Текст книги "Основы общей и экологической токсикологии"

Принимая за основу то обстоятельство, что мутагенные факторы окружающей среды способны также выступать в роли инициаторов опухолевых процессов, нетрудно придти к выводу о необходимости тестирования экотоксикантов для выявления их потенциальной мутагенной опасности, получая при этом информацию об их канцерогенной и тератогенной значимости. Возрастание удельной массы ксенобиотиков, обладающих геноповреждающим действием, является ведущей причиной ракового перерождения соматических клеток, а при воздействии на половые клетки оказывают негативное воздействие на эмбриогенез, стимулируют тератогенез и формируют наследственную патологию. В связи с этим, оценка степени активности мутагенов среды обитания в отношении генетических структур человека и прогнозирование этих свойств является весьма актуальной практической проблемой, для решения которой требуются совместные усилия экологов, токсикологов, медиков и генетиков.

Не вызывает сомнений, что в качестве первого этапа решения этой непростой задачи необходимо создание системы показателей, способной выявлять мутагены среди химических загрязнителей. Актуальность этого этапа определяется, по меньшей мере, следующими двумя положениями:

1) сравнительно небольшое количество экотоксикантов из общего числа известных загрязнителей среды обитания изучено на предмет мутагенности;

2) по самым осторожным оценкам, не менее 20 % из исследованных веществ (промышленные соединения, лекарственные препараты, пищевые добавки и т. д.) имеют мутагенную активность.

В настоящее время в токсикологической практике для такого скрининга наиболее широко используется проведение быстрого, недорого и информативного метода учета генных мутаций на гистидинзависимых штаммах Salmonella typhimurium в полуколичественном тесте Эймса и анализ частоты полихроматофильных эритроцитов с микроядрами в костном мозге мышей в остром эксперименте.

Полуколичественный тест на сальмонелле с использованием системы метаболической активации с гомогенатами печени млекопитающих позволяет быстро оценить мутагенные свойства как самих химических веществ, так и их метаболитов, поскольку на бактериальную культуру воздействуют не только исходные соединения, но и продукты их биотрансформации, образующиеся при воздействии микросомальных ферментов. Анализ результатов многочисленных исследований показал, что практически все вещества, обнаружившие мутагенную активность в экспериментах на млекопитающих, имели выраженный эффект в опытах на микроорганизмах. Принцип теста на Salmonella typhimurium (ТА 1535 и ТА 1538) заключается во внесении изучаемого вещества и гомогената печени крыс в слой полужидкого агара с последующим сравнительным подсчетом количества колоний-ревертантов относительно контрольных серий. Анализ частоты полихроматофильных эритроцитов с микроядрами в костном мозге – быстрый и эффективный тест для выявления веществ, обладающих цитогенетической активностью. Специальные исследования на мышах с циклофосфамидом, окисью этилена, бензолом и многими другими соединениями показали, что чувствительность этого теста в остром эксперименте не уступает или даже превышает таковую классического метафазного метода учета хромосомных аберраций в клетках костного мозга. Результаты экспериментов позволили установить спонтанную частоту полихроматофильных эритроцитов с микроядрами в костном мозге мышей и рекомендовать данный метод для использования в скрининговой системе тестов.

В дальнейшем вещества, показавшие мутагенную активность на этапе выявления мутагенов, должны обязательно исследоваться в экспериментах на млекопитающих. Основные требования данного этапа исследований, предъявляемые к используемым тестам и методам, заключаются в следующем:

а) возможность оценки индукции мутаций в соматических и половых клетках;

б) длительность экспериментов должна давать результаты, позволяющие прогнозировать эффекты мутагенов при хроническом воздействии;

в) возможность изучения зависимости мутагенного эффекта от дозы (концентрации) исследуемого вещества.

