Диоксины и родственные им соединения

Ксенобиотики - чужеродные живому организму вещества. Диоксины - полихлорированные соединения, содержащие ароматические ядра, - являются суперэкотоксикантами.

В настоящее время в результате хозяйственной деятельности человека в биосфере циркулирует большое количество различных чужеродных для человека соединений, или ксенобиотиков, многие из которых имеют исключительно высокую токсичность.

Из органических соединений - загрязнителей выделены «приоритетные», которые представляют наибольшую опасность для человека сейчас и в будущем. Это прежде всего полихлорированные диоксины, дибензофураны и другие родственные хлорсодержащие органические соединения. За высокую токсичность их относят к особому классу загрязняющих веществ - экотоксикантам или суперэкотоксикантам. Диоксины присутствуют в природной среде уже несколько десятилетий, со времени начала производства хлорорганических соединений. Они обладают широким спектром биологического действия на человека и животных.

В малых дозах диоксины вызывают мутагенный эффект, отличаются кумулятивной способностью, ингибирующим и индуцирующим действием по отношению к некоторым ферментам живого организма, вызывают у человека повышение аллергической чувствительности к различным ксенобиотикам. Их опасность очень велика даже в сравнении с тысячами других токсичных примесей. Комплексный характер действия этой группы соединений приводит к подавлению иммунитета, поражению органов и истощению организма. В природной среде эти суперэкотоксиканты достаточно устойчивы и могут длительное время находиться в ней без изменений. Для них, по существу, отсутствует предел токсичности (явление так называемой сверхкумуляции), а понятие ПДК теряет смысл.

Организм человека подвержен действию диоксинов через воздух (аэрозоли), воду, а также пищевые продукты. Они могут накапливаться в жирах (в ходе их технологической переработки) и не разрушаются при кулинарной (тепловой) обработке, сохраняя свои токсические свойства.

Экологические пути диоксинов в биосфере. Уже в 30-х годах двадцатого столетия появились первые сведения о заболеваниях людей, вызванных воздействием сильных антисептиков - хлорфенолов. Тогда ошибочно полагали, что болезнь происходит из-за контакта с этим основным продуктом, но не было данных о воздействии диоксинов. Во время войны во Вьетнаме (1962 - 1971) американские войска широко использовали дефолианты в борьбе с партизанами. Дефолиант вызывает ускоренное опадание листьев деревьев: «agent orange» - оранжевый реактив. Всего над джунглями было распылено 57 тысяч тонн этого препарата, в котором в виде примеси содержалось до 170 кг диоксина. Сейчас этот дефолиант известен под названием 2,4–D(2,4–дихлорфеноуксусная кислота) (1):

(1)

Через несколько лет в г. Севезо (Италия) на химическом заводе произошла катастрофа, в результате которой сотни тонн пестицида 2,4,5 –трихлорфеноуксусной кислоты (2,4,5 – Т) (2) были распылены в окрестностях предприятия. Погибло много людей и сельскохозяйственных животных. В выбросе оказалось около 3–5 кг диоксинов, о чем тогда не было известно.

(2)

После этих событий покров тайны с диоксинов был снят. Появились сообщения о содержании диоксинов в различных препаратах, о накоплении их в экосистемах. Диоксины стали находить в выхлопных газах автомобильного транспорта, продуктах сжигания мусора, в грудном молоке женщин (1984 г.), в выбросах целлюлозно-бумажной промышленности (1985 г. - США, Швеция). Можно сказать, что диоксины и родственные им по структуре соединения непрерывно генерируются человеческой цивилизацией и поступают в биосферу.

Уместно отметить, что ни в тканях эскимосов, замерзших 400 лет назад, ни в тканях мумий индейцев, найденных на территории современного Чили, не удалось обнаружить диоксины даже в следовых количествах. Они порождение современной цивилизации, результат хозяйственной деятельности человека в промышленно развитых странах.

Физико-химические свойства диоксинов.Дибензо-n -диоксины относятся к гетероциклическим полихлорированным соединениям, в структуре которых присутствуют два ароматических кольца, связанных между собой двумя кислородными мостиками (3). Аналогичные им дибензофураны содержат один атом кислорода (4).

