Экотоксикология

Почти во всех водо-, щелоче-, кислоторастворимых соединениях токсичны 12 из тяжелых металлов (Be, Cr, As, Se, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, Hg, Те, Pb), а также алюминий. Они проявляют сильно выраженные токсические свойства при самых низких концентрациях. К наиболее токсичным из таких металлов относят Hg, Cd, Pb, As. Они не являются ни жизненно необходимыми, ни благотворно влияющими на рост и развитие растений, но даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических функций организма.
Тяжелые металлы представляют наибольшую угрозу на первых стадиях развития сельскохозяйственных растений (проростков, всходов). Под их действием ухудшается рост корней, побегов, происходит некроз листьев. Как в открытом, так и в защищенном грунте не рекомендуется выращивать сельскохозяйственные культуры на расстоянии менее 5—7 км от источников выбросов тяжелых металлов. В зоне выбросов предприятий цветной металлургии почва становится токсичной для выращивания растений уже через 4 года.
Объединенная комиссия ФАО (Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН)/ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) по пищевому кодексу (Codex Alimentarius) включила ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, медь, стронций, цинк, железо в число компонентов, содержание которых контролируется при международной торговле продуктами питания. В России и СНГ подлежат контролю еще пять тяжелых элементов {сурьма, никель, хром, фтор, йод) и алюминий, а при наличии показаний могут контролироваться и некоторые другие металлы. Медико-биологическими требованиями СанПиН 2.3.2.560—96 определены критерии безопасности для следующих металлов: свинец, мышьяк, кадмий, ртуть, медь, цинк, олово, хром, железо.
К приоритетным загрязнителям почвы в Ростовской области относятся Pb, Zn, Hg, Си, в Самарской — Pb, Cu, Ni, Оренбургской — Pb, Zn, Си, Нижегородской — Pb, Zn, Cd, Cr, Тверской — Pb, Zn, Cu, Cd, Сг, Воронежской области — Pb, Zn, Cu, Cd.
Комбинированное воздействие тяжелых металлов на живые организмы может как усиливать, так и ослаблять их токсический эффект. В частности, взаимное влияние катионов Zn2+, Cu2+, Ni2+ и Cd2+ на планктонных и бентосных ракообразных имеет характер синергизма, а на олигохет — антагонизма (Яковлев и др., 2001).

Вышеприведенные примеры касаются однократного комбинированного воздействия веществ. Комбинированное действие малых доз и низких концентраций ядов в условиях хронических экспериментов чаще вызывает аддитивный эффект. Более чем аддитивное действие ядов при их комбинированном воздействии в условиях хронических экспериментов наблюдается сравнительно редко (смесь ДДТ и этилового спирта, марганца и фтора, севина и бутафоса, гамма-гексахлорциклогексана и ТМТД, бензина и дихлорэтана). Довольно часто наблюдаются менее чем аддитивные эффекты при хроническом комбинированном воздействии малых доз и низких концентраций ядов.
В условиях сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности вредные вещества чаще поступают в организм и окружающую среду не одновременно в виде смеси, а последовательно. По целому ряду показателей последовательное воздействие различных пестицидов вызывает в организме работающих более выраженный токсический эффект, чем раздельное применение исследуемых веществ.
При комплексном воздействии вредных веществ яды поступают в организм одновременно, но разными путями (через дыхательные пути, пищеварительную систему, кожные покровы). Комплексное воздействие ядов также бывает аддитивным, более и менее чем аддитивным.
Сумма концентраций токсических веществ в окружающей среде, выраженных в процентах от соответствующих ПДК для каждого вещества в отдельности, не должна превышать 100 %, или:
ах1хх + arrfx-i + ... + ап/хп < 1,
где яь аъ ..., ап — значения фактических концентраций веществ в окружающей среде; х\, х2,..., хп — значения их ПДК.
Для характеристики токсических эффектов ксенобиотика, поступающего в организм одновременно разными путями (с пищей, водой, вдыхаемым воздухом), целесообразно использовать термин «комплексное воздействие». В этом случае для оценки комплексного действия вещества предложена формула суммационного эффекта (Сидоренко, 1985):
Следует отметить, что использование предложенной формулы, по-видимому, справедливо для случая, когда гигиенические нормативы вещества в различных средах изоэффективны (т. е. биологически эквивалентны). Хотя в большинстве изученных случаев говорить о биологической эквивалентности не приходится, тем не менее в первом приближении можно считать, что комплексные показатели состояния окружающей среды, хотя и не дают полной характеристики реальной нагрузки, несомненно, способствуют развитию методов ее определения.
Применительно к веществам, токсический эффект от совместного действия которых усиливается (превышает сумму эффектов от действия каждого из них), вносят соответствующие поправочные коэффициенты. В частности, воздушную среду, содержащую оксид углерода и оксиды азота, оценивают по следующей формуле:
Одновременное воздействие вредных веществ и повышенной температуры, как правило, усиливает и ускоряет развитие токсического эффекта. Влияние температуры на повышение токсического эффекта усиливается по мере увеличения концентрации действующего вещества. Понижение температуры в большинстве случаев также ведет к усилению токсического эффекта. Для веществ, вступающих во взаимодействие с влагой воздуха, его повышенная влажность усиливает токсический эффект.

