Активизация хозяйственно-производственной деятельности человека в современных условиях природопользования и глобальные масштабы ее антропогенного воздействия на главные составляющие биосферы создают ситуацию острого экологического кризиса, обусловленную деградацией объектов окружающей среды. В связи с этим для оптимизации условий взаимодействия человека с природой важной представляется роль всестороннего анализа окружающей природной среды, главными задачами которого являются:

· комплексная оценка экологического резерва биосферы и ее потенциальных возможностей к самовосстановлению и самоочищению;

· анализ широкого спектра различных типов воздействий (как приоритетных, так и неприоритетных) на природные экосистемы;

· изучение специфических особенностей этих воздействий.

В последние годы особую значимость и актуальность приобретают токсикологические аспекты всестороннего анализа окружающей среды. Серьезной проблемой является установление пороговости эффекта токсикологического воздействия в системах «токсикант – окружающая среда» и «токсикант – живой организм» и определение зависимости «доза – ответная реакция». Эта проблема послужила активным импульсом для развития нового направления в экологии, базирующегося на фундаментальных основах токсикологической, бионеорганической и экологической химии, называемого экотоксикологией.

Научная значимость экотоксикологии состоит в следующем:

· изучении современных представлений токсичности и канцерогенности элементов и их соединений;

· исследовании специфических биогеохимических особенностей поведения токсикантов в окружающей среде, механизма их распространения и метаболизма;

· установлении взаимосвязи между необходимостью и токсичностью элементов;

· определении локализации канцерогенных ионов;

· оценке порогового эффекта токсикологического воздействия.

Подобный целостный комплекс достаточно сложных научно-прикладных задач, решение которых предусматривается в рамках экотоксикологии, в большинстве случаев позволяет произвести количественную оценку порогового эффекта токсикологического воздействия, имеющегося в системах «токсикант – окружающая среда» и «токсикант – живой организм».

Концепция пороговости предполагает высокое качество среды и полную безопасность для человека  и любых популяций при условии загрязнения этой среды ниже определенного уровня, воздействие которого на любые организмы меньше некоторого порогового значения.

Загрязнение окружающей среды – это процесс привнесения в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических агентов, оказывающих негативное воздействие. Существует три типа загрязнений:

1) физическое (солнечная радиация, электромагнитное излучение и т.д.);

2) химическое (аэрозоли, тяжелые металлы и т.д.);

3) биологическое (бактериологическое, микробиологическое).

Каждый тип загрязнения имеет характерный и специфичный для него источник загрязнения – природный или хозяйственный объект, являющийся началом поступления вещества-загрязнителя в окружающую среду. Различают природные и антропогенные источники загрязнения.

Основные природные источники поступления токсикантов в окружающую среду – это ветровая пыль, лесные пожары, вулканический материал, растительность, морские соли.

Антропогенные источники – это первичное и вторичное производство цветных металлов, стали, чугуна, железа; добыча полезных ископаемых; автомобильный транспорт; химическая промышленность; процессы сжигания угля, нефти, газа, древесины, отходов и т.д. Антропогенный поток токсикантов в окружающую среду превалирует над естественным (составляет 50 – 80 %) и лишь в некоторых случаях сопоставим с ним.

В качестве критериев количественной оценки уровня загрязнения окружающей среды могут быть использованы индекс загрязнения, предельно-допустимая, фоновая и токсическая концентрации.

Индекс загрязнения (ИЗ) – показатель, качественно и количественно отражающий присутствие в окружающей среде вещества-загрязнителя и степень его воздействия на живые организмы.

Предельно-допустимая концентрация (ПДК) – количество вредного вещества в окружающей среде, которое при постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияет на здоровье человека. Предельно-допустимые концентрации веществ, загрязняющих биосферу, вводились как нормирующие показатели во многих странах, в том числе и нашей стране. Они устанавливались в приземной атмосфере, водах, почвах, растениях, продуктах питания.

Существующая система ПДК недостаточно достоверна, поскольку предусматривает  определение индивидуального токсиканта, и не рассматривает вопрос о комплексном воздействии различных загрязнителей. Между тем совместное действие, например, органокомплексов тяжелых металлов кардинально меняет ПДК, экспериментально полученные  для отдельного тяжелого металла.

Фоновая концентрация – это содержание вещества в объекте окружающей среды, определяемое суммой глобальных и региональных естественных и антропогенных вкладов в результате дальнего или трансграничного переноса.

Под токсической концентрацией понимают либо концентрацию вредного вещества, которое способно при различной длительности воздействия вызывать гибель живых организмов, либо концентрацию вредного начала, вызывающую гибель живых организмов в течение 30 суток в результате воздействия на них вредных веществ.

Говоря о токсической концентрации как о своеобразном индикаторе токсичности природно-антропогенных экосистем, нельзя не коснуться и таких важных понятий, как:

· вредное вещество, или токсикант – загрязнитель;

· метаболизм;

· канцерогенез;

· токсичность как результат избытка необходимых веществ и соединений;

· биогеохимические свойства токсикантов и их химически активные миграционные формы в окружающей природной среде.

Вредное вещество – это инородный нехарактерный для природных экосистем ингредиент, оказывающий отрицательное влияние на них и живые организмы, обитающие в этих экосистемах.

Токсиканты – вещества или соединения, способные оказывать ядовитое действие на живые организмы. В зависимости  от характера воздействия и степени проявления токсичности, т.е. способности этих веществ оказывать вредное воздействие на живые организмы, они классифицируются на две большие группы: токсичные и потенциально токсичные. По химической природе вредные вещества бывают неорганического происхождения (кадмий, ртуть, свинец, мышьяк, никель, бор, марганец, селен, хром, цинк и др.) и органического (нитросоединения, фенолы, амины, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, пестициды, формальдегид, бенз(а)пирен и др.). Существует классификация опасности различных химических веществ, попадающих в окружающую среду.

Наиболее приоритетными для химико-токсикологического анализа являются тяжелые металлы (свинец, ртуть, кадмий, медь, никель, кобальт, цинк), обладающие высокой токсичностью и миграционной способностью.

Поведение этих токсикантов в различных природных средах обусловлено специфичностью их основных биогеохимических свойств: комплексообразующей способностью, подвижностью, биохимической активностью, минеральной и органической формами распространения, склонностью к гидролизу, растворимостью, эффективностью накопления. По характеру взаимодействия с различными лигандами тяжелые металлы считаются промежуточными акцепторами между жесткими и мягкими кислотами. В первом случае для них характерны низкие поляризуемость и электроотрицательность, высокая степень окисления и образование ионных связей, во втором – образование преимущественно ковалентных связей.

Показателями негативного воздействия элементов и соединений на живые организмы являются их токсичность и канцерогенность.

Токсичность и канцерогенность – это свойства элементов и соединений, отрицательно влияющие на живые организмы  и приводящие к уменьшению продолжительности их жизни.

Количество, при котором химические ингредиенты становятся действительно опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения ими гидросферы или атмосферы, но также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биохимического цикла. Для сравнения степени токсикологического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются понятием молярной токсичности, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью.

Глобальный перенос токсикантов происходит через атмосферу и большие реки, несущие воды в океаны. Земля, ложа рек, океаны служат как бы резервуаром для скопления токсикантов.

Факторами окружающей среды, влияющими на токсичность, являются температура, растворенный кислород, показатель кислотности (рН), жесткость и щелочность воды, присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде.

Устойчивость живого организма по отношению к токсикантам может быть достигнута при:

1) уменьшении поступления токсиканта;

2) увеличении коэффициента выделения токсиканта;

3) переводе токсиканта в неактивную форму в результате его изоляции или осаждения.

Канцерогенез – это способность металла проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки. Канцерогенез зависит как от механизма поступления канцерогенных веществ в клетку, так и от их количества внутри клетки.

Канцерогенные вещества могут быть разделены на три категории:

1) металлосодержащие частицы;

2) водорастворимые соединения металлов;

3) жирорастворимые соединения.

Наибольшей проникающей способностью обладают водорастворимые соединения. На механизм канцерогенеза сильно влияют рН и температура среды, наличие в клетке аминокислот. При рН < 7, соответствующих кислой среде, наблюдается наибольшая растворимость канцерогенов в клетках. Присутствие в клетке аминокислот (цистеина, гистидина), хорошо связывающих металлы, сильно понижает способность канцерогенов, например, никеля, проникать в клетки. Температура среды является ярким индикатором канцерогенеза. Повышение ее приводит к ускорению процесса канцерогенеза.

Для обнаружения отдельных токсических соединений применяются хроматографические, полярографические, люминесцентные и биологические методы.

Дальше мы подробно рассмотрим метод оценки опасности загрязнения таким токсикантом как свинец на примере реальной ситуации, сложившейся в городе Комсомольске-на-Амуре.