Общая характеристика природных и антропогенных источников токсикантов

*Фактор биоаккумуляции - соотношение концентрации поллютанта в тканях рыб и

в воде в состоянии равновесия (Le Blanс, 1995).

Факторы, влияющие на биоаккумуляцию

Склонность экотоксикантов к биоаккумуляции зависит от ряда факторов. Первый

- персистирование ксенобиотика в среде. Степень накопления вещества в

организме, в конечном счете, определяется его содержанием в среде.

Вещества, быстро элиминирующиеся, в целом, плохо накапливаются в организме.

Исключением являются условия, при которых поллютант постоянно привносится в

окружающую среду (регионы близ производств и т.д.).

Так, синильная кислота, хотя и токсичное соединение, в силу высокой

летучести не является, по мнению многих специалистов, потенциально опасным

экополлютантом. Правда, до настоящего времени не удалось полностью

исключить, что некоторые виды заболеваний, нарушения беременности у женщин,

проживающих близ золотодобывающих предприятий, где цианиды используются в

огромных количествах, не связаны с хроническим действием вещества.

После поступления веществ в организм их судьба определяется

токсикокинетическими процессами (см. соответствующий раздел). Наибольшей

способностью к биоаккумуляции обладают жирорастворимые (липофильные)

вещества, медленно метаболизирующие в организме. Жировая ткань, как

правило, основное место длительного депонирования ксенобиотиков. Так,

спустя много лет после воздействия, высокое содержание ТХДД обнаруживали в

биоптатах жировой ткани и плазме крови ветеранов армии США, участников

вьетнамской войны. Однако многие липофильные вещества склонны к сорбции на

поверхностях различных частиц, осаждающихся из воды и воздуха, что снижает

их биодоступность. Например, сорбция бензпирена гуминовыми кислотами

снижает способность токсиканта к биоаккумуляции тканями рыб в три раза.

Рыбы из водоемов с низким содержанием взвешенных частиц в воде аккумулируют

большее количество ДДТ, чем рыбы из эвтрофических водоемов с высоким

содержанием взвеси.

Вещества, метаболизирующие в организме, накапливаются в меньшем количестве,

чем можно было бы ожидать, исходя из их физико-химических свойств

Межвидовые различия значений факторов биоаккумуляции ксенобиотиков во

многом определяются видовыми особенностями их метаболизма.

Биоаккумуляция может лежать в основе не только хронических, но и

отсроченных острых токсических эффектов. Так, быстрая потеря жира, в

котором накоплено большое количество вещества, приводит к выходу токсиканта

в кровь. Мобилизация жировой ткани у животных нередко отмечается в период

размножения. В экологически неблагополучных регионах это может

сопровождаться массовой гибелью животных при достижении ими половой

зрелости. Стойкие поллютанты могут также передаваться потомству, у птиц и

рыб - с содержимым желточного мешка, у млекопитающих - с молоком кормящей

матери. При этом возможно развитие эффектов у потомства, не проявляющихся у

родителей.

Экотоксикодинамика - раздел экотоксикологиии, рассматривающий конкретные

механизмы развития и формы токсического процесса, вызванного действием

экотоксикантов на биоценоз и/или отдельные виды, его составляющие.

Механизмы, посредством которых вещества могут вызывать неблагоприятные

эффекты в биогеоценозах, многочисленны и, вероятно, в каждом конкретном

случае, уникальны. Вместе с тем, они поддаются классификации. Так, можно

выделить прямое, опосредованное и смешанное действие экотоксикантов.

Прямое действие - это непосредственное поражение организмов определенной

популяции или нескольких популяций (биоценоза) экотоксикантом или

совокупностью экотоксикантов данного ксенобиотического профиля среды.

Примером веществ с подобным механизмом действия на человека является

кадмий. Этот метал накапливается в организме даже при минимальном его

содержании в среде и при достижении критической концентрации инициирует

токсический процесс проявляющийся поражением дыхательной системы, почек,

иммуносупрессией и канцерогенезом.

Опосредованное - это действие ксенобиотического профиля среды на

биотические или абиотические элементы среды обитания популяции, в

результате которого условия и ресурсы среды перестают быть оптимальными для

её существования.

Многие токсиканты способны оказывать как прямое, так и опосредованное, т.е.

смешанное действие. Примером веществ, обладающих смешанным механизмом

экотоксического действия, являются в частности гербициды 2,4,5-Т и 2,4-Д,

содержащие в качестве примеси небольшое количество 2,3,7,8-тетрахлордибензо-

р-диоксин (ТХДД). Широкое использование этих веществ американской армией во

Вьетнаме нанесло значительный ущерб растительному, животному миру страны и

непосредственно здоровью людей.

