Задачи промышленной токсикологии

Важнейшей задачей промышленной токсикологии является токсикологическая оценка вредных веществ промышленного происхождения с целью их гигиенической регламентации. В условиях, когда избежать присутствия; вредных веществ в окружающей среде нельзя, необходимо устанавливать предельные (максимальные) значения их содержания, при которых эти вещества не оказывают негативного воздействия на организм человека. То есть проводится нормировании загрязняющих веществ: установлении так называемых предельно допустимых концентраций или других ограничительных нормативов.
В условиях производства человек, как правило, находится под воздействием не одного, а нескольких разных ксенобиотиков, а также под совместным (комбинированным) воздействием химических веществ и физических факторов (шума, вибрации, высоких температур, электромагнитных полей и др.). В совокупности все они называются вредными и опасными производственными факторами.

Второй задачей промышленной токсикологии является изучение и регламентация совместного воздействия на организм различных неблагоприятных факторов окружающей (в том числе и производственной) среды.

В задачи токсикологии входят также исследования механизмов воздействия ядов на организм их поведения в живых системах, включая распространение по пищевым цепям в экосистемах и др. Токсикология изучает проявления различных эффектов действия ядов в организме: гонадотропных (влияние на половые железы), эмбриотропных (воздействие на зародыши), мутагенных (вызывание мутаций в генно-хромосомном аппарате), канцерогенных (вызывание злокачественных новообразований).
Оценка вредных веществ Способность химических веществ вызывать нарушение жизнедеятельности организма (отравление) называется токсичностью. Токсичность (вредность, ядовитость) характеризуется как мера несовместимости вещества с жизнью или здоровьем, а опасность - как вероятность отравления этим веществом в реальных условиях его применения или присутствия [13].Оценки токсичности должны иметь четкую количественную интерпретацию, т. е. быть основанными на измерениях. Такие измерения являются предметом токсикометрии. В основе токсикометрических исследований находится изучение зависимости между количеством ядовитого вещества, содержащимся в конкретной среде (субстрате) или поступившем в организм, и реакцией последнего в виде острого, подострого, хронического или смертельного отравления, а также в форме того или иного отдаленного эффекта. При этом имеют значение не только собственно дозы, но и пути поступления вещества в организм, продолжительность его воздействия, состояние самого организма, условия окружающей среды. Количество яда оценивается в единицах его массы, отнесенных к единице массы или объема субстрата (мг/м3 воздуха, мг/л воды, мг или г/кг воздушно-сухой почвы). Эти характеристики называются концентрациями и обозначаются либо латинской буквой С, либо русской К.

Количество яда, поступившего в организм, соотносится с массой его тела (мг/кг) и называется дозой вещества (Д или D). Кроме того, концентрации вредных веществ могут выражаться в процентах или частях на миллион (ppm).

Устанавливаются три количественных характеристики веществ:

1. пороговая доза (или концентрация), иначе называемая порогом однократного воздействия; это наименьшее количество вещества, вызывающее при однократном воздействии такие изменения в организме, которые обнаруживаются при помощи специальных биохимических или физиологических тестов при отсутствии внешних признаков отравления у подопытного животного; обозначаются символами Кмии(Смин) или Дмин (Dмин) (минимальная концентрация или доза);

2. токсическая несмертельная доза (концентрация),. которая вызывает видимые проявления отравления без смертельного исхода и обозначается символами ЕД или ЕК;

3. токсическая смертельная доза (концентрация), которая вызывает отравление, заканчивающееся смертью подопытного животного; обозначается символами ЛК и ЛД, где Л-первая буква латинского слова леталис, что означает смертельный.

Токсикометрические исследования проводятся на группах животных.

Наиболее объективную оценку токсичности исследуемого вещества, приемлемую для сравнения разных дает та доза (концентрация), которая вызывает гибель половины (50%) всех подопытных организмов, т. е. ЛК50 или ЛД50. Обратные им величины ЛК50-1 и ЛД50-1 рассматриваются в качестве степени токсичности вещества.

Чем выше степень токсичности того или иного вещества, тем более жесткие требования предъявляются при работе с ним или к его присутствию в окружающей среде. Поэтому все токсичные вещества делят на группы токсичности (их называют классами токсичности) Чем меньше значения устанавливаемых в эксперименте токсических доз (концентраций вещества), тем более ядовитым, т. е. токсичным или опасным оно является.

* Первые четыре показателя характеризуют степень токсичности, а три последние - степень опасности вещества. Указанные оценки - не единственные из числа определяемых в экспериментах для определения степени токсичности вещества. Существуют и многие другие, но они различны в зависимости от того, в каком субстрате (воздухе, воде, почве) содержится данное вещество и каким путем поступает в организм. Воздействие вредных веществ на организм может вызвать два вида отравлений: острое и хроническое. При авариях, нарушениях техники безопасности или регламентов работы оборудования возможно резкое скачкообразное возрастание содержания вредных веществ. При этом могут наступить острые отравления, которые возникают после однократного воздействия и могут приводить к смертельному исходу, хотя и не сразу после отравления (например, оксиды азота могут привести к такому исходу через неделю или более после острого отравления).

Классы токсичности (опасности) химических веществ по ГОСТ.

Показатель Отнесение вредного вещества к классу опасности производят по показателю, значение которого соответствует наиболее высокому классу опасности.	Классы токсичности
I (чрезвычайно опасные)	II (высоко опасные)	III (умеренно опасные)	IV (мало опасные)
ЛД 50 (пероральная), мг/кг Летальная доза 50 = средняя смертельная доза =гибель половины подопытных животных	менее 15	15–150	151–5000	более 5000
ЛД 50 (кожная), мг/кг Летальная доза 50 = средняя смертельная доза =гибель половины подопытных животных	менее 100	100–500	501–2500	более 2500
ЛС 50 (в воздухе), мг/м3 Летальная концентрация 50 = средняя смертельная концентрация = гибель половины подопытных животных	менее 500	500–5000	5001–50000	более 50000
ПДК (в воздухе рабочей зоны), мг/м3 Предельно допустимая концентрация = Предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе населенных мест - концентрация, не оказывающая в течение всей жизни прямого или косвенного неблагоприятного действия на настоящее или будущие поколения, не снижающая работоспособности человека, не ухудшающая его самочувствия и санитарно-бытовых условий жизни. Существуют также: среднесуточная ПДК и максимальная разовая ПДК.	менее 0,1	0,1–1,0	1,0–10,0	более 10
КВИО Коэффициент возможности ингаляционного отравления= Отношение максимально достижимой концентрации вредного вещества в воздухе при 20 °С к средней смертельной концентрации вещества для мышей	более 300	30–300	3–30	менее 3,0
Зона острого действия (Zac) Отношение средней смертельной концентрации вредного вещества к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций	менее 6,0	6–18	18–54	более 54
Зона хронического действия (Zch) Отношение минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций, к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей вредное действие в хроническом эксперименте по 4 ч, пять раз в неделю на протяжении не менее четырех месяцев	более 10	5–10	5–2,5	менее 2,5
Зона биологического действия (Zbl) Отношение величины средней смертельной дозы (или концентрации) яда к величине его порога хронического действия.	более 1000	100–1000	10–100	менее 10

Загрязнение –привнесение в среду или возникновение в ней новых, не характерных для среды химических, физических, биологических или информационных агентов; или повышение концентрации этих агентов сверх среднего наблюдавшегося количества или уровня.

Иными словами, загрязнение в общем виде – все то, что не в том месте, не в то время и не в том количестве, которые характерны (естественны) для природы и отличаются от обычно наблюдаемых норм. Загрязнение выводит системы природы из равновесия.

Все виды загрязнителей можно разделить по их природе на:

Кроме того, существуют классификации загрязнителей по их происхождению (сельскохозяйственные, промышленные, бытовые), по степени их опасности (классы опасности) и ряд других. Подробная классификация загрязнителей атмосферы была дана в одном из спецвыпусков рассылки. В этой лекции нам будет удобно пользоваться приведенной выше классификацией, так какосновное внимание мы уделим химическим загрязнителям.

Рассмотрим подробнее, какие загрязнения можно отнести к физическим, химическим, биологическим и информационным.

· тепловое загрязнение (один из основных источников – теплоэлектростанции, особенно в случае наших отапливающих “улицу” теплосетей),

· световое загрязнение (фактор беспокойства для многих биологических видов)

· электромагнитные поля (возникают вокруг высоковольтных линий электропередач, а также создаются многочисленными бытовыми приборами, мобильными телефонами и т.д.)

· радиационное загрязнение – связано с дополнительным (к естетсвенному фону) облучением из-за попадания в среду радионуклидов (в том числе, отсутствовавших в биосфере ранее – например, плутоний) вследствие плановых и аварийных выбросов. Причиной дополнительного облучения могут быть также медицинские операции (например, рентгеновское обследование).

Химическое загрязнение. Один из старейших видов загрязнения окружающей среды, с которым сталкивался человек. Включает минеральные и органические вещества. Различают разрушаемые и стойкие химические загрязнители. Последние особо опасны, так как могут накапливаться в биосфере. Наличие стойких загрязнителей объясняется тем, что человек синтезировал новые вещества и даже классы веществ, которые ранее отсутствовали в биосфере, а следовательно, в природе отсутствуют естественные пути утилизации этих веществ. Примером чрезвычайно стойкого загрязнителя является инсектицид ДДТ: не смотря на то, что его не применяют уже несколько десятков лет, ДДТ обнаруживает в крови животных, обитающих в самых удаленных уголках земного шара, где этот ядохимикат никогда не применялся.

