Экотоксикология

Яды, оказывая разностороннее и сложное действие на организм, могут вызывать следующие патологические процессы: воспаление, дистрофические изменения, лихорадку, аллергические состояния, опухолевый процесс (канцерогенез), нарушения в развитии плода (тератогенез), повреждение наследственного аппарата (мутагенез). Последние три формы рассматривают как отдаленные последствия действия ядов. Развитие патологических процессов в значительной мере обусловлено конкурентными отношениями между чужеродными ядовитыми веществами и естественными химическими веществами организма со сходной структурой. Замещая или вытесняя естественные химические вещества, ксенобиотики нарушают нормальное течение биохимических реакций, что приводит к нарушениям в структуре и функциях клетки, ткани, органа, организма в целом. Подобные взаимоотношения наблюдаются как при местном действии ядов, так и при поступлении их во внутреннюю среду организма.
Наиболее распространенной и хорошо заметной формой проявления патологической реакции на действие ксенобиотиков является воспаление. Хорошо растворимые в воде или жирах ксенобиотики вызывают воспаление непосредственно в точке приложения — на коже, слизистых оболочках глаз, в верхних дыхательных путях, пищеварительном тракте (сильные кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов, нитрогазы, хлор). Газы и пары с небольшим коэффициентом растворимости в воде накапливаются в концентрациях, достаточных для повреждения ткани, гораздо медленнее, они успевают проникнуть и вызвать воспаление в более глубоко расположенных отделах, например, дыхательной системы.
Удушающие газы (оксиды азота, аммиак, фосген и др.) нарушают проницаемость сосудов, что приводит к отеку легких. Воспаление с последующим развитием цирроза печени Вызывают мышьяк, фосфор, свинец, хлорированные углеводороды. Некроз кожи и слизистых оболочек развивается при попадании на них фенола, извести, карбида кальция.
Изменения в виде различных дистрофий (белковой, углеводной, жировой) в почках, печени, миокарде, головном и спинном мозге обнаруживаются при очень многих острых и хронических интоксикациях.
Типичную лихорадку, сопровождающуюся резким повышением температуры тела, можно наблюдать при вдыхании быстро окисляющихся на воздухе паров меди, ртути, кобальта, никеля, сурьмы и особенно цинка. Высокодисперсные пары оксидов металлов, проникая в глубоко расположенные отделы дыхательных путей, легко денатурируют белки тканей. Всасывание этих, ставших чужеродными для организма белков и вызывает асептическую лихорадку.
В настоящее время выявлено несколько тысяч простых химических веществ и несколько сотен тысяч сложных органических соединений, способных изменять чувствительность организма и вызывать аллергию. Многие химические аллергены с низкой молекулярной массой (менее 1000) конъюгируют в организме с белковым носителем и приобретают свойства антигенов (чужеродных белков).
Ароматические амины, нитро-, нитрозосоединения образуют в процессе превращения в организме сильнейшие аллергены — хиноидные и бензохиноидные соединения. Выраженными аллергенными свойствами обладают также соединения мышьяка, ртути, кобальта, никеля, хрома, платины, органические оксиды, перок-сиды, формальдегид.
Как при прямом контакте с покровными тканями, так и особенно после резорбции во внутреннюю среду организма яд может действовать на любые ткани или лишь на некоторые из них. Один и тот же яд может обладать разной «избирательностью» в зависимости от пути поступления, дозы и состояния организма.

Изменения в нервной системе. Яды оказывают на нервную систему четыре типа действия: 1) неспецифическое (неэлектролитное, наркотическое) действие (органические растворители); 2) специфическое поражение нервных клеток (сероуглерод, свинец, тетраэтилсвинец, ртуть, метиловый спирт); 3) специфическое блокирование медиаторного обмена (соединения фосфора, фосфорорганические пестициды); 4) вторичное действие, обусловленное местным или общим нарушением кровообращения либо состоянием гипоксии (оксид углерода, удушающие газы).

Поражения органов дыхания. Вызывают главным образом газы, пыль, пары раздражающих веществ. Хорошо растворимые в воде яды и крупная пыль поражают верхние дыхательные пути, плохо растворимые яды и мелкая пыль поражают бронхи, бронхиолы, альвеолы. Кадмий, ванадий, марганец, фосген, оксиды азота вызывают токсический отек легких, токсическую пневмонию. Интоксикация аллергенами проявляется в виде астмоидного бронхита и бронхиальной астмы.