(3) (4)

В родственных полихлорированных бифенилах два ароматических кольца связаны обычной химической связью:

(5)

Соединения (3) и (4) представляют собой бесцветные кристаллические вещества, температура плавления которых зависит от числа атомов хлора в их структуре. Они хорошо растворимы в органических растворителях и практически нерастворимы в воде, причем с увеличением атомов хлора растворимость падает. Все соединения (3) - (5) характеризуются высокой химической устойчивостью. Наряду с высокой липофильностью, то есть способностью растворяться в органических растворителях и удерживаться жировыми и жироподобными тканями, диоксины обладают высокой адгезией к частицам почвы, золы, донным отложениям. Диоксины как бы концентрируются на этих частицах, переходя из водной среды во взвеси, затем в микроорганизмы. Этому способствует и эффект высаливания, если в водной среде присутствуют неорганические соли. Так, коэффициенты распределения 2,3,7,8 – тетраизомера диоксина в системе почва - вода и биомасса - вода равны соответственно: 23000 и 11000, что указывает на преобладание диоксинов в почве и биомассе.

Токсическое действие соединений (3) и (4) зависит от числа атомов хлора и их положения в структуре молекулы. Максимальной токсичностью обладает 2,3,7,8–тетрахлордибензодиоксин (2,3,7,8–ТХДД), затем 1,2,3,7,8–пентахлордибензодиоксин. Близки к ним производные фуранового ряда, в частности 2,3,7,8–ТХДФ, и его Cl5–изомер. Эти соединения имеют токсичность на много порядков выше, чем, например, широко известный ДДТ:

Когда концентрация ДДТ в молоке кормящих матерей США превысила ПДК в 4 раза, ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) запретила ДДТ. Последовательность запрета: Новая Зеландия, СССР, Венгрия, Швеция, Дания, Финляндия и др. Хотя были отступления от этого запрета: в СССР еще долго опыляли тайгу ДДТ в борьбе с энцефалитным клещом. ДДТ до сих пор используется в некоторых штатах Австралии, Китая для опыления плодовых деревьев. Производит ДДТ, как и прежде, Индия - до 4200 тонн ежегодно (1980).

ДДТ может вызывать инверсию пола. В одной из колоний чаек в Калифорнии после обработки гнезд ДДТ появилось в четыре раза больше женских особей, чем мужских. Когда в яйца чаек впрыскивали ДДТ, половина мужских зародышей превратилась в женские.

У человека ДДТ аккумулируется прежде всего в мозгу, способность мозга нормально функционировать теряется. ДДТ действует на мозг как нервно-паралитический яд.

Водоросль кладофора за три дня извлекает из воды столько ДДТ, что его концентрация возрастает в 3000 раз. Асцидии концентрируют ДДТ в миллион раз.

Некоторые из диоксинов близки к отравляющим веществам типа зарина, замана и табуна. Однако их опасность состоит не в ядовитости как таковой, а в способности вызывать аномалии в работе генетического аппарата организма. При этом различают первичные и вторичные эффекты влияния на организм.

Первичный эффект связывают с высоким сродством и специфичностью по отношению к цитозольному Ah-рецептору, контролирующему активацию генов А1 и А2 на 15-й хромосоме человека, накоплению неспецифических ферментов (монооксидаз), известных как Р–4501А1 и Р–4501А2. Комплекс 2,3,7,8–ТХДД с рецептором может принимать участие в подавлении гена на 16-й хромосоме человека, продуцирующего другой фермент: монодионоксиредуктазу. Диоксины проявляют сродство к тироксиновому рецептору в ядре клетки, что приводит к его накоплению в ядре. То есть действие диоксинов направлено на отобранные в ходе эволюции регуляторные механизмы живой клетки, запускаемые рецепторными белками с однотипным активным центром.

Попадая в организм, диоксины выступают как индукторы длительных ложных биоответов, способствуя накоплению ряда биокатализаторов - гемопротеидов в количествах, опасных для функционирования клетки и всего организма. В итоге затрагиваются регуляторные механизмы адаптации к внешней среде. Поэтому даже слабое поражение диоксинами, проявляющееся в постоянной дискомфортности организма, высокой утомляемости, пониженной физической и умственной работоспособности, в повышении чувствительности к биологическим инфекциям, может привести к драматическим последствиям.

Вторичные эффекты диоксинов связаны с тем, что биокатализаторы - гемопротеиды в комплексе с диоксинами включают механизм расходования энергетических ресурсов клетки на превращение О2, О2*, Н2О2, ОН*, что приводит к биодеградации гормонов, витаминов, липидов, разрушению биомембран. Особенно чувствительны к подобным воздействиям иммунные клетки. Вторичные эффекты усугубляют первичные, что приводит к понижению иммунитета и в конечном итоге вызывает так называемые экологические заболевания человека и животных.

Ориентировочная доза допустимого поступления диоксинов в организм человека в нашей стране составляет 10 нг/кг (10–8 г/кг). В основном диоксины поступают в организм человека с пищевыми продуктами, прежде всего с мясом и молоком и главным источником - животными жирами. Подсчитано, что в среднем житель Германии ежедневно поглощает 79 пг диоксинов, США - 119 пг, Канады - 92 пг (1 пикограмм равен 10–12 г). По России таких общих данных нет, но, например, жители Уфы и Стерлитамака получают более 100 пг диоксинов в сутки.

К структурно родственным диоксинам соединениям, являющимся токсикантами окружающей среды, относятся хлорорганические пестициды, в структуре которых присутствуют ароматические ядра: ДДТ, гексахлорциклогексан и др. Они также обладают высокой устойчивостью в окружающей среде. Так, период полураспада ДДТ равен от 15 до 20 лет.

Для млекопитающих, как и для птиц, хлорорганические пестициды опасны тем, что влияют на репродуктивную функцию (особенно на стадии развития эмбрионов). При высокой устойчивости в окружающей среде и широком распространении действия этого типа пестицидов во многом аналогично влиянию диоксинов и дибензофуранов. Контакт с этими пестицидами может вызвать гибель животных или патологию внутренних органов. Созданы довольно жесткие нормативы по содержанию пестицидов в природных объектах, особенно в пресных водоемах, ибо накопление пестицидов в рыбе является источником их проникновения в организм человека. Именно рыбу предлагают считать индикатором, своего рода биологической мишенью для оценки степени загрязнения водных экосистем. Анализ содержания ДДТ в балтийской салаке показал, что хлорированные углеводороды прочно вошли в состав всех звеньев экосистемы Балтийского моря.

Источники диоксинов (полихлорированных органических соединений).

1. Максимальный вклад вносят предприятия промышленного хлорорганического синтеза тех органических соединений, которые содержат бензольные ядра.

2. Пиролитическая переработка и сжигание отходов этих производств, сжигание автомобильных шин, покрышек.

3. При электролизе растворов неорганических хлоридов на графитовых электродах возможно образование некоторого количества диоксинов.

4. Заметный вклад в диоксиновый фон вносит целлюлозно-бумажное производство. В ходе использования хлора в процессе отбеливания бумаги возможно образование хлорированных фенолов - предшественников диоксинов. Бумага, упаковка и изделия из нее (салфетки, детские пеленки, носовые платки) являются еще одним источником диоксинов в быту, хотя и на чрезвычайно низком уровне их содержания (~10–12 г/кг). Сейчас появились новые технологии изготовления бумаги без использования хлора. На изделиях из такой бумаги делается соответствующая пометка: «chlorine free».

5. Источником диоксинов могут быть и горящая свалка бытовых отходов, содержащих изделия из поливинилхлорида, а также лесные пожары, если они возникли после обработки леса пестицидами.

Проблемы мониторинга диоксинов.С 1987 года мониторинг диоксинов осуществляется в США, Канаде, Японии, в большинстве стран Западной Европы. В России также проводятся эти работы, имеется пять аккредитованных лабораторий мониторинга диоксинов. Определение основано на использовании газожидкостной хроматографии и масс–спектрометра высокого разрешения. Стоимость каждого определения достигает 1–3 тыс. долларов США. Легко видеть, что при таких высоких затратах массовый мониторинг невозможен, а более дешевые методы неэффекти