1.3. Экотоксикокинетика

Судьбой биодоступных ксенобиотиков и других экотоксикантов, находящихся в окружающей среде в определенных количествах и составляющих ее ксенобиотический профиль занимается специальный раздел экологической токсикологии – экотоксикокинетика. К сфере интересов экотоксикокинетики относятся, во-первых, источники экотоксикантов, загрязняющих среду обитания, во-вторых, дальнейшая миграция загрязнителей в компонентах окружающей среды абиотической и биотической природы, в-третьих, их трансформации в различных объектах окружающей среды и, в-четвертых, удаление (элиминация) экополлютантов из окружающей среды, на достижение которой направлены многочисленные природные процессы. Основная задача экотоксикокинетики – изучение закономерностей миграции по трофическим цепям, всасывания, распределения, метаболизма и выведения токсинов из организмов.

Если экотоксикант, попавший в окружающую среду (почву, атмосферу, гидросферу, растения и др.), является нестойким и, соответственно, продолжительность реальной экспозиции мала, то вред, наносимый данным веществом экологической системе, будет незначительным. Высокую потенциальную опасность представляют собой резистентные (устойчивые) к процессам разрушения экотоксиканты, обладающие способностью к длительной персистентности (от лат. persistere – упорствовать) – сохранению биологической активности в компонентах окружающей среды. Стойкость ксенобиотика характеризуется периодом его полураспада Т₅₀– временем, за которое количество токсичного вещества в исследуемом объекте снизится на 50 % (к персистентным относят химические соединения с периодом полураспада более 50 дней). Так, например, период полураспада ДДТ и ТХДД в почве составляет соответственно 10 и 9 лет, атразина в воде при pH 7,0 – 138 дней.

Итогом перманентного поступления в окружающую среду экополлютанта с высокой степенью персистентности является его неизбежное накопление в количестве, обеспечивающем его превращение в экотоксикант для наименее резистентных (устойчивых) звеньев экологической системы. Даже после завершения выбросов подобного вещества в окружающую среду, оно сохраняется там длительное время (например, несмотря на прекращения использования пестицида «Мирекс» еще в 70-е г.г. XX в., он обнаруживался в воде озера Онтарио в высоких концентрациях даже в конце 90-х г.г.; высокие концентрации ДДТ отмечались в организмах коренных народов Арктики, питающихся морскими животными). Даже достаточно быстро разрушающиеся вещества могут наносить вред человеку при систематическом поступлении в организм (так, компонент ракетного топлива «гептил», накапливаясь в грибах, ягодах, организмах и распространяясь по трофическим цепям, достигает человека; далее он приводит к поражению иммунной, сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, желудочно-кишечного тракта, к нарушению репродуктивной деятельности – тяжелым врожденным уродствам, нарушениям внутриутробного развития и др.).

Наиболее выраженной способностью к персистированию в окружающей среде обладают, в частности, такие экополлютанты, как, во-первых, тяжелые металлы (в том числе ксенобиотики – кобальт, свинец, ртуть, мышьяк, а также хром, цинк, никель, кобальт, медь, сурьма и др.), во-вторых, полигалогенированные полициклические углеводороды, и, в-третьих, многие хлорорганические пестициды (гексахлоран, алдрин, ДДТ, линдан и др.).

Большинство химических веществ, попав в окружающую среду, изменяются под воздействием большого числа различных природных процессов. Качественные и скоростные параметры подобной трансформации характеризуют такое свойство экополлютантов, как стойкость.

1.3.1. Абиотическая трансформация. Одним из вариантов превращений экополлютантов в окружающей среде является абиотическая трансформация. К числу основных природных процессов, способных влиять на стойкость экополютанта, относятся фотолиз (распад молекул под воздействием поглощенного света, в первую очередь ультрафиолетового, скорость которого находится в зависимости от интенсивности светового потока и способности его поглощать веществом), гидролиз (взаимодействие с водой, химическая реакция с разложением экополлютанта и воды, скорость которой находится в зависимости от pH) и окисление.

Образующиеся в результате абиотической трансформации новые соединения могут обладать более высокой токсичностью, чем исходные экополлютанты. Например, ряд пестицидов (соли феноксиуксусной кислоты и др.) вступают в соединение с нитритами в почвах при pH менее 7,0 с образованием нитрозосоединений, обладающих канцерогенными свойствами.

1.3.2. Биотическая трансформация. Значительно быстрее, чем при абиотической трансформации, деградация ксенобиотиков и других экополлютантов происходит в условиях биотической трансформации с участием биоты, в первую очередь различных микроорганизмов (бактерии, грибы и др.), способных использовать данные вещества в качестве пластического и энергетического материала. Процессы биотической трансформации обеспечиваются различными ферментными системами (энзимами), реализующими процессы окисления, гидролиза, дегалогенирования, деалкилирования и другие. Биотическая трансформация экополлютанта может приводить к его полной деструкции – минерализации с образованием CO₂, H₂O и других простых соединений. Другой вариант биотической трансформации завершается с образованием промежуточных продуктов, которые могут обладать существенно более высокой токсичностью, чем исходные соединения (например, неорганические соединения ртути могут превращаться в высокотоксичное ртутьорганическое соединение – метилртуть).

1.3.3. Процессы элиминации, не связанные с разрушением. Ряд процессов, протекающих в окружающей среде, способны обеспечивать элиминацию ксенобиотиков и других экотоксикантов без их трансформации, а только за счет изменения распределения данных веществ в объектах окружающей среды (процессы элиминации, не связанные с разрушением). Так, экополлютант с высоким уровнем давления пара способен к активному испарению из водной и почвенной среды с последующей миграцией в атмосфере на значительные расстояния посредством воздушных потоков (например, повсеместное распространение ряда хлорорганических инсектицидов – линдана, гексахлорбензола и др.). Другим значимым вариантом перераспределения экополлютантов в окружающей среде является перенос частиц токсикантов (или адсорбированных на частицах почвы) с участием ветра и атмосферных течений, например, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – бензпирены, дибензпирены, бензантрацены, дибензантрацены и другие. ПАУ, включая 3,4-бенз(а)пирен, как антропогенного (выбросы предприятий теплоэнергетики, металлургии, нефтепераработки, автомобильного транспорта и др.), так и естественного (например, вулканического) происхождения, способны к вовлечению и активному участию в круговороте веществ биосферы с переходами из одной среды в другую, в основном будучи связанными с твердыми частицами атмосферной пыли. Расстояние, на которое переносятся пылевые частицы зависит, во-первых, от высоты точки выбросов в атмосферу (чем выше, тем на более значительное расстояние происходит рассеивание экополлютантов) и, во-вторых, от дисперсности пыли (крупные частицы быстро оседают на поверхность недалеко от точки выброса, а мелкодисперсная пыль с величиной частиц от 1 до 10 микрон длительно находится в воздушной среде и может переноситься на большие расстояния). При попадании экополлютантов в водоемы они могут сорбироваться на взвешенных частицах с их последующим осаждением и, таким образом, элиминацией из водной среды и накоплением в донных отложениях, что существенно уменьшает биологическую доступность данных веществ и соединений. Еще одним фактором, способствующим значительному перераспределению водорастворимых экополлютантов являются дожди и перемещение подземных вод в грунтовых потоках (например, гербицид атразин, обладая высокой стойкостью и легкой растворимостью в воде, попадая в поверхностные водоемы, мигрирует в грунтовые воды и способен там накапливаться в значительных количествах).

1.3.4. Биоаккумуляция. Экополлютанты представляют опасность для биосферы только тогда, когда они способны внедряться внутрь живых организмов из абиотической фазы окружающей среды (атмосферный воздух, вода, почва) и за счет трофической передачи (из пищи). Попадая в живой организм, многие ксенобиотики и другие экотоксиканты проявляют способность к накоплению в его тканях и органах. Этот процесс носит название биоаккумуляции, результатом которой являются негативные последствия как для самого поглотившего их живого организма (при достижении значимой концентрации в «критических» тканях и органах), так и для хищников – живых организмов, использующих представителей первого биологического вида в качестве пищи. Оптимальные условия для биоаккумуляции экополлютантов обеспечиваются в водной среде, где обитает огромное число живых существ, которые пропускают через себя огромное количество воды, фильтруют ее и извлекают токсичные вещества, способные к аккумуляции. При этом в организмах гидробионтов концентрации экополлютантов могут превышать соответствующие показатели водной среды на 2–3 порядка. Типичной является водная трофическая цепь: растворенный в воде водоема экополлютант – фитопланктон – рачки – рыбы – хищные птицы и теплокровные животные, питающиеся рыбой.

В случае попадания в живые организмы ксенобиотиков – веществ чужеродных, которые не могут быть использованы как пластический и энергетический материал либо просто элиминированы из организма, становится возможным их накопление по ходу звеньев (ступеней) трофической цепи. Степень подобного накопления ксенобиотика прямо коррелирует с продолжительностью периода его биологического полураспада. В большинстве случаев закономерным является значение коэффициентов накопления стойких (неразлагающихся) экотоксикантов около 10 на каждую ступень (звено) трофической цепи. Замечено также, что степень накопления экотоксикантов в трофических цепях может возрастать из-за снижения защитных реакций и подвижности у подвергнувшихся интоксикации животных, так как пораженные особи легче становятся добычей хищников. Это проявляется в том, что наиболее высоким содержанием экотоксикантов в трофических цепях водоемов отличаются хищные рыбы; на последующих ступенях пищевых цепей находятся птицы и животные, питающиеся рыбой и, наконец, человек.

Степень биоаккумуляции экотоксикантов определяется рядом факторов: во-первых, их способностью к персистенции, так как уровень накопления загрязнителей в биологических объектах в значительной мере зависит от их концентрации в окружающей среде, а быстрая элиминации способствует слабому накоплению экотоксикантов в организмах (исключением являются условия, при которых загрязнение происходит перманентно); во-вторых, токсикокинетическими процессами после поступления экотоксикантов в организм. Так, биоаккумуляция наиболее свойственна липофильным (жирорастворимым) веществам с низкой скоростью их метаболизма в организме. Именно поэтому жировая ткань представляет собой основное депо для многих экотоксикантов. Необходимо учитывать, что снижение биодоступности многих липофильных веществ обуславливает их сорбция на поверхности частиц, осаждающихся из воды и воздуха (например, рыбы в водоемах с низким содержанием взвешенных частиц аккумулируют большее количество ДДТ, чем рыбы из водоемов со значительным содержанием взвеси). И, в-третьих, межвидовые различия биоаккумуляции экотоксикантов во многом формируются за счет видовых особенностей метаболизма.

Феномен биоаккумуляции может быть причиной не только хронических токсических эффектов, но и отсроченных. Например, интенсивная мобилизация и потеря жировой ткани у животных, характерная для периода размножения, способствует выходу токсических веществ из жировых депо и поступлению их в кровяное русло, что может приводить к массовой гибели животных при достижении ими половой зрелости. Возможна передача стойких экополлютантов потомству (например, с содержимым желточного мешка у птиц и рыб или с молоком кормящей матери у млекопитающих). При этом эффекты, развивающиеся у такого потомства, могут не проявляться у родителей.

1.3.5. Биомагнификация. При прохождении по трофическим (пищевым) цепям экотоксиканты последовательно передаются от жертв к консументам. Для веществ, обладающих выраженной липофильностью подобная миграция обычно сопровождается явлением биомагнификации – существенным приростом концентрации экотоксиканта на каждом последующем звене (ступени) трофической цепи.

Так, в Калифорнии одно из озер в целях истребления комаров было обработано ДДТ. Определенное в воде озера после проведения дезинсекции содержание пестицида оказалось равным 0,02 части на миллион (ppm). Cодержание ДДТ в озерном планктоне составило уже 10 ppm, в организмах планктоноядных рыб оно возросло до 900 ppm, в тканях хищных рыб оказалось в три раза выше (2 700 ppm), а у птиц, не подвергшихся прямому воздействию пестицида, но питающихся рыбой, достигло 21 000 ppm, что в 1 050 000 раз выше, чем в воде озера и в 23,3 раза больше, чем в организмах первого звена трофической цепи – планктоноядных рыб. Наглядный пример представлен в книге Рашель Карсон «Молчаливая весна», где описан случай, когда для борьбы с переносчиком «голландской болезни», поражающей вязы, была применена обработка деревьев ДДТ, часть которого попала в почву, а оттуда – в организмы дождевых червей, где пестицид интенсивно накапливался. В результате пострадали перелетные дрозды, питающиеся преимущественно дождевыми червями. Часть птиц погибла, у выживших отмечались нарушения репродуктивной функции – птицы откладывали стерильные яйца. Таким образом, итогом борьбы с заболеванием деревьев в ряде регионов США явилось практически полное исчезновение перелетных дроздов [1, 3, 6, 7, 11].

Данный текст является ознакомительным фрагментом.