Экологическая токсикология - Environmental toxicology

Экологическая токсикология - это междисциплинарная область науки, занимающаяся изучением вредного воздействия различных химических, биологических и физических агентов на живые организмы . Экотоксикология - это подраздел экологической токсикологии, занимающийся изучением вредного воздействия токсикантов на популяцию и экосистему .

Рэйчел Карсон считается отцом экологической токсикологии, поскольку она сделала ее отдельной областью токсикологии в 1962 году, опубликовав свою книгу « Тихая весна» , в которой рассказывалось о последствиях неконтролируемого использования пестицидов . Книга Карсона во многом основана на серии отчетов Люсиль Фарриер Стикель об экологических последствиях пестицида ДДТ .

Организмы могут подвергаться воздействию различных токсичных веществ на любой стадии жизненного цикла, некоторые из которых более чувствительны, чем другие. Токсичность также может варьироваться в зависимости от положения организма в его пищевой сети . Биоаккумуляция происходит, когда организм накапливает токсичные вещества в жировых тканях, что может в конечном итоге установить трофический каскад и биомагнификацию конкретных токсикантов. В результате биодеградации в окружающую среду выделяются углекислый газ и вода в качестве побочных продуктов. Этот процесс обычно ограничен в районах, подверженных воздействию токсичных веществ из окружающей среды.

Вредное воздействие таких химических и биологических агентов, как токсиканты от загрязнителей , инсектицидов , пестицидов и удобрений, может повлиять на организм и его сообщество, уменьшая его видовое разнообразие и численность. Такие изменения в динамике популяции влияют на экосистему, снижая ее продуктивность и стабильность.

Хотя законодательство, введенное с начала 1970-х годов, было направлено на минимизацию вредного воздействия токсичных веществ из окружающей среды на все виды, Маккарти (2013) предупредил, что «давние ограничения в реализации простой концептуальной модели, лежащей в основе текущих протоколов испытаний водной токсичности », могут привести к надвигающейся экологической токсикологии «темного века».

Управляющая политика в отношении экологической токсичности

Политика США

Для защиты окружающей среды был написан Закон о национальной экологической политике (NEPA). Главный момент, который выявляет NEPA, заключается в том, что оно «гарантирует, что все ветви власти должным образом учитывают окружающую среду до того, как предпринять какие-либо важные федеральные действия, которые существенно влияют на окружающую среду». Этот закон был принят в 1970 году, а также основал Совет по качеству окружающей среды (CEQ). Важность CEQ заключалась в том, что она способствовала дальнейшему продвижению областей политики.

CEQ создала полезные экологические программы, которые принесли большую пользу. Некоторые из них включают Федеральный закон о контроле за загрязнением воды (RCRA), Закон о контроле за токсичными веществами, Закон о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA и Safe). CEQ сыграл важную роль в создании основы для большей части «действующего экологического законодательства, за исключением Суперфонда и законодательства о контроле над асбестом».

Некоторые первоначальные последствия NEPA относятся к интерпретации в судах. Суды интерпретировали NEPA не только как прямое воздействие на окружающую среду от любых проектов, в частности федеральных, но и как косвенные действия от федеральных проектов.

Закон о контроле за токсичными веществами

TSCA, также известный как Закон о контроле за токсичными веществами, представляет собой федеральный закон, регулирующий промышленные химические вещества, которые могут нанести вред человеку и окружающей среде. TSCA специально нацелена на «производство, импорт, хранение, использование, утилизацию и разложение химических веществ в коммерческих целях». EPA позволяет делать следующее: «1. Предварительные испытания химикатов для определения риска для здоровья или окружающей среды. 2. Проверка химикатов на предмет значительного риска до начала коммерческого производства. 3. Ограничение или запрет на производство или утилизацию. некоторые химические вещества 4. Импорт и экспорт химикатов до их ввоза или вывоза из США ».

Закон о чистом воздухе

Закону о чистом воздухе способствовало подписание поправок 1990 года. Эти поправки защищают снижающую кислотность, озоновый слой, улучшая качество воздуха и токсичные загрязнители. Закон о чистом воздухе был фактически пересмотрен, и при поддержке президента Джорджа Буша-старшего он был подписан. Самыми серьезными угрозами, на которые направлен этот закон, являются: загрязнение городского воздуха, токсичные выбросы в атмосферу, стратосферный озон, кислотные дожди и т. Д. В этих конкретных областях он также учредил национальную операцию, которая «позволяет программе сделать закон более действенным и усилить правоприменительную деятельность, чтобы помочь обеспечить лучшее соблюдение Закона».

Нормативные акты и правоприменительные меры в отношении ПХД

Как упоминалось выше, хотя Соединенные Штаты запретили использование ПХД, существует вероятность того, что они присутствуют в продуктах, произведенных до запрета ПХД в 1979 году. 19 апреля 1979 года Агентство по охране окружающей среды выпустило свой запрет на ПХД. Агентство по охране окружающей среды США: «Хотя ПХД больше не производятся в этой стране, теперь мы возьмем под контроль подавляющее большинство ПХД, которые все еще используются», - сказал администратор EPA Дуглас М. Кастл. «Это поможет предотвратить дальнейшее загрязнение нашего воздуха, воды и продуктов питания токсичным и очень стойким химическим веществом, созданным человеком».

ПХБ были протестированы на лабораторных животных и вызвали рак и врожденные дефекты. Предполагается, что ПХБ оказывает определенное воздействие на печень и кожу человека. Также подозревают, что они вызывают рак. По оценкам EPA, 150 миллионов фунтов ПХБ разбросаны по окружающей среде, включая воздух и воду; еще 290 миллионов фунтов находятся на свалках в этой стране ». Опять же, даже несмотря на то, что они были запрещены, все еще существует большое количество ПХД, циркулирующих в окружающей среде и, возможно, оказывающих воздействие на кожу и печень людей.

Были случаи, когда люди или компании неправильно утилизировали печатные платы. До сих пор было четыре случая, когда EPA было вынуждено подать иски против людей / компаний из-за их методов утилизации. Два дела с участием компаний были оштрафованы на 28 600 долларов за ненадлежащее распоряжение. Неизвестно, какой штраф был предъявлен этим трем людям за «незаконную свалку ПХБ вдоль 210 миль проезжей части в Северной Каролине».

Хотя ПХБ были запрещены, есть некоторые исключения, в которых они используются. Область, в которой это было полностью запрещено, - это «производство, переработка, распространение в торговле и« незакрытое »(открытое для окружающей среды) использование ПХД, если иное не разрешено или не исключено EPA.« Полностью закрытые »виды использования ( содержится, и, следовательно, воздействие ПХД маловероятно) будет продолжаться в течение всего срока службы оборудования ». В части электрооборудования содержание ПХД допускается при определенных контролируемых условиях. Из 750 миллионов фунтов ПХД на электрооборудование приходится 578 миллионов фунтов. Однако любое новое производство печатных плат фактически запрещено.

Источники экологической токсичности

Существует множество источников экологической токсичности, которые могут привести к присутствию токсичных веществ в нашей пище, воде и воздухе. Эти источники включают органические и неорганические загрязнители, пестициды и биологические агенты, все из которых могут оказывать вредное воздействие на живые организмы. Могут быть так называемые точечные источники загрязнения, например стоки с определенного завода, а также неточечные источники (диффузные источники), такие как резина от автомобильных шин, которые содержат многочисленные химические вещества и тяжелые металлы, которые распространяются в окружающей среде.

Печатные платы

Полихлорированные бифенилы (ПХД) - это органические загрязнители, которые все еще присутствуют в нашей окружающей среде сегодня, несмотря на то, что они запрещены во многих странах, включая США и Канаду. Из-за стойкости ПХД в водных экосистемах многие водные виды содержат большое количество этого химического вещества. Например, было показано , что дикий лосось ( Salmo salar ) в Балтийском море имеет значительно более высокие уровни ПХБ, чем выращиваемый лосось, поскольку дикая рыба живет в сильно загрязненной окружающей среде.

ПХБ относятся к группе производимых человеком «органических химикатов, известных как хлорированные углеводороды». Химические и физические свойства PCS определяют количество и местонахождение хлора, и, в отличие от других химикатов, они не имеют формы идентификации. Диапазон токсичности непостоянен, и поскольку ПХД обладают определенными свойствами (химическая стабильность, негорючесть), они используются в огромном количестве коммерческих и промышленных практик. Некоторые из них включают: «Электрическое, теплопередающее и гидравлическое оборудование, пластификаторы в красках, пластмассовых и резиновых изделиях, пигменты, красители и безуглеродистую копировальную бумагу» и многие другие.

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы, содержащиеся в пищевых источниках, например в рыбе, также могут оказывать вредное воздействие. Эти металлы могут включать ртуть , свинец и кадмий . Было показано, что рыба (например, радужная форель ) подвергаются воздействию более высоких уровней кадмия и растут медленнее, чем рыбы, подвергающиеся воздействию более низких уровней или не подвергающихся никакому воздействию. Более того, кадмий потенциально может изменить продуктивность и брачное поведение этих рыб. Тяжелые металлы могут влиять не только на поведение, но и на генетический состав водных организмов. В Канаде было проведено исследование, посвященное изучению генетического разнообразия дикого желтого окуня по различным градиентам концентрации тяжелых металлов в озерах, загрязненных горнодобывающими предприятиями. Исследователи хотели определить, какое влияние металлическое загрязнение оказывает на эволюционные реакции среди популяций желтого окуня. Вдоль градиента генетическое разнообразие по всем локусам отрицательно коррелировало с загрязнением печени кадмием. Кроме того, наблюдалась отрицательная корреляция между загрязнением медью и генетическим разнообразием. Некоторые водные виды выработали толерантность к тяжелым металлам. В ответ на высокие концентрации тяжелых металлов вид двукрылых, Chironomus riparius , из семейства мошек, Chironomidae , эволюционировал и стал устойчивым к токсичности кадмия в водной среде. Изменения в истории жизни, повышенная экскреция Cd и устойчивый рост под воздействием Cd являются свидетельством того, что Chironomus riparius проявляет генетически обусловленную устойчивость к тяжелым металлам.

Радиация

Излучение испускается материей в виде либо лучей, либо волн чистой энергии, либо высокоскоростных частиц. Лучи или волны энергии , также известные как электромагнитное излучение, включают солнечный свет, рентгеновские лучи , радар и радиоволны . Излучение частиц включает в себя альфа и бета - частицы и нейтроны . Когда люди и животные подвергаются воздействию высоких уровней радиации, у них может развиться рак , врожденная инвалидность или ожоги кожи. Растения также сталкиваются с проблемами при воздействии высоких уровней радиации. После чернобыльской катастрофы в 1986 году ядерная радиация повредила репродуктивные ткани окружающих растений , и потребовалось около трех лет, чтобы эти планы восстановили их репродуктивные способности.

Токсичность металлов

Наиболее известные или распространенные типы тяжелых металлов включают цинк, мышьяк, медь, свинец, никель, хром и кадмий. Все эти типы создают определенные риски для здоровья человека и окружающей среды.

Хотя определенное количество этих металлов может действительно играть важную роль, например, в поддержании определенных биохимических и физиологических функций в живых организмах в очень низких концентрациях, однако они становятся ядовитыми, когда превышают определенные пороговые концентрации. Тяжелые металлы представляют собой огромную часть загрязнения окружающей среды, и их токсичность «становится проблемой, которая приобретает все большее значение с точки зрения экологии, эволюции, питания и окружающей среды».

Мышьяк

Мышьяк, один из важнейших тяжелых металлов, вызывает проблемы со здоровьем у экологов и людей. Он обладает «полуметаллическими свойствами, сильно токсичен и канцероген и широко доступен в форме оксидов или сульфидов или в виде солей железа, натрия, кальция, меди и т. Д.» Более того, это также один из самых распространенных элементов на Земле, а его специфические неорганические формы очень опасны для живых существ (животных, растений и людей) и окружающей среды.

Воздействие мышьяка на человека заключается в том, что он может вызывать рак мочевого пузыря, кожи, легких и печени. Одна из основных областей, в которых люди подвергаются воздействию мышьяка, - это зараженная вода, которая является проблемой более чем в 30 странах мира.

Люди, как правило, сталкиваются с мышьяком «естественным путем, из промышленных источников или из непреднамеренных источников». Вода может быть загрязнена пестицидами, содержащими мышьяк, или просто естественными химическими веществами, содержащими мышьяк. В некоторых случаях мышьяк использовался в суицидальных попытках и может привести к острому отравлению. Мышьяк «является протопластическим ядом, поскольку он поражает в первую очередь сульфгидрильную группу клеток, вызывая нарушение клеточного дыхания, клеточных ферментов и митоза».

Вести

Еще один чрезвычайно токсичный металл, свинец, как известно, вызывает «обширное загрязнение окружающей среды и проблемы со здоровьем во многих частях мира». Внешний вид свинца - это яркий металл серебристого цвета. Некоторые источники загрязнения окружающей среды свинцом включают нанесение металлических покрытий и рыбные промыслы, отходы почвы, заводские дымоходы, плавку руды, отходы производства жидкого теста, удобрения и пестициды и многое другое. В отличие от других металлов, таких как медь, свинец играет только физиологический аспект, а не биологические функции. В США «из выхлопных газов автомобилей выделяется более 100-200 000 тонн свинца в год», и некоторые из них могут быть занесены растениями, протекать в воде или фиксироваться в почве.

Люди контактируют со свинцом в процессе добычи полезных ископаемых и сжигания ископаемого топлива. При горении свинец и его соединения попадают в воздух, почву и воду. Свинец может оказывать различное воздействие на организм и влиять на центральную нервную систему. Человек, контактировавший со свинцом, может иметь острое или хроническое отравление свинцом. У тех, кто испытывает острое отравление, наблюдаются такие симптомы, как аппетит, головная боль, гипертония, боль в животе, почечная дисфункция, утомляемость, бессонница, артрит, галлюцинации и головокружение ». С другой стороны, хроническое воздействие может вызвать более серьезные симптомы, такие как« психическое расстройство ». умственная отсталость, врожденные дефекты, психоз, аутизм, аллергия, дислексия, потеря веса, гиперактивность, паралич, мышечная слабость, повреждение мозга, повреждение почек и даже может стать причиной смерти ».

Меркурий

Столь же токсичный, как и предыдущие тяжелые металлы, Меркурий, блестящий серебристо-белый, при нагревании может превращаться в бесцветный газ без запаха. Ртуть сильно влияет на морскую среду, и было проведено множество исследований ее воздействия на водную среду. К крупнейшим источникам ртутного загрязнения относятся «сельское хозяйство, сброс городских сточных вод, горнодобывающая промышленность, сжигание и сброс промышленных сточных вод», все они относительно связаны с водой.

Ртуть существует в трех разных формах, и все три обладают разными уровнями биодоступности и токсичности. Эти три формы включают органические соединения, металлические элементы и неорганические соли. Как указано выше, они присутствуют в водных ресурсах, таких как океаны, реки и озера. Они поглощаются микроорганизмами и подвергаются «биомагнификации, вызывающей значительное нарушение жизни водных организмов».

Ртуть вредит морской жизни, но также может быть очень вредной для нервной системы человека. Более высокие уровни воздействия ртути могут изменить многие функции мозга. Это может «привести к застенчивости, тремору, проблемам с памятью, раздражительности и изменениям зрения или слуха».

Кадмий

Согласно рейтингу ATSDR, кадмий является 7-м по токсичности тяжелым металлом. Кадмий интересен тем, что как только он подвергается воздействию людей (на работе) или животных в их окружающей среде, он будет накапливаться в организме на протяжении всей жизни человека / животного. Хотя кадмий использовался в качестве замены олова во время Первой мировой войны и пигмента в лакокрасочной промышленности, сегодня он используется в основном в аккумуляторных батареях, табачном дыме и производстве некоторых сплавов.

Как заявило Агентство регистрации токсичных веществ и заболеваний, «в США более 500 000 рабочих ежегодно подвергаются воздействию токсичного кадмия». Также утверждается, что наибольшее воздействие кадмия наблюдается в Китае и Японии.

Кадмий оказывает огромное влияние на почки и кости. Это может вызвать минерализацию костей, которая «представляет собой процесс откладывания минералов на матрице кости». Это может произойти из-за нарушения функции почек или повреждения костей.

Хром

Седьмой по содержанию элемент, хром, может появиться естественным образом при сжигании нефти и угля и выбрасывается в окружающую среду через сточные воды и удобрения. Использование хрома можно увидеть в «таких отраслях, как металлургия, гальваника, производство красок и пигментов, дубление, консервирование древесины , химическое производство и производство целлюлозы и бумаги ». Токсичность хрома влияет на «биологические процессы в различных растениях, таких как кукуруза, пшеница, ячмень, цветная капуста, цитрулл и овощи. Токсичность хрома вызывает хлороз и некроз растений».

Пестициды

Пестициды являются основным источником токсичности для окружающей среды. Известно, что эти химически синтезированные агенты сохраняются в окружающей среде еще долгое время после их введения. Плохая способность пестицидов к биологическому разложению может привести к биоаккумуляции химических веществ в различных организмах наряду с биомагнификацией в пищевой сети. Пестициды можно разделить на категории в зависимости от вредителей, на которые они нацелены. Инсектициды используются для уничтожения сельскохозяйственных вредителей, поражающих различные фрукты и культуры. Гербициды нацелены на вредителей трав, таких как сорняки и другие нежелательные растения, которые снижают урожайность сельскохозяйственных культур.

ДДТ

Дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ) - это хлорорганический инсектицид , который был запрещен из-за его вредного воздействия как на людей, так и на дикую природу. Инсектицидные свойства ДДТ были впервые обнаружены в 1939 году. После этого открытия ДДТ широко использовался фермерами для уничтожения сельскохозяйственных вредителей, таких как картофельный жук, ночная бабочка и кукурузная ушатка. В 1962 году вредные последствия широкого и неконтролируемого использования ДДТ были подробно описаны Рэйчел Карсон в ее книге «Тихая весна». Такие большие количества ДДТ и его метаболита дихлордифенилдихлорэтилена (ДДЭ), которые выбрасываются в окружающую среду, были токсичными как для животных, так и для человека.

DDT не легко биоразлагаемый и , таким образом, химические накапливается в почве и донных отложения стока . Водные системы становятся загрязненными, а морские обитатели, такие как рыба и моллюски, накапливают ДДТ в своих тканях. Кроме того, этот эффект усиливается, когда животные, потребляющие рыбу, также потребляют химическое вещество, демонстрируя биомагнификацию в пищевой сети. Процесс биомагнификации пагубно сказывается на различных видах птиц, поскольку ДДТ и ДДЭ накапливаются в их тканях, вызывая истончение скорлупы яиц. В результате в Европе и Северной Америке наблюдается быстрое сокращение популяций птиц.

Люди, употребляющие животных или растения, загрязненные ДДТ, испытывают неблагоприятные последствия для здоровья. Различные исследования показали, что ДДТ оказывает разрушительное действие на печень , нервную систему и репродуктивную систему человека.

