Миронин А.В. Химия окружающей среды. Биологическая безопасность (курс лекций)

Подождите немного. Документ загружается.

Химический закон устанавливает правила допуска на рынок всех новых

химических продуктов; такие виды химических материалов, как взрывчатые

вещества, медикаменты и средства защиты растений, и ранее выпускались в

продажу в соответствии с инструкциями и предписаниями государственных

органов.

Несмотря на многолетний опыт, в настоящее время по целому ряду причин

остаются нерешенными проблемы по оценке токсичности химических продуктов

для человека, и в большей степени по отношению к окружающей среде.

Используемые в настоящее время подходы и методы испытаний в условиях

окружающей среды требуют дальнейшего усовершенствования, поскольку они

выработаны, в основном, на имитационных моделях. Это особенно важно для

оценки воздействий на биологические объекты, поскольку использование данных,

полученных в лаборатории, и в том числе лишь для аналогичных по структуре

веществ, всегда недостаточно надежно для оценки поведения химических

продуктов в естественных условиях. Исчерпывающее исследование воздействий

вещества может быть реализовано только после того, как будет получена полная

информация об экспозиции (действующей дозе) химических веществ,

поступающих в окружающую среду.

На рис. 5.1 схематически показано, какие биологические процессы

определяют судьбу химического продукта в окружающей среде.

2 ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ

2.1 Значение эколого-химических и экотоксикологических данных

для родственных областей исследования

Экологическая химия находится на стыке целого ряда научных дисциплин и

во многом соприкасается и перекрывается со смежными научными

направлениями, среди которых можно назвать биологические и геологические

науки, в то же время экотоксикология тесно связана с медико-

фармакологическими дисциплинами. Экологическая химия изучает изменения

химических веществ под воздействием факторов окружающей среды, причем

центральной задачей является изучение поведения антропогенных веществ, т. е.

их содержания (концентрации в окружающей среде), процессов разложения,

превращения и накопления в организмах и окружающей среде.

Исследованием воздействия этих веществ на организм на различных уровнях

(клетка, отдельный орган и организм в целом, популяция и экосистема)

занимается экотоксикология, поскольку при таких исследованиях выявляются

изменения состояния и возникают предположения о возможности прямого или

косвенного вредного воздействия. Экотоксикология основывается на

достижениях экологической химии. Для решения общих проблем необходима

интенсивная совместная работа экотоксикологов с биологами, экологами,

специалистами-аграрниками, медиками и химиками.

Медицинскими дисциплинами, непосредственно связанными с

экологической химией, являются фармакология и токсикология, а в последнее

время все в большем объеме привлекается и эпидемиология. Сумма результатов,

полученных на основе эколого-химических и медицинских исследований,

является основой для полноценной характеристики вредных веществ, которая

включает изменения, как вызванные превращениями этих веществ, так и их

воздействием на организм.

2.2 Определение и задачи экотоксикологии

В самом названии этой дисциплины ярко проявляется ее связь с

исследованием экосистем, причем не имеет значения, рассматриваются

природные или культурные (созданные человеком) экосистемы, такие как

городские, сельские или лесохозяйственные системы.

Таблица 1- Схема возможных последствий воздействия химических

продуктов на экосистемы

Полное разрушение экосистемы в результате выпадения целостной

интактной структуры (биотопа) и ее функций (биоценоза)

Пример: Уничтожение мангровых лесов в результате применения

гербицидов в качестве химического оружия во Вьетнамской войне

Глубокие изменения биотопа

Пример: засоление пресноводных биотопов; „современное

ухудшение состояния лесов"

Постоянное загрязнение биотопов

Пример: эвтрофикация рек и озер в результате попадания в них

значительных количеств растворенных и связанных соединений азота

и фосфора

Массированные загрязнения

Пример: Загрязнение побережья и эстуариев рек нефтью

при авариях танкеров

Широко распространившееся уменьшение видового разнообразия

организмов

Пример: Использование пестицидов и удобрений в аграрных

экосистемах

Направленное уничтожение отдельных видов растений и животных

Пример: альгицидные, фунгицидные, акарицидные, гербицидные,

инсектицидные мероприятия, в особенности в урбанизированных

экосистемах

Под вредным воздействием, наносимым соответствующей системе в

экотоксикологии понимают :

- явственные изменения обычных колебаний численности популяции;

- долгосрочные или необратимые изменения состояния экосистемы.

