Экотоксикология

Методы обоснования ПДК химических веществ зависят от объектов внешней среды, для которых они разрабатываются. Так, при установлении ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны изучают их токсичность при однократном ингаляционном поступлении в организм лабораторных животных (мыши, крысы, морские свинки, кролики, кошки), оценивают кожно-резорбтивные и раздражающие свойства, проводят опыты для определения характера действия вещества и способности его к кумуляции при повторных воздействиях. Завершают экспериментальные исследования хроническим токсикологическим опытом, в котором определяют порог химического действия вещества. Полученное значение порога хронического действия делят на так называемый коэффициент запаса, под которым понимают кратность уменьшения значения порога хронического действия яда, полученного в опытах на животных, до уровня ПДК, рекомендуемой для человека. Значение коэффициента запаса зависит от особенностей биологического действия данного вещества, его летучести, наличия специфических свойств (мутагенное, гонадотропное, аллергенное действие и др.).
При нормировании вредных веществ в атмосферном воздухе учитывают возможность круглосуточного постоянного воздействия на здоровье населения, в том числе на детей, пожилых и ослабленных лиц, влияние атмосферных загрязнений на окружающую среду, условия жизни населения и др. При нормировании учитывают принцип лимитирующего показателя. Согласно этому принципу нормирование проводится по наиболее чувствительному показателю. Например, если запах вещества ощущается при концентрациях, которые не оказывают вредного влияния на человека и окружающую среду, то нормирование производят с учетом порога обонятельного ощущения.

Одним из наиболее важных достижений гигиенической науки является разработка теории и практики регламентации содержания химических веществ в окружающей среде. Под гигиеническим нормированием понимают регламентацию вредных факторов и веществ в окружающей среде (воде, воздухе, почве, продуктах питания) на основе разработки и установления в законодательном порядке соответствующих правил и нормативов, в том числе предельно допустимых концентраций (ПДК) и использование их для оздоровления окружающей среды.
Начало гигиенической регламентации профессиональных ядов в воздушной среде производственных помещений относится в б. СССР к 10 апреля 1922 г. В этот день были утверждены первые Правила о мерах безопасности работ в производстве хромовых солей. В них было определено содержание сернистого газа, не превышающее 0,06 мг/л. 30 августа 1922 г. появились Правила о мерах безопасности в производстве серной, азотной и соляной кислот с нормами для оксидов азота 0,1 мг/л, соляной кислоты 0,07, сернистого газа 0,06 мг/л. В 1923 г. в Москве был создан Институт гигиены труда и профессиональных заболеваний. В 1930 г. появляется термин «предельно допустимая концентрация» (ПДК), который получил широкое распространение. В 1957 г. в Киеве состоялась Первая Всесоюзная конференция по гигиене и токсикологии инсектофунгицидов, на которой были предложены ПДК для некоторых пестицидов, применяемых в сельском хозяйстве. В том же году вышли первые Методические указания по гигиенической оценке и нормированию ядохимикатов. Обновленные списки ПДК выпускались в 1959, 1963, 1972 гг. Они ежегодно обновляются и дополняются. Сведения по ПДК новых веществ публикуются в виде дополнений к спискам в «Токсикологическом вестнике».
Количественные исследования токсичности новых химических веществ проводят токсикологические лаборатории гигиенических НИИ, медицинских вузов и санитарно-эпидемиологических станций. Методическими центрами по гигиенической регламентации в СНГ являются Московский, Санкт-Петербургский и Киевский институты гигиены труда и профессиональных заболеваний, где разработаны единые методы токсикометрии для всех химических веществ.

