Промышленная биобезопасность и экология человека. Понятие о ксенобиотиках и токсинах

1.

Промышленная
биобезопасность
и экология человека
лекции – 32 часа
практические занятия- 32 часа
экзамен
д.т.н., проф. Калинина И.В.

2.

Понятие о ксенобиотиках и
токсинах.
Основные пути миграции
токсинов и ксенобиотиков.
Вопросы:
Классификация
ксенобиотиков
чужеродных
загрязнителей
—
Окружающая среда как источник загрязнение сырья и
товаров чужеродными веществами

3.

Классификация
чужеродных
загрязнителей ксенобиотиков

4.

Токсическое
вещество (токсикант) вещество, способное при взаимодействии с
организмом вызывать его интоксикацию
или отравление.
Токсины
– ядовитые белковые вещества,
продукты
обмена
веществ
ряда
микроорганизмов
(например,
палочки
тетануса, ботулизма), а также некоторых
животных и ядовитых растений, способные
вызывать
заболевание
или
гибель
животных или человека.

5.

В экологической литературе избегают термина
«яд» и используют нижеследующие термины.
Ксенобиотики
- ( от греч. «xenos» – чужой,
«bios» – жизнь) -чужеродное живому организму
химическое
вещество,
искусственно
получаемые человеком синтетическим путем и
отсутствующие в природной среде.
Поллютанты (от лат. «поллюцио» –марание) –
химические вещества, загрязняющие среду
обитания; синоним – загрязнители.
Экзогенные
вещества (от греч. «экзо» –
снаружи, «генезис» – происхождение) –
вещества, появление которых связано с
деятельностью человека (термин подчеркивает
неприродное происхождение соединения).

6.

Экотоксиканты
(от греч. «ойкос» – дом,
«токсикон» – яд) - ядовитые вещества
антропогенного происхождения, вызывающие
серьезные нарушения в структуре экосистем.
Суперэкотоксиканты
(от лат. «супер» –
сверху, над) – вещества, обладающие в малых
дозах
мощным
токсичным
действием
полифункционального характера. Для них
фактически теряет смысл понятие предельно
допустимой концентрации. Кроме того, они
резко повышают чувствительность организмов
к другим менее токсичным ксенобиотикам.
К
суперэкотоксикантам относятся диоксины,
дибензофураны,
бензантрацены,
микотоксины, нитрозамины, нафтиламины и
др.

7.

К чужеродным загрязнителям относятся:
металлические
загрязнения (ртуть, свинец,
кадмий, мышьяк, олово, цинк, медь и др.);
радионуклиды;
пестициды и их метаболиты;
нитраты, нитриты и нитрозосоединения;
полициклические
ароматические
и
хлорсодержащие углеводороды;
диоксины и диоксинподобные вещества;
метаболиты микроорганизмов, развивающихся
в пищевой продукции.

8.

Классификация загрязнителей.
Признаки классификации
В зависимости от цели применения или источника
образования токсичные вещества подразделяют на 6 групп.
1. Промышленные вещества представляют наиболее
разнообразную группу. Это неорганические вещества,
содержащие практически все элементы периодической
системы и все классы органических соединений, начиная с
простейших
алифатических
углеводородов
и
кончая
синтетическими высокомолекулярными соединениями, а также
веществами, сравнимыми по степени токсичности с боевыми
отравляющими веществами.

9.

2. Пестициды - ядохимикаты, применяемые для
борьбы
с
сорняками
и
вредителями
сельскохозяйственных
культур:
хлорорганические
пестициды — гексахлоран, полихлорпинен и т.д.;
фосфорорганические
инсектициды
—
карбофос,
хлорофос,
фосфамид,
трихлорметафос-3,
метилмеркаптофос и т.д.; ртутьорганические вещества
— гранозан; производные карбаминовой кислоты —
севин и др.
В зависимости от назначения пестицидов различают:
инсектициды — уничтожающие насекомых;
акарициды — уничтожающие клещей;
зооциды — уничтожающие грызунов;
фунгициды
—
микроорганизмы;
бактерициды — уничтожающие бактерии;
гербициды — губительно действующие на растения, к
которым относятся также дефолианты (для удаления
листьев растений) и десиканты (для их высушивания);
репелленты — отпугивающие насекомых и т. д.;
уничтожающие
грибковые

10.

3. Лекарственные средства, имеющие свою
фармакологическую классификацию.
4.
Бытовые химикалии: пищевые добавки,
средства санитарии, личной гигиены и
косметики; средства ухода за одеждой,
мебелью, автомобилем и т. д.
5. Растительные и животные яды, которые
содержатся в различных растениях и грибах
(аконит, цикута и др.), животных и насекомых
(змеи, пчелы, скорпионы и др.) и вызывают
отравления при попадании в организм
человека.
6.
Боевые отравляющие вещества (БОВ),
которые применяются в качестве токсического
оружия для массового уничтожения людей
(зарин, иприт, фосген и др.

11.

В
основу гигиенической классификации
положена
количественная
оценка
токсической
опасности
химических
веществ.
Мерой
токсичности является доза количество
вещества,
способное
вызывать отравление или смерть.
Устанавливают
ее в эксперименте на
лабораторных животных. Все химические
вещества по токсичности делят на
четыре класса (табл. 1 ):

12.

Критерием токсичности по этой классификации служит
величина средней смертельной дозы или концентрации
вещества (ЛД50 и ЛК50) при поступлении его в организм
через дыхательные пути, кожу, или желудочно-кишечный
тракт (перорально). При отнесении к тому или иному классу
принимается во внимание тот путь введения, при котором
вещество оказывается наиболее токсичным.

13.

1.
чрезвычайно
токсичные
вещества
(боевые
отравляющие вещества, некоторые наиболее опасные
промышленные вредные вещества (яды) и инсектициды,
многие производные синильной кислоты, мышьяковистый
ангидрид, мышьяковистый водород, органические и
неорганические соединения ртути, стрихнин, бруцин,
цинхонин и др.);
2. высокотоксичные вещества (многие промышленные и
сельскохозяйственные
яды
метиловый
спирт,
четыреххлористый
углерод,
гексахлорбутадиен,
дихлорэтан и др.);
3. умеренно токсичные вещества (промышленные яды бензол, фенол, инсектициды - хлорофос, карбофос,
метилнитрофос, севин, гербициды - производные 2, 4дихлорфеноксиуксусной кислоты и др.);
4. малотоксичные вещества (многие углеводороды ряда
метана, некоторые простые эфиры (диэтиловый эфир),
гербициды - производные мочевины и др.).

14.

Токсикологическая
химические вещества
действия на организм
классификация
по характеру их
разделяет
токсического

15.

16.

По специфике биологического последствия
отравления
веществ.
выделяют
следующие
группы
1.
Сенсибилизирующие
вещества
(органические
азокрасители,
диметиламиноазобензол и другие антибиотики
) повышают чувствительность организма к
химическим
веществам
и
приводят
к
аллергическим заболеваниям.
2.
Канцерогенные вещества (бенз(а)пирен,
асбест, нитроазосоединения , ароматические
амины и др. ) вызывают развитие всех видов
раковых заболеваний.

17.

3. Мутагенные вещества (этиленамин, окись этилена,
хлорированные углеводороды, соединения свинца и ртути
и
др.)
оказывают
воздействие
на
неполовые
(соматические) клетки, входящие в состав всех органов и
тканей человека, а также на половые клетки (гаметы).
Воздействие мутагенных веществ на соматические клетки
вызывают
изменения
в
генотипе
человека,
контактирующего
с
этими
веществами.
Они
обнаруживаются в отдаленном периоде жизни и
проявляются в преждевременном старении, повышении
общей
заболеваемости,
злокачественных
новообразований. При воздействии на половые клетки
мутагенное влияние сказывается на последующее
поколение.
4. Химические вещества, влияющие на репродуктивную
функцию человека (борная кислота, аммиак, многие
химические вещества в больших количествах), вызывают
возникновение
врожденных
пороков
развития
и
отклонений от нормальной структуры у потомства.

18.

Токсическое
действие
ксенобиотиков
различных групп отличается по критериям
риска:
тяжести,
частоте встречаемости
и времени наступления поражения.
Тяжесть
характеризует тип вызываемого
эффекта,
изменяющегося
от
слабо
выраженного и временного дискомфорта до
более серьезных, но обратимых последствий;
или необратимых последствий, включая
смерть. Частота встречаемости указывает
количество
случаев
или
интенсивность
возникновения данного эффекта. Время
наступления опасности отражает время
возникновения
эффекта
с
момента
воздействия опасности до немедленного
наступления эффекта.

19.

При
оценке опасности ксенобиотиков базисными
регламентами
являются
предельно
допустимая
концентрация
(ПДК),
допустимое
суточное
потребление (ДСП) и допустимая суточная доза (ДСД).
Допустимая
суточная доза ксенобиотиков - это
максимальная доза (в мг на 1 кг массы человека),
ежедневное пероральное поступление которой на
протяжении всей жизни безвредно, то есть не
оказывает
неблагоприятного
влияния
на
жизнедеятельность, здоровье настоящего и будущих
поколений.
Умножая ДСД на массу человека (60 кг), определяют
допустимое суточное потребление (ДСП) в мг/сут
в составе пищевого рациона.
Зная эти дозы и средний набор пищевых продуктов в
суточном рационе, рассчитывают ПДК ксенобиотика в
тех продуктах, в которых он может находиться.

20.

Установлено,
что в большинстве
случаев, особенно при воздействии
малых доз загрязнителей, наблюдается
суммирование токсического эффекта.
Это позволяет рассчитать аддитивный
эффект двух и более факторов,
выражая каждый из них в долях
предельно допустимой концентрации.
Например,
если
в
воздухе
концентрация фтора составляет 0,001
мг/м3 (ПДК 0,005), бензола -0,16 мг/м3
(ПДК 0,8), то в сумме концентрация
загрязнителей меньше 1 ПДК (фтора 1/5 ПДК и бензола - 1/5 ПДК), то есть
суммарное
действие
этих
концентраций химических веществ
безопасно.

21.

Принцип суммирования часто
применяют
при
расчете
комплексного
влияния
различных загрязнителей. Например, если
вещество поступает в организм человека с
атмосферным воздухом, водой и пищей, то
производят расчет по следующей формуле:
Сатм/ПДКатм+Св/ПДКв+Спрод/ПДКпрод<1.
С - концентрация данного вещества в
атмосфере, воде, продуктах питания; ПДК
- предельно допустимая концентрация
ксенобиотика в тех продуктах, в которых
он может находиться.

22.

Меры токсичности веществ
Количественная
характеристика токсичности
веществ
достаточно
сложна
и
требует
многостороннего подхода. Судить о ней
приходится
по
результатам
воздействия
вещества на живой организм, для которого
характерна
индивидуальная
реакция,
индивидуальная вариабельность, поскольку в
группе
испытуемых
животных
всегда
присутствуют более или менее восприимчивые
к действию изучаемого токсина индивидуумы.
Существуют
две основные характеристики
токсичности ЛД50 и ЛД100
ЛД — аббревиатура летальной дозы, т.е. дозы,
вызывающей при однократном введении гибель
50 или 100% экспериментальных животных.
Дозу обычно определяют в размерности
концентрации. Токсичными считают все те
вещества для которых ЛД мала (табл. 1.).

23.

