Занимательная токсикология

Источником воздействия высокотоксичных веществ на организм подчас становятся и такие безобидные предметы, как детские игрушки. Летом 1989 г. появились тревожные сообщения о превышении (до 70 раз) допустимого содержания кадмия в мягких фигурках из пластизоля, изготавливаемых для самых маленьких детей. На четырех химических заводах кадмий добавлялся в сырье – пластмассу для придания ей розово-телесного цвета, а в дальнейшем при изготовлении игрушек производилось их раскрашивание краской, также включавшей кадмий в высоких концентрациях. С учётом слабой устойчивости краски к действию слюны и влаги нетрудно представить масштабы химической угрозы здоровью сотен тысяч детей. В связи с этим Минздрав СССР принял специальное постановление, запрещающее с 1 сентября 1989 г. применять кадмийсодержащие красители при изготовлении детских игрушек.

Мышьяк. Мышьяк – полуметалл. Мышьяк уже долгое время является предметом токсикологических исследований. Эти исследования ставились из-за частых случаев его использования в качестве средства для убийства и самоубийства, из-за его употребления в качестве пестицида в садах и виноградниках как отравляющего вещества кожно-нарывного действия в химическом вооружении. Токсические эффекты соединений мышьяка хорошо и достаточно давно известны. Напомним историю смерти Наполеона, погибшего на о. Святой Елены от хронического отравления мышьяком. Об этом свидетельствовали результаты анализов останков императора. Другой пример – «рак виноградарей», еще в позапрошлом веке использовавших препараты мышьяка для опрыскивания своих виноградников.

«Мышьяк сыграл трагическую роль в истории токсикологии. Оксид мышьяка, белый мышьяк (As2O3) как нельзя более подходит для преступлений: при растворении в воде и обычных жидкостях он не дает окраски и запаха. Растворимость его мала, но достаточна для оказания вредного действия: 60 мг – смертельная доза, а симптомы отравления сходны с признаками заболевания холерой. При периодическом или длительном применении малых доз картина отравления может быть настолько разной, что встарь еë путали с различными заболеваниями, вплоть до венерических. Это и неудивительно, так как мышьяк кроме желудочно-кишечного тракта поражает нервную систему, кровь и вызывает заболевания слизистых оболочек и кожи. В связи с тем, что отравление напоминает различные болезни, мышьяк как орудие преступлений со временем почти вытеснил растительные яды древнего мира» [15] (рис. 7).

Рис. 7. Обложка книги И.Д. Гадаскиной и Н.А. Толоконцева «Яды – вчера и сегодня»

Мышьяк является сильным ингибитором ряда ферментов в организме и способен вызвать острые отравления. Совокупность симптомов, обусловленных постепенным отравлением людей соединениями мышьяка в коксохимическом производстве Италии получила в 1960-х гг. название болезни «чизолла». Хроническое действие малых доз соединений мышьяка способствует возникновению рака легких и кожи, так как мышьяк сильно повышает чувствительность слизистых оболочек к другим канцерогенам, а кожных покровов – к ультрафиолетовым лучам. Тератогенные эффекты мышьяка проявляются в расщеплении неба (волчья пасть) микроофтальмии, недоразвитии мочеполовой системы и др.

Механизмы токсического действия мышьяка множественны. Это и нарушение тканевого дыхания, и дегенеративные и некротические процессы в тканях, и тератогенные эффекты (у женщин, подвергавшихся во время беременности экспозиции к мышьяку, часто рождаются дети с низким весом, имеют место различные уродства, а также высока частота выкидышей).       Спустя значительное время после контакта с мышьяком, может проявиться его канцерогенное действие. Причем кроме производственных условий главные пути поступления мышьяка в организм человека – мышьяксодержащие лекарства, пестициды и питьевая вода. В случае сильного отравления основным признаком является сильное нарушение желудочно-кишечного тракта, сопровождаемое спазмами и диареей, и эти эффекты проявляются почти немедленно. Описаны случаи массового рака кожи среди жителей провинции Кордоба (Аргентина) и о. Тайвань, где население в течение 60 лет использовало питьевую воду с высоким содержанием мышьяка. Мышьяк включен в группу безусловных канцерогенов для человека, поскольку вызывает рак лëгких и кожи.

