Pierwotne i wtórne działanie toksyczne. Toksyczne działanie niebezpiecznych substancji chemicznych na ludzi. Działania niepożądane o charakterze niealergicznym

Działanie toksyczne należy przypisać zakłóceniu cyklu mocznikowego podczas wczesnego rozwoju hiperamonemii.

Jeden objaw: drgawki często rozwijają się przed zapadnięciem w głęboką śpiączkę, zwłaszcza we wczesnym wieku.

Jednakże, gdy zaburzenia metaboliczne są dobrze kontrolowane, ataki objawowe są rzadkie.

Poniżej przedstawiono zaburzenia metabolizmu aminokwasów w nieuleczalnej fenyloketonurii. Statystyki mówią, że tego typu napady padaczkowe występują u 25–50% wszystkich badanych pacjentów.

Najczęstszym objawem jest dobrze zbadany zespół Westa z hipsarytmią i drgawkami dziecięcymi, który można całkowicie wyleczyć za pomocą leczenia objawowego.

Niektórym napadom w okresie noworodkowym może towarzyszyć tzw. choroba syropu klonowego; w tym przypadku na elektroencefalogramie pojawia się rytm „grzbietowy”, podobny do rytmu w centralnych obszarach mózgu.

Po przepisaniu odpowiedniej diety napady ustają, a padaczka nie rozwija się. W przypadku niektórych zaburzeń metabolizmu aminokwasów jednym z głównych objawów mogą być drgawki.

Istnieje rodzaj toksycznego ataku spowodowanego naruszeniem metabolizmu kwasów organicznych, w którym różne kwasy organiczne mogą być przedmiotem ataku lub prowadzić do epizodów ostrej dekompensacji. Wśród nich najważniejsze to kwasica propionowa i kwasica metylomalonowa.

Przy właściwym leczeniu napady są bardzo rzadkie i odzwierciedlają trwałe uszkodzenie mózgu. W przypadku kwasicy glutarowej typu 1 napady padaczkowe mogą rozwinąć się ostro i ustąpić po rozpoczęciu odpowiedniego leczenia.

W przypadku niedoboru dehydrogenazy 2-metylo-3-hydroksymaślanu-CoA, opisywanego jako wrodzone zaburzenie kwasowości odpowiedzialne za otyłość ramienno-głowową i zaburzenia metabolizmu izoleucyny, często występuje ciężka padaczka.

Inny rodzaj napadów padaczkowych spowodowanych działaniem toksycznym jest spowodowany naruszeniem metabolizmu pirymidyny i metabolizmu puryn. Takie ataki są charakterystyczne dla niedoboru adenylobursztynianu, którego skutki „de novo” powodują syntezę puryn.

Należy jednak zaznaczyć, że padaczka bardzo często rozwija się w okresie noworodkowym i w pierwszym roku życia człowieka. U takich pacjentów dodatkowo występują wyraźne zaburzenia psychomotoryczne i autyzm.

Diagnozę przeprowadza się za pomocą zmodyfikowanego testu Brattona-Marshalla, który służy do badania moczu. Należy stwierdzić, że na tę chorobę nie ma skutecznego leczenia, dlatego rokowania medyczne są bardzo niekorzystne. Statystyki pokazują, że u 50% wszystkich badanych pacjentów z niedoborem dehydrogenazy dihydropirymidynowej występują napady padaczkowe.

Ostatni rodzaj napadów padaczkowych spowodowanych działaniem toksycznym jest odnotowywany w praktyce medycznej jako hiperglikemia nieketotyczna.

Zaburzenie to spowodowane jest niedostatecznym rozkładem glicyny i objawia się dość wcześnie, już w okresie noworodkowym, takimi objawami jak: letarg, niedociśnienie, czkawka (wykrywana ok. przed urodzeniem), a także oftalmoplegia.

Należy zauważyć, że w miarę pogarszania się śpiączki zaczynają się rozwijać bezdechy i częste ogniskowe drgawki miokloniczne. W ciągu kolejnych kilku miesięcy (zwykle więcej niż trzech) rozwijają się ciężkie, trudne do leczenia objawy, które w większości przypadków objawiają się częściowymi napadami ruchowymi lub skurczami dziecięcymi.

Na początku życia elektroencefalogram wykazuje normalną aktywność tła, ale pojawiają się plamy ostrych fal padaczkowych (zwane napadami depresji), po których przez następne trzy miesiące następują powolne aktywności o wysokiej amplitudzie z hipsarytmią.

Rozpoznanie stawia się na podstawie wysokiego stężenia glicyny we wszystkich płynach ustrojowych i płynie mózgowo-rdzeniowym (wartość > 0,08). Za pomocą skanera rezonansu magnetycznego ukazany jest prawidłowy obraz lub hipoplazja lub agenezja.

Glicyna jest jednym z największych inhibitorów neuroprzekaźników w rdzeniu kręgowym i mózgu. Sugerowano, że nadmiar glicyny nasyca miejsce wiązania koantagonisty receptora NMDA, sprzyjając nadmiernemu pobudzeniu neurotransmisji i toksyczności postsynaptycznej.

Badane pobudzające działanie toksyczne nadaktywnego receptora NMDA jest oczywistą przyczyną padaczki, a także częściowej tetraplegii i upośledzenia umysłowego. Potwierdzają to badania terapeutyczne antagonistów NMDA z częściowymi objawami na elektroencefalogramie. Jak pokazuje praktyka, tę ciężką postać padaczki można leczyć ogólnie przyjętymi lekami przeciwpadaczkowymi.

Należy pamiętać, że w klasyfikacji padaczki uwzględnia się także kryterium wieku. Służy do rozróżnienia pomiędzy chorobą typową, o wczesnym początku, pojawiającą się w pierwszych dniach życia, a atypową, o późnym początku, objawiającą się do 35. roku życia.

Efekt toksyczny- Jest to wynik interakcji trucizny, organizmu i środowiska.

Toksyczne działanie trucizny na organizm zależy od:

1. Struktura chemiczna trucizny.

toksyczne działanie substancji organicznych maleje z rozgałęzionym łańcuchem atomów węgla ( Zasada rozgałęzionego łańcucha);

toksyczne działanie związków organicznych wzrasta:

Wraz ze wzrostem liczby atomów C w szeregu homologicznym (zbliżona struktura). ( Reguła Richardsona);

Gdy łańcuch jest zamknięty przez atomy C w cząsteczce (cykloheksan jest bardziej toksyczny niż heksan);

Wraz ze wzrostem liczby wiązań wielokrotnych w cząsteczce (etan jest mniej toksyczny niż etylen - podwójne wiązanie między 2 atomami C);

Kiedy do cząsteczki węglowodoru wprowadza się halogen, na przykład Cl (metan jest mniej toksyczny niż chlorometan);

Kiedy do cząsteczki węglowodoru wprowadza się grupę hydroksylową OH (metan jest mniej toksyczny niż metanol);

Podczas wprowadzania grup nitro-NO2 lub amino-NH2 do cząsteczki benzenu lub toluenu;

Wraz ze wzrostem współczynnika rozpuszczalności szkodliwych substancji w tłuszczach. Dlatego włókna nerwowe bogate w lipidy gromadzą substancje toksyczne.

2. Wrażliwość gatunku na trucizny. Różnice w działaniu trucizn na organizm zależą od cech metabolizmu, złożoności centralnego układu nerwowego, oczekiwanej długości życia, wielkości, wagi i cech skóry.

3. Wiek. Wrażliwość nastolatków na substancje toksyczne jest 2–3, a nawet 10 razy większa niż u dorosłych. Istnieją dowody na to, że dzieci, w przeciwieństwie do dorosłych i młodzieży, są najmniej podatne na trucizny.

4. Paula. Dane są sprzeczne.

5. Indywidualna zmienność i wrażliwość na trucizny. Podstawą jest indywidualność biochemiczna. Nie jest możliwe znalezienie leku, który działałby jednakowo na wszystkich ludzi.

6. Biorytmy.

· sezonowy(toksyczne działanie szkodliwych substancji jest bardziej widoczne wiosną w osłabionym organizmie);

· Dzienna dieta. Im wyższa aktywność funkcji fizjologicznych, tym słabszy efekt toksyczny:

Maksymalny podział komórek od 3 do 9 godzin, ze szczytem po 6 godzinach;

Maksymalne ciśnienie krwi – o godzinie 18, minimalne – o godzinie 9;

7. Czas ekspozycji na truciznę:

· ciągły– stężenie trucizny podczas zatrucia pozostaje stałe;

· przerywany– okres wdychania trucizny przeplata się z okresem wdychania czystego powietrza;

· przerywany– stężenie trucizny zmienia się podczas zatrucia.

Badanie zachowań przerywanych jest bardzo ważne w toksykologii przemysłowej. W zakładzie chemicznym emisja szkodliwych substancji może ulegać znacznym wahaniom w trakcie zmiany. Eksperymenty to wykazały zatrucie okresowe jest bardziej toksyczne niż zatrucie ciągłe, nawet jeśli maksymalne stężenie nie przekracza stężenia podczas ciągłego narażenia. Dzieje się tak na skutek zakłócenia kształtowania się adaptacji organizmu.

8. Czynniki środowiskowe:

· temperatura– toksyczne działanie większości trucizn objawia się odmiennie w różnych warunkach temperaturowych. W pewnej strefie temperaturowej jest najmniejszy;

· ciśnienie– gdy ciśnienie barometryczne spadnie do 600-500 mm Hg. Sztuka. wzrasta toksyczne działanie CO (przestrzeń).

Istnieje wiele czynników determinujących działanie toksyczne. Czynniki te można sklasyfikować w następujący sposób:

1) rodzaj czynnika toksycznego i formę jego przenoszenia;

2) warunki reakcji organizmu na trucizny;

3) drogę wniknięcia toksyny;

4) rodzaj organizmu dotkniętego toksyną.

Uwaga 4. Należy tu wziąć pod uwagę stan kumulacji tej substancji, a także jej transport do organizmu (nośnika). Razem te dwa czynniki określają drogę (lub tryb) przedostania się toksyny do krwi. Przykładowo węglowodory transportowane wraz z pyłem dostają się do krwioobiegu bardzo szybko przez płuca, natomiast węglowodany transportowane z pożywieniem dostają się do krwioobiegu znacznie wolniej (niedrożność ścian jelit).

Uwaga 5. W zależności od czasu ekspozycji ksenobiotyków na organizm, a także w zależności od miejsca ich działania, możemy mówić o:

Otrzymanie ostrego urazu miejscowego, w którym określony narząd ulega uszkodzeniu przez stosunkowo krótki czas (sekundy, minuty)

Długotrwałe działanie lokalne, w którym wybrany narząd ulega uszkodzeniu przez długi czas (lata);

Ostre zatrucie ogólne, gdy toksyna działająca przez krótki czas przenika do krwi, a następnie wpływa na ważny narząd wewnętrzny;

Długoterminowy efekt ogólny, gdy toksyna działa przez długi czas.

Uwaga 6. Toksyna może przedostać się do organizmu przez drogi oddechowe, narządy trawienne i przez skórę. Ostatnia z tych możliwości, czyli uderzenie przez skórę(resorpcyjna), jest jedną z najczęstszych dróg wnikania – skóra jest bezpośrednio i stale narażona na działanie zanieczyszczonego środowiska (ryc. 1.1).

Ryż. 1.1.