Величина
to,5 характеризует время полувыведения
токсина и продуктов его превращения из организма.
Для разных токсинов оно может составлять от
нескольких часов до нескольких десятков лет.
Кроме ЛД50, ЛД100 и to,5 в токсикологических
экспериментах на животных принято указывать еще и
время 100 или 50% гибели объектов. Но для этого
такие эксперименты должны проводиться в течение
многих месяцев и лет, а при существующем
непродолжительном контроле можно отнести к
малотоксичным,
вещества
высокотоксичные,
но
проявляющие свое негативное, губительное действие
лишь через длительное время.
Кроме этого, необходимо учитывать еще ряд факторов.
Это и индивидуальность различных экспериментальных
животных, и различное распределение токсинов в
органах и тканях, и биотрансформация токсинов,
которая затрудняет их определение в организме.

24.

Классификация веществ по признаку острой токсичности
ЛД50 для крысы при
пероральном введении
Характер токсичности
< 5 мк/ кг
Чрезвычайно токсичные
5-50 мк/кг
Высоко токсичные
50-500 мк/кг
Умеренно токсичные
0,5-5 г/кг
Малотоксичные
5-15 г/кг
Практически нетоксичные
> 15 г/кг
Практически безвредные

25.

При
хронической
интоксикации
решающее
значение
приобретает
способность
вещества
проявлять
кумулятивные
свойства,
т.е.
накапливаться
в
организме
и
передаваться по пищевым цепям.
Необходимо
также
учитывать
комбинированное действие нескольких
чужеродных веществ при одновременном
к последовательном поступлении в
организм и их взаимодействие с макро- и
микронутриентами пищевых продуктов,
т.к. человек может получать в течение
всей жизни вместе с пищей целый
комплекс чужеродных веществ.

26.

Пути миграции чужеродных веществ могут
быть различными.
Поскольку
ксенобиотики действуют не
изолированно, а в совокупности друг с
другом
различают
следующие
типы
взаимодействия ксенобиотиков:
суммирование эффектов;
сверхсуммирование
(синергизм)
или
потенцирование,
когда
токсичесеский
эффект превышает суммирование;
нигиляция (антогонизм)— эффект меньший,
чем при суммировании;
изменение
воздействия.
характера
токсического

27.

Разумеется,
не все вещества являются
ядовитыми, некоторые из них необходимы
для нормальной жизнедеятельности человека
и животных. Поэтому часто трудно провести
четкую
границу
между
биологически
необходимыми и вредными для здоровья
человека веществами.
В большинстве случаев реализация того или
иного эффекта зависит от концентрации. При
повышении оптимальной физиологической
концентрации элемента в организме может
наступить интоксикация, а дефицит многих
элементов в пище и воде может привести к
достаточно
тяжелым
и
трудно
распознаваемым явлениям недостаточности.

28.

Зависимость вредного или полезного действия
некоторых элементов от концентрации показана на рис.

29.

1. Окружающая среда как источник
загрязнения чужеродными
веществами
Загрязнение чужеродными веществами или
ксенобиотиками напрямую зависит от
степени загрязнения окружающей среды.
В результате хозяйственной деятельности
человека в биосфере циркулирует огромное
число различных ксенобиотиков, как
неорганической,
так и органической
природы, обладающих исключительной
токсичностью.
Антропогенная
токсикация
приобрела
настолько значительные масштабы, что
наносит
ощутимый,
реальный
вред
здоровью человека и грозит перерасти в
экологическую катастрофу.

30.

31.

32.

Ксенобиотики, попадая в окружающую
среду в результате антропогенной
деятельности
человека,
способны
накапливаться в почвах, водоемах; с
атмосферными и водными потоками
распространяться на тысячи километров.
Передвигаясь
по
пищевым
цепям
ксенобиотики попадают в организм
человека
и
вызывают
серьезные
нарушения
здоровья,
от
острых
отравлений с летальным исходом до
заболеваний,
проявляющихся
порой
только через годы. Любое химическое
вещество поглощается и усваивается
живыми организмами.

33.

Распределение
химических
соединений
между воздухом, водой и почвой происходит
в соответствии с их физико-химическими
свойствами.
Перенос химических соединений на границе
раздела почва - вода играет важную роль в
процессе загрязнения природных вод. Из
почвы загрязнители поступают в результате
внесения
химических
средств
защиты
растений или их поступления с дождем.

