8.1. Задачи и методы промышленной токсикологии
Наука, исследующая взаимодействие живого организма и яда, называется токсикологией.
Раздел этой науки, касающийся токсичных веществ промышленного происхождения, называется промышленной токсикологией.
Первойважнейшей задачей промышленной токсикологии является токсикологическая оценка вредных веществ промышленного происхождения с целью их гигиенической регламентации. Таким образом, речь идет о нормировании загрязняющих веществ, т.е. об установлении ПДК или других ограничительных нормативов.
В условиях производства человек, как правило, находится под воздействием не одного, а нескольких разных ксенобиотиков, а также под совместным (комбинированным) воздействием химических веществ и физических факторов. В совокупности все они называются вредными и опасными производственными факторами. Отсюда второйзадачей промышленной токсикологии является изучение и регламентация совместного воздействия на организм различных неблагоприятных факторов окружающей (в том числе и производственной) среды.
В задачи токсикологии входят также исследования механизмов воздействия ядов на организм, их поведения в живых системах, включая распространение по пищевым цепям в экосистемах и др.
Распределение ядовитых веществ в организме подчиняется определенным закономерностям. Вначале происходит динамическое распределение вещества в соответствии с интенсивностью кровообращения, а затем основную роль начинает играть сорбционная способность тканей, в состав которых входят: внеклеточная жидкость (для человека массой 70 кг – 14 л), внутриклеточная жидкость (28 л) и жировая ткань. Поэтому распределение веществ зависит от таких свойств, как водорастворимость, жирорастворимость и способность к диссоциации.
Исследование всех этих вопросов – сложный процесс, затрудненный и тем обстоятельством, что эксперименты непосредственно на людях недопустимы. Они проводятся на белых мышах, крысах, морских свинках, кроликах, некоторых птицах, рыбах и других животных. Поэтому перед токсикологией стоит задача разработки научных основ экстраполяции экспериментальных данных с животных на человека.
Кроме того, токсикология изучает проявление различных эффектов действия ядов в организме: гонадотропных (влияние на половые железы), эмбриотропных (воздействие на зародыши), мутагенных (вызывающие мутации в генно-хромосомном аппарате), канцерогенных (вызывающие злокачественные новообразования).
Следует отметить, что опыты на животных занимают от 2 до 5 лет и обходятся в 0,2…2млн долларов на исследование одного вещества. Стоимость комплексного определения токсичности, канцерогенности, мутагенности, тератогенности и эффектов воздействия вещества на иммунную, эндокринную и нервную систему составляет несколько миллионов долларов. В силу указанных обстоятельств, достоверные данные о вредности и токсичности известны лишь для нескольких тысяч веществ из сотен тысяч соединений, применяющихся человеком в процессе его производственной деятельности.
8.1.1. Критерии и концепции оценки вредных веществ
Любая оценка химического вещества в плане его опасности для организма или риска применения в природных объектах складывается из двух независимых и равных по своему значению составляющих – экспозиции и токсичности. Любая из них сама по себе не дает возможности оценить воздействие вещества на окружающую среду.
Ранее было отмечено, что токсичность (ядовитость) характеризуется как мера несовместимости вещества с жизнью или здоровьем.
Следует различать токсичность и опасность вещества. Опасность характеризует лишь вероятность отравления.
Оценки токсичности должны иметь четкую количественную интерпретацию, т.е. быть основанными на измерениях. Совокупность методов и приемов исследований для количественной оценки токсичности и опасности ядов является разделом токсикологии и называется токсикометрией.Её задачей является определение зоны токсического действия химического вещества.
В основе токсикометрических исследований находится изучение зависимости между количеством ядовитого вещества, содержащимся в конкретной среде (субстрате) или поступившем в организм, и реакцией последнего в виде острого, хронического или смертельного отравления, а также в форме того или иного отдаленного эффекта. При этом имеют значение не только собственно дозы, но и пути поступления вещества в организм, продолжительность его воздействия, состояние самого организма, условия окружающей среды.
Степень токсичности вещества характеризуется величиной токсичной дозы – количеством вещества, отнесенным, как правило, к единице массы животного или человека, вызывающим определенный токсичный эффект. Чем меньше токсичная доза, тем выше токсичность.
В токсикометрических исследованиях устанавливаются три количественные характеристики вещества.
– пороговая доза(или концентрация), иначе называемая порогом однократного воздействия. Это наименьшее количество вещества, вызывающее при однократном воздействии такие изменения в организме, которые обнаруживаются при помощи специальных биохимических или физиологических тестов при отсутствии внешних признаков отравления у подопытного животного – Кмин(Смин) или Дмин(Dмин) – минимальная концентрация или доза;
– токсическая не смертельнаядоза(концентрация), которая вызывает видимые отравления без смертельного исхода и обозначается символами ЕD или ЕК;
– токсическая смертельная доза(концентрация), которая вызывает отравление, заканчивающееся смертью подопытного животного; обозначается символом ЛК и ЛД, где Л – означает «леталис»– смертельный. Различают средне смертельные дозы (ЛД50, LD50), абсолютно смертельные (ЛД90-100, LD90-100), минимально смертельные (ЛД0-10, LD0-10), где цифры в индексе указывают вероятность в % появления определенного токсического эффекта, т.е. гибель 50%, 100% и 10% подопытных животных. Аналогично обозначается и токсическая не смертельная доза – ЕD50.
Наиболее часто используют величины LD50(ЛД50) и ЕД50, которые статистически более достоверны по сравнению с другими.
Острую токсичность определяют на крысах и мышах как внутрижелудочную, внутрибрюшинную, ингаляционную и кожную (ЛК50, ЛД50). Дозы, обладающие минимальным действием, определяют на кроликах (при ингаляции), крысах (по изменению картины крови), на людях (по запаху, действию на биоэлектрическую активность мозга, иммунологическим показателям).
Для токсикометрии используют довольно большой набор экспериментальных организмов, включая обезьян. Одной из существенных проблем является различие в их чувствительности к воздействию химических веществ. Так, действие гистамина (содержится в организме человека, вызывает аллергические реакции) на мышей, крыс и морских свинок отличается по количественным параметрам токсичности в 600-3000 раз,брадикинина– в 10000 раз. Наиболее надежные экстраполяции на человека получаются в том случае, если данные по токсичности у разных видов животных близки. Полагают, что в случае монотонности реагирования 4-х видов лабораторных животных на яд (коэффициент видовых различий не более 3), совпадение чувствительности человека и лабораторных животных в острых (смертельных) эффектах наблюдается в 70% случаев, а в хронических – в 90% случаев.
Воздействие вредных веществ на организм может вызывать два вида отравлений: остроеихроническое.При авариях или нарушениях регламента работы оборудования возможно резкое скачкообразное увеличение содержания вредных веществ. При этом могут наступатьострые отравления,которые возникают после однократного воздействия и могут приводить к смертельному исходу, хотя и не сразу после отравления (например, оксиды азота могут привести к такому исходу через неделю или более после острого отравления).
Хроническое отравление– это заболевание, развивающееся в результате систематического воздействия таких доз вредного вещества, которые при однократном поступлении в организм не вызывают отравления. Действие многих промышленных ядов связано именно с хроническим отравлением, поскольку в обычных производственных условиях, как правило, не создается концентраций, способных вызвать острое отравление. Это относится, например, к соединениям свинца, марганца, парам ртути и др. Но некоторые вещества (например, синильная кислота, окись углерода) вызывают только острые отравления.
Поэтому для обоснования нормирования загрязняющих веществ в окружающей среде необходимо устанавливать не одно, а два значения пороговых концентраций: для однократного Кмин. остр.и хронического Кмин.хрон. воздействия. Значения пороговых хронических концентраций ниже, чем острых (однократных). Например, некоторое вещество может вызвать заболевание при длительном воздействии в концентрации в воздухе 0,05 мг/м3, а острое отравление – при разовом воздействии в концентрации 1 мг/м3.
Если значения таких показателей как ЛД50или ЛК50характеризуют токсичность вредных веществ (их несовместимость с жизнью и здоровьем), то вероятность угрозы отравления (опасность) оценивается другими показателями.
Это, в частности, так называемая зона однократного острого(Zостр.) ихронического (Zхрон.) действия и зона (коэффициент)возможного ингаляционного отравления (КВИО).
Под зоной острого воздействия понимают разрыв между дозами (концентрациями), вызывающими начальные признаки отравления, и дозами (концентрациями), вызывающими гибель организмов. Например, амиловый спирт имеет очень узкую зону острого токсического действия и считается опасным веществом, из-за того, что быстро приводит к острому отравлению
Величина Zостр характеризует диапазон концентраций между среднесмертельной концентрацией ЛК50и порогом однократного воздействия Кмин.ости определяется по формуле:
(8.1)
Понятно, что чем ближе друг к другу значения числителя и знаменателя, тем меньше отношение между ними и тем более опасным является данное вещество. Чем уже зона острого токсического действия, тем быстрее легкая интоксикация при увеличении дозы может перейти в отравление с летальным исходом.
Правда, эти значения могут оказаться близкими как для высокотоксичных, так и для малотоксичных веществ, вследствие чего значения Z оцениваются с указанием фактических границ токсичности.
Величина Zхрон.характеризует опасность хронического поступления (интоксикации): чем шире данная зона, тем выше опасность, поскольку при этом возрастает угроза накопления (т.е. кумуляции) вещества в организме. Это величина определяется как отношение
( 8.2)
Что касается КВИО, то этот показатель характеризует эффективную токсичность вещества и определяется как отношение его насыщенной концентрации в воздухе при температуре 200С (К20) к среднесмертельной ЛД50:
(8.3)
Естественно, что чем выше степень токсичности того или иного вещества, тем более жестокие требования предъявляются при работе с ним или к его присутствию в окружающей среде.
Для описания функциональной связи между эффектом токсичного вещества на организм и его концентрацией (зависимость «доза-эффект») предложены различные уравнения. Наиболее простым является уравнение Хабера:
(8.4)
где Е – эффект токсичности, мг мин/м3
С – концентрация вещества, мг/м3,
t – время воздействия вещества, мин.
Уравнение Хабера применимо для ядов с кумулятивным действием. Для ядов, не обладающим кумулятивным эффектом, используется формула Майера:
(8.5)
где К – константа, зависящая от свойств яда.
Под временем (экспозицией) понимают период, в течение которого организм находится под воздействием исследуемого фактора, в частности химического вещества. Отличия во времени реагирования на одно и то же вещество у разных тест-организмов будут отражать отличия в их чувствительности.
Таким образом, биологическое действие яда начинает проявляться с некоторой минимальной дозы (минимальной действующей концентрации) – порога, т.е. биологическая активность токсина определяется количеством молекул (ионов) способных вступить во взаимодействие с биоструктурами клетки и вызвать токсический эффект.
Полагают, что нижний предел биологической активности чужеродных соединений в организме (т.е. минимальная концентрация, необходимая для начала химического взаимодействия) составляет 7•1012молекул на 1г биологической ткани. Для водных организмов это соответствует концентрации токсина в воде 10-8г-моль/л или 104атомов токсичных элементов на одну клетку (для канцерогенов этот показатель равен 1013…1017атомов или молекул на одну клетку).
С превышением этого порога возрастает вероятность взаимодействия токсина с биохимическими структурами, а значит и опасность появления нарушений.
При определении токсической дозы исследуют (экспериментально) зависимость «эффект-доза», которую затем анализируют с помощью статистических методов. Величина токсической дозы зависит от способа введения вещества или пути его поступления в организм, от вида животных, возрастных, половых и индивидуальных различий, а также от конкретных условий воздействия вещества.
При внутривенном, внутримышечном, подкожном и пероральном (через рот) введении, а также при накожной аппликации токсичные дозы имеют размерности: мкг/кг, мг/кг, моль/кг и т.д. Иногда используют также токсичные дозы, отнесенные к единице поверхности тела: мг/м2, г/м2и т.п. Это связано с тем, что подобные дозы некоторых веществ для разных лабораторных животных и человека различаются в меньшей степени, чем дозы, отнесенные к единице массы. Этим пользуются в ряде случаев для анализа видовой чувствительности и переноса данных с лабораторных животных на человека.
Пересчет доз из размерности мг/м2в мг/кг проводят с использованием специальных таблиц и номограмм или по формуле, например:
ED50(мг/м2)=K.ED50(мг/кг), (8.6)
где К – коэффициент пересчета, который для стандартных лабораторных животных, как правило, определяется их массой – m: K=m 0,309.
Для характеристики токсичности при ингаляции обычно указывают концентрации паров или аэрозолей в воздухе (мг/м3,мг/л и т.п.) и время их воздействия. Иногда применяют соотношения объёмных единиц, имеющих преимущества безразмерных параметров (%, ppm , ррb), хотя они и не соответствуют рекомендациям ВОЗ и Международного Стандарта (ISO).
В американской литературе в качестве объёмных критериев используют величину ррm (parts per million), что соответствует 1 части на миллион, особенно для газов (1ppmоб=1 см3/м3), а иногда и в виде массовых величин для твердых веществ (1ppmмас=1 мг/кг). При очень малых концентрациях в воздухе пользуются данными в ppb, соответствующих 1:109(1ppbоб =1мм3/м3). В США величина 109 носит наименование биллион, а в Европе – миллиард.
Для идеального газа при 298К (250С) и давлении 101,325 кПа перевод 1 ррm (об) в мг/м3осуществляется согласно зависимости:
Получаем следующее уравнение для пересчёта:
(8.7)
где С – концентрация примеси газа в воздухе, мг/м3;
См.д.– та же концентрация, в единицах ppm (млн-1);
М - молекулярная масса газа.
С учетом температуры и давления уравнение (8.7) приобретает вид:
где Р – давление газа, Па; Т – температура, К.