Основные химические загрязнители. Экотоксические эффекты

Проблема химического загрязнения объектов биосферы рассматривается как проявление глобального экологического кризиса. Перечень известных химических соединений приближается к 20 млн наименований, из них десятки тысяч высокотоксичны, а у современного поколения людей не выработан механизм защиты от их агрессивного воздействия на организм. Ежегодная техногенная нагрузка на все объекты биосферы — сотни миллионов тонн химических веществ, являющихся отходами производственной, сельскохозяйственной и транспортной деятельности. Это свидетельствует о неэффективном использовании энергетических ресурсов, которые многие тысячелетия создавала природа. Не менее важно осознать, что нарастающее антропогенное рассеивание химических веществ не только меняет природный химический состав воздуха, воды, почвы и растений, но и вызывает загрязнение биосред организма, что является причиной появления многочисленных экопатогенных эффектов в здоровье населения. В рамках медицинской экологии прежде всего рассматривают группы химических загрязнителей, наиболее опасных для здоровья населения. Критерии такой опасности складываются из совокупности параметров, вытекающих из физико-химических свойств веществ: токсичность, мутагенные, канцерогенные и модифицирующие свойства, аллергическое и иммунотоксическое действие и пр.

Наиболее опасны для здоровья человека химические соединений, которые повсеместно распространены, устойчиво сохраняются в объектах окружающей среды, мигрируют по экологическим цепочкам, поступая в организм с воздухом, водой, продуктами питания. В перечне таких веществ — основные загрязнители атмосферного воздуха большого города (оксиды азота, серы, углерода, взвешенные вещества), тяжелые металлы, полихлорированные бифенилы, пестициды, полиароматические углеводороды и многие другие. Большинство из них высокотоксичны (1 — 2-й классы опасности), обладают политропным и специфическим действием на организм человека, вызывая самые тяжелые и отдаленные по времени мутагенные и канцерогенные эффекты.

Оксиды, взвешенные частицы. В атмосферном воздухе повсеместно присутствуют твердые взвешенные частицы, оксиды серы, азота, углерода, фенол, формальдегид. Эти химические соединения находятся под постоянным контролем стационарных постов гидрометеослужбы, которые оценивают их среднесуточные и максимальные концентрации в сравнении с соответствующими ПДК. По содержанию в атмосферном воздухе 5 — 7 соединений из этого перечня рассчитывают индекс загрязнения атмосферы в жилой зоне населенных пунктов, осуществляя мониторинг этого показателя. Оксиды серы SO2, SO3, азота NO, N02, монооксид углерода СО — «кислые» газы со специфическим, относительно однотипным характером влияния на органы дыхания. Вследствие образования слабых кислот при соприкосновении со слизистыми оболочками дыхательных путей они раздражают и прижигают слизистые, вызывая тем самым начальные морфологические повреждения эпителия и угнетение местного иммунитета. Чем менее растворимы газы, тем глубже они проникают в дыхательные пути. Оксиды, прежде всего диоксид серы, адсорбируются на твердых взвешенных частицах, глубина проникновения которых в организм зависит от их размеров: чем мельче частицы, тем больше их поступает в бронхи и альвеолы. Раздражение сопровождается выбросом гистаминов, что может приводить к бронхоспазмам, а в дальнейшем — к формированию астмоидного бронхита и бронхиальной астмы.

Кислые аэрозоли повреждают не только органы дыхания. Тонкая эпителиальная пленка слизистой дыхательных путей с обильным кровоснабжением не препятствует быстрому всасыванию загрязнителей в кровь и их распространению внутри организма. Повсеместное загрязнение атмосферного воздуха оксидами серы, азота, углерода — одна из причин гипоксии организма, поскольку поллютанты быстро соединяются с гемоглобином крови, образуя сульфагемоглобин, метгемоглобин, карбогемоглобин, блокируют тем самым доставку кислорода к органам и тканям.