К 1972 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) запретило использование ДДТ в США . Несмотря на регулирование этого пестицида в Северной Америке, он все еще используется в некоторых регионах мира. Следы этого химического вещества были обнаружены в заметных количествах в притоке реки Янцзы в Китае , что позволяет предположить, что пестицид все еще используется в этом регионе.

Хотя ДДТ был запрещен в 1972 году, некоторые пестициды (а также другие химические вещества) оставались в окружающей среде. Это задержание токсичного материала привело к почти исчезновению сапсана. Высокие уровни ДДТ были обнаружены во многих областях, таких как «яйца, жир и ткани птицы». Правительство . работал с природоохранными группами, помогая им размножаться из зараженной территории. Наконец, в 1999 году птицы были исключены из списка исчезающих видов в США.

Сульфурилфторид

Сульфурилфторид - это инсектицид, который при попадании в окружающую среду распадается на фторид и сульфат . Известно, что фтор отрицательно влияет на водную дикую природу. Было доказано, что повышенный уровень фторида снижает эффективность кормления и рост карпа ( Cyprinus carpio ). Воздействие фторида изменяет ионный баланс, общий уровень белка и липидов в организме этих рыб, что изменяет их состав тела и нарушает различные биохимические процессы.

Цианобактерии и цианотоксины

Цианобактерии или сине-зеленые водоросли - фотосинтезирующие бактерии. Они растут во многих типах воды. Их быстрый рост («цветение») связан с высокой температурой воды, а также с эвтрофикацией (в результате обогащения минералами и питательными веществами, часто из-за стока с земли, который вызывает чрезмерный рост этих водорослей). Многие роды цианобактерий производят несколько токсинов. Цианотоксины могут быть дерматотоксичными, нейротоксичными и гепатотоксичными, хотя смерть, связанная с их воздействием, случается редко. Цианотоксины и их нетоксичные компоненты могут вызывать аллергические реакции, но это плохо изучено. Несмотря на известную токсичность, разработка конкретного биомаркера воздействия была сложной задачей из-за сложного механизма действия, которым обладают эти токсины.

Наличие цианотоксинов в питьевой воде

Наличие этого токсина в питьевой воде зависит от нескольких факторов. Во-первых, это уровень питьевой воды в сырой исходной воде, а во-вторых, он зависит от эффективности удаления этих токсинов из воды, когда питьевая вода фактически производится. Из-за отсутствия данных об отсутствии / наличии этих токсинов в питьевой воде очень сложно реально контролировать их количество в готовой воде. Это результат того, что в США нет государственных или федеральных программ, которые фактически контролируют присутствие этих токсинов в установках для очистки питьевой воды.

Воздействие токсинов на людей

Хотя данные о влиянии этих двух токсинов ограничены, из имеющихся данных можно предположить, что токсины атакуют печень и почки. Вспышка, напоминающая гепатоэнтерит, произошла на острове Палм, Австралия (1979 г.) из-за потребления воды, содержащей « C. raciborskii , цианобактерии, которые могут продуцировать цилиндроспермопсин». В большинстве случаев (обычно с участием детей) их нужно было доставить в больницу. Последствия госпитализации включают: рвоту, повреждение почек (из-за потери воды, белка и электролитов), лихорадку, кровавый понос и головные боли.

Общества

• Американский колледж токсикологии ( ACT )
• Общество экологической токсикологии и химии ( SETAC )
• Общество токсикологии ( СОТ )

Журналы

• Перспективы гигиены окружающей среды
• Экологическая токсикология
• Экологическая токсикология и фармакология
• Журнал экологической науки и здоровья
• Журнал токсикологии и гигиены окружающей среды
• Токсикологическая и экологическая химия

Смотрите также

• Экотоксикология
• Экологическая химия
• Наука об окружающей среде
• Токсикология
• Неприемлемые уровни (документальный фильм, 2013)

использованная литература

Примечания

дальнейшее чтение

внешние ссылки

• СМИ, связанные с экологической токсикологией на Викискладе?
• Краткая история экологической токсикологии