К важнейшим задачам экотоксикологии относятся выявление степени

вредного воздействия (в качественном и количественном отношении) и

разработка лечебных мероприятий. Возможные последствия и формы вредного

воздействия химических веществ можно классифицировать в соответствии с

диаграммой, приведенной в табл.1

Другой важной задачей экотоксикологии является выявление изменений

видового состава и функций экосистемы.

В первом случае последствия могут проявляться как в количественном, так и

в качественном отношении. Исследования колебаний видового состава, а также

взаимосвязей видов на одном трофическом уровне имеют преимущественно

качественный характер. Хотя и ранее дискутировался вопрос о том, является ли

разнообразие видов (диверсификация) признаком высокой стабильности

экосистемы, снижение диверсификации является более отягощающим фактором,

чем уменьшение плотности заселения; для экотоксикологов этот фактор особенно

важен, потому что уменьшение числа видов может повлечь за собой исчезновение

существовавших ранее организмов-индикаторов. Если проводятся

эпидемиологические исследования, то выпадение или снижение численности

ведущих видов организмов требует проведения анализа тенденций развития

биологических сообществ. Такие исследования являются еще одной задачей

экотоксикологии, так как они могут способствовать выявлению степени риска и

предотвращению опасных явлений.

Такое же важное значение, как и структурно-видовые изменения, имеют

функциональные нарушения в экосистеме. Здесь речь идет в принципе о

контрольных количественных параметрах роста организмов и обмена веществ.

Измерения объемных показателей роста растений являются чувствительным

методом обнаружения возможного влияния вредных веществ, особенно в области,

близкой к границе токсичности. Снижение показателей биопродуктивности

высших растений (деревьев) в некоторых случаях количественно обнаруживается

только через несколько лет. Однако в качестве дополнительного критерия может

служить снижение фотосинтетической активности. Функции экосистемы можно

проанализировать на основе изучения функциональных свойств, указанных в

табл. 2.

Таблица 2 - Анализ функциональных свойств экосистем

- Пищевые циклы

Биохимические круговороты важнейших пищевых

веществ, например углеродный, фосфатный и

азотный циклы

-Цепи питания

Путь пищевых веществ от первичного до конечного

потребителя

- Характер распределения и биопродуктивности

Пространственное и временное распределение

биопродуктивности организмов

- Энергетические циклы

Например, определение скорости „переворота"

пищевой пирамиды

-Механизмы регулирования

Кибернетика и математическое моделирование

Если под экотоксикологией понимать одно из направлений исследования

экосистем, то ее важнейшими частями должны быть проблемы сохранения (при

работе с ненарушенными экосистемами) и восстановления (для уже

пострадавших систем). Обе эти цели могут быть достигнуты лишь на пути

функционального моделирования. Однако в связи с тем, что нет никакой

универсальной модели, разработка таких моделей, а также создание

лабораторных и математических моделей, или подобные исследования в

естественных условиях проводят исходя из поставленной цели для решения

какой-либо конкретной проблемы.

Для того чтобы создать функциональную экотоксикологическую модель,

необходимо составить логическую последовательность испытаний. На

промежуточной стадии на основе полученного массива данных и характерных

признаков необходимо сделать выборку наиболее надежных и информативных

сведений. На этой основе проводят построение требуемой модели. Решающим

критерием для принятия модели за основу является испытание ее адекватности в

реальных условиях, в экосистеме (верификация).

Поскольку в сельском хозяйстве целенаправленно применяются химические

препараты, при исследовании площадей, предназначенных для

сельскохозяйственного производства, часто использовались

экотоксикологические методы. По своему видовому составу аграрные системы

легче поддаются изучению, чем природные или близкие к природным

экосистемы. Однако и здесь требуются довольно дорогие исследования для

количественной оценки экотоксикологического влияния агрохимических

препаратов.

Следует отказаться от применения термина экотоксичность, поскольку он

предполагает точное и однозначное воздействие вещества на природу. В

действительности это невозможно ввиду сложной структуры и путей

взаимодействия химического вещества с природными объектами

(индивидуальное, суммарное, синергическое, антагонистическое воздействия).

