Тема 11. Хімічні фактори забруднення довкілля

1.         Вплив на організм людини важких металів і їх солей

2.         Пестициди і їх дія на організм людини

3.         Токсичність хімічних речовин

4.         Мутагенність і її вплив на людський організм

Негативні антропогенні (техногенні) впливи на нав­колишнє середовище і здоров'я людини чинять численні хімічні сполуки, що застосовуються у різних галузях на­родного господарства. Вони можуть бути причиною різно­манітних патологічних процесів і станів. Поглиблене вивчення механізмів токсичної дії хімікатів виявляє но­ві види їх несприятливих ефектів (канцерогенні, мута­генні, імунотоксичні, алергенні, терагенні, ембріотоксичні та ін.).

1.          Вплив на організм людини важких металів і їх солей

Забруднення навколишнього середовища, особливо ґрунтового покриву, металами, яке обумовлене антропоген­ним чинником, супроводжується в багатьох випадках за­брудненням сільськогосподарської продукції і відповідно продуктів харчування. Із 105 хімічних елементів 83 нале­жать до металів, серед яких розрізняють чорні і кольорові. За ознаками металічні елементи поділяють на такі групи:

а) легкі (Li, Be, Na, Mg, Al, K, Co, Ті, Rb, St, Cs, Ba);

б) важкі – метали зі щільністю більше 8000 кг/м³, тобто вищою, ніж щільність заліза (7874 кг/м³). Серед них вирізняють: тугоплавкі (Ті, V, Cr, Nb, Mo, Hf, Та, W, Re); благородні (Au, Pt); розсіяні (Ga, In, Tl, Rb, Cd, Cs, Ge, Hf, V, Те, Re); рідкоземельні (Sc, V, La), радіоактивні (Ra, U).

Відповідно до функцій в організмі метали класифіку­ють на такі групи:

ü    есенціальні (незамінимі фактори живлення);

ü    неесенціальні (необов'язкові для життєдіяльності людини);

ü    токсичні (отруйні).

В організмі людини металічні елементи становлять до 3% маси тіла. Серед них переважають кальцій (80%), ка­лій (12% ), натрій (5,0%), магній (2%), залізо (0,2%), цинк (0,14%). На долю інших припадає приблизно 0,66%, серед них є мікроелементи зі вмістом в організмі від 10-5 до 10-3% та ультрамікроелементи (концентрація їх в орга­нізмі нижче 10-5%).

За дією на організм людини мікроелементи поділя­ють на:

Ø  важливі для живлення людини (Co, Cr, Ce, F, Fe, I, Mn, N, Se, Si, V, Zn);

Ø  токсичної дії (As, Be, Cd, Co, F, Hd, Mn, Mo, Ni, Pb, Pd, Se, Sn, Ті, V, Zn).

Із зазначених елементів 10 віднесені до обох груп. В низьких дозах вони не мають токсичної дії, але надлишок їх в організмі може спричинити її.

Згідно з рішеннями комісії ВООЗ ртуть, кадмій, сви­нець, миш'як, мідь, стронцій, цинк, залізо включені до переліку металів, уміст яких контролюється при міжна­родній торгівлі. У країнах СНД контролю підлягають ще сурма, нікель, хром, алюміній, фтор, йод.

За токсичністю серед важких металів виокремлюють:

Ø  найтоксичніші (Cd, Hg, Ni, Pb, Co, As);

Ø  помірно токсичні (Cu, Zn, Mn);

Ø  малотоксичні (інші важкі метали).

Свинець і кадмій виявляють канцерогенні властивості.

Концентрація важких металів у овочах, плодах зале­жить від біологічних особливостей їх будови, агроеколо­гічного стану, ґрунтів, технології їх вирощування. Вміст важких металів залежить і від розмірів плодів. Наприк­лад, у моркві, буряках, кабачках, кавунах міститься біль­ше свинцю і менше міді, миш'яку, цинку. В покривних тканинах моркви важких металів більше, ніж у м'якоті в 15,8 разів, а цинку – на 15%, у буряках – відповідно – на 54 і 59%.

