенобиотика сопровождается накоплени-

ем более токсичных метаболитов в клетках, что может привести к не-

гативным последствиям (например, к апоптозу клеток). Это называется

метаболической активацией.

Растения не имеют системы биотрансформации, характерной для животных. Но у них также существует защитный механизм, предохраняющий от неблагоприятного влияния ксенобиотиков. Этот механизм включает связывание

ксенобиотиков молекулами углеводов и накопле-

ние в вакуолях.

Таким образом, биотрансформация может рассматриваться как не-

обходимый механизм выживания, который защищает организм от токсикантов, предотвращая накопление вредных веществ. На процессы

биотрансформации и выведения токсикантов из организма влияют многие факторы. Среди них следует выделить следующие:

– физико-химические свойства токсикантов; – уровень экспозиции; – входные ворота; – распределение в организме; – скорость биотрансформации липофильных токсикантов в более

гидрофильные метаболиты;

– общее состояние организма и прежде всего выделительных ор-

ганов (легкие, почки, кожа, желудочно-кишечный тракт);

– присутствие других токсикантов, могущих препятствовать про-

цессам биотрансформации и выведения из организма.

Процесс попадания токсиканта

из объектов окружающей среды (вода,

почва, воздух, продукты питания) и накопление его в организме называ-

ется биоаккумуляцией. Результатом биоаккумуляции является

депонирование токсиканта. Поэтому после прекращения контакта с ним полного восстановления нарушенных функций организма не происходит.

Величина биоаккуммуляции ксенобиотика в клетках зависит от его концентрации в окружающей среде и скорости биотрансформации.

Наи-

лучшие условия для биоаккумуляции токсичных соединений обеспе-

чивает водная среда. Особенно активно поглощают токсиканты гидро-

бионты. Примером биоаккумуляции ксенобиотиков в водных и других экосистемах является экологическая магнификация, результатом которой могут быть пагубные последствия для животных, находящихся на более высоких ступенях пищевой цепи.

В книге Рейчел Луиз Карсон «Молчаливая весна

» (Silent Spring)

описывается эпизод обработки деревьев ДДТ для борьбы с переносчи-

ком «голландской болезни», поражающей вязы вязовым заболонником Scolytes multistriatus. При этом часть ДДТ попадала в почву, где его поглощали дождевые черви, являющиеся основным продуктом питания

ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ

перелетных дроздов. В результате часть дроздов погибла, у других нарушилась репродуктивная функция, и они откладывали стерильные

яйца. Таким образом, борьба с заболеванием деревьев привела к почти

полному исчезновению перелетных дроздов в ряде регионов США.

Наибольшей способностью к биоаккумуляции обладают липофиль-

ные ксенобиотики. Поэтому основным местом их депонирования явля-

ется жировая

ткань, которая наиболее интенсивно формируется в пе-

риод полового созревания. Мобилизация жировой ткани в процессе

беременности способствует высвобождению большого количества де-

понированного ксенобиотика, что может сопровождаться появлением врожденных уродств или гибелью плода. В биогеохимических провинциях может наблюдаться избирательная кумуляция в виде депонирования радиоактивного стронция в костях, йода в

щитовидной железе, тя-

желых металлов в почках.

Одним из вариантов биотической трансформации является встраивание (конъюгация) продуктов метаболизма ксенобиотиков в биомолекулы живые организмов. Например, у растений наблюдается конъюгирование ксенобиотиков (или их метаболитов) с лигнином, углеводами и депонирование в местах, не связанных с общим метаболизмом. В ка-

честве связывающих макромолекул

у животных чаще всего выступают

белки и нуклеиновые кислоты.

Наиболее интенсивно процессы биотрансформации осуществляют микроорганизмы, поскольку обладают более разнообразным набором

ферментов и быстрой адаптацией к разлагаемому субстрату. Биотрансформация неорганических токсикантов (прежде всего тяжелых металлов) ферментными системами микроорганизмов (и в значительно мень-

шей степени клетками других живых организмов) сопровождается появлением органических соединений. Чаще всего образуются металл-

органические соединения, которые отличаются липофильностью и хи-

мической стойкостью, что определяет их высокую токсичность и био-

аккумуляционную способность. Металлорганические соединения

в большом количестве накапливаются в водных экоси стемах благодаря

активной деятельности водных микроорганизмов.

