Экологическая токсикология

Марченко Борис

Те химические вещества и соединения, которые за счет значительного накопления в компонентах окружающей среды обуславливают изменения естественного ксенбиотического профиля принято называть экополлютантами (загрязнителями окружающей среды). К числу приоритетных экополлютантов относятся, во-первых, загрязнители воздушной среды – как газы (например, NO₂, SO₂, CO, углеводороды, фреоны), так и пыль (асбестовая, угольная, кремниевая и другая) и, во-вторых, загрязнители водной среды и почв (тяжелые металлы, хлорорганические и ртутьорганические пестициды, нитраты, фосфаты, нефть и нефтепродукты, органические растворители, низкомолекулярные галогенированные углеводороды, полициклические ароматические углеводороды – ПАУ, полихлорированные бифенилы, диоксины и другие).

Не каждый экополлютант, присутствующий в окружающей среде, а только тот, концентрация которого достаточна для запуска токсических процессов на любом уровне организации живых организмов данного биоценоза обозначается как экотоксикант. В рамках процедур анализа экологического риска (оценки и управления) используется также понятие «стрессор» которым обозначается любое воздействие (химическое или физическое), способное привести к изменениям в биологической системе – как благоприятным, так и неблагоприятным. Таким образом, любой экотоксикант является стрессором, а одна из приоритетных практических задач экологического нормирования заключается в определении пороговых количественных параметров содержания экополлютанта в компонентах окружающей среды, при превышении которых он становится экотоксикантом. Решение

