ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ к.пед.н., старший преподаватель ОКОЛЬНИКОВ ФЕДОР БОРИСОВИЧ заведующая кафедрой Экологии человека, к.м.н., доцент РОДИОНОВА ОЛЬГА МИХАЙЛОВНА РОДИОНОВА ОЛЬГА МИХАЙЛОВНА

ЛЕКЦИЯ 1 Токсикология с позиций экологии. Классификация токсикантов. «Все есть яд. Ничего не лишено ядовитости. И только доза делает это вещество или ядом, или лекарством» Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (Парацельс)

Токсикология – наука о ядах (toxicon – яд, греч.). Экология – наука о доме (ecos – дом, греч.), то есть о среде, окружающей все живое (биос). Экологическая токсикология – это наука о ядовитых веществах в окружающей биос среде (ОС).

Задачи общей токсикологии: Ближайшие – изучение физико-химичес- ких свойств ядов (токсикологическая хи- мия). Ближайшие – изучение физико-химичес- ких свойств ядов (токсикологическая хи- мия). Последующие – изучение механизмов действия ядов на организм в целом и на его молекулярно-мембранные, субклеточ- ные, клеточные, тканевые структуры, орга- ны и системы (токсикокинетика и токсико- динамика ). Последующие – изучение механизмов действия ядов на организм в целом и на его молекулярно-мембранные, субклеточ- ные, клеточные, тканевые структуры, орга- ны и системы (токсикокинетика и токсико- динамика ). Конечные – разработка методов преду- преждения отравлений (профилактическая токсикология). Конечные – разработка методов преду- преждения отравлений (профилактическая токсикология).

В 1962 году в книге Рашель Карсон «Молчаливая весна» автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты влияния поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. В 1962 году в книге Рашель Карсон «Молчаливая весна» автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты влияния поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. Книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительствен- ные законодательные акты, регламентирующие выбро- сы ксенобиотиков. С этой книги, по сути, началось развитие новой ветви науки - экотоксикологии. Книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительствен- ные законодательные акты, регламентирующие выбро- сы 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 взаимоотно- шениях, которые определяют распространение и обитание живых существ) и токсикологию. В самостоятельную науку экотоксикологию (ecotoxicology) выделил Рене Траут, который впервые, в 1969 году, связал воедино два совершенно разных предмета: экологию (по Кребсу - науку о взаимоотно- шениях, которые определяют распространение и обитание живых существ) и токсикологию.

В 1828 г. Фридрих Вёлер впервые получил органическое химическое соединение из неорганического ве- щества. Нагревая раствор цианово- кислого аммония, он выделил мо- чевину, или карбамид: В 1828 г. Фридрих Вёлер впервые получил органическое химическое соединение из неорганического ве- щества. Нагревая раствор цианово- кислого аммония, он выделил мо- чевину, или карбамид: NH 2 C O

С 1828 по 1958 гг., путем направленного синтеза было получено новых органических соединений (ОС); С 1828 по 1958 гг., путем направленного синтеза было получено новых органических соединений (ОС); В последние 40 лет ХХ века в среднем за год создавалось по новых ОС; В последние 40 лет ХХ века в среднем за год создавалось по новых ОС; К 2000 г. общее количество ОС достигло ; К 2000 г. общее количество ОС достигло ; из общего количества ОС доступ- ны для широкого производства и приме- нения; из общего количества ОС доступ- ны для широкого производства и приме- нения; Одна треть производимой химической продукции поступает в приземные слои атмосферы, почву и гидросферу. Одна треть производимой химической продукции поступает в приземные слои атмосферы, почву и гидросферу.

Заболевания химической этиологии получили в России широкое распространение : ежегодно регистрируется от 250 ты- сяч до 300 тысяч отравлений ; ежегодно регистрируется от 250 ты- сяч до 300 тысяч отравлений ; в 2002 г. от отравлений скончались человек; в 2002 г. от отравлений скончались человек; каждый 3 пострадавший от отрав- ления погибает; каждый 3 пострадавший от отрав- ления погибает; около 80% летальных исходов воз- никают на догоспитальном этапе. около 80% летальных исходов воз- никают на догоспитальном этапе.

