Экотоксикология

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ МИКРООРГАНИЗМАМИ И ИХ МЕТАБОЛИТАМИ
Загрязнение микроорганизмами и их метаболитами вызывает две формы заболеваний: пищевое отравление (пищевая интоксикация) и пищевая токсикоинфекция (Позняковский, 1999). Пищевую интоксикацию вызывает токсин, продуцируемый микроорганизмом, который попадает и развивается в продуктах. Пищевые интоксикации условно делят на бактериальные токсикозы и ми-котоксикозы. Пищевую токсикоинфекцию вызывают условно-патогенные микроорганизмы, попавшие в продукт в большом количестве. Загрязнение пищевых продуктов происходит в основном бактериями, риккетсиями, вирусами, плесенями и паразитами. Пищевые токсикоинфекции часто возникают при употреблении в пищу готовых изделий — салатов, закусок, студней, рыбных блюд и др. — в результате несоблюдения санитарных правил.

Питьевая вода обычно приятного освежающего вкуса, без постороннего привкуса. Привкус воды чаще зависит от повышенных концентраций в ней некоторых минеральных солей. Соли железа в количестве более 0,5 мг/л придают воде чернильный привкус; соли тяжелых металлов — вяжущий; сернокислые и фосфорнокислые соли в количестве более 100 мг/л — горький привкус; при содержании хлоридов 200—300 мг/л вода приобретает солоноватый привкус, а при концентрации более 500 мг/л — явно соленый вкус. Возможен привкус от хлора, остающегося после обеззараживания воды. Загрязнение воды органическими веществами животного происхождения придает воде неприятный вкус. Характер вкуса выражается определениями: соленый, горький, кислый, сладкий; привкусы — рыбный, металлический, хлорный и др.
Цвет — один из признаков внешнего вида объекта. Изменение цвета объектов внешней среды часто служит одним из важных признаков их санитарного состояния. Определение цвета воды входит в ее санитарный анализ. Питьевая вода бесцветна. Окраска воды зависит от многих причин. Болотистые воды имеют желтоватый оттенок за счет примеси гуминовых веществ. Примесь глины придает воде беловатый оттенок, солей железа — зеленоватый. Окраска воды часто зависит от интенсивности размножения микроорганизмов и низших растений. Спуск промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод приводит к изменению окраски природных вод.
Окраска воды является причиной отказа от водопользования. Цвет воды определяют путем сравнения с дистиллированной водой, налитой в бесцветные цилиндры в количестве не менее 40 мл.
Сравнение цвета исследуемой и дистиллированной воды проводится на белом фоне. Взвешенные частицы в воде придают окраске опалесцирующий оттенок, поэтому перед определением цвета исследуемая вода должна быть профильтрована. Цвет воды характеризуется следующими терминами: бесцветная, светло-желтая, бурая, светло-зеленая, зеленая, темно-зеленая и др.
Интенсивность окраски воды — цветность — определяется количественно путем сравнения исследуемой воды со шкалой стандартных растворов в условных градусах.
Плотный остаток водопроводной воды не должен превышать 1000 мг/л, содержание железа —не более 0,3, хлоридов — 350, сульфатов — 500, фтор-иона — 1,5 мг/л.

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.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВЕЩЕСТВАМИ И СОЕДИНЕНИЯМИ, ПРИМЕНЯЕМЫМИ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
С целью повышения продуктивности сельскохозяйственных животных, профилактики заболеваний, сохранения доброкачественности кормов в животноводстве широко применяются различные кормовые добавки, лекарственные и химические препараты: аминокислоты, минеральные вещества, ферменты, антибиотики, транквилизаторы, антибактериальные вещества, антиоксиданты, ароматизаторы, красители и т. д. Многие из них являются чужеродными для организма человека веществами, поэтому их остаточное содержание в мясе, молоке и жирах может отрицательно влиять на здоровье человека (Позняковский, 1999).

