Суперэкотоксиканты и экологическая безопасность. Учебно-методическое пособие с основами молекулярной токсикологии для обучающихся бакалавриата и магистратуры направлений подготовки «Биология» и «Экология и природопользование».

СУПЕРЭКОТОКСИКАНТЫ 

И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Товарищество научных изданий КМК

Москва  2021   

*
*

В.С. Румак, Н.В. Умнова, А.И. Ким

Московский государственый университет имени М.В. Ломоносова

Биологический факультет

Институт проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН

 Учебно-методическое пособие с основами молекулярной 

токсикологии для обучающихся бакалавриата и магистратуры 

направлений подготовки «Биология» и «Экология и 

природопользование»

Учебно-методическое пособие с основами молекулярной токсикологии состоит из 

шести глав, рассматривающих ключевые аспекты проблем экологической безопасности 
суперэкотоксикантов, в первую очередь диоксинов, мировые тенденции их разработки. 
Монографический характер построения глав призван формировать системные 
представления о процессах, определяющих общие закономерности возникновения на 
загрязненных территориях высокотоксичного диоксинсодержащего экотоксикологиче-
ского фактора, механизмах его влияния на организм, методах изучения и оценки. Освоению 
материала способствуют 65 рисунка (схемы), которые обсуждаются в аспекте 
новых сведений о свойствах суперэкотоксикантов.

Специальное внимание уделено анализу мировых практик изучения реакций био-

систем молекулярного и субклеточного уровней, отражающих начальные биологические 
механизмы формирования полифакторной и полигенной эколого-зависимой патологии. 
Рассмотрены перспективы оценки суперэкотоксикантов, загрязняющих среду, 
путем биомониторинга степени (уровня) воздействия, восприимчивости организмов и 
наблюдаемых эффектов. 

Приведенные основы молекулярной токсикологии и списки научных источников 

будут способствовать расширению кругозора студентов биофака МГУ и других слушателей. 
В том числе курсов повышения квалификации, сотрудников учреждений МЧС и 
других силовых структур, управляющего персонала и работников, которые решают проблемы 
экологической безопасности, помогут научным сотрудникам и преподавателям в 
подготовке соответствующих материалов.

Рецензенты:

д.б.н. профессор С.К. Абилев – Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН
д.б.н. Н.А. Ильюшина – Институт гигиены, токсикологии пестицидов и химической 

безопасности ФНЦГ им. Ф.Ф. Эрисмана Роспотребнадзора

Постановления Ученых советов о печати пособия:

Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова − протокол №9 от 28.10.2021 г.
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН №12 от 09.12. 2021 г.

Румак В.С., Умнова Н.В., Ким А.И.

Суперэкотоксиканты и экологическая безопасность. Учебно-методическое пособие 
с основами молекулярной токсикологии для обучающихся бакалавриата и 
магистратуры направлений подготовки «Биология» и «Экология и природопользование». – 
М.: Товарищество научных изданий КМК, 2021. – 127 с. 
– ISBN 978-5-907533-00-4.

ISBN 978-5-907533-00-4

УДК [577.2:504.5](075.8)
ББК 28.080.6я73-1
        Р86

© Коллектив авторов, 2021.
© МГУ им. М.В. Ломоносова, 2021.
© ИПЭЭ РАН, 2021.
© ООО «КМК», издание, 2021.

SUPERECOTOXICANTS 

AND ECOLOGICAL SAFETY

KMK Scientific Press

Moscow  2021   

*
*

V.S. Roumak, N.V. Umnova, A.I. Kim

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Biology

A.N. Severtsov Institute of Ecology and Evolution of the RAS

 Educational and methodical manual with the basics of molecular 

toxicology for undergraduate and graduate students in the training areas  

of «Biology» and «Environmental management»

The training manual consists of six chapters considering the key aspects of superecotoxi-

cants (dioxins first of all) and the problems of environmental safety, and global trends in their 
development. The internal content of the chapters is designed to form efficient ideas about 
the processes that determine in contaminated regions the general patterns of occurrence of a 
highly toxic dioxin-containing ecotoxicological factor, the mechanisms of its influence on the 
organism, methods of research and evaluation. Illustrations (65 diagrams) are discussed in the 
aspect of new information on superecotoxicants properties and thus contribute to the training.