Практически любое химическое вещество, в зависи- мости от действующего количества, может быть безразличным, полезным или вредным (т.е. высту- пать в качестве яда) для организма. Практически любое химическое вещество, в зависи- мости от действующего количества, может быть безразличным, полезным или вредным (т.е. высту- пать в качестве яда) для организма. Токсичность – основное понятие токсикологии – способность химических веществ, действуя на биоло- гические системы немеханическим путем, вызывать их повреждение или гибель (нарушение работоспо- собности, заболевание или гибель). Токсичность – основное понятие токсикологии – способность химических веществ, действуя на биоло- гические системы немеханическим путем, вызывать их повреждение или гибель (нарушение работоспо- собности, заболевание или гибель). Факторами окружающей среды, влияющими на ток- сичность, являются температура, растворимый кисло- род, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде. Факторами окружающей среды, влияющими на ток- сичность, являются температура, растворимый кисло- род, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде.

Действие веществ, приводящее к нарушению функций биологических систем, называется токсическим действием. В основе токси- ческого действия лежит взаимодействие ве- щества с биологическим объектом на молеку- лярном уровне. Действие веществ, приводящее к нарушению функций биологических систем, называется токсическим действием. В основе токси- ческого действия лежит взаимодействие ве- щества с биологическим объектом на молеку- лярном уровне. Химизм взаимодействия токсиканта и биоло- гического объекта на молекулярном уровне называется механизмом токсического действия. Химизм взаимодействия токсиканта и биоло- гического объекта на молекулярном уровне называется механизмом токсического действия. Следствием токсического действия веществ на биологические системы является развитие токсического процесса. Следствием токсического действия веществ на биологические системы является развитие токсического процесса.

Сравнительная токсичность некоторых веществ для белых мышей (доза, вызывающая гибель при внутрибрюшинном способе введения) ВеществоИсточникТоксичность (ЛД 50) мкг/кг БотулотоксинБактерии0,0003 ТетанотоксинБактерии0,001 БатрахотоксинЗемноводные2 РицинРастения3 ТетродотоксинРыбы8 БунгаротоксинЗмеи14 ДиоксинСинтетический200 КураринРастения500 ИпритСинтетический8600 Цианид натрияСинтетический10000 Таллия сульфатСоль35000 АтропинРастения90000 МетанолСинтетический

Токсический процесс Проявления токсического процесса определяются уровнем организации биологического объекта, на котором токсичность вещества изучается: Проявления токсического процесса определяются уровнем организации биологического объекта, на котором токсичность вещества изучается: клеточном (цитотоксичность); клеточном (цитотоксичность); органном; органном; организменном; организменном; популяционном (экотоксичность). популяционном (экотоксичность).

Проявления токсического процесса На клеточном уровне: На клеточном уровне: - обратимые структурно-функциональные изменения клетки (изменение формы, сродства к красителям, под- клетки (изменение формы, сродства к красителям, под- вижности и т.д.); вижности и т.д.); - преждевременная гибель клетки (некроз, апоптоз); - мутации (генотоксичность); На уровне целостного организма: На уровне целостного организма: - болезни химической этиологии (интоксикации, отравле- - болезни химической этиологии (интоксикации, отравле- ния); ния); - транзиторные токсические реакции - быстро и самопро- - транзиторные токсические реакции - быстро и самопро- извольно проходящие состояния, сопровождающиеся извольно проходящие состояния, сопровождающиеся кратковременной утратой дееспособности (раздраже- кратковременной утратой дееспособности (раздраже- ние глаз, дыхательных путей; седативно-гипнотические ние глаз, дыхательных путей; седативно-гипнотические состояния; психодислептические состояния); состояния; психодислептические состояния);

Проявления токсического процесса На уровне целостного организма: На уровне целостного организма: - аллобиоз - стойкие изменения реактивности организ- - аллобиоз - стойкие изменения реактивности организ- ма на воздействие физических, химических, биологи- ма на воздействие физических, химических, биологи- ческих факторов окружающей среды, а также психи- ческих факторов окружающей среды, а также психи- ческие и физические нагрузки (аллергия, иммуносу- ческие и физические нагрузки (аллергия, иммуносу- прессия, повышенная утомляемость и т.д.); прессия, повышенная утомляемость и т.д.); - специальные токсические процессы – развивающие- - специальные токсические процессы – развивающие- ся лишь у части популяции, как правило, в особых условиях (действие дополнительных веществ; в определенный период жизнедеятельности организма и т.д.) и характеризующиеся продолжительным скрытым периодом (канцерогенез, эмбриотоксич- ность, нарушение репродуктивных функций и т.д.). ся лишь у части популяции, как правило, в особых условиях (действие дополнительных веществ; в определенный период жизнедеятельности организма и т.д.) и характеризующиеся продолжительным скрытым периодом (канцерогенез, эмбриотоксич- ность, нарушение репродуктивных функций и т.д.).