Вплив важких металів на організм людини дуже різно­манітний (Табл. 1).

Таблиця 1

Роль і функції хімічних елементів в організмі людини, (мг на добу)

Назва хімічного елементу	Роль в організмі людини	Наслідки впливу від
		надлишку	нестачі
Алюмі- ній (Аl)	Бере участь у побудові епіте­ліальних і з'єднуючих тканин, кісток, активізує травлення їжі	Загибель нервових клітин, параліч сер­цевого м'яза
Миш'як, (As)	Бере участь у синтезі білка, гемоглобіну. Понижує токси­чну дію селена. Риба –головне джерело As	Ракові захворю­вання, різновидно­сті сухої гангрени (при вмісті у воді 1,2–2 мг/л)
Берилій, (Be)	Вплив не встановлений	Берилієвий рахіт
Кальцій, (Са), 500- 1000	Підтримує нормальний стан кісток, зубів, регулює ритм серцевого м'яза, важливий компонент згортання крові, регулятор тонусу нервової си­стеми, антагоніст магнію	Гіперкальцієнемія	Остеохондроз та інші захворювання кісток, розлад нер­вової системи, се­рцево-судинні за­хворювання
Кадмій, (Cd)	Входить до складу білкового комплексу, регулює вміст цу­кру в крові, підвищує кров'я­ний тиск	Захворювання центральної нерво­вої системи, всі фо­рми раку, цироз пе­чінки, нефрит ни­рок, розпад кістко­вих тканин, емфі­зема легенів, ін­сульт, гіпертонія, хвороба "ітай-ітай"	Доза 30-40 мг може бути смерте­льною, в продук­тах кадмію міс­титься від 2-23 мг/кг. Доросла лю­дина щодобово отримує до 30-15 мг Cd
Залізо, (Fe), 15-18	Входить до складу еритроци­тів, окисних ферментів. Бере участь у процесах кровотво­рення, впливає на реплікацію (копіювання) ДНК, синтез білків	Токсикози, зни­ження інтенсивно­сті кровообігу	Анемія, пору­шення окисних процесів, малокрі­в'я, зниження іму­нітету
Ртуть, (Рl)	Знайдена в молекулах ДНК, потрапляє в організм людини з рослинних продуктів, при вирощуванні яких використо­вувалась ртуть, пестициди	Порушення діяль­ності центральної нервової системи (хвороба Мина­мата), пошкоджує клітинні мембрани, знижує активність ферментів, пошко­джує мозок. ГДК для ртуті 0,5 мг/кг
Йод, (J), 0,5 ... 0,3	Входить до складу тороксину (гормон щитовидної залози), стимулює обмінні процеси	Базедова хвороба (збільшення щито­видної залози), витрішкуватість, серцебиття	Зоб (збільшення щитовидної за­лози). Зниження розумової здатно­сті. Норма 50-60 мікрограм
Калій, (К), 2000 ... 8000	Регулює діяльність м'язових тканин, в т.ч. серцевих, кисло­тність шлункового соку	В'ялі паралічі кінці­вок	Порушення нер­вово-м'язової і се­рцево-судинної си­стем, гіпотоксія.
Літій, (Li)		Маніакально-де­пресивний психоз, шизофренія та інші психічні захворю­вання
Магній, (Mg), 350... 600	Бере участь у внутріклітинних метаболічних процесах, функ­ціонуванні імунної системи; антистресовий, антиалергіч­ний фактор	Знижує токсичність свинцю, сприяє ви­даленню свинцю з організму, спричи­нює отруєння (па­раліч дихання). Пригнічує обмін фосфору, кальцію, заліза, міді, в 10 ра­зів токсичніший за свинець	Посилює бактеріа­льні та вірусні за­хворювання, арит­мію серця, судо­роги, омертвіння м'язів, інфаркт мі­окарда, появу тро­фічних виразок
Кобальт, (Co)	Входить до складу вітаміну Б12.. Активатор ферментів ка­рбоангідрази, карбоксипепти­дази, бере участь в утворенні еритроцитів, гемоглобіну	Пригнічує синтез вітаміну Б12 (нижче 30 мг/кг), спричи­нює злоякісне ма­локрів'я	При вмісті кобальту менше 7 мг/кг виникають анемія, м'язова дистрофія
Мідь, (Сu), 2...3	Входить до складу 30 білків і ферментів, бере участь у процесах кровотворення, впливає на формування скелета	Ураження печінки (хвороба Боткіна), порушення функції мозку, шизофренія,  розвиток злоякісних утворень. Порогове значення 60 мг/кг	Анемія, остеопо­роз, порушення ді­яльності централь­ної нервової сис­теми. Впливає на еластичність кро­воносних судин, рак шлунково-ки­шкового тракту
Хром, (Сг) 0,05... 0,25	Стимулює ферментативну діяльність, бере участь у кровотворенні, знижує рівень холестерину в крові, поліпшує обмін вуглеводів	Ракові захворювання, астма	Порушення вугле­водневого обміну, рак шлунку, під­вищений рівень холестерину і цу­кру в крові, упові­льнений ріст, за­хворювання очей, цукровий діабет, пригнічення діяль­ності підшлункової залози

Як свідчать наведені у Табл. 1 дані, надлишок і дефі­цит важких металів змінює перебіг обмінних процесів в організмі людини і може спричинити багато захворювань. При цьому природний баланс, який сформувався в певних біоценозах між ґрунтом і рослинами, успадковується і жи­вими організмами. Відхилення від нього через ланцюги живлення передається людині і може спровокувати захво­рювання.

У ґрунтах, як правило, знаходиться одночасно кілька важких металів. При цьому найнебезпечнішим для рослин і людини буде елемент, концентрація якого найвища. Встанов­лено, наприклад, що на помірно забруднених ґрунтах урожай на 5–10% нижчий, ніж на незабруднених, а на середньо- і сильнозабруднених він знижується на 30-35% і більше.

Забруднення важкими металами контролюють за їх вало­вим вмістом у ґрунтах і рослинах (Табл. 1). При цьому важ­ливо визначати у ґрунті рухомі форми елементів-забруднювачів. У оцінюванні агроекологічного стану ґрунтів і рослин щодо наявності у них важких металів використовують такі показники:

ü  кларки (валовий фоновий вміст);

ü  ГДК (гранично допустима концентрація) валового вмісту важких металів у ґрунті;

ü  ГДК рухомих форм важких металів у ґрунті;

ü  ГДК вмісту важких металів у рослинній продукції.

Оскільки в реальних умовах не всі з них можливо ви­значити, нерідко послуговуються найдоступнішими з них.

Вплив солей – сполук важких металічних елементів – на стан здоров'я населення прямо пропорційний величині техногенного навантаження на природне середовище, яке включає соціально-економічну освоєння території (показ­ники концентрації населення, промисловості, сільського господарства, будівництва, транспорту, освоєння земель­ного фонду, забрудненість природного середовища, вели­чини радіаційної і хімічної забрудненості атмосферного повітря, природних вод і ґрунтового покриву).

На території України встановлено наявність кількох геохімічних аномалій – перевищення порівняно з природ­ним фоном вмісту певних хімічних речовин у природному середовищі. Природні геохімічні аномалії важких металів у кристалічних породах з перевищенням в 10 кларків є на території Рівненської, Житомирської, Хмельницької та Вінницької областей в межах виходів кристалічних порід Українського щита на заході, а також в районі Кіровогра­да та Донецько-Дніпропетровського промислового району. На цих територіях і в ґрунтових водах зафіксовано переви­щення ГДК ртуті, урану, берилію та інших металів.

Медичними дослідженнями встановлено вплив каль­цію, фтору, стронцію, кремнію на будову скелету; залізо, кобальт, ванадій, мідь беруть участь у кровотворенні; йод впливає на функціонування щитовидної залози. Порушен­ня оптимального вмісту в організмі людини цинку, маг­нію, хлору понижують рівень холестерину в крові; з кадмі­єм пов'язані порушення кров'яного тиску; дефіцит міді шкідливо діє на пластичність кровоносних судин. Підвищений вміст у компонентах довкілля свинцю, нікелю, маг­нію зумовлює виникнення злоякісних пухлин. Дуже чут­ливо реагує організм людини на дефіцит або надлишок йо­ду, що приводить до зобних ендемій, або до виникнення злоякісних пухлин.

Людський організм нормально функціонує за умови збалансованості всіх хімічних компонентів. Негативні змі­ни в ньому відбуваються тоді, коли концентрація елементу має відхилення від ГДК, що зумовлює глибокі зміни обмінних процесів, порушення функцій багатьох органів, наслідком чого є специфічні захворювання.

Отже, важкі метали і солі вражають ґрунт, повітря, во­ду, а через них потрапляють у рослини, якими живляться тварини і люди. Індустріалізація, науково-технічний прогрес поглиблюють їх негативний вплив.

2.          Пестициди і їх дія на організм людини

Пестициди (лат. pestis – зараза, чума і caedo – уби­ваю) є засобами хімічного захисту рослин. їх поділяють на пестициди першого (сірка, сполуки миш'яку, свинцю, ртуті, нікотин сульфат, піретрум) і другого (фосфорорганіч­ні, хлороганічні, ртутьорганічні сполуки, карбонати, ціані­ди, мідьвмісні речовини) поколінь. До групи пестицидів від­носяться: інсектициди (засоби для знищення шкідливих комах), фунгіциди (засоби для боротьби з грибковими за­хворюваннями), гербіциди (засоби для знищення бур'янів), дефоліанти (засоби для видалення листя), бактерициди (засоби для боротьби з мікробами), арборициди (засоби для знищення небажаної деревної рослинності) тощо. Щорічно у світі використовують до 2,3 млн. т пестицидів.

Пестициди є у воді, повітрі, ґрунті, організмах тварин і людей. У ґрунт пестициди потрапляють з протруєним насін­ням, у процесі хімічного обробітку рослин, рослинними за­лишками, а також з поверхневим стоком і органічними доб­ривами. В продуктах харчування найчастіше зустрічаються тіофос, карбофос та давно заборонений ДДТ, якого ще багато на сільськогосподарських сховищах України.

На сьогодні особливо актуальною є проблема запобіган­ня забрудненню пестицидами продуктів харчування. Зок­рема, у водних екосистемах пестициди ланцюгом харчу­вання переходять від планктону до риб, водоплаваючих птахів і далі з їх м'ясом – до людини. Потрапляючи різни­ми шляхами в організм людини, пестициди можуть спри­чинити небажані наслідки.

За токсичністю для теплокровних пестициди бувають надзвичайно небезпечними (ЛД₅₀ менше 15 мг/кг; леталь­на доза – доза, що зумовлює смертність 50 організмів із 100 піддослідних); високонебезпечними (ЛД₅₀ від 50 до 150 мг/кг); помірно небезпечними (ЛД₅₀ від 151 до 5000 мг/кг); мало небезпечними (ЛД₅₀ більше 5000 мг/кг).

Класифікують пестициди і за їх накопиченням в орга­нізмах, використовуючи при цьому коефіцієнт акумуляції (Табл. 2):

де Д_с – сумарна доза, яка спричинює загибель організму за повторної дії.