На фоне гипоксии угнетаются окислительно-восстановительные процессы в головном мозге, внутренних органах (сердце, печени), мышцах тела. Практически все указанные оксиды оказывают полиморфное неблагоприятное действие на морфофункциональное состояние нервной, сердечно-сосудистой системы, органов пищеварения, органов зрения и слуха, они оказывают также гонадотропное и эмбриотоксическое действие. Твердые взвешенные частицы и оксиды раздражают и повреждают кожные покровы и слизистые оболочки глаза.

Нитриты и нитраты, поступая в организм, оказывают расширяющее действие на сосуды, вызывают понижение артериального давления. Выраженное нейротропное действие монооксида углерода при хроническом воздействии вызывает астеновегетативные явления, нарушение психики, токсическое поражение ткани щитовидной железы, может способствовать ее гиперплазии. Постоянное воздействие на население оксидов углерода, серы, азота и других загрязнителей создает предпосылки для снижения общей резистентности, работоспособности и в целом к хроническому популяционному утомлению, особенно в крупных промышленных городах.

При определенных погодных условиях (инверсии температуры, безветрие и пр.), которые снижают потенциал загрязнения атмосферы, в приземном слое атмосферы резко возрастает содержание «кислых» газов, прежде всего диоксида серы. Это природно-антропогенное явление печально известно как токсические смоги, токсические туманы. В эти периоды резко возрастает число людей, обращающихся за медицинской помощью по поводу заболеваний органов дыхания и сердечно-сосудистой системы, особенно хронически больных, увеличивается смертность населения. Токсические туманы с определенной периодичностью, преимущественно в осенне-зимние сезоны, регистрируются повсеместно и рассматриваются как временная чрезвычайная экологическая ситуация для здоровья населения.

Диоксины. Это обширная группа высокотоксичных полихлор-производных соединений, стойких и широко распространенных загрязнителей окружающей среды. Источниками диоксинов являются многие отрасли народного хозяйства: химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная, металлургическая промышленность, производство трансформаторов, конденсаторов, теплообменников, пестицидов и пр. Диоксины образуются при высокотемпературных процессах переработки хлорсодержащей продукции. Они отличаются термической устойчивостью, резистентностью к химическому разложению, слабой растворимостью в воде. Расширение масштабов производства ряда химических соединений, их использование в военных целях сопровождается опасностью воздействия диоксинов не только на лиц, профессионально контактирующих с ними, но и на население.

Основное депо накопления диоксинов — верхние слои почвы, где их период полуразложения превышает 10 лет; в водной среде этот период составляет более года; в воздухе — 24 дня. Длительное сохранение диоксинов во всех объектах природной среды способствует тому, что они активно переносятся по цепям питания и, таким образом, постоянно действуют на живые организмы. Подвижность диоксинов в природной среде увеличивают содержащиеся в ее объектах органические растворители, нефтепродукты и другие органические вещества.

Диоксины являются наиболее сильными синтетическими ядами, по отношению к которым у человека эволюционно не сформированы естественные механизмы защиты. Начало синтеза и широкого применения диоксинов в мирной жизни и в военных целях («оранжевый агент» во вьетнамской войне) пришлось на 30 —60-е годы XX столетия, а далее продолжалось широкомасштабное расширение выпуска продукции на основе полихлорированных бифенилов и дибензодиоксинов.

Основная доля диоксинов (98...99 %) поступает в организм с продуктами питания, лишь незначительная — с воздухом и водой. В организме диоксины обнаруживают во многих органах и тканях: в печени, почках, надпочечниках, яичниках, лимфатических узлах, легких и др. Основным депо диоксинов является жировая ткань — подкожный, брюшной жир; высокие его концентрации обнаруживали в грудном молоке женщин.

Основной мишенью воздействия диоксинов является печень, где происходит не только кумуляция, но и обезвреживание диоксинов ферментами монооксигеназной системы печени; производные этого метаболизма выделяются из организма с желчью и мочой. В результате токсического действия ядов происходит дегенерация царенхиматозных печеночных клеток, фиброзные изменения, что проявляется через биохимические параметры и разнообразные дисфункции печени.

