Экологическая токсикология

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

Б. И. МАРЧЕНКО

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2017

УДК  577.4(075.8)+502.7(075.8)
ББК   28.0я73+20.1я73

М30

Печатается по решению кафедры техносферной безопасности и химии
Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного

Федерального университета (протокол №6 от 13 января 2017 г.)

Рецензенты:

доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой гигиены 

факультета повышения квалификации и профессиональной переподготовки 

специалистов Ростовского государственного медицинского университета

Г. Т. Айдинов

доктор медицинских наук, заведующий лабораторией санитарной
микробиологии водных объектов и микробной экологии человека

Ростовского научно-исследовательского института микробиологии и 

паразитологии П. В. Журавлев

Марченко, Б. И.

М30
Экологическая токсикология : учебное пособие / Б. И. Марченко ; 

Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2017. – 103 с.

ISBN 978-5-9275-2585-0
В учебном пособии рассматриваются основные понятия, истори
ческие аспекты становления и развития, цели и задачи современной 
экологической токсикологии, механизмы и особенности токсических 
эффектов химических загрязнителей на популяции организмов и 
биоценозы, входящие в состав экологических систем.

Представлены данные об источниках и поведении ксенобиотиков 

и других экополлютантов в окружающей среде, их дрейфе, аккумуляции, биоконцентрировании, трансформации, детоксикации и экскреции в различных биологических системах; о реакциях на воздействие приоритетных экотоксикантов на популяционном уровне. Изложены подходы к оценке токсичности экополлютантов, рассматриваются принципы экотоксикологического нормирования.

Для студентов специальности 20.03.01 «Техносферная безопас
ность».

УДК  577.4(075.8)+502.7(075.8)

ББК   28.0я73+20.1я73

ISBN 978-5-9275-2585-0

© Южный федеральный университет, 2017
© Марченко Б. И., 2017
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
…...…………...……………………………..…………….…… 5

1. ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ ……..………... 8

1.1. Предмет, объект, цель и задачи экологической токсикологии.... 10
1.2. Ксенобиотический профиль среды ……………..……..……….. 12
1.3. Экотоксикокинетика …..………………………..…………….… 18
1.4. Экотоксикодинамика ……………………….…..…..………….…24
1.5. Экотоксикометрия. Общие положения методологии ……..….. 29

2. ЧАСТНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ ………..……. 38

2.1. Полигалогенированные ароматические углеводороды …..…... 38

2.1.1. Диоксины …………………………………..…………… 39
2.1.2. Полихлорированные бифенилы (ПХБ) ………..……… 41
2.1.3. Хлорированные бензолы (ХБ) …………..…………….. 43

2.2. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) ……… 44
2.3. Пестициды …………………..…………………………………... 47

2.3.1. Классификации пестицидов ………………..………….. 47
2.3.2. Пестициды как экотоксиканты
………………………. 48

2.3.3. Хлорорганические пестициды (ХОС)
……………….. 52

2.3.4. Фосфорорганические пестициды (ФОС) ……..………. 57
2.3.5. Ртутьорганические пестициды (РОС)
……………….. 59

2.4. Экологическая токсикология тяжелых металлов………………. 60

2.4.1. Пути  поступления тяжелых металлов в экологические 

системы
….……………………………………………... 62

2.4.2. Токсичность тяжелых металлов
……………………... 65

2.4.3. Экотоксичность тяжелых металлов ……………………. 72
2.4.4. Биологическая аккумуляция тяжелых металлов ..……. 76
2.4.5. Тяжелые металлы как супертоксиканты
…………….. 77

2.4.6. Ртуть (Hg)
…………………………………………….... 79

2.4.7. Свинец (Pb)
……………………………………………. 84

2.4.8. Кадмий (Cd)
….……………………………………….... 87

2.4.9. Мышьяк (As)
….………………………………………... 91

2.4.10. Цинк (Zn)
……...……………………………………… 93

2.4.11. Медь (Cu)
…….……………………………………….. 95

2.4.12. Никель (Ni) …..………………………………………... 95
2.4.13. Хром (Cr)
….…………….…………………………….. 97

2.4.14. Кобальт (Co) ……………………………………………. 98
2.4.15. Алюминий (Аl)
……….……………………………..... 99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
……………………………………………………….… 100

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……….……………………………….……… 102

ВВЕДЕНИЕ

Экологическая токсикология как междисциплинарное направление 

появилось во второй половине XX в. на стыке ряда научных дисциплин –
токсикологии, гигиены (коммунальной, труда, детей и подростков, общей, 
социальной и др.), экологии, радиобиологии, экологической генетики, метеорологии, популяционной экологии, токсикологической химии, экологического мониторинга, геохимии и др.

Первые токсикологические знания относятся еще к каменному веку, 

когда человек столкнулся с ядовитыми веществами животного и растительного происхождения. Развитие химии и применение химических технологий в промышленности и сельском хозяйстве обусловили возникновение промышленной и сельскохозяйственной токсикологии. Одновременно 
с развитием общей токсикологии, предмет которой составляют общие закономерности взаимодействия живых систем и ядовитых веществ, происходила ее дифференцировка на многочисленные направления токсикологии 
– клиническую, коммунальную, военную, пестицидов, тяжелых металлов и 
другие. В нашей стране становление токсикологии, методологии гигиенического регламентирования качества и безопасности компонентов окружающей среды, математического прогнозирования и количественного выражения биологических эффектов химических веществ связано с именами 
физиолога Цитовича И.С., Правдина Н.С., Лазарева Н.В. и Саноцкого И.В.
(промышленная токсикология); Рязанова В.А. и Черкинского С.Н. (коммунальная токсикология).

Токсикология тесно связана с гигиеной – отраслью медицины, изу
чающей влияние условий жизни на здоровье населения, разрабатывающая 
мероприятия, направленные на предупреждение болезней и создание условий, обеспечивающих сохранение здоровья.

Экологическая токсикология своим возникновением во многом обя
зана знаменитой книге «Молчаливая весна», увидевшей свет в 1962 г. Ее 
автор Рашель Карсон впервые описала факты массовой гибели пернатых и 
ихтиофауны из-за бесконтрольного использования пестицидов. Именно тогда возникли первые общества защиты окружающей среды и появилась законодательная регламентация выбросов ксенобиотиков. Как оказалось, 
стойкие органические загрязнители (СОЗ) – вещества, период полураспада 
которых в различных объектах окружающей среды превышает 50 суток,  
представляют опасность для людей, что послужило основанием для разра

Введение

6

ботки многочисленных законодательных и нормативных актов, ограничивающих выбросы экотоксикантов. Первые отечественные гигиенические 
нормативы на СОЗ появились в 60-е г.г. XX в., были разработаны предельно допустимые концентрации (ПДК) гексахлорбутадиена и полихлорбутанов в воде водоемов, методические основы гигиенического контроля хлорорганических соединений и гигиенические нормативы четырёх хлорпроизводных уксусной кислоты в воздухе рабочей зоны. В 70-е г.г. появились 
результаты отечественных исследований влияния хлорпроизводных феноксикислот, в частности 2,4-Д, на организм женщин. Позднее Т. Колборн с 
соавторами в книге «Наше украденное будущее» показали, что синтезированные человеком хлорорганические соединения (ХОС) способны нарушать формирование, функционирование и воспроизводство организмов, в 
том числе и людей. В последующем советскими учеными были изучены 
особенности миграции хлорорганических пестицидов по пищевым цепям, 
доказана зависимость токсических свойств ксенобиотиков от их липофильности. В 80-х г.г. XX в. Рэмом Петровым для обозначения научного 
направления по изучению нарушений иммунной системы при воздействии 
ксенобиотиков было введено понятие «экологическая иммунология».

Превращение экотоксикологии (ecotoxicology) в самостоятельную 

науку связано с именем Рене Траута, объединившего две научные дисциплины, – экологию и токсикологию. Сам термин «экотоксикология» («экологическая токсикология») появился в 1969 г., когда была создана рабочая 
комиссия по проблемам экологической токсикологии при SCOPE (Международный научный комитет по проблемам окружающей среды), и получил 
широкое распространение с 1973 г., когда им стали обозначать направление 
профилактической токсикологии, которое изучает механизмы адаптации 
(приспособления) живых организмов к модификации химического состава 
окружающей среды при воздействии комплекса факторов абиотического, 
биотического и социального происхождения.

В настоящее время известно более восемнадцати миллионов синтези
рованных химических веществ, из числа которых около ста тысяч используются в промышленных целях, частично попадают в окружающую среду в 
виде отходов и включаются в трофические цепи. В результате в организм 
любого человека могут попадать и накапливаться десятки и сотни токсичных химических веществ антропогенного происхождения ранее не известных. Формирование «техногеннозависимых трофических цепей» с участи

Введение

7

ем таких экотоксикантов как СОЗ и тяжелые металлы приводит к «эффекту 
бумеранга» и одним из последствий химического загрязнения окружающей 
среды является появление экологически обусловленных заболеваний 
(например, болезни Минамата, Итай-Итай и Ю-Шо из-за интоксикации метилированной ртутью, соединениями кадмия и полихлорированными 
бифенилами соответственно). Человечество столкнулось с тем, что загрязнение отходами производства окружающей среды в одном регионе обуславливает отсроченные токсические эффекты у представителей биоты, 
обитающих за тысячи километров от источника выбросов (например, ДДТ 
был обнаружен в жировых тканях пингвинов в Антарктиде, а метилированная ртуть – в морских рыбах и млекопитающих Арктики).

1. ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ

В настоящее время интенсивно формируется токсикология окружа
ющей среды (environmental toxicology) – наука, занимающаяся изучением 
неблагоприятных эффектов в экологических системах (включая человеческие популяции), развивающихся из-за изменений естественного ксенобиотического профиля среды. Под ксенобиотическим профилем среды понимается количественная и качественная характеристика комплекса ксенобиотиков, находящихся в объектах окружающей среды – в воде, почве, 
воздухе и биоте, агрегатное состояние которых позволяет им вступать с 
различными абиотическими и биотическими компонентами экологической 
системы (биоценоза) в химические и физико-химические взаимодействия. 
В зарубежной литературе токсикологию окружающей среды принято подразделять на два направления: экологическую токсикологию и токсикологию экополлютантов.

Экологическая токсикология рассматривает проблемы, связанные с 

особенностями взаимодействия экополлютантов с биотическими (животный и растительный мир) и абиотическими элементами природы; изучает 
генез и механизмы неблагоприятных эффектов воздействия загрязнителей 
на биологические мишени – от микроорганизмов до высших животных, 
включая людей, как правило, на уровне популяций или даже экологической 
системы в целом.  Основным вектором исследований в сфере экологической токсикологии является миграция в экологических системах полностью 
чужеродных для живых организмов веществ, не участвующих в пластическом и энергетическом обмене, – ксенобиотиков. Изучаются механизмы 
включения ксенобиотиков в естественные потоки веществ в биосфере и последствия этого, проявляющиеся в экологической дестабилизации биосферы, трансформации ее элементов, уменьшении биологического разнообразия и формировании риска для здоровья населения.

Токсикология экополлютантов изучает неблагоприятное действие 

изменения ксенобиотического профиля среды и отдельных экополлютантов, накапливающихся в окружающей среде, на здоровье человека. Токсикология экополлютантов использует методы классической токсикологии: 
экспериментальный, клинический, эпидемиологический. Объектом исследований токсикологии экополлютантов являются различные характеристики неблагоприятных эффектов воздействия экотоксикантов и продуктов их 

1. Основы экологической токсикологии

9

трансформации на организмы людей – механизмы, динамика развития и 
проявления. 

Содержанием дисциплины «экологическая токсикология» является 

учение об экотоксичности, а основными рассматриваемыми вопросами: 
во-первых, характеристика ксенобиотического профиля окружающей 
среды, во-вторых, проблемы экотоксикокинетики, экотоксикодинамики и 
экотоксикометрии (Куценко С.А., 2002):
– экотоксикокинетика – раздел экологической токсикологии, изучающий 
судьбу различных экополлютантов, включая ксенобиотики, в окружающей 
среде – закономерности и особенности их поступления, распределения в 
абиотических и биотических элементах, трансформации и элиминации;
– экотоксикодинамика – раздел экологической токсикологии, сферой интересов которого являются механизмы неблагоприятного воздействия ксенобиотического профиля среды на биоценоз в целом и на отдельные его 
компоненты;
– экотоксикометрия – наименее разработанное в настоящее время направление токсикологии окружающей среды; за исключением классических методов токсикометрического исследования, остающихся базой экотоксикометрии, исследователи и практики располагают только далекой от совершенства методологией оценки экологического риска.

В качестве теоретического базиса экологической токсикологии на со
временном этапе выступают разрабатываемые в рамках теоретической экологии фундаментальные закономерности организации, функционирования 
и структуры природных систем на популяционном и биоценотическом 
уровнях. 

