Основы экотоксикологии

  К числу продуктов, распад которых  идет с трудом и длится более  двух дней, относятся также хлорированные  углеводороды, как, например, органические  растворители с одним-двумя атомами  углерода, полихлорированные бифенилы и хлорорганические пестициды. Хлоруглеводороды могут образоваться уже в самой воде, когда хлорированная вода входит в контакт с продуктами распада гумуса. Таким образом образуется трихлорметан (CHCl3).

 

Поверхностно – активные вещества

Производство и широкое применение синтетических поверхностно-активных веществ (ПАВ), особенно в составе моющих средств, обусловило поступление их со сточными водами во многие водоемы, в том числе и источники хозяйственно-питьевого водоснабжения. Незначительная концентрация ПАВ 0,05-0,1 мг/л в речной воде достаточна, чтобы активировать токсичные вещества, адсорбированные на донных осадках.

Бактериальное и биологическое загрязнение вносится, главным образом, бытовыми сточными водами и стоками некоторых промышленных предприятий (бойни, кожевенные заводы, фабрики первичной обработки шерсти, меховые производства, биофабрики, предприятия микробиологической промышленности и др.).

Неорганические остатки. Они обнаруживаются при загрязнении воды хлоридами, минеральными удобрениями, соединениями тяжелых металлов и кислотами.

 

Ионы, поступающие из удобрений и солей, используемых для снеготаяния при уборке снега и льда

Для таяния льда чаще всего используют поваренную соль, которая при высокой концентрации может нарушать нормальное функционирование осмотических систем в воде. Пресная вода содержит 2-10 мг хлоридов на литр, в морской воде - около 19000 мг/л. Для питьевой воды предельное значение - 200 мг/л.

Совсем иначе, чем хлориды, на воду действуют удобрения. Обычно хорошо растворимые в воде удобрения вымываются обильными дождями, попадая в грунтовые и поверхностные воды (водоемы). В наиболее распространенных удобрениях ионы К+ и Са+ можно считать безвредными. Напротив, ионы NO3-, NH4-, H2PO42- и HPO42- способствуют зарастанию водоемов растительностью. Уже 10 мг фосфата на 1 м3 воды приводят к заметному росту растительности, вызывая разрастание планктона. Источником фосфатов служат и моющие средства. Нитраты и фосфаты попадают в воду также в результате микробиологического разрушения органических отходов. При высоких значениях рН фосфаты выпадают в виде солей кальция и железа, что снижает эффект зарастания водоемов. Растворимые соединения азота при попадании в питьевую воду могут оказывать токсическое действие на людей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 7

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТОКСИЧНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ

Загрязнение окружающей среды может нанести вред организму человека или других обитателей планеты различными путями, в частности, через продукты питания. Вследствие этого исходные и готовые продукты должны подвергаться контролю и анализу на содержание вредных веществ, чтобы качество и безопасность этих продуктов не вызывали сомнения. Многочисленные токсины самыми разнообразными путями попадают в продукты питания.

 

Нитраты и нитриты

Соли азотной кислоты, нитраты, являются элементом питания растений и естественным компонентом пищевых продуктов растительного происхождения. Их высокая концентрация в почве абсолютно не токсична для растений, напротив, она способствует усиленному росту надземной части растений, более активному протеканию процесса фотосинтеза, лучшему формированию репродуктивных органов и в конечном итоге – более высокому урожаю. Например, если в период вегетации в растениях салата и шпината нитратов будет меньше 2000 мг/кг, то высокого урожая не жди: листья будут мелкие, грубые, непригодные для реализации. Во время массового образования кочанов и черешков листьев капусты нитратов должно быть 2000–3000 мг/кг.

Поскольку в органические соединения растений включается только аммонийный азот, нитрат-анионы, поглощенные растением, должны восстановиться в клетках до аммиака. Образованием аммиака завершается и распад органических веществ – аминокислот, амидов, белков. По образному выражению академика Д.Н.Прянишникова, аммиак «есть альфа и омега в обмене азотистых веществ у растений».

Нитраты, поступившие в растения, восстанавливаются по схеме:

 

Растения ассимилируют нитраты с помощью корневой системы двумя путями:

• восстановлением нитратов в нитриты с помощью нитрат - редуктазы НАДФ•Н;
• восстановлением нитратов в аммиак с помощью нитрит – редуктазы.

Первый этап восстановления нитрата протекает в соответствии с уравнением:

где NAД(Р)H – никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный, NAД(Р)+никотинамидадениндинуклеотидфосфат окисленный.

Нитратредуктаза – фермент класса оксидоредуктаз, синтезируемый в клетках в ответ на поступление NO3–; им особенно богаты молодые листья и кончики корней.

