N
Рис. 2.31 Схема реагирования живого орга низма на изменение концентраций химиче ских веществ, являющихся компонентами внутреннего круговорота
Рис. 2*.4; Схема, реагирования живого орга низма на изменение концентраций' химиче ских веществ, не участвующих во* внутрен нем круговороте
Ситуацию осложняют синергические эффекты, обнаруженные совсем недавно. Ядохимикаты редко встречаются по отдельности. Два и более этих агентов вместе дают эффект, во много раз превосходящий сумму действий каждого из них. Это явление называют синергизмом.
К особо опасным отходам, шш ядохимикатам принадлежат главным об разом искусственные вещества,, в природе не встречающиеся. Основные из них - тяжелые металлы и синтетические органические соединения.
Для того чтобы оценить степень опасности при изменении химического состава окружающей среда, рассмотрим отклик живого организма на изме нение концентрации двух типов химических веществ. Первый тип - это веще ства, которые являются компонентами внутреннего кругооборота, т.е. в тех или иных количествах необходимы организму. Если на границе по вертикаль ной оси откладывать отклик организма (N) (в относительных единицах; N = 1 соответствует норме), а по горизонтальной - концентрацию выбранного ве щества (С), то эта зависимость будет выглядеть, как плато (рис. 2.3).
Существует диапазон концентраций вещества, в пределах которого ор ганизм нормально функционирует. На рис. 2.3 это отрезок 1-2, так называ емое плато приспособляемости (плато гомеостаза), или, что то же самое, по ле устойчивости организма по отношению к концентрации данного вещест ва. Если концентрация вещества мала - отрезок 0-1, то его в организме не хватает, реакция отрицательная (ниже нормы). То же самое происходит, ес ли вещества поступает в организм больше, чем требуется (больше, чем кон центрация в точке 2 на рис. 2.3).
Отклик организма на вещества второго типа показан на рис. 2.4. Веще ства второго типа не участвуют во внутреннем кругообороте, т.е. в нор мальных условиях они не должны попадать в организм. Такие вещества на зываются ксенобиотиками. Степень вредности этих веществ для организма, которую называют токсичностью, может быть различной. К некоторым из них организм приспосабливается (кривая а), т.е. введение некоторого ко личества такого ксенобиотика в организм не снижает его жизненных функ ций. В этом смысле такие вещества похожи на вещества первого типа с тем отличием, что плато приспособляемости для них начинается сразу с нулевой концентрации. В пределах плато приспособляемости (отрезок 1-2) они не
вредят организму, организм как бы терпит их присутствие, однако с увели
чением концентрации отклик становится негативным.
Многие ксенобиотики угнетающе действуют на организм при любых концентрациях (кривые б, в на рис. 2.4). Наличие их в организме в любых сколько-угодно малых количествах вызывает отрицательный отклик, поэ тому на кривых б и в нет такого плато приспособляемости. Если сравнивать токсичность ксенобиотиков типа а и типа б или в, то в первом случае ток сичность проявляется только после точки 2. Итак, токсичность - это свой ство которое зависит от концентрации. Для веществ, характеризующихся кривыми бив, токсичность больше у последнего, так как кривая отклика у него спадает более круто. Таким образом, собственно токсичность можно определить как крутизну кривой отклика при данном значении концентра ции, т.е. по значению производной отклика по концентрации, взятой с отри цательным знаком (-dN/dC). Отсюда следует, что токсичность одного и то го же вещества не является постоянной величиной, а зависит от различных факторов, в первую очередь от концентрации этого вещества в организме.
Приведенные кривые отклика позволяют выделить два основных типа
токсичных веществ:
1. Абсолютно токсинные - вещества, токсичные при любых концент рациях (кривые б и в на рис. 2.4). К абсолютно токсичным веществам отно сятся только ксенобиотики.
2. Ограниченно токсичные - все остальные химические вещества. Для них существует плато приспособляемости. Среди них могут быть как веще ства, участвующие во внутреннем кругообороте организма, так и ксенобио тики (тип а на рис. 2.4). Для ограниченно токсичных веществ можно ввести концентрацию, которая определяет величину плато приспособляемости, на чиная с которой они проявляют токсичные свойства. Эта концентрация со ответствует точке 2 на рис. 2.3,2.4 и называется предельно допустимой кон центрацией (ПДК). ПДК - это количественный критерий токсичности, по казывающий устойчивость организма по отношению к данному веществу. Чем выше ПДК, тем выше эта устойчивость (или больше величина поля ус тойчивости). Для абсолютно токсичных веществ ПДК равна нулю, поэтому по отношению к ним организм не имеет поля устойчивости.
Кроме ПДК, существует довольно много иных способов дать количест венное определение токсичности. Рассмотрим их более подробно.