Развитие микробиологической и химико-фармацевтической промышленности приводит к все увеличивающемуся распространению в объектах окружающей среды биологического загрязнения в виде микроорганизмов-продуцентов и продуктов их жизнедеятельности. В настоящее время в биотехнологии широко используются около 80 микроорганизмов и их штаммов — продуцентов белково-витаминных комплексов (Acinetobacter oleovarum, Arthrobacter terregens), кормового белка (Candida maltosa, C. rugosa, С. ethanolica, С. scotti, С. seatricum, С. tropicalis, Endomycopsis fibuligera), аминокислот (Corinebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, Brevibacterium flavum, Escherichia coli), лимонной кислоты (Aspergillus niger), рибофлавина (Bacillus subtilis), ферментов (Acremonium chrisogenum, Escherichia coli, Streptovertidilium olivoretic, Rhodococcus rhodochrous), линкомицина (Actinomyces roseolus), грамицидина (Bacillus brevis), полимиксина (Bacillus polymyxa), сизомици-на (Micromonospora atratavinosa), рифамицина (Nocardia mediterranei), пенициллина (Penicillium chrysogenum), хлортетрациклина, тетрациклина (Streptomyces aurefaciens), авермектина (Streptomyces avermitilis), флавомицина (Streptomyces bambergiensis), эритромицина (Streptomyces erythreus), стрептомицина (Streptomyces griseus), канами-цина (Streptomyces канатуcetius), окситетрациклина (Streptomyces rimosus), компонентов средств защиты растений (Bacillus subtilis, В. thuringiensis, В. sphearicus), салициловой кислоты (Pseudomonas fluoresceins), компонентов препаратов для производства мясных продуктов (Lactobacillus casei, L. plantarum, Micrococcus varians) и др.
Микроорганизмы присутствуют в атмосферном воздухе населенных мест в виде аэрозоля. Для предупреждения неблагоприятных последствий воздействия микроорганизмов-продуцентов и бактериальных препаратов устанавливаются среднесуточные ПДК (ПДКсс), так как микроорганизмы обладают резорбтивным характером действия на организм. ПДК микроорганизмов выражают в микробных клетках на 1 м3. Все микроорганизмы, разрешенные Министерством здравоохранения Российской Федерации в качестве промышленных штаммов и компонентов бакпрепаратов, относятся к непатогенным и условно-патогенным. По классификации ВОЗ они относятся ко II группе риска (умеренный индивидуальный риск и ограниченный риск для населения в целом), а по степени опасности — к 3-му и 4-му классу опасности. Более 30 используемых в практических целях микроорганизмов-продуцентов и их штаммов (около 42 %) вызывают у человека аллергические заболевания. Наиболее токсичны бактерии рода Acinetobacter, грибы Aspergillus terreus (30—50кл/м3), Candida (ЦДК^ 10— 100кл/м3). ПДК^большинства прочих продуцентов составляет 100—5000 кл/м3.

Восстановление сообществ почвенной мезофауны начинается по мере снижения концентраций в почве и токсичности остаточного нефтепродукта. На начальных стадиях восстановления комплексы почвенных беспозвоночных слагаются преимущественно из хищников {пауки, жужелицы). Заселение территории разлива начинается с краев. На втором этапе, по мере накопления на поверхности пятна растительных остатков, пятно заселяют сапрофаги. На третьем этапе, по мере освоения пятна растениями, появляются фитофаги. Трофическая структура сообщества восстанавливается. В дальнейшем увеличиваются численность, биомасса, видовое разнообразие сообществ. В среднем быстрее всего восстанавливают численность многоножки, затем насекомые, паукообразные, далее кольчатые нервы, моллюски (Соромотин, 1991; Никифорова, Солнцева и др., 1987).
В лесостепи при среднем и высоком уровнях загрязнения нефтью (24 и 48 л/м2) дождевые нервы отсутствуют. При невысоком уровне загрязнения (6 л/м2) их численность восстанавливается не ранее чем через 3—-4 года. Внесение дождевых червей в почву с 3—5%-м загрязнением нефтью без рыхления на третьи сутки приводит к полной гибели червей. Для дождевых червей наиболее токсичны легкие фракции нефти. При 10%-м загрязнении почвы нефтью во время рыхления гибнет 50 % червей. Наиболее устойчив к загрязнению нефтью вид Eisenia foetida. Среди хищных членистоногих высокую устойчивость к нефтяному загрязнению проявляют губоногые многоножки.
Низкие уровни нефтяного загрязнения практически не оказывают отрицательного воздействия на почвенных микроорганизмов. Средние уровни приводят к перераспределению степени доминирования в составе активно функционирующих в почве микроорганизмов. Очень высокому уровню загрязнения соответствует практически полное подавление активности микроорганизмов в почве. При 6—10%-м загрязнении почвы нефтью увеличивается численность бактерий, использующих нефть как источник пищи, подавляется развитие азотобактера.
Засоление почв нефтепромысловыми водами подавляет развитие понвенных бактерий, грибов, актиномицетов, приводит к резким изменениям в комплексах почвенных животных. Отрицательный эффект свежего засоления проявляется в верхней, старого — в нижней части пахотного слоя. Наиболее быстро заселяют засоленные участки личинки двукрылых и щелкунов.
Наиболее эффективным методом рекультивации земель при свежем нефтяном загрязнении (до 12 мес после разлива) является внесение минеральных удобрений на фоне известкования и рыхления (Оборин, Калачникова и др., 1987).

