ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ (ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ)
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время значительная часть человечества в той или иной мере подвержена действию различных химикатов. Стремление лучше понять связи между свойствами химикатов и их воздействием как на человека, так и на экосистемы и привело к возникновению новой междисциплинарной отрасли науки об окружающей среде - химической экотоксикологии [1-3].
В самостоятельную науку химическая экотоксикология выделилась в конце 60-х годов. Три дисциплины - химия, экология (наука о взаимоотношениях, которые определяют распространение и соотношения живых существ) и токсикология (учение о токсичности) - были объединены в единую научную дисциплину. На самом деле, эта область знаний включает в себя помимо указанных элементы и других наук, таких, как биохимия, физиология, популяционная генетика.
В 90-х годах было дано определение химической экотоксикологии как области знаний о распространении и влиянии антропогенных химикатов и продуктов их трансформации на экосистемы.
В химической экотоксикологии используют специфические термины. Экотоксикантом называют токсичное и устойчивое в условиях окружающей среды вещество, способное накапливаться в организмах до опасных уровней концентраций. Чужеродные для организмов химические вещества, не входящие в естественный биотический круговорот, называют ксенобиотиками.
Экологическая магнификация обозначает процесс увеличения концентрации химиката в организмах при переходе от низших трофических уровней данной экосистемы к высшим. Типичный пример: в планктоне содержание диметилртути составляет примерно 0,01 мкг/г, в мышечной ткани хищных рыб достигает 1,5, а у птиц-рыболовов - 3-14 мкг/г[5].
1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Загрязнение биосферы Земли антропогенными токсичными веществами, главным образом ксенобиотиками (чужеродными для нее химическими соединениями), приобретает поистине угрожающий характер. Общепризнанно, что человечество уже выбросило в биосферу более пяти миллионов различных веществ и продолжает выбрасывать их по несколько тысяч ежесуточно. Поэтому отнюдь не случайно загрязнение биосферы в большинстве глобальных моделей предвидимого будущего рассматривается среди пяти самых фундаментальных проблем (наряду с ростом народонаселения, истощением природных ресурсов, промышленным производством и производством сельскохозяйственных продуктов). Предостережения о негативном влиянии человеческой цивилизации на окружающую среду высказывались многими мыслителями. Еще в ХVIII в. Жан-Жак Руссо, знаменитый французский писатель и философ, произнес фразу: «Прогресс противоречив, а гармония невозможна». Более определенно в начале ХIХ в. высказался другой француз - естествоиспытатель Жан Батист Ламарк: «Человек, ослепленный эгоизмом вследствие беззаботного отношения к будущему и равнодушия к себе подобным, способствует уничтожению средств к самосохранению и тем самым - истреблению своего вида. Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания». Опасность химического загрязнения окружающей природной среды отмечал еще Шарль Луи де Монтескье (1689-1755). Хорошо известно, как далеко продвинулись с тех пор наука, технология и химическая промышленность. Число известных химических соединений, а вместе с ними и объем новых знаний нарастают во времени быстрее, чем по экспоненте. Такие опережающие темпы развития отличают химию от других естественных наук, подчиняющихся экспоненциальному закону развития.
На сегодняшний день, по данным «Chemical Abstracts», общее число известных соединений перевалило уже за 20 млн. Ежедневно в мире появляется в среднем 500 новых органических веществ. Количество же теоретически возможных небольших (мономерных) органических молекул, согласно «Chemical Informations Systems», достигает астрономической величины - 1068! Химия рассматривалась и рассматривается в качестве одного из основных средств решения продовольственной (удобрения, средства защиты растений), сырьевой (пластмассы, искусственные 5 волокна, смолы и т.д.) и энергетической проблем. Роль химии в современном мире хорошо охарактеризована рекламой фирмы «Дюпон де Немур»: «Лучшие вещи для лучшей жизни благодаря химии».
Химия - наука, диапазон отношений которой с обществом всегда был очень широк - от восхищения и слепой веры («химизация всего народного хозяйства») до столь же слепого отрицания («нитратный» бум) и хемофобии.
Хемофобия - неприятие химии и синтетических химических соединений. Например, неприятие лекарств, полученных синтетическим путем, химических удобрений, одежды из «синтетики». Сейчас наблюдается тенденция использования именно «природных» компонентов, например, в косметических и лекарственных препаратах. На химию был перенесен образ алхимика-мага, скрывающего свои цели и обладающего непонятной силой. Яды и порох в прошлом, нервнопаралитические и психотропные вещества сегодня - эти инструменты власти обыденное сознание ассоциирует с химией.
Поскольку химическая промышленность является важным и необходимым компонентом экономики, хемофобия нередко сознательно разжигается в конъюнктурных целях (искусственные экологические психозы).
В действительности нет оснований считать такой подход верным:
? любое химическое соединение, полученное искусственным путем (при условии достаточной очистки), не должно отличаться от своего природного аналога;
? очень многие синтетические вещества совершенно безопасны и приносят огромную пользу людям;
? существует множество вредных и опасных для жизни «природных» соединений.
На деле химия является системообразующим фактором современного общества, то есть совершенно необходимым условием его существования и воспроизводства. Прежде всего потому, что химия участвует в формировании современного человека. Из его мировоззрения нельзя изъять видение мира через призму понятий химии. Более того, в индустриальной цивилизации человек сохраняет свой статус члена общества (не маргинализуется) лишь в том 6 случае, если достаточно быстро осваивает новые химические представления (для чего служит целая система популяризации химии).
Вся техносфера - искусственно созданный окружающий человека мир - все быстрее насыщается продуктами химического производства, обращение с которыми требует высокого уровня химических знаний, навыков и интуиции.
Многие химикаты в процессе их производства, переработки, транспортировки и применения, а также при авариях попадают в различные элементы биосферы (почву, воздух, воду), переходящие в результате этого из стационарного состояния в экологически запрещенное - разрушающееся. Загрязнение биосферы Земли антропогенными токсичными веществами, главным образом ксенобиотиками (чужеродными для нее химическими соединениями), приобретает поистине угрожающий характер. Если в давние века люди использовали ХIХ химических элементов, в XVII в. - 26, в XVIII в. - 28, в XIX в. - 50, в самом начале XX в. - 59, то сегодня найдено применение фактически всем химическим элементам, встречающимся на Земле (и даже созданы новые, например, плутоний). По данным ВОЗ, только в водных объектах, помимо неорганических, определено более 3000 загрязняющих веществ органического происхождения.
Более 700 веществ, содержащихся в водных объектах, может попадать в питьевую воду, причем органических соединений там идентифицировано более 600. Многие из этих веществ опасны для человека. К примеру, нитраты при поступлении в организм с водой в повышенных дозах обладают разнообразным спектром вредного действия: повышают частоту инфекционных заболеваний, болезней кожи и подкожной клетчатки. При действии некоторых металлов появляется иной симптомокомплекс, где ведущим может быть поражение интеллекта, нервной системы, крови. Кроме того, из 700 соединений, идентифицированных в питьевой воде, 20 являются явными канцерогенами, 23 - потенциальными, 18 - промоторами, 56 веществ обладают мутагенным действием. Очевидно, что далеко не все вещества являются опасными для биосферы (таковыми признаны 53500 соединений), но ясно и то, что безвредных веществ вообще нет и быть не может. Все зависит от дозы (концентрации) вещества в среде, времени и условий взаимодействия организма и яда. Особенность современной ситуации заключается в том, что изменения в окружающей среде опережают темпы развития методов контроля и прогнозирования ее состояния. В настоящее время человек лишь констатирует неблагоприятные экологические явления и не может их предотвратить. Необходим качественно новый подход к описанию состояния окружающей среды как динамической химико-биологической системы.
По мнению Барри Коммонера, экосистема всегда разрушается извне:
- человек вырывает из экосистемы компоненты, представляющие экономическую ценность (рыба, лес, ресурсы);
- человек может искусственно увеличить какой-то компонент экосистемы извне, что также неблагоприятно;
- человек может вводить в экосистему совершенно чуждые ей вещества (пластмассы, пестициды, тяжелые металлы и др.).
Еще несколько десятков лет назад химические отходы производства просто сбрасывали в окружающую среду, а пестициды и удобрения практически бесконтрольно, исходя из утилитарных соображений, распыляли над огромными территориями. При этом полагали, что газообразные вещества должны быстро рассеиваться в атмосфере, жидкости частично растворяться в воде и уноситься из мест выброса. И хотя твердые продукты в значительной степени накапливались в регионах, потенциальная опасность промышленных выбросов рассматривалась как низкая. Использование же пестицидов и удобрений давало экономический эффект, во много раз превосходящий ущерб, наносимый токсикантами природе.