Substancje toksyczne poprzez dyfuzję, czy to przez kanały włosa, czy przez gruczoły łojowe i potowe ich zewnętrznej warstwy, docierają do naskórka, który oddycha i przeprowadza procesy metaboliczne, przez co jest narażony na działanie substancji toksycznych, które na niego działają. Kolejna warstwa skóry, czyli sama skóra, ma bezpośredni kontakt z naczyniami limfatycznymi i krwionośnymi, ułatwiając przenikanie toksyn. Oprócz czasu reakcji i grubości warstwy rogowej, istotnym czynnikiem decydującym o penetracji toksyny są właściwości tej toksyny. Związki niepolarne łatwiej przenikają przez skórę lipofilową, natomiast związki polarne trudniej. Transport związków polarnych przez warstwy lipidowe ułatwiają enzymy z grupy permeaz, które transportują cząsteczki hydrofilowe przez warstwy niepolarne. Stan kumulacji w przypadku gazów i cieczy ułatwia transport toksyn. Gazy i ciecze korzystają z kanałów włosowych lub gruczołów, w przypadku ciał stałych jest to bardzo złożone. Toksyny stałe muszą najpierw rozpuścić się w pocie lub oleju na powierzchni skóry.

Ustami(doustnie), to znaczy przez narządy trawienne do organizmu dostają się zanieczyszczenia środowiska znajdujące się w żywności i wodzie. Aby toksyna została wchłonięta z przewodu pokarmowego, musi zostać wchłonięta do krwi. Droga wchłaniania substancji toksycznych do krwi przez przewód pokarmowy jest bardzo złożona (ryc. 1.2). Przez lipofilowe komórki błony śluzowej pokrywające ściany żołądka toksyny dostają się do krwi.

Ryż. 1.2.

Roztwór o bardzo kwaśnym pH (~1,0) ułatwia procesy metaboliczne toksyn, a ich niepolarne produkty dyfundują przez ściany żołądka.

W jelicie, po zmianie pH, słabe zasady w żołądku przybierają postać jonową, zmieniają się w cząstki obojętne, mniej polarne i zdolne do dyfuzji przez ścianę jelita. Substancje toksyczne z żołądka i jelit dostają się do wątroby poprzez układ naczyń limfatycznych lub przez żyłę powrotną. Tutaj pod wpływem enzymów zachodzą reakcje metaboliczne. ich produkty są mniej toksyczne i jeśli dobrze rozpuszczą się w wodzie, przedostają się do układu krążenia, co jest równoznaczne z dystrybucją po całym organizmie. Część metabolitów ulega filtracji w nerkach i jest wydalana z organizmu. Metabolity trudniej rozpuszczalne pod wpływem kwasów Holloway, które znajdują się w żółci wątrobowej, emulgują i wraz z żółcią przez dwunastnicę wracają do jelita, skąd mogą zostać usunięte lub włączone do kolejnego cyklu przemiany materii. procesy metaboliczne. Zatem w zależności od właściwości toksyny, szybkości transportu, procesów metabolicznych i szybkości usuwania produktów tych procesów w organizmie pozostaje zróżnicowana część ksenobiotyków. Jej ilość określa tzw. parametr absorpcji ksenobiotyków (p), który definiuje się jako stosunek stężenia tej toksyny lub jej metabolitu we krwi po ekspozycji doustnej do stężenia toksyny, która dostała się dożylnie:

p = Srotova / Svenozna

Następną drogą przedostawania się toksyn jest Maszyna pomagająca oddychać(droga inhalacyjna). Kurz, krople mgły, gazy zanieczyszczające atmosferę, jednocześnie z powietrzem, którym oddychamy, dostają się do płuc. Budowa płuc – bardzo rozwinięta powierzchnia pęcherzyków płucnych – oraz ich funkcja determinują wymianę tlenu i dwutlenku węgla pomiędzy krwią a gazami zawartymi w płucach, co czyni je bardzo podatnymi na adsorpcję toksyn. Zanieczyszczenia dobrze rozpuszczalne w wodzie (chlorowodór, amoniak) w dużej mierze rozpuszczają się w wydzielinie z nosa i gardła, a także w oskrzelach, uszkadzając je, a w niewielkich ilościach dostają się do krwi. Duże cząsteczki kurzu mogą zostać uwięzione we włosach w górnej części układu oddechowego, skąd przedostają się do przewodu pokarmowego podczas kichania lub kaszlu. W ten sposób wielopierścieniowe węglowodory osadzone na cząstkach sadzy dostają się do płuc.

Na szybkość dyfuzji (D) przez pęcherzyki płucne wskazuje się rozpuszczalność tej substancji zanieczyszczającej gaz we krwi (krwi), a także reguła Fitzco, powierzchnia pęcherzyków (A) oraz różnica ciśnień cząsteczki gazu w powietrzu i we krwi (ΔΡ). Dlatego szybkość dyfuzji wyraża się wzorem:

D= F(s, Α, ΔΡ)

Notatka 7. Przy ocenie toksyczności należy wziąć pod uwagę wiek, stan zdrowia, odporność konkretnego organizmu, a także warunki życia. Powszechną zależnością jest większa toksyczność u bardzo młodych organizmów. Ogólny zły stan zdrowia również nasila działanie ksenobiotyków. Osobniki żyjące w dobrych warunkach środowiskowych, zdrowe, wykazują znaczną odporność na toksyny.

Interakcja substancji toksycznej lub produktów jej przemian w organizmie z elementami strukturalnymi biosystemów, która leży u podstaw rozwijającego się procesu toksycznego, nazywa się mechanizmem działania toksycznego. Interakcja zachodzi w wyniku reakcji fizykochemicznych i chemicznych.

Proces toksyczny inicjowany reakcjami fizykochemicznymi jest zwykle spowodowany rozpuszczeniem substancji toksycznej w określonych środowiskach (wodnych lub lipidowych) komórek i tkanek organizmu. W tym przypadku właściwości fizykochemiczne ośrodka rozpuszczalnika (pH, lepkość, przewodność elektryczna, siła oddziaływań międzycząsteczkowych itp.) zmieniają się znacząco. Cechą tego typu interakcji jest brak ścisłej zależności jakości rozwijającego się efektu od właściwości chemicznych cząsteczki substancji toksycznej. Zatem na tkanki działają wszelkie kwasy, zasady, silne utleniacze, niektóre rozpuszczalniki organiczne i związki wielkocząsteczkowe bez specyficznego działania.

Częściej działanie toksyczne opiera się na reakcjach chemicznych substancji toksycznej z pewnym elementem strukturalnym układu żywego. Element strukturalny układu biologicznego, z którym substancja toksyczna oddziałuje chemicznie, nazywany jest jej „receptorem” lub „celem”.

Mechanizmy toksycznego działania zdecydowanej większości substancji chemicznych nie są obecnie znane. W związku z tym wiele klas cząsteczek i kompleksów molekularnych tworzących organizm opisanych poniżej uważa się w większości jedynie za prawdopodobne receptory (cele) działania trucizn. Rozważanie ich z tej perspektywy jest uzasadnione, ponieważ działanie niektórych dobrze zbadanych substancji toksycznych opiera się na interakcji z przedstawicielami właśnie tych klas biomolekuł.

1. Definicja pojęcia „receptor” w toksykologii

Pojęcie „receptora” jest bardzo pojemne. Najczęściej w biologii używa się go w następujących znaczeniach:

1. Ogólna koncepcja. Receptory są miejscami stosunkowo specyficznego wiązania z biosubstratem ksenobiotyków (lub cząsteczek endogennych), pod warunkiem, że proces wiązania przebiega zgodnie z prawem działania mas. Receptorami mogą być całe cząsteczki białek, kwasów nukleinowych, polisacharydów, lipidów lub ich fragmenty. W odniesieniu do fragmentu biocząsteczki, który bierze bezpośredni udział w tworzeniu kompleksu z substancją chemiczną, często używa się określenia „obszar receptorowy”. Na przykład receptorem tlenku węgla w organizmie jest cząsteczka hemoglobiny, a regionem receptora jest jon żelazawy zamknięty w pierścieniu hemu-porfiryny.

2. Receptory selektywne. Wraz z ewolucyjną złożonością organizmów powstają specjalne kompleksy molekularne - elementy układów biologicznych, które mają duże powinowactwo do poszczególnych substancji chemicznych pełniących funkcje bioregulatorów (hormony, neuroprzekaźniki itp.). Części układów biologicznych, które mają największe powinowactwo do poszczególnych specjalnych bioregulatorów, nazywane są „receptorami selektywnymi”. Substancje, które oddziałują z receptorami selektywnymi zgodnie z prawem działania mas, nazywane są ligandami receptorów selektywnych. Szczególne znaczenie dla utrzymania homeostazy ma oddziaływanie endogennych ligandów z selektywnymi receptorami.

Wiele receptorów selektywnych składa się z kilku podjednostek, z których tylko niektóre mają miejsca wiązania ligandu. Często termin „receptor” jest używany w odniesieniu tylko do takich podjednostek wiążących ligand.

3. Receptory trwałe to receptory selektywne, których budowa i właściwości są kodowane za pomocą specjalnych genów lub trwałych kompleksów genowych. Na poziomie fenotypowym zmiany w receptorze w wyniku rekombinacji genów rozwijają się niezwykle rzadko. Zmiany w składzie aminokwasów białka tworzącego selektywny receptor, które czasami powstają podczas ewolucji w wyniku transformacji poligenetycznych, z reguły mają niewielki wpływ na cechy funkcjonalne tego ostatniego, jego powinowactwo do endogennych ligandów i ksenobiotyków.

Do receptorów stałych należą:

Neuroprzekaźniki i receptory hormonalne. Podobnie jak inne receptory selektywne, receptory te są zdolne do selektywnego oddziaływania z niektórymi ksenobiotykami (lekami, substancjami toksycznymi). Ksenobiotyki mogą działać zarówno jako agoniści, jak i antagoniści endogennych ligandów. W rezultacie aktywowana lub tłumiona jest pewna funkcja biologiczna kontrolowana przez ten aparat receptorowy;

Enzymy to struktury białkowe, które selektywnie oddziałują z substratami, których przemianę katalizują. Enzymy mogą także oddziaływać z obcymi substancjami, które w tym przypadku stają się albo inhibitorami, albo allosterycznymi regulatorami ich działania;

Białka transportowe - selektywnie wiążą endogenne ligandy o określonej strukturze, dokonując ich depozycji lub przenoszenia przez różne bariery biologiczne. Substancje toksyczne oddziałujące z białkami transportowymi działają również jako ich inhibitory lub regulatory allosteryczne.

4. Receptory o zmieniającej się budowie. Są to głównie przeciwciała i receptory wiążące antygen limfocytów T. Receptory tego typu powstają w komórkach prekursorowych dojrzałych form komórkowych w wyniku rekombinacji wywołanej wpływami zewnętrznymi 2 - 5 genów kontrolujących ich syntezę. Jeśli w procesie różnicowania komórek dojdzie do rekombinacji, wówczas w dojrzałych elementach zostaną zsyntetyzowane receptory tylko o określonej budowie. W ten sposób powstają selektywne receptory dla określonych ligandów, a proliferacja prowadzi do powstania całego klonu komórek zawierających te receptory.

Jak wynika z powyższych definicji, w biologii terminem „receptor” określa się głównie struktury, które biorą bezpośredni udział w odbiorze i przekazywaniu sygnałów biologicznych i są zdolne do selektywnego wiązania, oprócz endogennych ligandów (neuroprzekaźników, hormonów, substratów) ), niektóre obce związki.

W toksykologii (a także w farmakologii) termin „receptor” odnosi się do dowolnego elementu strukturalnego żywego (biologicznego) układu, z którym substancja toksyczna (lek) oddziałuje chemicznie. W tym ujęciu koncepcję tę wprowadził do biologii chemicznej na początku XX wieku Paul Ehrlich (1913).