34.

Загрязнение
может также происходить как
водой, стекающей по поверхности почвы, так
и почвенными водами. Для всех переходов
химических продуктов через границу почва —
вода основную роль играют процессы
адсорбции.
Переход
веществ в природных условиях из
водной среды в атмосферу называют
летучестью; этот процесс осуществляется в
результате диффузии. Обратный перенос
называют сухим осаждением в воду.

35.

Равновесное состояние или состояние насыщения
в процессе усвоения достигается в том случае,
если его поступление и выделение из организма
происходят
с
одинаковой
скоростью.
Установившаяся
при
этом
в
организме
концентрация
называется
концентрацией
насыщения.
Если
она выше наблюдающейся в окружающей
среде или продуктах питания, происходит
обогащение или аккумуляция (накопление)
химических соединений в живом организме. Это
нежелательный процесс, так как внешние
загрязнители
оказывают
отрицательное
воздействие на человека и другие живые
организмы.

36.

Процессы аккумуляции химических веществ водными и
наземными живыми организмами характеризуются
следующими показателями:
биоконцентрирование — обогащение организма
химическим соединением в результате прямого
восприятия из окружающей среды, без учета
загрязнения ими продуктов питания;
биоумножение — обогащение организма химическим
соединением непосредственно в результате питания.
В природной водной среде этот процесс идет
одновременно с биоконцентрированием;
биоаккумуляция
—
обогащение
организма
химическим веществом путем его поступления из
окружающей среды и пищевой продукции.
По данным исследований, из общего количества
чужеродных химических веществ, проникающих из
окружающей среды в организм человека, в зависимости
от условий проживания 30...80% поступает с пищей.

37.

По качеству воздушной среды можно выделить воздух
нескольких уровней:
хороший,
средний или
неудовлетворительный для здоровья.
Средний уровень качества воздуха означает, что содержание
одной или более примесей в воздухе превышает 50%
установленного стандартом значения, однако ни одна из
примесей не достигает 100%-ного стандартного уровня.
Хороший уровень качества воздуха свидетельствует о том,
что содержание ни одной из примесей не превышает 50%
стандартного значения.
Когда содержание одной или более примесей на 100%
превышает стандартное значение, воздух оценивают как
неблагоприятный для здоровья.

38.

Источники
загрязнения атмосферного воздуха
многообразны.
Установлено, что на долю
промышленности приходится 17%,
транспорта – 60,
энергетики – 14,
других источников – 9%.
Основным
источником
загрязнения
атмосферного воздуха является сжигание
различного топлива (угля, нефти, газа и др.), в
результате чего образуются различные окислы.
Будучи рассеянными в атмосфере, окислы
становятся основной причиной кислотных
дождей,
которые
обладают
высокой
корродирующей способностью и разъедают
многие материалы. Установлено, что окислы
серы являются коканцерогенами.

39.

В
присутствии бенз(а)пирена двуокись
серы увеличивает частоту появления
раковых опухолей.
Наибольшую опасность кислотные осадки
представляют при попадании в водоемы и
почву, что приводит к уменьшению
кислотно-щелочного баланса (рН) воды,
изменению структуры почвы и снижению
ее плодородия.
Снижение рН питьевой воды способствует
прямому
поступлению
в
организм
человека тяжелых металлов и мышьяка.

40.

В
выхлопных газах автомобильного
транспорта содержится более 200
различных химических веществ, в том
числе тяжелые металлы и окись
углерода. Особым типом загрязнения
атмосферы
является
смог
–
фотохимический
туман,
который
образуется в воздухе под действием
солнечного
излучения
при
взаимодействии разных органических
веществ, поступающих с выхлопными
газами автотранспорта.

41.

