CC BY
8
УДК 614.777 : 543.33 : 546.45
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ К ОБОСНОВАНИЮ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ БЕРИЛЛИЯ В ВОДЕ ВОДОЕМОВ
Л. А. Сажина
Бериллий довольно широко распространен в природе в виде примесей в минералах и горных породах, содержится в живых организмах (Cholak; А. О. Войнар). Наряду с очень незначительным содержанием этого элемента (0,105—0,004 мкг/л) в некоторых природных водах (Bunseki и Kagaku; А. А. Беус; Sulcek и соавторы) возможно его поступление в водоем с промышленными стоками, образующимися при получении и использовании бериллия.
В современной литературе он описан как яд общетоксического действия с высокой степенью кумуляции. В связи с этим допустимое содержание его в водных источниках должно быть ограничено гигиенически обоснованным нормативом. Вместе с тем в работах по токсикологии бериллия отсутствуют данные, касающиеся длительного пер-орального введения в организм малых доз его, которые могли бы послужить основанием для гигиенического нормирования этого вещества в водоемах.
Для обоснования предельно допустимой концентрации бериллия в водоемах мы провели исследования, включавшие полный комплекс, предопределяемый общепринятой методической схемой (С. Н. Чер-кинский). В ходе исследований использован сернокислый и хлористый бериллий как вещества, хорошо растворимые в воде и имеющие большое практическое применение.
Проведенные нами опыты по изучению стабильности показали, что поведение сульфата и хлорида бериллия в водных растворах было идентично и зависело от pH среды. В нейтральной среде к 5-м суткам концентрация хлорида бериллия снижалась до 30%, а сульфата бериллия— до 83—35%. К 10-м суткам бериллий из раствора выпадал полностью. В кислой среде стабильность этого элемента зависела от количественного его содержания. В щелочной среде к 5-м суткам хлорид и сульфат бериллия в растворе не обнаруживали. Уменьшение содержания бериллия в воде связано в основном с образованием мало растворимого гидрата окиси его.
Содержание бериллия в воде мы определяли колориметрическим методом в присутствии бериллона П. и РЕА (Ю. Н. Дунаева). Чувствительность метода 0,002 мг/л.
Бериллий в концентрации до 1 мг/л не изменял вкуса и прозрачности воды. При более высоких концентрациях (10 мг/л) сернокислого и хлористого бериллия наблюдалось снижение прозрачности воды, что, вероятно, обусловлено образованием (в результате гидролиза) коллоида гидроокиси бериллия.
В опытах по изучению влияния бериллия на процессы естественного самоочищения воды были испытаны концентрации его 0,005, 0,01, 0,1, 0,5 и 1 мг/л. Полученные результаты показали, что в действии сульфата и хлорида бериллия на динамику биохимического потребления кислорода нет особой разницы. Бериллий в концентрациях 0,5—1 мг/л вызывает резкое торможение процессов биохимического потребления кислорода.
Эти концентрации сильно угнетают и развитие находящейся в воде сапрофитной микрофлоры. При концентрации 0,005 мг/л биохимическое окисление органических веществ и развитие бактерий про-
исходили с интенсивностью, близкой к контролю. В концентрациях 0,005—0,5 мг/л бериллий не задерживал процессы аммонификации и нитрификации (рис. 1, 2).
Таким образом, результаты исследования позволяют считать концентрацию бериллия 0,01 мг/л пороговой по влиянию на общий санитарный режим водоема (по показателю биохимического потребления кислорода).
5 ПК (8мг///) 5
В 1 г 3 <* 5 6 7 8 9 10 Время (В сушка к)
ВПК (Вмг/л)
0 1 г 3 Ь 5 6 7 8 9 10 время (Ö сутках)
Рис. 1. Влияние хлорида бериллия на динамику биохимического потребления кислорода (ВПК) (средние данные из трех серий опытов).
а—контроль; б —доза 0,005 мг/л; в —доза 0,01 мг/л; г — доза 0,1 мг/л; д — доза 0,5 мг/л-. е — доза 1 мг/л.
Рис. 2. Влияние сульфата бериллия на динамику биохимического потребления кислорода (ВПК) (средние данные из трех серий опытов).
а —контроль; б — доза 0,005 мг/л: в — доза 0,01 мг/л; г — доза 0,1 мг/л; д — доза 0,5 мг/л; е — доза 1 мг/л.