Устранение патогенного начала становится более важной мерой очистки СВ, чем удаление взвешенных веществ и снижение биохимического потребления кислорода, что обычно требуется при контроле за СВ.
Программой ООН по окружающей среде предложена рациональная эпидемиологическая основа рекомендаций по орошению СВ, рассмотренная и одобренная ведущими экспертами и эпидемиологами ВОЗ. Около 99,9 % патогенов (яиц аскарид, власоглавов, анкилостомид) должно быть удалено во время очистки СВ. Яйца кишечных нематод в СВ служат организмом-индикатором для остальных патогенных гельминтов и простейших.
Бактериальный норматив для полива растений, рыбоводных прудов, удобряемых СВ, прудовой воды для выращивания съедобных растений — 1000 фекальных колиформ (ФКФ) на 100 мл СВ.
В нашей стране должны выполняться требования санитарного законодательства, отраженные в Санитарных правилах устройства и эксплуатации земледельческих полей орошения, № 3236—85 и Методических указаниях по осуществлению государственного санитарного надзора за устройством и эксплуатацией земледельческих полей орошения, № 4099—86.

Одним из эффективных методов снижения концентрации тяжелых металлов является механическое удаление так называемых критических или тройных органов, животных тканей, частей растений. Так, для кадмия тройными органами являются почки и печень; ртути — почки, печень, мозг; для свинца — костная ткань, почки и печень. С учетом этого при забое скота необходимо удаление этих тропных органов с последующей их технической утилизацией. При этом туши животных должны быть хорошо обескровлены, а кровь не должна использоваться для изготовления кровяных зельцев, колбас, других пищевых продуктов. Тропными органами рыб являются внутренние органы, жабры, чешуя, кости. Условно-годная рыба должна разделываться на спинку, тешу или филе с удалением и технической утилизацией внутренних органов и головы.
Для растениеводческой продукции характерно накопление тяжелых металлов в стеблях, листьях, оболочке и зародыше злаков. По этой причине условно-годное зерно можно использовать только для производства муки высшего сорта, где предусматривается максимальное удаление оболочек.
Наиболее эффективное снижение содержания тяжелых металлов достигается при производстве из условно-годного пищевого сырья рафинированной продукции — крахмала, спирта, сахара, безбелковых жировых продуктов. Не рекомендуется использовать условно-годное сырье для получения пищевого пектина и желатина.
Условно-годное пищевое сырье следует направлять на промышленную переработку на те предприятия, которые определены органами Госсанэпиднадзора. Весь технологический цикл переработки условно-годного сырья должен находиться под контролем ведомственной лаборатории и лаборатории Госсанэпиднадзора. Готовая продукция, полученная из этого сырья, после обязательного контроля на соответствие гигиеническим нормативам может быть направлена на реализацию.

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 %.