Изменения в сердечно-сосудистой системе. Проявляются в вегетативно-сосудистой дисфункции, дистрофии миокарда, очаговых органических поражениях. Вегетативно-сосудистые изменения вызываются при отравлениях нейротропными ядами, тетраэтил-свинцом, граназаном и др.; дистрофия миокарда — соединениями фосфора, мышьяка.
Изменения в системе крови. Длительные отравления бензолом и его гомологами приводят к развитию лейкопении, тромбоцитопе-нии, анемии; соединениями свинца — свинцовой анемии, нарушениям синтеза гемоглобина.

Изменения в системе органов пищеварения. Серебро, висмут, свинец, ртуть, сурьма способны откладываться в слизистой оболочке ротовой полости, особенно десен, и окрашивать ее в голубовато-серый цвет. Вдыхание паров органических кислот вызывает разрушение зубов и способствует развитию кариеса. Явления гастрита наблюдаются при отравлениях органическими растворителями, оксидами азота, цинком, хромом. Поражение печени происходит под действием хлорированных и бромиро-ванных углеводородов, эфиров азотной кислоты, соединений фосфора, сурьмы, мышьяка.

Поражение мочевыделительной и половой системы. Поражение почек имеет место при отравлении хлорпроизводными углеводородов, свинцом, сулемой, скипидаром; мочевого пузыря — ами-допроизводными бензола. Бензол, свинец, оксид углерода, сероуглерод, некоторые пестициды вызывают нарушение овариольно-менструального цикла. Нарушение сперматогенеза наблюдается при хроническом отравлении алкоголем, свинцом, мышьяком.
Поражение костной системы. Происходит при отравлении солями бария, вытесняющими из костей фосфор и кальций, солями кадмия, желтым фосфором, свинцом.

Эти же авторы разделили все вещества на реагирующие и нереагирующие. Реагирующие вещества вступают в биохимические реакции и подвергаются превращениям в организме. Токсическое действие может быть обусловлено как самим соединением, так и продуктами его превращения. Поражение кровеносной системы бензолом обусловлено продуктами его превращения (фенол, гидрохинон и др.). Нереагирующие вещества не претерпевают заметных изменений в организме. Они не вступают в биохимические реакции и выводятся из организма в той же форме, в какой были адсорбированы (углеводороды жирного ряда).
Тяжелые формы острых отравлений обычно сопровождаются проявлением выраженных признаков кислородного голодания организма — гипоксии. Различают пять основных типов гипоксии: экзогенную (снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе), дыхательную (угнетение функции дыхательного центра и дыхательных мышц), циркуляторную (нарушение микроциркуляции крови), гемическую (нарушение транспорта кислорода кровью), тканевую (нарушение окислительных процессов в ферментных системах тканей). Патофизиологические механизмы кислородного голодания обычно вызваны воздействием ядов на определенные внутриклеточные ферментные системы.
В зависимости от поражения тех или иных органов и систем токсические вещества делят на нейротропные, гепатотропные, не-фротоксичные, кардиотоксичные, яды крови.
По специфическому действию различают аллергены, тератогены, мутагены, супермутагены, канцерогены.
По характеру действия ксенобиотики классифицируют на вещества:
• обладающие в основном наркотическим (обратимым) действием (спирты, эфиры, кетоны и др.);
• вызывающие стойкие изменения в нервной системе (трихлор-этилен, этиловый спирт, сероуглерод);
• являющиеся ядами крови и кроветворных органов (бензол, хлорбензол, толуол, ксилол);
• вызывающие дистрофические изменения в паренхиматозных органах (гликоли, хлорированные углеводороды).
Как правило, химические вещества проявляют меньшую биологическую активность при поступлении в организм через желудочно-кишечный тракт. Это связано с их метаболическими превращениями в печени, куда в первую очередь попадают все химические вещества после всасывания из желудочно-кишечного тракта. Для практических целей ведущим остается установление токсичности вещества при ингаляционном пути его поступления.

