Экотоксикология

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Экотоксикология (экологическая токсикология ) — наука, изучающая эффекты воздействия токсичных веществ на экосистемы и их круговорот в биосфере.
Основная задача: оценка экологического риска (ОЭР) - это процесс определения вероятности развития неблагоприятных эффектов со стороны биогеоценозов (включая популяции человека) в результате изменений различных характеристик среды.

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Объект исследований:
механизмы,
динамика развития,
проявления неблагоприятных эффектов действия токсикантов и продуктов их превращения в окружающей среде на живые организмы.
Основные рассматриваемые вопросы:
характеристика ксенобиотического профиля среды обитания,
проблемы экотоксикокинетики (судьба поллютантов в окружающей среде),
экотоксикодинамика (механизмы развития и формы токсического процесса, вызванного действием экотоксикантов на биоценоз и/или отдельные виды, его составляющие),
экотоксикометрия.

Задачи экотоксикологии
Исследование распространения и превращения токсикантов в окружающей среде и ее компонентах
Прогнозирование опасности загрязнения окружающей среды
Исследование механизмов токсичности веществ
Разработка критериев оценки вредного воздействия

Задачи экотоксикологии
Разработка гигиенических основ регламентации поступления экотоксикантов в окружающую среду
Разработка методов анализа и диагностики экотоксикантов в объектах окружающей среды

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Биодоступность - способность взаимодействовать немеханическим путем с живыми организмами.
Ксенобиотики (xenobiotics) – биодоступные вещества, которые поступая в организм животных и растений, не используются как источники энергии или пластический материал, но, действуя в достаточных дозах и концентрациях, способны существенно модифицировать течение нормальных физиологических процессов.
Ксенобиотический профиль биогеоценоза - совокупность чужеродных веществ, содержащихся в окружающей среде в форме, позволяющей им вступать в физико-химические взаимодействия с биологическими объектами экосистемы.
Естественные ксенобиотические профили (ЕКП) - сформировались в ходе эволюционных процессов, миллионы лет протекавших на планете

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Экополлютанты (загрязнители) - химические вещества, накапливающиеся в среде в несвойственных ей количествах и являющиеся причиной изменения ЕКП.
Экотоксикант - экополлютант, накопившийся в среде в количестве, достаточном для инициации токсического процесса в биоценозе (на любом уровне организации живой материи).
Одна из сложнейших практических задач экотоксикологии
определение количественных параметров, при которых экополлютант трансформируется в экотоксикант.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ,
определяющие их опасность для окружающей среды
стойкость в окружающей среде,
устойчивость к химической, биохимической и фотохимической деградации,
длительный период полуразрушения в окружающей среде,
способность к аккумуляции в живых организмах
способность аккумулироваться по пищевой цепи,
высокая токсичность
токсичность при малых уровнях воздействия (нг - мг∙кг-1) либо метаболизм до токсичных продуктов,
Дополнительно:
способность к трансграничному переносу
физические свойства, обеспечивающие высокую мобильность в окружающей среде

потенциально опасные экотоксиканты как правило - вещества, устойчивые к процессам разрушения, и длительно персистирующие в окружающей среде
Основные группы веществ:
тяжелые Me: Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Hg, As, Cr,сурьма
полициклические полигалогенированные УВ (полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны, ПХБ ),
некоторые ХО пестициды (ДДТ, гексахлоран, алдрин, линдан и т.д.)
постоянный выброс в окружающую среду PTS => накопление, превращение в экотоксиканты для наиболее чувствительного звена биосистемы,
PTS длительное время сохраняются в среде после прекращения выброса
в воде озера Онтарио в 90-е гг. определяли высокие [C] пестицида мирекс
в водоемах испытательного полигона ВВС США во Флориде спустя 10 лет после распыления Оранжевого Агента ил содержал 10 - 35 нг/кг ТХДД (при N - 0,1 пкг/кг (США), 10 пкг/кг (РФ).
Персистирование

СТОЙКОСТЬ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
(согласно Стокгольмской конвенции)
T1/2 в воде > 2 месяцев T1/2 в почве и седиментах > 6 месяцев
T1/2 в воздухе > 2 дней
Примеры:
T1/2 в почве ДДТ– 10 лет,
фенантрена – 138 сут,
T1/2 в воде атразина - 25 месяцев,
карбофурана – 45 сут

процесс накопления токсикантов, извлекаемых из абиотической фазы (воды, почвы, воздуха) и из пищи (трофическая передача).
отношение концентрации вещества в организме к концентрации вещества в окружающей среде или в предыдущем трофическом звене трофической цепи
Факторы, влияющие на биоаккумуляцию:
персистирование Ks в среде,
наибольшая способность - у липофильных веществ,
склонность липофильных веществ к сорбции на поверхностях частиц, осаждающихся из воды и воздуха ↓ их биодоступность.
способность веществ метаболизироваться в организме,
наилучшие условия для биоаккумуляции - в водной среде:
ПРИМЕР:
для рыб факторы биоаккумуляции равны для ДДТ - 127000, для ТХДД – 39000
(*фактор биоаккумуляции - соотношение концентрации поллютанта в тканях рыб и в воде в состоянии равновесия (Le Blanс, 1995)).
БИОАККУМУЛЯЦИЯ

лежит в основе не только хронических, но и отсроченных острых токсических эффектов.
быстрая потеря жира, в котором накоплено большое количество вещества, => к выходу токсиканта в кровь => массовая гибель при достижении животными половой зрелости в экологически неблагополучных регионах
стойкие поллютанты могут передаваться потомству
(у птиц и рыб - с содержимым желточного мешка, у млекопитающих - с молоком кормящей матери).
При этом возможно развитие эффектов у потомства, не проявляющихся у родителей.
ЗНАЧЕНИЕ БИОАККУМУЛЯЦИИ

Коэффициент биоаккумуляции ДДТ
Наземные экосистемы
Наземные растения 0.1
Насекомые 3
Черви 70
Грызуны 100
Водные экосистемы
планктон 10 000
кревеДки 1 000
устрицы 10 000
рыбы 100 000
Птицы – до 10 000 000

Примеры - применение ДДТ:
1. для уничтожения комаров на озере в Калифорнии
2. обработка деревьев для борьбы с вязовым заболонником, поражающим вязы
БИОМАГНИФИКАЦИЯ
- перемещение высоко липофильных веществ по пищевым цепям от организмов-жертв, к организмам-консументам, сопровождаемое увеличением концентрации токсиканта в тканях каждого последующего организма - звена пищевой цепи.
0,02 ppm ДДТ в воде
21000 ppm ДДТ
2700 ppm ДДТ
900 ppm ДДТ
10 ppm ДДТ в планктоне
Увеличение концентрации ДДТ
в 1 000 000 раз

ПРОЯВЛЕНИЯ ТОКСИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ на различных уровнях организации:
субклеточный уровень: биохимические, физиологические и гистологические характеристики («биомаркеры»);
организменный уровень: заболевания, гибель, изменение активности,↓ резистентности к др. действующим факторам среды, фертильность, уродства, скорость роста;
популяционный уровень: ↑ заболеваемости и смертности, специфичной для определенного периода развития, изменение темпа роста/прироста биомассы, ↓ рождаемости , ↑ числа врожденных дефектов развития, проявляются гибелью популяции, изменением средней продолжительности жизни, культурной деградацией.
экосистемный уровень: изменение численности видов вплоть до исчезновения отдельных видов и появления новых, не свойственных данному биоценозу (изменение видовой структуры), продукции, дыхания (функциональный признак).

ОСТРАЯ ЭКОТОКСИЧНОСТЬ
- токсичность в результате краткосрочного воздействия токсиканта
острые токсические эффекты: гибель или острое отравление
ВОЗНИКАЕТ, как правило:
- вследствие аварий и катастроф, сопровождающихся выходом в окружающую среду большого количества относительно нестойкого токсиканта:
1984 - авария в г. Бхопал (Индия) - в атмосферу попало большое количество метилизоцианата
Ирак - партия зерна, обработанная метилртутью (фуннгицид) использована для выпечки хлеба
2000 г. - в Румынии, на предприятии по добыче драгоценных металлов утечка синильной кислоты
использование высокотоксичных веществ с военными целями.
- вследствие неправильного применения химикатов
при распылении пестицидов на нецелевых участках
острое экотоксическое действие не всегда приводит к гибели или острым отравлениям людей или представителей др. видов, подвергшихся воздействию
с целью профилактики острых отравлений установлены предельные сбросы для промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод и отходов

ХРОНИЧЕСКАЯ ЭКОТОКСИЧНОСТЬ
- токсичность в результате долгосрочного воздействия токсиканта
сублетальные эффекты: нарушение репродуктивных функций, иммунные сдвиги, эндокринная патология, пороки развития, аллергизация и т.д.,
хроническое воздействие может приводить к смертельным исходам среди особей отдельных видов,
проявления действия экотоксикантов могут быть самыми разнообразными и при определенных уровнях интенсивности воздействия оказываются достаточно специфичными для действующего фактора.

ЗАВИСИМОСТЬ «доза-эффект»
LC50 (EC50 ) – летальная (эффективная) концентрация для 50% популяции
LOEC (LOAEL ) – наименьшая концентрация (доза), при которой отмечается эффект
NOEC (NOAEL ) – наибольшая концентрация (доза), при которой не отмечается эффект

Показатели выживаемости
при воздействии токсиканта (Метод Беренса)
LD50 – полулетальная доза

Группы острой токсичности Ks для позвоночных животных

ОЦЕНКА ЭКОТОКСИЧНОСТИ
возрастает время ответа,
возрастает сложность с привязкой к действию специфических химических веществ,
возрастание экологической значимости
прагматичный выбор
возможность сравнения различных веществ,
малое расхождение с естественными условиями,
недлительные,
недорогие
Воздействие
поллютанта

ТЕСТЫ для ОЦЕНКИ ЭКОТОКСИЧНОСТИ
используют все виды классических количественных токсикологических исследований,
оценка экспериментально на нескольких видах - представителях различных уровней трофической организации в экосистеме – млекопитающие, птицы, рыбы, беспозвоночные, водоросли
(US EPA - определение острой токсичности min на 8 пресноводных и морских видах (известно 16 тестов)
Батарея тестов
из водных тест-организмов
Наземные животные

Оценка хронической экотоксичности
косвенная величина, указывающая на степень опасности вещества при его хроническом действии, - соотношение концентраций, вызывающих острые (ЛК50) и хронические (порог токсического действия) эффекты.
если соотношение <10 - вещество малоопасное при хроническом воздействии.
Необходимо учитывать:
Исследования токсичности проводят на животных, пригодных для содержания в условиях лаборатории
получаемые при этом результаты нельзя рассматривать как абсолютные.
токсиканты могут вызывать хронические эффекты у одних видов, и не вызывать - у др.
2. Взаимодействие токсиканта с биотическими и абиотическими элементами окружающей среды
может существенно сказаться на его токсичности в естественных условиях. Однако это не подлежит изучению в условиях лаборатории.
3. Хотя практически все вещества могут вызывать острые токсические эффекты, хроническая токсичность выявляется далеко не у каждого соединения.

Механизмы экотоксичности
Прямое действие токсикантов, приводящее к массовой гибели представителей чувствительных видов как сопутствующий негативный эффект
применение эффективных пестицидов
2. Прямое действие ксенобиотика, приводящее к развитию аллобиотических состояний и специальных форм токсического процесса.
3. Эмбриотоксическое действие экополлютантов.
4. Прямое действие продукта биотрансформации поллютанта с необычным эффектом.
5. Опосредованное действие путем сокращения пищевых ресурсов среды обитания.
6. Взрыв численности популяции вследствие уничтожения вида-конкурента.
приведенные механизмы экотоксического действия веществ на животных при иных условиях могут реализоваться и в отношении человека

Формы поражения
Канцерогенное действие
Мутагенное
Тератогенное
Эмбриотоксическое
Иммунодепрессивное
Специфическая видовая чувствительность
Талидомид

Почвенные лабораторные микрокосмы в экотоксикологии
Микрокосм – небольшая экспериментальная экосистема, создаваемая искусственно или являющаяся частью природной экосистемы, для изучения или моделирования экологических процессов.
ТМЕ – terrestrial model ecosystems

Типы микрокосмов
Вегетационные сосуды
ван Гельмонт
Пластиковые сосуды
Интактные монолиты

Микрокосмы

Мезокосмы

Litter bags

Приманочная пластинка
bait-lamina test

Сообщества почвенных животных при промышленном загрязнении
Градиент загрязнения от Косогорского комбината:
#1 – 400 m
#2 – 3 km
#3 – 5 km
#4 – 10 km
Состав
Численность
Содержание свинца

Пищевая активность
Содержание обменного свинца
Сообщества почвенных животных при промышленном загрязнении

Уран / Краснокаменск

Накопление урана разными трофическими группами насекомых
Уран / Краснокаменск

Миграция урана через детритную пищевую цепь (контроль)
Soil
[4.5]
Phytophages
[0.05]
Predators
[0.41]
Necropha-ges [0.31]
Saprophages
[0.37]
Vegeta-tion [1.5]
0.33
0.03
0.75
8.2
0.24
0.84
6.2
Уран / Краснокаменск
[0] – концентрация U в субстрате, mg kg-1
0 – коэффициент биоаккумуляции

Soil
[1015]
Phytophages
[1.09]
Predators
[0.68]
Necropha-ges [0.68]
Saprophages
[2.8]
Vegeta-tion [2.8]
0.003
0.39
1.00
0.62
1.00
0.24
0.62
[0] – концентрация U в субстрате, mg kg-1
0 – коэффициент биоаккумуляции
Миграция урана через детритную пищевую цепь (отвал)
Уран / Краснокаменск

Биота как экспертная экологическая система
(нерешенные проблемы)
Недостаточная базовая изученность многих наземных животных (карты ареалов, динамика, сводки фаун)
Мало многолетних комплексных исследований (размах «фона» не изучен)