Эволюция не могла предполагать, что среда обитания так сильно и резко отклонится от естественного эталона, наполнится такими чужеродными примесями. Так, долгое время не могли разгадать причину сокращения популяций морских обитателей (особенно черепах) в 1970-е годы. Оказалось, что виной тому полимерный мусор (пленки, пакеты, бутылки), который животные заглатывают, принимая за медуз. Причём жертвой оказались не только прибрежные популяции Средиземного моря, Атлантического побережья Европы и США. Массовая гибель охватила животных, обитающих в акваториях далёких океанских архипелагов, обитателей открытого океана. Тур Хейердал печально отметил, что на «Кон-Тики» он шёл по чистому величественному океану, а на «Ра» уже постоянно встречал на своём пути жуткие острова мусора. Великобритания запретила рыболовам и охотникам использование свинцовых грузил и дроби. Было установлено, что в местах интенсивной охоты и рыболовства лебеди-шипуны заглатывают упавший на дно свинец, принимая его за безобидный и необходимый для пищеварения гравий. В желудке птиц кусочки свинца механически растираются гравием, измельчённый токсичный металл растворяется пищеварительным соком и разносится кровью по всему организму. Птицы медленно, мучительно погибают от свинцового отравления. По этой причине популяция лебедей на внутренних водоёмах Англии сокращалась каждый год в среднем на 3000 особей. Быстро прогрессирующая деградация природной среды, прямо угрожающая существованию человека, вызвала настоящий стресс в общественном сознании. Достаточно упомянуть лишь заголовки некоторых книг, отражающих крайнюю обеспокоенность общества. Это «Безмолвная весна» Р. Карсон, «Оскальпированная земля» О. Дугласа, «Трехсотлетняя война: Хроника экологического бедствия» Ю. Медведева. В 1962 г. появляется книга Рашель Карсон «Молчаливая весна», в которой автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. Эта книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительственные законодательные акты, регламентирующие выбросы ксенобиотиков. С этой книги, по сути, началось развитие новой ветви науки - экотоксикологии. В самостоятельную науку экотоксикологию (ecotoxicology) выделил Рене Траут, который впервые в 1969 г. связал воедино два совершенно разных предмета: экологию (по Кребсу - науку о взаимоотношениях, которые определяют распространение и обитание живых существ) и токсикологию. На самом деле, эта область знаний включает в себя помимо указанных, элементы и других естественных наук, таких как химия, биохимия, физиология, популяционная генетика и т.д. Экотоксикология как термин, определяющий самостоятельное научное направление, введён в 1969 г., когда при Международном научном комитете по проблемам окружающей среды (СКОПЕ) была организована специальная Рабочая комиссия по экологической токсикологии. Тогда же были определены основные направления работ по экотоксикологии и принято официальное опpeделение этого направления. В этом же комитете в 1978 г. предложено считать термин официальным. Позднее это определение было уточнено на конференции СКОПЕ в 1978 г. Антропогенное загрязнение окружающей среды является наиболее негативным последствием развития человеческой цивилизации. Изучение эффектов химических веществ на популяции организмов и биоценозы стало предметом отдельной науки - экологической токсикологии.
Экотоксикология - «междисциплинарное научное направление, связанное с токсическими эффектами химических веществ на живые организмы и биоценозы, входящие в состав экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение и превращения в окружающей среде, действие на живые организмы .
Человек, несомненно, является наивысшей ступенью в ряду биологических мишеней. Первое упоминание об экотоксикологии в научных публикациях появились в конце 60-х гг. Данное направление предложено рассматривать как естественное ответвление токсикологии (науки об изучении воздействия ядов на индивидуальные организмы) в сторону экологических эффектов поллютантов.
Ксенобиотик может оказывать смертельное воздействие на индивидуальные организмы, но не иметь экологического значения. Нередко наблюдается обратная картина: малотоксичный поллютант является экотоксикантом. Экотоксикология оперирует как категориями общей экологии (экосистема, биоценоз, биотоп, биосфера и др.), общей токсикологии (яд, токсичность, опасность, токсический эффект и др.), так и собственными терминами (токсикант, экотоксикант, поллютант, суперэкотоксикант и др.). Термин «токсикант», по-видимому, может быть приравнен к понятию «яд». Чрезвычайно токсичные и опасные яды не всегда относятся к экотоксикантам. К примеру, не считаются экотоксикантами - зарин, зоман, фосген, синильная кислота и другие отравляющие вещества. В то же время, диоксид углерода, являющийся составной частью атмосферного воздуха, приобретает все более важное экологическое значение (парниковый эффект). Поэтому к экотоксикантам целесообразно относить лишь те химические соединения, которые прямо или косвенно могут влиять на состояние популяций и биоценозов.
Часто используют сходное понятие «поллютант, экополлютант» - вещество, встречающееся в окружающей среде, по крайней мере отчасти вследствие деятельности человека, и которое оказывает вредное действие на живые организмы.
Экополлютант, накопившийся в среде в количестве, достаточном для инициации неблагоприятных эффектов в биоценозе (на любом уровне организации), может быть обозначен, как экотоксикант. В системе оценки экологического риска любое воздействие, будь то химический фактор или энергетическое поле, вызывающее изменения в биологических системах, как позитивные, так и негативные, называются стрессором.
В этом смысле любой экотоксикант - несомненно, стрессор. F. Moriarty (1983) предлагает делить поллютанты на две группы. Первая группа - поллютанты, продуцируемые в количествах, при которых не проявляется прямой эффект на живые организмы, но при которых нарушаются химические и физические параметры окружающей среды.