Экотоксикология

Современная экологическая ситуация на Земле многими учеными считается близкой к биоценотыческому кризису. К нему реально приближает планету прежде всего воздействие человека на природу, которое становится соизмеримым с глобальным изменением естественных факторов.
В результате хозяйственной деятельности человека в настоящее время происходит повышение содержания С02 в атмосфере, уменьшение мощности озонового слоя, возрастание роли ионизирующего излучения, исчерпание невозобновляемых ресурсов, загрязнение биосферы ксенобиотиками, сокращение биоразнообразия. На фоне резкого роста населения с лица Земли исчезают целые экосистемы, происходит ее обезлесивание, опустынивание, ухудшается качество поверхностных вод суши, деградируют сельскохозяйственные угодья, усиливаются эрозионные процессы, растет заболеваемость населения. К основным антропогенным факторам, негативно влияющим на экосистемы, относятся загрязнения окружающей среды не встречавшимися ранее в биосфере вообще или в значительных количествах химическими соединениями.
К первым предвестникам экологического кризиса относятся уменьшение продуктивности и устойчивости экосистем, нарастание их нестабильности. В частности, районы экологического бедствия занимают в настоящее время около 12—16% территории России. Б. В. Виноградов, Б. В. Орлов и др. (1993) выделяют три уровня нарушения экосистем по их глубине и необратимости.
Зона экологического риска (Р) включает в себя территории с заметным снижением продуктивности и устойчивости экосистем, максимумом нестабильности, ведущим к спонтанной деградации экосистем, но еще с их обратимыми нарушениями. Деградация земель наблюдается на 5—20 % площади.
Зона экологического кризиса (К) включает территории с сильным снижением продуктивности и потерей устойчивости, труднообратимыми нарушениями экосистем. Деградация земель наблюдается на 20—50 % площади.
Зона экологического бедствия — катастрофы (Б) включает территории с почти полной потерей продуктивности, практически необратимыми нарушениями экосистем. Деградация земель превышает 50 % их площади.
В настоящее время назрела острая необходимость в разработке комплексных экологических нормативов по оценке состояния экосистем, в обосновании экологических критериев и показателей эколого-гигиенического нормирования.

Эколого-гигиеническое нормирование — это научная, правовая и практическая деятельность по обоснованию допустимых уровней различных антропогенных воздействий на среду обитания биоты естественных и сельскохозяйственных экосистем, использование научно обоснованных экологических регламентов устойчивого фонового состояния экосистем. Основная цель эколого-гигиенического нормирования — регламентация антропогенных воздействий на наземные и водные экосистемы до уровня, обеспечивающего их нормальное функционирование, самоподдержание, самовосстановление и самоочищение в процессе рационального природопользования (Соколов, Жариков и др., 2001). Существующие санитарно-гигиенические нормативы (ПДК, ОДК, МДУ и др.) и рассчитываемые на их основе допустимые уровни воздействия ориентированы в основном на человека; они недостаточны для мониторинга нормального функционирования экосистем, не учитывают одновременного совместного действия ксенобиотиков и природных веществ, экологических факторов внешней среды (инсоляция, температура, влажность воздуха, почвы и др.). Осуществляются первые подходы к определению пороговых, летальных, предельно допустимых концентраций токсических веществ по отношению к высшим растениям (Кулагин, 2002).
К наиболее актуальным проблемам эколого-гигиенического нормирования относится выбор интегральных показателей нормирования, объективно отражающих состояние экосистем. В частности, к таким показателям могут быть отнесены биоразнообразие и продуктивность экосистем, численность, продолжительность жизни, возрастной состав популяций, активность организмов, изменение их окраски, кариотипа, питание, дыхание, выделение, размножение, скорость эмиссии экосистемой углерода, кислорода и азота. Микроорганизмы служат показательными объектами для оценки последствий загрязнения и изменения состояния экосистемы.
Водные экосистемы при загрязнении быстро теряют стабильность в результате последовательного выпадения самых чувствительных звеньев. При определении допустимых уровней для каждого компонента и системы в целом необходимо ориентироваться в эксперименте на самое чувствительное звено среди контролируемых показателей. В процессе экспериментальных оценок токсичности испытания должны быть проведены хотя бы на одном представителе каждой из основных экологических групп водного сообщества. При установлении норматива оценивают влияние ксенобиотика на химический состав и процессы самоочищения водной среды, процессы первичного продуцирования органического вещества и кислорода, действие вещества на организмы зоопланктона, один из видов зообентоса, на рыб на стадиях эмбриогенеза, генотоксичность вещества. Химическую устойчивость и стабильность токсичности загрязняющих веществ в растворах определяют химическим путем и с помощью биотестирования (Фи-ленко, 1999).