Zakres charakterystyk energetycznych oddziaływania receptor-ligand jest niezwykle szeroki: od tworzenia słabych, łatwo rozrywających wiązań po tworzenie nieodwracalnych kompleksów (patrz wyżej). Charakter interakcji i struktura powstałego kompleksu zależą nie tylko od struktury substancji toksycznej, konformacji receptora, ale także od właściwości ośrodka: pH, siły jonowej itp. Zgodnie z prawem działania mas o liczbie powstałych kompleksów substancja-receptor decyduje energia oddziaływania (powinowactwo) oraz zawartość obu składników reakcji (substancji i jej receptora) w układzie biologicznym.

Receptory mogą być „ciche” i aktywne. „Cichy” receptor jest strukturalnym składnikiem układu biologicznego, którego interakcja z substancją nie prowadzi do powstania odpowiedzi (na przykład wiązania arsenu przez białka tworzące włosy i paznokcie). Receptor aktywny jest składnikiem strukturalnym układu biologicznego, którego interakcja z substancją toksyczną inicjuje proces toksyczny. Aby uniknąć trudności terminologicznych, zamiast określenia „receptor” często stosuje się termin „struktura docelowa” do określenia elementów strukturalnych, z którymi substancja toksyczna oddziałuje inicjując proces toksyczny.

Przyjmuje się następujące postulaty:

Toksyczne działanie substancji jest tym wyraźniejsze, im większa jest liczba aktywnych receptorów (struktur docelowych), które oddziałują z substancją toksyczną;

Toksyczność substancji jest tym większa, im mniejsza jest jej ilość wiąże się z „cichymi” receptorami, tym skuteczniej działa na receptor aktywny (strukturę docelową), tym większe znaczenie receptora i uszkodzonego układu biologicznego dla utrzymania homeostazy organizmu cały organizm.

Każda komórka, tkanka czy narząd zawiera ogromną liczbę potencjalnych receptorów różnego typu („wyzwalających” różne reakcje biologiczne), z którymi ligandy mogą oddziaływać. Biorąc powyższe pod uwagę, wiązanie liganda (zarówno substancji endogennej, jak i ksenobiotyku) z receptorem danego typu jest selektywne jedynie w pewnym zakresie stężeń. Wzrost stężenia liganda w układzie biologicznym prowadzi do poszerzenia zakresu typów receptorów, z którymi oddziałuje, a w konsekwencji do zmiany jego aktywności biologicznej. To także jedna z podstawowych zasad toksykologii, potwierdzona licznymi obserwacjami.

Cele (receptory) działania toksycznego mogą być:

Elementy strukturalne przestrzeni międzykomórkowej;

Elementy strukturalne komórek organizmu;

Elementy konstrukcyjne układów regulacji aktywności komórkowej.

2. Wpływ substancji toksycznej na elementy przestrzeni międzykomórkowej

Każda komórka ciała otoczona jest środowiskiem wodnym - płynem śródmiąższowym lub międzykomórkowym. W przypadku komórek krwi płynem międzykomórkowym jest osocze krwi. Główne właściwości płynu międzykomórkowego: jego skład elektrolitowy i określone ciśnienie osmotyczne. O składzie elektrolitu decyduje przede wszystkim zawartość jonów Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3- itp.; ciśnienie osmotyczne – obecność białek, innych anionów i kationów. Płyn międzykomórkowy zawiera liczne substraty metabolizmu komórkowego, produkty metabolizmu komórkowego i cząsteczki regulujące aktywność komórkową.

Substancja toksyczna znajdująca się w płynie międzykomórkowym może zmienić swoje właściwości fizykochemiczne i wejść w interakcję chemiczną z elementami strukturalnymi. Zmiana właściwości płynu międzykomórkowego natychmiast prowadzi do reakcji ze strony komórek. W wyniku interakcji substancji toksycznej ze składnikami płynu międzykomórkowego możliwe są następujące mechanizmy działania toksycznego:

1. Efekty elektrolitowe. Naruszenie składu elektrolitu obserwuje się w przypadku zatrucia substancjami, które mogą wiązać jony. Tak więc podczas zatrucia fluorkami (F-), niektórymi czynnikami kompleksującymi (Na2EDTA, DTPA itp.), innymi substancjami toksycznymi (glikol etylenowy, który metabolizuje do kwasu szczawiowego), jony wapnia wiążą się we krwi i płynie międzykomórkowym, rozwija się ostra hipokalcemia , którym towarzyszą zaburzenia układu nerwowego, aktywność, napięcie mięśni, układ krzepnięcia krwi itp. Naruszenie równowagi jonowej w niektórych przypadkach można wyeliminować, wprowadzając do organizmu roztwory elektrolitów.

2. Efekty pH. Zatruciu wieloma substancjami, pomimo dużej pojemności buforowej płynu międzykomórkowego, może towarzyszyć znaczne naruszenie właściwości kwasowo-zasadowych środowiska wewnętrznego organizmu. Zatem zatrucie metanolem prowadzi do gromadzenia się kwasu mrówkowego w organizmie, powodując ciężką kwasicę. Zmiany pH płynu śródmiąższowego mogą być także konsekwencją wtórnych efektów toksycznych i rozwijać się na skutek zaburzeń procesów bioenergetyki, hemodynamiki (kwasica/zasadowica metaboliczna) i oddychania zewnętrznego (kwasica/zasadowica gazowa). W ciężkich przypadkach pH można znormalizować, podając ofierze roztwory buforowe.

3. Wiązanie i inaktywacja elementów strukturalnych płynu międzykomórkowego i osocza krwi. Osocze krwi zawiera elementy strukturalne o wysokiej aktywności biologicznej i może stać się celem substancji toksycznych. Należą do nich np. czynniki układu krzepnięcia krwi, enzymy hydrolityczne (esterazy), niszczące ksenobiotyki itp. Konsekwencją tego działania może być nie tylko zatrucie, ale także alobioza. Przykładowo, hamowanie aktywności osoczowych karboksyloesteraz niszczących związki fosforoorganiczne (OP) za pomocą fosforanu tri-o-krezylu (TOCP) prowadzi do znacznego wzrostu toksyczności tego ostatniego.

4. Naruszenie ciśnienia osmotycznego. Znaczące zaburzenia ciśnienia osmotycznego krwi i płynu śródmiąższowego podczas zatrucia mają z reguły charakter wtórny (zaburzenia czynności wątroby, nerek, toksyczny obrzęk płuc). Efekt rozwojowy ma szkodliwy wpływ na stan funkcjonalny komórek, narządów i tkanek całego organizmu.

3. Wpływ substancji toksycznych na elementy strukturalne komórek

Elementy strukturalne komórek, z którymi oddziałują toksyny, z reguły to:

Kwasy nukleinowe;

Lipidowe elementy biomembran;

Selektywne receptory dla endogennych bioregulatorów (hormonów, neuroprzekaźników itp.).

TOKSYKOMETRIA

ZALEŻNOŚĆ „EFEKT DAWKI” W TOKSYKOLOGII

Spektrum przejawów procesu toksycznego zależy od struktury substancji toksycznej. Jednakże nasilenie powstałego efektu jest funkcją ilości substancji czynnej.

Do określenia ilości substancji działającej na obiekt biologiczny stosuje się pojęcie dawki. Przykładowo wprowadzenie substancji toksycznej w ilości 500 mg do żołądka szczura o masie 250 g i królika o masie 2000 g oznacza, że ​​zwierzętom podano dawki odpowiednio 2 i 0,25 mg/kg (koncepcja „dawka” zostanie omówiona bardziej szczegółowo poniżej).

Zależność dawka-skutek można prześledzić na wszystkich poziomach organizacji żywej materii: od molekularnej po populacyjną. W tym przypadku w przeważającej większości przypadków zostanie zarejestrowany ogólny wzór: wraz ze wzrostem dawki wzrasta stopień uszkodzenia układu; W procesie tym uczestniczy coraz większa liczba jego elementów składowych.

W zależności od skutecznej dawki prawie każda substancja w określonych warunkach może być szkodliwa dla organizmu. Dotyczy to substancji toksycznych działających zarówno lokalnie, jak i po resorpcji do środowiska wewnętrznego.

Na przejaw zależności dawka-skutek istotny wpływ ma wewnątrz- i międzygatunkowa zmienność organizmów. Rzeczywiście, osobniki należące do tego samego gatunku różnią się znacznie od siebie pod względem cech biochemicznych, fizjologicznych i morfologicznych. Różnice te wynikają w większości przypadków z cech genetycznych. Ze względu na te same cechy genetyczne różnice międzygatunkowe są jeszcze bardziej wyraźne. Pod tym względem dawki konkretnej substancji, w których powoduje ona uszkodzenie organizmów tego samego, a zwłaszcza różnych gatunków, czasami różnią się bardzo znacząco. W konsekwencji zależność dawka-skutek odzwierciedla właściwości nie tylko substancji toksycznej, ale także organizmu, na który ona działa. W praktyce oznacza to, że ilościową ocenę toksyczności, opartą na badaniu zależności dawka-skutek, należy przeprowadzać w doświadczeniach na różnych obiektach biologicznych, a do przetwarzania uzyskanych danych konieczne jest korzystanie z metod statystycznych.

Zależność dawka-skutek dla śmiertelności

4.1.3.1. Ogólne widoki

Ponieważ śmierć po działaniu substancji toksycznej jest reakcją alternatywną, realizowaną zgodnie z zasadą „wszystko albo nic”, efekt ten uważa się za najwygodniejszy do określenia toksyczności substancji, służy do określenia wartości średniej dawki śmiertelnej (LD50).

Oznaczanie ostrej toksyczności za pomocą wskaźnika „śmiertelności” przeprowadza się metodą tworzenia podgrup (patrz wyżej). Substancję toksyczną podaje się na jeden z możliwych sposobów (dojelitowo, pozajelitowo) w kontrolowanych warunkach. Należy wziąć pod uwagę, że sposób podawania substancji w największym stopniu wpływa na wielkość toksyczności.

Wykorzystywane są zwierzęta tej samej płci, wieku, wagi, utrzymywane na określonej diecie, w niezbędnych warunkach inwentarskich, temperaturze, wilgotności itp. Badania powtarza się na kilku typach zwierząt laboratoryjnych. Po podaniu badanego związku chemicznego przeprowadza się obserwacje w celu określenia liczby martwych zwierząt, zwykle w ciągu 14 dni. W przypadku aplikacji substancji na skórę należy bezwzględnie zapisać czas kontaktu oraz określić warunki aplikacji (narażenie odbywało się z przestrzeni zamkniętej lub otwartej). Jest oczywiste, że stopień uszkodzenia skóry i nasilenie efektu resorpcji są funkcją zarówno ilości nałożonego materiału, jak i czasu jego kontaktu ze skórą. W przypadku wszystkich dróg narażenia innych niż wdychanie dawkę ekspozycyjną wyraża się zwykle jako masę (lub objętość) substancji badanej na jednostkę masy ciała (mg/kg; ml/kg).

W przypadku narażenia przez drogi oddechowe dawkę ekspozycyjną wyraża się jako ilość substancji badanej obecnej w jednostkowej objętości powietrza: mg/m3 lub części na milion (ppm). Przy tej metodzie naświetlania bardzo ważne jest uwzględnienie czasu naświetlania. Im dłuższa ekspozycja, im wyższa dawka ekspozycyjna, tym większe ryzyko wystąpienia działań niepożądanych. Uzyskaną informację o zależności dawka-odpowiedź dla różnych stężeń substancji w wdychanym powietrzu należy uzyskać w tym samym czasie ekspozycji. Doświadczenie może mieć różną strukturę, tzn. różne grupy zwierząt doświadczalnych wdychają substancję w tym samym stężeniu, ale przez różny czas.

