Экотоксикология

У человека в процессе эволюции не выработались специальные защитные механизмы от ионизирующих излучений, и с целью предотвращения неблагоприятных последствий для населения по рекомендации Международной комиссии по радиационной защите ожидаемая эффективная эквивалентная доза не должна превышать 5 мЗв за любой год радиоактивного воздействия.
Различают поверхностное (воздушное, аэральное) и структурное (корневое, почвенное) загрязнение пищевых продуктов радионуклидами. При поверхностном загрязнении радиоактивные вещества, переносимые воздушной средой, оседают на поверхности продуктов, частично проникая внутрь растительной ткани. Более эффективно радиоактивные вещества удерживаются на растениях с опушенными листьями и стеблями, в складках листьев и соцветиях. При этом задерживаются не только растворимые формы радиоактивных соединений, но и нерастворимые. Аэральное радиоактивное загрязнение растений происходит в результате выпадения радиоактивных осадков из атмосферы при ядерных взрывах, авариях на АЭС. Выпадая на вегетирующие посевы, часть их оседает на поверхности почвы. Радионуклиды проникают в ткани наземных органов растений при мокрых выпадениях — с дождем, а при сухих — после дождя. При высокой влажности воздуха радионуклиды проникают в ткани растений эффективнее, чем при низкой. Поверхностное загрязнение радионуклидами относительно легко удаляется даже через несколько недель.
Структурное загрязнение радионуклидами обусловлено физико-химическими свойствами радиоактивных веществ, составом почвы, физиологическими особенностями растений. Попадающие в атмосферу радиоактивные вещества в конечном счете концентрируются в почве. Радионуклиды, выпавшие на поверхности почвы, на протяжении многих лет остаются в ее верхнем слое, постоянно мигрируя на несколько сантиметров в год в более глубокие слои. Это в дальнейшем приводит к их накоплению в большинстве растений с хорошо развитой и глубоко проникающей корневой системой. Через несколько лет после радиоактивных выпадений на земную поверхность поступление радионуклидов в растения из почвы становится основным путем попадания их в пищу человека и в корм животных. Радиоактивные вещества, попадающие в почву, могут частично вымываться из нее и попадать в грунтовые воды.
Наиболее высокие уровни перехода 90Sr и 137Cs из почвы в растения наблюдаются на дерново-подзолистых почвах легкого гранулометрического состава, меньше — на серых лесных почвах и самые низкие —на черноземах. Из кислых почв радионуклиды поступают в растения в значительно больших количествах, чем из слабокислых, нейтральных или слабощелочных почв. Отношение содержания радионуклидов в единице растительной массы к содержанию их в единице массы почвы или в единице объема раствора называется коэффициентом накопления. Радионуклиды, поступившие в надземную часть растений, в основном концентрируются в соломе (листья, стебли), меньше —в мякине (колосья, метелки без зерна) и в небольших количествах — в зерне. С возрастом растений увеличивается абсолютное количество радионуклидов в надземных органах и снижается их содержание на единицу массы сухого вещества. Содержание радионуклидов в единице массы уменьшается по мере увеличения урожая. В товарной части растениеводческой продукции (зерно, корнеплоды, клубни) больше всего 90Sr и 137Cs на единицу массы урожая содержат корнеплоды (свекла, морковь) и бобовые (горох, соя, вика), за ними следуют картофель и зерновые злаки. Озимые зерновые культуры (пшеница, рожь) накапливают в 2—2,5 раза меньше 90Sr и ^7Cs, чем яровые (пшеница, ячмень, овес). Больше всего 90Sr накапливается в корнеплодах столовой свеклы и меньше всего — в плодах томатов и клубнях картофеля.

АЛЮМИНИЙ
Алюминий (А1) — наиболее распространенный металл, плотностью 2,7 г/см3, на его долю приходится 8,8 % массы земной коры. Содержание алюминия в живом веществе в естественных условиях составляет в среднем 5 • 10~3 %. Однако в живых организмах А1 не выполняет какой-либо физиологической функции, отличается крайне низкой биофильностью (0,0006), относится к слабовыра-женным и инертным элементам. Больше всего А1 в бактериях (200 мг/кг сухого вещества), наземных растениях (4 г/кг). Среди пищевых продуктов наиболее высокая концентрация алюминия отмечена в чае (до 20 мг/г).