Биологическое тестирование получило название активного мониторинга, при котором выявляют различные стрессовые воздействия с помощью тест-организмов, находящихся в стандартизированных условиях на исследуемой территории. Оно широко применяется для оценки степени загрязнения окружающей среды. Под биотестированием в узком смысле понимается биологическая оценка качества воздуха, воды, почвы по реакции тест-организмов, помещаемых в испытываемую среду. В последнее время под биотестированием стали понимать регистрацию изменений любых биологических показателей (тест-функций) под действием токсических веществ на выбранные тест-объекты в лабораторных и в полевых условиях. Значительный интерес представляют организмы, реагирующие на загрязнение среды изменением хорошо заметных визуальных признаков. При этом биоиндикаторы интегрируют биологически значимые эффекты загрязнения. Они позволяют определять скорость происходящих изменений, пути и места скопления в экосистемах различных токсикантов, делать выводы о степени опасности для человека и полезной биоты конкретных веществ или их сочетаний (Цаценко, Филипчук, 1997). В качестве биотестов используются бактерии (особенно кишечная палочка), водоросли (в частности, хлорелла), низшие грибы, инфузории, низшие ракообразные, беззубки, личинки хиро-номид, рыб, земноводных, семена редиса, табака и др.

Одной из основных целей сертификации является контроль безопасности продукции для окружающей среды, жизни и здоровья человека.
Сертификация — деятельность третьей стороны, направленная на подтверждение соответствия продукции, работ, услуг установленным требованиям нормативных документов по стандартизации.
Для стимулирования производителей к внедрению технологических процессов и разработке товаров, минимально загрязняющих природную среду и дающих потребителю гарантию безопасности продукции для его жизни, здоровья и среды обитания, проводится экологическая сертификация.
Для многих видов продукции экологический сертификат, или знак, является определяющим фактором их конкурентоспособности. В настоящее время в России экологическая сертификация находится пока еще в начале своего развития.
В западноевропейских странах экологическая сертификация достаточно широко развита. Она дополняет обычную сертификацию и почти всегда носит обязательный характер.
Во Франции, например, экологическая сертификация сельскохозяйственной продукции учреждена в законодательном порядке еще в 1960 г. На основании ее введены экознаки по видам продукции, получившие название «Красные метки» и опубликованные в печати для информирования потребителей. Накопленный во Франции опыт позволил создать единую национальную систему экосертифи-кации, девиз которой — потребители не должны все знать о вреде продукции, но они имеют право на абсолютную уверенность, что продукция со знаком NF наиболее безопасна во всех отношениях.
В Германии работы по экологической сертификации начались с 1974 г. Через несколько лет были учреждены экознаки «Голубой ангел» и «Зеленая точка», которые стали общеевропейскими.
Широко распространенный экознак «Зеленая точка» применяется в системе мероприятий по предотвращению загрязнения окружающей среды отходами. Такой знак на упаковке указывает на возможность ее переработки, поэтому цивилизованные потребители выбрасывают упаковку с «Зеленой точкой» только в специальные контейнеры. Другие экознаки информируют потребителя о различных экологических характеристиках продаваемых товаров, что является основным критерием их выбора среди многочисленных аналогов.

В 1993 г. была принята Директива ЕС, определяющая преимущество экосертифицированной продукции, поставляемой на единый рынок: цена ее повышается в 2 раза.
Официальный бюллетень Комиссии ЕС периодически публикует экологические критерии, которые соотносятся с каждой фазой жизненного цикла объекта сертификации — от проектирования до утилизации отходов.
Разработка порядка экосертификации в ЕС базируется на немецкой системе с применением знака «Голубой ангел», которая, однако, не охватывает продукцию сельского хозяйства, фармацевтическую и бытового назначения.
Установление видов товаров, которые подлежат экосертификации и маркировке экознаком ЕС, критериев их оценки возложено на уполномоченные государственные органы стран — членов ЕС с участием представителей промышленности, независимых ученых, экологических организаций, которые объединяются в специальный консультативный форум.
В ЕС принята маркировка специальным знаком, не распространяющимся на пищевые продукты, напитки и лекарственные препараты. Им маркируют товары, которые содержат вещества и препараты, отнесенные директивами к опасным, но в допустимых пределах.
Таким образом, экознаки можно условно разделить на две группы:
• экознаки, информирующие о безопасности продукции для здоровья человека и окружающей среды, — знак «Голубой ангел»;
• знаки, информирующие о возможности переработки отходов, чаще всего наносимые на упаковку. Иногда знаки этой группы сообщают о том, что изделие получено из вторичного сырья: знаки «Зеленая точка» (Германия) и «Ресайклинг» (США, Великобритания, страны Северной Европы).
Вопросами экологической маркировки и этикетирования занимается Международная организация по стандартизации — подкомитет ПКЗ ИСО / ТК 207 «Этикетирование (маркировка) в области окружающей среды».
Можно с уверенностью утверждать, что экологической сертификации пищевой продукции в XXI в. принадлежит будущее.