Do przybliżonej oceny toksyczności inhalacyjnych substancji czynnych, uwzględniającej jednocześnie zarówno stężenie substancji toksycznej, jak i czas jej narażenia, zwyczajowo stosuje się wartość „toksodozy”, obliczoną według wzoru zaproponowanego przez Habera w początek stulecia:

W = Ct, gdzie

W - toksodoza (mg min/m3)

C - stężenie substancji toksycznej (mg/m3)

t - czas ekspozycji (min)

Zakłada się, że przy krótkotrwałym wdychaniu substancji ten sam efekt (śmierć zwierząt laboratoryjnych) zostanie osiągnięty zarówno przy krótkim narażeniu na duże dawki, jak i przy dłuższym narażeniu na substancje w niższych stężeniach, natomiast iloczyn czasu i stężenia substancji pozostaje bez zmian. Najczęściej do scharakteryzowania chemicznych środków bojowych stosowano definicję toksodoz.

Interpretacja i praktyczne wykorzystanie wyników

Zazwyczaj głównym wnioskiem, jaki toksykolog wyciąga, ustalając dodatnią zależność dawka-odpowiedź, jest stwierdzenie, że istnieje związek przyczynowo-skutkowy pomiędzy narażeniem na substancję badaną a rozwojem procesu toksycznego. Informacje o zależnościach należy jednak interpretować wyłącznie w odniesieniu do warunków, w jakich zostały uzyskane. Na jego charakter wpływa wiele czynników, które są specyficzne dla każdej substancji i gatunku biologicznego, na którego przedstawicieli substancja działa. W związku z tym należy wziąć pod uwagę szereg okoliczności:

1. Dokładność charakterystyk ilościowych wartości LD50 osiąga się poprzez dokładne eksperymentowanie i odpowiednie przetwarzanie statystyczne uzyskanych wyników. Jeżeli podczas powtarzania doświadczenia toksyczności otrzymane zostaną dane ilościowe różniące się od uzyskanych wcześniej, może to być konsekwencją zmienności właściwości zastosowanego obiektu biologicznego i warunków środowiskowych.

2. Najważniejszą cechą niebezpieczeństwa substancji jest czas śmierci po narażeniu na substancję toksyczną. Zatem substancje o tej samej wartości LD50, ale o różnym czasie śmierci, mogą stwarzać różne zagrożenia. Substancje szybko działające są często uważane za bardziej niebezpieczne. Jednakże substancje „wolno działające” o bardzo długim okresie utajenia często mają tendencję do gromadzenia się w organizmie i dlatego są również niezwykle niebezpieczne. Do szybko działających substancji toksycznych zaliczają się chemiczne środki bojowe (FOV, kwas cyjanowodorowy, substancje drażniące itp.). Substancjami opóźnionymi są polihalogenowane wielopierścieniowe węglowodory (halogenowane dioksyny, dibenzofurany itp.), niektóre metale (kadm, tal, rtęć itp.) i wiele innych.

3. Pełniejsza interpretacja wyników uzyskanych w celu oceny toksyczności, oprócz określenia cech ilościowych, wymaga szczegółowego zbadania przyczyn śmierci (patrz odpowiednia sekcja). Jeżeli substancja może powodować różne potencjalnie śmiertelne skutki (zatrzymanie oddechu, zatrzymanie akcji serca, zapaść itp.), należy zrozumieć, który ze skutków jest wiodący, a także czy zjawisko to może powodować komplikacje w zależności dawka-odpowiedź. Na przykład różne skutki biologiczne mogą powodować śmierć w ostrych i opóźnionych fazach zatrucia. Zatem zatrucie dichloroetanem już w pierwszych godzinach może doprowadzić do śmierci zwierzęcia doświadczalnego z powodu depresji ośrodkowego układu nerwowego (efekt narkotyczny, nieelektrolitowy). W późnych okresach zatrucia zwierzę umiera z powodu ostrej niewydolności nerek i wątroby (efekt cytotoksyczny). Oczywiście jest to również ważne przy określaniu ilościowych cech toksyczności. Zatem azotyn tert-butylu po podaniu dootrzewnowym myszom i stwierdzeniu skutku śmiertelnego w ciągu 30 minut ma wartość LD50 wynoszącą 613 mg/kg; w przypadku rejestracji zgonów w ciągu 7 dni LD50 wynosi 187 mg/kg. Śmierć w pierwszych minutach następuje najwyraźniej w wyniku osłabienia napięcia naczyń i powstawania methemoglobiny, w późniejszym okresie wskutek uszkodzenia wątroby.

4. Wartość LD50 uzyskana w ostrym doświadczeniu nie jest cechą toksyczności substancji przy powtarzającym się podostrym lub przewlekłym narażeniu. Zatem w przypadku substancji o dużej zdolności do akumulacji wartość śmiertelnego stężenia substancji toksycznej w środowisku, określona po jednorazowym podaniu, może być znacznie wyższa od stężenia powodującego śmierć przy długotrwałym narażeniu. W przypadku substancji słabo kumulujących się różnice te mogą nie być tak znaczące.

W praktyce dane dotyczące reakcji na dawkę i wartości LD50 są często wykorzystywane w następujących sytuacjach:

1. Scharakteryzować toksyczność ostrą substancji podczas rutynowych badań toksykologicznych i porównać toksyczność kilku związków chemicznych.

TOKSYKOKINETYKA

Toksykokinetyka jest dziedziną toksykologii, w ramach której bada się wzorce oraz jakościowe i ilościowe cechy resorpcji, dystrybucji, biotransformacji ksenobiotyków w organizmie i ich eliminacji (ryc. 1).

Rycina 1. Etapy oddziaływania organizmu z ksenobiotykiem

Z punktu widzenia toksykokinetyki organizm jest złożonym, heterogenicznym układem składającym się z dużej liczby przedziałów (oddziałów): krwi, tkanek, płynu zewnątrzkomórkowego, treści wewnątrzkomórkowej, o różnych właściwościach, oddzielonych od siebie barierami biologicznymi. Bariery obejmują błony komórkowe i wewnątrzkomórkowe, bariery histohematyczne (na przykład krew-mózg), tkanki powłokowe (skóra, błony śluzowe). Kinetyka substancji w organizmie to w istocie pokonywanie przez nie barier biologicznych i dystrybucja pomiędzy przedziałami (ryc. 2).

Podczas pobierania, dystrybucji i usuwania substancji zachodzą procesy jej mieszania (konwekcji), rozpuszczania w ośrodkach biologicznych, dyfuzji, osmozy i filtracji przez bariery biologiczne.

Specyficzne cechy toksykokinetyki są określone zarówno przez właściwości samej substancji, jak i cechy strukturalne i funkcjonalne organizmu.

Rycina 2. Schemat ruchu substancji w głównych przedziałach ciała

Do najważniejszych cech substancji wpływających na jej parametry toksykokinetyczne należą:

Współczynnik podziału w układzie olej/woda – określa zdolność do akumulacji w odpowiednim środowisku: rozpuszczalny w tłuszczach – w lipidach; rozpuszczalny w wodzie - w wodzie;

Wielkość molekularna – wpływa na zdolność do dyfuzji w środowisku i penetracji porów błon i barier biologicznych;

Stała dysocjacji – określa względny udział cząsteczek substancji toksycznej zdysocjowanych w warunkach wewnętrznego środowiska organizmu, tj. stosunek cząsteczek w postaci zjonizowanej i niezjonizowanej. Zdysocjowane cząsteczki (jony) słabo penetrują kanały jonowe i nie przenikają przez bariery lipidowe;

Właściwości chemiczne - określają powinowactwo substancji toksycznej do pierwiastków chemicznych i biochemicznych komórek, tkanek i narządów.

Właściwości organizmu wpływające na toksykokinetykę ksenobiotyków.

Właściwości przegródek:

Stosunek wody i tłuszczu w komórkach, tkankach i narządach. Struktury biologiczne mogą zawierać albo mało (tkanka mięśniowa), albo dużo tłuszczu (błony biologiczne, tkanka tłuszczowa, mózg);

Obecność cząsteczek aktywnie wiążących substancję toksyczną. Na przykład kości zawierają struktury, które aktywnie wiążą nie tylko wapń, ale także inne metale dwuwartościowe (ołów, stront itp.).

Właściwości barier biologicznych:

Grubość;

Obecność i wielkość porów;

Obecność lub brak mechanizmów aktywnego lub ułatwionego transportu chemikaliów.

Według istniejących koncepcji siła oddziaływania substancji na organizm jest funkcją jej stężenia w miejscu oddziaływania ze strukturą docelową, o czym z kolei decyduje nie tylko dawka, ale także parametry toksykokinetyczne ksenobiotyku. . Toksykokinetyka formułuje odpowiedź na pytanie: jak dawka i sposób narażenia substancji na organizm wpływają na rozwój procesu toksycznego?

METABOLIZM KSENOBIOTYKÓW

Wiele ksenobiotyków po dostaniu się do organizmu ulega biotransformacji i jest uwalnianych w postaci metabolitów. Biotransformacja w dużej mierze opiera się na enzymatycznych przemianach cząsteczek. Biologiczne znaczenie zjawiska polega na przekształceniu substancji chemicznej w postać dogodną do usunięcia z organizmu, a tym samym skróceniu czasu jej działania.

Metabolizm ksenobiotyków przebiega w dwóch fazach (ryc. 1).

Rycina 1. Fazy metabolizmu obcych związków

Podczas pierwszej fazy przemian redoks, czyli hydrolitycznej, cząsteczka substancji zostaje wzbogacona w polarne grupy funkcyjne, co czyni ją reaktywną i lepiej rozpuszczalną w wodzie. W drugiej fazie zachodzą syntetyczne procesy sprzęgania pośrednich produktów przemiany materii z cząsteczkami endogennymi, w wyniku czego powstają związki polarne, które za pomocą specjalnych mechanizmów wydalania są wydalane z organizmu.

Różnorodność właściwości katalitycznych enzymów biotransformacyjnych i ich niska specyficzność substratowa pozwala organizmowi metabolizować substancje o bardzo różnej budowie. Jednocześnie u zwierząt różnych gatunków i u ludzi metabolizm ksenobiotyków jest daleki od tego samego, ponieważ enzymy biorące udział w transformacji obcych substancji są często specyficzne gatunkowo.

Konsekwencją chemicznej modyfikacji cząsteczki ksenobiotyku może być:

1. Zmniejszona toksyczność;

2. Zwiększona toksyczność;

3. Zmiana charakteru działania toksycznego;

4. Zainicjowanie procesu toksycznego.

Metabolizmowi wielu ksenobiotyków towarzyszy powstawanie produktów, które mają znacznie gorszą toksyczność w stosunku do substancji wyjściowych. Zatem tiocyjaniany powstające podczas biokonwersji cyjanku są kilkusetkrotnie mniej toksyczne niż oryginalne ksenobiotyki. Hydrolityczna eliminacja jonu fluoru z cząsteczek sarinu, somanu i fluorofosforanu diizopropylu prowadzi do utraty zdolności tych substancji do hamowania aktywności acetylocholinoesterazy i znacznego zmniejszenia ich toksyczności. Proces utraty toksyczności substancji toksycznej w wyniku biotransformacji nazywany jest „detoksykacją metaboliczną”.

PODSTAWY EKOTOKSYKOLOGII

Rozwój przemysłu nierozerwalnie wiąże się z poszerzaniem asortymentu stosowanych środków chemicznych. Cechą charakterystyczną współczesnego rolnictwa i leśnictwa jest coraz większe zużycie pestycydów, nawozów i innych środków chemicznych. Jest to obiektywna przyczyna stałego wzrostu zagrożenia chemicznego środowiska, ukrytego w samej naturze działalności człowieka.

