Диоксины и диоксиноподобные соединения - Dioxins and dioxin-like compounds
Диоксины и диоксиноподобные соединения ( DLC ) представляют собой группу химических соединений, которые являются стойкими органическими загрязнителями (СОЗ) в окружающей среде . В основном это побочные продукты горения или различных промышленных процессов - или, в случае диоксиноподобных ПХД и ПБД , нежелательные второстепенные компоненты преднамеренно производимых смесей.
Некоторые из них очень токсичны, но токсичность среди них различается в 30 000 раз. Они сгруппированы вместе, потому что их механизм действия одинаков. Они активируют арилуглеводородный рецептор ( рецептор AH), хотя и с очень разными аффинностями связывания, что приводит к большим различиям в токсичности и других эффектах. Они включают:
- Полихлорированные дибензо- п- диоксины (ПХДД) или просто диоксины. ПХДД являются производными дибензо -P- диоксина . Существует 75 конгенеров ПХДД , различающихся числом и расположением атомов хлора, и 7 из них специфически токсичны, наиболее токсичным является 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксин (ТХДД).
- Полихлорированные дибензофураны (ПХДФ) или фураны . ПХДФ являются производными дибензофурана . Всего 135 изомеров; 10 обладают диоксиноподобными свойствами.
- Полихлорированные бифенилы (ПХБ), полученные из бифенила , 12 из которых являются «диоксиноподобными». При определенных условиях ПХД могут образовывать дибензофураны в результате частичного окисления.
- Аналогичные эффекты могут иметь полибромированные аналоги вышеуказанных классов.
- «Диоксин» может также относиться к 1,4-диоксину или п- диоксину, основной химической единице более сложных диоксинов. Это простое соединение не является стойким и не обладает токсичностью, подобной ПХДД.
Диоксины обладают разной токсичностью в зависимости от количества и положения атомов хлора . Поскольку диоксины относятся к такому широкому классу соединений, которые широко различаются по токсичности, была разработана концепция фактора токсической эквивалентности (TEF) для облегчения оценки риска и нормативного контроля. TEF существуют для семи конгенеров диоксинов, десяти фуранов и двенадцати ПХД. Эталонный конгенер представляет собой наиболее токсичный диоксин TCDD, который по определению имеет TEF, равный единице. По сути, умножение количества конкретного конгенера на его TEF дает количество, токсикологически эквивалентное TCDD, и после этого преобразования все диоксиноподобные конгенеры могут быть суммированы, и полученное количество эквивалента токсичности (TEQ) дает приблизительное значение токсичности смесь измеряется как TCDD.
Диоксины практически не растворимы в воде, но обладают относительно высокой растворимостью в липидах . Следовательно, они имеют тенденцию ассоциироваться с органическими веществами, такими как планктон, листья растений и животный жир. Кроме того, они склонны адсорбироваться неорганическими частицами, такими как зола и почва.
Диоксины чрезвычайно стабильны и, следовательно, имеют тенденцию накапливаться в пищевой цепи . Они очень медленно выводятся из организма животных, например, период полураспада TCDD у человека составляет от 7 до 9 лет. Об инцидентах загрязнения ПХД часто сообщают как об инцидентах загрязнения диоксинами, поскольку они вызывают наибольшую озабоченность общественности и регулирующих органов.
Химия
Существует 75 возможных конгенеров полихлорированных дибензо- п- диоксинов, но только 7 из них обладают сродством к рецептору AH и являются токсичными по этому механизму. Важнейшими структурами являются так называемые боковые хлорины в положениях 2, 3, 7 и 8. Эти 4 хлора также делают конгенеры устойчивыми, поскольку они предотвращают микробную деградацию. Дополнительный хлор делает соединения менее активными, но в основном эффекты остаются такими же, хотя и при более высоких дозах. Существует 135 возможных дибензофуранов и 10, в которых боковые хлорины подобны диоксину.
Всего 209 соединений ПХБ. Аналогично PCDD, по крайней мере, два боковых хлора в каждом кольце в положениях 3, 4 и / или 5 необходимы для диоксиноподобной активности. Поскольку рецептор AH требует плоской (плоской) структуры, только те конгенеры PCB, которые могут свободно вращаться вдоль оси C-C между кольцами, могут присоединяться к рецептору. Заместители в орто-положениях 2 и 6 предотвращают вращение и, таким образом, мешают молекуле занять плоское положение. Моно-орто конгенеры (один Cl в 2, 2 ', 6 или 6') обладают минимальной активностью. Никакой значительной диоксиноподобной активности не замечено, если имеется два или более о-хлора. Бромированные диоксины и бифенилы обладают схожими свойствами, но они изучены гораздо меньше.
Многие природные соединения обладают очень высоким сродством к рецепторам AH. К ним относятся индолы, флавоны, бензофлавоны, имидазолы и пиридины. Эти соединения быстро метаболизируются, но постоянное поступление с пищей может вызвать активацию рецепторов, аналогичную фоновым уровням диоксинов. Однако они не достигают концентраций, вызывающих типичную диоксиноподобную токсичность.
Механизм действия
Рецептор AH - это древний рецептор, многие функции которого были обнаружены только недавно. Это белок возрастом более 600 миллионов лет, встречающийся у всех позвоночных, а его гомологи были обнаружены у беспозвоночных и насекомых. Он принадлежит к основным белкам Helix-Loop-Helix -PAS и действует как фактор транскрипции, модифицирующий транскрипцию ряда генов (см. Рисунок). Активность рецепторов АГ необходима для нормального развития и многих физиологических функций. Мыши, лишенные рецептора AH (нокауты), болеют гипертрофией сердца, фиброзом печени, репродуктивными проблемами и нарушением иммунологии.
Рецептор AH важен в токсикологии по двум очень разным причинам. Во-первых, он индуцирует несколько ферментов, важных для метаболизма чужеродных веществ, так называемых ксенобиотиков . К ним относятся как окислительные ферменты фазы I, так и конъюгативные ферменты фазы II, например CYP 1A2, CYP1B1, CYP2S1, CYP2A5, ALDH3, GSTA1, UGT1A1, UGT1A6, UGT1A7 и NQO1. По сути, это защитная функция, предотвращающая токсические или канцерогенные эффекты ксенобиотиков, но в некоторых условиях она также может приводить к образованию реактивных метаболитов, которые являются мутагенными и канцерогенными. Эта индукция фермента может быть инициирована многими природными или синтетическими соединениями, например канцерогенными полициклическими углеводородами, такими как бензо (а) пирен , несколькими природными соединениями и диоксинами. Во-вторых, рецепторы AH участвуют в активации или подавлении генов, что приводит к токсическим эффектам высоких доз диоксинов. Поскольку TCDD в высоких дозах может влиять на транскрипцию, возможно, сотен генов, гены, имеющие решающее значение для множества токсических эффектов диоксинов, все еще не очень хорошо известны.
Связывание диоксиноподобных соединений с рецептором AH позволило измерить общую диоксиноподобную активность образца с помощью биоанализа CALUX (экспрессия гена химической активированной люциферазы). Результаты были сопоставимы с уровнями TEQ, измеренными с помощью гораздо более дорогостоящей газовой хроматографии с масс-спектрометрией высокого разрешения в пробах окружающей среды.
Токсичность
Токсичность диоксина основана на неправильной активации физиологически важного рецептора, и поэтому необходимо тщательно учитывать дозозависимую реакцию. Неправильная стимуляция многих рецепторов приводит к токсическим последствиям, например, передозировка витамина А приводит к несоответствующей активации рецепторов ретиноидов, что приводит, например, к порокам развития, а передозировка кортикостероидов или половых гормонов приводит к множеству побочных эффектов. Поэтому важно отделить эффекты низких доз, вызывающих активацию рецептора в физиологическом диапазоне, от эффектов высоких токсических доз. Это тем более важно из-за больших различий в экспозиции даже среди людей. Западное население сегодня подвергается воздействию диоксинов в дозах, ведущих к концентрации от 5 до 100 пикограмм / г (как ТЭ в теле), а самые высокие концентрации при случайных или преднамеренных отравлениях составляют от 10 000 до 144 000 пг / г, что приводит к серьезным, но не смертельным последствиям. результаты.
Наиболее значимыми токсическими последствиями воздействия диоксинов для людей и животных являются рак и влияние на развитие потомства. Оба были зарегистрированы в высоких дозах, наиболее точно в экспериментах на животных. Что касается эффектов развития, существует согласие, что нынешние уровни диоксинов во многих популяциях не очень далеки от тех, которые вызывают некоторые эффекты, но пока нет единого мнения о безопасном уровне. Что касается рака, то существуют разногласия относительно того, как экстраполировать риск от высоких токсичных доз на нынешнее низкое воздействие.
Хотя сродство диоксинов и связанных с ними промышленных токсичных веществ к рецептору Ah не может полностью объяснить все их токсические эффекты, включая иммунотоксичность, эндокринные эффекты и развитие опухоли , токсические реакции обычно зависят от дозы в определенных диапазонах концентраций. Сообщалось также о многофазной зависимости доза-реакция , что приводило к неуверенности и дебатам об истинной роли диоксинов в заболеваемости раком. Считается, что эндокринная разрушающая активность диоксинов возникает как нисходящая функция активации рецепторов АГ, при этом статус щитовидной железы, в частности, является чувствительным маркером воздействия. TCDD, наряду с другими PCDD, PCDF и диоксиноподобными копланарными PCB, не являются прямыми агонистами или антагонистами гормонов и не активны в анализах, которые непосредственно проверяют эти активности, таких как ER-CALUX и AR-CALUX. Также не было показано, что эти соединения обладают какой-либо прямой мутагенной или генотоксической активностью. Их основное действие в возникновении рака - развитие рака. Смесь ПХД, такая как Ароклор, может содержать соединения ПХБ, которые являются известными агонистами эстрогена, но не классифицируются как диоксиноподобные с точки зрения токсичности. Мутагенные эффекты были установлены для некоторых химикатов с низким содержанием хлора, таких как 3-хлордибензофуран, который не является ни стойким, ни агонистом рецепторов АГ.
Токсичность для животных
Высокие дозы . Симптомы, которые, как сообщается, связаны с токсичностью диоксина в исследованиях на животных, невероятно разнообразны как по объему пораженных биологических систем, так и по диапазону доз, необходимых для их появления. Острые эффекты однократного воздействия высоких доз диоксина включают снижение потребления корма и синдром истощения и, как правило, отсроченную смерть животного в течение 1-6 недель. До сих пор большинство исследований токсичности были проведены с использованием 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo- р диоксин .
LD 50 ТХДДА изменяется дико между видами и даже штаммами одного и тем же видом, с наиболее заметным несоответствием быть между , казалось бы , аналогичными видами хомяка и морских свинок . Оральная LD 50 для морских свинок составляет от 0,5 до 2 мкг / кг веса тела, тогда как оральная LD 50 для хомяков может составлять от 1 до 5 мг / кг веса тела. Даже между разными линиями мышей или крыс острая токсичность может отличаться от десяти до тысячи раз. Многие патологические находки обнаруживаются в печени , тимусе и других органах. Некоторые эффекты, такие как атрофия тимуса, характерны для многих видов, но, например, токсичность для печени типична для кроликов.
Низкие дозы . У взрослых животных после приема низких доз наблюдается очень мало признаков токсичности, но при низких уровнях диоксина могут наблюдаться эффекты развития, включая стадии плода , новорожденного и, возможно, стадии полового созревания. Хорошо известными последствиями для развития являются расщелина неба , гидронефроз , нарушения развития зубов и полового развития , а также эндокринные эффекты. Удивительно, но индукция ферментов, некоторые эффекты развития и отвращение к новым продуктам питания наблюдаются при одинаковых уровнях доз у животных, которые по-разному реагируют на острую токсичность в высоких дозах. Поэтому было предложено разделить эффекты диоксина на эффекты типа I (индукция ферментов и т. Д.) И эффекты типа II (летальность, повреждение печени, анорексия и распространение опухоли). Причина может заключаться в разных требованиях к структуре домена трансактивации рецептора AH для разных генов. Некоторые из этих эффектов низких доз на самом деле можно интерпретировать как защитные, а не токсические (индукция ферментов, отвращение к новым продуктам питания).
Человеческая токсичность
Высокие дозы. Токсичность диоксинов в высоких дозах была хорошо задокументирована после несчастных случаев, умышленных отравлений, эпизодов заражения пищевых продуктов и высоких промышленных воздействий. Три женщины в Вене, Австрия, были отравлены большими дозами ТХДД в 1998 году. Самая высокая концентрация ТХДД в жировой ткани составила 144 000 пг / г, что является самым высоким показателем среди людей. Главной особенностью было хлоракне , серьезное кожное заболевание. Пострадавший выжил, и другие симптомы были умеренными после начальных желудочно-кишечных симптомов и аменореи . Еще одним острым инцидентом стало умышленное отравление Виктора Ющенко , тогдашнего кандидата в президенты Украины, в 2004 году. Концентрация ТХДД в жире составила 108 000 пг / г. Также в этом случае наиболее заметным симптомом было хлоракне после начальной боли в желудке, указывающей на гепатит и панкреатит . Эти эпизоды показывают, что человек не так чувствителен, как наиболее чувствительные животные, поскольку дозы должны быть до 25 мкг / кг.
Две серьезные аварии с загрязнением пищевых продуктов были вызваны ПХБ-маслами, используемыми в теплообменниках. Масло ПХБ попало в масло из рисовых отрубей, которое потребляли тысячи людей в Японии ( болезнь Юшо, 1968 г.) и на Тайване ( болезнь Ю-чэна, 1979 г.). Токсические эффекты приписываются диоксиноподобным ПХБ и ПХДФ. Их ежедневное потребление было в 100 000 раз выше среднего в настоящее время. Было много проблем с кожей, хлоракне, отек век, гиперсекреция мейбомиевых желез в глазах. Младенцы, рожденные матерями Юшо и Ю-чэн, были меньше нормального размера, у них была темная пигментация, а иногда и зубы при рождении, а также деформации зубов. Смерть плода и выкидыши были обычным явлением.
Возможно, самая известная авария, связанная с диоксином, произошла в Севезо, Италия, в 1976 году. Из емкости с хлорфенолами в воздух вышло его содержимое, включая многие килограммы ТХДД, и заразили большую часть города. Самые высокие уровни TCDD были обнаружены у детей - до 56 000 пг / г жира. Острые эффекты были ограничены хлоракне, хотя многие животные, такие как кролики, умерли после употребления в пищу зараженной травы. Зубные аберрации были обнаружены через 25 лет у лиц, подвергшихся облучению в детстве, а 35 лет спустя был подтвержден незначительный повышенный риск рака.
Согласно исследованиям на животных, влияние на развитие может быть гораздо более важным, чем воздействие на взрослых. К ним относятся нарушения развития зубов и полового развития.
Пример различия в ответах четко прослеживается в исследовании, проведенном после катастрофы в Севезо, показывающее, что количество и подвижность сперматозоидов у мужчин, подвергшихся воздействию, были затронуты по-разному, в зависимости от того, подвергались ли они воздействию до, во время или после полового созревания.
На рабочем месте наблюдалось множество симптомов, но всегда было воздействие множества химических веществ, включая хлорфенолы , гербициды хлорфеноксикислоты и растворители . Поэтому было трудно получить окончательные доказательства того, что диоксины являются причинными факторами. Безусловно, лучший доказанный эффект - хлоракне. Подозреваемые эффекты у взрослых - это повреждение печени и изменения в метаболизме гема , уровни липидов в сыворотке , функции щитовидной железы , а также диабет и иммунологические эффекты .
Низкие выдержки. Эффекты после слабого воздействия, например, от еды, было трудно доказать. Уровни диоксинов в современном населении составляют от 5 до 20 пг / г (ТЭ в жире) и от 50 до 100 пг у пожилых людей или по крайней мере в 1000 раз ниже, чем при отравлениях (см. Выше). Деформации зубов считались вероятными после длительного кормления грудью, когда концентрации диоксинов были высокими в 1970-х и 1980-х годах. Когда концентрации снизились в течение 1990-х и 2000-х годов, эффекты больше не наблюдались. Согласно исследованию, проведенному в России, количество сперматозоидов у молодых мужчин 18-19 лет было ниже, когда уровень диоксина был выше в возрасте от 8 до 9 лет. Это произошло в промышленных условиях, в результате чего мальчики и их матери подверглись относительно высокому воздействию. Группа контаминации Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов (EFSA) рекомендовала снизить уровни допустимого недельного потребления (TWI) на основе исследования среди детей в России. Эта рекомендация может быть оспорена, поскольку она не учитывает должным образом конкурирующие риски, связанные с утраченной пользой важных и полезных для здоровья продуктов питания, таких как определенная рыба. Уровни TWI не применяются для грудного вскармливания, поскольку считается, что польза от грудного молока намного важнее, чем отдаленные риски диоксинов. Общий вывод может заключаться в том, что пределы безопасности не очень велики в отношении эффектов развития, но токсические эффекты маловероятны при нынешних уровнях диоксинов в популяции.
Ряд перекрестных исследований показали связь между диабетом 2 типа и некоторыми соединениями СОЗ, включая диоксины. Такие наблюдательные исследования не могут доказать причинно-следственную связь, т. Е. Может существовать ассоциация, которая не доказывает, что одно является причиной другого. Основная проблема заключается в том, что аналогичные ассоциации могут быть обнаружены со многими совершенно разными СОЗ, которые имеют только длительный период полураспада и тенденцию к общему накоплению в липидах. Это говорит о том, что все они могут быть связаны с диетой и ожирением, которые на сегодняшний день являются наиболее частыми причинами диабета 2 типа.
На протяжении многих лет высказывались предположения о различных эффектах диоксинов на эндометриоз , половое развитие, функцию печени , уровни гормонов щитовидной железы, уровни лейкоцитов , иммунные функции и даже обучение и интеллект. Хотя некоторые из этих эффектов могут быть возможны после сильного облучения (например, во время катастрофы в Севезо), эти утверждения основаны только на потенциальных воздействиях на население, не подтвержденных фактическими измерениями концентраций диоксинов. Например, абсорбция отбеленных тампонов, которая, как утверждается, связана с эндометриозом, незначительна по сравнению с ежедневным потреблением диоксина с пищей.
Канцерогенность
Диоксины являются хорошо установленными канцерогенами в исследованиях на животных, хотя точный механизм не ясен. Диоксины не являются мутагенными или генотоксичными . Агентство США по охране окружающей среды классифицировал диоксин, и смесь веществ , связанных с источниками отравления диоксином как «вероятный канцероген для человека». Международное агентство по изучению рака отнесло ТХДД как человеческий канцероген (класс 1) на основе четкого животных канцерогенности и ограниченные человеческие данные, а затем и 2,3,4,7,8-ПХДФ и ПХБ 126 в качестве 1 -го класса канцерогены. Считается, что этот механизм заключается в основном в промотировании, т.е. диоксины могут ускорять образование опухолей, вызванных другими факторами, и отрицательно влиять на нормальные механизмы ингибирования роста опухоли. Некоторые исследователи также предположили, что диоксин вызывает прогрессирование рака через совсем другой митохондриальный путь.
Как и в случае со многими токсическими конечными точками диоксина, трудно установить четкую зависимость доза-реакция. Имеются данные о канцерогенности для человека после случайного или сильного воздействия на рабочем месте. Рост заболеваемости раком был скромным, на самом деле достичь статистической значимости было трудно даже после высоких аварийных или профессиональных воздействий, таких как отравления Юшо и Ючэн, несчастный случай Севезо и комбинированные профессиональные группы. Поэтому разногласия по поводу риска рака при низких уровнях диоксинов в популяции понятны. Проблема с оценками IARC заключается в том, что они оценивают только опасность, то есть канцерогенность при любой дозе. Вероятно, что существует практический безопасный порог для негенотоксичных диоксинов, и нынешние уровни популяции не имеют никакого риска рака. Таким образом, существует определенное соглашение о том, что риск рака также принимается во внимание, если установлены пределы суточного потребления для защиты от последствий для развития. Среди рыбаков с высокими концентрациями диоксина в организме смертность от рака снизилась, а не увеличилась. Все это означает, что в случае важных полезных продуктов питания и грудного вскармливания перед установлением пределов необходим тщательный анализ пользы / риска, чтобы избежать увеличения других рисков или потери пользы.
Оценка рисков
Неопределенность и вариабельность зависимости доза-реакция диоксинов с точки зрения их токсичности, а также способности диоксинов к биоаккумуляции привели к тому , что эксперты ВОЗ рекомендовали очень низкое переносимое суточное потребление диоксина (1-4 пг / г). кг массы тела в день, то есть от 7x10 -11 до 2,8x10 -10 г на человека весом 70 кг в день, чтобы учесть эту неопределенность и обеспечить общественную безопасность во всех случаях. Затем власти установили еженедельные или ежемесячные уровни потребления, равные TDI около 2 пг / кг. Поскольку диоксины удаляются очень медленно, нагрузка на организм, накопленная в течение всей жизни, высока по сравнению с дневными дозами, и случайные умеренные превышения предельных значений не сильно ее меняют. Поэтому длительный прием намного важнее ежедневного. В частности, была проведена оценка TDI, чтобы гарантировать безопасность детей, рожденных от матерей, подвергавшихся такому ежедневному потреблению диоксинов на протяжении всей своей жизни до беременности. Вполне вероятно, что TDI для других групп населения может быть выше.
Одной из важных причин различий в различных оценках является канцерогенность. Если доза-реакция ТХДД вызывает рак линейна, это может быть реальным риском. Если доза-реакция порогового типа или J-образной формы, риск при настоящих концентрациях невелик или отсутствует. Надеемся, что лучшее понимание механизмов токсичности повысит надежность оценки риска. Недавно группа по загрязнению Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов (EFSA) также повторно оценила влияние на развитие . Они предлагают снизить допустимое недельное потребление (TWI) с 14 пг / кг до 2 пг / кг. Это, вероятно, вызовет еще одно противоречие, прежде чем будет принято европейскими странами. Потребление диоксина и его уровни в грудном молоке в 1970-х и 1980-х годах были в 5-10 раз выше, чем в настоящее время, и было обнаружено очень мало эффектов, возможно, умеренное влияние на развитие зубов.
Полемика
Гринпис и некоторые другие экологические группы призвали к прекращению производства хлора. Однако сторонники хлорной промышленности говорят, что «запрет хлора будет означать, что миллионы людей в третьем мире умрут от недостатка дезинфицированной воды». Шэрон Бедер и другие утверждали, что полемика о диоксинах носит очень политический характер и что крупные компании пытались преуменьшить серьезность проблем, связанных с диоксинами. Участвующие компании часто говорят, что кампания против диоксина основана на «страхе и эмоциях», а не на науке.
Потребление человеком и уровни
Большинство диоксиноподобных химических веществ поступает с пищей животного происхождения: преобладают мясо, молочные продукты или рыба, в зависимости от страны. Ежедневное потребление диоксинов и диоксиноподобных ПХБ в виде TEQ составляет порядка 100 пг / день, то есть 1-2 пг / кг / день. Во многих странах как абсолютное, так и относительное значение молочных продуктов и мяса снизилось из-за строгого контроля выбросов, что привело к снижению общего потребления. Например, в Соединенном Королевстве общее потребление ПХДД / Ф в 1982 г. составляло 239 пг / день, а в 2001 г. - только 21 пг / день (WHO-TEQ). Поскольку периоды полураспада очень велики (например, TCDD 7-8 лет), нагрузка на организм будет увеличиваться почти на протяжении всей жизни. Следовательно, концентрации могут увеличиваться в пять-десять раз с 20 до 60 лет. По той же причине краткосрочное более высокое потребление, например, после случаев заражения пищевых продуктов, не имеет решающего значения, если оно не является чрезвычайно высоким или сохраняется в течение нескольких месяцев или лет.
Наибольшая нагрузка на организм была обнаружена в Западной Европе в 1970-х и начале 1980-х годов, и тенденции были аналогичными в США. Самым полезным измерителем временных тенденций является концентрация в грудном молоке, измеряемая на протяжении десятилетий. Во многих странах концентрации снизились примерно до одной десятой от концентраций 1970-х годов, а общие концентрации TEQ сейчас составляют порядка 5-30 пг / г жира (обратите внимание, что единицы измерения, пг / г такие же, как нг / г). кг, или нестандартное выражение ppt, которое иногда используется в Америке). Снижение связано со строгим контролем выбросов, а также с контролем концентраций в пищевых продуктах. В молодом взрослом женском населении США (возрастная группа 20–39 лет) концентрация липидов в 2001–2002 годах составляла 9,7 пг / г (среднее геометрическое).
Некоторые профессии, такие как натуральное рыболовство, в некоторых районах подвергаются воздействию исключительно высоких количеств диоксинов и родственных веществ. Наряду с высоким уровнем промышленного воздействия это может быть наиболее ценным источником информации о рисках для здоровья диоксинов.
Судьба диоксинов в организме человека
Диоксины хорошо всасываются из пищеварительного тракта, если они растворены в жирах или маслах (например, в рыбе или мясе). С другой стороны, диоксины имеют тенденцию прочно адсорбироваться частицами почвы, и абсорбция может быть довольно низкой: было абсорбировано 13,8% заданной дозы ТЭ в загрязненной почве.
Те же свойства, которые вызывают стойкость диоксинов в окружающей среде, также вызывают очень медленное выведение из организма человека и животных. Из-за низкой растворимости в воде почки не могут выводить их с мочой как таковые. Сначала они должны метаболизироваться до более водорастворимых метаболитов, но этот метаболизм, особенно у людей, очень медленный. Это приводит к биологическому периоду полураспада в несколько лет для всех диоксинов. Срок службы ТХДД оценивается в 7-8 лет, а для других ПХДД / Ф от 1,4 до 13 лет, ПХДФ в среднем немного короче, чем ПХДД.
У млекопитающих диоксины содержатся в основном в жире. Концентрации жира кажутся относительно одинаковыми, будь то жир сыворотки, жир жировой ткани или молочный жир. Это позволяет измерять диоксиновую нагрузку, анализируя грудное молоко. Однако вначале, по крайней мере, у лабораторных животных, после однократной дозы высокие концентрации обнаруживаются в печени, но через несколько дней будет преобладать жировая ткань. Однако в печени крысы высокие дозы вызывают индукцию фермента CYP1A2, который связывает диоксины. Таким образом, в зависимости от дозы соотношение концентраций жира и ткани печени у грызунов может значительно различаться.
Использует
Диоксины не имеют общего применения. Они производятся в небольших масштабах для химических и токсикологических исследований, но в основном существуют как побочные продукты промышленных процессов, таких как отбеливание бумажной массы , производство пестицидов и процессы сжигания, такие как сжигание . Дефолиант Agent Orange содержал диоксины. Стокгольмская конвенция запретила производство и применение диоксинов в 2001 году.
Источники
Источники окружающей среды
Соединения ПХДД / F никогда не синтезировались для каких-либо целей, за исключением небольших количеств для научных исследований. Небольшие количества ПХДД / Ф образуются всякий раз, когда органические вещества, кислород и хлор доступны при подходящей температуре. Это дополняется металлическими катализаторами, такими как медь. Оптимальный температурный диапазон от 400 ° C до 700 ° C. Это означает, что образование является самым высоким, когда органический материал сжигается в менее чем оптимальных условиях, таких как открытый огонь, пожары в зданиях, домашние камины и плохо эксплуатируемые и / или разработанные печи для сжигания твердых отходов. Исторически сложилось так, что сжигание бытовых и медицинских отходов было самым важным источником ПХДД / Ф.
ПХБ-соединения , всегда содержащие низкие концентрации диоксиноподобных ПХБ и ПХДФ, были синтезированы для различных технических целей (см. Полихлорированные бифенилы ). Они попали в окружающую среду в результате аварий, таких как пожары или утечки из трансформаторов или теплообменников, или из-за продуктов, содержащих ПХД, на свалках или во время сжигания. Поскольку ПХД в некоторой степени летучие, они также переносятся на большие расстояния по воздуху, что приводит к глобальному распространению, в том числе в Арктике. Лишь небольшая часть ПХБ в смесях подобна диоксину.
Другие источники ПХДД / Ф включают:
- Неконтролируемое горение, особенно открытое сжигание отходов («горение бочки на заднем дворе»), случайные пожары, лесные пожары. В настоящее время это самые важные источники.
- Выплавка и рафинирование металлов
- Отбеливание целлюлозы и бумаги хлором - исторически важный источник ПХДД / Ф в водные пути.
- Побочные продукты синтеза нескольких химических веществ, особенно ПХД, хлорфенолов , гербицидов хлорфеноксикислоты и гексахлорофена .
- (Исторический) Двигатели, использующие этилированное топливо , которое содержало добавки 1,2-дихлорэтана и 1,2-дибромэтана .
При сжигании отходов
Улучшения и изменения были внесены почти во все промышленные источники для сокращения производства ПХДД / Ф. Что касается сжигания отходов, то широкая огласка и озабоченность по поводу диоксиноподобных соединений в течение 1980–1990-х годов продолжают проникать в общественное сознание, особенно когда предлагаются новые объекты для сжигания и получения энергии из отходов . В результате этих проблем процессы сжигания были улучшены за счет повышения температуры горения (более 1000 ° C), лучшего управления печью и достаточного времени пребывания, выделенного для обеспечения полного окисления органических соединений. В идеале процесс сжигания окисляет весь углерод до CO 2 и превращает весь хлор в HCl или неорганические хлориды до того, как газы пройдут через температурное окно 700-400 ° C, где возможно образование ПХДД / Ф. Эти вещества не могут легко образовывать органические соединения, и HCl легко и безопасно нейтрализуется в скруббере, а CO 2 выбрасывается в атмосферу. Неорганические хлориды включаются в золу.
Системы очистки и удаления твердых частиц способны улавливать часть ПХДД / Ф, которые образуются даже на сложных мусоросжигательных заводах. Эти ПХДД / Ф обычно не разрушаются, а перемещаются с летучей золой . Разработаны каталитические системы, которые разрушают ПХДД / Ф в паровой фазе при относительно низких температурах. Эта технология часто сочетается с рукавным фильтром или системой SCR в хвостовой части мусоросжигательного завода.
Пределы Европейского Союза для концентрации диоксиноподобных соединений в отходящих дымовых газах составляют 0,1 нг / Нм³ ТЭ.
Как в Европе, так и в США выбросы резко сократились с 1980-х годов, даже на 90% (см. Рисунок). Это также привело к снижению нагрузки на человеческий организм, что наглядно демонстрирует снижение концентрации диоксина в грудном молоке. В связи со значительным сокращением выбросов из установок для сжигания бытовых отходов, другие потенциально крупные источники диоксиноподобных соединений, например, от лесов и лесных пожаров, увеличились по сравнению с промышленными источниками. Однако они не включены в общую инвентаризацию из-за неточностей в имеющихся данных. Более недавнее исследование экологических последствий аварийных пожаров, включая лесные пожары , показало, что выбросы диоксинов (ПХДД / Ф) примерно эквивалентны выбросам от транспортных средств и сжигания городских отходов.
Открытое сжигание отходов (сжигание бочек на заднем дворе) не уменьшилось эффективно, и в США сейчас это самый важный источник диоксинов. Общие годовые выбросы в США снизились с 14 кг в 1987 году до 1,4 кг в 2000 году. Однако объем сжигания бочек на заднем дворе снизился лишь незначительно с 0,6 кг до 0,5 кг, в результате чего в 2000 году только сжигание на заднем дворе привело к образованию более одной трети всех диоксинов в 2000 году.
Низкие концентрации диоксинов были обнаружены в некоторых почвах без какого-либо антропогенного загрязнения. Загадочный случай заражения молока был обнаружен в Германии. Источником был каолин, добавляемый в корм для животных. Диоксины неоднократно обнаруживались в глинах из Европы и США с 1996 года, причем загрязнение глины, предположительно, было результатом древних лесных пожаров или аналогичных природных явлений с концентрацией ПХДД / Ф во время осаждения глины.
Диоксины и сахарный тростник
При выращивании сахарного тростника оставшийся после экстракции сахара жом в больших количествах используется для производства энергии, и на местном уровне считается, что он является замечательным источником диоксинов. Это в основном указывает на то, что при сжигании органических материалов образуются диоксины, и это должно происходить при достаточно высоких температурах и при надлежащей фильтрации дымовых газов. Для очистки газов и загрязняющих веществ в производстве сахарного тростника часто используются мокрые газоочистители, такие как скрубберы типа Вентури . Кроме того, используются и другие системы очистки: электрофильтры и рукавные фильтры . Этих методов может быть недостаточно
Стойкость в окружающей среде и биоаккумуляция
Все группы диоксиноподобных соединений устойчивы в окружающей среде. Очень немногие почвенные микробы и животные не могут расщеплять ПХДД / Ф с помощью бокового хлора (позиции 2, 3, 7 и 8). Это вызывает очень медленное выведение. Однако ученые из Университета Мартина Лютера недавно обнаружили, что разновидность бактерий Dehalococcoides CBDB1 может извлекать хлор из диоксиновых соединений в отсутствие кислорода. Ультрафиолетовый свет медленно разрушает эти соединения. Липофильность (склонность к образованию жироподобной среды) и очень плохая растворимость в воде заставляют эти соединения перемещаться из водной среды в живые организмы, имеющие структуру липидных клеток. Это называется биоаккумуляцией . Повышение хлорирования увеличивает как стабильность, так и липофильность. Однако соединения с очень высоким числом хлора (например, октахлородибензо-п-диоксин) настолько плохо растворимы, что это препятствует их биоаккумуляции. За биоаккумуляцией следует биоусиление . Жирорастворимые соединения сначала накапливаются в микроскопических организмах, таких как фитопланктон (планктон растительного характера, например водоросли). Фитопланктон потребляется животным планктоном, беспозвоночными, такими как насекомые, мелкой рыбой, а также крупной рыбой и тюленями. На каждой стадии или трофическом уровне концентрация выше, потому что стойкие химические вещества не «сжигаются», когда высший организм использует жир организма жертвы для производства энергии.
Из-за биоаккумуляции и биомагнификации виды, находящиеся на вершине трофической пирамиды , наиболее уязвимы для диоксиноподобных соединений. В Европе орлан-белохвост и некоторые виды тюленей приблизились к исчезновению из-за отравления стойкими органическими загрязнителями. Точно так же в Америке популяция белоголовых орланов сократилась из-за СОЗ, вызывающих истончение яичной скорлупы и других репродуктивных проблем. Обычно причиной неудачи является ДДТ , но диоксины также являются возможной причиной репродуктивных эффектов. И в Америке, и в Европе многие водоплавающие птицы имеют высокие концентрации диоксинов, но обычно недостаточно высокие, чтобы помешать их репродуктивному успеху. Благодаря дополнительному зимнему кормлению и другим мерам орлан-белохвост выздоравливает (см. Орлан-белохвост ). Также выздоравливают кольчатые нерпы в Балтийском море.
Люди также находятся на вершине трофической пирамиды, особенно новорожденные. Согласно оценкам, новорожденные, находящиеся на исключительно грудном вскармливании, подвергались воздействию в общей сложности 800 пг ТЭ / день, что привело к расчетной дозе, основанной на массе тела, в 242 пг ТЭ / кг / день. Из-за наличия множества пищевых источников воздействие на взрослых людей намного меньше, в среднем при 1 пг ТЭ / кг в день, а концентрации диоксина у взрослых намного меньше, от 10 до 100 пг / г по сравнению с 9000 до 340000 пг / г (ТЭ в липидах) у орлов или тюленей, питающихся почти исключительно рыбой.
Из-за различных физико-химических свойств не все конгенеры диоксиноподобных соединений одинаково хорошо попадают в организм человека. Доминирующими конгенерами в тканях человека, измеренными как TEQ, являются 2,3,7,8-TCDD, 1,2,3,7,8-PeCDD, 1,2,3,6,7,8-HxCDD и 2,3 , 4,7,8-ПеХДФ. Это сильно отличается от большинства источников, в которых могут преобладать гепта- и окта-конгенеры. Группа ВОЗ, проводившая переоценку значений TEF в 2005 г., выразила озабоченность по поводу того, что выбросы не следует некритически измерять как TEQ, поскольку не все конгенеры одинаково важны. Они заявили, что «когда оценка риска для человека должна быть сделана на основе абиотических матриц, следует особо учитывать такие факторы, как судьба, перенос и биодоступность каждой матрицы».
Все СОЗ плохо растворяются в воде, особенно диоксины. Таким образом, загрязнение грунтовых вод не представляло проблемы даже в случае серьезного загрязнения основными химическими веществами, такими как хлорфенолы. В поверхностных водах диоксины связаны с органическими и неорганическими частицами.
Источники воздействия на человека
Наиболее важным источником воздействия на человека является жирная пища животного происхождения (см. Потребление человека выше) и грудное молоко. По наиболее важным пунктам в разных странах существуют большие различия. В США и Центральной Европе молоко, молочные продукты и мясо были наиболее важными источниками. В некоторых странах, особенно в Финляндии и в некоторой степени в Швеции, рыба имеет важное значение из-за загрязненной балтийской рыбы и очень низкого потребления из любых других источников. В большинстве стран произошло значительное снижение потребления диоксинов из-за более строгого контроля за последние 20 лет.
Исторически серьезной проблемой было воздействие диоксинов на рабочем месте. Диоксины образуются как важные токсичные побочные продукты при производстве ПХД , хлорфенолов , гербицидов хлорфеноксикислоты и других хлорированных органических химикатов. Это привело к очень сильному воздействию на рабочих в плохо контролируемых гигиенических условиях. У многих рабочих было хлоракне . В исследовании NIOSH, проведенном в США, средняя концентрация TCDD у лиц, подвергшихся воздействию, составляла 233 нг / кг (в липиде сыворотки), в то время как у рабочих, не подвергавшихся воздействию, она составляла 7 нг / кг, даже несмотря на то, что воздействие было 15–37 лет назад. Это указывает на огромную предыдущую экспозицию. Фактически, точный обратный расчет обсуждается, и концентрации могут быть даже в несколько раз выше, чем первоначально предполагалось.
Обработка и распыление гербицидов хлорфеноксикислоты также может вызывать довольно высокие уровни воздействия, что ясно продемонстрировали пользователи Agent Orange во время чрезвычайной ситуации в Малайзии и во время войны во Вьетнаме . Самые высокие концентрации были обнаружены у нелетящего рядового персонала (например, при заполнении баков самолетов), хотя разница была огромной, от 0 до 618 нг / кг ТХДД (в среднем 23,6 нг / кг). Прочие профессиональные воздействия (работающие на бумажных и целлюлозных заводах, сталелитейных заводах и мусоросжигательных заводах) были значительно ниже.
В некоторых случаях случайное облучение было огромным. Наивысшие концентрации у людей после аварии в Севезо составили 56 000 нг / кг, а самая высокая концентрация, когда-либо зарегистрированная, была обнаружена в Австрии в 1998 году - 144 000 нг / кг (см. TCDD ). Это эквивалентно дозе от 20 до 30 мкг / кг TCDD, доза, которая была бы смертельной для морских свинок и некоторых линий крыс.
Воздействие загрязненной почвы возможно, когда диоксины выбрасываются в пыль или дети поедают грязь. Вдыхание было ясно продемонстрировано в Миссури в 1970-х годах, когда отработанные масла использовались в качестве средства подавления пыли на конных аренах. Многие лошади и другие животные погибли из-за отравления. Диоксины не являются ни летучими, ни водорастворимыми, поэтому воздействие на человека зависит от прямого поедания почвы или образования пыли, которая несет это химическое вещество. Загрязнение грунтовых вод или вдыхаемых паров химического вещества вряд ли вызовет значительное воздействие. В настоящее время в США насчитывается 126 участков Суперфонда с завершенным путем заражения диоксинами.
Кроме того, известно, что ПХД проходят через очистные сооружения и накапливаются в иле, который используется на сельскохозяйственных полях в некоторых странах. В 2011 году в Южной Каролине SCDHEC ввел в действие правила по удалению осадка после того, как было обнаружено, что ПХД сбрасываются на очистные сооружения.
Известно также, что ПХД вымываются из промышленности и с земли (иначе говоря, отстойных полей), чтобы загрязнить рыбу, как это происходит вверх и вниз по реке Катоба в Северной и Южной Каролине. Государственные органы опубликовали рекомендации по потреблению рыбы из-за накопления ПХБ в тканях рыбы.
Было несколько эпизодов заражения пищевых продуктов, один из самых известных произошел в Бельгии в 1999 году. Резервуар переработанных жиров, собранных для производства кормов для животных, был загрязнен маслом ПХБ, содержащим около 1 г диоксинов и 2 г DL-ПХБ. Это вызвало серьезную тревогу в Европейском Союзе, но из-за относительно быстрой реакции и медленного накопления диоксинов в организме людей не было никакого воздействия на здоровье. Аналогичная ситуация наблюдалась в Ирландии в 2008 году. В 2008 году Чили пережила кризис со свининой, вызванный высокими концентрациями диоксинов в их экспортируемой свинине. Было установлено, что загрязнение вызвано оксидом цинка, используемым в кормах для свинины, и вызвало репутационные и финансовые потери страны, а также привело к введению новых правил безопасности пищевых продуктов. Эти эпизоды подчеркивают важность контроля пищевых продуктов, а раннее обнаружение гарантирует, что очень медленно накапливающиеся диоксины не увеличиваются у людей до уровней, вызывающих токсические эффекты.
Значения TEF и эквиваленты токсичности
Все диоксиноподобные соединения имеют общий механизм действия через арилуглеводородный рецептор (AHR), но их эффективность сильно различается. Это означает, что все они вызывают схожие эффекты, но требуются гораздо большие дозы некоторых из них, чем TCDD. Связывание с AHR, а также стойкость в окружающей среде и в организме зависит от присутствия так называемых «боковых хлоринов», в случае диоксинов и фуранов, заместителей хлора в положениях 2, 3, 7 и 8. Каждый дополнительный внелатеральный хлор снижает эффективность, но качественно эффекты остаются схожими. Следовательно, простая сумма различных конгенеров диоксинов не является значимым показателем токсичности. Чтобы сравнить токсичность различных конгенеров и сделать возможным получение токсикологически значимой суммы смеси, была создана концепция эквивалентности токсичности (TEQ).
Каждому конгенеру был присвоен коэффициент эквивалентности токсичности (TEF). Это указывает на его относительную токсичность по сравнению с TCDD. Большинство TEF было извлечено из данных о токсичности in vivo на животных, но если они отсутствуют (например, в случае некоторых ПХБ), использовались менее надежные данные in vitro . После умножения фактического количества или концентрации родственного соединения на его TEF, продукт представляет собой виртуальное количество или концентрацию TCDD, оказывающую воздействие той же силы, что и рассматриваемое соединение. Это умножение выполняется для всех соединений в смеси, и эти «эквиваленты TCDD» затем могут быть просто добавлены, что дает TEQ, количество или концентрацию TCDD, токсикологически эквивалентную смеси.
Преобразование TEQ позволяет использовать все исследования наиболее изученного TCDD для оценки токсичности смеси. Это наиболее полезно в нормативной работе, но может также использоваться в научных исследованиях. Это похоже на обычную меру для всех алкогольных напитков: пиво, вино и виски можно сложить вместе как абсолютный алкоголь, и эта сумма дает токсикологически значимую меру общего воздействия.
TEQ применяется только к диоксиноподобным эффектам, опосредованным AHR. Некоторые токсические эффекты (особенно ПХД) могут не зависеть от AHR, и они не принимаются во внимание при использовании TEQ.
TEF также являются приближениями с определенным количеством научных суждений, а не с научными фактами. Следовательно, они могут время от времени пересматриваться. С 1980-х годов было выпущено несколько версий TEF. Самая последняя переоценка была проведена группой экспертов Всемирной организации здравоохранения в 2005 г.
| Класс | Конгенер | Фактор токсической эквивалентности |
|---|---|---|
| Полихлорированные диоксины | 2,3,7,8-TCDD | 1 |
| 1,2,3,7,8-PeCDD | 1 | |
| 1,2,3,4,7,8-HxCDD | 0,1 | |
| 1,2,3,6,7,8-HxCDD | 0,1 | |
| 1,2,3,7,8,9-HxCDD | 0,1 | |
| 1,2,3,4,6,7,8-HpCDD | 0,01 | |
| OCDD | 0,0003 | |
| Полихлорированные дибензофураны | 2,3,7,8-ТХДФ | 0,1 |
| 1,2,3,7,8-ПеХДФ | 0,03 | |
| 2,3,4,7,8-ПеХДФ | 0,3 | |
| 1,2,3,4,7,8-HxCDF | 0,1 | |
| 1,2,3,6,7,8-HxCDF | 0,1 | |
| 1,2,3,7,8,9-HxCDF | 0,1 | |
| 2,3,4,6,7,8-HxCDF | 0,1 | |
| 1,2,3,4,6,7,8-HpCDF | 0,01 | |
| 1,2,3,4,7,8,9-HpCDF | 0,01 | |
| OCDF | 0,0003 | |
| Неортозамещенные печатные платы | 3,3 ', 4,4'-TCB (77) | 0,0001 |
| 3,4,4 ', 5-TCB (81) | 0,0003 | |
| 3,3 ', 4,4', 5-ПеХБ (126) | 0,1 | |
| 3,3 ', 4,4', 5,5'-HxCB (169) | 0,03 | |
| Моно-орто-замещенные печатные платы | 2,3,3 ', 4,4'-ПеХБ (105) | 0,00003 |
| 2,3,4,4 ', 5-ПеХБ (114) | 0,00003 | |
| 2,3 ', 4,4', 5-ПеХБ (118) | 0,00003 | |
| 2 ', 3,4,4', 5-ПеХБ (123) | 0,00003 | |
| 2,3,3 ', 4,4', 5-HxCB (156) | 0,00003 | |
| 2,3,3 ', 4,4', 5'-HxCB (157) | 0,00003 | |
| 2,3 ', 4,4', 5,5'-HxCB (167) | 0,00003 | |
| 2,3,3 ', 4,4', 5,5'-HpCB (189) | 0,00003 |
- (T = тетра, Pe = пента, Hx = гекса, Hp = гепта, O = окта)
2,3,7,8-замещенные ПХДД
2,3,7,8-замещенные ПХДФ
ПХБ, подобные диоксину
использованная литература
-
Некоторое содержание этой статьи было извлечено из диоксинов и диоксиноподобных соединений: токсичность для людей и животных, источники и поведение в окружающей среде в Викиверситете, который находится под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 (Unported) (CC- BY-SA 3.0) .
