Основы экотоксикологии

 

 

ЛЕКЦИЯ 1

ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ

План:

1. Определение понятий «экологическая химия» и «экотоксикология».
2. Задачи и основные понятия в экотоксикологии.

 

Не существует научной дисциплины, которая была бы способна выработать основы классификации химических веществ и исследования антропогенных воздействий на биосферу.

Экологическая химия находится на стыке целого ряда научных дисциплин и во многом соприкасается и перекрывается со смежными научными направлениями, среди которых можно назвать биологические и геологические науки, в то же время экотоксикология тесно связана с медико-фармакологическими дисциплинами. Экологическая химия изучает изменения химических веществ под воздействием факторов окружающей среды, причем центральной задачей является изучение поведения антропогенных веществ, т.е. их содержания (концентрации в окружающей среде), процессов разложения, превращения и накопления в организмах и окружающей среде.

Исследованием воздействия этих веществ на организм на различных уровнях (клетка, отдельный орган и организм в целом, популяция и экосистема) занимается экотоксикология, поскольку при таких исследованиях выявляются изменения состояния и возникают предположения о возможности прямого или косвенного вредного воздействия. Экотоксикология основывается на достижениях экологической химии.

ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ – наука, занимающаяся исследованием влияния антропогенных химических веществ на биологические объекты окружающей среды.

В принципе эта наука отличается от токсикологии тем, что в ней не рассматриваются вопросы отравления конкретного организма. Влияние на человека происходит косвенно через ухудшение жизненных условий из-за вредных воздействий на окружающую среду.

Токсикологические и экотоксикологические свойства веществ обусловлены их химическим составом, так что в изолированном состоянии они не имеют никакого значения для человека и природы. После длительной экспозиции, т.е. длительного воздействия на живой организм, эти свойства начинают проявляться. Это означает, что эколого-химическое поведение веществ, методы их применения и объемы поступления в биосферу определяют в конечном итоге уровень экспозиции.

Последний в комплексе с экотоксикологическими свойствами вещества является основой для оценки воздействия вещества на окружающую среду.

В настоящее время экспозицию химического продукта часто ошибочно принимают за его «воздействие». Экспозиция – концентрация вредного вещества, которая воздействует на человека, животное, растение или экосистему в течение определенного времени (иными словами это «доза воздействия»).

Потенциальное воздействие – токсичность для конкретной особи, популяции или экосистемы, зависящая от концентрации вредного вещества. Потенциальное воздействие (токсичность) и экспозиция в комплексе определяют степень опасности данного вещества.

Вредное воздействие, наносимое соответствующей системе:

а) явственные изменения обычных колебаний численности популяции;

б) долгосрочные или необратимые изменения состояния экосистемы.

ЗАДАЧИ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ:

1. Выявление степени вредного воздействия (в качественном и количественном отношении).
2. Разработка лечебных мероприятий (возможные последствия и формы вредного воздействия химических веществ можно классифицировать в соответствии со схемой).
3. Выявление изменений видового состава и функций экосистемы.

Если проводятся эпидемиологические исследования, то выпадение или снижение численности ведущих видов организмов требуют проведения анализа тенденций развития биологических сообществ. Такие исследования являются еще одной задачей экотоксикологии, так как они могут способствовать выявлению степени риска и предотвращению опасных явлений.

Если под экотоксикологией понимать одно из направлений исследования экосистем, то ее важнейшими частями должны быть проблемы сохранения (при работе с ненарушенными экосистемами) и восстановления (для уже пострадавших систем). Обе эти цели могут быть достигнуты лишь на пути функционального моделирования. Для того, чтобы создать функциональную экотоксикологическую модель, необходимо составить логическую последовательность испытаний.

 

Схема возможных последствий воздействия химических продуктов на экосистемы (последствия приводятся по степени убывания их опасности)

Полное разрушение экосистемы в результате выпадения целостной интактной структуры (биотопа) и ее функций (биоценоза). Пример: уничтожение мангровых лесов в результате применения гербицидов в качестве химического оружия во Вьетнамской войне. Глубокие изменения биотопа. Пример: засоление пресноводных биотопов и современное ухудшение состояния лесов. Постоянное загрязнение биотопов. Пример: эвтрофикация рек и озер в результате попадания в них значительных количеств растворенных и связанных соединений N и P. Массированные загрязнения. Пример: загрязнения побережья рек, морей при авариях танкеров. Широко распространившееся уменьшение видов разных организмов. Пример: использование пестицидов и удобрений в агроэкосистемах. Направленное уничтожение отдельных видов растений и животных. Пример: альгицидные, фунгицидные, акарицидные, гербицидные, инсектецидные мероприятия, особенно в урбанизированных экосистемах.

 

На рис. 1 приведена кольцевая схема экотоксикологических исследований на основе анализа и построения модели для активного и пассивного мониторинга вредного воздействия на окружающую среду.

 

 

ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ

  

 

 

 

   

 

 

 

Рис. 1. Схема экотоксикологических исследований

 

Поскольку в сельском хозяйстве целенаправленно применяются химические препараты, при исследовании площадей, предназначенных для сельскохозяйственного производства, часто использовались экотоксикологические методы. По своему видовому составу агроэкосистемы легче поддаются изучению, чем природные или близкие к природным экосистемы. Однако и здесь требуются довольно дорогие исследования для количественной оценки экотоксикологического влияния агрохимических препаратов. В качестве примера многофакторных взаимодействий средств защиты растений и природных объектов приведена на рис. 2.

В настоящее время насчитываются тысячи веществ, способных вызвать отравления человека и животных. В их числе ядохимикаты, различные соединения промышленного и транспортного происхождения, удобрения, препараты бытового назначения, химические добавки к пищевым продуктам и др. Нарастающее химическое загрязнение природной среды как следствие НТП опасно прежде всего насыщением воздуха и водоисточников вредными веществами.

 

ВОЗДЕЙСТВИЕ ТАКИХ ФАКТОРОВ, КАК

РАСТЕНИЯ    ЖИВОТНЫЕ     АТМОСФЕРА    ПОЧВА     ВОДА

 

          МЕТАБОЛИЗМ      ФОТОХИМИЧЕСКИЕ      МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ   

                                                                  ПРЕВРАЩЕНИЯ    ПРЕВРАЩЕНИЯ. ГИДРОЛИЗ

 

 

 

                          СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СРЕДСТВ

                                   ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ

 

 

Должно действовать                                      Не должно действовать

              на                                                                        на

              

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Многофакторные взаимодействия средств защиты растений и природных объектов

 

Вещества, вызывающие отравление или смерть при попадании в организм в малом количестве, называются ядами. В этой роли может оказаться практически любое химическое соединение, попавшее в организм в количестве, способном вызвать нарушение жизненно важных функций и создать опасность для жизни. Чем меньшее количество (доза) вещества вызывает подобные расстройства, тем токсичность вещества больше. Токсичность – ядовитость, способность некоторых химических элементов, соединений и биогенных веществ оказывать вредное действие на организмы (человека, животных, растений, грибов, микроорганизмов). Интоксикация – патологическое состояние, развивающееся вследствие взаимодействия яда с организмом. Групповые интоксикации приходится наблюдать и при употреблении ядовитых растений, продуктов питания, включающих токсичные вещества, например, пестициды и микробные яды. Надо иметь также в виду, что в природе насчитывается около 5 тысяч видов ядовитых существ: членистоногих, кишечнополостных, моллюсков иглокожих, рыб, змей, которые при определенных обстоятельствах могут стать опасными для человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИИ 2-3

 

МЕХАНИЗМЫ ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ТОКСИЧЕСКИХ

И ЯДОВИТЫХ ВЕЩЕСТВ

План:

1. Токсикометрия.
2. Токсикодинамика.
3. Токсикокинетика.
4. Токсичные вещества в организме.

 

Токсикометрия

Токсикометрия – раздел токсикологии, изучающий зону и количество токсического действия ядовитых веществ. Поэтому дозы и концентрации ядовитых веществ принято подразделять в зависимости от степени выраженности вызываемого ими биологического эффекта.

Основные параметры и критерии токсичности веществ в токсикометрии:

1. Минимально действующая или  пороговая доза (концентрация) ядовитого  вещества – это такое его наименьшее количество, которое при однократном (остром) или многократном (хроническом) воздействии вызывает явные, но обратимые изменения жизнедеятельности. Их обозначают соответственно Limac, Limch.

2. Минимальная токсическая доза (концентрация) (LD0, Cl0) – максимально переносимая доза ядовитого вещества в мг/кг при однократном введении внутрь или подкожно, вызывающая токсический эффект без летального исхода, при этом отмечается выраженное отравление с комплексом характерных патологических сдвигов в организме.

3. Среднесмертельная (LD50, Cl50) или абсолютносмертельная доза (LD100, Cl100) (концентрация) – количества вещества, вызывающие гибель 50% или 100% особей при однократном введении токсического вещества внутрь или подкожно. Эти показатели используются в экспериментальных исследованиях.

4. Величина токсичности (Т) – рассчитывается применительно к сильным ядам, действующим ингаляционно, и определяется по модифицированной формуле Габера:

T =

где C – концентрация, мг/л;

t – экспозиция, время воздействия, мин;

V – объем легочной вентиляции, л;

g – масса тела, кг.

5. Токсичность (Т) вещества определяется величиной, обратной среднесмертельной дозе (концентрации): Т = 1 / LD50 (Cl50).

Показатель токсичности применяют в качестве меры несовместимости вещества с жизнью. Недостатком этой формулы является то, что она не учитывает возможность биотрансформации и детоксикации яда, а также возможности кумулятивного эффекта.

6. Коэффициент возможного ингаляционного  отравления (КВИО)

КВИО = С20град. по Цельсию / Cl

,

где С20град. по Цельсию – максимально достижимая концентрация вещества при 200С;

Cl (мин.) – половинная смертельная концентрация при экспозиции 120 минут (распространенные в России условия опыта).

7. Зона острого токсического действия (Zас) (зона акута) также определяет опасность химического вещества. Является отношением величины концентрации, вызывающей гибель 50% животных, к минимальной пороговой дозе при однократном воздействии. Чем меньше этот показатель, тем более высокий класс опасности вещества, и чем более высокий показатель, тем меньше класс его опасности.

8. Зона хронического действия (Zch) – отношение величины пороговой дозы при однократном введении к многократной. Чем выше этот показатель, тем более опасно вещество при хроническом воздействии.

9. ПДК – предельно допустимая концентрация вещества в воздухе (мг/м3), не вызывающая токсических явлений у человека и животных.

10. ОБУВ – ориентировочный безопасный уровень вещества в воздухе, мг/м3.

11. МДУ – максимально допустимые уровни содержания пестицидов в пищевых продуктах (мг/кг).

В целом, показатели токсичности зависят не только от свойств ядов, но и от видовой, половой, возрастной и индивидуальной чувствительности к нему организма. Поэтому также одной из задач токсикологии является экстраполяция (перенос) на человека полученных в эксперименте данных.

 

Токсикодинамика

Токсикодинамика - это раздел токсикологии, рассматривающий вопросы механизма токсического действия ядовитых веществ на организм, составляющего молекулярную основу токсического эффекта с учетом первичной реакции яда и ферментов. Распределение токсичных веществ в организме зависит от трех основных факторов: пространственного, временного, концентрационного.