Zaledwie kilkadziesiąt lat temu odpady chemiczne z produkcji były po prostu wyrzucane do środowiska, a pestycydy i nawozy były niemal w sposób niekontrolowany, ze względów użytkowych, rozpylane na rozległych obszarach. Jednocześnie uważano, że substancje gazowe powinny szybko rozproszyć się w atmosferze, ciecze powinny częściowo rozpuścić się w wodzie i zostać wyniesione z miejsc emisji. Chociaż w regionach doszło do znacznej akumulacji cząstek stałych, potencjalne zagrożenie spowodowane emisjami przemysłowymi uznano za niskie. Stosowanie pestycydów i nawozów dało efekt ekonomiczny wielokrotnie większy niż szkody wyrządzone przyrodzie przez substancje toksyczne.

Jednak już w 1962 roku ukazała się książka Rachel Carson „Cicha wiosna”, w której autorka opisuje przypadki masowego wymierania ptaków i ryb w wyniku niekontrolowanego stosowania pestycydów. Carson doszedł do wniosku, że zaobserwowany wpływ zanieczyszczeń na dziką przyrodę zwiastuje zbliżającą się katastrofę również dla ludzi. Książka ta przyciągnęła uwagę wszystkich. Pojawiły się towarzystwa ochrony środowiska i ustawodawstwo rządowe regulujące emisję ksenobiotyków. W rzeczywistości dzięki tej książce rozpoczął się rozwój nowej gałęzi nauki - toksykologii zwierząt.

Ekotoksykologię jako samodzielną naukę określił Rene Traut, który po raz pierwszy w 1969 roku połączył ze sobą dwie zupełnie różne dziedziny: ekologię (według Krebsa, naukę o zależnościach decydujących o rozmieszczeniu i siedlisku istot żywych) oraz toksykologię. Tak naprawdę w tym obszarze wiedzy, oprócz wskazanych, znajdują się elementy innych nauk przyrodniczych, takich jak chemia, biochemia, fizjologia, genetyka populacyjna itp.

W miarę rozwoju samo pojęcie ekotoksykologii przeszło pewną ewolucję. W 1978 roku Butler postrzegał ekotoksykologię jako naukę badającą toksyczne działanie środków chemicznych na organizmy żywe, zwłaszcza na poziomie populacji i społeczności, w określonych ekosystemach. Levin i wsp. w 1989 zdefiniowali ją jako naukę o przewidywaniu wpływu chemikaliów na ekosystemy. W 1994 roku W. i T. Forbes zdefiniowali ekotoksykologię w następujący sposób: Dziedzina wiedzy podsumowująca ekologiczne i toksykologiczne skutki zanieczyszczeń chemicznych na populacje, społeczności i ekosystemy, śledząca losy (transport, transformacja i usuwanie) takich substancji zanieczyszczających w środowisku środowisko.

Zatem ekotoksykologia, zdaniem autorów, bada rozwój niekorzystnych skutków objawiających się działaniem zanieczyszczeń na szeroką gamę organizmów żywych (od mikroorganizmów po człowieka), zwykle na poziomie populacji lub ekosystemów jako całości, a także losy substancji chemicznej w systemie biogeocenozy.

Później w ramach ekotoksykologii zaczęto wyodrębniać jako niezależny kierunek jedną z jej sekcji, zwaną toksykologią środowiskową.

Istnieje tendencja do używania terminu ekotoksykologia wyłącznie w odniesieniu do zasobu wiedzy dotyczącej wpływu chemikaliów na ekosystemy inne niż człowiek. Zatem według Walkera i wsp. (1996) ekotoksykologia to badanie szkodliwego wpływu chemikaliów na ekosystemy. Definicja ta, eliminując przedmioty ludzkie z zakresu przedmiotów rozważanych przez ekotoksykologię, wyznacza różnicę między ekotoksykologią a toksykologią środowiskową i wyznacza przedmiot badań tej ostatniej. Proponuje się, aby termin „toksykologia środowiskowa” był stosowany wyłącznie w odniesieniu do badań bezpośredniego wpływu substancji zanieczyszczających środowisko na ludzi.

W procesie badania wpływu substancji chemicznych występujących w środowisku na człowieka i zbiorowiska ludzkie, toksykologia środowiskowa operuje ustalonymi już kategoriami i koncepcjami toksykologii klasycznej i z reguły stosuje swoją tradycyjną metodologię eksperymentalną, kliniczną i epidemiologiczną. Przedmiotem badań są mechanizmy, dynamika rozwoju, przejawy niekorzystnego działania substancji toksycznych oraz produkty ich przemian w środowisku na człowieka.

Podzielając w ogólności to podejście i pozytywnie oceniając jego praktyczne znaczenie, należy jednak zauważyć, że różnice metodologiczne pomiędzy ekotoksykologią a toksykologią środowiskową całkowicie zacierają się, gdy badaczowi powierzono zadanie oceny pośredniego wpływu zanieczyszczeń na populacje ludzkie (np. , spowodowane toksyczną modyfikacją fauny i flory), lub wręcz przeciwnie, poznanie mechanizmów działania substancji chemicznych znajdujących się w środowisku na przedstawicieli określonego gatunku istot żywych. Pod tym względem z teoretycznego punktu widzenia toksykologia środowiskowa jako nauka jest jedynie szczególnym problemem toksykologii środowiskowej, podczas gdy metodologia, aparat pojęciowy i struktura nauk są takie same.

1. Profil ksenobiotyczny środowiska

Z punktu widzenia toksykologa wszystkie abiotyczne i biotyczne elementy tego, co nazywamy środowiskiem, są złożonymi, czasami zorganizowanymi aglomeratami, mieszaninami niezliczonych cząsteczek.

Dla ekotoksykologii interesujące są jedynie cząsteczki, które są biodostępne, tj. zdolne do niemechanicznego oddziaływania z organizmami żywymi. Z reguły są to związki występujące w stanie gazowym lub ciekłym, w postaci roztworów wodnych, zaadsorbowane na cząstkach gleby i różnych powierzchniach, substancje stałe, ale w postaci drobnego pyłu (wielkość cząstek poniżej 50 mikronów), i wreszcie substancje dostające się do organizmu wraz z pożywieniem.

Część związków biodostępnych jest wykorzystywana przez organizmy, uczestnicząc w procesach ich wymiany plastycznej i energetycznej z otoczeniem, tj. pełnić funkcję zasobów siedliskowych. Inne, dostając się do organizmu zwierząt i roślin, nie są wykorzystywane jako źródło energii lub tworzywa sztucznego, ale działając w odpowiednich dawkach i stężeniach, są w stanie znacząco zmodyfikować przebieg normalnych procesów fizjologicznych. Takie związki nazywane są obcymi lub ksenobiotykami (obcymi życiu).

Całość substancji obcych zawartych w środowisku (woda, gleba, powietrze i organizmy żywe) w postaci (stan skupienia), która pozwala im wchodzić w interakcje chemiczne i fizykochemiczne z obiektami biologicznymi ekosystemu, stanowi ksenobiotyczny profil biogeocenozy. Profil ksenobiotyczny należy uznać za jeden z najważniejszych czynników środowiskowych (obok temperatury, światła, wilgotności, warunków troficznych itp.), który można opisać cechami jakościowymi i ilościowymi.

Istotnym elementem profilu ksenobiotycznego są obce substancje zawarte w narządach i tkankach istot żywych, gdyż wszystkie one są prędzej czy później zjadane przez inne organizmy (czyli mają biodostępność). Wręcz przeciwnie, chemikalia zawarte w obiektach stałych, nierozpraszających się w powietrzu i nierozpuszczalnych w wodzie (skała, stałe produkty przemysłowe, szkło, plastik itp.) nie są biodostępne. Można je uznać za źródła kształtowania się profilu ksenobiotycznego.

Profile ksenobiotyczne środowiska, powstałe w wyniku procesów ewolucyjnych zachodzących na planecie od milionów lat, można nazwać naturalnymi profilami ksenobiotycznymi. Różnią się one w różnych regionach Ziemi. Istniejące w tych regionach biocenozy (biotopy) są w mniejszym lub większym stopniu przystosowane do odpowiednich naturalnych profili ksenobiotycznych.

Różne kolizje naturalne, a w ostatnich latach działalność gospodarcza człowieka, czasami w znaczący sposób zmieniają naturalny profil ksenobiotyczny wielu regionów (zwłaszcza zurbanizowanych). Substancje chemiczne, które gromadzą się w środowisku w nietypowych dla niego ilościach i powodują zmiany w naturalnym profilu ksenobiotycznym, pełnią rolę ekozanieczyszczeń (zanieczyszczeń). Zmiana profilu ksenobiotycznego może wynikać z nadmiernej akumulacji jednego lub wielu ekozanieczyszczeń w środowisku.

Nie zawsze prowadzi to do szkodliwych konsekwencji dla dzikiej przyrody i populacji. Za ekotoksyczną można uznać jedynie ekozanieczyszczenia, które zgromadziły się w środowisku w ilości wystarczającej do zainicjowania procesu toksycznego w biocenozie (na dowolnym poziomie organizacji materii żywej).

Jednym z najtrudniejszych praktycznych zadań ekotoksykologii jest określenie parametrów ilościowych, przy których ekozanieczyszczenia przekształcają się w ekotoksykanty. Rozwiązując ten problem, należy wziąć pod uwagę, że w warunkach rzeczywistych cały profil ksenobiotyczny środowiska wpływa na biocenozę, modyfikując w ten sposób aktywność biologiczną poszczególnej substancji zanieczyszczającej. Zatem w różnych regionach (różne profile ksenobiotyczne, różne biocenozy) parametry ilościowe przemiany substancji zanieczyszczającej w ekotoksyczną są ściśle odmienne.

2. Ekotoksykokinetyka

Ekotoksykokinetyka to dział ekotoksykologii zajmujący się badaniem losów ksenobiotyków (ekozanieczyszczeń) w środowisku: źródła ich powstawania; rozmieszczenie w abiotycznych i biotycznych elementach środowiska; przemiany ksenobiotyków w środowisku; eliminacja ze środowiska.

2.1. Kształtowanie profilu ksenobiotycznego. Źródła przedostawania się zanieczyszczeń do środowiska

Według WHO (1992) do naturalnych źródeł biodostępnych ksenobiotyków zaliczają się: cząstki pyłu przenoszone przez wiatr, aerozol soli morskiej, aktywność wulkaniczna, pożary lasów, cząstki biogenne, substancje lotne biogenne. Kolejnym źródłem ksenobiotyków w środowisku, którego znaczenie stale rośnie, jest działalność człowieka

Najważniejszym elementem charakterystyki ekotoksykologicznej substancji zanieczyszczających jest identyfikacja ich źródeł. Rozwiązanie tego problemu nie jest łatwe, ponieważ... Czasami substancja przedostaje się do środowiska w niewielkich ilościach, czasami w postaci zanieczyszczeń lub całkowicie nieszkodliwych substancji. Wreszcie powstanie ekozanieczyszczenia w środowisku jest możliwe w wyniku abiotycznych lub biotycznych przemian innych substancji.

2.2. Trwałość

Liczne procesy abiotyczne (zachodzące bez udziału organizmów żywych) i biotyczne (zachodzące przy udziale organizmów żywych) w środowisku mają na celu eliminację (usunięcie) ekozanieczyszczeń. Wiele ksenobiotyków, gdy znajdą się w powietrzu, glebie i wodzie, powoduje minimalne szkody w ekosystemach, ponieważ czas ich narażenia jest znikomy. Substancje odporne na procesy niszczenia i w efekcie długo utrzymujące się w środowisku są z reguły potencjalnie niebezpiecznymi ekotoksykami.

