1.4. Экотоксикодинамика

Разделом экологической токсикологии, изучающим конкретные механизмы формирования, развития и формы токсического процесса, обусловленного воздействием ксенобиотиков и других экотоксикантов на биоценоз в целом и/или на отдельные его компоненты, является экотоксикодинамика. В классической токсикологии под термином «токсикодинамика» понимается учение о взаимоотношениях токсичных веществ с органами-мишенями или тканевыми рецепторами, а также о физиологических и -биохимических механизмах их действия.

1.4.1. Экотоксичность. В соответствии с уровнями организации экотоксические эффекты рассматривают: во-первых, на уровне организма (аутэкотоксические эффекты) – комплекс таких проявлений, как снижение резистентности к другим действующим неблагоприятным факторам окружающей среды, возникновение заболеваний, в том числе злокачественных новообразований, расстройства репродуктивных функций, гибель организма и другие; во-вторых, на популяционном уровне (демэкотоксические эффекты) – увеличение частоты заболеваний и врожденных дефектов развития, ухудшение демографических показателей (рост смертности, снижение рождаемости и средней продолжительности жизни, нарушение возрастно-половой структуры популяции) и даже гибель популяции (показателями для оценки состояния популяции являются также удельный вес пораженных особей с проявлениями специфических признаков интоксикации экополлютантами и распределение содержания токсических элементов в составляющих популяцию организмах); в-третьих, на уровне биогеоценоза (синэкотоксические эффекты) – изменения в популяционном спектре биоценоза, вплоть до полного исчезновения отдельных биологических видов и появления новых, ранее данному биоценозу не свойственных, что сопровождается значимым нарушением межвидовых взаимоотношений.

1.4.1.1. Острая экотоксичность. На основе критерия продолжительности действия ксенобиотиков и других экотоксикантов на экологическую систему принято дифференцировать экотоксичность острую и хроническую. Острое токсическое действие экотоксикантов на биоценоз часто является следствием аварийных ситуаций или катастроф, при которых в окружающею среду попадает значительное количество ядовитых веществ. Так, например, более 6,5 тысяч человек пострадали в Ираке из-за случайного употребления для выпечки хлеба большой партии предназначенного для посева протравленного ртутьсодержащим фунгицидом зерна. В 2000 г. в Румынии на предприятии по добыче драгоценных металлов произошла утечка больших объемов синильной кислоты и цианидсодержащих продуктов, которые отравили все живое на протяжении сотен километров вниз по течению Дуная. В 1984 г. в индийском городе Бхопал на заводе американской корпорации по производству пестицидов «Юнион Карбайд» произошла авария, в результате которой в атмосферу было выброшено огромное количество метилизоцианата. Отравлению подверглось практически большинство жителей города (около 200 тыс. человек) из которых 3 тысячи погибли из-за остро развившегося отека легких.

1.4.1.2. Хроническая экотоксичность. Однако чаще всего наблюдаются проявления хронической экотоксичности, обусловленные длительным воздействием экополлютантов в относительно небольших концентрациях. Кроме того, существуют токсичные вещества, способные вызывать только хронические интоксикации, так как концентрации, приводящие к острому отравлению, в реальности практически недостижимы. Хроническая экотоксичность в большинстве случаев обусловливает сублетальные эффекты с такими проявлениями, как эндокринная патология, врожденные пороки развития, сенсибилизации и другие. Хронические отравления возникают вследствие материальной или функциональной кумуляции, а характер и выраженность токсических эффектов при этом зависит от уровня накопления экополлютантов (например, Си⁺⁺ и Ni⁺⁺ в небольших концентрациях вызывает слабое искривление позвоночника у рыб, а в больших обуславливает срастание позвонков, отсутствие плавника и поражение печени). Функциональная кумуляция в большей степени свойственна ксенобиотикам, влияющим на деятельность центральной нервной системы, и, как правило, свидетельствует о высокой чувствительности организма к таким веществам.

Когда задача оценки экотоксичности ограничивается только одним загрязнителем и исследователя интересует его воздействие на единичный биологический вид, то используются такие же качественные и количественные параметры, как и в классической токсикологии. Но в более сложных системах провести прямую количественную оценку экотоксичности не представляется возможным и поэтому для ее характеристики применяются понятия «опасность» и «экологический риск».

Таким образом, под экотоксичностью понимается способность ксенобиотического профиля окружающей среды вызывать в биоценозе неблагоприятные эффекты. Если изменения в естественном ксенобиотическом профиле обусловлены аномальным накоплением единичного экополлютанта, то имеется возможность оценивать экотоксичность только данного вещества.

Эффекты экотоксикантов могут существенно варьировать, однако при определенных уровнях интенсивности воздействия они часто оказываются специфичными для определенного вещества.

1.4.2. Механизмы экотоксичности. Механизмы прямого, опосредованного и смешанного действия экотоксикантов достаточно сложны и разнообразны.

1.4.2.1. Прямое действие. Прямое действие способно вызвать массовую гибель особей наиболее чувствительных биологических видов, представляет собой непосредственное поражение живых организмов, относящихся к одной или нескольким популяциям биоценоза, определенным экотоксикантом или совокупностью экотоксикантов соответствующего ксенобиотического профиля. Например, на прямом экотоксическом эффекте строится вся стратегия использования ядохимикатов – применение эффективных пестицидов обеспечивает массовую гибель вредителей – насекомых (инсектициды) или сорняков (гербициды). При этом возможны сопутствующие негативные эффекты (например, в Швеции в 50-60 г.г. XX в. посевной материал зерновых культур обрабатывался метилртутьдицианамидом, и склевывание протравленного зерна птицами привело к массовой гибели фазанов, голубей, куропаток и других зерноядных пернатых от хронической интоксикации ртутью через несколько лет). Примером вещества, оказывающего прямое токсическое действие на млекопитающих, является кадмий, вызывающий поражение дыхательной и иммунной систем, патологию почек и канцерогенез. При проведении оценки экологической обстановки следует учитывать, что чувствительность к экотоксикантам может существенно различаться и присутствие в окружающей среде определенного вещества даже в незначительных количествах способно вызвать гибель представителей наиболее чувствительных к нему биологических видов (например, хлорид свинца способен убить дафний в течение 24 часов при его концентрации в воде на уровне не более 0,01 мг/л, практически безопасном для других обитателей водоема).

1.4.2.2. Прямое действие ксенобиотика, приводящее к развитию аллобиотических состояний и специальных форм токсического процесса. В последнее время прямое токсическое действие экотоксикантов на организмы встречается относительно редко, гораздо чаще наблюдаются специальные формы токсического процесса (беспороговые, имеющие продолжительный скрытый период процессы – мутагенез, канцерогенез, нарушения репродуктивных функций и системы иммунитета), а также аллобиотические состояния (allobiosis), представляющие собой модификации характера реакций организма при изменениях окружающей среды (снижение резистентности к возбудителям инфекционных заболеваний за счет поражения иммунной системы, сенсибилизация организма и гиперчувствительность к ксенобиотикам, повышенная чувствительность покровных тканей к солнечному свету, изменение скоростных характеристик процессов метаболизма ксенобиотиков и другие проявления). Классическим примером аллобиотического действия является увеличение числа злокачественных новообразований и снижение репродуктивного потенциала людей, проживающих на территории Южного Вьетнама, загрязненной диоксиновыми экотоксикантами.

1.4.2.3. Примером прямого эмбриотоксического действия экополлютантов является истончение скорлупы яиц и гибель птенцов кряквы, скопы, белоголового орлана и ряда других птиц – следствие накопления в их организмах ДДТ, что приводит к снижению численности популяций.

1.4.2.4. Прямое действие продукта биотрансформации экополлютанта с необычным эффектом. Прямое действие продукта биотрансформации экополлютанта с необычным эффектом проявилось при наблюдениях за живородящими карпозубыми рыбами во Флориде, когда в реке ниже стока завода по переработке орехов были обнаружены популяции с большим количеством самок, имеющих явные признаки маскулинизации в виде своеобразного поведения, модификации анального плавника и т.д. Оказалось, что со сточными водами в реку попадал фитостерон (побочный продукт обработки сырья), который при участии микрофлоры речной воды превращался в андроген, обуславливающий необычный эффект в биоценозе.