У растений алюминий вызывает задержку роста, отмирание черешков листьев, развитие темно-зеленой окраски листьев, пурпурной окраски стеблей, коралловидных и уродливых корневых систем. В водоемах под влиянием кислотных дождей, растворяющих природные малорастворимые алюмосиликатные породы, повышается концентрация катионов алюминия, что приводит к гибели рыб, земноводных, моллюсков. У человека А1 сравнительно легко выводится из организма. Его накопление и проявление токсичности наблюдаются при нарушении функции почек, что приводит к увеличению хрупкости костей, развитию анемии, нарушению речи, ориентации, провалам памяти, помутнению рассудка.
Доза алюминия 1,3—6,2г/сут смертельна для человека. В России и странах СНГ временные нормативные содержания алюминия в пищевых продуктах следующие, мг/кг: в молочных продуктах—1, в мясе, соках, напитках—10, в хлебопродуктах, фруктах — 20, в овощах — 30.

Хром (Сг) широко распространен в земной коре, он составляет 0,04 % твердой породы. Хром в основном применяется в металлургической промышленности для получения нержавеющих сталей и для покрытия металлических изделий, в частности металлических консервных банок, для защиты их от коррозии. Феррохром и хром используют в промышленности в качестве легирующих добавок, для получения красок и в полиграфической промышленности. Дубление соединениями хрома — традиционный способ изготовления кожаных изделий. Хроматы добавляют в качестве антикоррозионных агентов в воду, а присутствие их в сточных водах приводит к значительному выделению промышленных хроматов в окружающую среду.
Хром в небольших количествах находится в большинстве пищевых продуктов и напитков. Среднее суточное потребление хрома с пищей составляет приблизительно 50—80мкг. Содержание хрома в продуктах питания, производимых в США, колеблется от 0,175 до 0,470 мг/кг. Потенциальным источником повышения концентрации хрома в пищевых продуктах является загрязнение окружающей среды сточными водами.
По биологическому действию на организм хром является необходимым элементом. Основная его роль заключается в поддержании нормального уровня глюкозы в организме. Недостаток металла в организме приводит к нарушению углеводного и липидного обмена и может привести к диабету и атеросклерозу. Хорошо известны также острые и хронические заболевания, вызванные воздействием на организм избыточного содержания хрома и его соединений. Рабочие кожевенных заводов страдают хронической язвой, возникающей под действием соединений хрома (VI). У людей, работающих с хромом и его соединениями, встречаются аллергическая экзема и другие формы дерматита, а также рак верхних дыхательных путей и легких. Наиболее распространенными признаками хронической интоксикации хромом являются поражения слизистой оболочки носа и носовой перегородки, верхних дыхательных путей, кожи, глаз. Нет достаточных доказательств, что хром, обычно попадающий в пищу из исходного сырья или из хромированной посуды при приготовлении, отрицательно влияет на здоровье человека. Однако введение в организм больших количеств дихромата калия приводит к смертельным отравлениям. Летальной для человека является концентрация 3—8 г/сут, токсинной —200 мг/сут. Меньшие количества хрома вызывают повреждения почек и печени. Поэтому эксперты ФАО/ВОЗ регламентируют содержание хрома в пищевых продуктах. Согласно СанПиН 2.3.2.1078—01 ПДК хрома в консервной продукции, расфасованной в хромированную металлическую тару, составляет 0,5 мг/кг продукции. ПДК металлического феррохрома в воздухе — 2 мг/м3, триоксида и хлорида хрома — 0,01 мг/м3.

Ртуть аккумулируют планктонные организмы (например, водоросли), которыми питаются ракообразные. Последних поедают рыбы, а рыб — птицы. Концевыми звеньями пищевых цепей нередко бывают чайки и орланы. Человек может включаться в пищевые цепи на любом этапе и, в свою очередь, тоже становиться концевым звеном; большей частью это происходит в результате потребления рыбы. В водной пищевой цепи концентрация метил-ртути от звена к звену увеличивается, так как метилртуть растворима в жирах, она легко переходит из воды в живые организмы. Если в основных пищевых продуктах содержание ртути менее 60 мкг на 1 кг продукта, то в пресноводной рыбе из незагрязненных рек и водохранилищ оно составляет от 100 до 200 мкг/кг массы тела, а из загрязненных — 500—700 мкг/кг.
Содержание ртути в рыбах, обитающих в природных водоемах, считают равным 0,1 —0,2 мг/кг. ВОЗ предложила считать предельно допустимой концентрацией 0,5 мг/кг; эта величина, вероятно, завышена.
Метилртуть выводится из организма частично через почки, а в основном через печень и желчь, а далее с фекалиями. Продолжительность выведения соединений ртути из организма — полупериод биологического их распада, по-видимому, составляет около 70 дней, однако при массовых отравлениях он может увеличиваться до 190 дней и более.
Отказ от питания рыбой тоже не служит надежной защитой от поступления в организм ртути, поскольку рыбную муку используют в качестве корма для сельскохозяйственных животных и птицы. Даже растительные продукты могут быть источником ртути, поскольку средства для улучшения структуры почвы, добавляемые в компост, могут содержать ртуть.
Допустимое недельное поступление ртути не должно превышать 0,3мг на человека, в том числе метилртути не более 0,2 мг, что эквивалентно 0,005 мг/кг и 0,0033 мг/кг массы тела за неделю. В соответствии с СанПиН 2.3.2.1078—01 ПДК ртути в рыбе и рыбопродуктах составляет 0,2—0,5 мг/кг, поваренной соли и шоколаде—0,1, прочих продуктах —0,01—0,05 мг/кг (приложение 1). ПДК ртути в воздухе — 10~5 мг/м3, воде — 5 • 10~5 мг/л.

Кадмий (Cd) — один из самых опасных токсикантов внешней среды. Обозначение химического символа кадмия — Cd в англоязычной литературе расшифровывается как cancer disease (раковое заболевание) (игра слов). Длительное воздействие поступающего в легкие с табачным дымом оксида кадмия вызывает рак легких. Табак больше, чем другие растения, накапливает соли кадмия из почвы (до 2 мг/кг). Допустимое содержание кадмия в основных продуктах питания во много раз меньше. В рыбе оно составляет 0,1 мг/кг; мясе — 0,05; овощах и фруктах — 0,03; хлебе — 0,02; молоке—0,01 мг/кг. Содержание кадмия в земной коре невелико (8 • 10~6 %). В воздух Cd, как и свинец, поступает при сжигании угля, нефтепродуктов, природного газа на теплоэлектростанциях, с газовыми выбросами предприятий, производящих или использующих кадмий, при орошении сточными водами, внесении в почву фосфорных, азотных и органических удобрений. Попадая с неочищенными стоками промышленных предприятий в природные водоемы, растворенный Cd осаждается и накапливается в донных отложениях. Наряду со свинцом и ртутью кадмий не относится к жизненно необходимым металлам. Будучи аналогом цинка, Cd способен замещать этот элемент в цинксодержащих ферментах с потерей их ферментативных свойств.
Наиболее чувствительны к кадмию бобовые культуры, шпинат, редис, морковь, овес. У поврежденных под действием кадмия растений отмечены побурение краев листьев, хлороз, покраснение жилок и черешков, скручивание листьев, побурение и нарушение развития корней.
Большая часть кадмия поступает в организм человека с растительной пищей, меньшая — с водой и воздухом. У человека всасывание в кровь поглощенного с пищей и водой Cd находится на уровне 5 %, с воздухом — до 80 %. Больше всего Cd накапливается в печени и почках, что приводит к развитию почечной недостаточности. К характерным болезням горожан, вызываемым Cd, относятся также гипертония и ишемическая болезнь сердца. Избыток кадмия в среде вызывает у человека болезнь Итаи-Итаи (Ков-да, 1985). При хронической интоксикации кадмием наблюдаются головные боли, сухость во рту, нарушение обоняния, тошнота, головокружение, раздражительность, боли в костях и суставах, поражение печени, появление каймы на зубах.
Кадмий медленно выводится из организма. Период его полувыведения составляет более 10 лет. Достаточное количество железа в крови, по-видимому, тормозит аккумуляцию кадмия. Как противоядие при отравлении кадмием действуют высокие дозы витамина D.
Установленное ВОЗ допустимое поступление кадмия для взрослых людей — 500мкг в неделю, т. е. допустимое суточное потребление (ДСП) — 70 мкг/сут, а ДСД — 1 мкг/кг массы тела.

Около 10 % поглощенного с пищей, водой и воздухом свинца абсорбируется в желудочно-кишечном тракте. На степень абсорбции могут влиять различные факторы. Например, снижение содержания кальция приводит к усилению абсорбции свинца. Витамин D увеличивает поглощение как кальция, так и свинца. Недостаток железа также способствует абсорбции свинца, что наблюдается при голодании. К такому же эффекту приводит диета с повышенным содержанием углеводов, но дефицитом белков. Содержание РЬ в хлорированной водопроводной воде больше, чем в нехлорированной.
После попадания в кровеносную систему свинец разносится по всему телу, включаясь в клетки крови и плазму. В крови свинец в основном включается в эритроциты, где его концентрация почти в 16 раз выше, чем в плазме. Некоторое количество свинца поступает в мозг, однако накапливается там незначительно. Установлено, что полупериод биологического распада — время, необходимое для снижения вдвое от исходного содержания накопившегося в органе или в организме металла, — для свинца составляет в организме в целом 5 лет, в костях человека 10 лет.
Симптомы интоксикации растений свинцом — темно-зеленая окраска листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва, бурые короткие корни. С растительной пищей РЬ попадает в организм животных и человека. У человека происходят изменения в нервной системе, проявляющиеся в головной боли, головокружениях, повышенной утомляемости, раздражительности, нарушении сна, ухудшении памяти. Поражение периферической нервной системы выражается в так называемых свинцовых параличах, приводящих к параличу мышц рук и ног. Дефицит Са, Р, Fe, Cu, Mg, неполноценное питание приводят к увеличению всасывания свинца в кровь. У позвоночных животных свыше 90 % всосавшегося свинца фиксируется в костях, а также во внутренних органах.
Острое отравление свинцом сбычно проявляется в виде желудочно-кишечных расстройств. Вслед за потерей аппетита, диспепсией, запорами могут последовать приступы колик с интенсивными пароксизмальными болями в животе. Сокращение периода жизнедеятельности эритроцитов при отравлении свинцом может стать причиной анемии.
Установленное экспертами ФАО/ВОЗ максимально допустимое поступление свинца для взрослого человека составляет 3 мг в неделю, т. е. допустимая суточная доза (ДСД) составляет около 0,007 мг/кг массы тела; ПДК свинца в питьевой воде — 0,03 мг/л, воздухе — 3 мкг/м3, почве — 20 мг/кг, воде — 0,03 мг/л. ПДК свинца в основных пищевых продуктах в соответствии с требованиями СанПиН 2.3.2.1078—01 составляет в моллюсках и ракообразных 10,0, яичном порошке, желатине, поваренной соли —2,0, почках, рыбе, рыбопродуктах, сахаре, шоколаде — 1,0, молоке, масле, мясе, яйцах, овощах, фруктах — 0,1—0,5 мг/кг.

Свинец (Pb) широко распространен в земной коре (1,6 • 10~3 %). В почвах обычно содержится от 2 до 200 мг свинца на 1 кг. Со времен Древнего Рима его применяют при прокладке водопроводов. В настоящее время свинец используют при этилировании бензина, в производстве электрических кабелей, свинцовых аккумуляторов, в химическом машиностроении, атомной промышленности (для защиты от г-излучения), производстве пластмасс, хрусталя, эмалей, замазок, лаков, спичек и т. д. Объем современного производства свинца составляет более 2,5 млн ф в год. Мировое производство свинца в 2000 г. достигло 6 млн т. В результате производственной деятельности в природные воды ежегодно попадает 500—600 тыс. ф свинца, а через атмосферу на поверхность земли оседает около 400 тыс. ф этого металла. В воздух основная часть свинца (260 тыс. т) выбрасывается с выхлопными газами автотранспорта, меньшая (30 тыс. т) — при сжигании каменного угля. Содержание Pb в воздухе в значительной мере зависит от использования бензина с добавлением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора. В настоящее время в России только 25 % бензина производится без добавления тетраэтилсвинца. Ежегодный прирост содержания РЬ в воздухе — 5%, а каждые 14 лет его количество в воздухе удваивается. Загрязнение окружающей среды происходит также при выплавке свинца и при сбросе вод из рудников. Накопление РЬ на полях происходит за счет орошения сточными водами, внесения удобрений, в основном фосфорных, в меньшей степени азотных, органических, за счет известкования. Использование пестицидов, содержащих свинец, может непосредственно привести к увеличению его содержания во фруктах и овощах, а при достаточно длительном применении таких пестицидов свинец поступает в продукты и из загрязненной почвы.
В радиусе нескольких километров от перерабатывающих свинец предприятий концентрация этого металла составляет (мг/кг): в томатах — 0,6—-1,2 мг/кг, в огурцах —0,7—1,1, в перце —1,5— 4,5, в баклажанах — 0,5—0,75, в картофеле — 0,7—1,5, в различных сортах винограда — 1,8—3,8. Содержание свинца в пшенице и горохе составляет 20—22 мг/кг, а в зеленой и сухой растительной массе, потребляемой как фураж, — соответственно около 60 и 36 мг/кг. Откармливание сельскохозяйственных животных таким фуражом представляет серьезную опасность из-за загрязнения свинцом молока и мяса этих животных. Среднее содержание свинца в большинстве растений — 2—3 мг/кг. Меньше всего его в бобовых, больше всего в кабачках.
Жестяные банки, в которых производят от 10 до 15 % пищевых продуктов, — основной источник поступления в них свинца. Свинец попадает в продукт из свинцового припоя в швах банки. Установлено, что около 20 % свинца в ежедневном рационе людей (кроме детей до 1 года) поступает из консервированной продукции, в том числе 13—14 % из припоя, а остальные 6—7 % — из самого продукта. В последнее время с внедрением новых методов пайки и закатки банок содержание свинца в консервированной продукции уменьшается.

Немаловажное значение для токсикологического эксперимента имеют условия содержания подопытных животных. Содержание животных в условиях, вызывающих у них стресс (одиночное содержание в пенале, грубая фиксация в нефизиологическом положении), приводит к увеличению токсичности. Изменения в питании также сказываются на показателях токсичности.
Для экспериментальных исследований в токсикологических лабораториях используют крыс линии Вистар или белых беспородных крыс, которые являются альбиносами черной (Rattus rattus) и серой (пасюк — Rattus norvegicus) крыс, а также белых мышей, которые являются альбиносами домовой мыши (Mus musculus). И крысы, и мыши принадлежат к одному и тому же отряду грызунов (Rodentia), семейству мышиных (Muridae).
Важное преимущество белых крыс как лабораторных животных заключается в том, что они довольно устойчивы к инфекционным заболеваниям и даю г большой приплод.
Белых крыс содержат в помещениях с хорошей вентиляцией, достаточным освещением и равномерной температурой — 20— 22 °С. Лабораторные крысы плохо переносят холод. Влажность воздуха в помещениях не должна превышать 40—45 %.
Для содержания крыс наиболее пригодны цельнометаллические или полистироловые клетки, покрытые сеткой из нержавеющей или оцинкованной стали. Минимальная площадь дна клетки на одно животное составляет для крыс 150 см2.
В качестве подстилки для животных используют крупные опилки, измельченный торф или сечку из соломы или бумаги, тряпки. В клетках поддерживают надлежащую чистоту. Они должны быть всегда сухими, чистыми, хорошо вентилируемыми. Не допускают скопления в них мочи и фекалий.
Кроме ежедневной уборки клетки 1—2 раза в месяц тщательно моют и дезинфицируют. Дезинфицировать клетки лучше всего крутым кипятком, горячим 5—10%-м раствором едкой щелочи или такими противомикробными средствами, как хлорная известь, креолин, сулема, формалин и др.
Крысы — всеядные животные, поэтому нельзя ограничивать их рацион только растительной пищей. Крысы, не получающие в необходимых количествах продукты животного происхождения (молоко, мясо, мясокостную муку), минеральные вещества и витамины, перестают расти.
Суточная потребность взрослой крысы в кормах составляет в среднем 30—32 г, из них 25 г смешанного корма и 5—7 г овощей.
Кормят крыс обычно 2 раза в сутки. Ввиду того что крысы ночные животные и едят в темное время суток, основную часть корма следует давать вечером, примерно к 20 ч. Не рекомендуется резко менять пищевой режим, к новой пище крыс нужно приучать постепенно. Вода для питья должна быть чистой и свежей, рекомендуется пользоваться кипяченой водой. Заменять воду молоком также надо постепенно, в противном случае животные отказываются от еды и заболевают.
Содержание и кормление мышей во многом сходно с содержанием и кормлением лабораторных крыс. Отличием является то, что мыши более чувствительны к нарушениям температурного режима, смене корма и инфекционным заболеваниям (в частности, сальмонеллезу). У мышей в гораздо большей степени, чем у крыс, проявляется «социальная» иерархия в группе — борьба за лидерство, вследствие чего не рекомендуется изменять состав мышей в клетках.
Суточная потребность взрослой мыши в кормах составляет в среднем 9,5—10 г смешанного корма и 1—2 г овощей.