Среднесмертельную дозу вычисляют статистическими методами. Наиболее известны методы Беренса, Кербера, Першина, Бе-ренса и Шлоссера, метод наименьших квадратов, методы пробит-анализа Миллера и Тейтнера, Лигчфилда и Уилкоксона, метод Штабского и некоторые другие.
При выявлении эффективной дозы какого-либо вещества, вызывающего конкретный эффект, находят не одно определенное значение, а ряд значений, которые образуют вариационный рад его индивидуальных эффективных доз. Распределение частот индивидуальных эффективных доз в этом вариационном ряду обычно приближается к нормальному распределению.
В условиях нормального распределения вариационный ряд может быть полностью определен средней арифметической варьиру
ющего признака (в данном случае — доза) и величиной стандартного отклонения (у), соответствующего стандартной ошибке
средней арифметической (у) из индивидуальных минимальныхэффективных доз.
Другой путь определения средней эффективной дозы вытекает из особенностей кривой нормального распределения. Площадь над осью абсцисс, ограниченная этой кривой, выражает общее количество животных, у которых наблюдалась изучаемая реакция (рис. 2.1, А).
Так как кривая нормального распределения симметрична, то перпендикуляр, восстановленный из точки ч, соответствующей средней эффективной дозе, разделит всю площадь, ограниченную кривой, на две равные части. Следовательно, средняя эффективная доза вместе с тем является той дозой, которая вызывает изучаемый эффект у 50 % подопытных животных.
Итак, вместо того, чтобы на очень большом количестве животных определять эффективные дозы и из них вычислять среднюю арифметическую, можно избрать более простой путь —- искать ту дозу, которая вызывает изучаемый эффект у 50 % подопытных животных.
Если изучать на животных действие последовательно возрастающих доз исследуемого вещества, разделив для этого животных на ряд групп и испытывая на каждой группе какую-либо одну дозу, то окажется, что учитываемая реакция проявляется лишь начиная с какой-то определенной дозы, частота возникновения этой реакции будет нарастать и, наконец, при какой-то величине дозы эта реакция наступит у всех животных данной группы. Зависимость между величиной дозы и частотой возникновения реакции можно изобразить графически. Для этого по оси абсцисс следует отложить дозы, а по оси ординат — частоту возникновения учитываемого эффекта к числу животных, на которых данную дозу испытали. При этом зависимость между дозой и частотой наступления реакции будет представлена симметричной S-образной кривой, которую обычно называют кумулятой или характеристической кривой. На этой кривой средняя эффективная доза соответствует значению абсциссы для той части кривой, ордината которой равна 50 %.
Для стандартизированной кривой нормального распределения, т. е. при стандартном отклонении теоретического распределения при у= 1, следует отметить, что при у= — 1 площадь, отсекаемая перпендикуляром, восстановленным из этой точки, составляет 16 % (точнее, 15,87 %) общей площади, ограниченной кривой распределения; при у= +1 отсекаемая площадь составляет 84 % (точнее, 84,13 %) общей площади, ограниченной кривой распределения. Следовательно, доза вещества, которая меньше, чем LD50, на величину стандарта, должна вызывать реакцию у 16 % животных, доза, превышающая LD50 на величину стандарта, должна вызывать реакцию у 84 % животных. Эти дозы соответственно обозначают LDie и LDU.
Итак, LZ)16 = LD50 - у; LDU = LD50 + у.
Отсюда: LZ>84 — LD]6 = LD50 + у — LD50 + у = 2у, следовательно, c = (LDS4-LDl6)/2.
Это соотношение часто используется для нахождения стандартного отклонения и стандартной ошибки LD5o.
Характеристическая кривая имеет исключительно большое значение для количественной оценки фармакологической активности. По существу, все методы количественного определения активности сводятся к построению характеристической кривой или эквивалентной ей прямой на основании данных, полученных в результате эксперимента, и к последующему их анализу.

Нарастающее загрязнение окружающей среды привело к необходимости токсикологического контроля воздуха, воды, почвы, продуктов сельскохозяйственного производства. Практический интерес представляют концентрации ядов в воздухе, а также дозы веществ, поступающих через кожу или желудочно-кишечный тракт. Токсикология занимается изучением природы и механизма токсических повреждений, а также количественной оценкой всего спектра биологических изменений, обусловленных воздействием химических веществ. Первоочередной целью токсикологических исследований является определение действия химического вещества на биологические системы и получение данных о зависимости доза — эффект для данного вещества. Эти сведения могут обеспечить информацию о степени опасности вещества для человека и окружающей среды, которая связана с возможным воздействием этого вещества при конкретном использовании. Изучение зависимости между количеством яда и его эффектом (доза — эффект) проводят в остром, подостром и хроническом экспериментах.
Методы определения токсичности подробно описаны в работах М. Л. Беленького (1963), А. А. Голубева, И.Е. Люблиной и др. (1973), И. В. Саноцкого (1970), О.Н.Елизаровой (1970, 1974), И. Д. Западнюка, В. И. Западнюка и др. (1983), Я. Бурета, О. Буре-товой и др. (1991), М. Е. Безрукова, Д. Б. Гелашвили и др. (1995), а также в издании ВОЗ «Принципы и методы оценки токсичности химических веществ» (1981).