«Тысячи лет правители держали при себе дегустаторов, которые проверяли каждое блюдо, прежде чем оно достигало королевского рта. Однако даже огромная доза мышьяка не обязательно действует мгновенно. Вопреки тому, что показывают в фильмах, жертва отравления не хватается за горло и не падает на пол замертво, стоит только яду попасть в рот. Время появления первых симптомов (боль в животе, рвота, диарея) сильно варьирует в зависимости от роста, веса, генетики, общего состояния здоровья и количества пищи в желудке (которое обладает способностью замедлять усвоение яда организмом). Один из наиболее ярких примеров, иллюстрирующих эту разницу, произошел в 1867 году, когда группа из двадцати человек, обедавшая в отеле «Иллинойс», отравилась печеньем, по ошибке испеченным не из муки, а из мышьяка. Один из гостей почувствовал недомогание, стоило ему только встать из-за стола, в то время как прочим стало дурно спустя несколько часов, хотя они обедали в одно время. У всех жертв наблюдались тошнота и диарея; другие симптомы (жгучая боль в животе, ларингоспазм, судороги и конвульсии) проявились не у каждого отравленного. Один страдал от тяжëлой диареи и трудностей с мочеиспусканием в течение нескольких недель, однако никто не умер» [59].

Реакция организма на тяжёлые металлы является двухфазной (рис. 8).

Если организм получает слишком мало металлов, ему наносится тяжëлый ущерб. Это объясняется тем, что в организме содержится множество ферментов, которые могут функционировать только в присутствии тяжëлых металлов, хотя бы в следовых количествах. Однако если в организм попадает слишком много того или иного металла, то наступает вторая фаза, связанная с токсическим действием избыточного количества.

Рис. 8. Реакция организма на действие тяжелых металлов

Возможно, что многие из нас видели или слышали, что дети иногда с удовольствием едят мел и извëстку. Особенно школьники. Обычно это трактуется как инстинктивное потребление недостающего кальция. Значительно чаще стремление есть мел, сухую крупу, даже землю связано с дефицитом железа в крови.

Железодефицитная анемия довольно распространённое заболевание. Нет железа – нет гемоглобина, нет гемоглобина – и кровь становится жидкой и бледной. При анемии (синоним – малокровие) больные бледны, вялы, ко всему безразличны.

Чаще малокровием болели молодые девушки, которые ранее вели замкнутый образ жизни. В XVII веке эту болезнь образно назвали «бледной немочью». Девицы часто падали в обморок, но не от тонких чувств, а от самого обычного недостатка железа в эритроцитах.

В «Экономическом журнале» за 1783 г. приведен такой текст: «В некоторых случаях и болезнях самое железо составляет весьма хорошее лекарство, и принимаются с пользой наимельчайшие опилки либо просто, либо обсахаренные». Было рекомендовано и железное вино: «Виноградное кислое вино, как, например, рейнтвейн, настоять с железными опилками, и получится железное вино и вкупе весьма хорошее лекарство». Другой вариант: в кислое яблоко втыкали гвозди. Проходило немного времени, и гвозди ржавели, переходя в гидроксид и частично в яблочное желе. Затем гвозди вытаскивали, а яблоки съедали. В таком яблоке было много железа!

Железа, которое содержится в теле человека, хватит на крупный гвоздь. Это приблизительно 2,5–4,5 грамм. Влияние железа на многие жизненно важные процессы огромно, и его недостаток (как и избыток) моментально сказывается на нашем самочувствии и может привести к серьезным последствиям.

Еще в 1980-х годах специалисты предположили, что гендерное различие уровня железа в крови является причиной высокой распространенности болезней сердца среди мужчин. Патологоанатом доктор Джером Салливан первым опубликовал статью в журнале The Lancet под названием «Железо. Риск сердечно-сосудистых заболеваний у мужчин и женщин».

3.2. Полициклические ароматические углеводороды

Известно большое количество полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) (нафталин, антрацен, пирен, хризен, фенантрен, бенз(а)антрацен, бен(а)пирен и др.). При кулинарных процессах (жарение, варка, сушка и др.) происходят химические превращения веществ, в ходе которых образуются новые, зачастую токсичные соединения. Так, в опытах на животных было установлено, что токсичные вещества образуются при нагревании жиров.       При копчении и поджаривании мяса оно постоянно находится в дыме над продуктами сгорания, что придает пище своеобразный аромат. Устойчивость мяса после копчения обусловлено присутствием веществ фенольного характера. При копчении образуются и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе и бенз(а)пирен, которые вместе с дымом оседают на мясе. При холодном копчении в дыме содержание бенз(а)пирена всегда ниже, чем при горячем копчении (60-1200С). Среднее содержание бенз(а)пирена в копченостях составляет 2-8 мкг/кг. При поджаривании бенз(а)пирен образуется из перегретых жиров.

Бенз(а)пирен оказался тесно связан с профессией трубочиста. В Англии XVIII века она была довольно распространена. На такую работу брали мальчиков: небольшие габариты позволяли им пролезть в узкий дымоход. Внутри трубы очень жарко, поэтому нередко английские трубочисты работали голыми. Постоянный контакт сажи с телом давал о себе знать: у трубочистов появлялась «бородавка» в области мошонки. Её называли сажевой. Со временем она разрасталась всё больше и больше. Сейчас мы знаем, что это был рак. Сажа содержала вещества, провоцирующие рост злокачественных образований. Среди этих веществ – и бенз(а)пирен. «Сажевая бородавка» встречалась в основном в Англии. В других странах трубочисты носили облегающую одежду, что и спасало их от заболевания.

Индикаторное значение для всех ПАУ имеет бенз(а)пирен (БП). Это обусловлено следующими наблюдениями: 1) БП всегда находят там, где присутствуют другие ПАУ; 2) по сравнению с другими ПАУ именно БП обладает наибольшей стабильностью в окружающей среде; 3) БП отличается наиболее выраженной биологической, в частности, канцерогенной активностью; 4) существующие физико-химические методы индикации БП в различных средах являются наиболее чувствительными среди методов определения ПАУ. БП идентифицирован в табачном дыму (20–40 мкг/сигарету), дыму марихуаны (29 нг/сигарету), городском воздухе (0,05–74 нг/м3), выхлопах дизельных двигателей (2–170 мкг/кг экстракта), отработанных машинных маслах (5,2–35,1 мг/кг), загрязнённых водоёмов (0,2–13000 нг/л), чае (3,9–21,3 мкг/кг), кулинарных продуктах.

3.3. Хлорорганические пестициды

C ростом населения Земли стало ясно, что обеспечение его продуктами питания немыслимо без перехода к интенсивному сельскохозяйственному производству, предполагающему широкое использование не только удобрений, но и средств защиты растений от различных болезней и вредителей, а также сорняков. В этом плане большие надежды возлагались на искусственные химические препараты, получившие название пестицидов.       Пестициды (pestis – зараза, caedo – убивать) – общепринятое собирательное название химических средств защиты растений. Они используются для борьбы с сорняками, вредителями, грибковыми заболеваниями и другими болезнями сельскохозяйственных растений, кустарников и деревьев. Их применение наиболее интенсивными темпами началось в 1940-х годах.

Особо эффективными средствами борьбы с насекомыми-вредителями оказались хлорорганические соединения алифатического и ароматического рядов. Некоторые из них были известны уже довольно давно, однако пестицидные свойства их были выявлены лишь в 1930–1940-х гг. Среди этих соединений особое значение имеют гексахлорциклогексан (линдан, γ-ГХЦГ), ДДТ и его метаболиты ДДЕ и ДДД, гексахлорбензол и некоторые другие.

Установлено, что ДДТ, накапливаясь в тканях птиц, таких как кряква, скопа, белоголовый орлан и др., приводит к истончению скорлупы яиц. В итоге птенцы не могут быть высижены и погибают. Это сопровождается снижением численности популяции птиц.

Несмотря на то что в большинстве стран применение ДДТ сейчас запрещено законом и содержание этого вещества в биосфере начало снижаться (период полупревращения ДДТ в окружающей среде около 20 лет), ДДТ встречается всюду: в материнском молоке, в жире байкальских тюленей и у пингвинов Антарктиды. Интересно отметить, что сейчас около 450 видов беспозвоночных стали нечувствительными к применяемым инсектицидам, и в лабораториях получены экспериментально созданные популяции дрозофил, которые (хотя это и выглядит анекдотично) не могут жить без ДДТ. Добавим к этому, что в Санкт-Петербурге и Москве появилась особая раса (в ранге подвида) комаров, которая перешла исключительно на питание человеческой кровью (животных они не трогают), а размножается даже зимой – в теплых подвалах, во влажных местах вблизи тепла.

Пестициды могут поступать в организм человека при хранении, транспортировке и применении, а также в случае загрязнения воздуха, воды и пищевых продуктов. Некоторые препараты, например, дефолиант 2,4,5-Т (дефолианты – химические препараты, применяемые для предуборочного удаления листьев с целью механизации уборочных работ, а также удаления листьев перед пересадкой плодовых и других деревьев), применявшийся во Вьетнаме, способны накапливаться в организме человека, вызывая повреждение печени, сходное с раковой опухолью, либо оказывая влияние на наследственность, подобное радиационному воздействию.

Человек стоит в конце трофической цепи, и, следовательно, стойкие пестициды не могут не аккумулироваться в его организме, вызывая при определенных концентрациях болезненные изменения. Так, по данным ЮНЕП (программа ООН по окружающей среде), за один год в мире пестицидами отравляется около одного миллиона человек, причем от 5 до 20 тыс. из них – смертельно.

Но есть и другие данные. Изучив опыт американской противомалярийной кампании, в 1955 году Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила войну малярии в масштабах всей планеты. Спустя два года аналогичную программу одобрил Конгресс США. Кампания увенчалась фантастическим успехом. К 1967 г. малярия была полностью искоренена во всех развитых странах мира, а также во многих странах Азии, Латинской Америки и Африки. В Индии смертность от малярии опустилась ниже уровня статистической значимости, в Шри-Ланке заболеваемость упала с 2800000 случаев до 17 (это не опечатка –  семнадцать!).

В 1970 году Национальная академия наук США провозгласила: «Можно по пальцам пересчитать химикалии, которым человечество обязано в такой же степени, в какой оно обязано ДДТ. За два года с небольшим этот препарат позволил спасти от малярии 500 миллионов человек, которые в противном случае были бы обречены на верную гибель».

В США профессор Гордон Эдвардс каждый новый учебный год начинал с того, что на глазах своих студентов съедал ложку чистого ДДТ, чтобы продемонстрировать его безвредность. Доктор Эдвардс на протяжении всей своей жизни отличался отменным здоровьем, до глубокой старости увлекался альпинизмом и дожил до 86 лет.

3.4. Полихлорированные бифенилы

Уже к середине 60-х гг. загрязнение окружающей среды полихлорированными бифенилами (ПХБ) достигло такого уровня, что они были зарегистрированы в экстрактах из тканей рыб и диких животных. Эти соединения были обнаружены в воздухе и воде Саргассова моря и Мексиканского залива. В настоящее время ПХБ с полным основанием можно отнести к глобальным загрязняющим веществам окружающей среды: их присутствие зафиксировано в различных, порою весьма удалённых от промышленных зон, районах планеты. В частности, о глобальном характере загрязнения свидетельствует обнаружение ПХБ в Арктике, центральных районах Индийского океана и в Антарктике. Исследования показали, что ответственными за появление этих соединений в отдалëнных районах являются процессы атмосферного переноса. Последующие токсикологические исследования выявили почти полную идентичность поведения ПХБ и хлорорганических пестицидов (ХОП), являющихся биоцидами. Всë это вместе взятое послужило поводом для детального изучения свойств, поведения и распространения ПХБ и анализа их количеств в объектах окружающей среды. Другим толчком к исследованию послужили случаи массовых отравлений в 1969 г. в Японии и в 1974 г. на Тайване, вызванных употреблением в пищу рисового масла, загрязненного ПХБ.

