Ксенобиотический профиль среды

ЛЕКЦИЯ 1. Введение. Основные понятия экотоксикологии.

 

Предмет, метод и задачи экотоксикологии. Место экотоксикологии в системе биологических наук. Общие принципы и понятия. Возникновение и развитие экотоксикологии. Методы и принципы исследований – на самостоятельное изучение.

 

В XX в. в связи с широким применением химических веществ практически во всех сферах человеческой деятельности, включая сельское хозяйство, возникла необходимость решения сложных проблем токсического влияния веществ на человека, другие живые организмы, экосистемы в целом. Согласно Программе Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) к основным задачам развития в XXI в. относятся обеспечение химической безопасности, предотвращение вредного влияния потенциально опасных химических веществ на здоровье людей.

Токсикология (от греч. toxikon – яд, logos – понятие) – наука о заболеваниях организма, вызванных воздействием вредных веществ (ядов), изучающая взаимодействие организма и яда. Яд – вещество, оказывающее на организм химическое воздействие и вызывающее в нем патологические изменения; химический компонент среды обитания, поступающий в количестве (реже качестве), не соответствующем врожденным или приобретенным свойствам организма, и поэтому оказывающий на него вредное действие или несовместимый с его жизнью. Под опасностью яда понимают возможность возникновения интоксикации при действии яда в естественных условиях.

Раздел токсикологии, оперирующий понятиями токсичности и опасности веществ, называется токсикометрией. Важнейшим параметром токсикометрии является токсичность (ядовитость) химического соединения. Опасные для человека и других живых организмов токсические химические вещества получили название токсикантов, экотоксикантов, ксенобиотиков (чужеродные для организмов, не встречавшиеся ранее в биосфере химические соединения; попадая в окружающую среду в значительных количествах, они могут вызвать гибель организмов, нарушить нормальное течение природных процессов), загрязнителей, контаминантов (экологически вредные вещества, аккумулируемые в пищевых продуктах из окружающей среды в опасных количествах). Основной целью токсикологии является исследование факторов химической токсичности, форм и проявлений токсического процесса.

Еще несколько десятков лет назад химические отходы производства просто сбрасывали в окружающую среду, а пестициды и удобрения практически бесконтрольно, исходя из утилитарных соображений, распыляли над огромными территориями. При этом, полагали, что газообразные вещества должны быстро рассеиваться в атмосфере, жидкости частично растворяться в воде и уноситься из мест выброса. И хотя твердые продукты в значительной степени накапливались в регионах, потенциальная опасность промышленных выбросов рассматривалась как низкая. Использование же пестицидов и удобрений давало экономический эффект, во много раз превосходящий ущерб, наносимый токсикантами природе.

Однако уже в 1962 году появляется книга Рашель Карсон «Молчаливая весна», в которой автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. Эта книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительственные законодательные акты, регламентирующие выбросы ксенобиотиков. С этой книги, по сути, началось развитие новой ветви науки - экотоксикологии.

В самостоятельную науку экотоксикологию (ecotoxicology) выделил Рене Траут, который впервые, в 1969 году, связал воедино два совершенно разных предмета: экологию (по Кребсу - науку о взаимоотношениях, которые определяют распространение и обитание живых существ) и токсикологию. На самом деле, эта область знаний включает в себя, помимо указанных, элементы и других естественных наук, таких как химия, биохимия, физиология, популяционная генетика и др.

По мере развития, само понятие «экотоксикология» претерпело определенную эволюцию. В 1978 году Батлер рассматривал экотоксикологию как науку, изучающую токсические эффекты химических агентов на живые организмы, особенно на уровне популяций и сообществ, в пределах определенных экосистем. Левин и др. в 1989 г. определили ее как науку, прогнозирующую влияние химических веществ на экосистемы. В 1994 году В. и Т. Форбсы дали следующее определение экотоксикологии: «область знаний, которая суммирует экологические и токсикологические эффекты химических поллютантов на популяции, сообщества и экосистемы, прослеживая судьбу (транспорт, трансформацию и удаление) таких поллютантов в окружающей среде».

Экологическая токсикология, или экотоксикология, представляет собой междисциплинарное научное направление, изучающее действие вредных химических веществ, находящихся в окружающей среде, на живые организмы и их популяции, входящие в состав экосистем, – от микроорганизмов до человека. Это определение экотоксикологии как самостоятельного научного направления было введено в 1969 г., когда при Международном научном комитете по проблемам окружающей среды была организована специальная Рабочая комиссия по экологической токсикологии. В 1978 г. на конференции Международного научного комитета по проблемам окружающей среды было принято уточненное определение экотоксикологии как «междисциплинарного научного направления, связанного с изучением токсических эффектов действия химических веществ на живые организмы, преимущественно на популяции организмов и биоценозы, входящие в состав экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распределение и превращение в окружающей среде, действие на живые организмы. Человек, несомненно, является наивысшей ступенью в ряду биологических мишеней» (Криволуцкий, 1990. — С. 49). Сопредельное положение с экотоксикологией занимает биоиндикация.

В отличие от медицинской токсикологии экотоксикология изучает развитие неблагоприятных эффектов, проявляющихся при действии загрязнителей на самые разнообразные виды живых организмов (от микроорганизмов до человека), как правило, на уровне популяций или экосистемы в целом, а также судьбу химического вещества в системе биогеоценоза. Экотоксикология пользуется классическими приемами токсикологии, имея при этом и свои собственные методы и объекты исследований.

В последние годы в рамках международного и национального обществ экотоксикологов регулярно проводятся научные совещания, конференции, симпозиумы; по проблемам экотоксикологии издается около 10 специализированных научных журналов.

Содержанием дисциплины «экотоксикологии» является учение об экотоксичности, а основными рассматриваемыми вопросами: характеристика ксенобиотического профиля среды обитания, проблемы экотоксикокинетики, экотоксикодинамики, экотоксикометрии.

Экотоксикокинетика – раздел экотоксикологии, рассматривающий судьбу ксенобиотиков (экополлютантов) в окружающей среде: источники их появления; распределение в абиотических и биотических элементах окружающей среды; превращение ксенобиотика в среде обитания; элиминацию из окружающей среды.

Экотоксикодинамика – раздел экотоксикологиии, рассматривающий конкретные механизмы развития и формы токсического процесса, вызванного действием экотоксикантов на биоценоз и/или отдельные виды, его составляющие.

Экотоксикометрия – раздел экотоксикологии, в рамках которого рассматриваются методические приемы позволяющие оценить (перспективно или ретроспективно) экотоксичность ксенобиотиков.

 

К основным направлениям экотоксикологии относятся следующие:

1) исследование источников поступления экотоксикантов, их распространения и превращения в почве, воде, атмосфере, растениях, животных, по трофическим цепям в целом, оканчивающимся человеком; химических изменений экотоксикантов с образованием новых соединений с модифицированными токсическими свойствами;

2) изучение воздействия токсического вещества на разные виды организмов, прогнозирование опасности загрязнения окружающей среды для людей, животных, растений и экосистем в целом;

3) выяснение ответных реакций организма на действие вредного вещества на уровне клетки, организма, популяции, сообщества; исследование механизмов токсичности и разработка критериев оценки вредного действия экотоксикантов;

4) исследование механизмов токсического действия и токсических эффектов химических веществ, жизненно необходимых организмам, но поступающих в избыточных количествах или полностью чужеродных, позволяющее понять реакцию растении и животных на внедрение в экосистему ксенобиотиков;

5) разработка гигиенических основ регламентации поступления экотоксикантов в окружающую среду;

6) разработка методов анализа экотоксикантов в объектах окружающей среды, методов диагностики, лечения и профилактики поражений.

Практическими результатами исследований являются разработка рекомендаций и проведение правовых, технологических, медицинских и санитарно-гигиенических мероприятий по контролю и снижению уровня загрязнений. В их основу положена концепция гигиенического регламентирования вредных факторов окружающей среды, включающая установление количественных значений предельно допустимых концентраций (ПДК), ориентировочных безопасных уровней воздействия (ОБУВ) экотоксикантов в воздухе, воде, почве, максимально допустимых уровней (МДУ) остаточных количеств химических средств защиты растений и допустимых остаточных количеств (ДОК) химических веществ в продуктах питания.

К основным источникам загрязнения окружающей среды химическими веществами относятся: теплоэлектроцентрали, вредные отходы химической, нефтехимической, металлургической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности; автомобильный, авиационный, морской и речной транспорт; производство и применение радиоактивных веществ различного назначения, радиоактивные отходы; применение в сельском и лесном хозяйстве химических средств защиты растений от болезней, вредителей, сорняков (фунгицидов, инсектицидов, гербицидов); применение химико-фармацевтических и косметических средств, продукции бытовой химии; сточные воды, бытовые отходы и др.

Поступающие в окружающую среду химические продукты распространяются и трансформируются в атмосфере, почве и водоемах, поступают в пищевые цепи, аккумулируются живыми организмами. Способность экотоксикантов распространяться на большие расстояния в биосфере зависит от их физических, химических, физико-химических свойств (испаряемость, летучесть, растворимость, адсорбируемость почвой, устойчивость к разложению). Многие экотоксиканты распространяются на большие расстояния и длительное время сохраняют опасные свойства.

В зависимости от распространенности поступающие в окружающую среду экотоксиканты могут вызывать локальные (точечные), хронические региональные и глобальные загрязнения.

К локальным загрязнениям относятся разовые выбросы токсических веществ в окружающую среду в результате аварий, взрывов, пожаров, стихийных бедствий. Их последствия чаще проявляются на небольшой территории вблизи места выброса.

Под хроническим региональным загрязнением понимают продолжительное во времени поступление в окружающую среду экотоксикантов 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-тетрахлордибензодиоксина.

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:

1) прогнозирование опасности для живых организмов загрязнения отдельных районов экотоксикантами;

2) 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.

 

Ксенобиотический профиль среды

С позиций токсиколога абиотические и биотические элементы того, что мы называем окружающей средой - все это сложные, порой особым образом организованные агломераты, смеси бесчисленного количества молекул.

Для экотоксикологии интерес представляют лишь молекулы, обладающие биодоступностью, т.е. способные взаимодействовать немеханическим путем с живыми организмами. Как правило, это соединения, находящиеся в газообразном или жидком состоянии, в форме водных растворов, адсорбированные на частицах почвы и различных поверхностях, твердые вещества, но в виде мелко дисперсной пыли (размер частиц менее 50 мкм), наконец вещества, поступающие в организм с пищей.

Часть биодоступных соединений утилизируется организмами, участвуя в процессах их пластического и энергетического обмена с окружающей средой, т.е. выступают в качестве ресурсов среды обитания. Другие же, поступая в организм животных и растений, не используются как источники энергии или «пластический материал», но, действуя в достаточных дозах и концентрациях, способны существенно модифицировать течение нормальных физиологических процессов. Такие соединения называются чужеродными или ксенобиотиками (чуждые жизни).

Совокупность чужеродных веществ, содержащихся в окружающей среде (воде, почве, воздухе и живых организмах) в форме (агрегатном состоянии), позволяющей им вступать в химические и физико-химические взаимодействия с биологическими объектами экосистемы составляют ксенобиотический профиль биогеоценоза. Ксенобиотический профиль следует рассматривать как один из важнейших факторов внешней среды (наряду с температурой, освещенностью, влажностью, трофическими условиями и т.д.), который может быть описан качественными и количественными характеристиками.

Важным элементом ксенобиотического профиля являются чужеродные вещества, содержащиеся в органах и тканях живых существ, поскольку все они рано или поздно потребляются другими организмами (т.е. обладают биодоступностью). Напротив, химические вещества, фиксированные в твердых, не диспергируемых в воздухе и нерастворимых в воде объектах (скальные породы, твердые промышленные изделия, стекло, пластмасса и др.), не обладают биодоступностью. Их можно рассматривать как источники формирования ксенобиотического профиля.

Ксенобиотические профили среды, сформировавшиеся в ходе эволюционных процессов, миллионы лет протекавших на планете, можно назвать естественными ксенобиотическими профилями. Они различны в разных регионах Земли. Биоценозы, существующие в этих регионах (биотопах), в той или иной степени адаптированы к соответствующим естественным ксенобиотическим профилям.

Различные природные коллизии, а в последние годы и хозяйственная деятельность человека, порой существенным образом изменяют естественный ксенобиотический профиль многих регионов (особенно урбанизированных). Химические вещества, накапливающиеся в среде в несвойственных ей количествах и являющиеся причиной изменения естественного ксенобиотического профиля, выступают в качестве экополлютантов (загрязнителей). Изменение ксенобиотического профиля может явиться следствием избыточного накопления в среде одного или многих экополлютантов (таблица 1).

Таблица 1. Перечень основных экополлютантов

Загрязнители воздуха

Загрязнители воды и почвы

Газы: Оксиды серы Оксиды азота Оксиды углерода Озон Хлор Углеводороды Фреоны Пылевые частицы: Асбест Угольная пыль Кремний Металлы

Металлы (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть) Пестициды хлоорганические (ДДТ, алдрин, диэлдрин, хлордан) Нитраты Фосфаты Нефть и нефтепродукты Органические растворители (толуол, бензол, тетрахлорэтилен) Низкомолекулярные галогенированные углеводороды (хлороформ, бромдихлорметан, бромоформ, тетрахлорметан, дихлорэтан) Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) Полихлорированные бифенилы Диоксины Дибензофураны Кислоты

Далеко не всегда это приводит к пагубным последствиям для живой природы и населения. Лишь экополлютант, накопившийся в среде в количестве, достаточном для инициации токсического процесса в биоценозе (на любом уровне организации живой материи), может быть обозначен как экотоксикант.

Одна из сложнейших практических задач экотоксикологии -определение количественных параметров, при которых экополлютант трансформируется в экотоксикант. При её решении необходимо учитывать, что в реальных условиях на биоценоз действует весь ксенобиотический профиль среды, модифицируя при этом биологическую активность отдельного поллютанта. Поэтому в разных регионах (разные ксенобиотические профили, различные биоценозы) количественные параметры трансформации поллютанта в экотоксикант, строго говоря, различны.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: