Токсикодинамические характеристики наиболее опасных и распространенных токсикантов

Наибольшую опасность, как экотоксиканты, для человека представляют вещества, длительно сохраняющиеся в окружающей среде и организме и способные, действуя в малых дозах, инициировать хронические интоксикации, аллобиотические состояния и специальные формы токсического процесса.

Группа полигалогенированных полициклических углеводородов включает галогенпроизводные некоторых ароматических углеводородов, например, диоксина, дибензофурана, бифенила, бензола и др.

Галогенированные токсиканты, содержащие один атом кислорода в молекуле, называют дибензофуранами, два атома - диоксинами, если вещества не содержит кислорода - это бифенилы (рис. 2.5). Атомы галогенов (хлора или брома) замещают один и более атомов водорода, входящих в структуру бензольных колец.

Вещества могут образовываться при взаимодействии хлора с ароматическими углеводородами в кислородной среде, в частности, при хлорировании питьевой воды.

Рисунок 2.5. Структура молекул некоторых полициклических углеводородов

К другим источникам веществ относятся: термическое разложение различных химических продуктов, сжигание осадков сточных вод и других отходов, металлургическая промышленность, выхлопные газы автомобилей, возгорание электрического оборудования, лесные пожары и производство некоторых видов продукции, например, хлорированные фенолы применяются для сохранения древесины.

Среди этой группы необходимо отдельно рассмотреть диоксины. Разнообразие химической структуры диоксинов определяется числом атомов и типом галогена, возможностью изомерии. В настоящее время насчитывается несколько десятков семейств этих ядов, а общее число соединений превышает тысячу. При оценке токсичности 2,3,7,8-тетрахлордибензо-пара-диоксина (ТХДД ) выявляются значительные межвидовые различия (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Токсичность диоксина для разных видов животных

Продолжение таблицы 2.2.

ТХДД - самый токсичный представитель группы. Примером неблагоприятного воздействия на экосистемы ТХДД является химическая война во Вьетнаме, где американцы и их союзники применили не менее 100 тыс. тонн гербицидов. При этом в окружающую среду поступило 200-500 кг диоксина (более 1 109 смертельных доз для приматов). ТХДД представляет собой кристаллическое вещество. Хорошо растворяется в липидах и органических растворителях, особенно в хлорбензоле. В воде не растворим. Практически не летуч. Вещество отличается необычайной стойкостью, накапливается в объектах внешней среды, организмах животных, передается по пищевым цепям. Во внешней среде ТХДД абсорбируются на органических, пылевых и аэрозольных частицах, разносятся воздушными потоками, поступают в водные экосистемы. В донных отложениях стоячих водоемов яд может сохраняться десятки лет. В почве возможна медленная микробная деградация диоксинов. Период полуэлиминации из почвы определяется конкретными климато-географическими условиями и характером почвы. В Российской Федерации установлен единый регламент на содержание полихлорированных дибензо-пара-диоксинов и дибензофуранов в почве - 0,133 пг/г. Ежесуточное предельно допустимое поступление диоксина в организм человека в разных странах определено по-разному: от 1 до 200 пг/кг массы.

Токсикокинетика. Диоксины, поступившие в организм с зараженной пищей или ингаляционно, подвергаются медленной биотрансформации. Значительная часть токсикантов накапливается в жировой ткани. Период полувыведения ТХДД у представителей разных видов не одинаков. Он составляет: у мышей, хомяков (в днях) - 15; крыс - 30; морских свинок - 30-94; обезьян - 455; у человека - 2120 (5-7 лет).

Токсикодинамика. Для токсического процесса характерен продолжительный скрытый период. После введения яда в летальных дозах грызунам гибель развивается спустя 3 и более недель. У крупных животных этот период еще более продолжителен. Течение даже острого поражения крайне вялое и растягивается на месяцы.

У разных биологических видов выявляются особенности проявления токсического процесса вследствие пораженности диоксином. У человека и приматов внешне это выражается в потере веса, отеках, хлоракне, внутренне может наблюдаться поражении печени, атрофия тимуса. Характерно эмбриотоксическое, тератогенное, канцерогенное действие.

Полихлорированные бифенилы (ПХБ)

ПХБ это класс синтетических хлорсодержащих полициклических соединений, используемых в качестве инсектицидов. В США для этой цели они производились с 1929 по 1977 год. Кроме того, ПХБ широко использовались при производстве электрооборудования, в частности, трансформаторов и усилителей (охлаждающие жидкости), а также в качестве наполнителей при производстве красителей и пестицидов, смазочных материалов для турбин, гидравлических систем, текстиля, бумаги, флуоресцентных ламп, телевизионных приемников.

Такое широкое использование ПХБ было обусловлено их высокой термостойкостью, химической стабильностью, диэлектрическими свойствами. В 70-е годы ХХ века в лабораторных и натурных исследованиях была установлена высокая опасность этих веществ, обусловленная способностью персистировать в окружающей среде и токсичностью для лабораторных животных. В 1979 году производство веществ в США было запрещено.

Рисунок 2.6. Структура молекулы ПХБ.

Токсикокинетика. В организм млекопитающих и человека ПХБ могут проникать через кожу, легкие и желудочно-кишечный тракт. На производстве основной способ поступления веществ - через кожные покровы, в то время как в повседневной жизни большее количество веществ поступает в организм с загрязненной пищей. Попав в кровь, вещества быстро накапливаются в печени и мышцах, откуда затем, перераспределяются в жировую ткань. ПХБ метаболизирует в основном в печени с образованием гидроксилированных фенольных соединений, возможно дегалогенирование соединений. Основные пути выведения: с желчью в содержимое кишечника и через почки с мочой. В зависимости от строения изомеров период полувыведения ПХБ из организма человека колеблется от 6 -7 до 33 - 34 месяцев.

Токсикодинамика. Наибольшую опасность представляют подострые и хронические воздействия ПХБ, которые приводят к падению веса, хлоракне, выпадению волос, отекам, инволюции тимуса и лимфоидной ткани, угнетению костного мозга, нарушению репродуктивных функций и т.д. Изменения иммунного статуса не однозначны: отмечается как иммуносупрессивное, так и активирующее действие ПХБ.

Хлорированные бензолы (ХБ) - это группа химических соединений, используемых в качестве органических растворителей, пестицидов, фунгицидов, компонентов химического синтеза. Они представляют собой молекулу бензола, в которой атомы водорода замещены 1 - 6 атомами хлора (рис. 2.7)

Рисунок 2.7. Структура молекулы гексахлорбензола

Как правило, воздействию веществами люди подвергаются в производственных условиях, однако в последнее время достаточно высокое количество веществ стали обнаруживать в окружающей среде: воздухе, почве, продовольствии, воде. Чем выше степень хлорирования молекулы, тем ниже растворимость в воде, летучесть веществ.

Токсикокинетика. Хлорированные бензолы - липофильные вещества и потому способны к биоаккумуляции в тканях животных и человека. В опытах на животных показано, что вещества, попавшие в организм метаболизируют в печени до хлорированных фенолов. Часть ксенобиотика, подвергается дегалогенированию. Метаболизм веществ в организме человека практически не изучен. У лиц, подвергшихся воздействию ХБ, метаболиты определялись в крови, жировой ткани, моче, выдыхаемом воздухе. Скорость элиминации низка. Полагают, что ХБ могут депонироваться в тканях человека на период до 15 лет.

Токсикодинамика. Данные малочисленны и противоречивы. Сообщается, что у лиц, подвергшихся острому воздействию 1,2-дихлорбензола, развились беспокойств, головная боль, чувство слабости, тошнота, раздражение глаз и слизистых дыхательных путей.

Тяжелые металлы. Свинец, ртуть, кадмий, медь, никель, кобальт, цинк. Общие характеристики с относительной оценкой токсичности приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Основные биохимические свойства тяжелых металлов

Примечание: В –высокая; У – умеренная; Н - низкая

Кадмий (Cd). Чаще металл образует двухвалентные соединения, включая оксиды, гидроксиды, сульфиды, селениды, теллуриды, галлиды. В водных растворах образует с галлидами комплексные анионы.

Распространение в биосфере. Металл широко распространен в окружающей среде. Он встречается в природе в форме редких минералов гринокит (CdS) и отавит (CdCO4). Оба соединения обнаруживаются в цинковых и цинково-свинцовых рудах. Потребление кадмия и загрязнение им почвы, воды и воздуха в результате производственной деятельности неуклонно возрастает. Антропогенные источники поступления. Гальванические процессы в производстве, изготовление кадмиево-никилиевых батарей, выплавка цинка и свинца, электроанодирование металлов, производство сплавов (с медью, серебром), стабилизаторов пластмасс, красителей, роизводство и использование фосфатных удобрений, сжигание отходов, угля, бензина, сигаретный дым, и т.д. Чаще всего в окружающую среду кадмий поступает в виде побочного продукта при выплавке и электролитической очистке Zn.

Токсическое действие: Высокотоксичен, обладает высокой кумулятивной способностью. Пары кадмия, образуемые при плавлении, являются чрезвычайно опасными и являются основной причиной острых смертельных интоксикаций металлами.

Поступление в организм. Поступление кадмия алиментарно - основной путь воздействия, не связанный с производством. Содержание Сd в различных пищевых продуктах составляет до (1,3 мкг/г), а суточное потребление Сd с водой и продовольствием составляет в среднем 10-30 мкг. В сильно загрязненных регионах потребление может составить до 400 мкг/сутки. Особенно много Сd содержится в морепродуктах. Растительные продукты в целом содержат больше Сd, чем мясные.

Ингаляция - другой путь поступления Сd в организм. Средняя концентрация Сd в воздухе в различных регионах неодинакова: в сельской местности - 1-6 нг/м3, в городах - 5-60 нг/м3, индустриальных регионах - 20-700 нг/м3. Ежедневное поступление Сd с вдыхаемым воздухом колеблется в интервале от 0,02 мкг/сут до 2 мкг/сутки. Таким образом, даже в сильно загрязненной местности пища и вода - основной источник поражения населения кадмием.

Дополнительный источник поступления кадмия в организм - курение. Дело в том, что табак активно кумулирует кадмий, содержащийся в загрязненной почве. Установлено, что курильщик ежедневно выкуривающий пачку сигарет дополнительно ингалирует около 2 мкг Сd/сутки.

Абсорбция кадмия в первую очередь зависит от пути поступления. Большинство солей кадмия плохо абсорбируются в желудочно-кишечном тракте. По расчетам лишь около 5% вещества, попавшего в желудочно-кишечный тракт, всасывается в кровь, хотя ряд факторов, таких как характер пищи и железодефицитная анемия, могут усиливать поступление вещества. Поступивший в кровь кадмий быстро связывается эритроцитами и альбуминами плазмы. Связавшийся с плазмой металл быстро переходит в различные ткани и органы, преимущественно печень и почки. Период полувыведения кадмия из организма человека составляет по современным оценкам 25-30 лет. Первоначально Сd в неизмененном состоянии выделяется через почки. Однако после развития нефропатии происходит значительное увеличение выведения элемента с мочой в комплексе с металлотионеином.

Токсикодинамика. Острая интоксикация может развиться как при ингаляционном, так и алиментарном поступлении Сd в организм. Проявления хронического воздействия кадмия наиболее отчетливо прослеживаются со стороны дыхательной системы и почек. Другими эффектами хронического действия металла являются поражения опорно-двигательного аппарата, нарушение функций сердечно-сосудистой системы. Иммуносупрессивное действие кадмия может быть причиной канцерогенеза, встречающегося у работников, контактирующих с металлом. Класс опасности 1.

Ртуть (Hg). Антропогенные источники поступления:

- получение ртути и ртутьсодержащих веществ;

- сжигание органического топлива;

- цветная металлургия;

- коксование угля;

- производство хлора и соды;

- сжигание мусора.

Антропогенное поступление в среду в виде паров, водорастворимых солей и органических соединений существенно нарушило биогеохимический цикл ртути. В результате чего в настоящее время наиболее распространенными в окружающей среде являются: металлическая ртуть Нg, ее неорганические соединения — соли двухвалентной ртути типа НgХ, ртутьорганические соединения. Токсическое действие. Тиоловый яд, следовательно, взаимодействует с белками и обладает широким спектром действия. Особенность паров ртути – нейтротоксичноть, действие на высшую нервную деятельность. Признаки острого отравления. Пары ртути: симптомы появляются через 8-24 часа после отравления. Общая слабость, головная боль, боль при глотании, повышение температуры, кровоточивость, воспаление в полости рта, боли в животе, поражение желудка (тошнота, рвота, жидкий стул), поражение почек. При хроническом отравлении. В основном – действие на центральную нервную систему. Снижение работоспособности, быстрая утомляемость, повышенная возбудимость. Ослабление памяти, беспокойство, неуверенность в себе, раздражительность, головные боли. Далее – слабость, сонливость, апатия, эмоциональная неустойчивость, дрожание рук, языка, век (в тяжелых случаях всего тела). Повышенная психическая возбудимость, пугливость, общая подавленность, упрямость и раздражительность, ослабление памяти, невралгия. 1-й класс опасности.

Свинец (Pb). Антропогенные источники поступления.

- свинцовые и свинцово-цинковые заводы (цветная металлургия);

- выхлопные газы автомобилей

- сточные воды металлообрабатывающего, машиностроительного, нефтехимического, спичечного производств;

- сжигание каменного угля и бытового мусора.

Токсическое действие. Тиоловый яд, но менее токсичен, чем ртуть и мышьяк. Поражает ЦНС, периферическую нервную систему, костный мозг, кровь, сосуды, генетический аппарат, клетки. Проявление острого отравления (солями свинца): схваткообразные боли в животе, запор, общая слабость, головокружение, боли в конечностях и пояснице. Хроническое отравление. Внешне: свинцовая (черная) кайма по краю десен, землисто-серая окраска кожи, .головная боль, головокружение, утомляемость, раздражительность, нарушение сна, ухудшение памяти, эпилептические припадки. Двигательные расстройства: параличи отдельных мышц, дрожания рук, век и языка; боли в конечностях, изменения системы крови – свинцовая анемия, обменные и эндокринные нарушения, нарушения желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы. 1-й класс опасности.

Мышьяк (As). Антропогенные источники загрязнения.

- металлургия (мышьяк – примесь во многих рудах): производство Pb, Zn, Ni, Cu, Sn, Mo, W;

- производство серной кислоты и суперфосфата;

- сжигание каменного угля, нефти, торфа;

- производство мышьяка и As-содержащих ядохимикатов;

- кожевенные заводы.

Выбросы в воздух с дымом и со сточными водами.

Токсическое действие. Тиоловый яд, вызывает нарушение обмена веществ, повышение проницаемости стенок сосудов, как следствие, разрушение эритроцитов (гемолиз), разрушение тканей в месте их прямого контакта с мышьяком;

Признаки острого отравления. Рвота, боли в животе, онемение пальцев рук и ног. Затем – судороги, носовые кровотечения, кровоизлияния в различных частях тела. Через 8-15 дней – резкие боли в конечностях, резкая слабость, сонливость, сильные головные боли, судороги, паралич, смерть от паралича дыхания. Хроническое отравление. Повышенная утомляемость, потеря веса, тошнота, головокружение, боли в конечностях, желудке, кишечнике, груди, горле, кашель, отек лица и век. Выпадение волос и ногтей, кровоизлияние, потемнение кожи. Раздражительность, рвота, неустойчивый стул, отсутствие аппетита. 1-й класс опасности.