Несмотря на то что механизм токсического действия бериллия до сих пор не выяснен, работами отечественных и зарубежных исследователей было установлено, что этот элемент является сильным общетоксическим ядом, приводящим к поражению дыхательной, нервной и сердечно-сосудистой систем, паренхиматозных органов, кожи и слизистых оболочек глаз. Он оказывает также угнетающее действие на ферментативную деятельность организма и состояние красной крови.
Так, В. В. Мельников в опытах на крысах при однократной ингаляционной затравке уксуснокислым бериллием в концентрациях 0,08—0,5 мг/м3 обнаруживал нарушения высшей нервной деятельности, проявляющиеся в изменениях со стороны возбудительного и тормозного процессов и соотношений между ними. Ф. Клемперер с соавторами в опытах, проведенных in vitro, отмечали, что бериллий в очень низких концентрациях (до Ю-5 М) оказывает сильное тормозящее действие на щелочную фосфатазу. Г. Стокингер с соавторами обнаруживали у подопытных животных токсическую анемию, сходную с макроцитарным типом (с уменьшением числа эритроцитов и гемоглобина).
Характерной особенностью бериллия является длительный латентный период проявления интоксикации и отсутствие прямой корреляции между дозой действующего вещества, продолжительностью контакта и реакцией организма (А. М. Рашевская и др.).
Литературные данные о токсическом действии бериллия касаются главным образом ингаляционного поступления его в организм в основном в больших дозах. Что касается действия малых доз вещества нри
пероральном поступлении в организм, то этот вопрос не изучен, если иметь ввиду задачи санитарной охраны водоемов.
Наши исследования были начаты с проведения острых опытов для выяснения токсичности изучаемых соединений бериллия при пероральном поступлении. В опытах на 130 белых мышах и 72 белых крысах с однократным введением сульфата и хлорида бериллия в дозах 20, 30, 50, 100, 125, 135 и 150 мг[кг (здесь и далее в пересчете на чистый металл) было установлено, что среднесмертельная доза сульфата бериллия (LD50) для мышей — 80±5,6 мг/кг, а для белых крыс — 82±9,7 мг/кг. Среднесмертельная доза хлорида бериллия (LD50) для мышей составляла 92±7 мг/кг, а для крыс —86± 10,3 мг/кг (полученные результаты эксперимента были обработаны статистическим способом пробит-анализа по графическому методу Миллера и Тейнтера).
Для выявления степени кумуляции бериллия были поставлены 2 серии опытов на 25 белых мышах. В I серии опытов испытан сульфат бериллия, во II — хлорид бериллия в дозе '/ioLDioo- Было обнаружено, что бериллий обладает выраженными кумулятивными свойствами, все животные показали степень кумуляции меньше 1.
В опыте на 30 белых крысах, которым сульфат и хлорид бериллия вводили ежедневно в дозах 10, 5 и 1 мг/кг, было установлено, что оба соединения в дозе 10 мг/кг вызывали гибель животных на 1-м месяце затравки. Смерть наступала при явлениях бериллиевой интоксикации, описанной в литературе. При действии меньшей дозы (5 мг/кг) гибель животных наступала в более поздние сроки (через 1—l'/г месяца от начала затравки).
В группе крыс, получавших бериллий в дозе 1 мг/кг, случаи гибели были единичными. У них исследована нервно-мышечная возбудимость (методом хронаксиметрии), уровень потребления кислорода и морфологический состав крови. При воздействии дозы 1 мг/кг наблюдались изменения соотношения между хронаксией сгибателей и разгибателей за счет увеличения хронаксии последних. Колебания уровня потребления кислорода оказались небольшими и существенно не отличались от тех же показателей в контрольной группе животных. В связи с непродолжительностью опыта закономерность изменений в составе перифери ческой крови трудно было установить.
Ввиду того что испытанные выше дозы вещества вызывали гибель животных, в подостром опыте, поставленном на 35 кроликах, дози ровки его были снижены до 0,5, 0,1 и 0,01 мг/кг и, согласно литературным данным, использованы более чувствительные тесты (изучение костномозгового кровотворения, морфологического состава крови, активности щелочной фосфатазы сыворотки крови, гликогенообразовательной функции печени методом сахарной нагрузки галактозой). У животных отмечено в первую очередь изменение состава красной крови, что нашло свое выражение в угнетении эритропоэза в костном мозгу. Снижение эритропоэза проявилось в увеличении лейкоэритробластического индек са по сравнению с исходным фоном в каждом индивидуальном случае и с контролем.