Проявления токсического процесса (экотоксический процесс) На уровне популяции и биогеоценоза: На уровне популяции и биогеоценоза: - рост заболеваемости, смертности, числа врожденных - рост заболеваемости, смертности, числа врожденных дефектов развития, уменьшение рождаемости; дефектов развития, уменьшение рождаемости; - нарушение демографических характеристик популя- - нарушение демографических характеристик популя- ции (соотношение возрастов, полов и т.д.); ции (соотношение возрастов, полов и т.д.); - падение средней продолжительности жизни членов - падение средней продолжительности жизни членов популяции, их культурная деградация. популяции, их культурная деградация.

Общая характеристика токсикантов Яд – вещество, вызывающее отравление в малом количестве; Яд – вещество, вызывающее отравление в малом количестве; Токсикант – вещество, вызывающее интоксикацию и другие формы токсического процесса у биологических систем разных уровней организации: клеток (цитоток- сикант), организма, популяций (экотоксикант) и др.; Токсикант – вещество, вызывающее интоксикацию и другие формы токсического процесса у биологических систем разных уровней организации: клеток (цитоток- сикант), организма, популяций (экотоксикант) и др.; Токсин – высокотоксичное вещество бактериального, растительного происхождения; Токсин – высокотоксичное вещество бактериального, растительного происхождения; Ксенобиотик – чужеродное, не участвующее в плас- тическом или энергетическом обмене вещество, попавшее во внутренние среды организма; Ксенобиотик – чужеродное, не участвующее в плас- тическом или энергетическом обмене вещество, попавшее во внутренние среды организма; Отравляющее вещество (ОВ) – химический агент, предназначенный для применения в качестве оружия в ходе ведения боевых действий. Отравляющее вещество (ОВ) – химический агент, предназначенный для применения в качестве оружия в ходе ведения боевых действий.

Рубрикатор токсикантов По происхождению Токсиканты естественного происхождения Биологического происхождения Бактериальные токсины Растительные яды Яды животного происхождения Неорганические соединения Органические соединения небиологического происхождения Синтетические токсиканты

Рубрикатор токсикантов По способу использования человеком Пищевые добавки Топлива и масла Лекарства и косметика Ингредиенты химич. синтеза и спец. видов производств Побочные продукты химич. синтеза, примеси и отходы Пестициды Растворители, красители, клеи

Рубрикатор токсикантов По условиям воздействия Загрязнители окружающей среды Производственные токсиканты Бытовые токсиканты Вредные привычки и пристрастия Поражающие факторы при специальных условиях воздействия Аварийного и катастрофального действия БОВ и диверсионные агенты

Рубрикатор токсикантов По характеру токсического действия на организм Токсические вещества с психотропным и нарко- зависимым действием Токсические вещества, влияющие на репродуктивное здоровье ОВ и яды нервно- паралитического действия Кожно-нарывные ОВ и яды с алкилирующим действием ОВ и АОХВ, поражающие органы дыхания Геминовые яды, вызывающие гисто- и гемотоксическую гипоксию

Ксенобиотический профиль среды (биогеоценоза) - совокупность чужеродных веществ, содержа- щихся 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. совокупность чужеродных веществ, содержа- щихся 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. Важнейший фактор внешней среды, наряду с температурой, освещенностью, влажностью, трофическими условиями и т.д., который может быть описан качественными и количественными характеристиками. Важнейший фактор внешней среды, наряду с температурой, освещенностью, влажностью, трофическими условиями и т.д., который может быть описан качественными и количественными характеристиками.

Естественные ксенобиотические профили - ксенобиотические профили среды, сформировавшиеся в ходе эволюционных процессов, миллионы лет протекавших на планете. Они различны в разных регионах Земли. ксенобиотические профили среды, сформировавшиеся в ходе эволюционных процессов, миллионы лет протекавших на планете. Они различны в разных регионах Земли. Биоценозы, существующие в этих регио- нах (биотопах), в той или иной степени адаптированы к соответствующим естествен- ным ксенобиотическим профилям. Биоценозы, существующие в этих регио- нах (биотопах), в той или иной степени адаптированы к соответствующим естествен- ным ксенобиотическим профилям.