В конце 1980-х годов в результате вирусных инфекций в Балтийском, Северном и Ирландском морях погибло около 18 тысяч тюленей. В тканях погибших животных находили высокое содержание полихлорированных бифенилов (ПХБ). Известно, что ПХБ, как и другие хлорсодержащие соединения, такие как ДДТ, гексахлорбензол, диэлдрин, обладают иммуносупрессивным действием на млекопитающих. Их накопление в организме и привело к снижению резистентности тюленей к инфекции. Таким образом, непосредственно не вызывая гибели животных, поллютант существенно повышал их чувствительность к действию других неблагоприятных экологических факторов [21].

3.5. Диоксин и диоксиноподобные соединения

Другая группа приоритетных хлорорганических соединений – полихлорированные дибензо-п-диоксины (ПХДД) и многочисленная группа диоксиноподобных соединений. Это чужеродные живым организмам вещества (ксенобиотики), поступающие в живую и неживую природу с продукцией или отходами многих технологий.

История «знакомства» с ПХДД восходит к 1930 г., когда развитие широкомасштабного производства и применения полихлорфенолов привело к появлению массовых профессиональных заболеваний хлоракне (рецидивирующее воспаление сальных желез), хотя само это заболевание известно с 1899 г. География распространения хлоракне значительно расширилась в 1940–50-е гг. в связи с развитием во многих странах крупнотоннажного производства 2,4,5–трихлорфенола (ТХФ), а также получаемых из него 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты (дефолианта 2,4.5–Т), антибактериального препарата гексахлорфена и др. Описаны многочисленные случаи острого отравления персонала таких предприятий в результате аварий, первая из которых произошла в США в 1949 г.

Источником этих поражений оказался 2,3,7,8–тетрахлордибензо–п-диоксин, образующийся в виде микропримеси при промышленном получении 2,4,5–ТХФ.

Структурная формула 2,3,7,8-тетрахлордибензо-пара-диоксина (2,3,7,8–ТХДД)

Одновременно с 2,3,7,8–ТХДД в качестве хлоракнегенного фактора был назван и 2,3,7,8–тетрахлордибензофуран. Особое внимание этот ксенобиотик привлек как микропримесь к полихлорбифенилам (ПХБ), широко используемых в качестве жидких диэлектриков, теплоносителей, гидравлических жидкостей и т.д. Обусловленные им массовые поражения людей (в 1968 г. в Японии и в 1979 г. на Тайване) были связаны с попаданием ПХБ в рисовое масло, что привело к болезням Ю-Шо и Ю-Ченг (острое поражение печени, сопровождающееся многочисленными побочными эффектами).

Во второй половине 1970-х гг. стало ясно, что опасность диоксинов как суперэкотоксикантов приобрела общепланетарные масштабы. В эти годы в химической экологии возник хемосферный подход к проблеме, рассматривающий живые организмы в контексте их взаимодействия со всей совокупностью непрерывно влияющих на них химических факторов. В целом диоксиновая проблема в силу своей сложности и многообразия сложилась как сугубо междисциплинарная, новые грани которой могут возникать с самой неожиданной стороны. Одним из проявлений этого аспекта стало обнаружение диоксинов в выбросах мусоросжигательных печей в 1977 г., а также в продукции и выбросах целлюлозно-бумажной, металлургической и нефтеперерабатывающей промышленности – во второй половине 1980-х гг.

В немалой степени тому, что диоксиновая опасность оказалась в последние десятилетия в центре внимания международного сообщества, способствовало активное освещение в печати материалов двух крупномасштабных событий 1960–1970-х гг.

Одним из них явилась война армии США во Вьетнаме, во время которой на территории Южного Вьетнама в течение 1962–1971 гг. применялось несколько гербицидных рецептур. В рамках боевых действий было распылено около 57 тыс. т только рецептуры «Agent Orange», содержавшей в виде микропримеси около 170 кг 2,3,7,8–ТХДД (рис. 9,10).

Рис. 9. Мангровые леса до обработки гербицидами

Рис. 10. Мангровые леса после обработки гербицидами

Появились сообщения о массовых поражениях населения, а также участников ветеранов войны – американских и австралийских. Были обнаружены негативные эффекты микропримесей гербицида на детородные функции женщин, его мутагенное, тератогенное и эмбриотоксическое действие. Была, наконец, осознана опасность отдалëнных последствий поражения, в особенности подавления иммунной системы.

В ходе войны применялось химическое оружие, что не могло не сказаться на экологической обстановке. После вывода войск США американские ветераны этой жуткой войны страдали от психических расстройств и множества различных заболеваний, которые были вызваны применением диоксина, находящегося в составе Agent Orange. Среди американских ветеранов было огромное количество самоубийств, хотя официальные данные об этом никогда не публиковались.

Летальные дозы диоксина сильно варьируют при переходе от одного вида теплокровных к другому. Наибольшей чувствительностью к воздействию диоксина отличается морская свинка (ЛД50 = 0,0006-0,002 мг/кг при пероральном поступлении). ЛД50 = 0,114-0,284 мг/кг для мыши. Наиболее устойчив к воздействию диоксина хомяк, для которого ЛД50 = 5 мг/кг при оральном поступлении. Столь широкая вариация летальных доз для животных не позволяет осуществить надежную экстраполяцию летальной дозы диоксина для человека. Принято считать, что безопасного уровня доз диоксина вообще нет и что степень риска поражения находится в прямой зависимости от дозы.

Кроме химических, армия США в Индокитае применяла и другие средства для уничтожения растительности. Большой, часто невосполнимый ущерб природе нанесли бомбардировки методом «коврового бомбометания» и сверхкрупными авиабомбами, артобстрелы, знаменитые «римские плуги».

В результате всех этих действий были почти полностью уничтожены мангровые леса (500 тыс. га), поражено 60% (около 1 млн. га) джунглей и 30% (более 100 тыс. га) равнинных лесов. Урожайность каучуковых плантаций упала с 1960 г. на 75%. Было уничтожено от 40 до 100% посевов бананов, риса, сладкого картофеля, папайи, помидоров, 70% кокосовых плантаций, 60% гевеи, 110 тыс. га плантаций казуарины.

Другим событием оказалась промышленная авария в Севезо (Италия, июль 1976 г.) В отличие от других аварий, эта была осложнена тем, что вовлекла многочисленное население, не подозревавшее об опасности и не связанное непосредственно с производством. Аварийному выбросу сотен тонн 2,4,5–ТХФ сопутствовал выброс 2,3,7,8–ТХДД и других ПХДД и ПХДФ. В зоне распространения ядовитого облака оказалось несколько тысяч близлежащих поселков; в результате аварии пострадало не менее 500 человек (главным образом дети), погибли тысячи домашних животных. Исчезло большое количество полезных животных, птиц и растений. Вместо них широко распространились опасные виды животных – разносчиков инфекций, а также растения-паразиты.

26 мая 1971 г. около 10 м3 того, что считалось техническим маслом, было разбрызгано по грунту на ипподроме, находящегося неподалеку от Таймз Бич, чтобы пыль не мешала скачкам. Три дня спустя ипподром был усеян трупами мёртвых птиц, а ещë через день заболели три лошади и наездник. К июню умерли 29 лошадей, 11 кошек и 4 собаки. Заболели несколько взрослых и детей. И только в августе 1974 г., после того, как верхний слой земли на глубину 30 см был удалëн и вывезен, ипподром стал безопасен для людей, домашних животных и птиц. С этого началось десятилетие исследований, споров и домыслов, кульминацией которого стала эвакуация Таймз Бич. Потребовалось три года работы лабораторий штата Миссури и правительства США, чтобы установить причину всех этих заболеваний и смертей. В грунте, взятом на ипподроме, был обнаружен диоксин. В результате стало ясно, что «техническое масло» представляло собой химические отходы завода в Вероне, штат Миссури, где производился трихлорфенол – промежуточный продукт для получения 2,4,5-Т, гербицида «Оранжевый реагент», который распылялся в огромных количествах во время войны во Вьетнаме.

Кстати, первоначально диоксин и его «родственники» применялись для консервации древесины. После выявления у них высокой токсичности для вредителей древесины их стали использовать в качестве гербицидов, т.е. веществ, уничтожающих нежелательную сорную растительность.