Наряду с вышеприведенным определением аддитивности в современной токсикологии широко используется также другое понятие, основанное на предположении, что при однонаправленном действии смесь ведет себя как одно вещество. С этих позиций аддитивное действие определяется как такой тип комбинированного действия, при котором отдельные компоненты смеси являются взаимозаменяемыми в пропорциональных частях их изоэффективных доз. Так, если выразить через (Сь С2,...,С/7) дозы или концентрации компонентов смеси, а через (Мь М2,--,Мп) их изоэффективные дозы или концентрации (например, LD50 или ПДК), то в уравнении

(С]/М1 + (УМ2 +... + Сп/Мп)К= 1

в случае аддитивности коэффициент К принимает значение 1. Другими словами, эффект действия смеси равен эффекту, наблюдаемому при изолированном воздействии компонентов в соответствующих изоэффективных дозах или концентрациях. Действию, более чем аддитивному (потенцированию), будет соответствовать значение коэффициента К> 1; действию, менее чем аддитивному (антагонизм), — значение К<\. Условия токсикометрической взаимозаменяемости так называемых изоаддитивных веществ (веществ однонаправленного действия) в общем виде были сформулированы еще Н. В. Лазаревым (1938).
Во многих случаях комбинированное воздействие ядов может вызвать токсический эффект, превышающий сумму эффектов от действия каждого ада смеси в отдельности. Чаще это связано с торможением одним веществом процессов биотрансформации и детоксикации другого вещества. Усиление токсического эффекта наблюдается при комбинированном воздействии фосфорорганических препаратов (подавление холинэстеразы одним веществом и торможение вследствие этого детоксикации другого вещества). Хлорофос и карбофос, хлорофос и метафос, карбофос и тиофос при их совместном воздействии вызывают эффекты, превышающие простую суммацию. Более чем аддитивное действие часто наблюдается при совместном воздействии хлорированных углеводородов. Это объясняется изменением активирования микросомаль-ных ферментов, метаболизирующих чужеродные для организма вещества (четыреххлористый углерод и этилендихлорид). Более чем аддитивный эффект установлен также при одновременном однократном воздействии оксида углерода и тетраэтилсвинца, оксида углерода и оксидов азота, оксида углерода и адреналина, оксида углерода и этилового спирта, озона и оксидов азота, озона и аэрозоля серной кислоты.
Нередки также случаи, когда однократное комбинированное действие ядов вызывает эффект, который меньше суммы эффектов воздействия каждого из них. Такое действие известно для сернистого ангидрида и хлора, сернистого газа и аммиака, аммиака и углекислого газа. В результате взаимодействия названных веществ образуются малотоксичные соединения, детоксикация происходит за счет химических реакций. Аналогичный ослабленный эффект наблюдается при совместном воздействии снотворных и возбуждающих нервную систему веществ; препаратов, повышающих и понижающих давление; метилового и этилового спиртов; оксидов азота и сернистого ангидрида; метана и оксида углерода.

В большинстве случаев человек и окружающая среда подвергаются воздействию сложного комплекса вредных веществ, часто в сочетании с другими неблагоприятными факторами (шумы, излучения, высокие и низкие температуры и др.). Под комбинированным действием понимают одновременное или последовательное воздействие на организм двух или более токсических веществ, поступающих одним и тем же путем (ингаляционно, перорально и т. д.). Различают следующие типы совместного действия токсических агентов.
• Однородное совместное действие. Наблюдается, когда разные ксенобиотики воздействуют на одну и ту же систему рецепторов. При комбинированном воздействии наркотиков одного и того же типа, в значительной мере ароматических углеводородов (бензола и толуола, толуола и ксилола), раздражающих газов (хлора и оксидов азота, оксидов азота и сернистого газа и др.), некоторых пестицидов (хлорофоса и тиофоса, хлорофоса и фосфамида) проявляется суммационный (аддитивный) эффект.
• Независимое совместное действие. Происходит, когда токсические компоненты имеют различный механизм действия и воздействуют на разные звенья и органы. При этом получаемые эффекты не связаны друг с другом и эффект простого суммирования встречается реже (севин и бутифос, сероводород и фенол, сероводород и оксид углерода и др.). Подопытное животное чаще погибает от воздействия одного или другого компонента, чем в результате их совместного эффекта.
• Синергическое или антагонистическое совместное действие. При этом токсический эффект смеси ядов не может быть определен, исходя из эффективности отдельных компонентов. Он зависит от механизма взаимодействия ядов с биосубстратом.
В соответствии с рекомендациями комитета экспертов ВОЗ (1981) указанные типы комбинированного воздействия токсикантов получили следующие определения.
• Аддитивное действие — такой тип комбинированного действия химических веществ, при котором их совместный эффект равен сумме эффектов каждого из веществ при изолированном воздействии на организм.
• Потенцирование (более чем аддитивное действие) — такой тип комбинированного действия, при котором совместный его эффект превышает сумму эффектов каждого из веществ, входящих в комбинацию, при их изолированном воздействии на организм.
• Антагонизм (менее чем аддитивное) — такой тип комбинированного действия, при котором совместный эффект меньше суммы эффектов каждого из веществ, входящих в комбинацию, при их изолированном воздействии.