Прежде всего отметим, что изучение токсичности на одном, отдельно взя том организме не имеет никакого смысла. Каждый организм имеет индивиду альные особенности, иногда значительные. Поэтому выводы, сделанные для одного организма, могут оказаться непригодными для другого. Значит, коли чественные критерии можно изучать только методами статистики на заведо мо достаточной выборке организмов одного и того же рода. Понятно, что це ленаправленные опыты по определению токсичности ставятся на животных, по реакциям на внешнее воздействие наиболее похожих на человека.
Количественные критерии токсичности чаще всего характеризуются ли о дозой, т.е. количеством вещества в расчете на организм или на едини
цу массы организма, либо концентрацией вещества в воздухе, воде или пи ще, поступающих в организм.
Допустимая суточная доза (ДСД) - количество вещества, поступаю-
Гпе„ Г РГаНИЗМ 33 СУ™И В течение среднего срока жизни и не вызывающее видимых последствий.
Пороговая доза (ПД), или пороговая концентрация (ПК), - может быть определена для однократного введения вещества в организм, которое назы вается острым воздействием, или для многократного введения, называемо го хроническим. В обоих случаях это количество вещества (или его концен трация), вызывающее наблюдаемые (явные), но обратимые изменения.
Летальная доза (ЛД), или летальная концентрация (ЛК), - количество вещества, вызывающее гибель организма. Учитывая, что все критерии ток сичности носят статистический характер, летальную дозу представляют в одном из двух вариантов:
- летальная доза 100%-ной гибели - ЛДюо (летальная концентрация 100%-ной гибели ЛК100) - доза (концентрация), при которой гибнет 100% ис пытуемых животных;
- летальная доза 50%-ной гибели - ЛД50 (и соответственно ЛК50) - доза (концентрация), при которой гибнет 50% животных.
Приведем примеры ЛД100 для некоторых веществ: цианистый калий KCN —10 мг/кг;
стрихнин - 0,5 мг/кг; природные растительные яды, содержащиеся в микроводорослях и ко
раллах:
майтотоксин - 2 • 1СИ мг/кг; палитоксин - 5 1(Н мг/кг.
Чем больше ЛД|Ш, тем менее токсично вещество, поэтому природные растительные яды оказываются во много раз более токсичными, чем всем известные яды - цианистый калий и стрихнин.
При одинаковых значениях ЛД вещество тем токсичнее, чем быстрее наступает гибель организма. Поэтому дополнительно к летальным дозам (или концентрациям) вводят временною характеристику - время 100%-ной гибели Г100 или время 50%-ной гибели tx .
Кроме указанных, вводят дополнительные критерии токсичности:
- величина зоны острого (хронического) токсичного действия - это от ношение ЛДя/ПД при остром (хроническом) воздействии. Чем эта величи на больше, тем безопаснее вещество;
- коэффициент возможного ингаляционного отравления - это мера эф фективной токсичности, равная отношению максимально достижимой кон центрации вещества в воздухе при 20 °С к средней смертельной концентра ции при времени действия 120 мин.
Приведенные количественные критерии токсичности призваны обеспе чить систематизацию веществ по степени их опасности для человека. Одна ко их определение встречается с рядом трудностей, связанных с самим объ ектом изучения. Ведь речь идет о функционировании живых организмов, которое зависит от многочисленных внешних и внутренних факторов. Пе речислим некоторые, самые распространенные трудности, возникающие при определении различных доз или концентраций.
1. Критерии определяются при изучении влияния данного вещества на животных, а затем с учетом поправок переносятся на человека. Однако пол ностью учесть отличия в реакциях человека и животных на введение данно го вещества вряд ли возможно, поэтому любые количественные характери стики токсичности часто имеют оценочный характер.
2. При попадании в организм сразу нескольких токсичных веществ ино гда происходит усиление влияния какого-либо из них или даже каждого (си-
Таблица 2 2 4
Количественные характеристики классов опасности токсичных веществ
Показатель |
|
Класс опасности |
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
II |
III |
IV |
ПДК в воздухе рабочей зоны, мг/м3 |
<0,1 |
0,1-1 |
1,1-10 |
>10 |
Средняя смертельная доза, мг/кг, |
|
|
|
|
при попадании: |
|
|
|
|
в желудок |
<15 |
15-150 |
151-5000 |
>5000 |
на кожу |
<100 |
100-500 |
501-2500 |
>2500 |
ЛК50в воздухе, мг/м3 |
<500 |
500-5000 |
5001-50000 |
>50000 |
Коэффициент возможного |
>300 |
300-30 |
29-3 |
<3 |
ингаляционного отравления |
|
|
|
|
Зона острого действия, м |
<6,0 |
6,0-18,0 |
18,1-54,0 |
>54,0 |
Зона хронического действия, м |
> 10,0 |
10,0-5,0 |
4,9-2,5 |
<2,5 |
Пороговая концентрация ПК, мг/м3 |
<0,01 |
0,01- 0,1 |
0,11- 1,0 |
> 1,0 |
острого действия |
||||
хронического действия |
>10 |
10-5 |
4,9-2,5 |
<2,5 |
нергический эффект). Учесть данный фактор количественно очень трудно, так как критерии токсичности для различных веществ при влиянии на один
итот же организм складываются неаддитивно.