Экотоксичность - это способность данного ксенобиотического профиля среды

вызывать неблагоприятные эффекты в соответствующем биоценозе. В тех

случаях, когда нарушение естественного ксенобиотического профиля связано с

избыточным накоплением в среде лишь одного поллютанта, можно условно

говорить об экотоксичности только этого вещества.

В соответствии с представлением об уровнях организации биологических систем

в экологии принято выделять три раздела (Г.В. Стадницкий, А.И. Родионов,

1996):

- аутэкологию - описание экологических эффектов на уровне организма;

- демэкологию - экологические эффекты на уровне популяции;

- синэкологию - эффекты на уровне биоценоза.

В этой связи и неблагоприятные экотоксические эффекты, целесообразно

рассматривать:

- на уровне организма (аутэкотоксические) - проявляются снижением

резистентности к другим действующим факторам среды, понижением активности,

заболеваниями, гибелью организма, канцерогенезом, нарушениями

репродуктивных функций и т.д.

- на уровне популяции (демэкотоксические) - проявляются гибелью популяции,

ростом заболеваемости, смертности, уменьшением рождаемости, увеличением

числа врожденных дефектов развития, нарушением демографических

характеристик (соотношение возрастов, полов и т.д.), изменением средней

продолжительности жизни, культурной деградацией.

- на уровне биогеоценоза (синэкотоксические) - проявляются изменением

популяционного спектра ценоза, вплоть до исчезновения отдельных видов и

появления новых, не свойственных данному биоценозу, нарушением межвидовых

взаимоотношений.

В случае оценки экотоксичности лишь одного вещества в отношении

представителей только одного вида живых существ, в полной мере могут быть

использованы качественные и количественные характеристики, принятые в

классической токсикологии (величины острой, подострой, хронической

токсичность, дозы и концентрации, вызывающие мутагенное, канцерогенное и

иные виды эффектов и т.д.). Однако в более сложных системах, экотоксичность

цифрами (количественно) не измеряется, она характеризуется целым рядом

показателей качественно или полуколичественно, через понятия УопасностьФ

или Уэкологический рискФ.

В зависимости от продолжительности действия экотоксикантов на экосистему

можно говорить об острой и хронической экотоксичности.

Острая экотоксичность

Острое токсического действия веществ на биоценоз может явиться следствием

аварий и катастроф, сопровождающихся выходом в окружающую среду большого

количества относительно нестойкого токсиканта или неправильного

использования химикатов.

Истории уже известны такие события. Так, в 1984 году в г. Бхопал (Индия) на

заводе американской химической компании по производству пестицидов УЮнион

КарбайдФ произошла авария. В результате в атмосферу попало большое

количество пульмонотропного вещества метилизоцианата. Будучи летучей

жидкостью, вещество образовало нестойкий очаг заражения. Однако отравлению

подверглись около 200 тыс. человек, из них 3 тысячи - погибли. Основная

причина смерти - остро развившийся отек легких.

Другой известный случай острой токсикоэкологической кататстрофы имел место

в Ираке. Правительством этого государства была закуплена большая партия

зерна а качестве посевного материала. Посевное зерно с целью борьбы с

вредителями подвергалось обработке фунгицидом метилртутью. Однако эта

партия зерна случайно попала в продажу и была использована для выпечки

хлеба. В результате этой экологической катастрофы отравление получили более

6,5 тыс. человек, из которых около 500 погибли.

В 2000 году в Румынии, на одном из предприятий по добыче драгоценных

металлов, в результате аварии произошла утечка синильной кислоты и цианид-

содержащих продуктов. Токсиканты в огромном количестве поступили в воды

Дуная, отравив все живое на протяжении сотен километров вниз по течению

реки.

Величайшим экологическим бедствием является использование высокотоксичных

химических веществ с военными целями. В годы первой мировой войны воюющими

странами было использовано на полях сражений около 120 тыс. тонн

отравляющих веществ. В результате отравление получили более 1,3 млн.

человек, что можно рассматривать, как одну из крупнейших в истории

человечества экологических катастроф.

Острое экотоксическое действие не всегда приводит к гибели или острым

заболеванием людей или представителей других биологических видов,

подвергшихся воздействию. Так, среди ОВ, применявшихся в первую мировую

войну, был и сернистый иприт. Это вещество, являясь канцерогеном, стало

причиной поздней гибели пораженных от новообразований.

Хроническая экотоксичность

С хронической токсичностью веществ, как правило, ассоциируются сублетальные

эффекты. Часто при этом подразумевают нарушение репродуктивных функций,

иммунные сдвиги, эндокринную патологию, пороки развития, аллергизацию и

т.д. Однако хроническое воздействие токсиканта может приводить и к

смертельным исходам среди особей отдельных видов.

Проявления действия экотоксикантов на человека могут быть самыми

разнообразными и при определенных уровнях интенсивности воздействия

оказываются достаточно специфичными для действующего фактораВ большинстве

случаев экотоксиколог сталкивается со случаями именно хронической

экотоксичности. По сути, хроническое воздействие экополлютантов - основная

проблема экологии.

Механизмы экотоксичности

В современной литературе приводятся многочисленные примеры механизмов

действия химических веществ на живую природу, позволяющие оценить их

сложность и неожиданность.

Прямое действие токсикантов, приводящее к массовой гибели представителей

чувствительных видов. Применение эффективных пестицидов приводит к массовой

гибели вредителей: насекомых (инсектициды) или сорняков (гербициды). На

этом экотоксическом эффекте строится стратегия использование химикатов.

Однако в ряде случаев отмечаются сопутствующие негативные явления. Так в

Швеции, в 50-60 гг. для обработки семян зерновых культур широко

использовали метилртутьдицианамид. Концентрация ртути в зерне составляла

более 10 мг/кг. Периодическое склевывание протравленного семенного зерна

птицами привело к тому, что через несколько лет была отмечена массовая

гибель фазанов, голубей, куропаток и других зерноядных пернатых от

хронической интоксикации ртутью.

При оценке экологической обстановки необходимо иметь в виду основной закон

токсикологии: чувствительность различных видов живых организмов к

химическим веществам всегда различна. Поэтому появление поллютанта в

окружающей среде даже в малых количествах может быть пагубным для

представителей наиболее чувствительного вида. Так, хлорид свинца убивает

дафний в течение суток при содержании его в воде в концентрации около 0,01

мг/л, малоопасной для представителей других видов.

Прямое действие ксенобиотика, приводящее к развитию аллобиотических

состояний и специальных форм токсического процесса. В конце 80-х годов в

результате вирусных инфекций в Балтийском, Северном и Ирландском морях

погибло около 18 тысяч тюленей. В тканях погибших животных находили высокое

содержание полихлорированных бифенилов (ПХБ). Известно, что ПХБ, как и

другие хлорсодержащие соединения, такие как ДДТ, гексахлорбензол, диелдрин

обладают иммуносупрессивным действием на млекопитающих. Их накопление в

организме и привело к снижению резистентности тюленей к инфекции. Таким

образом, непосредственно не вызывая гибели животных, поллютант существенно

повышал их чувствительность к действию других неблагоприятных экологических

факторов.

Классическим примером данной формы экотоксического действия является

увеличение числа новообразований, снижение репродуктивных возможностей в

популяциях людей, проживающих в регионах, загрязненных экотоксикантами

(территории Южного Вьетнама - диоксин).

Эмбриотоксическое действие экополлютантов. Хорошо установлено, что ДДТ,

накапливаясь в тканях птиц, таких как кряква, скопа, белоголовый орлан и

др., приводит к истончению скорлупы яиц. В итоге птенцы не могут быть

высижены и погибают. Это сопровождается снижением численности популяции

птиц.

Примеры токсического действия различных ксенобиотиков (в том числе

лекарственных препаратов) на эмбрионы человека и млекопитающих широко

известны (см. раздел УТератогенезФ).

Прямое действие продукта биотрансформации поллютанта с необычным эффектом.

Полевые наблюдения за живородящими рыбами (карпозубые) в штате Флорида

позволили выявить популяции с большим количеством самок с явными признаками

маскулинизации (своеобразное поведение, модификация анального плавника и

т.д.). Эти популяции были обнаружены в реке, ниже стока завода по

переработке орехов. Первоначально предположили, что стоки содержат

маскулинизирующие вещества. Однако исследования показали, что такие

вещества в выбросах отсутствуют: сточная вода не вызывала маскулинизацию.

Далее было установлено, что в сточных водах содержался фитостерон,

(образуется в процессе переработки сырья), который попав в воду реки

подвергался воздействию обитающих здесь бактерий и превращался при их

участии в андроген. Последний и вызывал неблагоприятный эффект

Экотоксикометрия - раздел экотоксикологии, в рамках которого

рассматриваются методические приемы позволяющие оценить (перспективно или

ретроспективно) экотоксичнсоть ксенобиотиков.

Все виды классических количественных токсикологических исследований в

полной мере используются для определения экотоксичности ксенобиотиков (см

раздел Токсикометрия).