Даже само понятие «экотоксикология» имеет некоторую неопределенность,

поскольку оно появилось в виде кальки с английского есоtохiсо1оgу.

3 ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОТДЕЛЬНЫЕ ОСОБИ И ПОПУЛЯЦИИ

Способность (или ее отсутствие) организма выводить поступившие в него

посторонние вещества и восстанавливать нарушенное физиологическое

равновесие в решающей степени зависит от окружающих условий и молекулярно-

биологического потенциала самого организма. В принципе все растения и

животные способны в определенной мере выводить довольно высокие

концентрации природных или иных посторонних веществ из организма

экскрецией (например, в виде водорастворимых метаболитов), либо связывая их в

своих тканях (например, галогенированные органические соединения в жировых

тканях). Все процессы разложения, экскреции и отложения (связывания)

называют выведением (или элиминированием); они могут происходить в

организме либо последовательно, либо одновременно (что бывает реже).

Воздействие (W) можно представить в виде интеграла разности „сумма

концентраций (К) поглощенных веществ минус сумма концентраций

выделившихся веществ (Е)" за время t

Отсюда ясно, что нельзя подойти к сублетальной концентрации, если

величина Е близка к К. Поэтому любая кривая зависимости „воздействие — доза"

начинается с нуля. На рис. 1 представлены идеализированные кривые такой

зависимости, предельные дозы (пороги) и соответствующие степени нанесенного

вредного воздействия.

Любое воздействие начинается с токсического порога, ниже которого не

обнаруживается влияние вещества (No observed effect concentraition, NOEK —

концентрация, ниже которой не наблюдается воздействие). Ему отвечает понятие

экспериментально определяемого порога концентрации (Lowest observed effect

concentraition ,LOEС— минимальная концентрация, при которой наблюдается

влияние вещества). Применяется также третий параметр: Махimum acceptable

toksikaut concentraition (МАТС) — максимально допустимая концентрация

вредного вещества (в отечественной литературе принят термин ПДК —-

„предельно допустимая концентрация". ПДК находят расчетом, и ее значение

должно находиться между NOEC и LOEC.

Доза

Рис. 1 -Теоретическая зависимость воздействия от дозы (доза представлена в

логарифмической шкале; показаны зависимости в различном положении и

различной крутизны)

Определение этой величины облегчает оценку риска воздействия

соответствующих веществ на чувствительные к ним организмы.

Время и эффект вредного воздействия могут не всегда коррелировать друг с

другом. Бывают заметные биохимические изменения, нарушения поведения,

различные формы сублетальных явлений на физиологическом/морфологическом

уровне, долговременные (отсроченные) вредные эффекты, приводящие к гибели

организма, и, наконец, быстрая смерть. Перечисленные здесь явления не всегда

происходят в указанной последовательности. За счет увеличения скорости

экскреции, например через почки или у одноклеточных через стенки клетки,

токсическая концентрация может снова снизиться до „переносимого" значения.

Кроме того, инактивированные вначале вредным веществом ферментные системы

после регенерации могут восстановить свою метаболическую активность и

способствовать детоксикации.

3.1. Молекулярно-биологические воздействия

Объем биоаккумуляции вредного вещества зависит прежде всего от его

свойств, условий окружающей среды, экзогенных факторов и эндогенных

факторов самого организма. Вредные вещества могут поступать из воды и

воздуха (прямое поступление) или по цепи питания (косвенное поступление).

Баланс между процессом поступления вредного вещества, с одной стороны, и

накоплением и выделением — с другой, в большей степени зависит от

внутренних процессов в организме, т. е. от его способности к накоплению и

выделению вредных веществ. Некоторые организмы создали определенные

механизмы поддержания процесса накопления в определенных „переносимых"

границах. Например, рыбы и ракообразные перерабатывают (метаболизируют)

ароматические углеводороды легче, чем большинство моллюсков. Кроме того,

организм рыбы способен регулировать содержание меди и цинка в мышцах,

однако не может этого делать в отношении ртути (болезнь Минамата). Многие

водные насекомые накапливают в своем теле металлы на уровне их концентрации

в окружающей среде.

