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