Для оценки мутагенности веществ в соматических клетках признан вполне адекватным этим требованиям метафазный метод учета хромосомных аберраций в клетках костного мозга млекопитающих. Для выявления приемлемого метода учета мутагенности химических соединений в половых клетках млекопитающих было проведено сравнительное изучение ряда наиболее распространенных методов: анализ доминантных леталей у самцов и самок мышей, анализ наследуемых транслокаций в F₁-потомстве обработанных мутагеном самцов мышей, анализ хромосомных аберраций в сперматогониях мышей. Наиболее чувствительным оказался метод учета доминантных леталей у самцов мышей. Таким образом, оптимальными методами оценки мутагенности химических веществ в экспериментах на млекопитающих оказались анализ хромосомных аберраций в клетках костного мозга и учет доминантных леталей в половых клетках самцов.

В настоящее время существует два теоретических подхода к регламентированию допустимого уровня содержания мутагенов в окружающей среде. Один из них предложен ведущими специалистами токсикологии и основан на принципе пороговости, предполагая использование традиционной схемы экспериментов с определением пороговой дозы мутагена. По соотношению между пороговой дозой по мутагенному эффекту и пороговой дозой по общетоксическим и другим показателям оценивается специфичность действия вещества, дается классификация опасности, рекомендуются коэффициенты запаса. Другой подход базируется на сопоставлении с показателем спонтанного уровня мутаций и оценке мутагенной опасности вещества по доле превышения спонтанного уровня. При этом принимается, что максимальное превышение спонтанного уровня мутаций от действия всей суммы химических мутагенов не должно превышать 10 %, а от изолированного действия отдельных мутагенов – от 0,1 до 1 % (диапазон мнений различных авторов). Несомненным достоинством этого подхода является то, что он исходит из суммарной оценки мутагенности факторов окружающей среды. В практике регламентирования потенциальных мутагенов рекомендуется использование описанных выше скрининг-тестов и углубленных методов, позволяющих достоверно выявлять повышение уровня мутаций в опытной группе по сравнению с контрольной на 100 – 200 %. При этом максимальное превышение спонтанного уровня мутаций от действия одного мутагена допускается не более чем 1 %. Далее, для веществ, показавших мутагенную активность в экспериментах на млекопитающих, устанавливается допустимая доза мутагена (ДД_мут) или его концентрация, составляющая 1/200 от минимально действующей дозы эксперимента. При выборе лимитирующего показателя вредности для установления ПДК веществ, обладающих мутагенной активностью, следует учитывать именно ДД_мут. В случае, если значение ДД_мут будет меньше, чем величина недействующий дозы (концентрации) по другим показателям, регламент рекомендуется устанавливать на уровне ДД_мут.

Однако экстраполяция экспериментальных данных в целом и по мутагенности химических веществ с лабораторных животных на человека, в частности, связана с некоторыми сложностями, поскольку метаболизм человека отличен во многих деталях от метаболизма млекопитающих. Разумеется, в тех случаях, когда химические вещества проявили себя высокомутагенными для других организмов, они, как правило, сохранят эти свойства и по отношению к человеку. Значительно опаснее ситуация, когда немутагенные в эксперименте вещества могут стать ими, взаимодействуя с компонентами метаболизма или окружающей среды. Поэтому необходимо стремиться к проведению натурных наблюдений с целью определения генетического груза и оценки генетической опасности тех или иных химических агентов для человеческой популяции. Для получения необходимой информации рекомендуется изучать спонтанные аборты, новорожденных, престарелых лиц и лиц, подвергавшихся воздействию химических веществ.

Изучение спонтанных абортов позволяет выявить два типа изменений, происходящих в половых клетках: точковые мутации и мутации целых хромосом (или их частей). Для ряда химических соединений наследственные пороки новорожденных служат самым ранним проявлением половой мутации у родителей. С помощью генетического контроля над новорожденным можно выявить определенные мутации, которые не имеют клинического проявления и подтверждаются впоследствии генетически обследованием отца и матери. Большинство точковых мутаций, вызывающих рецессивные заболевания, расценивается как результат генных изменений, ведущих к генной инактивации. Установлено, что выработанный геном белок достаточно часто сохраняется. Такие генные мутации не приводят к заболеваниям, но в совокупности с другими факторами они могут способствовать ухудшению состояния здоровья.

В современной литературе накоплен большой фактический материал о развитии всех видов отдаленных и отставленных эффектов при воздействии химических загрязнителей окружающей среды, предложено множество способов и методов их учета в экспериментальных и натурных исследованиях, разрабатываются регламенты их содержания в среде обитания. Однако темпы синтеза новых химических веществ и объемы их поступления в природную среду значительно превышают возможности специализированных учреждений и подразделений различных министерств и ведомств по токсикологическому изучению новых экотоксикантов и регламентации их содержания в объектах окружающей среды. Практически неизученной осталась проблема развития отдаленных эффектов при сочетанном, комплексном и комбинированном воздействии химических веществ на уровне подпороговых доз (концентраций). Предпринимаются попытки оценки суммарной мутагенной и канцерогенной активности соединений, находящихся в атмосферном воздухе и питьевой воде. К сожалению, все это не является даже борьбой со следствием, а лишь вариантом установления диагноза вредного воздействия. Безусловным и необходимым методом профилактики развития отдаленных эффектов воздействия химических соединений на организм человека может быть только полное исключение веществ, обладающих такого рода биологическим действием, из всех компонентов среды обитания за счет их замены аналогами с низкой степенью опасности.

Глава 6
КОМБИНИРОВАННОЕ ДЕЙСТВИЕ КСЕНОБИОТИКОВ

6.1. Формы воздействия токсичных веществ

К настоящему времени установлено, что при совместном воздействии токсиканты взаимно влияют на эффекты друг друга. Такое взаимовлияние, как правило, обусловлено химическим взаимодействием соединений между собой, вследствие чего организм подвергается дополнительному влиянию продуктов химической реакции. В данной главе рассматривается вопрос о комбинированных эффектах при одновременном воздействии на организм нескольких (двух и более) токсичных веществ. Взаимовлияние может проявляться в различных формах, терминологически известных как антагонизм, синергизм, сенсибилизация. Для понимания изложенного приводим табл. 6.1, в которой представлены формы воздействия токсичных веществ в двухкомпонентной системе.

Таблица 6.1

Формы воздействия токсичных веществ в двухкомпонентной системе

Если комбинированный эффект равен сумме эффектов изолированных веществ, его следует считать аддитивным:

Антагонизм (гр. antagonisma – спор, борьба) – непримиримое, острое противоборство организмов, при котором один вид задерживает или полностью подавляет рост (развитие) другого. Применительно к рассматриваемому вопросу комбинированного действия ксенобиотиков, антагонизм воздействия – случаи взаимного влияния нескольких воздействий, когда они действуют в противоположном направлении и ослабляют суммарное воздействие. Иными словами, при антагонизме эффект суммы меньше отдельных эффектов:

Результаты экспериментов на гольянах по испытанию токсичности простых и смешанных растворов натрия, калия, кальция и марганца в дистиллированной воде приведены в табл. 6.2.

Показано также, что токсичность солей цинка и свинца значительно уменьшается в присутствии растворенных соединений кальция. Например, колюшка в растворе свинца с концентрацией 1 мг/л, приготовленном на мягкой воде, погибла в течение 24 ч. Однако при добавлении в токсический раствор свинца 50 мг/л хлорида, нитрата или бикарбоната кальция рыбы выживали весь период наблюдений в течение 10 суток.

Таблица 6.2

Антагонизм некоторых катионов металлов в экспериментах на гольянах

Синергетическое действие, синергизм – взаимодействие факторов, при котором эффект оказывается большим, чем сумма влияний от действия отдельных факторов; увеличение силы воздействия одного фактора при наличии в среде других однонаправленных факторов. Так действуют, например, многие токсичные вещества (пестициды, тяжелые металлы). Синергизм действия ксенобиотиков – одновременное действие нескольких токсичных веществ (одного направления) на организм. Синергическое воздействие – заранее не ожидавшееся усиление суммы нескольких воздействий. При синергизме ксенобиотики оказывают более губительное действие, чем арифметическая сумма последовательных эффектов каждого токсиканта в отдельности:

Так, например, экспериментально было установлено, что для некоторых беспозвоночных цинк и медь в мягкой воде проявляли аддитивный эффект, а цинк и никель, цинк и медь – синергичный.

Английскими исследователями было установлено, что смесь аммония и фенола более токсична для радужной форели, чем каждый из ингредиентов, поскольку концентрация этих веществ в смеси обычно меньше в сравнении с соответствующими пороговыми концентрациями аммония (0,6 мг/л) и фенола (4,4 мг/л). Следовательно, фенолы могут оказывать токсическое действие в присутствии других ядов даже при таких концентрациях, которые в чистом виде неэффективны.

При сенсибилизации эффект суммы больше суммы отдельных эффектов:

Для выражения суммарного действия нескольких токсичных веществ, находящихся в смеси, предложен ИТС (индекс токсичности смеси):

где ∑С_i – сумма концентраций отдельных веществ; n – число веществ в смеси.

Если ИТС < 0, то это антагонизм; ИТС=0 – независимое действие; ИТС=1 – аддитивное действие; ИТС>1 – сверхаддитивное действие.

6.2. Адаптационные характеристики водных экосистем

Устойчивость гидробионтов и их популяций к продолжающимся токсическим воздействиям может повышаться, обусловливая явление, названное адаптацией.

Адаптация (лат. adaptatio — приспособление) – приспособление организма к изменившимся условиям, выработанное в процессе эволюционного развития, направленное на сохранение гомеостаза. Адаптация представляет собой изменения в организме, которые повышают способность популяций или особей противостоять неблагоприятным факторам окружающей среды. Адаптация – совокупность реакций биологической системы, поддерживающих ее функциональную устойчивость при изменении условий окружающей среды. Выделяют два принципиально различных вида адаптации: генетическая (передаваемая по наследству) и негенетическая, или фенотипическая (ее называют также индивидуальной, физиологической, онтогенетической, экологической). Фенотипическая адаптация разделяется на две формы: поведенческую адаптацию и привыкание. Благодаря оборонительному поведению животное осуществляет перемену среды, уходя от вредного фактора (реакция избегания). Естественно, что при этом устойчивость животного к фактору не изменяется. В отличие от поведенческой адаптации привыкание характеризуется повышением устойчивости самого организма.

На основании изучения фенотипической адаптации были сделаны два важных вывода:

1. Для самых разнообразных гидробионтов акклиматизация (привыкание к изменению одного из факторов среды, сопровождающееся компенсаторными реакциями), как правило, завершается примерно через 2 нед.;

2. Динамика процессов фенотипической адаптации носит фазный характер. В связи с этим при постановке экспериментов по исследованию адаптаций требуется соблюдение определенных условий, прежде всего, соблюдение достаточной продолжительности периода акклиматизации.

Интересно отметить, что сейчас около 450 видов беспозвоночных стало нечувствительно к применяемым инсектицидам, ивлабораториях получены экспериментально созданные популяции дрозофил, которые (хотя это и выглядит анекдотично) не могут жить без ДДТ. Добавим к этому, что в Санкт-Петербурге и Москве появилась особая раса (в ранге подвида) комаров, которая перешла исключительно на питание человеческой кровью (животных они не трогают), а размножается даже зимой (в теплых подвалах, во влажных местах вблизи тепла).

Механизмы адаптации разнообразны. Устойчивость может повышаться за счет продуцирования веществ, связывающих ионы токсичных металлов, связывания ионов компонентами клеточных стенок (например, полисахаридами), изменения свойств мембран и др. Существует адаптация не только к естественным факторам, но и к антропогенным загрязнениям. Ее формирование зависит от режима воздействия токсиканта и общих условий окружающей среды.

Профилактику и предотвращение последствий любого антропогенного воздействия на экосистему целесообразно начинать с определения естественных экологических норм, ограничивающих это воздействие. При определении экологических норм следует опираться на количественные оценки, связанные с адаптивными возможностями экосистемы к воздействию или к комплексу воздействий. Причина такого подхода обусловлена тем, что превышение максимального уровня адаптации ведет к патологии, т. е. к разрушению экосистемы. Функционирование экосистемы в пределах максимального уровня адаптации ведет к приспособлению экосистемы к воздействию.

Так, если недостаток биогенных веществ будет ограничивать рост, то при их избытке будет достигаться определенный оптимальный уровень. Например, мышьяк в малых количествах действует на человека как стимулятор, но в повышенных дозах он может быть смертелен.

В процессе адаптации виды могут сдвигать свой диапазон толерантности (лат. tolerantia – терпение). Это физиологическая адаптация к новым условиям, и она может быть постоянной или временной. Поскольку со временем условия среды обитания в экосистеме изменяются, то виды, которые способны приспособиться к новым условиям, будут получать выгоду за счет тех, которые не могут адаптироваться. Результатом этого является сукцессия видов. Так, с развитием эвтрофирования доминирующими становятся экстремальные условия по отношению к растворенному кислороду, освещенности и доступности биогенных веществ, которые приводят к выживанию только наиболее толерантных видов и к снижению вариации биомассы. Общей особенностью этих условий является доминирование сине-зеленых водорослей при цветении. Эти водоросли могут непосредственно усваивать растворенный в воде атмосферный азот. Их обнаруживают и в горячих серных источниках, и в арктических условиях.

Для количественной оценки адаптивных возможностей экосистем к воздействию А. М. Никаноровым с соавт. предложены два функциональных параметра: локальный адаптивный отклик (ЛАО) и интегральный адаптивный отклик (ИАО) (Никаноров А. М. [и др.], 1999).

Локальный адаптивный отклик – это динамическая характеристика, определяющая адаптивное состояние экосистемы посредством решения системы дифференциальных уравнений, описывающих это состояние в заданной области изменения воздействий. В настоящее время известны пять подходов к определению адаптивного отклика системы на воздействие: термодинамический, кибернетический, биологический, физиологический и психофизиологический. Определение ЛАО по каждому из этих подходов связано с решением конкретной экстремальной или вариационной задачи.

Интегральный адаптивный отклик – это осредненный по времени интеграл от ЛАО по воздействию от нулевого значения до заданного уровня.

ИАО введен для количественного определения одной из основных экологических норм – максимального уровня адаптации экосистемы к воздействию, а также некоторых других показателей экологического нормирования. Максимальное значение ИАО по воздействию соответствует максимальному уровню адаптации системы к этому воздействию. Соответствующее воздействие является искомой естественной количественной экологической нормой этого уровня. Обращение ИАО в ноль при некотором воздействии свидетельствует об исчерпании адаптивных возможностей экосистемы к этому воздействию. Соответствующий интервал воздействий является экологической емкостью системы к данному воздействию. Минимальное значение максимальной адаптации по всем воздействиям определяется приоритетным воздействием.

Основное отличие биотической системы от абиотической состоит в том, что биотическая система не только реагирует на условия внешней среды, но и постоянно приспосабливается (адаптируется) к этим условиям.

Исследование механизмов адаптации в первом приближении сводится к задаче отождествления переменных или функций Е и R с параметрами характеристик исследуемой системы (Е – реакция системы на воздействие cреды R). Для этой цели может быть использована одна из следующих эмпирически установленных закономерностей.

1. Закон Вебера – Фехнера, устанавливающий логарифмическую зависимость между откликом и стимулом:

где R_П – некоторое пороговое воздействие, при котором система начинает реагировать на воздействие; С – константа, характеризующая специфику исследуемой системы.

2. Закон Стивенса, выражающий степенную зависимость реакции от стимула:

3. Закон Забродина, в интегральной форме выражающий степенно-логарифмическую зависимость между откликом и воздействием и являющийся в некоторой степени обобщением законов Вебера – Фехнера и Стивенса:

Формула (6.9) соответствует закону Фехнера при α =0иβ =1, закону Стивенса при α = k и β =0.

При рассмотрении функции (6.9) видим, что E(R) = 0 при R =1 и lim E(R)=0,R >0.

То есть в этой форме зависимости E = f(R) автоматически предусмотрено существование предела воздействия, при превышении которого биологический объект перестает реагировать или разрушается. При этом предполагается, что R – это приведенное воздействие, выбранное так, чтобы значение R = 1 соответствовало предельному воздействию на систему.

Очевидно, что для каждой системы предельное значение R^* будет свое, как и для разных видов воздействия, но оно всегда будет существовать и будет соответствовать точке, где функция f(R) обращается в нуль.

Отметим также, что при 0 < R < 1 функция (6.9) положительная, выпуклая и, следовательно, в соответствии с теоремой Лагранжа, должна иметь максимум. Точка максимума этой функции соответствует условию: R = exp(β/α).

Обозначим R^* = exp (β/α). Точка R^* имеет следующий смысл: при R = R^* рост интенсивности не ощущается, а сама интенсивность воспринимается как наибольшая. Поэтому точку R^* логично назвать точкой максимальной чувствительности. Нетрудно заметить, что

Данная формула выясняет физический смысл эмпирических коэффициентов α и β.

Это отношение связано с максимальной эффективностью стимула, что позволяет вычислить его значение аналитически, исходя из эмпирически найденной точки максимальной эффективности стимула. Однако еще большую практическую ценность представляет собой возможность аналитического поиска точки максимальной эффективности стимула по эмпирически найденному логарифмическому, степенному или обобщенному закону.

Таким образом, входящие в закон (6.9) параметры α и β содержат информацию о характеристиках внутренних связей биологических систем.

Другой подход, предложенный Б. Фоминым, базируется на следующих соображениях. Морфофункциональная конструкция организмов обладает определенной жесткостью, и по отношению к любому экологически существенному фактору среды есть такое значение α интенсивности проявления этого фактора, при котором особь затрачивает минимум энергии на поддержание своей жизни. Логично предположение, что затраты доступной энергии организма на адаптацию к воздействию одного фактора при интенсивности его проявления, равной R, прямо пропорциональны разности между α и R. Такое количество энергии будет уже недоступно организму для адаптивной реакции на воздействие других факторов, поэтому общая защищенность особи уменьшается. Уменьшение защищенности каждой особи приведет к снижению уровня плотности популяции в целом.

Эти рассуждения позволяют связать интенсивность снижения уровня плотности популяции в окрестностях значений R,т.е.dE/dR, приходящегося на одну особь, с затратами энергии организма на адаптивную реакцию к воздействию фактора при отклонении интенсивности его проявления от оптимума, равном α – R. Таким образом, можно записать:

После интегрирования обеих частей этого уравнения получим:

или в более общем виде:

где E – плотность популяции или другой биологически существенный параметр; R – средообразующий фактор; А – масштабный коэффициент; В и С – видовые специфические параметры.

Несмотря на разнообразие концептуальных подходов и математических моделей, описывающих отклик экосистем на внешнее воздействие, все же следует признать, что удовлетворительное решение этой задачи пока не найдено. В каждом конкретном случае необходим поиск наилучшей математической модели.