Special attention is paid to biosystems reactions and their analysis on the molecular and 

subcellular levels, reflecting the initial biological mechanisms of multifactorial and polygen-
ic ecology-dependent pathology development. The prospects of evaluating superecotoxicants 
contaminating the environment by biomonitoring of exposure level, organisms’ susceptibility 
and observed effects are considered. The lists of the main, additional and used scientific sourc-
es will help to broaden the horizons of students, trainees of advanced training courses, employ-
ees of the Ministry of Emergency Situations, managers and workers solving environmental 
safety problems, will help researchers and teachers in the preparation of relevant materials.

Reviewers:

Dr. of Sci., professor S.K. Abilev, Vavilov Institute of General Genetics, RAS
Dr. of Sci. N.A. Ilyushina, Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman 

The manuscript was approved:

 on October 28, 2021 by the Scientific Council of the MSU Faculty of Biology, and 

on December 9, 2021 by the Scientific Council of the Severtsov Institute of Ecology and 

Evolution RAS

Roumak V.S., Umnova N.V., Kim A.I.

Superecotoxicants and ecological safety. Educational and methodical manual with 
the basics of molecular toxicology for undergraduate and graduate students in the 
training areas of «Biology» and «“Environmental management». – М.: Moscow: KMK 
Scientific Press Ltd., 2021. – 127 p. – ISBN 978-5-907533-00-4.

ISBN 978-5-907533-00-4

УДК [577.2:504.5](075.8)
ББК 28.080.6я73-1
        Р86

© Authors, 2021.
© Lomonosov MSU, 2021.
© IEE RAS, 2021.
© KMK Scientific Press Ltd.  2021.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ...............................................................................................................7
1. Предисловие к дисциплине .............................................................................9
2. Хемобиокинетика суперэкотоксикантов (общая характеристика) ............20
3. Молекулярная токсикология диоксинов: внутриклеточные структуры 
    и функции .......................................................................................................30
4. Молекулярная токсикология диоксинов: биотрансформация 
    и индивидуальная чувствительность ...........................................................55
5. Биологические механизмы (патогенез) диоксиновой патологии ..............93
6. Оценка диоксинов, загрязняющих среду: состояние проблемы 
     и пути решения ............................................................................................107
Словарь терминов ............................................................................................115
Список литературы, использованной при подготовке пособия ...................118
Сведения об авторах ........................................................................................127

CONTENT

Introduction ............................................................................................................7
1. Preface to the discipline  ....................................................................................9
2. Chemobiokinetics of superecotoxicants (general characteristics)  ..................20
3. Molecular toxicology of dioxins: intracellular structures and functions .........30
4. Molecular toxicology of dioxins: biotransformation and individual 
    sensitivity .........................................................................................................55
5. Biological mechanisms (pathogenesis) of dioxin pathology ...........................93
6. Assessment of dioxins contaminating the environment: status of the problem 
    and ways to solve it  .......................................................................................107
Dictionary ..........................................................................................................115
Publications used in the manual preparation  ....................................................118
Information about the authors ............................................................................125

ВВЕДЕНИЕ

Самыми опасными среди приоритетных загрязняющих веществ 

окружающей среды считаются суперэкотоксиканты, в первую очередь 
диоксины. Общую токсичность этих ксенобиотиков определяют 
механизмы прямого действия. В условиях длительного хронического 
поглощения (преимущественно по трофическим цепям) малых суб-
токсичных доз, характеризуемого выраженной биоаккумуляцией и 
сверхкуммулятивными эффектами, механизмы взаимодействия этих 
веществ с рецепторами могут способствовать запуску токсического 
процесса и, как следствие, формированию так называемых отдаленных (
отсроченных по времени) последствий. Проявления таких последствий 
в полной мере соответствуют понятию экологозависимая 
патология, имеют много сходств с полигенными заболеваниями. Например, 
с сосудистыми поражениями центральной нервной системы 
и сердца, болезнями кожи, ранним старением, многими формами рака.  

Обоснованная оценка суперэкотоксикантов, загрязняющих среду, 

путем санитарно-гигиенического нормирования имеет много трудно 
преодолимых ограничений. Для учета этих ограничений мероприятиями 
контроля и охраны здоровья окружающей среды и человека надо 
готовить специалистов, владеющих компетенциями междисциплинарных 
исследований. В том числе, в области оценки биологических и 
токсических эффектов во взаимосвязи с показателями судьбы суперэкотоксикантов 
в окружающей среде и хемобиокинетики в организме. 
Наилучшие условия для этого предоставляет система университетского 
образования. В системе высшего профессионального образования 
МГУ имени М.В. Ломоносова таких программ пока не создано.  

Основой программы «Суперэкотоксиканты и экологическая безо-

пасность» стали современные представления об источниках диоксинов 
и подобных им веществ, относительно общих закономерностей их 
судьбы в окружающей среде и прохождения через организм, биологических 
механизмах формирования и развития токсического процесса, 
способов и методов минимизации привносимых рисков для здоровья 
окружающей среды и населения.

При разработке пособия использованы результаты исследований 

по Программе развития МГУ имени М.В. Ломоносова до 2020 г. − 

мероприятие 6.8. «Безопасность биосистем как основа устойчивого 
природопользования»; теме «Экотоксикокинетика, экотоксикодина-
мика, биоиндикация загрязняющих веществ и их влияние на человека», 
которая выполняется ИПЭЭ имени А.Н. Северцова РАН в рамках 
направления «Проблемы экологической безопасности»; программе 
Меж дисциплинарной научно-образовательной школы МГУ имени 
М.В. Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей 
среды», Плану НИР Совместно Российско-Вьетнамского Тропического 
научно-исследовательского и технологического центра.

При подготовке справочно-иллюстративного материала могли 

быть использованы материалы, заимствованные из общедоступных 
ресурсов интернета, не содержащие указаний на авторов этих материалов 
и каких-либо ограничений для их заимствования.

1. ПРЕДИСЛОВИЕ К ДИСЦИПЛИНЕ

Аннотация. Понятия токсичность и опасность химического вещества; токсикант, 
экополлютант, экотоксикант, суперэкотоксикант − сходства и различия. 
Классификация химических загрязняющих веществ. Ключевые источники 
суперэкотоксикантов. Особенности физико-химических свойств и биологической 
активности, выделяющие экотоксиканты в группу суперэкотоксикантов, 
их общая характеристика. Диоксины, как самые опасные представители 
суперэкотоксикантов. Современные компетенции для обеспечения экологической 
безопасности в условиях загрязнения среды выбросами и/или сбросами 
малых субтоксичных концентраций диоксинов – границы возможностей. 

Ключевые понятия токсикологии

Примеры ядов из исторического прошлого 
человечества.

АФРИКА
Акокантера 
абиссинская 
(Acokanthera 
schimperi)

СТРОФАНТИН
блокирует
транспортную 
Na+/К+-АТФ-азу

Ю-В АЗИЯ
Анчар
(Antiaris 
toxicaria)

СТРИХНИН
блокирует
действие нейроме-
диаторов

АМЕРИКА
Гремучая 
змея
(Crotalinae)

ГЕМОТОКСИНЫ
нарушения 
свертываемости 
крови

ЕВРОПА
Аконит
(Aconitum)

НЕЙРОТОКСИНЫ
блокирует
натриевые каналы 
аксонов

Токсикология (от греческих слов toxikon – яд и toxikos – лук и logos – 
учение) наука о законах (закономерностях) взаимодействия токсичных 
химических веществ (ядов, токсикантов) и живых организмов [Софронов, 
2002].

Ядовитые 
рас-

тения и животные 
окружали 
человека 

всегда. 
Использова-

нию извлеченных из 
них веществ для охоты, 
с преступными и 
лечебными 
целями 

способствовали 
на-

блюдения за отравлениями 
и особенностями 
их течения в 
зависимости от того, 
в каком количестве 
они 
воздействовали 

на организм.

Предметом исследования в токсикологии являются токсические химические 
вещества и механизмы действия на биосистемы организма, 
приводящие к нарушению их функций, жизнеспособности или гибели 
[Софронов, 2002, Куценко, 2004]. Токсическое вещество – это яд, негативно 
влияющий на организм в определенном количестве. Третье 
правило Парацельса (1493–1541) – основоположника учения о химической 
природе ядов и количественной характеристике их вредности 
путем изучения отношений «доза-эффект» – гласит, что: «… все вещества 
являются ядами и не бывает веществ без ядовитости. Только доза 
определяет ядовитость» [Гадаскина, 1988]. Понятием доза обозначается 
мера экспозиции, характеризующая количество химического вещества, 
воздействующее на организм [Р 2.1.10.1920-04]. Проблемы 
кинетики прохождения химического вещества через организм, включая 
процессы поступления, распределения, метаболизма и выделения 
разрабатывает хемобиокинетика [Филов, 2002].