указанной задачи затрудняется тем, что в условиях любой реальной экологической системы биоценоз находится под системным воздействием всего ксенобиотического профиля, обуславливающим модификацию биологической активности отдельных экополлютантов. Следствием этого являются различия в количественных параметрах трансформации поллютантов в экотоксиканты для отдельных ксенобиотических профилей среды и биоценозов. Те экотоксиканты, которые обладают такими свойствами как, во-первых, высокая стойкость в окружающей среде – в почве, воде, растениях, воздухе (персистентность), во-вторых, медленно подвергаются процессам метаболизма в биологических объектах и способны к накоплению в них (кумуляции), в-третьих, подвижность (активно мигрируют в окружающей среде и по трофическим цепям), принято называть суперэкотоксикантами. К суперэкотоксикантам относятся, например, хлорорганические пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), диоксины и тяжелые металлы. В динамике воздействие экотоксикантов может быть однократным и многократным, постоянным и прерывистым – интермиттирующим с чередованием периодов действия вещества в одних концентрациях с периодами действия его в других концентрациях или с периодами полного отсутствия его воздействия. В реальных условиях экотоксиканты воздействуют на организмы и популяции не изолированно, а в комбинации друг с другом, различают комбинированное, комплексное и сочетанное действие. Совокупность действий нескольких факторов среды обозначается как экологическая констелляция (созвездие). Под комплексным действием понимается одновременное или последовательное поступление в организм ксенобиотика различными путями (ингаляционным, перкутанным, пероральным). Комбинированное действие – одновременное или последовательное действие нескольких веществ при их совместном поступлении в организм одним и тем же путем. Эффект комбинированного действия может проявляться, во-первых, в виде суммации (аддитивного действия), когда эффект действия веществ равен сумме эффектов, вызванных каждым веществом в отдельности; во-вторых, в форме антагонизма (менее чем аддитивное действие) – эффект действия веществ меньше, чем простая сумма эффектов, вызванных каждым веществом в отдельности; в-третьих, как потенцирование (синергизм, более чем аддитивное действие), если эффект действия веществ больший, чем простая сумма эффектов, вызванных каждым веществом в отдельности. Количественной характеристикой комбинированного действия является суммарный эффект, который при суммации равен 1, при антагонизме <1 и при потенцировании >1. Результирующий эффект комбинированного, комплексного и сочетанного действия оценивается по интегральной токсичности и является ключевой характеристикой ксенобиотического профиля среды в экологической токсикологии (например, выбросы автомобильного транспорта, обладают большей токсичностью, чем исходные продукты). Суммирование токсических эффектов при комбинированном действии ядов регистрируется, когда вещества, составляющие комбинацию, обладают идентичным действием (например, хлороформ, этиловый эфир, этанол и гексенала; стирол и бензол; бензол и ацетон). Потенцирование, в частности, отмечается при совместном действии сероводорода с фенолом, окисью углерода и углеводородами; хлорофоса и карбофоса, карбофоса и тиофоса, окиси углерода и тетраэтилсвинца, окиси углерода и адреналина, окиси углерода и бензола, диоксинов и других ксенобиотиков. Одним из механизмов потенцирования токсических эффектов ксенобиотиков может быть торможение одним экотоксикантом процессов биотрансформации другого (например, подавление одним из компонентов воздействующей смеси экотоксикантов ферментной системы, ответственной за детоксикацию другого компонента или образование соединения, обладающего значительно большей токсичностью, чем исходные экополлютанты). Ослабление токсических эффектов при комбинированном действии ксенобиотиков может быть следствием химического, физического или физиологического взаимодействия. Антагонизм при комбинированном действии ядов наблюдается при их химическом взаимодействии (как во внешней среде, так и в организме) с образованием малотоксичных продуктов. Так, совместное действие сернистого ангидрида и хлора на крыс и кроликов сопровождается резким ослаблением токсичности смеси за счет химического взаимодействия в атмосфере этих веществ. Токсичность аммиака ослабляется при его взаимодействии с углекислым газом. Эффект малых доз экотоксикантов и химических факторов малой интенсивности, наиболее выражен при комбинированном и комплексном действии в сочетании с другими вредными факторами, например, физической природы. Сочетанное действие – одновременное или последовательное действие факторов различной природы (химических, физических, биологических). Наиболее типичный в экологической токсикологии пример сочетанного действия факторов – усиление токсических эффектов ксенобиотиков при аномальной высокой температуре окружающей среды, воздействии электромагнитного поля или ионизирующего излучения. Так, повышение температуры ускоряет метаболизм ядов и повышает чувствительность организма к их действию (согласно правилу Вант–Гоффа при повышении температуры на 10°С биохимические реакции ускоряются в 2-3 раза). Повышение температуры среды, наблюдающееся при поступлении подогретых вод с тепловых и атомных электростанций, способствует увеличению токсичности ксенобиотиков для гидробионтов (последствия химического загрязнения для рыб более выражены в теплых водах, чем в холодных). В мелководных водоемах с хорошо прогреваемой водой процессы метилирования ртути происходят более активно, нанося больший урон рыбным и водным ресурсам. Повышение температуры до 35°С стимулируют развитие патогенной микрофлоры, а также массовое «цветение» воды, вызванное развитием нитчатых водорослей и цианобактерий, выделяющих в воду метаболиты, токсичные для рыб, теплокровных животных и человека. Подогрев воды повышает активность организмов и ускоряет темп оборота всех звеньев трофических цепей. Обычно изменения имеют ступенчатый характер, зависящие от продолжительности и степени подогрева водоемов, а также от синергического воздействия иных антропогенных факторов (загрязнений токсическими веществами и эвтрофизации – насыщения водоёмов биогенными элементами, прежде всего фосфором и азотом, что сопровождающееся ростом биологической продуктивности водных бассейнов). При этом нарушается стабильность биоценозов – ухудшается качество воды и она становится непригодной для хозяйственных и рыбоводных целей. При повышении температуры усиливается токсическое действие атмосферных загрязнителей, в почве активизируются процессы транслокации токсических веществ в растения.

1.3. Экотоксикокинетика

Судьбой биодоступных ксенобиотиков и других экотоксикантов, находящихся в окружающей среде в определенных количествах и составляющих ее ксенобиотический профиль занимается специальный раздел экологической токсикологии – экотоксикокинетика. К сфере интересов экотоксикокинетики относятся, во-первых, источники экотоксикантов, загрязняющих среду обитания, во-вторых, дальнейшая миграция загрязнителей в компонентах окружающей среды абиотической и биотической природы, в-третьих, их трансформации в различных объектах окружающей среды и, в-четвертых, удаление (элиминация) экополлютантов из окружающей среды, на достижение которой направлены многочисленные природные процессы. Основная задача экотоксикокинетики – изучение закономерностей миграции по трофическим цепям, всасывания, распределения, метаболизма и выведения токсинов из организмов.

Если экотоксикант, попавший в окружающую среду (почву, атмосферу, гидросферу, растения и др.), является нестойким и, соответственно, продолжительность реальной экспозиции мала, то вред, наносимый данным веществом экологической системе, будет незначительным. Высокую потенциальную опасность представляют собой резистентные (устойчивые) к процессам разрушения экотоксиканты,

обладающие способностью к длительной персистентности (от лат. persistere – упорствовать) – сохранению биологической активности в компонентах окружающей среды. Стойкость ксенобиотика характеризуется периодом его полураспада Т₅₀– временем, за которое количество токсичного вещества в исследуемом объекте снизится на 50 % (к персистентным относят химические соединения с периодом полураспада более 50 дней). Так, например, период полураспада ДДТ и ТХДД в почве составляет соответственно 10 и 9 лет, атразина в воде при pH 7,0 – 138 дней.

Итогом перманентного поступления в окружающую среду экополлютанта с высокой степенью персистентности является его неизбежное накопление в количестве, обеспечивающем его превращение в экотоксикант для наименее резистентных (устойчивых) звеньев экологической системы. Даже после завершения выбросов подобного вещества в окружающую среду, оно сохраняется там длительное время (например, несмотря на прекращения использования пестицида «Мирекс» еще в 70-е г.г. XX в., он обнаруживался в воде озера Онтарио в высоких концентрациях даже в конце 90-х г.г.; высокие концентрации ДДТ отмечались в организмах коренных народов Арктики, питающихся морскими животными). Даже достаточно быстро разрушающиеся вещества могут наносить вред человеку при систематическом поступлении в организм (так, компонент ракетного топлива «гептил», накапливаясь в грибах, ягодах, организмах и распространяясь по трофическим цепям, достигает человека; далее он приводит к поражению иммунной, сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, желудочно-кишечного тракта, к нарушению репродуктивной деятельности – тяжелым врожденным уродствам, нарушениям внутриутробного развития и др.).

Наиболее выраженной способностью к персистированию в окружающей среде обладают, в частности, такие экополлютанты, как, во-первых, тяжелые металлы (в том числе ксенобиотики – кобальт, свинец, ртуть, мышьяк, а также хром, цинк, никель, кобальт, медь, сурьма и др.), во-вторых, полигалогенированные полициклические углеводороды, и, в-третьих, многие хлорорганические пестициды (гексахлоран, алдрин, ДДТ, линдан и др.).

Большинство химических веществ, попав в окружающую среду, изменяются под воздействием большого числа различных природных процессов. Качественные и скоростные параметры подобной трансформации характеризуют такое свойство экополлютантов, как стойкость.

1.3.1. Абиотическая трансформация. Одним из вариантов превращений экополлютантов в окружающей среде является абиотическая трансформация. К числу основных природных процессов, способных влиять на стойкость экополютанта, относятся фотолиз (распад молекул под воздействием поглощенного света, в первую очередь ультрафиолетового, скорость которого находится в зависимости от интенсивности светового потока и способности его поглощать веществом), гидролиз (взаимодействие с водой, химическая реакция с разложением экополлютанта и воды, скорость которой находится в зависимости от pH) и окисление.

Образующиеся в результате абиотической трансформации новые соединения могут обладать более высокой токсичностью, чем исходные экополлютанты. Например, ряд пестицидов (соли феноксиуксусной кислоты и др.) вступают в соединение с нитритами в почвах при pH менее 7,0 с образованием нитрозосоединений, обладающих канцерогенными свойствами.