Химические вещества, накапливающиеся в среде в несвойственных ей количес- твах 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.

Перечень основных экополлютантов Загрязнители воздуха Загрязнители воды и почвы Газы: Оксиды серы Оксиды азота Оксиды углерода ОзонХлорУглеводородыФреоны Пылевые частицы: Асбест Угольная пыль КремнийМеталлы Металлы (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть) Пестициды хлоорганические (ДДТ, алдрин) Нитраты Фосфаты Нефть и нефтепродукты Органические растворители (толуол, бензол, тетрахлорэтилен) Низкомолекулярные галогенированные уг- леводороды (хлороформ, дихлорэтан и др.) Полициклич. ароматич. углеводороды (ПАУ) Полихлорированные бифенилы Диоксины Дибензофураны Кислоты

Экотоксикант - экополлютант, накопив- шийся в среде в количестве, достаточном для инициации токсического процесса в биоценозе ( на любом уровне организации живой материи ). Одна из сложнейших практических задач экотоксикологии – определение количествен- ных параметров, при которых экополлютант трансформируется в экотоксикант. В разных регионах ( разные ксенобиотические профили, различные биоценозы ) количественные параметры трансформации поллютанта в экотоксикант различны.

Источники поступления токсикантов в среду природные источники: природные источники: - переносимые ветром частицы пыли, - аэрозоль морской соли, - вулканическая деятельность, - лесные пожары, - биогенные частицы, - биогенные летучие вещества; деятельность человека; деятельность человека; абиотические и биотические трансформа- ции других веществ. абиотические и биотические трансформа- ции других веществ.

Период полуразрушения некоторых ксенобиотиков в окружающей среде Поллютант Период полуразрушения Среда ДДТ 10 лет почва Атразин 2 года вода (рН 7,0) Бензоперилен 1 год и 2 мес почва Фенантрен 138 дней почва Карбофуран 45 дней вода (рН 7,0) Иприт 7 дней почва (t +15 о ) Зарин 4 часа почва (t +15 о )

Абиотическая трансформация Фотолиз; Фотолиз; Гидролиз; Гидролиз; Окисление. Окисление. ПЕСТИЦИДЫПочва, кислая среда НИТРОЗОСОЕДИНЕНИЯ (возможные канцерогены)

Биотическая трансформация Дегалогенирование; Дегалогенирование; Гидролиз; Гидролиз; Окисление; Окисление; Расщепление циклических структур молекулы; Расщепление циклических структур молекулы; Отщепление алкильных радикалов и др. Отщепление алкильных радикалов и др. Биотрансформация Токсичные промежуточные продукты Минерализация

Болезнь Минамато

Элиминация поллютантов в ОС, не связанная с разрушением Испарение Испарение Перемещение ветром Перемещение ветром Сорбция с последующим осаждением Сорбция с последующим осаждением Перераспределение водорастворимых веществ Перераспределение водорастворимых веществ

Биоаккумуляция Процесс, посредством которого организмы накапливают токсиканты, извлекая их из абиотической фазы (воды, почвы, воздуха) и из пищи (трофическая передача). Процесс, посредством которого организмы накапливают токсиканты, извлекая их из абиотической фазы (воды, почвы, воздуха) и из пищи (трофическая передача). Результатом биоаккумуляции являются пагубные последствия как для самого организма (достижение поражающей концентрации в тканях-мишенях), так и для организмов, использующих данный биологический вид, в качестве пищи. Результатом биоаккумуляции являются пагубные последствия как для самого организма (достижение поражающей концентрации в тканях-мишенях), так и для организмов, использующих данный биологический вид, в качестве пищи.

Вещество Фактор биоаккумуляции* ДДТ ТХДД Эндрин6 800 Пентахлорбензол5 000 Лептофос750 Трихлорбензол183 *Фактор биоаккумуляции - соотношение концентрации поллютанта в тканях рыб и в воде в состоянии равновесия ). Биоаккумуляция некоторых поллютантов в организме рыб

Факторы, влияющие на биоаккумуляцию персистирование ксенобиотика в среде персистирование ксенобиотика в среде жирорастворимость (липофильность) жирорастворимость (липофильность) склонность к сорбции склонность к сорбции участие в метаболизме организма участие в метаболизме организма

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !