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 (табл. 15.3).

Таблица 15.3

Молярная токсичность металлов

Организмы	Ряды токсичности
Водоросли	Hg > Си > Cd > Fc > Cr > Zn > Co > Mn
Грибки	Ag > Hg > Си > Cd > Cr > Ni > Pb > Co > Zn > Fe
Цветущие растения	Hg > Pb > Си > Cd > Cr > Ni > Zn
Кольчатые черви	Hg > Си > Zn > Pb > Cd
Рыбы	Ag > Hg > Си > Pb > Cd > Al > Zn > Ni > Cr > Co > Mn « Sr
Млекопитающие	Ag, Hg, Cd >Cu, Pb, Co, Sn, Be >>Mn, Zn, Ni, Fe, Cr >> Sr > Cs, Li, Al

Глобальный перенос токсикантов происходит через атмосферу и большие реки, несущие воды в океаны. Земля, ложа рек, океаны служат как бы резервуаром для скопления токсикантов (табл. 15.4). Тот или иной предел, который привносит токсикант (Т) либо в землю, либо на поверхность океана сверх природного циклического уровня, может быть выражен с помощью фактора обогащения ():

,

где J_T – средний поток (осадки) Е на землю или поверхность океана; J_IT – средний поток (осадки) индексного Т (index toxicant IT) при условии его пренебрежимо малых антро

погенных «отложений» в атмосфере. Обычно в качестве IT выбирают алюминий, кремний, титан и железо.

Антропогенный перенос токсикантов посредством рек может быть оценен по фактору обогащения EF_W:

EF_W = ,

где Т_FW – средняя концентрация токсиканта в пресной воде; T_s – средняя концентрация токсиканта на поверхности почвы.

Таблица 15.4

Концентрации некоторых потенциально опасных металлов в пресной и морской воде, мг/м³ (по данным Боуэна)

Металл	Пресная вода	Морская вода	Металл	Пресная вода	Морская вода
Li	2	180	Sr	70	8000
Be	0,3	0,006	Мо	0,5	10
Al	300	2	Ag	0,3	0,04
V	0,5	2.5	Cd	0,1	0,01
Cr	1	0,3	Sn	0,009	0,004
Mn	8	0,2	Sb	0,2	0,2
Co	0,2	0,02	Cs	0,02	0,3
Ni	0,5	0,6	Hg	0,1	0,03
Си	3	0,3	Pb	3	0,03
Zn	15	5	U	0,4	3

Факторами окружающей среды, влияющими на токсичность, являются температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде. Уменьшение парциального давления кислорода и увеличение рН и жесткости воды приводят к понижению токсикологического воздействия веществ-загрязнителей на окружающую среду и живые организмы, обитающие в ней. 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.

Например, синтез металотионеинов обусловливается несколькими металлами, включая ртуть, кадмий, цинк, медь, серебро. Поэтому наличие одного из этих металлов может вызвать устойчивость к другому металлу из-за неспецифичности лигандов.

Факторы, влияющие на доступность токсикантов, усвоение, их воздействие на организм, могут быть совершенно разной природы:

ü химические (химические свойства, окислительно-восстановительные потенциалы, частота воздействия);

ü физические (освещенность, температура, турбулентность в растворах);

ü биологические (размеры, стадии развития, упитанность, состояние здоровья, акклиматизация).

Канцерогенез – это способность металла проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки. Канцерогенными веществами являются никель, кобальт, хром, мышьяк, бериллий, кадмий. Различие в канцерогенной активности определяется биодоступностью металлопроизводных: наиболее по

тенциально активные соединения содержат канцерогенные ионы металла, способные легко внедряться в клетки и реагировать с молекулой ДНК /35/.

Например, соли шестивалентного хрома Сг04^2- потенциально более канцерогенны, чем соли трехвалентного хрома СгС1з, поскольку первые легче проникают в клетки, а вторые – лишь ограниченно.

Канцерогенез зависит как от механизма поступления канцерогенных веществ в клетку, так и от их количества внутри клетки. Важным фактором в этом аспекте является общая цитотоксическая активность конкретного иона металла. Так, например если ион металла также активен и цитотоксичен, как Hg²⁺, то гибель клетки будет предшествовать канцерогенному отравлению.

Канцерогенные вещества могут быть разделены на три категории:

1) металлсодержащие частицы;

2) водорастворимые соединения металлов;

3) жирорастворимые соединения.

Наибольшей проникающей способностью в клетку обладают водорастворимые соединения. Например, такой водорастворимый ион металла, как хромат-ион Сг04²⁺, способен легко проникать в клетки с использованием S0₄²⁺-тpaнcпopтнoй системы. А никель в ионной форме не внедряется в клетки с легкостью и поэтому многие водорастворимые соли никеля не рассматриваются как потенциально канцерогенно опасные. Жирорастворимые соединения металлов, такие, например, как карбонил никеля Ni(CO)₄, легкое входят в клетку и поэтому очень токсичны.

На механизм канцерогенеза сильно влияет рН среды, температура, наличие в клетке аминокислот. При более кислых средах наблюдается наибольшая растворимость канцерогенов в клетках. Присутствие в клетке аминокислот (таких, как цистеин, гистидин), 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.

Локализация канцерогенных ионов металлов в клетках приводит к хромосомным нарушениям, которые являются результатом сшивания молекул ДНК с белком и трансформации клетки. Такие канцерогенные металлы, как никель и хром, образуют очень стабильные тройные комплексы, состоящие из ДНК, металла и белка. Эти комплексы чрезвычайно устойчивы, они вовлекают в канцерогенез никель и хром.

Объекты экотоксикологических исследований чрезвычайно разнообразны. Это воды, почвы, фармацевтические препараты, биологические объекты животного происхождения, пищевые продукты и напитки, пестициды, средства бытовой химии, растительность, отходы и т.д. Поэтому комплекс прикладных задач, решаемых экотоксикологией, далеко не прост и весьма специфичен. Наиболее приоритетные из них:

1) создание современной методологии экотоксикологических исследований, позволяющей проводить достоверную оценку качества окружающей среды в условиях природопользования и комплексного влияния основных ее экологических составляющих на живые организмы;

2) осуществление ранней диагностики изменений в организме, выявляемых до наступления морфологических, генетических, популяционных и других изменений;

3) разработка прикладных основ химико-токсикологического анализа приоритетных загрязнителей, включающего разнообразные способы их обнаружения, изолирования и количественного определения в объектах окружающей среды;

создание целенаправленного мониторинга токсикантов, вызывающих те или иные отклонения в живых организмах, позволит по-новому подойти к идентификации наиболее активно действующего фактора, так как специфичность биохимического ответа организма даст возможность проследить путь от следствия к причине, т.е. выйти

1) на соответствующего токсического агента или на узкую группу агентов, выделяя их из общего массива веществ-загрязнителей.

Основная задача химико-токсикологического анализа – установление характера объекта, его консистенции и морфологического состава.

Чрезвычайно большое разнообразие объектов химико-токсикологического анализа обуславливает специфические его особенности, заключающиеся в изолировании (или извлечении из достаточно большого количества исследуемого образца ничтожно малых количеств токсиканта) и необходимости анализа в большинстве случаев не индивидуальных веществ, а многокомпонентных смесей, в которых каждый определяемый компонент может влиять на последующий.

Стандартная схема выполнения химико-токсикологического анализа (рис. 15.1) включает методы выделения (или изолирования) и очистки токсикантов, а также методы их качественного обнаружения и количественного определения. Среди этих методов особенное внимание, как правило, уделяется методам выделения и очистки, поскольку анализируемые системы представляют собой достаточно сложные неоднородные и многокомпонентные смеси, анализ которых сопряжен с рядом трудностей, обусловленных селективностью определения, достоверностью и воспроизводимостью получаемых аналитических данных.

В зависимости от свойств и природы токсикантов для выделения веществ органического происхождения применяют различные способы изолирования:

Ø дистилляцией с водяным паром;

Ø подкисленным 96- или 70-градусным этиловым спиртом (алкалоиды, ряд синтетических веществ, гликозиды);

Ø подкисленной водой (алкалоиды, синтетические лекарственные препараты и др.);

Ø подщелоченной водой (некоторые органические кислоты, фенол и его производные);

Ø различными органическими растворителями (остаточные количества пестицидов и др.).

Для изолирования веществ неорганической природы используются:

Ø минерализация (соединения металлов и мышьяка);

Ø диализ (кислоты, щелочи, соли некоторых ядовитых кислот);

Ø озоление (фториды, кремнефтористые соединения).

Основными методами, применяемыми для очистки выделенных токсикантов, являются возгонка и перекристаллизация; экстракция и реэкстракция; различные виды хроматографии (газожидкостная хроматография в тонком слое сорбента).

Возгонка и экстракция наиболее широко применяются вследствие дуализма характерных для них аналитических возможностей. Так, они позволяют не только определить и отделить исследуемые соединения от сопутствующих компонентов, но и качественно определить их структуры и количественное содержание.

Например, газожидкостная хроматография широко применяется для анализа спиртов (этилового, метилового и др.), ацетальдегида, некоторых галогенопроизводных, а хроматография в тонком слое сорбента – для анализа барбитуратов, алкалоидов, различных лекарственных веществ, гликозидов, элементо-органических соединений.

Основные требования к методам качественного обнаружения – достаточно высокая чувствительность, характеризуемая низким пределом обнаружения, и специфичность. В ряде случаев на практике применяют весьма традиционные аналитические методы (гравиметрические и титриметрические), однако они не распространены широко из-за недостаточной чувствительности (диапазон определяемых содержаний токсикантов 0,1 – 1 г) при необходимости работы с достаточно большими объемами растворов (до 100 мл).

Рис. 15.1. Химико-токсикологический анализ

Более чувствительными и экспрессными являются микрохимические методы, например, капельный анализ и микрокристаллоскопический анализ с элементами кристаллооптики, широко применяющиеся для анализа как органических, так и неорганических соединений, позволяющие определять токсиканты в диапазоне концентраций 0,001 – 0,01 г при анализе очень малых объемов анализируемых систем (от 0,01 до 0,1 мл).

Для обнаружения отдельных токсических соединений (хинина, стрихнина, никоглина, атропина и др.) применяются хроматографические, полярографические, люминесцентные и биологические методы.

К методам количественного определения токсикантов относятся методы:

физические

ü нейтронно-активационный;

ü рентгенофлуоресцентный;

ü масс-спектрометрический

физико-химические

ü атомно-абсорбционный;

ü атомно-эмиссионный метод с индуктивно связанной плазмой;

ü хроматографические;

ü электрохимические и спектрофотометрические с использованием органических реагентов различных классов.

В последнее время активно применяются тест-методы на основе классических цветных реакций, которые позволяют определять токсиканты на уровне экспресс-анализа с достаточно высокой точностью и селективностью.

Перспективны в экотоксикологии комбинированные аналитические методы, сочетающие эффективные приемы концентрирования с разнообразными способами детектирования и химическими сенсорами.