Экотоксикология

Динамику прохождения ядов через организм, включая процессы поступления, распределения, метаболизма и выделения, изучает токсикокинетика. Токсическое действие поступившего в организм ядовитого вещества возникает только тогда, когда оно достигает точки своего приложения, взаимодействует с рецептором. Это могут быть ферменты, действие которых блокируется токсическим соединением; пути проведения нервных импульсов; участки мембран клеток или их органелл, которые оккупируются молекулами вредного вещества, в результате чего нарушается мембранная проницаемость. У некоторых ядов имеется несколько точек приложения, поэтому иногда наблюдаются основной и побочные токсические эффекты. Токсический эффект имеет место только в том случае, если количество поступившего яда не слишком мало. С током крови яд разносится по всему организму, через эпителий капилляров проникает в ткани и органы, иногда откладывается в них, подвергается тем или иным превращениям и, наконец, выделяется из организма в неизменном виде или в виде метаболитов.
Экспериментальная разработка токсико-кинетических задач предусматривает прежде всего определение концентрации вещества или его метаболитов в крови, плазме, моче, выдыхаемом воздухе, тканях в различные интервалы времени. С этой целью используют методы, принятые для определения чужеродных веществ в организме (фотометрический, спектрофотометрический анализ, полярография, хроматография, флуорометрия, нейтрон-но-активационный анализ, методы меченых атомов и др.). Все эти методы должны обладать высокой чувствительностью.
Поступление в организм чужеродных химических соединений, их распределение между органами и тканями и последующее выделение в основном происходят по законам диффузии. Кинетика диффузионных процессов описывается экспоненциальными закономерностями. Простейшие зависимости такого рода имеют вид: С= лП) (1 — е~*0 для накопления вещества и С= С0е~х'для его выделения, где Со — постоянная концентрация вещества в окружающей среде в первом случае и начальная (при t = 0) концентрация вещества в биофазе организма (кровь, ткань, орган) во втором; л — коэффициент распределения вещества между биофазой и окружающей средой; к и ч — постоянные накопления и выведения; t— время. Постоянные А; и ч имеют размерность, обратную времени; ч показывает, какая часть имеющегося в биологической системе количества вещества выделяется, а А:— какая его часть накапливается за каждую единицу времени.
Период полувыведения (Т) является промежутком времени, в течение которого выделяется половина находящегося в биологической системе вещества. Пользуясь уравнением выделения, получаем С0/2 = С0е~^г, или е~хг = 1/2, чГ= In 2 = 0,693, ч = 0,693/Г; Т= 0,693/ч. Величину Г можно легко найти графически.
Другим показателем пребывания чужеродного вещества в организме является кажущийся объем его распределения (V), соответствующий объему, который занимало бы вещество в организме в состоянии равновесия при условии его равномерного распределения:
V= W/C,
где W— количество вещества в организме в единицах массы; С—его концентрация в той ткани, через которую вводится объем распределения. Например, W— в мг, С— в мг/л плазмы, тогда V— в мл по данным определения вещества в плазме.

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).

Под хроническим региональным загрязнением понимают продолжительное во времени поступление в окружающую среду экоток-сикантов в существенных количествах. В результате происходит загрязнение довольно крупного района (речной системы, бассейна водосбора, природно-территориального комплекса). Подобное загрязнение возникает в связи с работой крупных промышленных предприятий, энергетических установок, городских хозяйственных объектов и др. При этом малотоксичные вещества поступают в окружающую среду, как правило, в больших количествах, а высокотоксичные — в малых.
К глобальным относятся загрязнения окружающей среды в больших количествах и в течение длительного времени, охватывающие значительную часть земной поверхности. Примерами таких загрязнений являются постоянно увеличивающееся поступление в атмосферу углекислого газа и фреонов, радиоактивные осадки после атомных и термоядерных взрывов в атмосфере.
Процессы поступления, распространения и превращения загрязняющих веществ в окружающей среде очень сложны и представляют собой самостоятельный раздел экотоксикологии.
При изучении действия экотоксикантов необходимо учитывать специфическую видовую чувствительность, стадию развития организма, характер совместного действия нескольких экотоксикантов. Известны большие различия в токсическом действии одних и тех же веществ на разные виды живых организмов. Механизм специфической токсичности еще мало изучен. При поиске пестицидов стремятся найти вещества, обладающие специфическим узконаправленным действием против определенных видов вредителей, но безопасные для полезных видов.
Важное значение в экотоксикологии имеет изучение токсичности не только самого вещества, попадающего в окружающую среду, но и продуктов его превращения. При загрязнении отходами производств, продуктами сжигания топлива, мусора образуется смесь продуктов сложного состава. При этом общий токсический эффект смеси может отличаться от суммарной токсичности ее отдельных компонентов.

