Экотоксикология

Распределение физиологически необходимых микроэлементов (цинк, марганец и др.) в организмах популяции более близко к нормальному (симметричному). Однако в случае, когда эти же элементы поступают в организм в количествах, превышающих необходимое, т. е. выступают в роли токсикантов, закон распределения их концентраций в тканях трансформируется в логнормаль-ный (асимметричный), при котором доля особей с высоким содержанием токсикантов превышает долю с минимальными содержаниями. В экотоксикологии в качестве аргумента зависимости доза—эффект следует рассматривать спектр концентраций токсических веществ в популяционной выборке, описываемой логнормальным законом распределения:
Токсический эффект, отражающий состояние популяции, определяется количеством (долей) особей, у которых возможно проявление признаков интоксикации, распределением содержания токсических элементов в организмах, составляющих популяцию, долей в ней пораженных особей.
При системном анализе зависимости расстояние от источника — концентрация токсиканта и расстояние от источника — состояние популяции экосистемы будет получена кривая типа доза — эффект. В двойных логарифмических координатах она представляет прямую линию. Связь дозы и эффекта выражается логистическим уравнением:
Большинство полученных дозовых зависимостей, носит S-об-разный характер. В частности, подобным образом можно исследовать параметры древесного, травяно-кустарничкового ярусов, толщину лесной подстилки, скорость разложения целлюлозы, численность мезофауны, дождевых червей и т. д. (эффект) при разных уровнях загрязнения тяжелыми металлами (доза). При этом общая густота древостоя и общая фитомасса травяно-кустарничкового яруса остаются неизменными. Это одно из проявлений механизмов устойчивости экосистемы. Численность многих фитофагов может возрастать в результате ослабления популяций кормовых растений.

Взаимодействующие уровни токсических веществ могут быть признаны бездействующими, если вызываемые ими изменения не выходят за пределы колебания статистической нормы. В качестве допустимой нормы принимается диапазон изменений, равный двум стандартным отклонениям (М ± 2Sn), выход за пределы которого диагностируется как проявление поражения.
Популяция как система взаимосвязанных особей уже в силу исходной разнокачественности ее отдельных эколого-функциональ-ных группировок характеризуется разнообразием их ответной реакции на любое внешнее воздействие.
Количественная оценка дозы предполагает учет меры токсического воздействия, отражающей не просто средние уровни токсических веществ в объектах внешней среды, а специфику популяции как гетерогенного объекта, элементы которого испытывают токсическое воздействие разной интоксикации.
Оценка эффекта должна включать некоторые интегральные показатели состояния популяции, непосредственно контролирующие стабильность ее структуры и функции (плодовитость, выживаемость, продуктивность, занимаемая площадь, численность, возрастной состав и др.).
При оценке эффектов популяционного уровня необходимо исходить из первичных проявлений токсичности на молекулярном, тканевом, клеточном, организменном уровнях. Техногенные вещества, загрязняющие природные экосистемы, включаются в биологический круговорот за счет жизнедеятельности популяций растений и животных.

Критические значения токсического фактора Скр, вызывающие проявление токсического эффекта, сдвигаются в сторону больших значений по мере перехода от низших уровней организации биологических систем к высшим (клетка — ткани или органы — популяции). Поражение или гибель животных начинается при больших концентрациях, чем поражение органа и тем более клетки. В популяции должна существовать некоторая критическая численность особей, ниже которой ее существование в природных условиях невозможно. Этой критической ситуации соответствует определенный процент пораженных (погибших) животных.
Компенсация неблагоприятного воздействия фактора направлена на поддержание стабильности биологической системы на молекулярном, клеточно-тканевом, организменном и популяционном уровнях организации. К воздействию антропогенных факторов, включая техногенное загрязнение, биологические системы различного ранга эволюционно не готовы. Их реакция на техногенный пресс носит неспецифический характер. Связь влияния потенциально токсичных веществ на живые организмы со временем характеризуется чередованием периодов стимуляции и угнетения показателей жизнедеятельности на уровне как отдельных особей, так и их популяций (Филенко, 2001). Это явление представляет собой результат взаимодействия сопряженных по интенсивности процессов интоксикации и ответных компенсаторно-адаптивных реакций биологической системы. Компенсаторные реакции на уровне организма могут включать выведение и обезвреживание яда, элиминацию и компенсацию молекулярных повреждений, последующие перестройки внутриклеточных и физиологических процессов, направленные на ослабление неблагоприятного эффекта. При воздействии токсиканта в малой концентрации первичные деструктивные изменения со временем могут быть полностью компенсированы, а жизнедеятельность организмов может даже временно перейти в состояние повышенной активности (стимулироваться). Любое вещество при избыточном содержании способно оказывать на особи, популяции и сообщества организмов токсическое действие, которое зависит от продолжительности и интенсивности экспозиции токсиканта.