3.Для определения заданного критерия, в частности летальной концен трации, необходимо измерить концентрацию токсичного вещества в тканях погибшего организма. Эта практическая задача далеко не всегда разрешима из-за требования обнаружения низких и сверхнизких концентраций.
Указанные трудности в определении количественных критериев токсич ности приводят к тому, что существует несколько способов систематизации и классификации токсичных веществ. В России в настоящее время принята классификация, которая включает четыре класса токсичных веществ по сте пени опасности для человека: класс I - чрезвычайно опасные; класс П - высо коопасные; класс П1умеренно опасные; класс IV - малоопасные. Количест венные критерии классов опасности приведены в табл. 2.24.
К особо опасным отходам, или ядохимикатам, относятся главным обра зом искусственные вещества. Основные из них - токсичные элементы и син тетические органические соединения.
Токсичные элементы. Ранее других были определены опасные для здоро вья свойства некоторых, в основном тяжелых, металлов. Поэтому отдельные литературные источники ограничивают перечень опасных веществ только этими металлами. В последнее время выявлены другие элементы, также об ладающие токсичными свойствами (легкие металлы - литий, бериллий, алю миний и др., металлоиды - мышьяк и др.). Поэтому правильнее обозначать эту группу опасных веществ общим определением “токсичные элементы”
Как уже говорилось, наиболее всесторонне изучено действие на живые ор ганизмы металлов. Металлы имеют большое значение в существовании живо го вещества. В физиологии микроорганизмов, растений и животных они игра ют двойную роль. Если какие-либо металлы не распространены в нормальном
Таблица 2.25
Необходимые для организма человека и животных ионы металлов
|
|
|
|
|
Ионы |
|
|
|
|
|
Na+ |
К+ |
Mg2* |
Са2+ |
|
Сг3+ |
Мо6* |
||
|
|
|
|
Форма нахождения при pH 7 |
|
|
|||
|
Na+ |
К* |
Mg2+ |
Са2+ |
Cr(OH)J |
МоО|" |
|||
Содержание в организме |
100г |
140 г |
95 г |
1100 г |
|
6 мг |
9 мг |
|
|
человека |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дневное потребление |
1-3 г |
2-5 г |
0,7 г |
0,8 г |
|
0,1 мг |
0,3 мг |
||
|
|
|
|
|
Ионы |
|
|
|
|
|
Мп2+ |
Fe3+ |
|
|
,2+ |
Со2* |
; 2+ |
Cu2+ |
Zn2+ |
Показатель |
|
|
Fe' |
Nr |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Форма нахождения при pH 7 |
|
|
|||
|
Mn2+ |
FeO(OH) |
|
Fe2+ |
Со2* |
; 2+ |
CuO |
Zn2+ |
|
|
|
Nr |
|||||||
Содержание в организме |
12 мг |
4-5 г |
|
4-5 г |
1 мг |
10 мг |
0,1 г |
2 г |
|
человека |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дневное потребление |
4 мг |
10-20 мг |
10-20 мг |
3 мкг |
Нет |
3 мг |
15 мг |
||
|
|
|
|
|
|
|
данных |
|
|
природном окружении, они становятся токсичными при сравнительно низких концентрациях. В водной среде эта токсичность заслуживает особого внима ния. С другой стороны, недостаток металла рассматривается обычно как неко торый фактор, ограничивающий продукцию живых организмов. Таким обра зом, загрязнение окружающей среды может действовать в двух направлениях: с одной стороны, устранять помехи в доступности нужных металлов; с другой - повышать поступление металлов до их токсичного уровня.
В зависимости от их поведения в живых организмах следует различать пять типов веществ. Необходимым для организмов считают вещество, при не достатке которого в организме возникают функциональные нарушения, уст раняемые путем введения в организм этого вещества. Необходимость - свой ство, зависящее от типа организма, и ее следует отличать от стимуляции. Из вестно много примеров, когда в качестве стимулятора выступают как необ ходимые, так и не необходимые ионы металлов. Некоторые металлы и ионы металлов при определенных концентрациях являются инертными^ безвредны ми и не оказывают какого-либо действия на организм. Поэтому инертные ме таллы - Та, Pt, Ag, Au - часто используют в качестве хирургических импланта тов. Многие ионы металлов могут служить терапевтическими azeumaMu\ из вестно использование соединений ртути против паразитов, карбоксилатов цинка против бактерий, вызывающих различные заболевания, лития при ма ниакальной депрессии. При высоких концентрациях большинство металлов становятся токсичными, причиняют вред организму, иногда необратимый.
Перечень ионов металлов, необходимых для организма человека и жи вотных, приведен в табл. 2.25.