Хром (Cr). Антропогенные источники поступления. Выбросы предприятий, занимающихся добычей, получением, переработкой и применением хрома (в том числе гальванические и кожевенные производства). Токсическое действие. Токсичность зависит от валентности:

Cr (VI) > Cr (III) > Cr (II)

Поражает почки, печень, поджелудочную железу, обладает канцерогенным эффектом. Раздражающее действие, Cr (VI) – аллерген. Признаки острого отравления. Аэрозольные соединения Cr (VI), хроматы, бихроматы – насморк, чихание, носовые кровотечения, раздражение верхних дыхательных путей; в тяжелых случаях – острая почечная недостаточность.

Признаки хронического отравления. Поражение верхних дыхательных путей и развитие бронхитов и бронхиальной астмы; поражение печени (нарушение функций, развитие цирроза), аллергические заболевания кожи – дерматиты, язвы, «хромовые экземы». При длительном контакте с соединениями хрома возрастает вероятность раковых заболеваний. 2-й класс опасности.

Медь (Cu). Антропогенные источники поступления.

- предприятия цветной металлургии;

- медь-содержащие пестициды;

- гальванические производства;

- сжигание угля и нефти.

Токсическое действие. Тиоловый яд. Признаки острого отравления. При попадании в желудок CuSO4 – тошнота, рвота с кровью, боль в животе, понос, нарушение координации движений, смерть от почечной недостаточности. При вдыхании аэрозоля – приступы кашля, боли в животе, носовое кровотечение. Повышение температуры. Признаки хронического отравления. Расстройства нервной системы, печени почек, нарушение носовой перегородки. 2-й класс опасности.

Оксид углерода (I) – угарный газ (СО). Антропогенные источники поступления: - бытовые источники (неполное сгорание газа в плитах и топлива в печах);

- пожары (опасность отравления СО; 50% гибели при пожарах – отравление СО);

- химическая промышленность (производство аммиака, соды, синтез метанола, производство

синтетических волокн, кокса);

- металлургическая промышленность (производство стали);

- автотранспорт (более половины антропогенного СО).

Содержание СО в выхлопных газах может достигать 12%. Повышение содержания СО в выхлопных газах – на холостом ходу, на малых оборотах, торможении и ускорении. Особенно опасны пробки на дорогах. Летом СО накапливается в зеленых зонах перед дворами, рядом с магистралью на расстояние до 150 метров. Опасно накопление СО в тоннелях и гаражах.

Токсическое действие. СО соединяется с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, следовательно, нарушается способность крови к переносу кислорода, затем - недостаток кислорода в организме. Признаки острого отравления. При вдыхании концентрации до 1000 мг/м3 – тяжесть и ощущение сдавливания головы, сильная боль во лбу и висках, головокружение, шум в ушах, покраснение и жжение кожи лица, дрожь, чувство слабости и страха, жажда, учащение пульса, ощущение недостатка воздуха, тошнота, рвота. В дальнейшем при сохранении сознания – оцепенелость, слабость и безучастность, ощущение приятной истомы, затем нарастает сонливость и оцепенение, смутность сознания, человек теряет сознание. Далее – одышка и смерть от остановки дыхания. При концентрации 5 000 мг/м3 – за 20-30 минут – слабый пульс, замедление и остановка дыхания, смерть. При концентрации 14 000 мг/м3 – за 1-3 минуты – потеря сознания, рвота, смерть. Признаки хронического отравления. Головные боли, головокружение, слабость, тошнота, исхудание, отсутствие аппетита; при длительном контакте – нарушение сердечно-сосудистой системы, одышка, боли в области сердца.4-й класс опасности.

Циановодород (HCN) – синильная кислота. Антропогенные источники поступления. Химическая и металлургическая промышленность; горение полимеров. Синильная кислота и ее соли присутствуют в сточных водах рудообогатительных фабрик, рудников, приисков, гальванических цехов, металлургических заводов. Токсичность солей синильной кислоты. Циановодород вызывает быстрое ухудшение состояния из-за блокирования дыхательных ферментов в клетках (блокирование цитохромоксидазы в митохондриях). Клетки не могут потреблять кислород и поэтому гибнут.

Признаки острого отравления.1 мг/м3– запах. При высоких концентрациях (более 10 000 мг/м3) – почти мгновенная потеря сознания, паралич дыхания и сердца. При меньших концентрациях происходит несколько стадий отравления: а) начальная стадия: царапанье в горле, жгуче-горький вкус во рту, слюнотечение, онемение рта, мышечная слабость, головокружение, острая головная боль, тошнота, рвота; б) вторая стадия: постепенно усиливается общая слабость, боли и чувство стеснения в области сердца, замедление пульса, сильная одышка, тошнота, рвота (стадия одышки). В) стадия судорог: чувство тоски, усиливающаяся одышка, потеря сознания, сильные судороги; г) стадия паралича: полная потеря чувствительности и рефлексов, непроизвольное мочеиспускание и дефекация, остановка дыхания, смерть. Хроническое отравление. Головная боль, слабость, быстрая утомляемость, повышение общего недомогания, нарушение координации движений, потливость, повышенная раздражительность, тошнота, боли в подложечной области, боли в сердце. 1-й класс опасности.

Оксиды азота (NO и NO₂). Антропогенные источники поступления: сгорание ископаемого топлива, транспорт, производство азотной и серной кислот, бактериальное разложение силоса.

Токсическое действие. NO препятствует переносу кислорода гемоглобином. NO2 – выраженное раздражающее и прижигающее действие на дыхательные пути, приводит к развитию отека легких; тиоловый яд, блокирует SH-группы белков. Признаки острого отравления. NO – общая слабость, головокружение, онемение ног. При более сильном отравлении – тошнота, рвота, усиление слабости и голокружения, снижение кровяного давления. При тяжелом отравлении – синюшность губ, слабый пульс, легкий озноб. Через несколько часов – улучшение состояния, через 1-3 дня – резкая слабость, сильная головная боль, онемение рук и ног, сонливость, головокружение. NO2. При 8 мг/м3 – запах и небольшое раздражение. При 14 мг/м3 – раздражение глаз и носа. Вдыхание в течение 5 минут 510-760 мг/м3 – пневмония. 950 мг/м3 – отек легких в течение 5 минут. Хроническое отравление. NO: нарушение функций органов дыхания и кровообращения; NO₂: воспаление слизистой оболочки десен, хронический бронхит. NO-2-й класс опасности; NO₂ - 3-й класс опасности

Оксид серы (IV) – сернистый газ (SO₂). Антропогенные источники поступления. Сжигание угля и нефтепродуктов (минимальные выбросы S – природный газ, максимальные – уголь, нефть (зависит от сорта). В металлургии – при выплавке меди, цинка, свинца, никеля; из сульфидных руд (колчеданов). Механизм действия. Оказывает многостороннее общетоксическое действие. Нарушает углеводный и белковый обмен, ингибирует ферменты. Обладает раздражающим действием. Нарушает функцию печени, желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы, почек. Признаки острого отравления. В легких случаях (концентрация ~ 0,001 % по объему) – раздражение верхних дыхательных путей и глаз. Слезотечение, чихание, першение в горле, кашель, осиплость голоса. При поражении средней тяжести: общая слабость, сухой кашель, боль в носу и горле, тошнота, носовые кровотечения. В тяжелых случаях – острое удушье, мучительный кашель, отек легких, смерть. Признаки хронического отравления. Нарушение дыхательной, сердечно-сосудистой систем и желудочно-кишечного тракта. Одна из форм поражения – бронхиты: кашель, боли в груди, одышка, слабость, потливость. Поражение печени – токсический гепатит – тяжесть и боль в правой подреберной области, тошнота, горечь во рту. Поражение желудка – боль изжога, тошнота, снижение аппетита, язва желудка и двенадцатиперстной кишки. 2-й класс опасности.

3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОКСИКАНТОВ НА ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ НА КЛЕТОЧНОМ И ОРГАНИЗМЕННОМ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