При очень малых дозах воздействия металлов некоторые ферменты

осуществляют отложение металлов про запас „под контролем", причем

откладывают эти металлы в форме металлорганических соединений, содержащих

серу. Тиольные группы меркаптанов (буквальный перевод „улавливающие

ртуть"), например, имеют кислотные свойства и образуют с ионами тяжелых

металлов соли (меркаптиды). Эта реакция соответствует одному из самых

известных конкурентных путей торможения активности ферментов, причем Аu,

Сu, Нg, Рb являются предпочтительными реакционными партнерами. Такие

металлорганические соединения, содержащие серу, называют металлотионинами.

В последних работах по исследованию токсических последствий

табакокурения показано, что в коре почек человека обнаруживается высокая

концентрация тионина кадмия. Заядлые курильщики относятся к лицам,

подвергающимся высокой дозе воздействия этого металла, что может привести к

хроническому почечному отравлению кадмием и необратимым нарушениям

проксимальных трубчатых клеток почек. У курящих обнаружено увеличенное в

два раза по сравнению с некурящими содержание кадмия в коре почек. Свыше

50% кадмия откладывается в виде металлотионинов, остальной кадмий связан с

лигандами иной природы.

Многие ферменты специфически ингибируются химическими веществами,

поступающими в организм из окружающей среды. Такое ингибирование

происходит, например, в результате реакции активной тиольной группы с

окислителем. При этом меркаптаны через соединения серы, аналогичные

пероксидам, преобразуются в сульфоновые кислоты, а затем в дисульфиды. Так,

например, цистеин переходит в цистин с образованием дисульфидного мостика.

Преобразование в пептидах и белках нескольких групп цистеина часто приводит к

потере каталитической активности некоторых ферментов.

Цианиды тормозят ферментативные реакции различными путями: образуют

стабильные комплексы со многими ионами металлов либо устраняют их и

переводят фермент в дезактивированную форму. Цианиды реагируют также с

карбонильными и про-стетическими группами или разрывают дисульфидные

мостики. Наиболее известно блокирование фермента дыхания — цитохром-с-

оксидазы, содержащей медь и осуществляющей катализ, сопровождающийся

изменением валентности меди.

Так как ферменты катализируют тысячи химических реакций, становится

понятным, что любое изменение их структуры глубоко влияет на их

специфичность и регуляторные свойства. Примером может служить торможение

ферментативной активности рибофлавинкиназы. Этот фермент является

переносчиком фосфата на рибофлавин (витамин В

) и требует наличия катионов

магния, кобальта и марганца для нормального функционирования в клетках

животных. Катионы кальция тормозят активность этого фермента.

3.2 Нарушения обмена веществ и регуляторных процессов в клетке

под действием химических веществ

Реакции обмена веществ в клетке, регулируемые ферментами, -„метаболизм

клеток" — могут быть нарушены под действием веществ. Химические вещества,

реагируя с гормонами с другими регуляторными системами, вызывают

неконтролируемые превращения. Если под действием токсического вещества,

находящегося в окружающей среде, изменяется генетический код, то в организме

не может осуществляться синтез ферментов в активной форме.

Нарушение реакций окислительного расщепления углеводов, вызываемое

токсичными металлами, также хорошо изучено и рассматривается ниже на двух

примерах реакций глюкозы. Фосфорилирование глюкозы ферментом

гексокиназой особенно замедляется соединениями меди и мышьяка.

Каталитические свойства фермента фосфоглицерат-мутазы, принимающей

участие в превращении 3-фосфоглицериновой кислоты в 2-фосфоглицериновую

кислоту, ослабляются под влиянием соединений ртути.

Ряд органических соединений, таких как пентахлорфенол, триэтилсвинец,

триэтилцинк и 2,4-динитрофенол, разрывает цепь химических процессов дыхания

на стадии реакции окислительного фосфорилирования. При этом окислительно-

восстановительные системы не работают, но продолжается образование АТФ, что

приводит к усилению дыхания.

Линдан, соединения кобальта и селена нарушают процесс расщепления

жирных кислот. Пока не ясно, происходят эти нарушения в процессе В-окисления

на ацетил-коферменте А или они затрагивают и цитратный цикл. При длительной

экспозиции инсектицидов на рыб обнаруживается аддитивность действия и

повышается ферментативная активность при синтезе жиров .

Микросомы печени, осуществляющие обмен веществ при образовании

стероидных гормонов и жирных кислот, могут либо стимулироваться под

действием посторонних веществ, либо их активность подавляется. (Следует также

учитывать изменения эндо-плазматических ретикулярных клеток из-за

повреждений микросомы.) Органические эфиры фосфорной кислоты,

четыреххлористый углерод и СО вызывают снижение ферментативной

активности микросом.

Доказано воздействие многих хлорорганических соединений и

полиароматических углеводородов на ферментативную активность микросом.

Хлордан, диэльдрин, ПХБ и ДДТ вызывают ускорение гидроксилирования

(дезактивации) таких стероидных гормонов, как андроген, эстроген и

глюкокортикоиды.

В процессе биологического синтеза белков особенно легко повреждаются

содержащие тиольные группы аминацил-тРНК-синтетазы в результате уже

упомянутого влияния окислителей.

В регуляторных процессах и процессах роста растений их клетки

подвергаются действию „ауксиноподобных" гербицидов. Широкой известностью

пользуется дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д), которая селективно

блокирует рост лиственных растений и находит применение при выращивании

пшеницы. В очень малых концентрациях „ауксиновые" гербициды проявляют

такие же способствующие росту растений свойства, как и природный фитогормон

(например, индолил-3-уксусная кислота). Если же их применяют в повышенных

концентрациях для уничтожения растений, то они нарушают нормальное развитие

и рост клеток и в конце концов убивают их. Причиной аномального роста

являются нарушения метаболизма нуклеиновых кислот; синтетические ауксины,

вероятно, реагируют как простетические группы ферментов.

У животных известны нарушения нормального роста и развития при

болезнях щитовидной железы. Они могут быть вызваны, например,

хлорорганическими пестицидами и ПХВ, причем проявляется поразительное

сходство структуры бифенилов и гормона щитовидной железы — тиронина

(бифенилэфира).

3.3 Мутагенность и канцерогенность

Уже в течение многих лет известно, что повсеместно распространенные

вещества, такие как ДДТ, ПХБ и полиароматические углеводороды (ПАУ),

потенциально обладают мутагенным и канцерогенным воздействием.

Их опасное действие на человека проявляется в результате длительного

контакта этих веществ, содержащихся в воздухе и пищевых продуктах. По

данным, полученным на основе экспериментов с животными, канцерогенное

действие осуществляется в результате двухступенчатого механизма:

„генотоксической инициации" и „эпигенетического промотирования".

Инициаторы в процессе взаимодействия с ДНК вызывают необратимые

соматические мутации, причем достаточно очень малой дозы инициатора;

предполагают, что для этого воздействия не существует пороговых значений

концентрации, ниже которых оно не проявляется.

Промотору требуется более длительное время воздействия на организм,

чтобы он вызвал появление опухоли. Промоторы имеют очень большое значение,

поскольку они усиливают действие инициатора, а их собственное воздействие на

организм в течение некоторого времени является обратимым. На основании

экспериментов с животными показано, что фенобарбитал, ДДТ, ТХДД, ПХБ и

хлороформ являются промоторами. Промотирующее действие

гепатоканцерогенов обнаруживают по увеличению так называемых

пренеопластических клеточных образований .

Уже доказано мутагенное действие ПАУ (например, бензопиренов),

нитроароматических соединений и многих пестицидов, типичных химических

продуктов, поступающих в водоемы и почву. Многие соединения обладают

генотоксическим потенциалом, т. е. способны приводить к значительным

генетическим изменениям. Мутагены могут вызвать генетическую мутацию или

привести к мутациям более крупных биохимических единиц (например, таких,

как хромосомы, ДНК), образованию аддуктов, разрыву цепочки, невозможности

восстановления структуры. Следующими стадиями мутаций могут оказаться

хромосомная аберрация, обмен хроматид и т. п.

Процесс возникновения мутаций можно легко представить себе на примере

реакций алкилирующих веществ. Введением алкильных групп в основания ДНК

(например, гуанин) последние выводятся из ДНК, что приводит к прекращению

воспроизведения последовательности оснований в цепочке ДНК. Нитриты также

способствуют мутациям, например, в процессе которых происходит

дезаминирование цитозина в урацил или аденина в гипоксантин . Так как урацил

и гипоксантин также способны к реакциям присоединения, как тимин и гуанин,

это приводит к изменениям транскрипции цепи ДНК.