1.3.2. Биотическая трансформация. Значительно быстрее, чем при абиотической трансформации, деградация ксенобиотиков и других экополлютантов происходит в условиях биотической трансформации с участием биоты, в первую очередь различных микроорганизмов (бактерии, грибы и др.), способных использовать данные вещества в качестве пластического и энергетического материала. Процессы биотической трансформации обеспечиваются различными ферментными системами (энзимами), реализующими процессы окисления, гидролиза, дегалогенирования, деалкилирования и другие. Биотическая трансформация экополлютанта может приводить к его полной деструкции – минерализации с образованием CO₂, H₂O и других простых соединений. Другой вариант биотической трансформации завершается с образованием промежуточных продуктов, которые могут обладать существенно более высокой токсичностью, чем исходные соединения (например, неорганические соединения ртути могут превращаться в высокотоксичное ртутьорганическое соединение – метилртуть).

1.3.3. Процессы элиминации, не связанные с разрушением. Ряд процессов, протекающих в окружающей среде, способны обеспечивать элиминацию ксенобиотиков и других экотоксикантов без их трансформации, а только за счет изменения распределения данных веществ в объектах окружающей среды (процессы элиминации, не связанные с разрушением). Так, экополлютант с высоким уровнем давления пара способен к активному испарению из водной и почвенной среды с последующей миграцией в атмосфере на значительные расстояния посредством воздушных потоков (например, повсеместное распространение ряда хлорорганических инсектицидов – линдана, гексахлорбензола и др.). Другим значимым вариантом перераспределения экополлютантов в окружающей среде является перенос частиц токсикантов (или адсорбированных на частицах почвы) с участием ветра и атмосферных течений, например, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – бензпирены, дибензпирены, бензантрацены, дибензантрацены и другие. ПАУ, включая 3,4-бенз(а)пирен, как антропогенного (выбросы предприятий теплоэнергетики, металлургии, нефтепераработки, автомобильного транспорта и др.), так и естественного (например, вулканического) происхождения, способны к вовлечению и активному участию в круговороте веществ биосферы с переходами из одной среды в другую, в основном будучи связанными с твердыми частицами атмосферной пыли. Расстояние, на которое переносятся пылевые частицы зависит, во-первых, от высоты точки выбросов в атмосферу (чем выше, тем на более значительное расстояние происходит рассеивание экополлютантов) и, во-вторых, от дисперсности пыли (крупные частицы быстро оседают на поверхность недалеко от точки выброса, а мелкодисперсная пыль с величиной частиц от 1 до 10 микрон длительно находится в воздушной среде и может переноситься на большие расстояния). При попадании экополлютантов в водоемы они могут сорбироваться на взвешенных частицах с их последующим осаждением и, таким образом, элиминацией из водной среды и накоплением в донных отложениях, что существенно уменьшает биологическую доступность данных веществ и соединений. Еще одним фактором, способствующим значительному перераспределению водорастворимых экополлютантов являются дожди и перемещение подземных вод в грунтовых потоках (например, гербицид атразин, обладая высокой стойкостью и легкой растворимостью в воде, попадая в поверхностные водоемы, мигрирует в грунтовые воды и способен там накапливаться в значительных количествах).

1.3.4. Биоаккумуляция. Экополлютанты представляют опасность для биосферы только тогда, когда они способны внедряться внутрь живых организмов из абиотической фазы окружающей среды (атмосферный воздух, вода, почва) и за счет трофической передачи (из пищи). Попадая в живой организм, многие ксенобиотики и другие экотоксиканты проявляют способность к накоплению в его тканях и органах. Этот процесс носит название биоаккумуляции, результатом которой являются негативные последствия как для самого поглотившего их живого организма (при достижении значимой концентрации в «критических» тканях и органах), так и для хищников – живых организмов, использующих представителей первого биологического вида в качестве пищи. Оптимальные условия для биоаккумуляции экополлютантов обеспечиваются в водной среде, где обитает огромное число живых существ, которые пропускают через себя огромное количество воды, фильтруют ее и извлекают токсичные вещества, способные к аккумуляции. При этом в организмах гидробионтов концентрации экополлютантов могут превышать соответствующие показатели водной среды на 2–3 порядка. Типичной является водная трофическая цепь: растворенный в воде водоема экополлютант – фитопланктон – рачки – рыбы – хищные птицы и теплокровные животные, питающиеся рыбой.