Ciągłe uwalnianie trwałych substancji zanieczyszczających do środowiska prowadzi do ich akumulacji i przemiany w substancje ekotoksyczne dla najbardziej wrażliwej (wrażliwej) części biosystemu. Po ustaniu uwalniania trwałej substancji toksycznej pozostaje ona w środowisku przez długi czas. I tak w wodzie jeziora Ontario w latach 90. oznaczono wysokie stężenia pestycydu Mirex, którego stosowanie zaprzestano pod koniec lat 70. W zbiornikach poligonu doświadczalnego Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych na Florydzie, gdzie w latach 1962–1964 w celach badawczych rozpylano Środek Orange w celach badawczych, po 10 latach osad zawierał 10–35 ng/kg TCDD (w ilości 0,1 pkg/kg według Normy amerykańskie, Rosja – 10 opak./kg).

Do substancji długo utrzymujących się w środowisku należą metale ciężkie (ołów, miedź, cynk, nikiel, kadm, kobalt, antymon, rtęć, arsen, chrom), wielopierścieniowe węglowodory polihalogenowane (polichlorowane dibenzodioksyny i dibenzofurany, polichlorowane bifenyle itp.). ), niektóre pestycydy chloroorganiczne (DDT, heksachloran, aldryna, lindan itp.) i wiele innych substancji.

2.3. Transformacja

Zdecydowana większość substancji ulega w środowisku różnym przemianom. Charakter i szybkość tych przemian determinuje ich stabilność.

2.3.1. Transformacja abiotyczna

Na trwałość substancji w środowisku wpływa duża liczba procesów. Najważniejsze z nich to fotoliza (zniszczenie pod wpływem światła), hydroliza i utlenianie.

Fotoliza. Światło, zwłaszcza promienie ultrafioletowe, może rozrywać wiązania chemiczne, powodując w ten sposób degradację substancji chemicznych. Fotoliza zachodzi głównie w atmosferze oraz na powierzchni gleby i wody. Szybkość fotolizy zależy od natężenia światła i zdolności substancji do jego absorpcji. Nienasycone związki aromatyczne, takie jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), są najbardziej wrażliwe na fotolizę, ponieważ aktywnie pochłaniają energię świetlną. Światło przyspiesza także inne procesy degradacji substancji: hydrolizę i utlenianie. Z kolei obecność w mediach fotoutleniaczy, takich jak ozon, tlenki azotu, formaldehyd, akroleina i nadtlenki organiczne, znacznie przyspiesza proces fotolizy innych substancji zanieczyszczających (wskazanych dla WWA).

Hydroliza. Woda, zwłaszcza podgrzana, szybko niszczy wiele substancji. Wiązania estrowe np. w cząsteczkach związków fosforoorganicznych są bardzo wrażliwe na działanie wody, co warunkuje umiarkowaną trwałość tych związków w środowisku. Szybkość hydrolizy zależy w dużym stopniu od pH. W wyniku przemian substancji chemicznych w środowisku powstają nowe substancje. Jednak ich toksyczność może czasami być wyższa niż w przypadku środka macierzystego.

Transformacja biotyczna

Rozkład abiotyczny substancji chemicznych zwykle zachodzi z niewielką szybkością. Ksenobiotyki rozkładają się znacznie szybciej przy udziale fauny i flory, zwłaszcza mikroorganizmów (głównie bakterii i grzybów), które wykorzystują je jako składniki odżywcze. Proces biotycznej destrukcji zachodzi przy udziale enzymów. Biotransformacje substancji opierają się na procesach utleniania, hydrolizy, dehalogenacji, rozszczepiania cyklicznych struktur cząsteczki, eliminacji rodników alkilowych (dealkilacji) itp. Degradacja związku może skutkować jego całkowitym zniszczeniem, tj. mineralizacja (tworzenie się wody, dwutlenku węgla i innych prostych związków). Możliwe jest jednak utworzenie produktów pośrednich biotransformacji substancji, które są czasami bardziej toksyczne niż środek pierwotny. Zatem przemiana nieorganicznych związków rtęci przez fitoplankton może prowadzić do powstania bardziej toksycznych organicznych związków rtęci, w szczególności metylortęci. Podobne zjawisko miało miejsce w Japonii nad brzegami zatoki Minamato w latach 50. i 60. XX wieku. Rtęć, która dostała się do wód zatoki wraz ze ściekami z fabryki produkującej związki azotu, została przekształcona przez faunę i florę w metylortęć. Ten ostatni koncentrował się w tkankach organizmów morskich i ryb, które służyły za pożywienie miejscowej ludności. W rezultacie u osób spożywających ryby rozwinęła się choroba charakteryzująca się złożonym zespołem objawów neurologicznych, a u noworodków stwierdzono wady rozwojowe. Ogółem zgłoszono 292 przypadki choroby Minamato, z czego 62 zakończyły się śmiercią.

2.4. Procesy eliminacji niezwiązane z niszczeniem

Niektóre procesy zachodzące w środowisku przyczyniają się do eliminacji ksenobiotyków z regionu, zmieniając ich rozmieszczenie w komponentach środowiska. Substancja zanieczyszczająca o dużej prężności pary może łatwo odparować z wody i gleby, a następnie wraz z prądami powietrza przenieść się w inne rejony. Zjawisko to leży u podstaw wszechobecności stosunkowo lotnych insektycydów chloroorganicznych, takich jak lindan i heksachlorobenzen.

Ruch cząstek substancji toksycznych lub gleby, na której substancje są adsorbowane przez wiatr i prądy atmosferyczne, jest również ważnym sposobem redystrybucji substancji zanieczyszczających w środowisku. Pod tym względem typowym przykładem są wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (benzpireny, dibenzpireny, benzantraceny, dibenzantracany itp.). Benzpiren i pokrewne związki pochodzenia naturalnego (głównie wulkanicznego) i antropogenicznego (emisje z zakładów metalurgicznych, rafinacji ropy naftowej, elektrowni cieplnych itp.) są aktywnie włączane w cykl biosfery substancji, przenosząc się z jednego środowiska do drugiego. Z reguły jednak kojarzą się one ze stałymi cząstkami pyłu atmosferycznego. Drobny pył (1-10 mikronów) długo utrzymuje się w powietrzu, większe cząstki pyłu szybko osiadają na glebie i wodzie w miejscu ich powstania. Podczas erupcji wulkanów popiół zawiera duże ilości takich substancji. Co więcej, im wyższa emisja, tym na większą odległość rozprzestrzeniają się zanieczyszczenia.

Sorpcja substancji na cząstkach zawieszonych w wodzie, a następnie sedymentacja, prowadzi do ich eliminacji ze słupa wody, lecz kumulują się w osadach dennych. Sedymentacja radykalnie zmniejsza biodostępność substancji zanieczyszczającej.

Redystrybucję substancji rozpuszczalnych w wodzie ułatwia deszcz i ruch wód gruntowych. Na przykład herbicyd atrazyna, stosowany do ochrony roślin liściastych w amerykańskim rolnictwie i parkach, jest tam wszechobecny w wodach powierzchniowych. Według niektórych raportów aż 92% badanych zbiorników wodnych w USA zawiera ten pestycyd. Ponieważ substancja jest dość stabilna i łatwo rozpuszczalna w wodzie, migruje do wód gruntowych i tam się gromadzi.

2.5. Bioakumulacja

Jeśli substancja zanieczyszczająca środowisko nie może przedostać się do organizmu, zwykle nie stanowi ona istotnego zagrożenia dla organizmu. Jednakże, gdy znajdą się w środowisku wewnętrznym, wiele ksenobiotyków może gromadzić się w tkankach (patrz rozdział UToksykokinetyka). Proces, w którym organizmy gromadzą substancje toksyczne poprzez ekstrakcję ich z fazy abiotycznej (woda, gleba, powietrze) i z pożywienia (transfer troficzny), nazywany jest bioakumulacją. Skutkiem bioakumulacji są szkodliwe skutki zarówno dla samego organizmu (osiągając szkodliwe stężenia w krytycznych tkankach), jak i dla organizmów wykorzystujących ten gatunek biologiczny jako pokarm.

Najlepsze warunki do bioakumulacji związków zapewnia środowisko wodne. Żyją tu niezliczone organizmy wodne, które filtrują i przepuszczają ogromne ilości wody, wydobywając jednocześnie substancje toksyczne, które mogą się kumulować. Hydrobionty gromadzą substancje w stężeniach czasami tysiące razy większych niż te występujące w wodzie.

Czynniki wpływające na bioakumulację

Skłonność substancji ekotoksycznych do bioakumulacji zależy od wielu czynników. Pierwszym z nich jest trwałość ksenobiotyku w środowisku. O stopniu akumulacji substancji w organizmie ostatecznie decyduje jej zawartość w środowisku. Substancje, które są szybko eliminowane, zazwyczaj nie kumulują się dobrze w organizmie. Wyjątkiem są warunki, w których substancja zanieczyszczająca jest stale wprowadzana do środowiska (regiony w pobliżu zakładów przemysłowych itp.).

Zatem kwas cyjanowodorowy, choć jest związkiem toksycznym, ze względu na swoją dużą lotność, w opinii wielu ekspertów, nie jest potencjalnie niebezpieczną substancją zanieczyszczającą środowisko. To prawda, że ​​do tej pory nie można było całkowicie wykluczyć, że niektóre rodzaje chorób i zaburzenia ciąży u kobiet mieszkających w pobliżu przedsiębiorstw wydobywających złoto, gdzie cyjanek jest używany w ogromnych ilościach, nie są związane z przewlekłym działaniem tej substancji.

Po przedostaniu się substancji do organizmu o ich losie decydują procesy toksykokinetyczne (patrz odpowiednia sekcja). Największą zdolność do bioakumulacji mają substancje rozpuszczalne w tłuszczach (lipofilowe), które wolno metabolizują w organizmie. Głównym miejscem długotrwałego odkładania się ksenobiotyków jest z reguły tkanka tłuszczowa. Zatem wiele lat po ekspozycji w próbkach biopsyjnych tkanki tłuszczowej i osocza krwi pobranych od weteranów armii amerykańskiej, którzy brali udział w wojnie w Wietnamie, stwierdzono wysoki poziom TCDD. Jednakże wiele substancji lipofilowych ma skłonność do sorpcji na powierzchniach różnych cząstek osadzonych z wody i powietrza, co zmniejsza ich biodostępność. Na przykład sorpcja benzpirenu przez kwasy humusowe trzykrotnie zmniejsza zdolność substancji toksycznej do bioakumulacji w tkankach ryb. Ryby ze zbiorników wodnych o niskiej zawartości cząstek zawieszonych w wodzie gromadzą więcej DDT niż ryby ze zbiorników eutroficznych o dużej zawartości zawiesiny.

Substancje metabolizowane w organizmie kumulują się w mniejszych ilościach, niż można by się spodziewać na podstawie ich właściwości fizykochemicznych. Różnice międzygatunkowe w wartościach czynników bioakumulacji ksenobiotyków w dużej mierze zdeterminowane są gatunkowo-specyficznymi cechami ich metabolizmu.

Wartość bioakumulacyjna

Bioakumulacja może być przyczyną nie tylko przewlekłych, ale także opóźnionych ostrych skutków toksycznych. Zatem szybka utrata tłuszczu, w którym zgromadziła się duża ilość substancji, prowadzi do uwolnienia substancji toksycznej do krwi. Mobilizację tkanki tłuszczowej u zwierząt często obserwuje się w okresie lęgowym. W regionach niesprzyjających ekologicznie może temu towarzyszyć masowa śmierć zwierząt po osiągnięciu dojrzałości płciowej. Trwałe zanieczyszczenia mogą być także przenoszone na potomstwo, u ptaków i ryb – z zawartością woreczka żółtkowego, u ssaków – z mlekiem matki karmiącej. W takim przypadku możliwe jest wystąpienie u potomstwa skutków, które nie manifestują się u rodziców.