Одним
из основных источников загрязнения
атмосферного воздуха являются промышленные
предприятия, в выбросах которых содержится
более 500 вредных веществ, которые попадают в
продукты
животного
и
растительного
происхождения или создают такие явления, как
«парниковый эффект» и разрушение озонового
слоя,
сопровождающиеся
значительным
повышением доли ультрафиолетового излучения.
Это излучение губительно для растений, особенно
для зерновых культур, и представляет собой
источник канцерогенной опасности для человека.
Сельское
хозяйство
является
также
существенным
источником
загрязнения
атмосферного
воздуха
в
результате
использования
пестицидов.
С
развитием
микробиологической
промышленности
увеличилась возможность попадания в атмосферу
спор микроскопических грибов и жизнеспособных
дрожжевых клеток.

42.

Одна из серьезнейших проблем современности
– загрязнение Мирового океана, рек и
грунтовых вод. В результате появилась
проблема
с
водоснабжением
населения,
поскольку более 20% питьевой воды в России не
соответствует гигиеническим нормативам.
Кроме
загрязнения водоемов различными
вредными веществами, поступающими в них со
сточными водами, происходит так называемое
«тепловое
загрязнение»
водоемов,
вызываемое сбросом в них теплой воды в
результате
деятельности
тепловых
электростанций. Это приводит к «цветению»
воды, уменьшению растворимости в ней
кислорода,
изменению
физических
и
химических свойств. Водная среда является
источником
возбудителей
различных
заболеваний.

43.

Для оценки уровня загрязнения воды
органическими веществами применяют
два
показателя:
показатель
биохимического потребления кислорода
и показатель химической потребности в
кислороде.
Биохимическое
потребление
кислорода
(БПК)
количество
кислорода, которое необходимо для
окисления бактериями и простейшими в
1 л загрязненной воды, выражается в
мг/л.

44.

Величина БПК показатель загрязнения воды
органическими веществами, поскольку он
показывает, какое предельное количество
кислорода должно быть удалено из воды за
счет биологического окисления отходов.
Считается, что большинство органических
веществ полностью окисляется за 20 сут,
поэтому БПК за этот период приравнивается к
полной
биохимической
потребности
в
кислороде. БПК определено за более короткий
период времени (5 или 10сут), то это
отмечается дополнительным индексом —
соответственно -БПК5 или БПК10.

45.

Химическое
потребление
кислорода (ХПК) дает более полную
количественную оценку содержания
органических веществ в воде. Чем
больше
загрязненность
воды
органическими
веществами,
тем
меньше содержание растворенного
кислорода,
что
приводит
к
ухудшению условий развития живых
организмов рек и водоемов.

46.

Попадающие
в
природные
водоемы
органические соединения, фосфаты и нитраты
служат
источником
питания
для
фотосинтезирующих водорослей, численность
которых может достигать катастрофических
размеров.
Этот
процесс
называется
эвтрофизацией.
В ночное время, когда
водоросли в эвтрофных водоемах поглощают
кислород при дыхании, его уровень в воде
может упасть ниже значения, необходимого
для
других
водных
организмов.
Уже
эвтрофированные
озера
могут
восстанавливаться,
если
поступление
фосфатов и нитратов в них прекращается.

47.

Одним из основных источников загрязнения почв
являются кислотные дожди. В течение десятилетий
кислотные загрязнения действуют на буферную
емкость почвы. В отношении многих почв отмечается
вымывание катионов, важных для питания растений,
сорбционно связанных с коллоидными частицами
почвы, и в результате они мигрируют в глубинные
слои, становясь недосягаемыми для корней растений.
Поэтому, даже если рН почвы остается постоянным,
плодородие
почвы
падает.
Продолжающееся
закисление почвы можно определить, например, по
понижению концентрации ионов Fe2+ и Mg2+, а также
алюминия А13+.
Закисление почвы оказывает большое влияние на
многие, но не все металлы. При увеличении
кислотности становятся более подвижными кадмий,
свинец и цинк и наиболее легко усваиваются
растениями и животными.

48.

Спасибо за внимание!