Под гигиенической стандартизацией понимается установление дозволенных количеств особо токсичных летучих примесей, контроль за их содержанием путем внесения выработанных ограничений в Государственные стандарты, временные или постоянные технические условия. К таким продуктам относятся, например, органические растворители. В бензинах содержание ароматических углеводородов в зависимости от месторождения нефти и способов получения составляет от 3 до 40—50 %. Примесь формальдегида в образцах мочевино-формальдегидной смолы колеблется от 2 до 8 %. Гигиеническая стандартизация предусматривает обязательное снабжение всех выпускаемых химических веществ и продуктов специальными паспортами с указанием ГОСТа и данных анализов партии вещества (продукта).

Клинико-статистический метод дополняет экспериментальный, дает возможность проверить утвержденную на основе эксперимента ПДК. Он осуществляется в течение первых трех лет работы новой технологической установки, но может продолжаться и дальше для изучения отдаленных последствий воздействия вещества на работающих, в том числе в комплексе с другими неблагоприятными факторами. На этом этапе проводят углубленное гигиеническое обследование предприятия.
В основе регламентации пылей во вдыхаемом воздухе лежат массовые (мг/м3)концентрации, ПДК пылей являются максимально разовыми.
ПДК пестицидов устанавливают на основе экспериментальных исследований по наиболее чувствительным показателям, определяемым на животных.
Регламентирование аллергенов и канцерогенов проводят с использованием статистических приемов для оценки частоты и силы сенсибилизирующего действия и определения скорости нарастания титра антител, обязательны иммунологические исследования в оценке такого рода веществ. Допустимое содержание аллергенов обосновывается экспериментальными исследованиями на животных (морские свинки, кролики) при ингаляции или контакте аллергена с кожей и слизистыми оболочками.
ПДК канцерогенов устанавливают в специальных длительных опытах, проводимых не менее чем на двух видах животных. Канцерогенные вещества вводят разными путями (ингаляционно, с пищей, накожными аппликациями). Учитывают число и сроки возникновения опухолей в зависимости от концентрации и длительности экспозиций или общей дозы вещества. Эксперимент для обоснования ПДК веществ с генетической активностью проводят на крысах, мышах, кроликах не менее чем на трех поколениях животных. В зависимости от степени опасности последствий для потомства принимают коэффициент запаса от 20 до 100.
В настоящее время при оценке опасности канцерогенных веществ используют два количественных показателя: фактор канцерогенного потенциала (ФКП) и единичный риск (ЕР). ФКП характеризуется функцией угла наклона (tg б) в нижней (линейной) части зависимости доза—эффект, ограниченной 95%-м верхним доверительным интервалом вероятности ответа (возникновения заболевания) на единицу дозы (концентрации) потенциального канцерогена, экстраполируемой на определенный временной интервал, в частности на среднюю продолжительность жизни. ФКП исчисляется величиной мг/(кг • сут). ЕР рассчитывается путем деления ФКП на массу тела человека (70 кг) и умножения на объем суточной легочной вентиляции (20 м3/сут) либо на объем суточного потребления воды (2л/сут). ФПК0 при оральном попадании вещества в организм составляет для чрезвычайно опасных канцерогенов 1-го класса 10 и более, высокоопасных (2-й класс) — 1—9,999, умеренно опасных (3-й класс) — 0,1—0,999, малоопасных (4-й класс) —0,01 мг/(кг*сут) и ниже (Курляндский, Новиков, 1998).
Биологические ПДК —это количество яда, которое циркулирует в организме, но не вызывает еще интоксикации. Этот показатель является дополнительным критерием ПДК. Безопасный уровень ПДК свинца в крови — 60 мкг%, свинца в моче — 0,2 мг/л.
В США, Англии и других развитых странах перечни допустимых концентраций вредных веществ в воздухе, воде не имеют юридической силы и являются рекомендательными. Они отличаются от ПДК в России. В США ПДК соответствуют средней концентрации вредных веществ за смену работников.
К сожалению, большинство существующих ПДК токсикантов определены в экспериментах на млекопитающих и разработаны по отношению к человеку. К важнейшей задаче экотоксикологии относится определение пороговых показателей токсичности, ПДК токсикантов для микроорганизмов, беспозвоночных животных, растений и экосистем в целом.

Значения максимально допустимых уровней (МДУ) содержания пестицидов устанавливают на основании результатов опытов по изучению токсичности пестицида на животных, определения динамики его остатков в продукции растениеводства. МДУ пестицида выражают в миллиграммах активного вещества пестицида на 1 кг продукта и устанавливают с таким расчетом, чтобы обеспечить безвредный для человека уровень содержания остатков пестицида в рационе. На основании величин МДУ остаточных количеств пестицидов устанавливают период, или срок ожидания, — время между последней обработкой культуры пестицидами и уборкой урожая. Срок ожидания — это период, после которого пестицид, нанесенный на растения или внесенный в почву, остается в растениеводческой продукции в количествах, не превышающих МДУ, или полностью разрушается (Груздев, 1987).

Полная токсикологическая оценка вещества включает в себя острые и подострые опыты на животных, токсикологические испытания технологических образцов, хронические опыты на животных, изучение отдаленных последствий, обследование работающих, изучение механизмов действия, разработку приемов диагностики, методов профилактики и терапии. Эта оценка должна быть завершена до приема промышленного объекта в эксплуатацию. Каждое новое вещество должно иметь токсикологический паспорт. Во время детального изучения вещества определяют параметры однократного воздействия, однократные пороговые дозы и концентрации Z)min и Cmin. Наиболее трудоемкими являются хронические эксперименты на животных для обоснования ПДК. Порог хронического воздействия выясняется при испытании не менее двух-трех концентраций, одна из которых окажется ближе к пороговой, чем другие. Порогом вредного действия вещества считается такая минимальная его концентрация (доза), при воздействии которой возникают изменения, выходящие за пределы физиологических приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология.
Полученный порог хронического действия требует определения коэффициента запаса для перехода к ПДК. На коэффициент запаса делится экспериментально полученная в хроническом опыте пороговая концентрация. При этом учитываются: 1) степень (коэффициент) кумуляции; 2) абсолютная токсичность вещества; 3) его летучесть; 4) зоны острого и хронического действия; 5) видовые различия в токсичности. Коэффициент запаса увеличивается при выраженном кожно-резорбтивном действии. Наименьшие коэффициенты запаса чаще всего применяются для раздражающих веществ (2—4). Наиболее часто используемый коэффициент запаса равняется 10. Для исследований ряда веществ (канцерогены, аллергены и т. д.) используют специальные методы.
В результате токсикологической оценки новых химических веществ вначале устанавливают их ориентировочные допустимые концентрации в окружающей среде, получившие названия: ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) в почве, ориентировочно допустимые уровни (ОДУ) в воде, ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ) в воздухе, временно допустимая суточная доза в теле человека (ВДСД), временный максимально допустимый уровень (ВМДУ) в сельскохозяйственной продукции. ОДК, ОДУ, ОБУВ, ВДСД, ВМДУ — временные показатели допустимых концентраций токсикантов, устанавливающиеся, как правило, на два года. После дополнительных исследований и уточнений в естественных условиях этим показателям придается статус ПДК в почве (мг/кг), воде (мг/л, мг/дм3), воздухе (мг/м3), ДСД в теле человека (мг/кг), МДУ в продукции (мг/кг).
Согласно методическим рекомендациям лабораторные исследования по установлению ПДК химических элементов в почвах проводят на каком-либо одном типе почв легкого гранулометрического состава (песчаного или супесчаного), как правило дерново-подзолистой, а затем утвержденное значение ПДК механически переносят на другие типы почв с иными физико-химическими свойствами. В связи с этим существующие ПДК для почв не всегда отвечают необходимым требованиям в различных почвенно-климатических регионах. Для уточнения токсичности почв и их компонентов рекомендуется использование биотестов.

Растворимость вредных веществ тесно связана с коэффициентом распределения его паров между кровью и воздухом. Этот коэффициент во многом определяет скорость поступления газов и паров через органы дыхания, а также максимальную концентрацию их в крови.
Для учета способности вещества накапливаться в липидных биофазах применяется коэффициент распределения, показывающий, как распределяется данное соединение между двумя несмешивающимися жидкостями, например маслом и водой, бензолом и водой и т. д.