Биологическое загрязнение –это привнесение в среду и размножение в ней нежелательных для человека организмов; привнесение патогенных микроорганизмов. В качестве биологического загрязнения может выступать и интродукция безобидных, на первый взгляд, видов (пример: усиленное размножение завезенных в Австралию кроликов, где у них не оказалось естественных врагов).

Информационное загрязнение – поток негативной информации, поступающей человеку по различным информационным каналам. Особенно актуальным информационное загрязнение стало в последнее время: члены современного информационного общества постоянно подвергаются воздействию лавины негативной информации. Все беды и катастрофы мира мгновенно становятся общеизвестны и обрушиваются на индивидуума. Информационное загрязнение ощущают и другие биологические виды – разнообразные факторы беспокойства, которые несут информационную (сигнальную) нагрузку: шум, свет. К информационному загрязнению относятся и визуальное загрязнение, вызванное однообразной архитектурой.

Ксенобиотики - вещества, чужеродные по отношению к живым организмам и не входящие в естественные биогеохимические циклы.

Экотоксиканты - ядовитые вещества антропогенного происхождения, вызывающие серьезные нарушения в структурах экосистем.

Суперэкотоксиканты (СЭТ)- вещества, обладающие в чрезвычайно малых дозах мощным токсическим действием. Для СЭТ фактические теряет смысл введение ПДК. К тому же, они сильно повышают чувствительность живых организмов к другим, менее сильным загрязнителям.

Загрязняющие вещества, подвергаясь комплексному воздействию различных факторов среды, трансформируются, в результате чего их токсичность может изменяться.

o Гербицид симазин окисляется в канцерогенное для млекопитающих вещество

o Восстановление тетрахлорметана в печени млекопитающих с образованием свободных радикалов, которые повреждают печень

o Образование намного более токсичной диметилртути (по сравнению с металлической ртутью) после прохождения по цепям питания.

По силе и характеру воздействия на окружающую среду загрязнения бывают:

· Постепенно нарастающие и катастрофические

Тяжелый металл (т.м.) –
металл с плотностью 8 тыс. кг/м3 и более (кроме благородных и редких).

К т.м. относятся: свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, сурьма, олово, висмут, ртуть.

Часть техногенных выбросов т.м., поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и приводит к глобальному загрязнению. Основной поставщик – предприятия цветной металлургии. Для таких предприятий характерно наличие 5 км- зоны максимальных концентраций т.м. и 20-50 км- зоны повышенных концентраций. Сильное загрязнение свинцом и другими тяжелыми металлами наблюдается вокруг автострад.

Растения могут накапливать тяжелые металлы, являясь промежуточным звеном в цепи почва –> растение –> животное –> человек (или минуя животных). Однако растения не повторяют химических состав почвы, так как способны к избирательному поглощению. Главным показателем здесь является коэффициент биологического поглощения – отношение содержания элемента в золе растения к концентрации в почве. Медь накапливают растения семейства гвоздичные, кобальт – перцы, цинк поглощают карликовые березы и лишайники и т.д.

Тяжелые металлы являются ядами. Механизмы их токсического действия различны. Многие металлы при определенных концентрациях ингибируют действие ферментов (медь, ртуть). Некоторые металлы образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая обмен веществ (железо). Другие металлы повреждают клеточные мембраны, изменяя их проницаемость и другие свойства. Некоторые металлы конкурируют с необходимыми организму элементами (Sr-90 может замещать в организме Ca, Cs-137 – калий, кадмий может замещать цигк).

Пестициды поступают в биосферу путем непосредственного внесения, с протравленными семенами, отмирающими частями растений, трупами насекомых, мигрируют в почве и водах. Особую опасность представляют стойкие и кумулятивные (т.е. накапливающиеся в экосистемах) пестициды, которые обнаруживаются спустя десятки лет после применения.

Даже при низких концентрациях в воде пестициды опасны из-за способности некоторых организмов накапливать эти вещества в своих тканях. Так, если процесс концентрирования (биологического усиления) хлорпроизводных углеводородов повторяется на нескольких трофических уровнях (планктон – мальки – моллюски – более крупные организмы), то в конце их концентрация может оказаться очень высокой.

В результате накопления пестицидов уменьшается численность популяций некоторых видов рыб. Отмечены многочисленные случаи массовой гибели птиц и насекомых в местах интенсивного использования пестицидов. Выявлены такие негативные аспекты воздействия пестицидов на биологические объекты как мутагенный, канцерогенный, аллергенный.

Нефтепродукты – один из наиболее характерных загрязнителей океана. В Мировой океан и поверхностные воды ежегодно вносится 15-17 миллионов тонн нефти и нефтепродуктов. Влияние нефтяного загрязнения на состояние гидробионтов описывается следующими фактами:

1. Непосредственноеотравление организмов с летальным исходом

2. Серьезные нарушения физиологической активности гидробионтов

3. Прямое обволакивание птиц и других организмов нефтепродуктами. Нефтепродукты нарушают изолирующие функции оперения, а при попытке очистить перья птицы заглатывают нефтепродукты и погибают.

4. Изменения в организмах, вызванные проникновением нефтепродуктов

5. Изменение химических, физических и биологических свойств среды обитания.

Наибольшую опасность представляют ароматические углеводороды, растворимые в воде. Смертельные концентрации ароматических углеводородов для мальков и икры очень низки (10^-4%). Накопление ПАУ не только ухудшает вкус съедобных организмов (например, моллюсков, рыб), но и является опасным, так как эти вещества канцерогенны. Так, концентрация канцерогенных углеводородов в ткани мидий, выловленных в районе порта Тулон (Франция), достигала 3,5 мг на кг сухого веса.

6. Влияние газопылевых выбросов на растительность

Под влиянием газопылевых выбросов наблюдается нарушение и даже полное уничтожение естественных фитоценозов. Воздействие высоких концентраций газопылевых выбросов в конечном счете приводит к гибели растительности и эрозии почвы. Формируются геохимические аномалии антропогенного происхождения. В значительной мере изменяется флористический состав, возникают специфические болезни хвойных (например, дехромация, суховершинность).

Зона максимального загрязнения почвенного покрова, угнетения и гибели растительности под влиянием газопылевых выбросов наблюдается в радиусе 5-10 км от источника выбросов. Вокруг медеплавильных предприятий четко выделяется четыре зоны:

· С отсутствием или сильным угнетением растительности (техногенная пустыня)

· Средне угнетенная, с наличием травянистого покрова

· Слабо угнетенная, характеризуется суховершинностью хвойных деревьев

Поступление тяжелых металлов в растения может происходить двояко: воздушным путем с пылью, оседающей на листья и стебли, и через почву – при поглощении почвенного раствора, содержащего высокие концентрации тяжелых металлов. Устойчивость различных растений к загрязнению тяжелыми металлами различна. Наиболее устойчивы к загрязнению травянистые рудеральные (т.е. растущие на мусорных местах) растения, образованные сорными видами разнотравья и злаков (мать-и-мачеха, бодяк, пырей). Из древесных пород к газопылевому загрязнению наиболее устойчивы береза и ива. Полностью выпадают в загрязненных зонах лесные разнотравные и папоротниковые ассоциации.

7. Воздействие химических загрязнителей на человека

Различают два вида воздействия химических загрязнителей на человека:

· Специфическое - приводит к возникновению определенных заболеваний в результате избирательного воздействия на органы и ткани организма - при высоких дозах

· Неспецифическое - способствует росту заболеваний, этиологически связанных с другими факторами; возимкает при хроническом воздействии небольших доз.

Специфическое действие. Отравление кадмием вызывает болезнь итай-итай. Употребеление в пищу рыбы, отравленнной ртутью, приводит к болезни минамата. Специфическая болезнь возникают при отравлении хлебом из пшеницы, протравленной фунгицидом. Поражения слуха наблюдается при выбросах мышьяка. Кожные заболевания – вблизи алюминиевых заводов. И так далее - список можно продолжать: сколько есть специфических ядов, столько и специфических болезней.

Общетоксическое действие высоких доз тяжелых металлов на человека приводит к поражению или изменению деятельности нервной системы, органов кроветворения, эндокринной системы. Некоторые загрязняющие вещества, помимо общетоксического действия, обладают канцерогенным эффектом. Специфическое канцерогенное действие выявлено у следующих веществ: мышьяка, кобальта, кадмия, хрома (VI), некоторых полициклических ароматических углеводородов (например, бенз(а)пирен), у некоторых пестицидов.

В результате загрязнения атмосферы в индустриальных районах проявляются неспецифические реакции - увеличение заболеваемости и смертности, снижение средней продолжительности жизни, нарушения иммунной системы, замедление физического развития детей, аллергические реакции, синдром хронической усталости и т.д. Можно обратиться к официальной медицинской статистике (взять комплексный доклад о санитарно-эпидемиологической обстановке в вашем регионе, который готовят органы государственного санэпиднадзора), и вы увидете в промышленных районах рост заболеваемости, особенно эндокринных, психических и онкологических заболеваний. Например, в Челябинской области рост онкологических заболеваний за последние 7 лет составил более 13%.