В загрязнении окружающей среды углеводородами немаловажную роль играет нефте- и газодобывающая промышленность. В России в настоящее время 27 нефте- и 17 газодобывающих регионов, где добывается около 350 млн ф нефти, включая газовый конденсат, и около 600 млрд м3 природного газа. Около 66 % общероссийского объема нефтедобычи и 92 % газодобычи приходится на долю Тюменской области.
Загрязнение окружающей среды происходит в результате утечки и разливов нефти и газа из трубопроводов и на нефтепромыслах, закачивания в скважины высокоминерализованных растворов для увеличения нефтеотдачи, засоления почв пластовыми водами, сжигания нефти и нефтепродуктов. Общая протяженность нефте-продуктопроводов в России составляет 62 тыс. км, магистральных газопроводов— 149тыс.км. Только по Самарской области, общей площадью 56,3 тыс. км2, проходит 2,5 тыс. км магистральных и подводящих нефтепроводов и 2,4 тыс. км газопроводов, где ежегодно отмечают до 4 тыс. прорывов нефтепроводов и загрязнение нефтью до 190 га земель.
Особенно опасны разливы нефти при ее добыче в шельфовой части морей, а также при авариях на нефтеналивных судах.
Нефтепродукты оказывают наибольшее отрицательное влияние на почвы в связи с их загрязнением основными органическими компонентами нефти: органическим углеродом, азотом, битумозны-ми веществами, полициклическими ароматическими углеводородами, в частности 3,4-бенз(а)пиреном, 1,2-бенз(а)периленом, обладающими канцерогенными и мутагенными свойствами. При достижении концентрации битумозных веществ в пахотном горизонте 4—5 % происходит практически полная гибель посевов зерновых культур. При их концентрации 2 % численность растений уменьшается в два, высота растений в три-четыре раза по сравнению с контролем. Хозяйственное освоение нефтезагрязненных почв без применения рекультивации земель возможно лишь по истечении 15—20-летнего срока. К свежим нефтяным загрязнениям относятся разливы нефти с момента аварии до 3—4 лет, к старым — разливы давностью 4—5 лет и более с момента разлива. Для свежих разливов характерно присутствие в загрязненных почвах парафиновых углеводородов с температурой кипения до 300 °С. На участке свежего нефтяного загрязнения токсичность почвы превышает контрольную в 5, старого — в 50—100 раз.
Следовые количества нефти (до 1 % нефти в подстилке) не влияют на педобионтов. В интервале концентраций нефти от 1 до 12—14% происходят лишь количественные изменения в численности и биомассе мезофауны. С дальнейшим ростом интенсивности загрязнения почв нефтью обедняется видовой состав, погибают наименее устойчивые элементы фауны {моллюски, равнокрылые хоботные, гусеницы бабочек). Трофическая структура населения беспозвоночных является наиболее консервативной характеристикой и претерпевает изменения, начиная с концентрации нефти 20—25 %. Наиболее устойчивы хищные педобионты, из которых складываются сообщества мезофауны на последних стадиях деградации.