Специфические диоксиновые заболевания — хлоракне и масляная болезнь Юшо-Ю-Ченг.

Хлоракне (хлористые угри) — рецидивирующее воспаление сальных желез кожи. Заболевание длится годами, практически не поддается медикаментозному лечению, приводит к образованию рубцов на коже, ее обезображиванию и пигментации.

Масляная болезнь Юшо-Ю-Ченг — массовые пищевые отравления диоксинами населения японской провинции Юшо в 1968 г. и тайваньской Ю-Ченг в 1979 г. Пострадали тысячи жителей из-за употребления риса, загрязненного несколькими соединениями из группы диоксинов. Кроме кожных проявлений у пострадавших выявлены тяжелые поражения печени, внутренних органов, нервной системы.

Диоксиновое отравление характеризуется медленным развитием и проявляется выраженной утомляемостью, раздражительностью, расстройствами сна и головными болями, нарушениями пищеварения и эндокринной системы, болями в мышцах, суставах, слабостью в нижних конечностях, потерей массы тела. Разнообразные и многочисленные болезненные симптомы возникают в результате подавления иммуноферментных систем организма, а также выраженной активации диоксинами перекисного окисления липидов. С этим связывают ускоренное старение организма людей, подвергшихся воздействию диоксинов, раннее появление заболеваний, характерных для пожилых людей, и преждевременную смерть. Накоплены эпидемиологические данные о более высоком уровне заболеваемости и смертности от злокачественных новообразований среди людей, имевших контакт с диоксинами. Одно из соединений диоксинов — дибензодиоксин — включено в группу 2 А (весьма вероятный канцероген для человека).

В перечне опасных эффектов, вызываемых диоксинами, — нарушение репродуктивной функции. Диоксины 2,4Д и 2,4,5Т вызывают аборты, мертворождения и патологию новорожденных. Большинство диоксинов, попав в материнский организм, могут проникнуть через плаценту и явиться причиной гибели плода, уродства новорожденных, отставания в росте, умственного недоразвития младенцев, появления опухолей. На загрязненных диоксинами территориях его обнаруживают в крови беременных женщин, тканях плода и материнском молоке. Из организма кормящей матери с молоком выводится годами кумулировавшийся диоксин. В свою очередь это является причиной хронической интоксикации младенцев с проявлениями масляной болезни, а также заболевания крови новорожденных в результате угнетения свертываемости крови из-за уменьшения содержания в ней витамина К.

Профилактика диоксиновых отравлений, как убеждает международный опыт, — это незамедлительное закрытие диоксиновых производств, модернизация технологий, очистка территорий, уменьшение потребительского спроса на товары с хлорсодержащими веществами. В 1995 г. в России утверждена федеральная целевая программа «Защита окружающей природной среды и населения от диоксинов и диоксиноподобных токсикантов». Первоочередной задачей программы является проведение мониторинговых исследований и разработка бездиоксиновых технологий.

Тяжелые металлы. Из 108 элементов Периодической системы Д. И. Менделеева более трех четвертей составляют металлы, играющие важную роль в жизнедеятельности не только человека, но и всей биоты. К легким относят металлы с плотностью менее 4,5 г/см3 — плотности железа, которая принята за эквивалент. Это калий, натрий, алюминий, бериллий и др. Тяжелые металлы — цинк, медь, хром, свинец, кадмий, ртуть, таллий, селен и многие другие. Мышьяк (полуметалл) обычно причисляют к тяжелым металлам.

Большинство металлов являются эссенциальными, т. е. жизненно необходимыми. Они не синтезируются в организме и должны поступать из окружающей среды. Многие эссенциальные металлы необходимы в малых дозах — это микроэлементы, которые действуют как координаторы ферментов, витаминов в организме: кобальт — витамин В12, хром обеспечивает толерантность глюкозы, железо и медь участвуют в образовании гемоглобина, цинк — компонент многих ферментов.

Элементы, используемые организмом в относительно больших количествах, называют макроэлементами: натрий, кальций, фосфор и пр.

Некоторые металлы (цинк, хром, никель, медь, железо, марганец и др.) проявляют не только эссенциальное, но и токсическое действие на организм в зависимости от их концентрации. Свинец, кадмий, ртуть, таллий, алюминий являются токсичными для организма элементами, хотя не исключается вероятность их использования организмом в микродозах в процессе жизнедеятельности, однако убедительных доказательств этому не имеется.

Поступление тяжелых металлов в окружающую среду связано с активной деятельностью человека. Их основные источники — промышленность, автотранспорт, котельные, мусоросжигающие установки и сельскохозяйственное производство. К отраслям промышленности, загрязняющим окружающую среду тяжелыми металлами, относятся черная и цветная металлургия, добыча твердого и жидкого топлива, горнообогатительные комплексы, стекольное, керамическое, электротехническое производство и др. Свинец широко используется в производстве аккумуляторов, оболочек электрических кабелей, медицинской техники, хрусталя, оптического стекла, красок, многочисленных сплавов и т.д., не говоря уже о производстве, связанном с его получением. В сельскохозяйственном производстве загрязнение почвы тяжелыми металлами связано с использованием удобрений и пестицидов. Транспорт является источником более половины всех выбросов в атмосферу. Котельные, работающие на твердом и жидком топливе, загрязняют окружающую среду не только тяжелыми металлами, но и различными оксидами. Сжигание мусора сопровождается поступлением в биосферу целого ряда тяжелых металлов: кадмия, ртути, свинца, хрома и др.

Для крупных городов с многопрофильной промышленностью характерно присутствие в окружающей среде не отдельного загрязнителя, а ассоциации тяжелых металлов, способных оказывать комбинированное действие на организм, при котором может наблюдаться как суммирование эффектов, так и их потенцирование.

По материалам немецких исследователей в городском воздухе по сравнению с чистым воздухом горных районов кадмия содержится больше в 10 раз, мышьяка — в 7,5 раза, хрома — в 48 раз, меди — в 12,7 раза, ртути — в 5 раз, кобальта — в 46 раз и т.д.

Попавшие в окружающую среду соединения тяжелых металлов загрязняют атмосферный воздух, воду, почву, попадают в растения и организмы животных, населяющих данную местность. По данным Государственных докладов «О санитарно-эпидемиологической обстановке в России» каждая третья проба почвы на участках дошкольных учреждений на содержание солей тяжелых металлов не отвечает гигиеническим нормативам.

Миграция металлов в биосфере позволяет объяснить пути поступления их в организм человека (рис. 4.1). Соединения тяжелых металлов поступают в организм преимущественно через желудочно-кишечный

тракт с пищевыми продуктами, водой, медикаментами, в меньшей степени — через органы дыхания (табл. 4.2).

Тяжелые металлы поступают также через кожу при контакте с загрязненными средами: воздухом, водой, парфюмерией и т.д.

Поскольку основной путь поступления в организм тяжелых металлов — через пищевые продукты, и в меньшей степени питьевую воду, необходим тщательный токсикологический контроль продуктов, который должны обеспечивать соответствующие службы: станции защиты растений, агрохимические лаборатории, центры государственного санитарно-эпидемиологического надзора. Система экологической сертификации должна влиять на цену продукции, а возможность экспертизы — быть максимально доступной.

Актуальность проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами объясняется прежде всего широким спектром их действия на организм человека. Тяжелые металлы влияют практически на все системы организма, оказывая токсическое, аллергическое, канцерогенное, гонадотропное действие, Доказано эмбриотоксическое действие тяжелых металлов через фетоплацентарную систему, а также их мутагенный

Многие тяжелые металлы обладают тропностью — избирательно накапливаются в определенных органах и тканях, структурно и функционально нарушая их. Выбор тропного органа зависит также от дозы и пути поступления тяжелых металлов в организм.

Свинец, вещество первого класса опасности, оказывает политропное действие на организм. До 90 % свинца аккумулируется в костях. Если воздействию свинца подвергаются маленькие дети, то критическим органом может быть мозг, в то время как у взрослых — кроветворная ткань или почки. Действие на организм зависит от концентрации загрязнителя в окружающей среде и соответствующего содержания его в крови (табл. 4.3).

При свинцовом токсикозе поражаются органы кроветворения (следствие — анемия), нервная система (энцефалопатия и нейропатия

органы чувств, почки (нефропатия), пищеварительная и сердечно-сосудистая системы. Наиболее восприимчива к свинцу гематопоэтическая система, особенно у детей. Накоплен обширный материал о влиянии свинца на нейропсихическое развитие детей.

Так, дети 5—12 лет с умеренно повышенным уровнем свинца в крови имеют сниженную память, низкую умственную работоспособность и двигательную активность по сравнению с детьми контрольной группы. Хроническое воздействие свинца на развивающийся организм может быть причиной эмоционально-поведенческих нарушений. Свинец, попадая в организм, снижает активность гормонов, что в конечном счете сказывается на физическом развитии детей.

Установлено повреждающее действие свинца на зоны мозга, отвечающие за зрение. Американские исследователи обнаружили зависимость в отставании длины и массы тела детей от уровня воздействия свинца на матерей в период беременности. Доказано также, что свинец снижает реакцию иммунной системы на чужеродные антигены.

Широкий спектр биологического действия у другого элемента первого класса опасности — кадмия. Кадмий обладает тератогенным действием, проникает через плацентарный барьер, нарушая поступление в плод целого ряда необходимых элементов. Свинец усиливает эмбриотоксическое действие кадмия, проявляя суммирующий эффект. Кадмий является ингибитором активности целого ряда ферментов, нарушая деятельность многих органов и систем, и может вызвать ринит с потерей обоняния; нефропатию с типичной протеинурией; остеомаляцию (болезнь «итай-итай»); нейротоксический синдром; обструктивные процессы в легких с развитием легочной недостаточности; есть данные о канцерогенном действии кадмия, в частности его роли в развитии рака легкого.

Кадмий оказывает выраженное действие на обмен целого ряда микроэлементов, что проявляется на уровне ферментативных процессов, всасывания, отложения и выведения элементов, а также на функции целого организма.

В программе глобального мониторинга одним из опасных загрязнителей окружающей среды признан никель. Находясь в организме в повышенных концентрациях, никель проявляет себя как токсичный и канцерогенный элемент. Токсическое действие никеля выражается в снижении активности ряда металлоферментов, нарушении синтеза белка, ДНК и РНК. Никель, поступающий с атмосферным воздухом в высоких концентрациях, уменьшает жизнеспособность альвеолярных макрофагов, вызывает снижение содержания лизоцима. Никелевая пыль при длительном вдыхании вызывает раздражение слизистых оболочек дыхательных путей, носовые кровотечения, гиперемию зева, развитие пневмокониоза. Избыток никеля в организме приводит к выраженным повреждениям многих органов и тканей. Тяжелыми исходами хронической никелевой интоксикации являются диспластические, метапластические и неопластические процессы. Морфологическим выражением последних считаются никелевый рак легкого, почек и саркома. Установлена также эмбриотоксичность никеля.

При избыточном поступлении в организм хрома, особенно в виде бихромит- и хромат-ионов, он может оказывать канцерогенный и аллергический эффект. Более часты поражения кожи — дерматиты и экземы, а также астматические бронхиты, реже — бронхиальная астма. При длительном контакте возможно заболевание раком легкого. Кроме специфических эффектов, контакт с соединениями хрома предрасполагает к более частому развитию гастритов, гепатита, астено-невротических расстройств.

Тяжелые металлы как биомаркеры экологической ситуации территории жилой зоны. Масштабное загрязнение объектов природной среды токсическими тяжелыми металлами, полиморфность вызываемых ими нарушений в состоянии здоровья и доступность обнаружения их в организме человека обусловили значимость тяжелых металлов как биомаркеров экологической ситуации.

Биологический маркер — количественная характеристика содержания поллютанта или его производных в биосубстратах организма, с которой можно связать биохимические, физиологические, морфологические, клинические и другие нарушения здоровья человека.

Биологический мониторинг — периодический или систематический отбор биопроб у человека и других биологических объектов с целью проведения анализа концентрации загрязнителя, продуктов обмена и биотрансформации. Результаты биомониторинга используют для выявления ранних признаков риска для здоровья человека и применения мер по его защите и коррекции.

Перечень биосубстратов (прижизненных индикаторных сред), в которых можно обнаружить тяжелые металлы, довольно широк: кровь, лимфа, моча, кал, пот, волосы, ногти, зубы, материнское молоко и пр. Большинство из них являются экскреторными биосубстратами.

Между содержанием элементов в индикаторных средах и различных объектах окружающей среды существуют корреляционные зависимости, что позволило установить физиологические, допустимые и критические уровни (табл. 4.4).

Физиологический уровень соответствует фоновому содержанию элементов в организме человека, не имеющего с ними профессионального контакта. Допустимым уровнем накопления принято количество вещества в индикаторных средах, которое при постоянном его содержании не вызывает видимых изменений в здоровье.

Критический уровень содержания элементов вызывает напряжение адаптации, биохимические и прочие изменения в организме.

Признавая меняющуюся пороговость вредного воздействия химических элементов на здоровье населения, следует помнить о том, что допустимые уровни не гарантируют отсутствия неблагоприятных медицинских эффектов. Биологическое взаимодействие экзотоксиканта с организмом чрезвычайно сложно, до конца не изучено, и возможно индивидуальное патогенное действие ничтожно малых концентраций, особенно на растущий организм. Тем не менее принятие допустимых и критических уровней воздействия химических веществ на организм на популяционном уровне обеспечивает проведение реальной природоохранной деятельности и эндоэкологической защиты населения.

Важно исследовать такой биосубстрат, который является скорее клеточным, чем жидкостным, причем метаболически активным. Из всех биосубстратов большинству этих требований отвечают волосы. Они являются второй по порядку метаболической активности тканью после костного мозга, кроме того, с определенной динамикой роста. Они вырастают на 0,2...0,5 мм в день и содержат как бы запись не только того, что происходило с обменом веществ в ближайшем прошлом, но и информацию о его состоянии в более отдаленном периоде. В этом отношении уникальным свойством волос является то, что они могут хранить информацию о процессах метаболизма, в частности минерального обмена. Имеющиеся данные показывают, что содержание элементов в волосах отражает элементный статус организма в целом.

Превышение физиологического уровня содержания металлов в волосах свидетельствует о неблагоприятной экологической обстановке в данной местности и является показателем экологической экспозиции. Отбор пробы волос не травмирует человека, они могут храниться длительный срок. Волосы — доступный материал при массовых осмотрах населения в обычных условиях гигиенических и экологических исследований.

Самым низким порогом восприятия загрязнителей обладают дети и люди пожилого возраста, однако на людях пожилого возраста трудно проследить воздействие именно экологического фактора. Поэтому исследование волос детей более предпочтительно и доказательно, поскольку дети основное время проводят на территории, не выходящей за границы района проживания; не имеют профессионального контакта с тяжелыми металлами; меньше подвержены вредным привычкам и у них более интенсивный обмен веществ — абсорбция токсичных элементов протекает более активно, чем у взрослых. Содержание элементов в биосубстратах оценивается путем сопоставления с нормативами.

Комплексные медико-экологические исследования позволили разработать центильные шкалы для оценки содержания тяжелых металлов в волосах детей, проживавших в крупном городе с многоотраслевой промышленностью (табл. 4.5).

Средний уровень содержания тяжелых металлов соответствует значениям 50-го центиля (медиана); средние границы находятся в пределах от 25 до 75-го центиля, допустимые — в пределах от 10 до 90-го центиля. Центильные уровни содержания свинца в волосах детей не противоречат общепринятым ориентировочным фоновым и допустимым его уровням. Преимуществом центильных шкал является более детальная градация высоких и низких уровней обнаружения элементов в волосах детей.