Хроническое отравление тесно связано с кумуляцией в организме самого яда или вызванных им изменений. Накопление массы яда в организме называют материальной кумуляцией, а накопление вызванных ядом изменений — функциональной кумуляцией. Без функциональной кумуляции невозможно хроническое отравление. Нередко наблюдаются одновременно материальная и функциональная кумуляции. Функциональная кумуляция происходит в результате хронического отравления хлорированными углеводородами, бензолом, бензином, многими другими газами и парами, легко выделяющимися из организма с выдыхаемым воздухом; материальная кумуляция — при отравлении металлами. Чем быстрее накапливаются вредные для организма последствия систематического вдыхания вредного вещества, тем больше опасность хронического отравления. Чем выше кумулятивность, тем ниже предельно допустимая концентрация, предупреждающая хроническое отравление, что учитывается при гигиенической регламентации вредных веществ. Чем быстрее будут накапливаться вредные для организма последствия при систематическом воздействии ксенобиотика, тем большую потенциальную опасность в плане развития хронического отравления он представляет. Выяснение кумулятивных свойств ксенобиотиков — непременное условие разработки эколого-гигиенических нормативов их содержания в объектах производственной и окружающей среды.
Показателем функциональной кумуляции является коэффициент кумуляции (Кк). Он отражает сроки гибели животных при повторном введении им дозы, составляющей одну и ту же долю от смертельной дозы или систематически повышающихся доз. Кк оценивают как отношение суммарной дозы, полученной в опыте с повторным введением вещества &LD50), к LD50 при однократном введении: Кк = УЖЛ?5п/^ўп• Обычно затравки проводятся ежедневно, дозы выражаются в долях от LD50 (при однократных введениях) и чаще составляют 1/10, 1/20 и 1/50 LD50. Наиболее сравнимые результаты получают при внутрибрюшинном способе введения веществ.
В основе распространенных методов оценки кумулятивности ксенобиотиков лежит учет общего количества вещества (в расчете на 1 кг массы тела экспериментального животного), которое может быть введено до его гибели при повторном введении несмертельных разовых доз. При ежедневном введении равных доз изучаемого соединения (1/5; 1/10 LD50) оценка кумулятивных свойств фактически проводится по числу введений вещества, приводящему к гибели 50 % подопытных животных (п50): Кк — n5od/LD5o, где d — ежедневно вводимая доза (кратная LD50); LD50 — среднесмертельная доза при однократном введении, учитываемая, как правило, на 14-е сутки; Кк — коэффициент кумуляции (Каган, Станкевич, 1964). Данный метод не предусматривает ограничений по времени, и процедура установления Кк, особенно при выборе низких разовых доз (1/50 LD50), может длиться 2—4 мес.
Поскольку значение Кк вводимых разовых доз, кратных LD50, зависит от значения d, сопоставление степени кумулятивности вредных веществ правомерно проводить только при одинаковом значении d/LD50.
Для сравнительной оценки кумулятивных свойств химических веществ пользуются классификацией, предложенной Л. И. Медведь, Ю. С. Каган и др.(1968) (табл. 5.1).
Например, при ежедневном введении белым крысам меркапто-фоса (фосфорорганического пестицида) в дозе 0,35 мг/кг (0,1 LD50) гибель 50 % животных наблюдалась на 100-е сутки. По указанной ранее формуле находим Кк : Кк = n50d/LD50 = 100 • 0,\LD50/LD50 = = 100 • 0,35 мг/кг: 3,5 мг/кг = 10.
Таким образом, по значению Кк = 10 меркаптофос можно отнести к слабокумулятивным веществам.
При обосновании ПДК важно иметь представление на уровне пороговых, а не смертельных доз. Для выявления Кк на пороговом уровне чаще используют внутрибрюшинный способ введения вещества.
При затравках на пороговом уровне кроме подопытной требуется контрольная группа животных и предварительное определение Ашп5о• Производится постановка опыта с малыми дозами (1/2 Dmin50, 1/4 Z>min5o)• При длительном воздействии многих ядов в малых дозах и низких концентрациях вырабатываются приспособления к их хроническому воздействию (уменьшается реакция организма на воздействие ядов).