К диоксинам — полихлордибензодиоксинам (ПХДД) относится большая группа ароматических трициклических соединений, содержащих от одного до восьми атомов хлора. Кроме этого существует две группы родственных химических соединений — поли-хлордибензофураны (ПХДФ) и полихлорбифенилы (ПХБ), которые присутствуют в окружающей среде, продуктах питания и кормах наряду с диоксинами (рис. 6.3).
В настоящее время выделено 75 ПХДЦ, 135 ПХДФ и 209 ПХБ. Из них токсичны только 7 диоксинов, 10 фуранов и 12 бифенилов. Они являются высокотоксичными соединениями, обладающими мутагенными, канцерогенными и тератогенными свойствами.
Полихлорбифенилы — целевой продукт химической промышленности. Они используются в виде добавки к трансформаторным маслам, как гидравлическая жидкость, теплоноситель, жидкость для мощных конденсаторов. Объем их производства — сотни тысяч тонн в год. Загрязнение окружающей среды полихлорирован-ными бифенилами представляет серьезную угрозу здоровью населения и природе. В виде промышленных выбросов, хозяйственных сточных вод, ливневого стока они попадают в природные экосистемы, в частности в почву.
Половина суммарного выброса диоксинов приходится на мусоросжигательные заводы и сжигатели медицинских отходов. Для образования диоксинов необходимы повышенная температура, наличие органических, особенно ароматических, веществ и хлора. Заметную добавку к выбросам диоксинов в атмосферу привносят лесные пожары, работающие на угле теплоэлектростанции. В России основным источником диоксинов являются также предприятия металлургической, химической и нефтехимической промышленности, целлюлозно-бумажные комбинаты, на которых применяют хлорную отбелку целлюлозы.
Агентство охраны окружающей среды США издало список веществ, при производстве которых могут образовываться диоксины. Этот список состоит из 4 подгрупп веществ и включает 84 органических соединения и 33 биоцидных вещества.
Диоксины обладают политоксичностью. Длительное воздействие диоксинов в ничтожных концентрациях приводит к росту онкологических заболеваний, гибели плода в матке, рождению детей с физическими и психическими уродствами, к снижению и потере иммунитета, потере фертильности мужской спермы.
Сточные воды целлюлозно-бумажных комбинатов содержат высокотоксичные полихлордибензофураны.
Основными представителями рассматриваемой группы соединений являются 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксин (ТХДД), 2,3,7,8-тетрахлордибензофуран (ТХДФ).

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) широко распространены в окружающей среде. Они образуются в процессах сгорания нефтепродуктов, угля, дерева, мусора, пищи, табака. Чем ниже температура в устройстве для сжигания, тем больше образуется ПАУ. Представители этой группы соединений обнаружены в выхлопных газах двигателей, продуктах горения печей и отопительных установок, табачном и коптильном дыме. Полициклические ароматические углеводороды присутствуют в воздухе, почве и воде.
При комнатной температуре все ПАУ — твердые кристаллические вещества. Температуры их плавления близки к 200 °С. При охлаждении горячих газов ПАУ конденсируются вблизи источников выбросов, но большая их часть уносится на дальние расстояния в виде аэрозолей. Хорошим адсорбентом для ПАУ являются сажевые частицы. В США при сгорании угля в воздух выбрасывается около 600 т, производстве кокса — 200, лесных пожарах — 150, сжигании дров — 70 ф бенз(я)пирена в год. Концентрация бенз(я)пирена в воздухе сельской местности — 0,1 — 1,0нг/м3, города— 0,2—20, комнате, наполненной табачным дымом, — 100 нг/м3.
Загрязнение почвы одним из ПАУ — бенз(я)пиреном является индикатором общего загрязнения окружающей среды вследствие возрастающего загрязнения атмосферного воздуха.
Накапливаемый в почве бенз(я)пирен может переходить через корни в растения, т. е. растения загрязняются не только осаждающейся из воздуха пылью, но и через почву. Концентрация его в почве разных стран варьирует от 0,5 до 1 000 000 мкг/кг. В воде в зависимости от загрязнения найдены различные концентрации бенз(я)пирена: в грунтовой — 1—10 мкг/м3, в речной и озерной — 10—25, в поверхностной — 25—100 мкг/м3.
ПАУ чрезвычайно устойчивы в любой среде, и при систематическом образовании существует опасность их накопления в природных объектах. В настоящее время 200 представителей канцерогенных углеводородов, включая их производные, относятся к самой большой группе известных канцерогенов, насчитывающей более 1000 соединений.
По канцерогенности полициклические ароматические углеводороды делят на три основные группы:
• наиболее активные канцерогены — бенз(а)пирен, дибенз(я, Л)-антрацен, дибенз(я,/)пирен;
• умеренно активные канцерогены — бенз(Л)флуорантен;
• менее активные канцерогены — бенз(е)пирен, бенз(я)антра-цен, дибенз(я,с)антрацен, хризен и др.

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.