Экотоксикологическая оценка опасности тех или иных веществ производится с учетом стадии развития организма. В частности, эмбрионы обладают повышенной чувствительностью к токсическому действию различных веществ. Например, применявшийся в качестве снотворного средства в странах Западной Европы талидамид поражает эмбрионы человека и других млекопитающих в первые недели после зачатия (у человека между 23-м и 40-м днями) и вызывает врожденные анатомические уродства. Нарушения беременности отмечались во Вьетнаме, где армия США широко применяла в качестве химического оружия хлорсодержащие гербициды, состоящие из 2,3,7,8-тет-рахлордибензодиоксина.
Повышенной чувствительностью к вредным веществам обладают организмы на ранних стадиях послеродового развития. Повышенная чувствительность к экотоксикантам встречается и на завершающих стадиях онтогенеза.
К важным задачам экотоксикологии относятся прогнозирование опасности для живых организмов загрязнения отдельных районов экотоксикантами и разработка мероприятий по профилактике поражений, лечению пострадавших и ликвидации последствий заражений. Эти задачи решаются в комплексных программах контроля загрязнения окружающей среды, биологического и санитарно-гигиенического мониторинга. Их успешное решение зависит от совершенствования системы контроля количественного содержания экотоксикантов в окружающей среде, глубокого знания характера и механизма острого и хронического действия экотоксикантов на живые организмы в условиях их обитания, физико-химических свойств экотоксикантов для прогнозирования их распространения в окружающей среде, по трофическим цепям, биотрансформации. Их решение осуществляется совместными усилиями экологов, токсикологов, химиков и других специалистов.

Многие фторорганические соединения, в частности фторацетат, сами по себе практически нетоксичные, попадая в организм, вступают во взаимодействие с коэнзимом А, образуя фторацетаткоэнзим А. Последний конденсируется с щавелево-уксусной кислотой, образуя сильный яд — фторлимонную кислоту. Под ее действием в тканях накапливается лимонная кислота и нарушается цикл Кребса.
Нарушение ферментативной активности может явиться следствием косвенного действия ядов на ферменты. Токсичный агент, не воздействуя непосредственно на фермент, изменяет его активность, связывая природные активаторы и ингибиторы, взаимодействуя с субстратом, тормозя или активируя процессы синтеза и распада фермента. По такому пути действуют комплексообразова-тели, связывая в организме металлы, играющие роль активаторов ряда ферментных систем. Фториды связывают кальций и магний, необходимые для нормального функционирования ферментов углеводно-фосфатного обмена.
Торможение синтеза ферментов может быть вызвано веществами, блокирующими синтез белка (актиномицин Д пуромицин).
Активация ферментных систем часто бывает обусловлена торможением химическими веществами скорости их распада. Барбитураты тормозят скорость распада микросомальных ферментов и тем самым повышают их активность.
Динитрофенолы, динитроортокрезол, пентахлорфенол, ДДТ, севин повреждают внутриклеточные структуры, вызывая набухание митохондрий, изменяя проницаемость митохондриальной мембраны, разобщая дыхание и фосфорилирование.
Примером косвенного влияния химических веществ на ферментативную активность является избирательное повреждение ядами желез внутренней секреции, вырабатывающих гормоны, что приводит к нарушению гормональной регуляции ферментативной активности. Тормозящее действие на выработку тироксина щитовидной железой оказывают пестициды ТМТД, тиомочевина, а также перхлорат аммония и др.
В ряде случаев в основе механизма действия яда лежат реакции с неферментными структурами. К ним относятся взаимодействия с функциональными группами структурных белков биологических мембран, нуклеиновыми компонентами внутриклеточных структур, биологически активными веществами неферментной природы. Так действует оксид углерода, вызывая гипоксию.
Усилению токсичности вещества способствуют замыкание цепи углеродных атомов, введение галогенов в молекулу органического соединения, введение в молекулу нитро- (Н02), нитро-зо- (N0) и аминогрупп (НЗ2) двойных связей. Соединения с нормальной углеродной связью более токсичны по сравнению со своими разветвленными изомерами. Силу действия соединения ослабляет введение в молекулу гидроксильной группы, резко ослабляет токсичность ацетилирование и карбоксилирование. Первые члены гомологического ряда предельных углеводородов (метан) более токсичны, чем последующие. Большей токсичностью обладают пара-изомеры, меньшей — мета- и еще меньшей — ор/ио-изомеры.
Наркотическое действие спиртов жирного ряда возрастает в гомологическом ряду с увеличением числа атомов углерода, с возрастанием молекулярной массы (правило Ричардсона).

Повышенное содержание токсических веществ во внешней среде, и прежде всего в почвах, неизменно ведет к повышенным концентрациям этих веществ в растительных и животных организмах. Это зависит от пространственной мозаичности и различий уровней загрязненности территории, с одной стороны, и особенностей экологии популяций и сообществ растительных и животных организмов — с другой.
Токсические вещества попадают к живым объектам в результате прямого поступления аэральным путем, через устьица растений, дыхательные пути у животных; в водных экосистемах поступление поллютантов из воды происходит за счет фильтрации водных организмов. Второй путь поступления токсикантов связан с предварительным накоплением загрязнителей в почве (для растений), растительности (для животных-фитофагов), у животных — в жертвах (для хищников) и с дальнейшим прохождением их по пищевым цепям. Накопление токсических веществ млекопитающими-фитофагами определяется главным образом содержанием загрязнителей в рационах животных. Прямой путь поступления значительно уступает пищевому поступлению токсических веществ по пищевым цепям. Концентрирование токсических веществ при переходе с одного трофического уровня на другой выражают с помощью коэффициента накопления.