2.6. Biomagnifikacja

Substancje chemiczne mogą przemieszczać się w łańcuchach pokarmowych od organizmów będących ofiarami do organizmów konsumpcyjnych. W przypadku substancji silnie lipofilowych ruchowi temu może towarzyszyć wzrost stężenia substancji toksycznej w tkankach każdego kolejnego organizmu – ogniwa łańcucha pokarmowego. Zjawisko to nazywa się biomagnifikacją. W ten sposób DDT użyto do zabicia komarów na jednym z kalifornijskich jezior. Po zabiegu poziom pestycydów w wodzie wynosił 0,02 części na milion (ppm). Po pewnym czasie oznaczono DDT w planktonie w stężeniu 10 ppm, w tkankach ryb planktonożernych – 900 ppm, ryb drapieżnych – 2700 ppm, ptaków żywiących się rybami – 21 000 ppm. Oznacza to, że zawartość DDT w tkankach ptaków, które nie były bezpośrednio narażone na działanie pestycydu, była 1 000 000 razy wyższa niż w wodzie i 20 razy wyższa niż w ciele ryb, będących pierwszym ogniwem łańcucha pokarmowego.

We wspomnianej już książce Rachelle Carson Cicha wiosna podany jest taki przykład. W celu zwalczania wektora holenderskiej choroby F, która atakuje wiązy, biel wiązu Scolytes multistriatus, drzewa traktowano DDT. Część pestycydów trafiła do gleby, gdzie została wchłonięta przez dżdżownice i zgromadziła się w tkankach. Wędrujące drozdy, które żywią się głównie dżdżownicami, spowodowały zatrucie pestycydami. Część z nich zmarła, inne miały upośledzoną funkcję rozrodczą – składały sterylne jaja. W rezultacie zwalczanie chorób drzew doprowadziło do niemal całkowitego wyginięcia drozdów wędrownych w kilku regionach Stanów Zjednoczonych.

3. Ekotoksykodynamika

3.1. Pojęcia ogólne

Ekotoksykodynamika to dział ekotoksykologii zajmujący się badaniem specyficznych mechanizmów rozwoju i form procesu toksycznego wywołanego działaniem ekotoksykantów na biocenozę i/lub poszczególne gatunki ją tworzące.

Mechanizmy, dzięki którym substancje mogą powodować niekorzystne skutki w biogeocenozach, są liczne i prawdopodobnie unikalne w każdym konkretnym przypadku. Jednocześnie można je klasyfikować. Można zatem wyróżnić bezpośrednie, pośrednie i mieszane działanie ekotoksykantów.

Działanie bezpośrednie to bezpośrednie uszkodzenie organizmów określonej populacji lub kilku populacji (biocenoza) przez ekotoksynę lub zestaw ekotoksykantów o danym ksenobiotycznym profilu środowiska. Przykładem substancji o podobnym mechanizmie działania u człowieka jest kadm. Metal ten kumuluje się w organizmie już przy minimalnej jego zawartości w środowisku, a po osiągnięciu krytycznego stężenia inicjuje proces toksyczny, objawiający się uszkodzeniem układu oddechowego, nerek, immunosupresją i karcynogenezą.

Pośredni to wpływ ksenobiotycznego profilu środowiska na biotyczne lub abiotyczne elementy siedliska populacji, w wyniku którego warunki i zasoby środowiska przestają być optymalne dla jego istnienia.

Wiele substancji toksycznych może mieć zarówno skutki bezpośrednie, jak i pośrednie, tj. akcja mieszana. Przykładem substancji o mieszanym mechanizmie działania ekotoksycznego są w szczególności herbicydy 2,4,5-T i 2,4-D, które zawierają niewielką ilość 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p- dioksyny (TCDD) jako zanieczyszczenie. Powszechne stosowanie tych substancji przez armię amerykańską w Wietnamie spowodowało znaczne szkody dla flory i fauny kraju oraz bezpośrednio dla zdrowia ludzi.

3.2. Ekotoksyczność

Ekotoksyczność to zdolność danego ksenobiotycznego profilu środowiska do wywoływania niekorzystnych skutków w odpowiadającej mu biocenozie. W przypadkach, gdy naruszenie naturalnego profilu ksenobiotycznego wiąże się z nadmierną akumulacją tylko jednej substancji zanieczyszczającej w środowisku, warunkowo można mówić o ekotoksyczności tylko tej substancji.

Zgodnie z ideą poziomów organizacji systemów biologicznych w ekologii zwyczajowo wyróżnia się trzy sekcje (G.V. Stadnitsky, A.I. Rodionov, 1996):

Autekologia - opis skutków środowiskowych na poziomie organizmu;

Demekologia - skutki środowiskowe na poziomie populacji;

Synekologia - efekty na poziomie biocenozy.

W związku z tym wskazane jest rozważenie niekorzystnych skutków ekotoksycznych:

Na poziomie organizmu (authekotoksyczny) - objawiający się spadkiem odporności na inne aktywne czynniki środowiskowe, spadkiem aktywności, chorobami, śmiercią organizmu, karcynogenezą, zaburzeniami rozrodu itp.

Na poziomie populacji (demekotoksyczne) - objawiają się śmiercią populacji, wzrostem zachorowalności, śmiertelności, spadkiem liczby urodzeń, wzrostem liczby wrodzonych wad rozwojowych, naruszeniem cech demograficznych (wiek, stosunek płci itp.), zmiany średniej długości życia, degradacja kulturowa.

Na poziomie biogeocenozy (synekotoksyczności) - objawiają się zmianą spektrum populacyjnego cenozy, aż do zaniku poszczególnych gatunków i pojawienia się nowych, nie charakterystycznych dla danej biocenozy, naruszeniem relacji międzygatunkowych .

W przypadku oceny ekotoksyczności tylko jednej substancji w stosunku do przedstawicieli tylko jednego gatunku istot żywych należy uwzględnić cechy jakościowe i ilościowe przyjęte w toksykologii klasycznej (wartości toksyczności ostrej, podostrej, przewlekłej, dawki i stężenia powodujące działanie mutagenne, skutki rakotwórcze i inne rodzaje skutków itp.). Jednakże w bardziej złożonych systemach ekotoksyczności nie mierzy się (ilościowo) w liczbach; charakteryzuje się ona szeregiem wskaźników jakościowych lub półilościowych, poprzez koncepcje zagrożenia lub ryzyka dla środowiska.

W zależności od czasu działania ekotoksykantów na ekosystem możemy mówić o ekotoksyczności ostrej i przewlekłej.

3.2.1. Ostra ekotoksyczność

Ostre toksyczne działanie substancji na biocenozę może być konsekwencją wypadków i katastrof, którym towarzyszy uwolnienie do środowiska dużych ilości stosunkowo niestabilnych substancji toksycznych lub niewłaściwe użycie środków chemicznych.

Historia zna już takie wydarzenia. I tak w 1984 roku w Bhopalu (Indie) doszło do wypadku w zakładzie amerykańskiej firmy chemicznej produkującej pestycydy Union Carbide. W rezultacie do atmosfery uwolniono dużą ilość substancji pulmonotropowej, izocyjanianu metylu. Będąc lotną cieczą, substancja ta utworzyła niestabilne ognisko infekcji. Jednak otruto około 200 tysięcy osób, z czego 3 tysiące zmarło. Główną przyczyną zgonów jest ostry obrzęk płuc.

Inny dobrze znany przypadek ostrej katastrofy toksyczno-ekologicznej miał miejsce w Iraku. Rząd tego stanu zakupił dużą partię zboża jako materiał siewny. W celu zwalczania szkodników ziarno traktowano środkiem grzybobójczym metylortęcią. Jednak ta partia zboża przypadkowo trafiła do sprzedaży i służyła do wypieku chleba. W wyniku tej katastrofy ekologicznej zatruto ponad 6,5 tys. osób, z czego około 500 zmarło.

W 2000 roku w Rumunii w jednym z przedsiębiorstw wydobywających metale szlachetne w wyniku wypadku wyciekł kwas cyjanowodorowy i produkty zawierające cyjanek. Substancje toksyczne przedostały się do wód Dunaju w ogromnych ilościach, zatruwając wszystkie żyjące istoty w promieniu setek kilometrów w dół rzeki.

Największą katastrofą ekologiczną jest użycie wysoce toksycznych chemikaliów do celów wojskowych. Podczas I wojny światowej walczące kraje zużyły na polach bitew około 120 tysięcy ton toksycznych substancji. W rezultacie zatruto ponad 1,3 miliona ludzi, co można uznać za jedną z największych katastrof ekologicznych w historii ludzkości.

Ostra ekotoksyczność nie zawsze powoduje śmierć lub ostrą chorobę u narażonych ludzi lub innych gatunków. I tak, wśród środków chemicznych stosowanych podczas I wojny światowej znalazł się iperyt siarkowy. Substancja ta, będąc czynnikiem rakotwórczym, powodowała późną śmierć osób dotkniętych nowotworami.

3.2.2. Przewlekła ekotoksyczność

Efekty subletalne są zwykle związane z przewlekłą toksycznością substancji. Często oznacza to upośledzenie funkcji rozrodczych, zmiany odporności, patologię endokrynologiczną, wady rozwojowe, alergizację itp. Jednakże przewlekłe narażenie na substancję toksyczną może również prowadzić do śmierci osobników niektórych gatunków.

Objawy działania ekotoksykantów na człowieka mogą być bardzo zróżnicowane i przy pewnych poziomach intensywności narażenia okazują się dość specyficzne dla czynnika aktywnego.

Mechanizmy ekotoksyczności

Współczesna literatura dostarcza licznych przykładów mechanizmów działania chemikaliów na przyrodę ożywioną, pozwalając docenić ich złożoność i nieoczekiwanie.

1. Bezpośrednie działanie substancji toksycznych, prowadzące do masowej śmierci przedstawicieli gatunków wrażliwych. Stosowanie skutecznych pestycydów prowadzi do masowego wymierania szkodników: owadów (insektycydy) lub chwastów (herbicydy). Strategia stosowania chemikaliów opiera się na efekcie ekotoksycznym. Jednak w niektórych przypadkach odnotowuje się towarzyszące zjawiska negatywne. Tak więc w Szwecji w latach 50-60. Dicyjanamid metylortęciowy był szeroko stosowany do zaprawiania nasion zbóż. Stężenie rtęci w ziarnie przekraczało 10 mg/kg. Okresowe dziobanie marynowanego ziarna przez ptaki doprowadziło do tego, że kilka lat później doszło do masowej śmierci bażantów, gołębi, kuropatw i innych ptaków ziarnożernych w wyniku przewlekłego zatrucia rtęcią.

Oceniając sytuację środowiskową, należy pamiętać o podstawowym prawie toksykologii: wrażliwość różnych typów organizmów żywych na chemikalia jest zawsze inna. Dlatego pojawienie się w środowisku substancji zanieczyszczającej, nawet w małych ilościach, może być szkodliwe dla przedstawicieli najbardziej wrażliwych gatunków. Zatem chlorek ołowiu zabija rozwielitki w ciągu 24 godzin, gdy jest zawarty w wodzie w stężeniu około 0,01 mg/l, co stanowi niewielkie zagrożenie dla przedstawicieli innych gatunków.

2. Bezpośrednie działanie ksenobiotyku, prowadzące do rozwoju warunków alobiotycznych i specjalnych form procesu toksycznego. Pod koniec lat 80. w Morzu Bałtyckim, Północnym i Irlandzkim w wyniku infekcji wirusowych zginęło około 18 tysięcy fok. W tkankach martwych zwierząt stwierdzono wysoki poziom polichlorowanych bifenyli (PCB). Wiadomo, że PCB, podobnie jak inne związki zawierające chlor, takie jak DDT, heksachlorobenzen, dieldryna, działają immunosupresyjnie na ssaki. Ich kumulacja w organizmie doprowadziła do zmniejszenia odporności fok na infekcje. Tym samym, nie powodując bezpośrednio śmierci zwierząt, substancja zanieczyszczająca znacznie zwiększyła ich wrażliwość na działanie innych, niekorzystnych czynników środowiskowych.