Процесс образования красных ядерных клеток нарушался достаточно интенсивно. При этом страдали все формы родоначальных клеток. Процесс созревания клеток (синтез гемоглобина в красных ядерных клетках) не был нарушен, что выразилось в отсутствии закономерных изменений в данных индекса созревания. Количество эритроцитов в 1 мм3 крови изменялось неоднозначно — оно то повышалось, то понижалось. На 2-м месяце затравки отмечено снижение количества ретикулоцитов. В лейкоцитарной же формуле не удалось отметить каких-либо существенных различий.
У подопытных животных, как правило, обнаружена тенденция к снижению активности щелочной фосфатазы. Более выраженное угне-
тение активности фермента отмечено при воздействии наиболее высокой дозы сульфата бериллия; хлорид бериллия в этой же дозе вызывал угнетение фермента лишь в начале затравки. При наиболее низкой дозе сульфата бериллия (0,01 мг/кг) удалось установить статистически достоверное угнетение активности фермента лишь в конце 2-го месяца затравки. В характере же гликемических кривых у подопытных животных не удалось выявить особо четких изменений.
При испытанных нами дозах соединений бериллия в подостром опыте изменения во внутренних органах животных характеризуются сосудистыми нарушениями в виде застоя и кровоизлияний в первую очередь в двенадцатиперстной кишке и нижележащих отделах тонкого кишечника; сосудистые изменения отмечены в печени и почках, а иногда и в легких.
В связи с тем что испытанные в подостром опыте дозы бериллия вызывали изменения состава красной крови, активности щелочной фос-фатазы и сосудистые нарушения во внутренних органах подопытных-животных, мы для установления недействующих концентраций в хроническом санитарно-токсикологическом эксперименте использовали малые дозы вещества (0,001, 0,0001 и 0,00001 мг/кг) и тесты, оказавшиеся наиболее чувствительными в подостром опыте. Опыт проведен на 37 кроликах и 24 белых крысах.
В опыте на белых крысах, которым вводили сульфат бериллия в течение 8'/г месяцев, изучали состояние условнорефлекторной деятельности по укороченному варианту двигательно-пищевой методики для мелких животных (А. А. Голубев). Влияние малых доз на условно-рефлекторную деятельность исследовали после 4 месяцев затравки и в дальнейшем на фоне продолжающейся затравки.
Полученные результаты показали, что под влиянием дозы 0,001 мг/кг сульфата бериллия уровень гемоглобина и эритроцитов в единице объема крови у подопытных животных изменялся неоднородно. В части случаев в первые 2 месяца наблюдалось некоторое падение гемоглобина. Лишь к 5—6-му месяцу затравки уровень гемоглобина вернулся к исходному. Количество ретикулоцитов у подопытных кроликов в первые 2—4 месяца затравки было на более низком уровне, чем в контроле. В дальнейшем к 5—6-му месяцу затравки как у подопытных, так и у контрольных животных отмечено повышение ретикулоцитарной кривой. Эритропоэз в костном мозгу был угнетен, что сказалось в увеличении лейкоэритробластического индекса. Анализ эритробластограм-мы показал на 4—5—6-м месяце затравки задержку эритропоэза в начальных его стадиях (проэритробласты и базофильные эритробла-сты) (табл. 1). С уменьшением дозы бериллия до 0,0001 мг/кг изменения в периферической крови, в эритропоэзе носили аналогичный характер, но были менее выражены, чем при действии предыдущей дозы.
У животных, подвергавшихся воздействию наименьшей дозы бериллия (0,00001 мг/кг), количество гемоглобина и эритроцитов изменялось неоднородно, то повышаясь, то понижаясь в отдельные периоды затравки по сравнению с исходным уровнем. Количество ретикулоцитов на 4—5—6-м месяце затравки повышалось, однако существенной разницы с контролем отмечено не было.
В красном костном мозгу при действии указанной дозы вещества особых изменений, отличных от данных контроля, также не удалось отметить. Так, лейкоэритробластический индекс у подопытных животных колебался в пределах контроля, изменений в динамике синтеза гемоглобина в клетках не обнаружено, что нашло свое подтверждение в отсутствии закономерных изменений в индексе «созревания». В лейкоцитарной формуле существенных изменений также не было. Таким образом, дозу бериллия 0,00001 мг/кг можно рассматривать как под-пороговую по состоянию красной крови.
Таблица I
Изменение состава красной крови кроликов в условиях хронического опыта
Месяцы затравки
Показатель 1-Я 2-й 3-й 4-й 5-й 6-й
Доза 0,001 мг/кг
Гемоглобин Ретикулоциты 94+2,0 Я>0,05 87+2,5 /><0,02 2,1+0,4 Я>0,05 97+2,9 />>0,05 86+2,8 />>0,05 2 +0,2 /><0,02 97+3,2 />>0,05 4,2+0,7 />>0,05 105+3,3-/><0,05 3,5+0,4 />>0,05
Костный мозг лейкоэритробла-стический индекс индекс созревания — — — 3,5±13,2 0,8—0,9 6,1—7,3 0,7—0,9 3,8—7,7" 0,6—0,7^
Доза 0,00001 мг/кг
Гемоглобин Ретикулоциты 87+3,1 /><0,05 3,4+1,1 Р>0,05 9,4+2,8 Я<0,05 2,5+0,3 />>0,05 91+3,0 Р> 0,05 86+2,5 /><0,01 3,8+0,4 Р>0,05 93+2,3 Я>0,05 4,4+0,4 />>0,05 87+2,7 Р< 0,05 5,6+0, Я >0,055
Костный мозг лейкоэритробла-стический индекс индекс созревания — — _ 3,2—3,7 0,8 3,4—4,8 0,8—0,9 3,1—4,8 0,8—0,9-
Гемоглобин Ретикулоциты 95+1,4 3,3+0,36 103+2,3 2,6±0,22 92±2,0
Костный мозг лейкоэритробла-стический индекс индекс созревания _ — _
Контроль
95±1,6 | 97±2,1 ! 95±2,2 3,4+0,46 5,2±0,59 4,5±0,61
3,1—3,7 0,8—0,9
2,3—3,4 0,7—0,9
Сульфат бериллия во всех испытанных дозах не оказывал существенного влияния на состояние активности щелочной фосфатазы и на белковые фракции сыворотки крови.
Изучение функционального состояния высшей нервной деятельности животных, получавших бериллий в дозах 0,001 и 0,0001 мг/кг, показало, что он вызывает существенные нарушения условнорефлекторной деятельности как на стадии образования положительных рефлексов, гак и на стадии выработки стереотипа. Нарушение условнорефлекторной деятельности выразилось в отставании выработки и укрепления положительных рефлексов и в удлинении латентного периода. Условно-рефлекторные реакции оказались непрочными, число выпадений положительных рефлексов у подопытных животных было значительно-выше, чем у контрольных (табл. 2).
На стадии выработки стереотипа у всех животных, подвергавшихся воздействию бериллия, наблюдалось еще большее удлинение латентного периода как на сильный, так и на слабый раздражитель. Сравнение со средними данными контроля позволило установить достоверную разницу лишь при воздействии доз 0,001 и 0,0001 мг/кг (табл. 3). Было отмечено большое число выпадений рефлекса на звонок при воздействии дозы 0,001 мг/кг и на свет при дозах 0,001 и 0,0001 мг/кг.
Таблица 2
Изменение положительных условных рефлексов у животных1 под влиянием бериллия
■ Положительные реакции из 100 сигналов
о. X условный раздражитель
Доза в звонок красный свет
сульфата и
бериллия 3"
(в мг/кг) ь и латентный выпадение латентный выпадение
= в Н я период рефлексов период рефлексов
г & (в сек.) (в %) (в сек.) (в %)
О
0,001 М 1,2 2,4 2,0 14,6
т+ 0,1 1,2 0,04 1,5
* 2,61 0,63 6,25 3,52
Р <0,05 — <0,001 <0,01
п 4 4 4 4
0,0001 М 1,2 2,7 1,7 ' 12,7
т± 0,1 0,91 0,26 1,8
г 2,61 1,0 0,38 2,24
р <0,05 — — 0,05
л 6 6. 6 6
0,00001 м 1,0 2,2 1,7 10,8
т+ 0,06 0,6 0,04 1,78
1 1,17 0,7 1,56 1,4
п 5 5 5 5
Контроль М 0,9 1,5 1,6 8,0
т± 0,06 0,8 0,05 1,1
п 6 6 6 6
1 5—6 животных на каждую дозу.
Таблица 3
Показатели условнорефлекторной деятельности белых крыс в конце хронического опыта-
Показатель условнорефлекторной деятельности белых крыс Статистические критерии Контроль Доза бериллия (в 0,001 1 0,0001 мг/кг) 0,00001
Латентный период рефлекса на звонок М 0,8 1,6 1,3 0,9
(веек.) х т+ 0,04 0,06 0,08 0,03
/ — 11,4 4.4 2,0
Р — <0,001 <0,02 —
п 6 4 6 5
Латентный период рефлекса на свет М 1,2 2,6 1,9 1,4
(в сек.) т+ 0,09 0,18 0,1 0,06
/ — 7,0 5,2 2,0
Р — <0,001 <0,001 —
п 6 4 6 5
Последовательное торможение на звонок М 63 60 70 66
(в %) т+ 3,3 7,1 7,3 5,1
г о — 0,38 0,87 0,49
Г п 6 4 6 5
Последовательное торможение на свет м 53 72 63 72
(в %) т+ 7,61 2,52 0,93 8,6
1 — 2,37 1,31 1.65
Р А <0,05 л с к
Применение дифференцировочного раздражителя вызывало последовательное торможение в виде удлинения латентного периода условного рефлекса, особенно на слабый раздражитель. Появились фазовые состояния в виде уравнительной и парадоксальной фаз у двух групп животных, получавших бериллий в дозах 0,001 и 0,0001 мг/кг. Диф-
ференцировочное торможение оставалось без существенных изменений.
При воздействии минимальной дозы бериллия (0,00001 мг/кг) не удалось отметить в состоянии условнорефлекторной деятельности белых крыс особых изменений, которые отличались бы от данных контроля. Таким образом, недействующей дозой вещества по данному тесту можно считать 0,00001 мг/кг.
Патогистологические исследования показали, что длительное введение бериллия в испытанных дозах (0,001, 0,0001 и 0,00001 мг/кг) не вызывает специфических изменений внутренних органов подопытных животных.
Выводы
1. Экспериментальные исследования по влиянию бериллия на орга-нолептические свойства воды и санитарный режим водоемов, а также изучение токсических свойств этого элемента показали, что лимитирующим признаком вредности является влияние его на организм теплокровных животных.
2. В санитарно-токсикологическом эксперименте установлено, что 0,0001 мг бериллия на 1 кг веса животного является пороговой дозой, вызывающей функциональное нарушение эритропоэза в костном мозгу, изменения состояния красной крови и условнорефлекторной деятельности белых крыс.
Минимальная доза бериллия (0,00001 мг/кг) оказалась недействующей.
3. Пороговая концентрация вещества, установленная по влиянию его на общий санитарный режим водоема (0,01 мг/л по показателю биохимического потребления кислорода), во много раз превышает недействующую дозировку в санитарно-токсикологическом эксперименте (0,00001 мг/кг или 0,0002 мг/л).
4. Нормирование предельно допустимой концентрации бериллия в водоемах должно производиться по токсикологическому показателю вредности — в пределах не более 0,0002 мг/л, что на практике может соответствовать требованию отсутствия бериллия в воде.
ЛИТЕРАТУРА
Б е у с А. А. Геохимия бериллия и генетические типы бериллиевых месторождс ний. М., 1960.—Войн ар А. О. Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека. М., 1953.—Голубев А. А. Тезисы докл. 5-й Ленинградск. конференции по вопросам промышленной токсикологии. Л., 1957, стр. 13.—Дунае-в а Ю. Н. Гиг. и сан., 1963, № 9, стр. 58 — К л е м п е р е р Ф. В., Миллер Д. М.. Хилл К. В кн.: Токсикология бериллия. М., 1953, стр. 111.—Мельников В. В Фармакол и токсикол., 1959, № 3, стр. 1261.—Рашевская А. М. и др. В кн.: Промышленная токсикология и клиника профессиональных заболеваний химической этио логии. М., 1962, стр. 211.—Стокингер Г., Страуд С. А., Рочестер М. Т. В кн.: Токсикология бериллия. М., 1953, стр. 104.
Поступила 24/VIII 1964 г.
EXPERIMENTAL DATA ТО SUBSTANTIATE THE MAXIMUM PERMISSIBLE CONCENTRATION OF BERYLLIUM IN WATER BODIES
L. A. Sazhina
The effect of beryllium on the organoleptic properties of water, on the water bodies sanitary regimen and its toxic properties were studied. The sanitary toxicologic espect of beryllium proved to be the limitting negative sign of harmfulness.
A sanitary toxicologic test showed that the threshold dose, causing functional disturbances of the erythropoiesis in the bone marrow, changes in the red blood composition and the conditioned reflex activity of albino rats comprised 0.0001 mg/kg. Beryllium in a dose of 000001 mg/kg (corresponding appromixately to 0.0002 mg/1) proved to be inefficient. However, due to its high toxicity, pronounced cumulative capacity and the lack at the present time of a method of detecting beryllium in such small concentrations in the water, the discharge of it into water bodies should be forbidden completely.