Популяция — это устойчивая внутривидовая группировка особей, объединенных территориально, имеющих единый жизненный цикл и генофонд, в какой-то мере репродуктивно изолированная от других группировок и обладающая способностью к го-меостазу в изменяющихся условиях существования.
Связь между токсической нагрузкой и выраженностью токсического эффекта в гигиенической токсикологии обычно представляется зависимостью типа доза—эффект, носящей альтернативный характер. В виде дозы можно рассматривать содержание токсических веществ в объектах внешней среды или в изучаемых организмах. Токсический эффект отражает ответ биологической системы на воздействие ксенобиотика. Одним из путей решения проблем экотоксикологии является широкое применение лабораторных аналогов с последующей экстраполяцией на природные сообщества. Токсикологические эксперименты с лабораторными животными лежат в основе устанавливаемых для человека ПДК токсических веществ в воздухе, воде, продуктах питания. Остается открытым вопрос, в какой мере нормативы, установленные для человека, обеспечивают защиту других объектов живой природы.
В последнее время большое внимание уделяется природным экспериментам, в которых биоценозы изолируются и подвергаются дозированному воздействию токсического фактора. В качестве эмпирической основы экотоксикологии следует рассматривать также данные, полученные при изучении деградированных территорий.

Экологическая токсикология — новая научная ветвь экологии. Термин «экотоксикология» введен в 1969 г., когда при Международном научном комитете по проблемам окружающей среды (СКОПЕ) была организована специальная рабочая комиссия по экологической токсикологии. Позднее это определение было уточнено на конференции СКОПЕ в 1978 г. В настоящее время под экологической токсикологией понимается междисциплинарное научное направление, связанное с токсическим воздействием химических веществ на живые организмы, преимущественно на популяции организмов и биоценозы, входящие в состав экосистем. Основным предметом экологической токсикологии являются биологические системы надорганизменного уровня, подверженные антропогенному загрязнению. Токсические эффекты молекулярно-генетического, клеточно-тканевого и онтогенетического уровней, проявляющиеся у растений и животных в виде разнообразных физиологических, биохимических, функциональных нарушений, рассматриваются в экологической токсикологии в качестве первичных токсических эффектов, имеющих следствием нарушения популяционных механизмов (Безель, Большаков и др., 1994).
Важной особенностью популяций и биоценозов является неспецифичность их реакции на внешнее токсическое воздействие. Они отличаются сходными ответными реакциями на влияние как естественных природно-климатических, так и антропогенных факторов. Это затрудняет диагностику экотоксических эффектов. Теоретической базой экологической токсикологии являются фундаментальные закономерности структуры и функционирования популяций и экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение, действие на живые организмы, механизмы токсического действия и токсических эффектов химических веществ. Под влиянием техногенных загрязнителей в экологических системах проявляются неблагоприятные эффекты на различных уровнях организации — от молекулярно-клеточного до биоценотического. Наблюдаются эффекты увеличения частоты хромосомных нарушений и мутаций, изменения ферментативной активности отдельных систем организма, снижение репродуктивных способностей и продолжительности жизни организмов, смена доминирующих видов, изменение половозрастной структуры популяций, видового состава сообществ, продуктивности биоценозов в целом.

Staphylococcus aureus в период роста в пищевых продуктах продуцирует энтеротоксин, который вызывает стафилококковое пищевое отравление. Идентифицировано шесть энтеротоксинов: А, В, С, D, Е, F и две их формы C-Cj и С2. Бактерия устойчива к нагреванию, сохраняет активность при 70 °С в течение 30 мин, при 80 °С — 10 мин. Еще более устойчивы к нагреванию энтеротокси-ны S. aureus, окончательная инактивация которых наступает только после 2,5—3 ч кипячения. S. aureus обладает устойчивостью к высоким концентрациям поваренной соли и сахара. Жизнедеятельность бактерии прекращается при концентрации хлорида натрия в воде более 12 %, сахара — 60 %. При температуре ниже 4— 6 °С прекращается размножение S. aureus. Оптимальная температура для размножения стафилококков 22—37 °С. Источники инфекции — человек, сельскохозяйственные животные, продукция животноводства. Наиболее благоприятной средой для жизнедеятельности бактерий являются молоко, мясо и продукты их переработки; эти пищевые продукты чаще вызывают стафилококковое отравление. Стафилококки размножаются и продуцируют энтеротоксины в сыром молоке слабее, чем в пастеризованном. Попадая в молоко, стафилококк продуцирует энтеротоксины при комнатной температуре через 8 ч, при 35—37 °С — в течение 5 ч. Стафилококки и их энтеротоксины практически отсутствуют в кисломолочных продуктах.
Загрязнение мяса стафилококками происходит во время убоя животных и переработки сырья. В мясном фарше, сыром и вареном мясе стафилококки продуцируют токсины при оптимальных условиях (22—37 °С) через 14—26 ч. Добавление в фарш белого хлеба увеличивает скорость образования токсических метаболитов в 2—3 раза. Копчение колбас при определенной температуре способствует росту стафилококков. В готовых котлетах после их обсеменения энтеротоксины образуются через 3 ч, в печеночном паштете — через 10—12 ч. Вакуумная упаковка мясопродуктов ингиби-рует рост стафилококков.
Благоприятной средой для размножения S. aureus являются также мучные кондитерские изделия с заварным кремом. При обсеменении крема в условиях благоприятной температуры (22— 37 °С) образование токсинов наблюдается через 4 ч. Концентрация сахара в таких изделиях составляет менее 50 %. При 60%-м содержании сахара и выше образование энтеротоксинов ингибируется.
Пищевые отравления могут вызвать продукты, в которых в большом количестве размножились вырабатывающие токсины в основном сапрофитные бактерии родов Proteus, Clostridium, Salmonella, группы кишечной палочки Escherichia coli, а также Bacillus mesentericus. Токсичные бактерии рода Proteus и кишечная палочка вызывают отравление, аналогичное сальмонеллезу, но менее продолжительное по времени. Некоторые виды кишечной палочки вызывают кишечные заболевания — энтериты, особенно у маленьких детей.
Значительную роль в пищевых токсикоинфекциях играют бактерии Clostridium perfringens — обычные представители микрофлоры кишечника человека. Изучено 6 штаммов С/, perfringens: А, В, С, D, Е и F, которые продуцируют многообразные по своим свойствам токсины. Пищевую токсикоинфекцию вызывают главным образом штаммы А и D. Споры остаются жизнеспособными при кулинарной обработке — варке и обжаривании. Энтеротоксины высвобождаются из вегетативных клеток в период образования из этих клеток зрелых спор. Это может происходить как в пищевых продуктах, так и в кишечнике человека. Источником заболевания служат в основном продукты животного происхождения — мясные и молочные, рыба и морепродукты, бобовые, картофельный салат, макароны с сыром. После попадания инфекции в организм инкубационный период продолжается от 5 до 22 ч. Характерные признаки заболевания — расстройство кишечника, спазмы и боли в животе.
Профилактические мероприятия против С/, perfringens предусматривают соблюдение санитарно-гигиенических требований при переработке сырья, хранении готовой продукции.

АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ КОРМОВЫЕ ДОБАВКИ
Длительное время в сельском хозяйстве применяли мочевину. В желудке жвачных она расщепляется до аммиака, который используется микроорганизмами для синтеза белка. Однако передозировка мочевины приводила к интоксикации и даже гибели крупного рогатого скота.
Перспективной кормовой добавкой является полиакриламид. Его кормовая ценность обеспечивается наличием NH2-rpynnbi.
Важное значение имеет производство белково-витаминных концентратов (БВК), полученных путем микробиологического синтеза. Определены гигиенические требования к БВК, используемым в качестве кормовой добавки, %: влажность — не более 10; содержание общего азота — не менее 8; белка — не менее 48; нуклеиновых кислот —не более 8; липидов, полициклических углеводородов — 5; остатков углеводородов — не более 0,1; свинца, мышьяка —не более 5 мг/кг. БВК не должны содержать афлатоксины, патогенную микрофлору, живые дрожжевые клетки, непатогенной микрофлоры может быть не более 100 тыс. кл/г. Эти требования могут корректироваться в зависимости от состава БВК и их назначения.
Можно заключить, что систематическое употребление продуктов питания, загрязненных НФ, АБ, СА, другими чужеродными веществами, затрудняет проведение ветеринарно-санитарной экспертизы этих продуктов, ухудшает их качество, приводит к возникновению резистентных форм микроорганизмов, является причиной различных форм аллергических реакций и дисбактериозов.
Применение лекарственных препаратов и кормовых добавок в ветеринарии, животноводстве и птицеводстве требует соблюдения определенных гигиенических правил, направленных на снижение загрязнения продовольственного сырья и пищевых продуктов. Представляется важным обеспечить необходимый контроль остаточных количеств загрязнителей в продуктах питания, использовать быстрые и надежные методы их анализа. Актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена расширением поставок зарубежной продукции с весьма разнообразным спектром разрешенных там препаратов.
В качестве основных профилактических мероприятий следует отметить соблюдение гигиенических правил применения лекарственных средств и кормовых добавок, проведение дальнейших работ по изучению механизма их фармакологического действия и возможных отдаленных последствий. Немаловажное значение имеют накопление банка используемых препаратов, их идентификация, разработка достоверных методов их определения в продовольственном сырье и пищевых продуктах.

Используются в ветеринарии и животноводстве для стимуляции роста животных, улучшения усвояемости кормов, многоплодия, регламентации сроков беременности, ускорения полового созревания и т.д. Ряд ГП обладает выраженной анаболической активностью, применяется в этой связи для откорма скота и птицы: полипептидные и белковые гормоны (инсулин, соматотропин и др.); производные аминокислот —тиреоидные, стероидные гормоны, их производные и аналоги.
Естественным следствием применения ГП в животноводстве явилась проблема загрязнения ими продовольственного сырья и пищевых продуктов.
С развитием науки были созданы многие ГП, которые по анаболическому действию эффективнее природных гормонов в 100 раз и более. Этот факт, а также дешевизна их синтеза определили интенсивное внедрение этих препаратов в практику животноводства. Это, например, диэтилстрильбэстрол, синэстрол, диенэстрол, гекс-эстрол и др. Однако в отличие от природных аналогов многие синтетические ГП оказались более устойчивыми, плохо метаболи-зируются и накапливаются в организме животных в больших количествах, мигрируя по пищевой цепочке в продукты питания. Следует отметить, что синтетические ГП стабильны при приготовлении пищи, способны вызывать нежелательный дисбаланс в обмене веществ и физиологических функциях организма человека. Применение гормональных препаратов и других биокатализаторов требует проведения тщательных гигиенических исследований по их токсикологии, накоплению в клетках и тканях организма.
Медико-биологическими требованиями определены допустимые уровни содержания ГП в продуктах питания, мг/кг, не более: мясо сельскохозяйственных животных, птицы и продукты их переработки — эстрадиол 17в и тестостерон соответственно 0,0005 и 0,015; молоко и молочные продукты, казеин — эстрадиол 17в на уровне 0,0002, масло коровье — 0,0005 указанного ГП.
Многочисленными исследованиями доказана высокая токсичность и опасность половых гормонов при поступлении их в организм. В настоящее время они включены в состав загрязнителей окружающей среды. Соединения с эстрогенной активностью, не являющиеся натуральными женскими половыми гормонами, получили название ксеноэстрогенов. Под их действием наблюдается глобальное ухудшение репродуктивной функции мужчин и самцов животных — от рыб до млекопитающих, происходит прогрессирующая феминизация животного мира.