Проникая в организм человека и животных, токсиканты распреде-

ляются во внутренних

органах, коже, мышцах, в жировых и соедини-

тельных тканях, костях. Важнейшую роль в распределении токсикантов

играют три фактора: содержание влаги, липидов и белков в клетках различных тканей и органов. Гидрофильные токсиканты более активно распределяются в жидкостях и клетках организма с высоким содержанием влаги, а липофильные токсиканты — в клетках с повышенным

содержанием липидов (жировые ткани). Распределение токсикантов

в организме человека представлено на рис. 5.

ГЛАВА 2. ТОКСИКОКИНЕТИКА, ПОВЕДЕНИЕ ТОКСИКАНТОВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

1, 2, 3, 5, 6, 11, 12, 14, 17, 18,

6, 13, 18, 19, 21

19, 21, 23, 26

6, 9, 10, 21

2, 3, 4, 5, 6,

17, 18, 19, 20

8, 9, 16, 17,

4, 5, 8, 9, 14, 16,

18, 21

2, 4, 7, 8, 10, 11,

14, 15, 18, 20, 22,

23, 24, 25

2, 4, 6, 14, 15,

1, 5, 8, 11,

13, 15, 18,

20, 23, 25

18, 19, 20, 25, 26

1, 5, 8, 11, 13,

15, 18, 20, 23, 25

2, 6, 11, 14, 15,

18, 21

1, 2, 4, 8, 9,

12, 13, 21,

22, 27

Рис. 5. Влияние токсикантов на различные органы и системы организма человека

Условные обозначения

1 — алюминий 15 — нефтепродукты

2 — ароматические углеводороды 16 — никель 3 — барий 17 — окись углерода 4 — бериллий 18 — пестициды 5 — ванадий 19 — ртуть 6 — диоксины 20 — серебро 7 — железо 21 — свинец 8 — кадмий 22 — стронций

9 — кобальт 23 — таллий 10 — литий 24 — хлор 11 — марганец 25 — хлорированные углеводороды 12 — медь 26 — хром 13 — молибден 27 — цинк 14 — мышьяк

1, 3, 6, 7, 8, 9,

14, 16, 18, 21, 27

ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ

Характер и скорость преобразования токсикантов в живых организмах

определяют стойкость токсикантов. Существенное влияние на эти преоб-

разования оказывают температура, концентрация растворенного кислоро-

да, активность водородных ионов (кислотность среды), свет (особенно

в коротковолновой, ультрафиолетовой области). Важную роль в биогенном превращении загрязняющих веществ играют микроорганизмы.

Глава 3. Токсикометрия

Изучение ксенобиотиков предусматривает установление количественных показателей их токсичности, т. е. измерение токсичности (токсикометрия). Токсикометрическая оценка начинается с установления

верхних параметров токсичности и интенсивности воздействия. Интен-

сивность воздействия характеризуется концентрацией вещества (дозой)

в среде обитания. Концентрация — это содержание конкретного загрязнителя в конкретной среде (например, воздушной) на единицу ее объ

ема (например, мг/м

) в определенный промежуток времени. Доза не-

посредственно указывает на количество загрязнителя, обладающего потенциальным эффектом в отношении органа-мишени.

В токсикометрии используются такие понятия, как «доза-ответ»

и «доза-эффект». Зависимость «доза-ответ» показывает корреляцию между уровнем экспозиции (дозой) и долей экспонированной популяции, у которой развился специфический эффект.

Зависимость «доза-

эффект» показывает связь между дозой и степенью выраженности эффекта в экспонированной популяции. На индивидуальном уровне и на уровне экосистемы важным показателем является взаимо-

связь между дозой и эффектом. Зависимость «доза-эффект» отражает различия между особями в популяции. Поэтому понятие « доза-эффект» часто

используется в эпидемиологических исследованиях для выявления при

чинно-следственной связи между агентом и заболеванием, а также для

исследования большинства токсических эффектов в популяциях. При этом важным является то, что эффект или ответ пропорционален дозе.

Увеличение дозы может увеличить интенсивность эффекта. Зависимость «доза-эффект» может быть получена на уровне всего организма, клетки или молекулы-мишени. В диапазоне

низких доз ответная реакция

может не наблюдаться. Но с увеличением дозы ответная реакция возрас-

тает в виде восходящей кривой, достигающей 100 % ответа. Наклон кривой

варьируется в зависимости от химического строения вещества и от раз-

личных видов ответных реакций. Например, для некоторых химических

веществ с определенными эффектами ( канцерогенные вещества, мутагены,

ГЛАВА 3. ТОКСИКОМЕТРИЯ

тератогены) кривая «доза-эффект» в определенном диапазоне доз, начиная

от нуля, может быть линейной. Это означает, что порог существует и что

даже малые дозы представляют собой риск. Выше этого диапазона доз

риск может увеличиться больше, чем с линейной скоростью. С другой стороны, для некоторых канцерогенов было экспериментально показано, что воздействие разовой

дозы в несколько экспозиций может быть более

эффективным для канцерогенеза, чем воздействие той же суммарной дозы.

Доза часто выражается как количество поступающих в организм ксенобиотиков (мг) на единицу массы тела (кг). Кроме того, доза может быть выражена другими более или менее информативными способами. Например, доза облучения, концентрация загрязняющих веществ в

атмосферном воздухе, воздухе промышленных предприятий, концентрация загрязняющих веществ в почве, воде и пищевых продуктах.

Существует понятие целевой дозы, которая отражает количество

токсичного вещества (мг) или его метаболитов, способного связаться

с определенным количеством жизненно важных (критических) молекул.

Целевая доза более точно отражает токсический эффект.

Характер токсического эффекта зависит также от

экспозиции, т. е. вре-

мени воздействия негативного фактора. Величина экспозиции определя-

ется как измеренное или рассчитанное количество агента в конкретном объекте окружающей среды, находящееся в соприкосновении органами человека (легкие, пищеварительный тракт, кожа) в течение какого-либо

точно установленного времени. Различают продолжительное, прерывистое воздействие или воздействие, характеризующееся наличием или отсут-

ствием

периодов резкого увеличения интенсивности. Время воздействия

имеет важное значение в зависимости « экспозиция-ответ». В соответствии

с законом Хабера, открытого в 1924 году, степень выраженности распространенности изучаемого вредного эффекта в экспонируемой популяции

при воздействующей дозе (концентрации) D пропорциональна концентра- ции ксенобиотика (С) и продолжительности воздействия (T):

D = С × T.

Уровень дозы, ниже

которой не наблюдается эффект, называется пороговой дозой. Однако пороговая доза часто показывает отсутствие таких эффектов, как острое токсическое действие. Но отсутствие ответа не всегда может быть принято в качестве доказательства существования порога. Онкологические заболевания часто возникают при длительном воздействии пороговой и подпороговой дозы. Кроме того, неблагоприятный эффект

, возникающий при низкой частоте, не может

быть обнаружен в небольшой популяции.

Концентрации токсикантов разграничиваются по их способности

вызывать тот или иной эффект на биологический объект за определенное

ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ

время. Количественно эффект чаще всего выражается в процентах по от-

ношению к исходному уровню или по сравнению с аналогичным показателем в контрольной выборке или в незагрязненной экосистеме. Выделяются концентрации, вызывающие определенный эффект, выражен-

ный в процентах. Например, средняя эффективная концентрация (ЭК

По способности производить летальное (смертельное) действие выделяют соответственно LD

и LD

. Например, LD50 (полулетальная

100

доза) — доза, вызывающая 50 % смертность в популяции животных.

В качестве наиболее стабильного показателя токсичности чаще других используется величина полулетальной концентрации за фиксированное время (например, за 48 часов) — ЛК

за 48 ч. Действие токси-

канта на биологический объект может быть острым, подострым и хроническим. Острым называют быстро проходящее отравление (в течение минут, часов). Относительно быстро проходящее отравление, например, в течение нескольких дней, называют подострым. Хронические

отравления — это такие, которые возникают в результате длительного действия небольших доз одного и

того же вещества.

Потенциальная доза — это количество химического вещества, которое потребляется или вдыхается, или его количество, со-

держащееся в разных средах и находящееся в соприкосновении с кожей. Общая потенциальная доза (ОПД) рассчитывается с по-

мощью следующего стандартного уравнения:

ОПД = С × V × t,

где С — концентрация загрязняющего вещества в объекте окружающей

сре-

ды (воздух, почва и т. д.), контактирующей с телом человека (выражается

в единицах масса/объем или масса/масса); V — величина (скорость) поступления, зависящая от скорости ингаляции (объема легочной вентиляции),

объема потребляемой воды и др.; t — продолжительность воздействия.

Общая доза — это сумма отдельных доз, полученных организмом

человека в результате

влияния на него отдельного загрязняющего вещества за определенный период в процессе взаимодействия со всеми содержащими данный загрязнитель средами (воздухом, водой, пищей, почвой).

Среднесуточная доза (ССД) рассчитывается путем де- ления потенциальной дозы на массу тела (М действия (T

ср

ССД = ОПД / (М

) и время осреднения воз-

× Tср).

Наиболее чувствительными к действию химических веществ субпо-

пуляциями в ряде случаев могут являться новорожденные и дети, лица пожилого возраста, беременные и кормящие женщины, а также больные

хроническими заболеваниями.

ГЛАВА 4. ПОСТУПЛЕНИЕ ТОКСИКАНТОВ В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ

Глава 4. Поступление токсикантов в организм

человека и животных

В организм человека и животных токсичные вещества могут поступать через органы дыхания, пищеварения и поверхность клеток. Через дыхательную систему в основном поступают токсиканты, находящие-

ся в воздухе в виде пыли, аэрозолей, газов, паров и т. д. В легких токси-

канты поглощаются миллионами воздушных мешочков (альвеол).

Альвеолы пронизаны сетью капилляров длиною

щадь на выдохе составляет около 30 м

стигает 100 м

. Токсиканты легко проникают через мембрану альвеол,

, а во время глубокого вдоха до-

так как она одновременно является стенкой капилляров.

Слизистая желудочно-кишечного тракта содержит многочисленные ворсинки, способные поглощать токсиканты, поступающие в организм

с продуктами питания и водой. Из желудочно-кишечного тракта токси-

канты транспортируются в печень, где происходит их биотрансформация (полная или частичная детоксикация).

4.1. Абсорбция токсикантов через кожу

Площадь кожи у взрослого человека достигает 1,5–2,3 м2. Вместе

со слизистыми оболочками она покрывает всю поверхность тела и вы-

полняет барьерную функцию. Кожа состоит из трех слоев: эпидермиса,

собственно кожи (дермы) и подкожной жировой клетчатки (гиподермы).

С токсикологической точки зрения, наибольший интерес представляет эпидермис, который состоит из пяти слоев клеток:

1) роговой;

2) блестящий;

3) зернистый;

4) шиповатый;

5) базальный.

Нижний

(базальный) слой эпидермиса граничит с сосудами дермы. Он состоит из одного ряда интенсивно делящихся клеток — кератиноцитов. Кератиноциты отрываются от базальной мембраны и синхронно перемещаются на один уровень вверх, образуя шиповатый

слой. Клетки шиповатого слоя имеют многочисленные глубокие вы-

росты и углубления на клеточной мем бране, которые соединяют их

с другом наподобие застежки «мол ния». Затем эти клетки пере-

друг мещаются на следующий верхний слой, формируя зернистый слой. В зернистом слое в клетках уменьшается содержание воды. Клетки под влиянием ферментов теряют ядра и органеллы, в результате чего

около 2000 км. Их пло-

ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ

в их цитоплазме в виде гранул накапливается кератогиалин, придающий клеткам зернистый вид.

Верхний (роговой) слой состоит из мертвых клеток, в которых не происходит обмена веществ, и межклеточного пространства, заполненного липидами. Липидная прослойка (липидная мембрана)

эпидерми са играет исключительно важную роль в коже, так как именно она делает роговой слой

водонепроницаемым.

Роговой слой кожи является барьером для бактерий и токсинов, находя щихся во внешней среде. При нарушении рогового слоя или при повыше нии его проницаемости внешняя нагрузка на живые клетки кожи рез ко возрастает, что приводит к нарушению их жизнедеятельности. При длительном воздействии неблагоприятных внешних факторов на клетки кожи происходит постепенное накопление

повреждений

в генетичес ком аппарате клеток и в межклеточном веществе, что явля-

ется одной из причин старения кожи.

В волосистой части кожи имеются волосяные фолликулы и каналы потовых желез, через которые могут проникать токсичные вещества и микроорганизмы.

Проникновение токсичных веществ через кожу происходит несколькими путями:

• трансэпидермальное поглощение путем диффузии через

липид-

ную мембрану липофильных веществ (органические растворители, пестициды и т. д.), и некоторых гидрофильных веществ;

• трансфоликулярное проникновение в волосяной фолликул (наблюдается только в волосистой части кожи);

• поглощение через протоки потовых желез;

• поступление через поврежденную кожу.

Скорость всасывания через кожу зависит от многих факторов:

• от концентрации и

физико-химических свойств токсичных ве-

ществ;

• от содержания воды в коже, рН, температуры, местного кровотока, потоотделения и т. п.;

• от анатомических, физиологических, половых, этнических, возрастных, индивидуальных особенностей кожи и т. д.

4.2. Транспорт токсикантов по крови и лимфе

После проникновения токсичных веществ в организм человека или животных они попадают в кровь и лимфу. Кровь представляет собой смесь жидкой фазы (плазма, 55 %) и клеток крови (45 %). Плазма содержит белки (альбумины, глобулины, фибриноген), органические кислоты

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 267 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]