Klasycznym przykładem tej formy efektu ekotoksycznego jest wzrost liczby nowotworów i spadek zdolności rozrodczych w populacjach ludzi zamieszkujących regiony skażone ekotoksykami (terytoria Wietnamu Południowego – dioksyny).

3. Embriotoksyczne działanie ekozanieczyszczeń. Powszechnie wiadomo, że DDT gromadzący się w tkankach ptaków, takich jak krzyżówki, rybołów, bielik itp., prowadzi do ścieńczenia skorupek jaj. W rezultacie pisklęta nie mogą się wykluć i umrzeć. Towarzyszy temu spadek populacji ptaków.

Przykłady toksycznego działania różnych ksenobiotyków (w tym leków) na zarodki ludzi i ssaków są powszechnie znane (patrz rozdział UTeratogeneza).

4. Bezpośrednie działanie produktu biotransformacji substancji zanieczyszczającej o niezwykłym działaniu. Obserwacje terenowe ryb żyworodnych (Carptooths) w stanie Floryda pozwoliły zidentyfikować populacje z dużą liczbą samic z wyraźnymi oznakami maskulinizacji (dziwne zachowanie, modyfikacja płetwy odbytowej itp.). Populacje te znaleziono w rzece poniżej zakładu przetwórstwa orzechów. Początkowo zakładano, że ścieki zawierają substancje maskulinizujące. Badania wykazały jednak, że w emisjach nie ma takich substancji: ścieki nie powodowały maskulinizacji. Ustalono ponadto, że ścieki zawierały fitosteron (powstały podczas przetwarzania surowców), który po dostaniu się do wody rzecznej został narażony na działanie żyjących tu bakterii i przy ich udziale został przekształcony w androgen. To ostatnie wywołało niekorzystny efekt.

Ekotoksykometria

Metodologia ogólna

Ekotoksykometria jest działem ekotoksykologii, w ramach którego rozważa się techniki metodologiczne pozwalające na ocenę (prospektywną lub retrospektywną) ekotoksyczności ksenobiotyków.

Do określenia ekotoksyczności ksenobiotyków wykorzystuje się w pełni wszystkie rodzaje klasycznych ilościowych badań toksykologicznych (patrz rozdział UToksykometria).

Toksyczność ostrą ekozanieczyszczeń określa się doświadczalnie na kilku gatunkach reprezentujących różne poziomy organizacji troficznej w ekosystemie (glony, rośliny, bezkręgowce, ryby, ptaki, ssaki). Ustalając kryteria jakości wody zawierającej daną substancję toksyczną, Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska wymaga określenia jej toksyczności na co najmniej 8 różnych gatunkach organizmów słodkowodnych i morskich (16 testów).

Wielokrotnie podejmowano próby uszeregowania gatunków istot żywych według ich wrażliwości na ksenobiotyki. Jednakże dla różnych substancji toksycznych stosunek wrażliwości istot żywych na nie jest inny. Co więcej, wykorzystanie w ekotoksykologii gatunków standardowych przedstawicieli określonych poziomów organizacji ekologicznej do określenia ekotoksyczności ksenobiotyków z naukowego punktu widzenia nie jest prawidłowe, ponieważ wrażliwość zwierząt, nawet gatunków blisko spokrewnionych, czasami bardzo się różni znacznie.

Oceniając ekotoksyczność, należy wziąć pod uwagę, że chociaż prawie wszystkie substancje mogą powodować ostre skutki toksyczne, nie w każdym związku stwierdza się toksyczność przewlekłą. Pośrednią wielkością wskazującą stopień zagrożenia substancji podczas jej przewlekłego działania jest stosunek stężeń powodujących skutki ostre (LC50) i przewlekłe (próg działania toksycznego). Jeżeli ten stosunek jest mniejszy niż 10, substancję uważa się za substancję stwarzającą niskie ryzyko w przypadku narażenia przewlekłego.

Oceniając przewlekłą ekotoksyczność substancji, należy wziąć pod uwagę następujące okoliczności:

1. Określenie współczynnika zagrożenia to dopiero pierwszy krok w określeniu potencjału ekotoksycznego substancji. W warunkach laboratoryjnych określa się progowe stężenia chronicznego działania substancji toksycznych, oceniając śmiertelność, wzrost i zdolności reprodukcyjne grupy. Badanie innych skutków przewlekłego narażenia na substancje może czasami prowadzić do różnych charakterystyk liczbowych.

2. Badania toksyczności przeprowadza się na zwierzętach odpowiednich do warunków laboratoryjnych. Otrzymanych wyników nie można uważać za absolutne. Substancje toksyczne mogą powodować skutki przewlekłe u niektórych gatunków, ale nie u innych.

3. Interakcja substancji toksycznej z biotycznymi i abiotycznymi elementami środowiska może znacząco wpłynąć na jej toksyczność w warunkach naturalnych (patrz wyżej). Jednak nie można tego badać pod pewnymi warunkami

Efekt toksyczny Substancje szkodliwe powstają w wyniku interakcji organizmu, substancji szkodliwej i środowiska. Działanie różnych substancji zależy od ilości substancji wchodzącej do organizmu, jej właściwości fizykochemicznych, czasu przyjmowania i reakcji chemicznych zachodzących w organizmie.

Działanie toksyczne zależy od cech biologicznych gatunku, płci, wieku i indywidualnej wrażliwości organizmu, budowy i właściwości fizykochemicznych trucizny, ilości

substancje, które dostały się do organizmu, czynniki środowiskowe (temperatura, ciśnienie atmosferyczne itp.).

Zatem rozgałęzienie łańcucha atomów węglowodorów osłabia działanie toksyczne w porównaniu z izomerami nierozgałęzionymi.Wprowadzenie grupy hydroksylowej do cząsteczki osłabia toksyczność (alkohole są mniej toksyczne niż odpowiadające im węglowodory). Wprowadzenie halogenu do cząsteczki związku organicznego zwiększa jego toksyczność itp.

Wrażliwość gatunków na trucizny różnych organizmów jest bardzo różna, co wynika z charakterystyki metabolizmu, masy ciała itp. Istnieje pewna różnica w powstawaniu efektu toksycznego w zależności od płci: u kobiet występuje większa wrażliwość na działanie rozpuszczalników organicznych, a człowieka na związki boru i manganu. Niektóre trucizny są bardziej toksyczne dla młodych, inne są bardziej toksyczne dla osób starszych. Indywidualna wrażliwość zależy od stanu zdrowia.

W niektórych przypadkach przerywany(przerywane) działanie trucizny wzmaga efekt toksyczny. Wzrost fizjologicznego działania na organizm człowieka obserwuje się wraz ze wzrostem temperatury, wilgotności i ciśnienia barometrycznego. Przy znacznym wysiłku fizycznym obserwuje się wzrost wentylacji płuc, co prowadzi do intensywnej dystrybucji substancji toksycznej w organizmie. Hałas i wibracje mogą również zwiększyć efekt toksyczny.

Ogólna klasyfikacja toksykologiczna trucizn przemysłowych obejmuje następujące rodzaje wpływu na organizmy żywe:

- ogólnie toksyczny (śpiączka, obrzęk mózgu, drgawki): alkohol i jego substytuty, tlenek węgla;

- środek nerwowy (drgawki, paraliż): nikotyna, niektóre pestycydy, środki chemiczne;

- resorpcyjne dla skóry (lokalne zapalenie w połączeniu z ogólnymi zjawiskami toksycznymi): esencja octowa, dichloroetan, arsen;

- duszący(toksyczny obrzęk mózgu): tlenki azotu, niektóre środki chemiczne;

- wywołujący łzy i drażniący (podrażnienie błon śluzowych oczu, nosa, gardła): opary mocnych kwasów i zasad;

^100- psychotropowe(upośledzona aktywność umysłowa, świadomość): narkotyki, atropina;

- uwrażliwiający (alergie): formaldehyd, rozpuszczalniki, lakiery;

- mutagenne(naruszenie kodu genetycznego, zmiana informacji dziedzicznej): ołów, mangan, izotopy promieniotwórcze;

- rakotwórczy(powodują nowotwory złośliwe): chrom, nikiel, azbest;

- teratogenne(wpływają na funkcje rozrodcze i rozrodcze): rtęć, ołów, styren, kwas borowy.

Trzy ostatnie rodzaje narażenia na substancje szkodliwe – mutagenne, rakotwórcze i teratogenne – zaliczane są do długoterminowych skutków oddziaływania związków chemicznych na organizm. Jest to specyficzny efekt, który objawia się nie w okresie narażenia i nie bezpośrednio po jego zakończeniu, ale w odległych okresach, latach, a nawet dekadach później. Pojawienie się różnych skutków obserwuje się w kolejnych pokoleniach, szczególnie w przypadku substancji o właściwościach mutagennych.

Ponadto trucizny mają również selektywną toksyczność, tj. stwarzają największe zagrożenie dla określonego narządu lub układu organizmu. Według selektywnej toksyczności wyróżnia się trucizny:

- wpływający na serce. Należą do nich wiele leków, trucizny roślinne, sole metali (bar, potas);

- wpływający na układ nerwowy i powodujące zaburzenia aktywności umysłowej. Są to alkohol, narkotyki, tlenek węgla, niektóre pestycydy;

- gromadzący się w wątrobie. Wśród nich należy wyróżnić chlorowane węglowodory, grzyby trujące, fenole i aldehydy;

- gromadzący się w nerkach. Są to związki metali ciężkich, glikol etylenowy, kwas szczawiowy;

- wpływający na krew. Są to anilina i jej pochodne, azotyny;

- wpływający na płuca. Są to tlenki azotu, ozon, fosgen;

- gromadzi się w kościach oraz wpływający na tworzenie krwi – stront.

W przypadku dużej grupy aerozoli (pyłów), które nie mają wyraźnej toksyczności, należy zwrócić uwagę efekt fibrogenny wpływ na organizm. Należą do nich aerozole węgla, koksu, sadzy diamentowej, pyły pochodzenia zwierzęcego i roślinnego, pyły krzemianowe i zawierające krzem, aerozole rozpadu i kondensacji metali.

Dostając się do układu oddechowego, substancje z tej grupy uszkadzają błonę śluzową górnych dróg oddechowych, co prowadzi do rozwoju zapalenia oskrzeli. Zalegający w płucach pył powoduje zwyrodnienie tkanki płucnej w tkankę łączną i bliznowacenie (zwłóknienie) płuc. Choroby zawodowe związane z narażeniem na aerozole - pylica płuc i przewlekłe pyłowe zapalenie oskrzeli - zajmują drugie miejsce pod względem częstotliwości wśród wszystkich chorób zawodowych w Rosji.

Obecność efektu fibrogenicznego nie wyklucza ogólnego toksycznego działania aerozoli. Do toksycznych pyłów zaliczają się aerozole pestycydów DDT, ołowiu, berylu, arsenu itp. Po przedostaniu się do układu oddechowego, oprócz miejscowych zmian w górnych drogach oddechowych, rozwija się obraz zatrucia ostrego i przewlekłego.

W produkcji rzadko spotyka się izolowane działanie szkodliwych substancji, zwykle pracownik jest narażony na łączne działanie negatywnych czynników o różnym charakterze (fizyczne, chemiczne, czynniki dotkliwości i pracochłonności) lub łączny wpływ czynników o tym samym charakterze na przykład grupa substancji chemicznych. Połączone działanie- jest to równoczesny lub sekwencyjny wpływ na organizm kilku trucizn tą samą drogą wejścia. Istnieje kilka rodzajów łącznego działania trucizn w zależności od skutków toksyczności: