Задачи экологической токсикологии. Зависимость доза-эффект вне организма

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 14.12.2024

Программа прикладного курса «Экотоксикология» рассмотрена на заседании экспертного совета РОО от 28.08.12 г., протокол №13.

Составитель: учитель географии Рубежинской СОШ-детсад Калинина А.А.

Направление : естественно - математическое

Профиль: химия-экология

Место курса в структуре содержания экологического образования: «Основы экологической токсикологии» является составной частью раздела «Основы экологии», «Биосфера и человек».

Пояснительная записка

В настоящее время в связи с химизацией общенародного хозяйства увеличилось количество вредных веществ. Актуальность курса заключается в том, что рассматриваемые темы составляют теоретическую основу подхода к решению глобальных экологических проблем, вызванных химическим загрязнением окружающей среды. Значительное место отведено анализу поведения в окружающей среде группы опасных экотоксикантов, современным методам определения токсичных веществ в различных объектах. При изучении курса раскрываются вопросы о токсикологическом нормировании в Казахстане.

Данный курс разработан для учащихся 11 класса. Основным требованием к содержанию данного курса является изучение основных классов токсичных веществ и их превращений в окружающей среде, а также таких понятий как доза, концентрация, время действия, токсический эффект; прогнозирование эколого-токсикологических ситуаций. При изучении данного курса учащиеся знакомятся с основными разделами: токсикометрии, токсикокинетики, токсикодинамики, подходами к диагностике и лечению интоксикаций, оказанием первой помощи при отравлениях.

В первом разделе представлены особенности повреждающего действия токсичных веществ, факторы, влияющие на токсичность веществ, свойства и механизмы действия антидотов, применяемых при острых отравлениях.

В разделах, посвященных оболочкам Земли, рассматриваются химические процессы, происходящие в них, и стадии миграции загрязнений.

С современных позиций анализируются механизмы действия токсических веществ на организм человека в разделе «Экотоксикология человека».

При выполнении практических работ, учащиеся смогут оценить качество продуктов, загрязнение окружающей среды.

Цель курса: Изучить основы экологической токсикологии как новой области науки об окружающей среде, включая различные механизмы воздействия токсических веществ на организмы растений, животных и человека.

Задачи курса: Изучить процессы образования и переноса загрязнений в окружающую среду, влияние загрязнителей на процессы жизнедеятельности; ознакомиться с основными понятиями экологической токсикологии, со способами оценки токсичности и методами контроля патологии экосистем.

Ориентации на профессии: эколог, химик, эксперт, специалист- токсиколог, врач- гигиенист, специалист по охране труда и технике безопасности, эпидемиолог.

Межпредметная интеграция: экология, биология, химия.

Методы: токсико- эпидемиологические, фармако- эпидемиологические, физиологические, химические.

Формы организации занятий: лекции, семинары, практикумы.

Форма контроля знаний: устный опрос, подготовка творческих заданий, проведение самостоятельных и контрольных работ.

Форма завершения прикладного курса: защита проекта.

Ожидаемый результат: выпускник приобретает необходимые знания, умения и навыки по анализу, составлению основных групп загрязнителей, путях их миграции, трансформации и накоплению в экосистемах и в организме человека; знает и умеет использовать методы обнаружения и количественной оценки различных токсикантов в различных объектах; может оценить влияние факторов среды и свойств организма на степень токсического эффекта; знает и умеет использовать основы токсикологического нормирования.

1.1. Объект, предмет, цель и задачи экологической токсикологии

Область интересов экологической токсикологии как отдельной научной дисциплины - изучение эффектов воздействия химических загрязнителей, в первую очередь ксенобиотиков, на экологические системы. При этом в первую очередь рассматриваются токсические эффекты стойких органических загрязнителей (СОЗ) и тяжелых металлов, мигрирующих по трофическим цепям. Генетическая связь с классической токсикологией наглядно проявляется в широком использовании экологической токсикологией ее традиционной методологии, дефиниций и категорий при изучении эффектов химических загрязнителей. Но если в классической токсикологии основной объект изучения - человек, то в экологической токсикологии объектом исследований являются механизмы, динамика развития и проявления неблагоприятных эффектов действия экополлютантов, в первую очередь ксенобиотиков, а также продуктов их трансформаций в окружающей среде на живые организмы; человек при этом рассматривается всего лишь как одно из звеньев трофических цепей.

Предложено несколько различающихся подходов к определению предмета (предметного поля) экологической токсикологии. Так, в частности, экологическая токсикология рассматривается как научная дисциплина: занимающаяся изучением токсических эффектов, возникающих при воздействии химических веществ на биологические мишени преимущественно на популяционном уровне, в границах отдельных экологических систем (Butler G.C., 1978); прогнозирующая влияние химических веществ на экологические системы (Левин Э.Н., 1989); суммирующая экологические и токсикологические эффекты химических поллютантов на популяции, сообщества и экологические системы, прослеживающая их судьбу - транспорт, трансформацию и удаление (элиминацию) из окружающей среды (Форбс В., Форбс Т., 1994). Таким образом, предмет экологической токсикологии - это биологические системы надорганизменного уровня (популяции, биоценозы), подверженные влиянию химического загрязнения [1, 6, 9].

Токсическое действие экополлютантов на животных и растения, осуществляющееся через различные физиологические, биохимические и функциональные нарушения и проявляющееся на молекулярно-генетическом, клеточно-тканевом и онтогенетическом уровнях, в рамках экологической токсикологии рассматривается как первичные токсические эффекты, приводящие к дезорганизации различных популяционных механизмов. При этом ответная реакция экологических систем на химическое загрязнение обычно бывает неспецифичной в форме изменения продуктивности, соотношения биологических видов и т.д. Таким образом, к сегодняшнему дню экологическая токсикология оформилась как междисциплинарное научное направление, основной целью которого является исследование воздействия токсичных экополлютантов на живые организмы, главным образом на их популяции, и биоценозы, входящие в состав экологических систем, с последующим обоснованием мероприятий по профилактике вредных воздействий химических загрязнителей на окружающую среду и оптимизации условий жизнедеятельности людей. С указанной целью экологическая токсикология изучает, во-первых, источники поступления загрязнителей в окружающую среду, во-вторых, их дальнейшее распространением и, в-третьих, воздействие на живые организмы, в том числе на организм человека. К актуальным задачам экологической токсикологии относятся:

? идентификация источников химического загрязнения окружающей среды;

? разработка методов индикации и количественного определения экотоксикантов в объектах окружающей среды;

? изучение маршрутов распространения поллютантов в почве, воде, атмосфере, растениях, животных, а также по трофическим цепям в целом, в том числе замыкаемых на человеке;

? исследование механизмов токсичности и разработка критериев для дифференцированной оценки опасности ксенобиотиков и других экополлютантов, в том числе для здоровья человека;

? оценка изменений в окружающей среде, вызванных загрязнителями (оценка опасности загрязнения для экосистемы в целом и для отдельных ее элементов);

? разработка принципов и методов регламентирования содержания экотоксикантов в объектах окружающей среды;

? моделирование с выходом на прогноз опасности загрязнения окружающей среды для человека, фауны, флоры и экологических систем в целом;

? использование полученных данных для уменьшения неблагоприятного воздействия загрязнения, для разработки необходимых мероприятий, направленных на улучшение состояния биосферы и здоровья населения.

Основные методы экологической токсикологии: биоиндикация в целях оценки качества окружающей среды, биотестирование - экспериментальное изучение токсических эффектов и мониторинг состояния здоровья человека. Важное значение сохраняют методы по изучению механизмов токсического действия, оценка соотношения «доза - эффект», определение токсикантов в объектах окружающей среды, живых организмах и т.д. [1, 7, 12].

Экологическая токсикология

В учебном пособии рассматриваются основные понятия, исторические аспекты становления и развития, цели и задачи современной экологической токсикологии, механизмы и особенности токсических эффектов химических загрязнителей на популяции организмов и биоценозы, входящие в состав экологических систем. Представлены данные об источниках и поведении ксенобиотиков и других экополлютантов в окружающей среде, их дрейфе, аккумуляции, биоконцентрировании, трансформации, детоксикации и экскреции в различных биологических системах; о реакциях на воздействие приоритетных экотоксикантов на популяционном уровне. Изложены подходы к оценке токсичности экополлютантов, рассматриваются принципы экотоксикологического нормирования. Для студентов специальности 20.03.01 «Техносферная безопасность».

В настоящее время интенсивно формируется токсикология окружающей среды (environmental toxicology) — наука, занимающаяся изучением неблагоприятных эффектов в экологических системах (включая человеческие популяции), развивающихся из-за изменений естественного ксенобиотического профиля среды. Под ксенобиотическим профилем среды понимается количественная и качественная характеристика комплекса ксенобиотиков, находящихся в объектах окружающей среды — в воде, почве, воздухе и биоте, агрегатное состояние которых позволяет им вступать с различными абиотическими и биотическими компонентами экологической системы (биоценоза) в химические и физико-химические взаимодействия. В зарубежной литературе токсикологию окружающей среды принято подразделять на два направления: экологическую токсикологию и токсикологию экополлютантов.

Экологическая токсикология рассматривает проблемы, связанные с особенностями взаимодействия экополлютантов с биотическими (животный и растительный мир) и абиотическими элементами природы; изучает генез и механизмы неблагоприятных эффектов воздействия загрязнителей на биологические мишени — от микроорганизмов до высших животных, включая людей, как правило, на уровне популяций или даже экологической системы в целом. Основным вектором исследований в сфере экологической токсикологии является миграция в экологических системах полностью чужеродных для живых организмов веществ, не участвующих в пластическом и энергетическом обмене, — ксенобиотиков. Изучаются механизмы включения ксенобиотиков в естественные потоки веществ в биосфере и последствия этого, проявляющиеся в экологической дестабилизации биосферы, трансформации ее элементов, уменьшении биологического разнообразия и формировании риска для здоровья населения.

Токсикология экополлютантов изучает неблагоприятное действие изменения ксенобиотического профиля среды и отдельных экополлютантов, накапливающихся в окружающей среде, на здоровье человека. Токсикология экополлютантов использует методы классической токсикологии: экспериментальный, клинический, эпидемиологический. Объектом исследований токсикологии экополлютантов являются различные характеристики неблагоприятных эффектов воздействия экотоксикантов и продуктов их трансформации на организмы людей — механизмы, динамика развития и проявления.

Содержанием дисциплины «экологическая токсикология» является учение об экотоксичности, а основными рассматриваемыми вопросами: во-первых, характеристика ксенобиотического профиля окружающей среды, во-вторых, проблемы экотоксикокинетики, экотоксикодинамики и экотоксикометрии (Куценко С.А., 2002):

— экотоксикокинетика — раздел экологической токсикологии, изучающий судьбу различных экополлютантов, включая ксенобиотики, в окружающей среде — закономерности и особенности их поступления, распределения в абиотических и биотических элементах, трансформации и элиминации;

— экотоксикодинамика — раздел экологической токсикологии, сферой интересов которого являются механизмы неблагоприятного воздействия ксенобиотического профиля среды на биоценоз в целом и на отдельные его компоненты;

— экотоксикометрия — наименее разработанное в настоящее время направление токсикологии окружающей среды; за исключением классических методов токсикометрического исследования, остающихся базой экотоксикометрии, исследователи и практики располагают только далекой от совершенства методологией оценки экологического риска.

В качестве теоретического базиса экологической токсикологии на современном этапе выступают разрабатываемые в рамках теоретической экологии фундаментальные закономерности организации, функционирования и структуры природных систем на популяционном и биоценотическом уровнях.

Важнейшей научно-практической проблемой современной экологической токсикологии остается устойчивость и стабильность экологических систем (Безель В.С., Большаков В.Н., 1995). Причинами отсутствия успешного решения данной проблемы являются, во-первых, огромное количество и сложность взаимосвязей в экологических системах, чаще всего нелинейного характера, во-вторых, трудности в определении экологической нормы, так как любая экосистема способна существовать в различных состояниях и, в-третьих, главенствующая антропоцентристская позиция, ориентированная на максимальное удовлетворение потребностей человека. К числу актуальных также относятся: во-первых, проблема экологического нормирования в целях минимизации антропогенного влияния на экологические системы с учетом их экологической ёмкости для сохранения механизмов экологического гомеостаза, во-вторых, проблема адаптации экологических систем к воздействию экотоксикантов на трех уровнях приспособительных реакций — организменном, надорганизменном и процессе адаптивной микроэволюции, в-третьих, проблема пространственно-временной неоднородности экологических систем.

1.1. Объект, предмет, цель и задачи экологической токсикологии

Область интересов экологической токсикологии как отдельной научной дисциплины — изучение эффектов воздействия химических загрязнителей, в первую очередь ксенобиотиков, на экологические системы. При этом в первую очередь рассматриваются токсические эффекты стойких органических загрязнителей (СОЗ) и тяжелых металлов, мигрирующих по трофическим цепям. Генетическая связь с классической токсикологией наглядно проявляется в широком использовании экологической токсикологией ее традиционной методологии, дефиниций и категорий при изучении эффектов химических загрязнителей. Но если в классической токсикологии основной объект изучения — человек, то в экологической токсикологии объектом исследований являются механизмы, динамика развития и проявления неблагоприятных эффектов действия экополлютантов, в первую очередь ксенобиотиков, а также продуктов их трансформаций в окружающей среде на живые организмы; человек при этом рассматривается всего лишь как одно из звеньев трофических цепей.

Предложено несколько различающихся подходов к определению предмета (предметного поля) экологической токсикологии. Так, в частности, экологическая токсикология рассматривается как научная дисциплина: занимающаяся изучением токсических эффектов, возникающих при воздействии химических веществ на биологические мишени преимущественно на популяционном уровне, в границах отдельных экологических систем (Butler G.C., 1978); прогнозирующая влияние химических веществ на экологические системы (Левин Э.Н., 1989); суммирующая экологические и токсикологические эффекты химических поллютантов на популяции, сообщества и экологические системы, прослеживающая их судьбу — транспорт, трансформацию и удаление (элиминацию) из окружающей среды (Форбс В., Форбс Т., 1994). Таким образом, предмет экологической токсикологии — это биологические системы надорганизменного уровня (популяции, биоценозы), подверженные влиянию химического загрязнения [1, 6, 9].

▪ идентификация источников химического загрязнения окружающей среды;

▪ разработка методов индикации и количественного определения экотоксикантов в объектах окружающей среды;

▪ изучение маршрутов распространения поллютантов в почве, воде, атмосфере, растениях, животных, а также по трофическим цепям в целом, в том числе замыкаемых на человеке;

▪ исследование механизмов токсичности и разработка критериев для дифференцированной оценки опасности ксенобиотиков и других экополлютантов, в том числе для здоровья человека;

▪ оценка изменений в окружающей среде, вызванных загрязнителями (оценка опасности загрязнения для экосистемы в целом и для отдельных ее элементов);

▪ разработка принципов и методов регламентирования содержания экотоксикантов в объектах окружающей среды;

▪ моделирование с выходом на прогноз опасности загрязнения окружающей среды для человека, фауны, флоры и экологических систем в целом;

▪ использование полученных данных для уменьшения неблагоприятного воздействия загрязнения, для разработки необходимых мероприятий, направленных на улучшение состояния биосферы и здоровья населения.

Основные методы экологической токсикологии: биоиндикация в целях оценки качества окружающей среды, биотестирование — экспериментальное изучение токсических эффектов и мониторинг состояния здоровья человека. Важное значение сохраняют методы по изучению механизмов токсического действия, оценка соотношения «доза — эффект», определение токсикантов в объектах окружающей среды, живых организмах и т.д. [1, 7, 12].

1.2. Ксенобиотический профиль среды

Абиотические и биотические элементы окружающей среды представляют собой сложный конгломерат, представляющий собой бесчисленное количество различных молекул. Экологическую токсикологию интересуют только те из них, которые обладают свойством биодоступности, т.е. могут немеханическим образом взаимодействовать с биологическими объектами. К биодоступным, как правило, относятся химические вещества, представленные в жидком или газообразном агрегатном состоянии, накапливающиеся на поверхности частиц почвы и других объектов окружающей среды, поступающие в организм человека с пищевыми продуктами, либо твердые вещества в мелкодисперсном состоянии с размером частиц пыли менее 50 микрон. Химические вещества, находящиеся в твердых и нерастворимых в воде объектах (например, в скальных породах), биодоступностью не обладают, но могут служить источниками формирования ксенобиотического профиля. Судьба биодоступных химических соединений, утилизированных живыми организмами, может быть различной. Часть из них играют роль эссенциальных элементов окружающей среды, необходимых для жизнедеятельности живых организмов, включаются в их обменные процессы в качестве пластических и энергетических ресурсов. Другие биодоступные химические соединения, попадая в организмы представителей флоры и фауны, как пластический или энергетический материал не могут быть использованы, однако в определенных концентрациях и дозах способны нарушать физиологические процессы, проявляя токсическое воздействие различного характера — общетоксическое, раздражающее, сенсибилизирующее, канцерогенное, мутагенное, нарушение репродуктивной функции и др. Эта вторая группа биодоступных химических соединений носит название ксенобиотиков, чуждых жизни веществ. Ксенобиотики могут попадать в организм различными путями — во-первых, через органы дыхания (ингаляционный путь), во-вторых, через органы пищеварения (перорально), в третьих, через кожу (перкутанно), а также через плаценту от матери к плоду (вертикальный путь). В зависимости от химического строения ксенобиотики подразделяются на неорганические, органические и элементоорганические вещества и соединения; в зависимости от типичных поражаемых органов-мишеней и систем органов — на гепатотоксические (печень), нефротоксические (почки), нейротоксические (нервная система), кардиотоксические (сердечно-сосудистая система), гемотоксические (система крови) и т.д.

Современная экологическая токсикология как один из ключевых факторов окружающей среды рассматривает ксенобиотический профиль биогеоценоза, который представляет собой совокупность ксенобиотиков, находящихся во всех компонентах окружающей среды (вода, почва, атмосферный воздух и живые организмы) в таком агрегатном состоянии, которое позволяет им вступать в химические и физико-химические взаимодействия с биологическими объектами экологической системы. В целях детальной характеристики ксенобиотического профиля используются его качественные и количественные параметры. Как значимый компонент любого ксенобиотического профиля рассматриваются ксенобиотики, находящиеся в живых организмах, так как они неизбежно будут мигрировать через трофические цепи [2, 6, 11].

В ходе процессов филогенеза, на протяжении миллионов лет сформировались естественные ксенобиотические профили, к которым адаптированы сформировавшиеся на этих территориях биоценозы. Не всегда естественный ксенобиотический профиль среды безопасен для ее обитателей. Различные аномальные процессы, включая природные пертурбации и антропогенные вмешательства в окружающую среду, способны коренным образом модифицировать существующий естественный ксенобиотический профиль, прежде всего урбанизированных территорий.

К основным природным источникам ксенобиотиков относятся переносимые ветром частицы пыли в атмосферном воздухе, аэрозоль морской соли, выбросы при вулканической деятельности, лесные пожары, биогенные частицы и биогенные летучие вещества. Самый опасный источник ксенобиотиков — антропогенный. Локальное загрязнение отмечается в пределах границ источников загрязнения (как правило, границы его распространения не выходят за пределы подфакельной области). Импактная зона — зона, где концентрация вредных веществ превышает предельно допустимые концентрации. Местное загрязнение не выходит за пределы населенного пункта, города, района. Региональное загрязнение почвы и растительного покрова возникает в результате совокупного влияния переноса в атмосфере загрязняющих веществ из разных источников загрязнения и охватывающие крупные территории интенсивного хозяйственного пользования. Значимую роль в формировании и модификации ксенобиотического профиля среды играют физические воздействия электромагнитных, акустических, радиационных, тепловых, вибрационных и других факторов.

Те химические вещества и соединения, которые за счет значительного накопления в компонентах окружающей среды обуславливают изменения естественного ксенбиотического профиля принято называть экополлютантами (загрязнителями окружающей среды). К числу приоритетных экополлютантов относятся, во-первых, загрязнители воздушной среды — как газы (например, NO₂, SO₂, CO, углеводороды, фреоны), так и пыль (асбестовая, угольная, кремниевая и другая) и, во-вторых, загрязнители водной среды и почв (тяжелые металлы, хлорорганические и ртутьорганические пестициды, нитраты, фосфаты, нефть и нефтепродукты, органические растворители, низкомолекулярные галогенированные углеводороды, полициклические ароматические углеводороды — ПАУ, полихлорированные бифенилы, диоксины и другие).

Не каждый экополлютант, присутствующий в окружающей среде, а только тот, концентрация которого достаточна для запуска токсических процессов на любом уровне организации живых организмов данного биоценоза обозначается как экотоксикант. В рамках процедур анализа экологического риска (оценки и управления) используется также понятие «стрессор

Введение. Цель и задачи экологической токсикологии Экологическая токсикология

Магистратура. Цикл Б1.В.ДВ.2
Направление: 05.04.06 Экология и природопользование
Профиль: Экологическая безопасность и управление в сфере охраны
окружающей среды
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Институт экологии и природопользования
Зобов Владимир Васильевич,
д.б.н., профессор
e-mail: [email protected]
Казань - 2019

3. Тема 1. Введение: формирование индустриальной интоксикации биоты

Тема 1. Введение: формирование индустриальной интоксикации биоты
4
Лекция 1. Введение. Место дисциплины в эколого-физиологическом блоке
знаний: интеллект-карта FreeMind. Программа дисциплины. Формы
самостоятельной работы студентов. Требования к составлению рефератов и
презентаций PowerPoint. Основная литература. Электронные ресурсы и
дополнительная литература.
Цель и задачи экологической токсикологии. Индустриальная интоксикация
биоты и ее последствия. Экопатогенные воздействия и массовые отравления:
Китай и Япония, США, Европа и Россия. Начало экотоксикологии: значение
книги Рэчел Карсон «Молчаливая весна». Содержание дисциплины
«Экологическая токсикология» (особенности и цель). Научные и
законодательные задачи экотоксикологии. Основные понятия экотоксикологии:
яд и токсичность, механизм действия, биодоступность и биоактивность. Судьба
биодоступного вещества. Ксенобиотик и ксенобиотическая часть вещества.
Ксенобиотический профиль среды обитания. Экополлютанты и экотоксиканты.
Две категории экотоксикантов. Химический стресс и экосистемы.

Тема 2. Экотоксикокинетика: поведение (судьба) веществ в окружающей
среде
5
Лекция 2. Критерии экотоксикокинетики и экотоксикодинамики
Общая
схема
реализации
токсического
действия.
Критерии
экотоксикокинетики и экотоксикодинамики. Постулаты «Corpora non agunt nisi
soluta» и «Corpora non agunt nisi fixata». Биоактивность: сродство и внутренняя
активность вещества. Химические свойства веществ и биоактивность. Физикохимические свойства вещества: коэффициенты октанол/вода и почва/вода,
летучесть. Математические прогнозы биоактивности по химическим и физикохимическим свойствам вещества (QSAR): неорганические и органические
вещества.
Экотоксикокинетика
и
токсикокинетика.
Персистентность.
Мобильность. Трансформация абиотическая и биотическая. Метаболизм
(окисление и конъюгация). Биоаккумуляция и факторы влияющие на нее.
Распределение и депонирование веществ в организме. Комплексы веществобелок, вещество-жир. Стрессы и вторичная интоксикация. Биомагнификация.
Роль пищевых рационов в оценке токсического воздействия. Биоиндикаторы
реакции и накопления. Судьба веществ в почве и седиментах. Связанные (неэкстрагируемые водой) остатки веществ. Комплексы веществ с гуминовыми
кислотами и глинистыми материалами.

Тема 3. Экотоксикодинамика: механизмы действия и влияние факторов
среды на токсический эффект
Лекция 3. Экотоксические эффекты и механизмы экотоксичности
Экотоксические эффекты. Аутэкотоксические эффекты. Аллобиоз. Демэкотоксические
эффекты. Резистентность особей в популяции. Синэкотоксические эффекты. Критерии
классической токсикологии: острая и хроническая токсичность, дозы и концентрации.
Экотоксическая опасность. Оценка экологического риска как искусство. Острая
экотоксичность: примеры крупных аварий и экологических катастроф (1-я мировая война,
Севезо, Бхопал). Острое отравление с позиций общей патологии. Хроническая
экотоксичность как основная проблема экотоксикологии. Отсроченные эффекты и качество
потомства. Увеличение видового разнообразия мелких млекопитающих в градиенте
токсической нагрузки. Механизмы экотоксичности: примеры прямого, опосредованного и
смешанного действия. Аллобиотические состояния после интоксикации: иммунодепрессия и
инфекции. Сенсибилизация и аллергизация как источники последующих мутаций, гено- и
эмбриотоксичности.
6
Лекция 4. Влияние факторов среды на токсический эффект
Комбинированные (сочетанные) токсические эффекты. Синергизм (аддитивность и
потенцирование) и антагонизм (химический и функциональный). Принцип Safety in numbers.
Токсические эффекты при совместном действии факторов среды (температура, влажность,
шум, вибрация, радиация и др.). Массовые заболевания неясной этиологии (синдром ПХВ).
Синдромы «войны в Персидском заливе», «Свердловской области» и др. Адаптация и
резистентность в экотоксикологии. Изменчивость особей и появление несбалансированных
фенотипов как адаптивная реакция популяций на токсическое воздействие. Резистентность 2го типа у насекомых на воздействие пестицидов. Сверхрезистентость и пути взлома
резистентности

Тема 4. Экотоксикометрия
7
Лекция 5. Острая и хроническая токсичность.
Зависимость «доза - эффект». Экспозиционная и абсорбированная дозы. Смертельный
и несмертельные эффекты. Быстро- и медленно- действующие яды. Острая токсичность
и кривая доза-эффект: ЛД(К)16, ЛД(К)50, ЛД(К)84. Хроническая токсичность и коэффициент
опасности: порог хронического токсического действия. NOEC, LOEC и ПДК. NOEC и
эффекты стимуляции плодовитости.
Парадоксальные полифазные эффекты. Химический гормезис. Эффекты сверхмалых
доз суперэкотоксикантов и ионизирующей радиации. Проблема экстраполяции
токсикометрических данных. Межвидовая чувствительность к веществам: значение
понятий r- и K-стратегий для экстраполяции токсикометрических данных. Основные
закономерности для межвидовой экстраполяции данных. Требование для увеличения
точности экстраполяций. Ярусная тест-программа. Характеристики лабораторного,
полулабораторного (мезокосм) и полевого ярусов испытаний. Лабораторная сходимость
и система GLP. Коэффициент запаса

Тема 5. Основные классы токсических веществ
Лекция 6. Классификация токсических веществ.
Политропность действия ядов и основные классы токсических веществ. Вещества раздражающего
действия. «Литейная лихорадка». Эффекты нейротропных ядов. Эффекты ядов крови и сердечнососудистой системы. Особенности действия гепатотропных ядов, почечных ядов и ядов,
поражающих репродуктивную функцию. Особенности действия кадмия, ртути и свинца.
Особенности действия радионуклидов, нефтей и нефтепродуктов. Особенность действия
полициклических ароматических углеводородов. Особенность молекулярного строения
бенз(а)пирена и его канцерогенность. Особенности действия полигалогенированных ароматических
углеводородов (дибензофураны, дибензодиоксины и бифенилы). Вьетнамская экологическая
катастрофа после войны с США. Особенность действия хлорированных бензолов.
Пестициды. Принципы классификации пестицидов. Спектр действия гербицидов: хлорфенолы,
феноксиуксусные кислоты, дефолианты и десиканты. Гербициды и изменение вкуса ядовитых
растений. Гербициды и эрозия почв. Особенность токсического действия хлорогранических
пестицидов (ДДТ и др.). Особенности токсического действия пиретринов и ингибиторов
холинэстераз. Боевые отравляющие вещества. Особенности токсического действия ртуть-, медьорганических пестицидов. Госрегистрация пестицидов. Биологические методы борьбы с
вредителями. Избирательная токсичность в борьбе с вредителями.
______________________
8
Общая трудоемкость дисциплины «Экологическая токсикология» составляет 3 зачетные единицы
на 108 часов.
Контактная работа - 28 часов, в том числе лекции - 6 часов, практические занятия - 0 часов,
лабораторные работы - 22 часа, контроль самостоятельной работы - 0 часов.
Самостоятельная работа - 44 часа.
Контроль (экзамен) - 36 часов.
Форма промежуточного контроля дисциплины: экзамен во 2 семестре.

12
Основная литература:
В 5 следующих изданиях освещаются вопросы экотоксикометрии и
классификация токсических веществ:
8. Голубев А.А., Люблина Е.И., Толоконцев Н.А., Филов В.А. Количественная
токсикология. Л.: Медицина. 1973. 287 с.
9. Корте Ф., Бахадир М., Клайн В., Лай Я.П. и др. Экологическая химия. Пер. с
нем./Под ред. Ф. Корте. -М.: Мир, 1997. 396 с.
10. Келина Н.Ю., Безручко Н.В. Токсикология в таблицах и схемах. Ростов-наДону: Феникс, 2006. 144 с.
11. Эйхлер В. Яды в нашей пище. Пер. с нем. -2-е доп.изд. -М.: Мир, 1993. 189
с.
12. Оксенгендлер Г.И. Яды и организм: Проблемы химической опасности.
СПб.: Наука, 1991. 320 с.

14. Общая схема реализации биоактивности (токсичности)

14
Общая схема реализации биоактивности (токсичности)
Биоактивность зависит от: 1) химических и физико-химических свойств
токсиканта; 2) свойств биосистемы:

Вопросы к экзамену по дисциплине «Экологическая токсикология»
15
1. Опишите источники появления потенциально токсичных веществ в окружающей
среде.
2. Поясните понятия «идиопатические состояния» и «экопатогенные воздействия».
3. Что означает "улыбка Минамата", итай-итай, "масляные болезни"?
4. Поясните
понятия
"токсичность",
"механизм
токсического
действия",
"биодоступность".
5. Расшифруйте постулаты "Corpora non agunt nisi soluta" и "Corpora non agunt nisi
fixata".
6. Что обозначают понятия «ксенобиотики» и «ксенобиотическая концентрация»?
7. Каковы цели и задачи экологической токсикологии?
8. Опишите
гигиенические
(эпидемиологические)
подходы,
научные
и
законодательные задачи экологической токсикологии.
9. Что обозначает понятие «ксенобиотический профиль среды обитания»?
10. Поясните разницу в понятиях "экополлютант" и "экотоксикант".
11. Опишите возможные последствия целенаправленных эмиссий токсических веществ
в окружающую среду.

Вопросы к экзамену по дисциплине «Экологическая токсикология»
16
12. Опишите общую схему реализации токсического действия.
13. Охарактеризуйте основные физико-химические параметры веществ (logPow,
молекулярная масса, pH, фугитивность, Коу и др.)
14. Оцените ценность прогнозов токсичности веществ (эмпирических и QSAR).
15. Что окружающая среда делают с экотоксикантом?
16. Что организм делают с токсикантом?
17. Что токсикант делает с организмом?
18. Охарактеризуйте критерии экотоксикокинетики (персистентность, мобильность,
трансформация, метаболизм, биоаккумуляция).
19. Опишите казус с байковином.
20. Каков характер связи канцерогенности с химической структурой вещества?
21. Опишите факторы, влияющие на биоаккумуляцию веществ в организме.
22. Охарактеризуйте принципы распределения и депонирования веществ в организме.
23. Каковы особенности комплексов «вещество-белок» и «вещество-жир».
24. Как связаны между собой стрессы и вторичная интоксикация?
25. Какова роль пищевых рационов в оценке токсического воздействия?
26. Что означают понятия «биоиндикаторы накопления», «биоиндикаторы реакции»?
27. Какова "судьба" веществ в почве и седиментах?
28. Каковы особенности комплексов веществ с гуминовыми кислотами и глинистыми
материалами?
29. В чем заключается особенность связанных (не-экстрагируемых водой) остатков
веществ с точки зрения экотоксикологии?

Вопросы к экзамену по дисциплине «Экологическая токсикология»
17
30. Опишите аутэкотоксические эффекты.
31. Что означает понятие «аллобиоз»?
32. Опишите демэкотоксические эффекты: резистентность особей в популяции.
33. Что означает синэкотоксические эффекты: деформация межвидовых отношений.
34. Опишите базовые критерии общей токсикологии: острая и хроническая токсичность,
дозы и концентрации.
35. Что такое экотоксическая опасность и риск.
36. Каковы сложности в оценке дем- и син-экологических эффектов?
37. Что такое острая экотоксичность?
38. Охарактеризуйте крупные аварии и экологические катастрофы (1-я мировая война,
Севезо, Бхопал, война во Вьетнаме).
39. Какова судьба запасов химического оружия в России?
40. Почему
хроническая
экотоксичность
является
основной
проблемой
экотоксикологии?
41. Как отсроченные эффекты веществ влияют на качество потомства?
42. В чем заключается причина увеличения видового разнообразия мелких
млекопитающих в градиенте токсической нагрузки?

Вопросы к экзамену по дисциплине «Экологическая токсикология»
18
43. Опишите основные механизмы экотоксичности.
44. Приведите примеры прямого, опосредованного и смешанного действия веществ.
45. Приведите примеры развития аллобиотических состояний после интоксикации.
46. Опишите механизмы развития иммунодепрессия и инфекций.
47. Охарактеризуйте сенсибилизацию и аллергизацию как источники последующих
мутаций, гено- и эмбриотоксичности.
48. Опишите особенности комбинированных (сочетанных) эффектов веществ.
49. Что означает синергизм (аддитивность и потенцирование) и антагонизм
(химический и функциональный) действия веществ?
50. Опишите токсические эффекты при совместном действии факторов среды
(температура, влажность, шум, вибрация, радиация и др.).
51. Что подразумевают под массовыми заболеваниями неясной этиологии (синдромы
MCS, environmental illness, TILT, ПХВ)?
52. Опишите синдромы "войны в Персидском заливе", "Свердловской области",
"Каширского шоссе", "Балканский", "Тбилисский", "Чернобыльский" и др.
53. Опишите изменчивость особей и появление несбалансированных фенотипов как
пример адаптивной реакции популяций на токсическое воздействие.
54. Опишите резистентность 2-го типа у насекомых в ответ на воздействие пестицидов.
55. Что такое сверхрезистентость и каковы пути взлома резистентности?

Вопросы к экзамену по дисциплине «Экологическая токсикология»
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
Поясните разницу между экспозиционной и абсорбированной дозами.
Приведите примеры быстро- и медленно- действующих ядов.
Нарисуйте пример кривой доза-эффект: ЛД(К)16, ЛД(К)50, ЛД(К)84.
Что такое хроническая токсичность (коэффициент опасности) и порог хронического
токсического действия?
Что такое NOEC, LOEC и ПДК. NOEC и эффекты стимуляции плодовитости?
Что подразумевают под парадоксальными полифазными эффектами.
Поясните понятие «химический гормезис» и эффекты сверхмалых доз
суперэкотоксикантов.
В чем заключается проблема экстраполяции токсикометрических данных?
Охарактеризуйте лабораторный, полулабораторный (мезокосм) и полевой ярусы
экотоксикологических испытаний.
Что означает понятия «лабораторная сходимость» и система GLP.
В чем заключается суть «коэффициента запаса».
19
56.
57.
58.
59.

Вопросы к экзамену по дисциплине «Экологическая токсикология»
71.
72.
73.
74.
75.
76.
77.
78.
79.
80.
Опишите политропность действия ядов и основные классы токсических веществ.
Охарактеризуйте вещества раздражающего действия.
Чем обусловлена «литейная лихорадка»?
Опишите эффекты нейротропных ядов и синдромы вегето-сосудистой дистонии и
астено-вегетативный.
Опишите эффекты ядов крови и сердечно-сосудистой системы.
В чем заключается особенность действия гепатотропных ядов?
В чем заключается особенность действия почечных ядов и ядов, поражающих
репродуктивную функцию.
В чем заключается особенность действия кадмия, ртути и свинца?
В чем заключается особенность действия радионуклидов, нефтей и
нефтепродуктов?
В чем заключается особенность действия полициклических ароматических
углеводородов?
Опишите особенность молекулярного строения бенз(а)пирена и его
канцерогенность.
В чем заключается особенность действия полигалогенированных ароматических
углеводородов (дибензофураны, дибензодиоксины и бифенилы)?
Опишите вьетнамскую экологическую катастрофу после войнв с США.
В чем заключается особенность действия хлорированных бензолов?
20
67.
68.
69.
70.

Вопросы к экзамену по дисциплине «Экологическая токсикология»
21
81. Опишите различные принципы классификации пестицидов.
82. Опишите спектр действия гербицидов: хлорфенолы, феноксиуксусные кислоты,
дефолианты и десиканты.
83. Как гербициды меняют вкус ядовитых растений?
84. Как гербициды усиливают эрозию почв?
85. В чем заключается особенность действия хлорогранических пестицидов (ДДТ и
др.)?
86. В чем заключается особенность действия пиретринов и ингибиторов холинэстераз?
87. В чем заключается особенность действия ртуть-, медь- органических пестицидов?
88. В чем заключается особенность действия нитрозаминов?

Основы экотоксикологии

Развитие промышленности неразрывно связано с расширением круга используемых химических веществ. Увеличение объемов применяемых пестицидов, удобрений и других химикатов - характерная черта современного сельского хозяйства и лесоводства. В этом объективная причина неуклонного усиления химической опасности для окружающей среды, таящейся в самой природе человеческой деятельности.

Еще несколько десятков лет назад химические отходы производства просто сбрасывали в окружающую среду, а пестициды и удобрения практически бесконтрольно, исходя из утилитарных соображений, распыляли над огромными территориями. При этом, полагали, что газообразные вещества должны быстро рассеиваться в атмосфере, жидкости частично растворяться в воде и уноситься из мест выброса. И хотя твердые продукты в значительной степени накапливались в регионах, потенциальная опасность промышленных выбросов рассматривалась как низкая. Использование же пестицидов и удобрений давало экономический эффект, во много раз превосходящий ущерб, наносимый токсикантами природе.

Однако уже в 1962 году появляется книга Рашель Карсон УМолчаливая веснаФ, в которой автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. Эта книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительственные законодательные акты, регламентирующие выбросы ксенобиотиков. С этой книги, по сути, началось развитие новой ветви науки - зкотоксикологии.

В самостоятельную науку экотоксикологию (ecotoxicology) выделил Рене Траут, который впервые, в 1969 году, связал воедино два совершенно разных предмета: экологию (по Кребсу - науку о взаимоотношениях, которые определяют распространение и обитание живых существ) и токсикологию. На самом деле, эта область знаний включает в себя, помимо указанных, элементы и других естественных наук, таких как химия, биохимия, физиология, популяционная генетика и др.

По мере развития, само понятие УэкотоксикологияФ претерпело определенную эволюцию. В 1978 году Батлер рассматривал экотоксикологию как науку, изучающую токсические эффекты химических агентов на живые организмы, особенно на уровне популяций и сообществ, в пределах определенных экосистем. Левин и др. в 1989 г. определили ее как науку, прогнозирующую влияние химических веществ на экосистемы. В 1994 году В. и Т. Форбсы дали следующее определение экотоксикологии: Уобласть знаний, которая суммирует экологические и токсикологические эффекты химических поллютантов на популяции, сообщества и экосистемы, прослеживая судьбу (транспорт, трансформацию и удаление) таких поллютантов в окружающей средеФ.

Таким образом, экотоксикология, по мнению авторов, изучает развитие неблагоприятных эффектов, проявляющихся при действии загрязнителей на самые разнообразные виды живых организмов (от микроорганизмов, до человека), как правило, на уровне популяций или экосистемы в целом, а также судьбу химического вещества в системе биогеоценоза.

Позже в рамках экотоксикологии стали выделять, в качестве самостоятельного направления, один из её разделов, получивший название Утоксикология окружающей средиФ (environmental toxicology).

Сформировалась тенденция использовать термин УэкотоксикологияФ только для обозначения суммы знаний, касающихся эффектов химикатов на экосистемы, исключая человека. Так, по Уолкеру и др. (1996) экотоксикология - учение о вредных эффектах химикатов на экосистемы. Устраняя из круга рассматриваемых экотоксикологией объектов человека, это определение детерминирует различие между экотоксикологией и токсикологией окружающей среды, определяет предмет изучения последней. Термин Утоксикология окружающей средыФ предлагается использовать только для исследований прямого действия УзагрязнителейФ окружающей среды на человека.

В процессе изучения эффектов химических веществ, присутствующих в окружающей среде, на человека и человеческие сообщества, токсикология окружающей среды оперирует уже устоявшимися категориями и понятиями классической токсикологии и применяет, как правило, ее традиционную экспериментальную, клиническую, эпидемиологическую методологию. Объектом исследований при этом являются механизмы, динамика развития, проявления неблагоприятных эффектов действия токсикантов и продуктов их превращения в окружающей среде на человека.

Разделяя в целом такой подход, и положительно оценивая его практическую значимость, следует однако заметить, что методологические различия между экотоксикологией и токсикологией окружающей среды полностью стираются, когда перед исследователем ставятся задачи оценить опосредованное действия загрязнителей на человеческие популяции (например, обусловленное токсической модификацией биоты), или, напротив, выяснить механизмы действия химикатов, находящихся в среде, на представителей того или иного отдельного вида живых существ. В этой связи, с теоретических позиций, Утоксикология окружающей средыФ, как наука, является лишь частной проблемой УэкотоксикологииФ, при этом методология, понятийный аппарат и структура наук - едины.

Содержанием дисциплины УэкотоксикологииФ является учение об экотоксичности, а основными рассматриваемыми вопросами: характеристика ксенобиотического профиля среды обитания, проблемы экотоксикокинетики, экотоксикодинамики, экотоксикометрии.

1. Ксенобиотический профиль среды

С позиций токсиколога абиотические и биотические элементы того, что мы называем окружающей средой - все это сложные, порой особым образом организованные агломераты, смеси бесчисленного количества молекул.

Для экотоксикологии интерес представляют лишь молекулы, обладающие биодоступностью, т.е. способные взаимодействовать немеханическим путем с живыми организмами. Как правило, это соединения, находящиеся в газообразном или жидком состоянии, в форме водных растворов, адсорбированные на частицах почвы и различных поверхностях, твердые вещества, но в виде мелко дисперсной пыли (размер частиц менее 50 мкм), наконец вещества, поступающие в организм с пищей.

Часть биодоступных соединений утилизируется организмами, участвуя в процессах их пластического и энергетического обмена с окружающей средой, т.е. выступают в качестве ресурсов среды обитания. Другие же, поступая в организм животных и растений, не используются как источники энергии или Упластический материалФ, но, действуя в достаточных дозах и концентрациях, способны существенно модифицировать течение нормальных физиологических процессов. Такие соединения называются чужеродными или ксенобиотиками (чуждые жизни).

Совокупность чужеродных веществ, содержащихся в окружающей среде (воде, почве, воздухе и живых организмах) в форме (агрегатном состоянии), позволяющей им вступать в химические и физико-химические взаимодействия с биологическими объектами экосистемы составляют ксенобиотический профиль биогеоценоза. Ксенобиотический профиль следует рассматривать как один из важнейших факторов внешней среды (наряду с температурой, освещенностью, влажностью, трофическими условиями и т.д.), который может быть описан качественными и количественными характеристиками.

Важным элементом ксенобиотического профиля являются чужеродные вещества, содержащиеся в органах и тканях живых существ, поскольку все они рано или поздно потребляются другими организмами (т.е. обладают биодоступностью). Напротив, химические вещества, фиксированные в твердых, не диспергируемых в воздухе и нерастворимых в воде объектах (скальные породы, твердые промышленные изделия, стекло, пластмасса и др.), не обладают биодоступностью. Их можно рассматривать как источники формирования ксенобиотического профиля.

Ксенобиотические профили среды, сформировавшиеся в ходе эволюционных процессов, миллионы лет протекавших на планете, можно назвать естественными ксенобиотическими профилями. Они различны в разных регионах Земли. Биоценозы, существующие в этих регионах (биотопах), в той или иной степени адаптированы к соответствующим естественным ксенобиотическим профилям.

Различные природные коллизии, а в последние годы и хозяйственная деятельность человека, порой существенным образом изменяют естественный ксенобиотический профиль многих регионов (особенно урбанизированных). Химические вещества, накапливающиеся в среде в несвойственных ей количествах и являющиеся причиной изменения естественного ксенобиотического профиля, выступают в качестве экополлютантов (загрязнителей). Изменение ксенобиотического профиля может явиться следствием избыточного накопления в среде одного или многих экополлютантов (таблица 1).

Таблица 1. Перечень основных экополлютантов

Загрязнители воздуха

Загрязнители воды и почвы

Газы:
Оксиды серы
Оксиды азота
Оксиды углерода
Озон
Хлор
Углеводороды
Фреоны

Пылевые частицы:
Асбест
Угольная пыль
Кремний
Металлы

Металлы (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть)
Пестициды хлоорганические (ДДТ, алдрин, диэлдрин, хлордан)
Нитраты
Фосфаты
Нефть и нефтепродукты
Органические растворители (толуол, бензол, тетрахлорэтилен)
Низкомолекулярные галогенированные углеводороды (хлороформ, бромдихлорметан, бромоформ, тетрахлорметан, дихлорэтан)
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)
Полихлорированные бифенилы
Диоксины
Дибензофураны
Кислоты

Далеко не всегда это приводит к пагубным последствиям для живой природы и населения. Лишь экополлютант, накопившийся в среде в количестве, достаточном для инициации токсического процесса в биоценозе (на любом уровне организации живой материи), может быть обозначен как экотоксикант.

Одна из сложнейших практических задач экотоксикологии - определение количественных параметров, при которых экополлютант трансформируется в экотоксикант. При её решении необходимо учитывать, что в реальных условиях на биоценоз действует весь ксенобиотический профиль среды, модифицируя при этом биологическую активность отдельного поллютанта. Поэтому в разных регионах (разные ксенобиотические профили, различные биоценозы) количественные параметры трансформации поллютанта в экотоксикант строго говоря различны.

Экотоксикокинетика - раздел экотоксикологии, рассматривающий судьбу ксенобиотиков (экополлютантов) в окружающей среде: источники их появления; распределение в абиотических и биотических элементах окружающей среды; превращение ксенобиотика в среде обитания; элиминацию из окружающей среды.

2.1. Формирование ксенобиотического профиля. Источники поступления поллютантов в среду

К числу природных источников биодоступных ксенобиотиков, по данным ВОЗ (1992), относятся: переносимые ветром частицы пыли, аэрозоль морской соли, вулканическая деятельность, лесные пожары, биогенные частицы, биогенные летучие вещества. Другим источником ксенобиотиков в среде, значение которого неуклонно возрастает, является деятельность человека

Важнейшим элементом экотоксикологической характеристики поллютантов является идентификация их источников. Решить эту задачу далеко не просто, т.к. порой вещество поступает в среду в ничтожных количествах, иногда в виде примесей к вполне УбезобиднымФ субстанциям. Наконец возможно образование экополлютанта в окружающей среде в результате абиотических или биотических трансформаций других веществ.

Многочисленные абиотические (происходящие без участия живых организмов) и биотические (происходящие с участием живых организмов) процессы в окружающей среде, направлены на элиминацию (удаление) экополлютантов. Многие ксенобиотики, попав в воздух, почву, воду приносят минимальный вред экосистемам, поскольку время их воздействия ничтожно мало. Вещества, оказывающиеся резистентными к процессам разрушения, и, вследствие этого, длительно персистирующие в окружающей среде, как правило, являются потенциально опасными экотоксикантами (таблица 2).

Таблица 2. Период полуразрушения некоторых ксенобиотиков в окружающей среде

Читайте также:

Задачи экологической токсикологии. Зависимость доза-эффект вне организма

1.1. Объект, предмет, цель и задачи экологической токсикологии

Экологическая токсикология

Оглавление

Введение. Цель и задачи экологической токсикологии Экологическая токсикология

3. Тема 1. Введение: формирование индустриальной интоксикации биоты

14. Общая схема реализации биоактивности (токсичности)

Основы экотоксикологии