Острая токсичность экополлютантов определяется экспериментально на

нескольких видах, являющихся представителями различных уровней трофической

организации в экосистеме (водоросли, растения, беспозвоночные, рыбы, птицы,

млекопитающие). Агентство по защите окружающей среды США требует при

определении критериев качества воды, содержащей некий токсикант,

определения его токсичности, по крайней мере, на 8 различных видах

пресноводных и морских организмов (16 тестов).

Неоднократно делались попытки ранжировать виды живых существ по их

чувствительности к ксенобиотикам. Однако для различных токсикантов

соотношение чувствительности к ним живых существ различно. Более того,

использование в экотоксикологии Устандартных видовФ представителей

определенных уровней экологической организации, для определения

экотоксичности ксенобиотиков, с научной точки зрения, не корректно,

поскольку чувствительность животных даже близких видов, порой отличается

очень существенно.

Условные данные для оценки токсичности веществ для биоты представлены в

таблице 6.

Таблица 6. Группы токсичности ксенобиотиков для позвоночных животных

|LC50 для рыб |LD50 для птиц и млекопитающих|Степень |Пример |

|(мг/л) |(мг/кг) |токсичности | |

|более 100 |более 5000 |мало токсичные|барий |

|10 - 100 |500 - 5000 | |кадмий |

|1 - 10 |50 - 500 |умеренно |дихлорбенз|

|менее 1 |менее 50 |токсичные |ол |

| | |токсичные |алдрин |

| | |высоко | |

| | |токсичные | |

При оценке экотоксичности необходимо учитывать, что хотя практически все

вещества могут вызывать острые токсические эффекты, хроническая токсичность

выявляется далеко не у каждого соединения. Косвенной величиной, указывающей

на степень опасности вещества при его хроническом действии, является

соотношение концентраций, вызывающих острые (ЛК50) и хронические (порог

токсического действия) эффекты. Если это соотношение менее 10, вещество

рассматривается как малоопасное при хроническом воздействии (таблица 7).

Таблица 7. Острая и хроническая токсичность пестицидов для рыб (условия

лаборатории)

|Пестицид |ЛК50 |Токсичнос|Порог действия* |Коэффициент |

| |(мкг/л) |ть |(мкг/л) |опасности |

|эндосульфа|166 |высокая |4,3 |39 |

|н |10 |высокая |0,3 |33 |

|хлордекон |3000 |токсичен |340 |8,8 |

| |15000 | |378 |40 |

|малатион | |умеренная| | |

|карбарил | | | | |

*Пороговая концентрация вещества, по критерию хроническая токсичность

При оценке хронической экотоксичности вещества необходимо учитывать

следующие обстоятельства:

1. Определение коэффициента опасности является лишь самым первым шагом по

определения экотоксического потенциала вещества. В условиях лаборатории

пороговые концентрации хронического действия токсикантов определяют,

оценивая показатели летальности, роста, репродуктивных способностей группы.

Изучение других последствий хронического действия веществ порой может

привести к иным числовым характеристикам.

2. Исследования токсичности проводят на животных, пригодных для содержания

в условиях лаборатории. Получаемые при этом результаты нельзя рассматривать

как абсолютные. Токсиканты могут вызывать хронические эффекты у одних

видов, и не вызывать - у других.

3. Взаимодействие токсиканта с биотическими и абиотическими элементами

окружающей среды может существенно сказаться на его токсичности в

естественных условиях (см. выше). Однако это не подлежит изучению в

условиях лаборатории.

Специфическим методом экотоксикометрии является метод оценки экологического

риска.

Оценка экологического риска

Важнейшей характеристикой ксенобиотиков с позиции экотоксикологии является

их экотоксическая опасность. Опасность - это потенциальная способность

вещества в конкретных условиях вызывать повреждение биологических систем

при попадании в окружающую среду. Потенциальная опасность вещества,

определяется его стойкостью в окружающей среде (персистирование),

способностью к биоаккумуляции (накопление в организмах животных и

растений), величиной токсичности для представителей различных биологических

видов.

Оценка экологического риска - это процесс определения вероятности развития

неблагоприятных эффектов со стороны биогеоценозов (включая популяции

человека) в результате изменений различных характеристик среды. Важным

элементом оценки экологического риска является выявление опасности,

связанной с возможным массивным воздействием на среду различных химических

веществ (изменение естественного ксенобиотического профиля среды) и

определение вероятности такого воздействия. В системе оценки экологического

риска любое воздействие (будь то химический фактор или энергетическое

поле), вызывающее изменения в биологических системах (как позитивные, так и

негативные), называется стрессором. В этом смысле любой экотоксикант -

несомненно стрессор.

Страницы: 1, 2