Рассмотренное воздействие химических веществ на гены в зависимости от

того, происходит оно в половой клетке или соматической, приводит либо к

наследуемым изменениям, либо к фенотипическим изменениям в организме.

Обычно мутагенными воздействиями называют лишь те, которые вызывают

наследуемые изменения последовательности нуклеотидов гена, определяющей

строение белка.

В нереплицируемых соматических клетках искажение процесса

транскрипции приводит к необратимому повреждению ДНК, а следовательно, к

изменениям фенотипа клеток. Однако благодаря тому, что такие изменения не

наследуются, их нельзя называть генетическими в обычном понимании этого

термина.

Хромосомные аберрации в половых клетках приводят к смерти эмбриона или

аномалиям развития новорожденных. Воздействия на соматические клетки,

вызванные химическими веществами», как например, нарушения митоза, трудно

распознаются и их ряд ли удастся прогнозировать. Это объясняется тем, что такие

клетки изолируются и заменяются на здоровые самим организмом.

Основными критериями возникновения мутагенеза (канцерогенеза) под

действием химических веществ являются следующие.

— Активирование ферментов, изменения ДНК, а также других макромолекул

и нуклеофильных групп при воздействии электрофильных веществ.

— Клетки лишь ограниченно способны удалять химически

модифицированные участки ДНК и восстанавливать ее структуру.

— Способность химических веществ активировать ферменты в значительной

степени зависит от вида клетки и стадии ее развития (фазы пролиферации), а

также от вида организма.

— Канцерогенез представляет собой многоступенчатый процесс,

обусловленный последовательностью синергически действующих факторов,

которые частично зависят от „микроокружения" раковой клетки.

— Промоторы образования опухоли лишь условно мутагенны, однако

мутагенные химические вещества могут оказаться промоторами появления

опухоли; мутации лишь в определенных условиях приводят к образованию

опухолей.

— Химические канцерогены действуют либо непосредственно (без

метаболического активирования, например, алкилгалогениды, эпоксиды,

сульфаталкнльные эфиры), либо опосредованно через метаболиты (после

предварительного активирования в результате биохимического окисления или

гидрокснлнрованил, как, например, ПАУ, азо-, N-нитрозосоединения,

ароматические амины, металлы).

3.4. Модели оценки токсических воздействий

В этом разделе рассматриваются я обсуждаются различные подходы к оценке

дозы, обусловливающей воздействие вещества на организм. Такие исследования

связаны с изучением превращений химического продукта в ходе обмена веществ

и с исследованием реакций органов. Такие зависимости имеют модельный

характер для отдельной особи, однако их можно распространить на популяции в

целом. До этого мы рассматривали преимущественно влияние вредных веществ

на генетические механизмы клетки, ниже будут рассмотрены также и

чувствительные' к токсинам элементы клетки.

Одной из важнейших проблем каждого токсикологического исследования

является определение границы между уровнями концентрации, при которых

обнаруживается и не обнаруживается воздействие химического вещества, т. е.

точно установить так называемый уровень отсутствия влияния . Однако опыт,

накопленный в результате многолетних токсикологических исследований

человека, только в ограниченном объеме используется при изучения посторонних

окружающей среде веществ. Для количественной оценки риска применения

химических продуктов экотоксикология может оказать помощь в сборе данных о

поведения живых организмов на разных уровнях организации: клетка, ткань,

орган, организм, популяция, биоценоз. Если взглянуть на эту последовательность

уровней организация для одного и того же вида, то бросается в глаза большой

объем заранее обусловленных (предопределенных) жизненных проявлений.

Подходящим примером здесь являются кольчатые черви, для которых характерно

строго детерминированное развитие. Четкость, с которой протекают все

жизненные процессы, очень ярко проявляется на молекулярном уровне, когда

воспроизведение — репликация ДНК -характеризуется минимальными ошибками

воссоздания нуклеотидной последовательности. Поэтому легко себе представить,

что каждое нарушение такого рода информационной программы механизмов