Toksyczność i ocena
zagrożenia środowiska
przez substancje
szkodliwe
Toksyczność i ocena
zagrożenia środowiska
przez substancje
szkodliwe
Podstawy toksykologii
Człowiek (a także zwierzęta) jest narażony na
działanie
substancji
chemicznych
za
pośrednictwem wody, powietrza, gleby, kurzu i
pożywienia.
W
cięższych
przypadkach,
powodowanych przez szczególnie agresywne
substancje, może następować lokalne uszkodzenie
komórek w jamie ustnej, tchawicy i układzie
pokarmowym, nozdrzach i układzie oddechowym,
skórze i oczach. Jednak w większości przypadków
efekty toksyczne występują dopiero wtedy, gdy
substancja szkodliwa wniknie do układu krążenia
na skutek absorpcji w organach wewnętrznych,
płucach lub skórze.
Podstawy toksykologii cd.
Substancje chemiczne krążą wówczas
wraz z krwią w organizmie, ulegając
metabolizmowi, zwykle w wątrobie, lub
gromadzą się w różnych narządach.
Niektóre z produktów metabolizmu mogą
zostać wydalone wraz z moczem przez
nerki, z kałem przez układ pokarmowy, z
powietrzem wydychanym z płuc lub z
potem przez skórę.
Toksykologia
Toksykologia
zajmuje się badaniami wpływu
substancji trujących na organizmy żywe, w tym
drogami, którymi wnikają one do organizmu.
Powyżej pewnego stężenia substancja toksyczna
ma szkodliwy wpływ na niektóre funkcje
biologiczne organizmu. Stężenie, dla którego
występują istotne szkodliwe skutki, nosi nazwę
reakcji na dawkę. Krytyczna (progowa) dawka,
przy której pojawiają się efekty toksyczne, zależy
od gatunku, płci i cech osobniczych, związanych z
czynnikami genetycznymi i innymi
Substancje szkodliwe:
Nieorganiczne substancje szkodliwe
metale: np. CN¯,Cr(VI), Hg, Zn, Mo, Ni, Pb, Cu, As,
Co, Sn,
Niemetale: np. Br, S
Organiczne substancje szkodliwe
TZO: dioksyny , furany , PCBs (polichlorowane
bifenyle), HCB (heksachlorobenzen), pestycydy,
WWA (np. benzo[a]piren)
Związki aromatyczne: benzen, toluen, fenole,
ksylen, styren
Inne związki: oleje mineralne, benzyna, pirydyna,
cykloheksan, smoła
Charakterystyczne cechy TZO:
zdolność do wywoływania efektów
toksycznych
trwałością we wszystkich elementach
środowiska
zdolność do biokumulacji
zdolność do transportu atmosferycznego
na duże odległości
zdolność do wywoływania niekorzystnych
skutków w środowisku i dla człowieka
zarówno w pobliżu, jak i w dużej odległości
od źródła zanieczyszczenia
Dawka lub stopień narażenia organizmu na
substancję toksyczną może być wyrażony jako:
ilość substancji toksycznej występująca w organizmie
(masa substancji toksycznej na jednostkę masy
organizmu),
ilość substancji toksycznej przenikająca do organizmu
(w
pożywieniu,
wodzie
pitnej
lub
powietrzu
wdychanym przez zwierzęta albo przez układ
korzeniowy lub nabłonek liści roślin),
stężenie w środowisku, w którym znajduje się organizm
(ważny jest czas, w któ rym organizm był narażony na
działanie substancji toksycznej).
Toksyczność ostra
jest powodowana przez
szybko działające substancje trujące, zarówno
naturalne, jak i sztuczne, np. toksyny jadu
kiełbasianego (botulinowe) wytwarzane przez
bakterie glebowe Clostridium botulinum, jady
niektórych węży (np. grzechotnika i kobry) i
pająków
(np.
czarnej
wdowy),
toksyny
pochodzenia roślinnego, np. strychninę i
nikotynę, oraz związki syntetyczne, w tym
fosforoorganiczne, fosfinę (PH3), fosgen (COCl2)
i iluorooctan sodu. Te substancje są nazywane
supertoksynami
, ponieważ mogą powodować
skutki śmiertelne u ludzi przy dawkach
mniejszych niż 5 mg/kg masy ciała.
Wpływ substancji szkodliwych na
organizm człowieka i innych ssaków
Można wyróżnić następujące rodzaje reakcji organizmu
człowieka i innych ssaków na substancje toksyczne):
zmiana temperatury, pulsu, szybkości oddychania i ciśnienia
krwi,
nienormalne zabarwienie skóry,
nienaturalne zapachy,
zmiany w oku, a w szczególności:
mioza (nadmierne zwężenie źrenicy), miodrazja (nadmierne
rozszerzenie źrenicy),
zapalenie spojówek (stan zapalny błony pokrywającej przednią
część gałki ocznej), oczopląs (mimowolny ruch gałek ocznych),
objawy gastryczne: ból, wymioty, niedrożność jelit (zanik
perystaltyki),
objawy w centralnym układzie nerwowym:
konwulsje, paraliż, halucynacje, bezwład ruchowy i śpiączka.
Podkliniczne ( mało poznane) skutki działania substancji
toksycznych na człowieka i inne ssaki to:
•
uszkodzenie układu immunologicznego,
nieprawidłowości chromosomowe,
zmiana funkcji enzymów wątrobowych,
spowolnienie przewodzenia impulsów nerwowych.
Głównymi skutkami biochemicznymi działania substancji
szkodliwych na zwierzęta są:
osłabienie funkcji enzymów na skutek przyłączenia substancji
szkodliwej do enzymów, koenzymów, aktywatorów metalicznych
lub substratów enzymów,
zmiana właściwości błony komórkowej i nośników w tej błonie,
zaburzenie metabolizmu lipidów, w wyniku którego następuje
akumulacja nadmiaru lipidów,
zaburzenia oddychania,
zaburzenia metabolizmu węglowodanów,
zahamowania lub zaburzenia biosyntezy białek na skutek
toksycznego działania na DNA,
zaburzenie procesów, w których pośredniczą hormony lub enzymy.
Uszkodzenia płodu, mutageneza,
powstawanie nowotworów i
uszkodzenia układu
immunologicznego
Uszkodzenie płodu (teratogeneza)-
polegają na
powstawaniu u noworodków defektów,
spowodowanych uszkodzeniem komórek zarodka lub
płodu albo mutacjami w komórce jajowej lub
plemnikach. Mechanizmy biochemiczne
teratogenezy polegają na inhibicji enzymów przez
ksenobiotyki, pozbawieniu zasadniczych substancji
odżywczych i przemianach w błonie łożyska.
Mutageneza-
polega na powstawaniu mutacji w wyniku
działania substancji chemicznych lub
promieniowania jonizującego, powodujących skutki
dziedziczne w wyniku zmian DNA. Mechanizmy
mutagenności są podobne do mechanizmów
powstawania nowotworów i uszkodzeń płodu.
Wywołany chemicznie rozwój nowotworu-
polega na
wywołaniu niekontrolowanego podziału komórek
(czyli nowotworu) przez substancje ksenobiotyczne.
Substancje ksenobiotyczne mogą powodować
powstanie nowotworów w dwojaki sposób: w etapie
początkowym i w etapie rozwoju. Wiele substancji
rakotwórczych ma zdolność do tworzenia wiązań
kowalencyjnych z DNA- powoduje to zmianę jego
właściwości w ten sposób, że następuje
niekontrolowany podział komórek.
Wiele innych chemicznych substancji rakotwórczych
jest substancjami alkilującymi (przyłączającymi do
DNA grupy alkilowe,np.CH3) lub arylującymi
(przyłączającymi grupy aromatyczne, np. fenole).
Reakcje tego rodzaju zachodzą przy atomach azotu i
tlenu zasad azotowych (pirymidowych i purynowych)
będącymi częściami składowymi DNA.
Substancje chemiczne bezpośrednio powodujące
powstanie nowotworów nazywa się
substancjami rakotwórczymi pierwotnymi
(np.
chlorek winylu, który powoduje u ludzi bardzo
rzadką postać raka wątroby).
Większość karcynogenów zaliczana jest jednak do
substancji prorakotwórczych, podlegających
przekształceniu do substancji rakotwórczych w
wyniku reakcji:
fazy I-lipidofilowy ksenobiotyk ulega reakcjom
katalizowanym przez enzymy, np. przyłączeniu
grup polarnych, takich jak OH, co wywołuje jego
rozpuszczalność w wodzie lub
reakcji fazy II- w których polarne grupy
funkcyjne przyłączone w fazie I stanowią centra
aktywne reakcji sprzęgania.
Znane substancje o
udowodnionym działaniu
rakotwórczym należą do różnych
grup chemicznych:
związki nieorganiczne, jak sole arsenu,
chromu czy niklu,
związki organiczne, jak: benzen, 2-
naftyloamina, chlorek winylu,
wielopierścieniowe węglowodory
aromatyczne,
substancje złożone: sadze, smoła, oleje
mineralne,
substancje naturalne – safrole,
aflatoksynymitomycyna C, estry forbolu,
nitrozoaminy.
Wyróżnia się cztery grupy związków
chemicznych teratogennych w
zależności od mechanizmu ich
działania:
działające cytotoksycznie, np. związki chemiczne
alkilujące i przeciwnowotworowe,
działające wybiórczo na różnicowanie tkanek, na
przykład talidomid,
działające nieswoiście, na przykład
chloramfenikol,
powodujące zaburzenia w homeostazie organizmu
matki i płodu, na przykład błękit trypanu,
hydroksylomocznik.
Badania potwierdziły także działanie teratogenne na
zwierzęta wielu związków chemicznych i leków
takich, jak: witamina A, witamina B,
aminopteryna, androgeny, estrogeny, insulina,
kortyzon, kolchicyna, kofeina, etanol, związki
chemiczne rtęci.
Test Amesa
Najczęściej używany sposób określania
mutagennych właściwości substancji
chemicznych. Polega on na zastosowaniu
enzymów wątrobowych do przekształcenia
substancji prorakotwórczych w ostateczne
substancje rakotwórcze. Bakterie
Salmonella, wymagające obecności
histydyny, są zaszczepiane w ośrodku nie
zawierającym histydyny. Substancje
prorakotwórcze zwiększają
prawdopodobieństwo mutacji, które
powodują rozwój form bakterii mogących
syntezować histydynę.
Układ immunologiczny
Zadaniem układu immunologicznego jest ochrona
organizmu przed substancjami ksenobiotycznymi,
infekcyjnymi (bakteriami i wirusami) oraz komórkami
nowotworowymi, rozwijającymi się w tkance
nowotworowej. Zaburzenia działania układu są
skutkiem narażenia na substancje szkodliwe,
występujące w skażonym środowisku naturalnym.
Innym rodzajem reakcji jest alergia lub nadwrażliwość,
wtedy gdy układ immunologiczny nadmiernie
reaguje na obecność czynników zewnętrznych lub
ich metabolitów, np. Be, Cr, Ni, formaldehyd,
pestycydy, żywice i plastyfikatory.
10 najważniejszych przyczyn
zagrożenia chorobami
nowotworowymi w USA
1(=)
narażenie na substancje w
miejscu pracy
(ok. 20 000 substancji)
1(=)
radon występujący w
domach (<20 000
przypadków raka płuc/rok)
3
ślady pestycydów w
pożywieniu (6000
przypadków raka płuc)
4(=)
substancje szkodliwe
występujące w domach
(poza radonem) ,głównie
dym tytoniowy (<6500
przypadków raka/rok
4(=)
konsumpcyjne narażenie
na substancje chemiczne
(środki czyszczące,
pestycydy, produkty z płyt
wiórowych i zawierające
azbest (ok. 10 000
substancji)
6
niebezpieczne i toksyczne
substancje skażające
powietrze
7
zanik ozonu
stratosferycznego
(powodowany przez subst.
szkodliwe, np. CFC)-
promieniowanie UVB
8
niebezpieczne składowiska
odpadów (nieaktywne) ok.
25 000 miejsc w USA
9
woda pitna- radon i
trihalogenometany
powstające na skutek
chlorowania
10
stosowanie pestycydów
(np. robotnicy rolni, wysokie
zagrożenie indywidualne)
4 grupy substancji chemicznych
mogących wywołać „raka” u ludzi
(wg. Międzynarodowego Towarzystwa Badania Raka-
IARC
Grupa 1:
substancja rakotwórcza w stosunku do
człowieka (np As, Cr(VI), chlorek winylu, benzen)
Grupa 2A:
substancja prawdopodobnie rakotwórcza
w stosunku do człowieka (np. Be, Cd)
Grupa 2B:
substancja, być może rakotwórcza w
stosunku do człowieka (np. dichlorometan, 1,2-
dichloroetan, tetrachloroetan)
Grupa 3:
substancja nie sklasyfikowana pod
względem właściwości rakotwórczych w stosunku do
człowieka (brak dostatecznych dowodów działania
rakotwórczego na ludzi lub zwierzęta doświadczalne,
np. Cr (III), fluorki nieorganiczne, Se, 1,1,1-
trichloroetylen)
Grupa 4:
substancja prawdopodobnie nie
rakotwórcza w stosunku do człowieka.
Substancje estrogenne a utrata
płodności u mężczyzn
Narażenie na estrogeny występujące w
nieodpowiednim okresie życia może obniżać
zdolność rozrodczą mężczyzn oraz powodować raka
piersi. Mogą być również powodem innych chorób
nowotworowych oraz choroby Alzheimera.
Uważa się, że zmniejszenie się liczby plemników,
deformacje seksualne i rak jądra są związane z
oddziaływaniem środowiska lub stylu życia we
wczesnym dzieciństwie lub nawet w życiu
płodowym. Zjawisko zaniku plemników obserwowane
obecnie jest skutkiem działania niszczących układ
hormonalny substancji chemicznych, które
występowały w środowisku przed 20-40 laty. Dlatego
wpływ dzisiejszych warunków nie będzie widoczny
wcześniej niż za
20-30 lat !
Ekotoksykologia
Ekotoksykologia-
nie zajmuje się wpływem
substancji toksycznych na jeden wybrany
gatunek, lecz na całą gamę gatunków
wzajemnie oddziałujących na siebie w
całym ekosystemie. Efekty behawioralne są
zatem równie ważne co efekty
biochemiczne i fizjologiczne.
Substancje szkodliwe mogą oddziaływać na
organizmy żywe na dwa sposoby:
przez bezpośrednie działanie toksyczne-
substancje szkodliwe wnikają do organizmu
i rozprzestrzeniają się jego drogami
wewnętrznymi. W wyniku tego procesu
ulegają wydaleniu albo zakłócają procesy
biochemiczne, powodując skutki toksyczne
powodując zmiany w środowisku
organizmu, które mają niekorzystny wpływ
na sam organizm- działanie pośrednie
polega na zmianie warunków fizycznych lub
chemicznych środowiska przez substancję
szkodliwą w takim stopniu, że staje się
zagrożone przetrwanie organizmu.
Bezpośredni subletalny wpływ substancji
szkodliwych (nie stwarzający bezpośredniego
zagrożenia dla życia) jest różny dla różnych
organizmów w ekosystemie:
Działanie fizjologiczne na:
metabolizm, fotosyntezę i
oddychanie, osmoregulację,
odżywianie i karmienie, szybkość
akcji serca, krążenie krwi,
temperaturę ciała i bilans wodny.
Skutki behawioralne: (u
pojedynczych osobników)
aktywność czuciowa, rytmiczna i
motoryczna, motywacja i uczenie
się (grupy i stosunki między
pojedynczymi osobnikami),
migracja, związki w grupie, agresja,
drapieżność, odporność, łączenie
się w pary.
Wpływ na reprodukcję: żywotność
jaj i plemników, łączenie się w pary
i rozmnażanie, zapłodnienie i
płodność, przetrwanie potomstwa.
Skutki genetyczne: uszkodzenie
chromosomów, efekty
mutagenne i teratogenne.
Wpływ na rozwój: masa ciała i
jego organów, stany rozwojowe.
Efekty histopatologiczne:
nienormalne rozmiary,
nieprawidłowości błon
(oddechowych i czuciowych),
narządy rozrodcze.
Organizmy wewnątrz ekosystemu
różnią się znacznie swoją
tolerancją na toksyczność
bezpośrednią i pośredni wpływ
substancji szkodliwych. Różnice
wrażliwości występują nie tylko
między gatunkami, ale także
między samcami i samicami
tego samego gatunku
Ocena narażenia toksycznego
Ocena narażenia na działanie substancji szkodliwych
polega przede wszystkim na określeniu
zagrożeń
, które
te substancje lub formy energii mogą powodować w
przypadku ludzi, zwierząt i roślin, a także uszkodzeń
struktur i towarów.
Po drugie, należy określić
prawdopodobieństwo
wystąpienia tych zagrożeń
. Ważna jest tu znajomość
dróg wnikania substancji toksycznych oraz odpowiedzi na
dawkę dla wszystkich substancji niebezpiecznych i
organizmów, na które mogą one oddziaływać (ludzi,
inwentarza żywego, roślin uprawnych i innych), jak
również otaczającego ekosystemu. Informacje tego
rodzaju są obecnie dostępne dla większości powszechnie
spotykanych substancji szkodliwych, chociaż ciągle są
poprawiane i uzupełniane. Niemniej jednak należy
pamiętać, że ocena narażenia zawsze jest obarczona
znacznym marginesem niepewności.
Substancje
szkodliwe w skażonej glebie
W praktyce liczne kraje określiły
listę stężeń krytycznych (lub "stężeń
wyzwalających") w celu oceny
narażenia w danym miejscu i
analizy danych środowiskowych.
Zróżnicowanie konkretnych wartości
jest związane z określeniem grup
podlegających
ochronie
przed
działaniem substancji szkodliwych.
W
Holandii
poprzednio
stosowano
schemat
zawierający trzy normatywne wartości wskaźnikowe
dla licznych substancji szkodliwych:
A
- "normalna"
wartość odniesienia,
B
- wartość, dla której powinny
być prowadzone dalsze badania substancji szkodliwej i
jej dostępności biologicznej, i
C
- wartość alarmująca,
powyżej której gleba koniecznie wymaga oczyszczenia.
Ten system został zastąpiony schematem "Norm
Kontroli Środowiska dla Gleby i Wody" (Netherlands
Directorate General for Environmental Protection,
1991), nastawionym na skutki powodowane przez
substancję szkodliwą. Jego podstawę stanowi funkcja
ekologiczna i zawiera on "wartości docelowe"
(TV)
dla
gleby i wody, które wyznaczają ich czystość założoną
do osiągnięcia w Holandii.
W przypadku wód powierzchniowych i gruntowych
przytoczono zarówno wartości docelowe, jak i graniczne.
Wartość graniczna odpowiada najwyższemu dopuszczalnemu
poziomowi zagrożenia i została wprowadzona w celu wskazania
jakości środowiska, która powinna być uzyskana w danym
okresie. Wartości graniczne powinny ulegać systematycznemu
obniżeniu, aż do osiągnięcia wartości docelowej. Autorzy norm,
zdając sobie sprawę z faktu, że substancje szkodliwe mają
znacznie dłuższe czasy przebywania w glebie, nie sformułowali
wartości granicznych, a jedynie docelowe.
Wartości alarmowe (C) schematu z roku 1986 zostały
pozostawione, ponieważ w przypadku osiągnięcia tego poziomu
stężenia przez substancje szkodliwe natychmiast powinny
zostać podjęte badania i środki zaradcze. Wartości docelowe
określono dla "gleby standardowej" zawierającej 10% materii
organicznej i 25% iłów. Zastosowana procedura umożliwia ich
wyznaczenie dla gleb o różnym składzie. Na przykład wartość
docelowa dla Pb określana jest z wzoru: 50 + L + H, gdzie L
jest procentowym udziałem iłów, a H - materii organicznej.
Substancje szkodliwe w wodzie
pitnej
Stężenie substancji szkodliwych
w wodzie pitnej jest bardzo ważnym
zagadnieniem,
ponieważ
dorośli
wypijają dziennie średnio 1, 5 litra
wody i z tego powodu substancje
szkodliwe zawarte w wodzie mogą
być bardziej niebezpieczne niż te
zawarte w pożywieniu
5.0
0,002
0,01
Benzo/a/piren
13.
b.d.
b.d.
b.d.
Toksafen
12.
b.d.
b.d.
b.d.
Mirex
11.
b.d.
b.d.
0,03
(dla epoksydu
heptachloru)
Heptachlor
10.
b.d.
0,01
b.d.
Endryna
9.
b.d.
0,1
0,5
(jako suma pestycydów)
DDT
8.
b.d.
b.d.
0,03
Dieldryna
7.
b.d.
b.d.
b.d.
Chlordan
6.
b.d.
0,01
0,03
Aldryna
5.
b.d.
0,5
b.d.
Heksachlorobenzen
4.
b.d.
1,0
0,5
Polichlorowane
bifenyle
3.
b.d.
b.d.
b.d.
Furany
2.
b.d.
b.d.
b.d.
Dioksyny
2,3,7,8-TCDD
1.
Dopuszczalne
wartości
stężeń w
powietrzu
[μg/m³]
NDS dla
zdrowia w
środowisku
pracy [mg/m³]
NDS w wodzie
pitnej [μg/l]
Nazwa związku
(grupy)
Lp.
Dane wg stanu prawnego w Polsce
Toksyczne lub wybuchowe
gazy i pary
Chociaż w wyniku wypadków w fabrykach i magazynach
chemicznych może wydzielić się wiele toksycznych gazów i
dymów, to istnieje znacznie mniejsza ilość par i gazów, z
którymi można się spotkać w typowych sytuacjach, w tym:
skażonych gruntach, składowiskach odpadów i produktach
spalania paliw. Warto zauważyć, że najbardziej niebezpiecznym
spośród nich, z punktu widzenia stężenia toksycznego, jest S02
Z punktu widzenia palności, materiały o ciepłach spalania
wyższych niż 10 MJ/kg są uważane za niebezpieczne, ale
materiały o ciepłach spalania 2-10 MJ/kg w pewnych warunkach
również mogą stanowić poważny problem. Materiały o ciepłach
spalania mniejszych niż 2 MJ/kg nie powodują zagrożenia
pożarowego
.
Podsumowanie
Zarówno rządy krajów jak i przemysł nie są w stanie
skutecznie kontrolować rozprzestrzeniania się
niebezpiecznych substancji na naszej planecie.
Stworzone przez ludzi chemikalia znajdowane są w
powietrzu, glebie i wodzie, w naszych domach, w
przedmiotach codziennego użytku, nawet w
pożywieniu. Jesteśmy w sposób ciągły narażeni na
kontakt z mieszaniną szkodliwych substancji, które
sami stworzyliśmy. Są one obecne nawet w naszych
ciałach.
Nie ma takiego miejsca na powierzchni naszego globu,
które byłoby wolne od chemicznego skażenia. Badania
dowodzą, że nawet ryby i inne zwierzęta złowione w
morzach, setki kilometrów od brzegów, w trudno
dostępnych jeziorach górskich, w regionach polarnych -
a więc z dala od ośrodków przemysłowych - nie są
wolne od chemikaliów. Woda deszczowa
zanieczyszczona jest związkami stosowanymi w
produktach jakie stosujemy w codziennym życiu.
Wnioski
Istnieje wiele trudności w dokonywaniu szacunków
potencjalnych skutków substancji szkodliwych na
zdrowie człowieka i środowisko, wynikają one min z:
braku odpowiednich informacji, nie wszystkie
właściwości danej substancji są już zbadane i
poznane
braku obowiązujących aktów prawnych w zakresie
dopuszczalnych stężeń substancji w różnych
mediach środowiskowych
uwarunkowań oddziaływania substancji szkodliwych,
w tym TZO na ludzi (wyjściowy stan zdrowia,
istnienie dodatkowych zagrożeń i ryzyka
dodatkowego-jako wpływu narażenia na inne
czynniki szkodliwe)
Wnioski
braku danych z monitoringu środowiska,
np. TZO nie są mierzone rutynowo i przed
oceną potencjalnych skutków należałoby
prowadzić kosztowne pomiary dodatkowe
małej ilości kompetentnych laboratoriów,
specjalizujących się w pomiarach
substancji szkodliwych w środowisku
braku badań epidemiologicznych, które są
kosztowne i długotrwałe