Образующиеся нитриты не накапливаются, а быстро восстанавливаются до NH4+ с помощью фермента – нитритредуктазы:

где ФД – ферредоксин – железосодержащий белок, выполняющий функции переносчика электронов.

Нитритредуктаза – фермент, активность которого в 5–20 раз выше, чем нитратредуктазы. Эффективность этого фермента так высока, что свободные промежуточные продукты при восстановлении NO2– до NН4+ (гипонитрит (HNО)2, гидроксиламин NН2ОН) в растении не накапливаются. Нитритредуктаза может содержаться и в листьях, и в корнях.

Аммиак, поступивший в растение извне, образовавшийся при восстановлении нитратов или в процессе фиксации молекулярного азота, далее усваивается растениями с образованием различных аминокислот и амидов. Таким образом, нитраты являются естественным азотистым компонентом растительного организма.

Следует отметить, что содержание нитратов в разных частях растений неодинаково. Больше всего нитратов в тех частях растения, которые содержат большое количество тканей, служащих для проведения воды и минеральных солей к листьям и органам (ксилемные ткани). В жилках листьев, листовых черешках, стеблях нитратов больше, чем в мякоти листьев и плодах; в кожице и поверхностных слоях плодов они преобладают над внутренними слоями; в генеративных органах (органы полового размножения растений) эти вещества отсутствуют или имеются в меньших количествах, чем в вегетативных. К числу растений, склонных к накапливанию нитратов, относятся сахарная свекла (особенно листья), шпинат, морковь, кормовая свекла, салат, капуста. Парниковая зелень отличается более высоким содержанием нитратов, что объясняется интенсивным удобрением почвы и недостаточным освещением.

Меняется содержание нитратов в растениях и в течение суток. Это объясняется интенсивностью восстановления нитрат-ионов до аммиака. Ночью и рано утром активность ферментов, участвующих в восстановлении NО3–, низка, что ведет к их накоплению. С повышением температуры и интенсивности освещения активность этих ферментов, в первую очередь нитратредуктазы, возрастает, что ведет к снижению содержания нитратов. В связи с этим сбор овощей лучше вести днем, когда содержание NО3– уменьшается на 30–40% по сравнению с утренними часами.

Уменьшается количество нитратов и при хранении овощей и фруктов. Например, во время зимнего хранения содержание нитратов в картофеле снижается на 20%. В первый период хранения происходит послеуборочное дозревание, и нитрат-анионы, восстановившись до аммиака, включаются в состав органического вещества. Во второй период хранения, когда клубень выходит из состояния покоя и начинает прорастать, нитраты расходуются на построение новых органов (листья, корни).

В то же время у животных и человека высокие дозы нитратов могут вызвать отравление и даже привести к смерти. Токсическое действие нитратов связано с восстановлением их до нитритов, аммиака, гидроксиламина под влиянием микрофлоры пищеварительного тракта и тканевых ферментов. Если в организм человека поступают высокие дозы нитратов, через 4–6 ч появляются тошнота, одышка, посинение кожных покровов, диарея. Одновременно ощущается общая слабость, головокружение, боли в затылке и сердцебиение. Первой медицинской помощью при этом является обильное промывание желудка, прием активированного угля и солевых слабительных. Употребление в течение долгого времени пищи и воды с высоким содержанием нитратов вызывает также аллергию, нарушение деятельности щитовидной железы, приводит к возникновению многочисленных болезней в результате нарушения обмена веществ, опорно-двигательного аппарата и нервной системы.

Чем же обусловлено такое токсическое действие на организм нитратов? Дело в том, что нитраты, превратившись в желудочно-кишечном тракте в нитриты, попадают в кровь и окисляют двухвалентное железо гемоглобина в трехвалентное. При этом образуется метгемоглобин, не способный переносить кислород к тканям и органам, в результате чего может наблюдаться удушье.

Выявлены два способа окисления гемоглобина HbFe2+. При прямом окислении роль окислителя играют нитрит-анионы:

3HbFe2+ + 2NO2– + 14H+ = 3HbFe3+ + 2NH3 + 4H2O.

Во время косвенного окисления гемоглобина сначала нитриты окисляются до нитратов с образованием пероксида водорода, затем последний вступает в реакцию с железом гемоглобина:

NO2– + О2 + Н2О = NO3– + Н2О2,

HbFe2+ + 2Н2О2 + 4Н+ = HbFe3++ 4Н2О.

Угрозой для жизни является накопление в крови 20% и более метгемоглобина (HbFe3+).

Наибольшая же опасность повышенного содержания нитратов в организме заключается в способности нитрит-иона участвовать в реакции нитрозирования аминов и амидов, в результате которой образуются нитрозосоединения, обладающие канцерогенным и мутагенным действием. Нитриты расширяют сосуды и образуют в кислой среде желудка азотистую кислоту, обладающую мутагенным действием. Наряду с клиническими проявлениями интоксикации хроническое воздействие нитритов приводит к снижению содержания в организме витаминов А, Е, С, В1, В6. С этим связывают снижение устойчивости организма к воздействию различных факторов, в том числе онкогенных.

Образование нитрозосоединений происходит при взаимодействии азотистой кислоты с вторичными аминами как в продуктах питания в процессе их кулинарной обработки, так и внутри организма:

(R2)NH + НNO2 = (R)2N–NO + Н2О.

N-нитрозосоединения имеют общую  структуру:

Их можно разделить на два класса с различными свойствами: нитрозамины, где R1 и R2 – алкильные или арильные группы, и нитрозамиды, где R1 – алкильная или арильная группа, R2 – ацильная группа.

Проведенные на животных опыты показали, что N-нитрозосоединения способствуют образованию опухолей во всех органах, кроме костей.

Чаще всего контролируют наличие в продуктах N-нитрозодиметиламина (НДМА) и N-нитрозодиэтиламина (НДЭА).

В организм человека нитраты поступают (в %): с овощами – 70, с водой – 20, с мясными, молочными и консервированными продуктами – 6. Наиболее опасно отравление нитратами, растворимыми в воде, т. к. это увеличивает скорость всасывания их в кровь, поэтому содержание нитрат-аниона в воде не должно превышать 45 мг/л.

Содержание нитратов и нитритов в продуктах животноводства невелико, например, в молоке и молочных продуктах их содержится не более 10 мг/кг. Нитраты и нитриты используют как консерванты при производстве сыров, и их суммарное содержание не превышает 50 мг/кг. При изготовлении ветчинно-колбасных изделий нитраты и нитриты добавляют не только для подавления деятельности болезнетворных бактерий, но и для того, чтобы придать мясным изделиям красно-коричневый оттенок. Содержание этих веществ в мясной продукции также не представляет опасности для здоровья людей (нитраты – 1–5 мг/кг, нитриты – 0,8–2,2 мг/кг).

Нитритов в растениях содержится небольшое количество, в среднем 0,2 мг/кг, поскольку они представляют собой промежуточную форму восстановления окисленных форм азота в аммиак. Содержание нитритов в пищевых продуктах может возрастать по мере их хранения. Это связано с развитием микрофлоры, способной восстанавливать нитраты. Восстанавливающими свойствами обладают многие представители лактобацилл, некоторые виды стрептококков и другие микроорганизмы. В этой связи рекомендуется детям употреблять сок в течение 1 часа после его приготовления.

Допустимая суточная доза (ДСД) нитрита – 0,2 мг/кг массы тела, за исключением детей грудного возраста. Острое отравление отмечается при одноразовой дозе 200-300 мг, летальный исход – 300-2500 мг. Токсичность нитритов зависит от состава рациона, индивидуальных особенностей организма, в частности, от активности метгемоглобинредуктазы, обладающей способностью восстанавливать метгемоглобин в гемоглобин.

Концентрация нитратов в растениях колеблется от нескольких до тысяч миллиграммов, зависит от многих факторов, среди которых определяющим является увеличение нитратов в почве за счет интенсификации процесса нитрификации или – особенно – в связи с неконтролируемым использованием азотных удобрений, особенно их нитратных форм (аммиачная, калийная, натриевая селитра). Накопление азота может происходить при нехватке серы в почве. Недостаток серосодержащих аминокислот препятствует синтезу белков, а тем самым и синтезу фермента нитратредуктазы. Агробиологи насчитывают около 30–40 факторов, влияющих на накопление нитратов в растениях. Подкармливать растения лучше амидными или аммонийными формами удобрений (карбамид или мочевина, сульфат аммония), т. к. аммиачный азот поглощается растениями и сразу включается в аминокислоты и белки без накопления нитратов.

Увеличение количества нитратов в продукции можно получить и при избыточном удобрении почвы органикой. Важный фактор регулирования содержания NО3– – совместное применение органических и минеральных удобрений. Уменьшение содержания нитрат-ионов при этом связано с тем, что органические удобрения обогащают почвы полезной микрофлорой, которая временно поглощает лишний азот, стимулируя тем самым замедление процесса нитрификации в почве в начальный период развития растений.

ПДК нитратов в овощной продукции разных стран колеблются в значительных пределах, причем у нас установлены самые низкие ПДК по сравнению с зарубежными странами. Допустимое суточное потребление нитратов для человека не должно превышать 5 мг на 1 кг массы тела, т. е. не более 350 мг в сутки для человека массой 70 кг.