Для изучения и оценки ядовитости химических веществ обоснова-

но понятие токсичность – внутренне присущая химическому веществу 
способность оказывать вредное действие, которое проявляется только 
при взаимодействии вещества с живым организмом [Софронов, 2002]. 
Результат систематизации токсичности химических веществ закрепила 
классификация по степени их опасности (ГОСТ 12.1.007 ССБТ).  

Средне-смертельная доза 
(LD50) – доза, вызывающая 
гибель 50% животных при 
однократном введении

Нормы для класса опасности

Чрезвычайно 
опасные 

(1 класс)

Высоко 
опасные
(2 класс)

Умеренно 
опасные 
(3 класс)

Малоопас-

ные 

(4 класс)

Введение в желудок, мг/кг
менее 0,1
0,1─1,0
1,1─10,0
более 10,0

Нанесение на кожу, мг/кг
менее 15
15─150
151─5000
более 5000

Концентрация в воздухе, 
мг/м3
менее 500
500─5000
5001─50000
Более 
50000

Классификация химических веществ по степени токсичности

На проявление присущей химическим веществам токсичности 

активно влияют многие внешние, внутренние и временной факторы. 
Например, пути (через органы дыхания, пищеварения, кожу, с молоком 
матери или через плаценту) и условия (острое или хроническое 
и т.д.) поступление в организм. Опосредованная окружающей средой 
так называемая косвенная токсичность химических веществ обозначается 
понятием опасность. Разработка принципов и методов оценки 
токсичности и опасности химических веществ стала предметом исследования 
самостоятельного направления токсикологии – токсикоме-
трии [Саноцкий, 1970]. 

Экотоксикология − междисциплинарное научное направление, связанное 
с токсическими эффектами химических веществ на живые организмы, 
преимущественно на их популяции и биоценозы, входящие в 
состав экосистем. Изучает источники поступления токсичных веществ 
в окружающую среду, их распространение в этой среде, действие на 
живые организмы. Человек, несомненно, является наивысшей ступенью 
в ряду биологических мишеней [Безель, 2002]. Понятие экоток-
сикология введено в 1969 г. Международным научным комитетом по 
проблемам охраны окружающей среды с целью усиления роли международного 
права в мероприятиях по контролю и охране окружающей 
среды, а также здоровья населения от экополлютантов в условиях активизации 
хозяйственной деятельности [Моисеенко, 2011].
Экополлютанты – это экологически опасные факторы химической 
природы, способные долгое время сохраняться, мигрировать и накапливаться 
в биотических и абиотических компонентах экосистемы в 
несвойственных для нее количествах, способствуя изменениям фоновых 
параметров ксенобиотического профиля [Безель, 2002]. Понятием 
ксенобиотический профиль обозначается совокупность химических 
веществ, содержащихся в объектах окружающей среды (вода, почвы, 
воздух, организмы) в форме (агрегатном состоянии), позволяющей им 
вступать в химические и физико-химические взаимодействия с биологическими 
объектами − биодоступные вещества [Худолей и др., 1996]. 
Экополлютант, накопившийся в среде в количестве, достаточном для 
инициации токсического процесса на любом уровне организации живой 
материи, обозначается понятием экотоксикант. На проявления 
присущих экополлютантам и экотоксикантам свойств активно влияют 
сопутствующие им факторы и определяемые ими эффекты комбинированного 
и сочетанного действия. Понятие комбинированное 
действие отражает воздействия факторов одной природы (например, 
химических), сочетанное – разной природы – например, химической 
и биологической.  

Расшифровка закономерностей превращения экополлютанта в 

экотоксикант составляет невероятно сложную научную задачу, решение 
которой предусматривает привлечение широкого круга специалистов 
в области биологии, химии, медицины, математики и т. д. 
– согласно мнению академика Г.А. Софронова необходим университетский 
подход к исследованиям. В зарубежной научной литературе 
наряду с термином экотоксикология в близком значении используется 
термин «токсикология окружающей среды» (environmental 
toxicology).