В рыбохозяйственном водопользовании выделено 4 класса опасности загрязняющих воду веществ: 1 — чрезвычайно опасные, 2 — высокоопасные, 3 — опасные, 4 —умеренно опасные. Оценку опасности химических соединений проводят на основе показателей токсичности, значений ПДК, способности к материальной кумуляции, поведения вещества в водоеме.
По поведению в водоеме вещества делят на следующие группы:
• практически ^трансформируемые (хлорид натрия);
• вещества, метаболиты которых вступают в сложные соединения с природными органическими компонентами, меняя характер и интенсивность воздействия на б йоту:
• подвергающиеся деградации в природных водах до более простых соединений. Их метаболиты могут быть более токсичны, чем исходные вещества. Поведение вещества в водоеме характеризуется также сроками его разрушения (стабильностью) (табл. 2.5—2.7).

Токсикологическая классификация основана на разделении химических веществ по характеру их токсического действия на организм.
Классификация летучих токсических веществ по их свойствам и биологическому эффекту разработана Гендерсоном и Хоггардом (1930) и включает четыре группы.
I. Удушающие:
1) простые удушающие, действие которых сказывается в вытеснении кислорода из вдыхаемого воздуха (азот, водород, гелий);
2) химически действующие, нарушающие газообмен в крови и тканях (оксид углерода, синильная кислота).

II. Раздражающие. Вызывают раздражение слизистых оболочек
дыхательных путей, легких, ведущее к развитию воспалительных
реакций.
III. Летучие наркотики и родственные им вещества, действую
щие после поступления в кровь. Оказывают острое действие на
нервную систему, вызывая наркоз. Делятся на пять подгрупп:
1) наркотические вещества, не обладающие ясно выраженным последействием (оксид азота II, эфиры, углеводороды жирного ряда);
2) вещества, оказывающие вредное действие главным образом на внутренние органы (галогенпроизводные углеводороды жирного ряда);
3) вещества, обладающие действием главным образом на кроветворную систему (ароматические углеводороды);

4) органические соединения азота, действующие преимущественно на кровь и кровообращение (анилин, нитробензол);
5) вещества, обладающие действием преимущественно на нервную систему (алкоголи, сернистые соединения жирного ряда).
IV. Неорганические и металлоорганические соединения (ртуть,
свинец, фосфор, фторид водорода и др.).

Для оценки экологической опасности химических веществ кроме нормативов концентраций используют также оценку особенностей поведения и свойств веществ, попадающих в окружающую среду, их токсичности, канцерогенности, мутагенности и др. Для этого разработаны классификации, включенные в нормативные документы: например, ГОСТ 12.1.007—76. ССБТ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности; ГОСТ 17.1.3.07—82. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков; ГОСТ 17.4.1.02—83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения; ГОСТ 17.2.3.01—86. Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов; ГОСТ 17.4.3.06—86 (СТ СЭВ 5301—85). Охрана природы. Почвы. Общие требования к классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ и др.
Под поведением химического вещества в окружающей среде понимают свойства вещества изменять свою структуру, вступать во взаимодействие с различными компонентами окружающей среды, сохраняться в неизменном виде, мигрировать на определенные расстояния в данной среде или в сопредельные среды.
Наиболее широко используется химическая классификация, в которой все химические вещества делятся прежде всего на органические, неорганические и элементорганические (металлоорганические, кремнийорганические). С помощью этой классификации определяют класс и группу токсических веществ.
По агрегатному состоянию в воздушной среде вещества могут быть разделены на газообразные (газы), жидкие (пары) и твердые (аэрозоли).
В практической классификации по цели применения различают:
• промышленные яды (топливо, растворители, красители, хладагенты, химические реагенты, пластификаторы и др.);
• пестициды, применяемые в сельском хозяйстве для борьбы с возбудителями болезней, вредителями, сорняками;
• лекарственные препараты;
• химические вещества, используемые в быту (пищевые добавки; средства санитарии, личной гигиены, косметики, ухода за одеждой, мебелью и т. д.);
• биологические яды, содержащиеся в растениях, грибах, животных;
• боевые отравляющие вещества (зарин, иприт, фосген и др.).
В основу гигиенической классификации положена количественная оценка токсической опасности химических веществ с помощью их экспериментально определенных LD5o, ПДК. По этой классификации токсическое вещество можно отнести к определенному классу токсичности (табл. 2.2 — 2.4). По степени токсичности токсиканты делят на 4 класса: 1'— чрезвычайно токсичные, II— высокотоксичные, III— умеренно токсичные и JF— малотоксичные; по степени опасности для теплокровных животных — на особо опасные, опасные, умеренно опасные и малоопасные', по токсичности для почв — на высокоопасные, умеренно опасные и малоопасные.
По предельно допустимым концентрациям в воздухе в соответствии со стандартом все вредные вещества делят на 4 класса опасности:
I — чрезвычайно опасные, ПДК< 0,1 мг/м3; II — высокоопасные. ПДК 0,1 — 1,0мг/м3; III — умеренно опасные, ПДК 1,1—10,0мг/м3; IV — малоопасные, ПДК > 10,0мг/м3.