Важнейшей научно-практической проблемой современной экологи
ческой токсикологии остается устойчивость и стабильность экологических систем (Безель В.С., Большаков В.Н., 1995). Причинами отсутствия 
успешного решения данной проблемы являются, во-первых, огромное количество и сложность взаимосвязей в экологических системах, чаще всего 
нелинейного характера, во-вторых, трудности в определении экологической нормы, так как любая экосистема способна существовать в различных 
состояниях и, в-третьих, главенствующая антропоцентристская позиция, 
ориентированная на максимальное удовлетворение потребностей человека. 
К числу актуальных также относятся: во-первых, проблема экологического 
нормирования в целях минимизации антропогенного влияния на экологиче

1. Основы экологической токсикологии

10

ские системы с учетом их экологической ёмкости для сохранения механизмов экологического гомеостаза, во-вторых, проблема адаптации экологических систем к воздействию экотоксикантов на трех уровнях приспособительных реакций – организменном, надорганизменном и процессе адаптивной микроэволюции, в-третьих, проблема пространственно-временной 
неоднородности экологических систем.

1.1. Объект, предмет, цель и задачи экологической токсикологии

Область интересов экологической токсикологии как отдельной науч
ной дисциплины – изучение эффектов воздействия химических загрязнителей, в первую очередь ксенобиотиков, на экологические системы. При этом 
в первую очередь рассматриваются токсические эффекты стойких органических загрязнителей (СОЗ) и тяжелых металлов, мигрирующих по трофическим цепям. Генетическая связь с классической токсикологией наглядно 
проявляется в широком использовании экологической токсикологией ее 
традиционной методологии, дефиниций и категорий при изучении эффектов химических загрязнителей. Но если в классической токсикологии основной объект изучения – человек, то в экологической токсикологии объектом исследований являются механизмы, динамика развития и проявления неблагоприятных эффектов действия экополлютантов, в первую очередь ксенобиотиков, а также продуктов их трансформаций в окружающей 
среде на живые организмы; человек при этом рассматривается всего лишь 
как одно из звеньев трофических цепей.

Предложено несколько различающихся подходов к определению 

предмета (предметного поля) экологической токсикологии. Так, в частности, экологическая токсикология рассматривается как научная дисциплина: 
занимающаяся изучением токсических эффектов, возникающих при воздействии химических веществ на биологические мишени преимущественно 
на популяционном уровне, в границах отдельных экологических систем 
(Butler G.C., 1978); прогнозирующая влияние химических веществ на экологические системы (Левин Э.Н., 1989); суммирующая экологические и 
токсикологические эффекты химических поллютантов на популяции, сообщества и экологические системы, прослеживающая их судьбу – транспорт, трансформацию и удаление (элиминацию) из окружающей среды 
(Форбс В., Форбс Т., 1994). Таким образом, предмет экологической токси

1.1. Объект, предмет, цель и задачи экологической токсикологии

11

кологии – это биологические системы надорганизменного уровня (популяции, биоценозы), подверженные влиянию химического загрязнения
[1, 6, 9].

Токсическое действие экополлютантов на животных и растения, 

осуществляющееся через различные физиологические, биохимические и 
функциональные 
нарушения 
и 
проявляющееся 
на 
молекулярно
генетическом, клеточно-тканевом и онтогенетическом уровнях, в рамках 
экологической токсикологии рассматривается как первичные токсические 
эффекты, приводящие к дезорганизации различных популяционных механизмов. При этом ответная реакция экологических систем на химическое 
загрязнение обычно бывает неспецифичной в форме изменения продуктивности, соотношения биологических видов и т.д. Таким образом, к сегодняшнему дню экологическая токсикология оформилась как междисциплинарное научное направление, основной целью которого является 
исследование воздействия токсичных экополлютантов на живые организмы, главным образом на их популяции, и биоценозы, входящие в состав 
экологических систем, с последующим обоснованием мероприятий по 
профилактике вредных воздействий химических загрязнителей на окружающую среду и оптимизации условий жизнедеятельности людей. С указанной целью экологическая токсикология изучает, во-первых, источники поступления загрязнителей в окружающую среду, во-вторых, их дальнейшее 
распространением и, в-третьих, воздействие на живые организмы, в том 
числе на организм человека. К актуальным задачам экологической токсикологии относятся:

 идентификация источников химического загрязнения окружающей 

среды;

 разработка методов индикации и количественного определения эко
токсикантов в объектах окружающей среды;

 изучение маршрутов распространения поллютантов в почве, воде, 

атмосфере, растениях, животных, а также по трофическим цепям в целом, в 
том числе замыкаемых на человеке;

 исследование механизмов токсичности и разработка критериев для 

дифференцированной оценки опасности ксенобиотиков и других экополлютантов, в том числе для здоровья человека;

 оценка изменений в окружающей среде, вызванных загрязнителями 

(оценка опасности загрязнения для экосистемы в целом и для отдельных ее 
элементов);