5.1. Нормативи, які характеризують токсичну дію хімічних речовин на живі організми

Для того, щоб визначити шкідливу дію хімічної речовини, визначають її токсичну дію (за летальними дозами і дозами, які викликають хронічні ефекти), вплив на санітарно-гігієнічний стан об’єкта довкілля та вплив на органолептичні характеристики (появу запаху, зміну кольору чи смаку).

При визначенні кількісної оцінки дії речовини найважливішими є три види залежностей: доза – ефект; час – ефект; доза – час. Аналізують токсичну дію речовини при її потраплянні в організм людини через органи травлення та дихання, на шкіру. Дослідження є складним і багатопараметричним.

Найбільш вивчена залежність ефекту від дози. Верхньою межею є смертельна доза, а нижньою – відсутність зареєстрованого ефекту. Визначення проводять на піддослідних тваринах. Слід врахувати, що різні організми по-різному сприймають однакові дози речовин, тому залежність визначається з певною імовірністю.

Визначення верхньої межі токсичності є найпростішим завданням. Воно характеризується показниками ЛД₅₀ (летальна доза) та ЛК₅₀ (летальна концентрація). ЛД₅₀ та ЛК₅₀ – це, відповідно, доза та концентрація речовини, яка викликає смерть 50% піддослідних тварин. Абсолютно смертельними є ЛД₁₀₀ і ЛК₁₀₀.

Токсичність – обернена величина до смертельної концентрації: .

Ефективна токсичність для інгаляційного отруєння залежить від концентрації насиченої пари речовини, .

Більш точним є коефіцієнт можливого гострого інгаляційного отруєння (КМІО), коли дія речовини триває протягом 2 год:

КМІО = .

За величиною коефіцієнта можливого інгаляційного отруєння всі речовини ділять на 4 групи. Якщо коефіцієнт можливого гострого інгаляційного отруєння КМІО >300 – дуже небезпечні, 300-30 – високо небезпечні, 29 -3 – помірно небезпечні, <3 – мало небезпечні. При співвідношенні, меншому за 1, імовірність гострого отруєння невелика.

Нижньою межею токсичності є поріг токсичної дії.

Порогову дозу та концентрацію (ПД, ПК) визначають за різними показниками. Теоретично, навіть дуже незначна кількість речовини має біологічну дію, тому при визначенні порогу виявляють дозу і концентрацію, при якій спостерігають початкові явища на межі норми і патології. Пороговою вважається та мінімальна доза (ПД₅₀) речовини, яка з певною часткою імовірності спричиняє дію на організм.

Підпорогова доза (ППД) – це та неефективна доза, яка з певною часткою надійності не спричиняє жодної дії на організм.

Виходячи з визначеної верхньої і нижньої межі токсичності, визначають зону гострої токсичної дії:

або .

Чим вужча ця зона (співвідношення близьке до одиниці), тобто менша різниця між верхньою і нижньою межею токсичності, тим швидше легка інтоксикація при збільшенні дози речовини може перетворитися на отруєння.

Поріг хронічної дії визначають експериментально на двох видах лабораторних тварин. Для цього вводять речовину у 2-3 концентраціях орально та інгаляційно і спостерігають її дію протягом 6-10 місяців у першому експерименті та 4-6 місяців у другому, проводячи систематично біохімічні та фізіологічні тести. Одна із концентрацій відповідає пороговій (ПК_х), інші – менші. Визначивши порогову дозу та концентрацію хронічної дії на тваринах, для людини вводять коефіцієнт запасу шкідливої дії.

Коефіцієнт запасу враховує співвідношення летальної дози для найбільш і найменш чутливого виду тварин,

,

кумулятивні властивості речовин і віддалені ефекти.

Є різні класифікації токсичності хімічних речовин. Одна з них передбачає поділ всіх речовин на класи та підкласи залежно від величин ГДК, ЛД₅₀ при введенні речовин в організм через органи травлення і на шкіру, ЛК₅₀ при інгаляційному введенні, від зони гострої і токсичної дії (табл.5.1). Так оцінюють продовольчу сировину і продукти харчування, відходи виробництва, здійснюють нормування речовин у повітрі робочої зони.

Таблиця 5.1 Класифікація хімічних речовин у повітрі за ступенем токсичності

Показник	Норма для класу токсичності
	1	2	3	4
ГДК речовин у повітрі робочої зони, мг/м^3	<0,1	0,1-1,0	1,1-10,0	>10,0
ЛД50 при введенні у шлунок	<15	15-150	151-5000	>5000
ЛД50 при нанесенні на шкіру, мг/кг	<100	100-500	501-2500	>2500
ЛК50 у повітрі, мг/м^3	<500	500-5000	5001-50000	>50000
КМІО	>300	300-30	29-3	<3
Зона гострої дії (ЛД50/ПД50)	<6,0	6,0-18,0	18,1-54,0	>54,0
Зона хронічної дії (ЛДх./ПДх.)	>10,0	10,0-5,0	4,9-2,5	<2,5

Класифікація пестицидів проводиться дещо інакше. Одні нормативи є для людей, які безпосередньо з ними працюють – виробляють пестициди на заводах, працюють з ними у сільському господарстві. Інші нормативи є для населення, яке може їх споживати разом з продукцією. У цьому випадку враховують стійкість пестицидів та їхню кумулятивну дію, здатність накопичуватися в тканинах організму. При класифікації пестицидів враховують такі показники:

токсичність при введенні у шлунок; вплив на шкіру та на її резорбцію;

леткість (викликає хронічну дію); кумуляцію; стійкість; дію канцерогенну, мутагенну (тератогенність); ембріотоксичність;

алергічні властивості.

Класифікація пестицидів, прийнята ВООЗ, показана у табл.5.2.

Таблиця 5.2 Класифікація пестицидів за ступенем небезпеки, прийнята ВООЗ

№	Клас	ЛД50 для щурів, мг/кг
		Потрапляння через рот		Потрапляння на шкіру
		тверді	рідкі	тверді	рідкі
Іа	Особливо небезпечні	5	20	10	40
Іб	Дуже небезпечні	5-50	20-200	10-100	40-400
ІІ	Небезпечні	50-500	200-2000	100-1000	400-4000
ІІІ	Мало небезпечні	>500	>2000	>1000	>4000

Гострі отруєння людей пестицидами спостерігаються тоді, коли для них ЛД₅₀25 мг/кг.

До переліку особливо небезпечних пестицидів класу Іа включені: алдикарб, натрій фторацетат, димефокс, форат, деметон, меркаптофос, метилпаратіон, фенілмеркурацетат, шрадан, тіофос, гексахлорбензол, дилдрин. Зокрема гексахлорбензол викликає порушення порфіри-нового обміну у людей; дибромхлорпропан має мутагенну і канцерогенну дію для тварин; лептофос є нейротоксичним, він спричинює параліч; фенілмеркурійацетат тератогенний для тварин, вражає нирки.

Реакція живих організмів на токсичні речовини

Речовини-забруднювачі або контамінанти, які потрапляють в організм, мають різну стійкість і різну дію, іноді перетворюючись у більш токсичні. Відбувається або ушкодження організму, або його пристосування, вироблене в процесі еволюції як захисна реакція на зміни у зовнішньому середовищі. В основі дії речовин лежить реакція первинної взаємодії речовини чи продукту перетворення з біологічними макромолекулами, локалізованими в клітині. Інші реакції розвиваються за умови, що первинна реакція досягає певного критичного рівня та певний час підтримується. Час, протягом якого триває первинний акт взаємодії, для різних речовин різний. Цим часом визначається ступінь кумулятивної дії сторонньої речовини – ксенобіотика.

За впливом на організм розрізняють такі процеси, як адаптація, звикання, компенсація, інтоксикація, підсилення токсичності внаслідок кумуляції.

Адаптація – істинне пристосування організму до зміни умов навколишнього середовища, яке відбувається без порушень біологічної системи і без змін її реагування, тоді, коли після певного періоду дії речовини реакція на неї повністю і безповоротно зникає. Адаптація виникла еволюційно як відповідь на постійну зміну умов довкілля. Явище адаптації спостерігається переважно тоді, коли концентрація діючої речовини невелика. У випадку адаптації шкідлива дія хімічної речовини не наступає.

Звикання проявляється у послабленні реакції організму у відповідь на періодичну або неперервну дію речовини (подразника). Це може бути проявом істинної адаптації, але може бути лише одною із фаз інтоксикації, яка посилюється при зростанні в організмі дози токсичної речовини. Отже, звикання – зникнення через певний відрізок часу порушень, спричинених токсичною речовиною. Звикання можна вважати лише стадією хронічної інтоксикації. Звикання організму до певної токсичної речовини є процесом протилежним до кумуляції. При повторній дії на організм хімічної речовини переважно відбуваються одночасно два процеси: як наростання шкідливої дії, так і адаптація організму, причому залежно від агресивності токсичної речовини, її дози та тривалості дії.

Компенсація – пристосування організму до зміни умов довкілля, при якому біологічна система зазнає шкідливого впливу. Це скрита патологія, яка через певний відрізок часу проявляється в патологічних змінах організму і настає декомпенсація.

Інтоксикація проходить ряд стадій: первинна декомпенсація (настає скрита патологія), фізіологічна адаптація, компенсація патологічного процесу, декомпенсація патологічного процесу (помітні прояви патології).

Кумуляцією називають максимально досяжне підсилення дії ксенобіотиків за час гострої, підгострої та хронічної інтоксикації. Два основні механізми кумуляції: хімічна (або матеріальна) і функціональна. Визначають і третій, змішаного типу, механізм.

Хімічна кумуляція полягає в тому, що токсична речовина взаємодіє з біологічними речовинами в організмі та ушкоджує їх.

Так іони важких металів, які здатні взаємодіяти з групами SH- білків, вступають з ними у реакцію і блокують їхню дію. Наприклад, Hg²⁺ утворює стійкі комплекси з білками і порушується дія певних ферментів. Наступна порція сполук меркурію, яка потрапляє в організм, призводить до більш помітного порушення. Ступінь кумулятивної дії залежить як від стійкості даних комплексів, так і від функціональної важливості ферменту, який ушкоджений. Подібно іони CN^- зв’язують іони металів, які входять у склад білкових комплексів ферментів, руйнуючи їх, а СО гальмує окислення киснем Fe²⁺ гемоглобіну.

Одним із критеріїв кількісної оцінки хімічної кумуляції речовин є період напівіснування в організмі речовини – час, протягом якого з крові зникає половина введеної речовини (Т_50%):

, де t₁ і t₂ – час після введення речовини вмісту y₁ і y₂.

Функціональна кумуляція полягає в тому, що речовина взаємодіє з біологічною речовиною, ушкоджуючи її, після взаємодії виводиться, а рецептор залишається ушкодженим.

Так діють хімічні мутагени. Хоча вони не включаються у склад генів, але порушують вторинну і третинну структуру білка. Іноді токсична речовина виводиться з організму разом з фрагментом біологічної речовини, функція організму на деякий час порушується. Якщо в цей момент поступає наступна порція контамінанту, то функціональні зміни різко наростають і з’являється інтоксикація.

Є різні методи оцінки фізіологічної кумуляції. За одним із них в організм піддослідних тварин щодня (n днів) вводять однакову кількість речовини, яка є n-ою часткою від смертельної дози(ЛД_50(n)).

Коефіцієнт кумуляції К= , який наближається до 1, свідчить про сильну кумуляцію, а якщо більший за 5, то кумуляція дуже слабка.

Чим за менший відрізок часу від введення токсичної речовини тварина загине, тим менша кумуляція речовини. Так, наприклад, малокумулятивними для тварин є високотоксичні фосфорорганічні пестициди, а хлорорганічні є висококумулятивними.

Кумуляція змішаного типу проявляється тоді, коли до рецептора в організмі приєднується частина молекули токсичної речовини (фосфорилювання білкових речовин). У даному випадку токсичної речовини в організмі нема, але функція білкової речовини порушилась. Ступінь кумуляції залежить від стійкості утвореної сполуки.

Можна визначити основні чотири типи залежності кумуляції від введеної дози хімічної речовин (рис.5.1).

Рис.5.1 Типи кумулятивної дії (на прикладі пестицидів):

І – Ступінь кумулятивної дії зменшується при пониженні дози, яку вводять щоденно. Токсична дія яскраво виражена, хронічні ефекти не спостерігаються, за винятком дії продуктів перетворення токсичних речовин. Така залежність притаманна фосфорорганічним пестицидам.

ІІ – На ступінь кумулятивної дії не впливає величина щоденної дози. При потраплянні в організм речовина викликає хронічне отруєння. Таку дію мають дитіокарбамати.

ІІІ – Ступінь кумулятивної дії речовини зі зменшенням щоденної дози зростає. Хронічна дія проявляється навіть при дуже малій дозі речовини. Така залежність властива хлорорганічним вуглеводням.

IV – Зі зменшенням дози речовини ступінь кумуляції спочатку збільшується, а потім зменшується. Таку залежність виявлено для низки хлорорганічних речовин та пестицидів (альдрину і дилдрину).