Нитрофураны (НФ). Обладают бактерицидным и бактериоста-тическим действием. Наибольшую антимикробную активность проявляют 5-нитро-2-замещенные фураны, которые различаются по способу применения, длительности циркуляции в организме и т. д. Отличительной чертой НФ является эффективность их действия в борьбе с инфекциями, устойчивыми к сульфаниламидам и антибиотикам.
Накопление НФ в органах и тканях животных зависит от сроков отмены препаратов перед убоем, которые составляют от 5 до 20 дней. Увеличение такого срока особенно важно для кур-несушек.
Считают, что остатки этих лекарственных препаратов не должны содержаться в пище человека. В этой связи отсутствуют допустимые концентрации нитрофуранов в пищевых продуктах. Вместе с тем имеющиеся данные свидетельствуют о возможной контаминации.
Далее приведена характеристика некоторых лекарственных препаратов.
Витамицин. Товарные формы препарата: витамицин-0,5; вита-мицин-1; витамицин-5, содержащие соответственно 0,5, 1 и 5мг активной части витамина А. В корма домашней птицы добавляют 300—500 г/т, для молодняка крупного рогатого скота — 1 кг/т. Улучшает обменные процессы и повышает продуктивность за счет активизации синтеза ретинола и белка в печени.
Бацихшшн. Активным компонентом его является бацитрацин, относящийся к группе полипептидов. Его действие подобно пенициллину и направлено против грамположительных и грамотри-цательных бактерий. Механизм ростостимулирующего действия заключается в усилении биосинтетической деятельности антагонистической микрофлоры, что приводит к значительному увеличению общего содержания антибиотиков в кишечнике по сравнению с количеством, поступившим с кормом. Товарные формы: бацихилин-10, бацихилин-20, бацихилин-30, содержащие в 1 г соответственно 10, 20, 30 мг бацитрацина. Выводится из организма в течение одних суток, поэтому период выдержки перед убоем не имеет существенного значения.
Кормогризин. В состав входит антибиотик гризин, представляющий собой полипептид. Применяют кормогризин-5, кормогризин-10, кормогризин-40, в 1 г которых содержится соответственно 5, 10 и 40 мг гризина. Норма цыплятам и утятам — 200—500 г/т корма, молодняку крупного рогатого скота — 400, поросятам и молодняку овец — 300 г/т. Выводится из организма в течение 5 дней. Период выдержки перед убоем скота и птицы должен составлять 6 дней.
Фрадизин. Активную часть составляет антибиотик тилозин, относящийся к группе макролидов. Товарные формы: фрадизин-5, фрадизин-10, содержащие в 1 г соответственно 5 и 10 мг тилозина. Применяют в качестве лечебно-профилактического средства из расчета 300—700 г на 1000 голов птицы. Перед убоем необходимо выдержать животных без препарата 6 дней.
В нашей стране применяются также антибиотики тетрацикли-нового ряда, входящие в состав кормовых добавок в качестве лечебно-профилактических средств: биовит-20, биовит-40 и био-вит-80, содержащие соответственно 20, 40 и 80 мг хлортетрацик-лина; терравит С — в 1 г 20 или 40 мг окситетрациклина; терравит К — в 1 г 60 или 80 мг окситетрациклина; терравит В — в 1 г 200 мг тетрациклина-основания или 350 мг окситетрациклина; биотетра-корм-ЮО — в 1 г 70—80 мг хлортетрациклина и 20—25 мг тетрациклина-основания. Рассмотренная группа антибиотиков наиболее стойкая, препараты необходимо исключать из рациона за 8—10 дней до убоя.
Наряду с рассмотренными ранее лекарственными средствами в животноводстве применяются пестициды (для борьбы с болезнями животных). Пестициды также могут загрязнять продукты животноводства через корм животных.

Сульфаниламиды. Оказывают антимикробное действие. Они менее эффективны, чем антибиотики, однако сульфаниламиды более доступны и дешевы для борьбы с инфекционными заболеваниями скота и птицы.
Концентрация сульфаниламидов в кормах достигает десятков миллиграммов на 1 кг. Они способны накапливаться в организме животных и птицы, загрязнять молоко, мясо, яйца, мед и продукты, изготовленные из них.
С целью снижения остаточного количества сульфаниламидов в сырье рекомендуют строго соблюдать сроки их использования, которые устанавливают в зависимости от вида лекарства, способа его применения, вида животного и производимого продукта питания. Наиболее часто обнаруживают следующие сульфаниламиды: сульфаметазин, сулъфахиноксазолин, сульфадиме-токсин.
В нашей стране содержание сульфаниламидов в пищевых продуктах и продовольственном сырье не регламентируется медико-биологическими требованиями и должно быть предметом изучения. В США допускаемый уровень загрязнения мясных продуктов большинством препаратов из класса сульфаниламидов составляет менее 0,1 мг/кг, в молоке и молочных продуктах —-0,01 мг/кг. Остатки таких соединений, как сульфапиридин и сульфаметазин, не разрешены.