CC BY
2
О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 1908 УДК 615.916:546.3|:628.54
Н. В. Русаков, Л. X. Мухамбетова, Н. В. Пиртахчя, 3. И. Коганова ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ, СОДЕРЖАЩИХ ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ
НИМ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН, Москва
Металлсодержащие промышленные отходы (ПО) формируются в металлургической, машиностроительной, авиационной промышленности, гальванических производствах и занимают значительный удельный вес в общем объеме ПО, складированных на почве. Присутствующие в их составе тяжелые металлы (ТМ), такие как кадмий, свинец, хром, никель и др., обладают высокой биологической и миграционной активностью. Проникая в поверхностные и грунтовые воды, накапливаясь в растениях, они создают опосредованную опасность воздействия на организм человека. При определении мер по обезвреживанию и утилизации данной категории ПО необходимо располагать сведениями об их токсикологических свойствах.
Токсичность ТМ при их изолированном действии на теплокровный организм достаточно изучена. Известно, что при поступлении в организм они могут оказывать влияние на функцию кроветворения, вызывать изменения морфологического состава периферической крови, блокировать сульфгидрильные группы (БН), а также представлять опасность в отношении развития канцерогенного, генетических и других отдаленных биологических эффектов |1, 8, 9]. Установлена высокая чувствительность внутриклеточных органелл к воздействию даже малых концентраций ТМ [2].
Вместе с тем сведения о токсичности отдельных ТМ являются недостаточными для характеристики биологической активности многокомпонентных отходов, поскольку не учитывается комбинированное действие на организм всех его составляющих. Объективная информация об опасности ПО как комбинированных токсичных агентов может быть получена путем их экспериментального изучения.
Цель настоящей работы состояла в сравнительной оценке биологического действия ряда металлсодержащих ПО на организм теплокровных животных в условиях санитарно-токсикологических экспериментов.
Поскольку предусматривалась оценка опасности ПО для организма в связи с возможной миграцией компонентов в водоисточники, то мето-
дической базой настоящей работы служили основные принципы изучения токсичности водных загрязнений |4| с учетом специфических особенностей ПО.
Объектами исследований являлись отходы литейного производства (смеси гальванических шла-мов № 6, 10, 27, "ЗТ", "С", "Гальваника"), содержащие различные количества ТМ (см. таблицу).
Для интоксикации животных был избран путь поступления ПО в организм в виде буферных экстрактов, которые наиболее адекватно отражают содержание подвижных форм ТМ, определяющих биологическую активность отхода |6|. Экстракция осуществлялась ацетоаммонийным буфером рН 4,8, соотношение отход:буфер составляло 1:10 [7|. Основным контролем являлась московская водопроводная вода, дополнительным — буферный раствор, что диктовалось необходимостью отдифференцировать роль изучаемого отхода в формировании неблагоприятных эффектов, возникающих под влиянием его экстракта. Эксперименты выполнены на 300 белых беспородных крысах-самцах с начальной массой тела 170—200 г, содержащихся на однотипном рационе питания. Это позволило стандартизировать поступление микроэлементов с пищей.
Изучение острой токсичности ПО проводилось в двух сериях экспериментов. С учетом массы тела подопытные животные получали натив-ные экстракты ПО, интактные — адекватные объемы контрольных растворов. В первой серии образцы вводили однократно в максимально возможных количествах (до 4 мл на крысу), во второй — дробно, по 3—4 мл с интервалом 1,5—2 ч (всего — 13—14 мл на крысу в течение дня). В обеих сериях длительность наблюдения за животными составляла 20 дней.
Исследование биологического действия ПО в условиях длительного поступления в организм буферных экстрактов осуществляли в динамике через 1, 5, 15, 30 сут и далее ежемесячно в течение 4—6 мес. Животных декаптировали через 15, 30 сут и 4, 6 мес от начала воздействия.
Выбор тестов оценки функционального состояния организма базировался на данных лите-
Содсржанис (в мг/л) ТМ в буферных экстрактах ПО
Металл № 6 № 10 № 27 "Гальваника" "ЗТ" •С"
Железо 0,30 0,22 28,03 0,15 19.80 19,70
Кадмий 0.02 0,02 0,06 4,15 0.015 н.о.
Кобальт н. о. н. о. 0,37 0,13 0,06 1,80
Магний 0,79 3,78 3,77 4,15 2,88 2,81
Марганец 0,10 0,27 0,87 2,87 3,56 5,00
Медь 0,02 0,23 0,06 0,17 0,21 0,43
Никель н. о. 0,07 0,23 43,43 1,85 5,50
Стронций Н. О. 0,30 0,30 7,30 н. о. н. о.
Хром Н. О. н. о. 0,40 260,00 0,10 0,10
Цинк 0,14 0,16 5,27 5,85 0,84 3,66
Свинец Н. о. Н. О. н. о. н. о. н. о. 0,1
Примечание, н. о. — не обнаружено.
ратуры о токсичности ТМ, присутствующих в изучаемых отходах. Так, в крови животных определяли комплекс гематологических показателей: число лейкоцитов, содержание гемоглобина, число и объем эритроцитов, показатель гематокрита, активность БН-групп.
Для интегральной оценки состояния организма при поступлении хрома, свинца, кадмия и других металлов ранее была использована система биохимических критериев, характеризующих проницаемость биологических мембран и основные процессы жизнедеятельности клетки (энергообеспечение, защитные, пластические функции и пр.) [3, 5]. Поскольку для комбинации ТМ в составе ПО аналогичные критерии не отработаны, в данных исследованиях применена система биохимических показателей состояния ферментных систем с различной клеточной локализацией (митохондрии, микросомы, лизосомы, цитозоль). В различном биологическом материале (печень, почки и сыворотка крови) изучали активность ферментов (З-М-ацетилг-люкозаминидазы (КФ.3.2.1.30), р-галактозидазы (КФ. 3.2.1.23), р-глюкуронидазы (КФ.3.2.1.31), ма-латдегидрогеназы (МДГ) (КФ. 1.1.1.37), лактатдегид-рогеназы — (ЛДГ) (КФ. 1.1.1.27), ацетилэстеразы (КФ.3.1.16) и содержание малонового диальдегида (МДА).
Наряду с этим в ходе экспериментов систематически велось наблюдение за внешним видом, поведением, динамикой массы тела животных. Посмертно определяли коэффициенты массы печени, почек, надпочечников, селезенки, семенников, тимуса.
Результаты исследований обрабатывали статистически с использованием критерия Стыодента.
При изучении острой токсичности за период наблюдения не отмечено существенных различий в поведении, внешнем виде подопытных и контрольных крыс. Не зафиксированы случаи гибели животных. Не было выявлено изменений и при морфологическом исследовании. Приведенные факты свидетельствуют об отсутствии каких-либо признаков интоксикации при кратковременном воздействии буферных экстрактов на организм, что не позволяет установить параметры острой токсичности ПО из-за низкого содержания ТМ в экстрактах.
В ходе экспериментальных исследований, проведенных в условиях длительного поступления в организм буферных экстрактов ПО, не отмечено статистически значимых изменений таких показателей, как масса тела, объем эритроцитов, показатель гематокрита, активность БН-групп в крови.
Вместе с тем при изучении морфологического состава крови под воздействием экстрактов "ЗТ", "С" и "Гальваника" отмечалось статистически достоверное по сравнению с контролем, повышение содержания гемоглобина (на 12 — 95%; р < 0,05— 0,01), причем максимальные изменения отмечались на 5-е сутки опыта. К концу 1-го месяца затравки происходило увеличение числа эритроцитов в группах "С" и "Гальваника" (на 33—35%; р < 0,01—0,002). Одновременно достоверно повышалось число лейкоцитов в крови животных под влиянием экстрактов "ЗТ" (на 70%; р < 0,01) и "С" (на 40%; р < 0,05). Следует отметить, что нарушения в периферической крови наблюдались на начальной стадии экспериментов (в пределах
30 сут). Совокупность и однонаправленность полученных биоэффектов позволяет рассматривать их как неблагоприятную реакцию животных, вызванную поступлением в организм экстрактов указанных отходов.
При проведении биохимических исследований было установлено, что биологическое действие экстракта № 27 через месяц сопровождалось преимущественно изменением в ткани печени, где отмечено снижение активности ацетилэстеразы, принимающей участие в гидролизе эфирных связей различных макромолекул, в том числе липид-ных производных. Активность мембраносвязанно-го фермента лизосом р - N -а цет и л гл ю ко за м и н ид а -зы в ткани печени была выше контрольного уровня на 48%, а в сыворотке крови уменьшалась в среднем на 24%. Такая же направленность изменений отмечена и в отношении митохондриального фермента МДГ, активность которого 15 сыворотке крови была на 29% ниже таковой в контроле. Выявленные изменения в печени и сыворотке крови мо-гут быть следствием напряжения компенсаторных процессов.
Параллельно этому установлено усиление процессов детоксикации, о чем свидетельствует снижение активности р-глюкуронизады в ткани почек (25% от контрольного уровня).
Воздействие на организм данного отхода через 6 мес. вызывало изменения метаболических реакций в ткани почек, а именно, статистически достоверное увеличение активности р-глюкуронида-зы, указывающее на ослабление детоксицирую-щей функции почек. Выявлено также и снижение процессов энергообразования на уровне цикла Кребса, которое оценивали по уменьшению активности МДГ (24% от контроля) не только в почках, но также в печени и сыворотке крови. В последней обнаружено и снижение активности р-Ы-ацетилглюкозаминидазы. Кроме того, в ткани почек отмечено повышение активности ацетилэстеразы на 34%, что характеризует активацию гидролиза сложных эфиров, вследствие чего возможно накопление ацетилпроизводных соединений.
Полученные биоэффекты свидетельствуют о неблагоприятном влиянии на организм экспериментальных животных экстракта № 27.
Интоксикация животных экстрактом "С" в начале эксперимента сопровождалась разнонаправленными изменениями активности ферментов различной клеточной локализации: ацетилэстеразы (увеличение), р-М-ацетилглюкозаминидазы (снижение) и ЛДГ в сыворотке крови. При длительном воздействии происходило нарушение процессов детоксикации в печени, что выразилось в повышении содержания МДА на 34% выше контрольного. Одновременно возрастала активность ЛДГ. В ткани почек обнаружено снижение активности ацетилэстеразы, а в сыворотке крови ее повышение в среднем на 42% по сравнению с контролем. В связи с тем что активность этого фермента в сыворотке крови превышала таковую в контроле на протяжении всего эксперимента, можно констатировать нарушение целостности мембран микросом.
Неблагоприятное действие на организм экстракта "Гальзаника" проявилось в снижении процессов детоксикации и защитных функций. Так, установлено угнетение ферментов в печени, как лизосомальной р-Ы-ацетилглюкозаминидазы, так
и микросомальной ацетилэстеразы, а в почках зафиксировано увеличение активности р-глюкуро-нидазы.
Биологическое действие экстракта "ЗТ" было слабее, но также выражалось в снижении изучаемых метаболических реакций в организме животных. Об этом свидетельствовало уменьшение активности лизосомального и микросомального ферментов во всех изученных биоструктурах.
Аналогичные закономерности характеризовали биологическое действие экстрактов других отходов. Исключением явился экстракт № 10, поступление которого в организм вызывало увеличение в сыворотке крови активности МДГ и Р- N - ацетил гл юкоза м и н идазы.
При анализе данных, полученных при изучении коэффициентов массы (Км) внутренних органов у животных, подвергавшихся воздействию экстрактов "С", не было обнаружено существенных отклонений от контрольных величин. Как неблагоприятные тенденции, характеризующие влияние экстрактов "ЗТ", № 27, "Гальваника", № б и 10, можно расценивать увеличение Км селезенки, а также снижение Км тимуса и семенников. Колебания показателя относительного контроля в указанных случаях не превышали 22% и не являлись статистически достоверными. Наиболее уязвимым органом в плане интоксикации оказались надпочечники, значения Км у всех подопытных животных были ниже, чем в контроле. Наибольший эффект имел место при поступлении в организм экстрактов "гальваника" (43%; р < 0,02) и № 27 (31%; р < 0,05).
Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что последовательное поступление ПО в организм в виде буферных экстрактов вызывает ряд нарушений на различных уровнях организации: клеточном, органном, а также целостного организма. Об этом свидетельствуют биоэффекты, зафиксированные в ходе токсикологического эксперимента: активация ферментов в тканях, характеризующая, в частности, усиление процессов энергообеспечения, что можно отнести к защитно-приспособительным реакциям организма; инактивация ферментов в тканях, приводящая к угнетению основных систем жизнеобеспечения клетки (детоксикации и защиты); ферментемия, относящаяся к характеристике на уровне целостного организма и указывающая на повреждение целостности мембранных структур и снижение барьерной функции жизненно важных органов; нарушение морфологического состава периферической крови. Общим характером реагирования организма на воздействие различных металлсодержащих ПО является дисфункция метаболических процессов, сопровождаемая нарушением ферментной организации клетки, целостности мембранных структур, а также снижением резистентности организма.
Сравнительную оценку токсичности изученных ПО проводили на основе анализа совокупности выявленных неблагоприятных признаков с учетом направленности и степени выраженности изменений, степени вовлечения органов и систем в реакцию на воздействие, а также количества измененных показателей. Исходя из этого, они были распределены в ряд по мере убывания степени их
опасности в токсикологическом отношении: "Гальваника" > "С" > № 27 = "ЗТ" > № 10 > № 6.
Представленные данные свидетельствуют о наиболее высокой токсичности отходов "Гальваника" и "С", примерно в равной степени менее биологически активны отходы № 27 и "ЗТ", слабую токсичность проявляют ПО № 10 и 6. Такая градация отходов объясняется различным содержанием в них таких токсичных компонентов, как никель, кадмий и хром.
Выводы. 1. Результаты токсичности отходов литейного производства и гальванических шламов в условиях острых опытов дают основание считать нецелесообразным их проведение в связи с невозможностью установления токсикометрических параметров.
2. Длительное воздействие металлсодержащих отходов оказывает неблагоприятное действие на организм, которое проявляется главным образом в нарушении морфологического состава периферической крови, дисфункции метаболических процессов, снижении резистентности организма.
3. Сравнительная оценка изученных отходов показала, что степень токсичности различна и зависит от уровня токсичных компонентов в экстрактах.
4. Использованная в работе система биохимических показателей позволила выявить при воздействии промышленных отходов наиболее уязвимые звенья в цепи интоксикации на клеточном, органном и организменном уровнях, что может служить основанием для выявления информативных показателей биологического действия при оценке токсичности промышленных отходов, содержащих тяжелые металлы.
Л итература
1. Вредные вещества в промышленности: Справочник / Под ред. Н. В. Лазарева. — Л., 1976.
2. Коганова 3. И., Дол и некая С. И. // Структура и функция лизосом. — М., 1986. — С. 94—95.
3. Методические указания к оценке no системе биохимических, морфологических, иммунологических и физиологических показателей ранних изменений функциональных реакций организма человека при воздействии факторов окружающей среды. — Пермь, 1986.
4. Методические указания по разработке и научному обоснованию предельно допустимых концентраций вредных веществ в воде водоемов. — М., 1976.
5. Мухамбетова Л. X. // Гиг. и сан. — 1992. — № 9— 10. - С. 34-36.
6. Пиртахия Н. В., Русаков Н. В., Боброва О. Э., Трух-ляева И. А. // Методология фундаментальных исследований в гигиене окружающей среды / Под ред. В. Н. Федосеевой. — М., 1989. - С. 259-263.
7. Санитарно-гигиенические правила переработки и обезвреживания промышленных отходов. Методы исследования опасных отходов. — Будапешт, 1983.
8. Сидоренко Г. И., Ицкова А. И. Никель (Гигиенические аспекты охраны окружающей среды). — М., 1980.
Поступила 23.03.9S
S и m тагу. The results of experimental investigations to evaluate the adverse effects of metal-containing industrial waste on warm-blooded animals are presented. Acute experiments assessing the toxicity of industrial waste were not shown to be informative. Long-term exposure to different industrial wastes was found to have varying toxicity at the cell, organ, and body levels.