Метод вычисления LD50 по Беренсу основывается на том положении, что общее количество животных, погибших от доз, меньших LD50, равно общему количеству животных, выживших от доз, больших LD50. Для обработки экспериментального материала по методу Беренса необходимо, чтобы интервал между испытываемыми дозами был одинаков и чтобы для испытания каждой из доз было использовано одинаковое количество животных. Для выравнивания экспериментальной характеристической кривой Беренс предложил прием так называемого накопления частот. Этот прием заключается в том, что к числу животных, погибших от каждой из испытанных доз, прибавляется количество животных, погибших от всех меньших испытанных доз, а к числу животных, выживших от каждой из испытанных доз, прибавляют количество животных, выживших от всех более высоких испытанных доз.
Логически этот прием вполне оправдан. Так, если данное животное погибло под влиянием какой-то дозы изучаемого вещества, то оно, несомненно, погибло бы, если бы это вещество было введено в более высокой дозе; наоборот, если данное животное осталось в живых после введения ему определенной дозы изучаемого вещества, то оно, бесспорно, выжило бы, если бы это вещество было ему введено в меньшей дозе.
На основании вычисленных накопленных частот подсчитывают смертность от каждой из испытанных доз в процентах и строят характеристическую кривую, откладывая по оси абсцисс испытанные дозы, а по оси ординат — проценты смертельных исходов. Величина LD50 может быть найдена непосредственно из графика. Для этого из той точки характеристической кривой, которой соответствует 50 % смертельных исходов, опускают перпендикуляр на ось абсцисс; величине LD50 соответствует точка пересечения этого перпендикуляра с осью абсцисс.
Близкую по значению величину LD$o можно получить и без построения графика. Так как в средней части характеристической кривой небольшой ее отрезок мало отличается от прямой линии, то величину LD50 можно вычислить путем прямолинейного интерполирования между ближайшими к LD50 меньшей и большей дозами.
Если интервал между испытанными дозами равен d, а величина LD50 находится между А и 5, из которых доза А вызвала а % смертельных исходов (я<50) и доза В—Ь% смертельных исходов
Практическое использование метода Беренса можно проиллюстрировать на примере обработки экспериментального материала по изучению токсичности тубазида, подробно описанного М. Л. Беленьким (1963).
В первой колонке таблицы указаны испытанные дозы изучаемого вещества, во второй — фактический результат (в числителе — число погибших животных, в знаменателе — выживших), в третьей — результат накопления частот и в четвертой колонке — процент смертельных исходов, рассчитанный на основании данных третьей колонки. «Накопление частот» происходит следующим образом. Для дозы 150 мг/кг, от которой фактически выжило 8 животных, записываем результат: погибло 0 животных, выжило 8 + 7 + 4 + 2+1= 22 животных, т. е. прибавляем к числу фактически выживших животных число животных, которые выжили от более высоких доз. Для дозы 160 мг/кг, от которой в эксперименте 1 животное погибло и выжило 7: погибло 1 животное, выжило 7 + 4 + 2+ 1 = 14 животных. Для дозы 170 мг/кг, от которой погибло в эксперименте 4 животных: погибло 4+1=5 животных, т. е. прибавляем одно животное, погибшее от меньшей дозы, выжило 4 + 2 + 1 = 7 и т. д. На основании вычисленных по накопленным частотам процентов смертельных исходов строим характеристическую кривую. Из этой кривой находим, что интересующая нас величина LD50 равна 172,3 мг/кг.
Как уже указывалось ранее, величину LD50 можно определить, не прибегая к построению графика, непосредственно из данных, находящихся в 1-й и 4-й колонках расчетной таблицы 2.1, по указанной ранее формуле. В нашем случае d = 10, А = 170 мг/кг, 5= 180 мг/кг, а = 41,7 %, Ъ = 78,6 %.