Таблиця 2

Гігієнічна класифікація пестицидів за їх акумуляцією в організмі

Пестициди спричинюють загибель багатьох організмів і можуть при накопиченні в ґрунті, сільськогосподарській продукції погіршувати стан людини (Табл. 3)

Таблиця 3

Характерні особливості різних груп пестицидів

Застосування пестицидів другого покоління у сільськогосподарському виробництві спричинює інтоксика­цію організму людини, загальне його отруєння. Так, фос­форорганічні сполуки зумовлюють порушення функцій серцево-судинної системи, розширення кровоносних су­дин, викликають головні болі тощо. Хлорорганічні спо­луки негативно впливають на центральну нервову систе­му, верхні дихальні шляхи і роботу печінки.

Попри шкідливу дію пестицидів, вони є основним засо­бом боротьби із шкідниками, хворобами сільськогосподар­ських культур і бур'янами. На сучасному етапі в сільсько­господарському виробництві використовується до 25000 пестицидних препаратів. Окупність їх використання ста­новить 3,5-7 одиниць на одиницю затрат.

3.          Токсичність хімічних речовин

Токсичність – це здатність хімічних речовин виклика­ти отруєння, яке супроводжується порушенням стану орга­нізму і його функцій. Отруйні властивості можуть проявля­ти майже всі речовини. Наприклад, токсично діють на лю­дину спожита у великих дозах звичайна сіль або кисень за високого тиску. Однак отруйними вважають лише ті речо­вини, які проявляють шкідливу дію у звичайних умовах і потрапляють в організм у відносно малих кількостях.

До організму людини отрута може потрапляти через легені, шлунково-кишковий тракт, шкіру. З огляду на умови, в яких виникають отруєння, їх поділяють на побу­тові, медикаментозні та професійні. Найчастіше трапля­ються отруєння снодійними пігулками, фосфорорганічни­ми сполуками та наркотиками. Дію отрути класифікують за ступенями токсичності (Табл. 4)

Таблиця 4

Токсикологічна класифікація речовин

Хімічні речовини класифікують і за ступенем небезпе­ки, тобто за ступенем загрози для життя людського орга­нізму (Табл. 5).

Таблиця 5

Класифікація речовин за ступенем небезпеки (ГОСТ 12.1.007-76)

Показники	Клас небезпеки
	1	2	3	4
ГДК в повітрі виробничої зони мг/м3	<0,1	0,1-1,0	1,1- 10,0	>10
Середньо-смертельна доза при потраплянні до шлунку DL50, мг/кг	1,5	15-150	151- 5000	>5000
Смертельно-середня доза при нанесенні на шкіру DL50, мг/кг	<100	100-500	50- 2500	>25000
Середньо-смертельна концентрація в повітрі CL50, мг/кг	<500	500- 5000	500- 50000	>50000
Зона гострої дії Zас	<6	6-18	18,1-54	>54

Отруті властива вибіркова токсичність. За цим критерієм розрізняють:

ü    серцеві отрути з перевагою кардіотоксичної дії (лікарські препарати, рослинні отрути, солі калію, кобальту, кадмію і барію);

ü    нервові отрути, що спричинюють порушення психічної активності (чадний газ, фосфорорганічні сполуки, алкоголь, наркотики);

ü    печінкові отрути (хлоровані вуглеводи, отруйні гриби, феноли, адельгіди);

ü    ниркові отрути (сполуки важких металів, етиленгліколь, щавлева кислота);

ü    кров'яні отрути (анілін, нітрати);

ü    легеневі отрути (оксиди азоту, озон, фостен).

За характером дії (ГОСТ 12.0.003-74) шкідливі речовини поділяють на:

§     токсичні речовини (спричинюють отруєння всього організму або пошкоджують окремі системи і зумовлюють патологічні зміни печінки, нирок);

§     подразнюючі речовини (викликають подразнення слизових оболонок дихальних шляхів, очей, легенів);

§     алергенні речовини (провокують напади астми);

§     мутагенні речовини (зумовлюють порушення генетичного коду; така дія характерна для свинцю, марганцю, радіоактивних ізотопів);

§     канцерогенні речовини (наслідком їх дії є розвиток злоякісних новоутворень. До цього призводить потрапляння в організм небезпечних доз циклічних амінів, ароматичних вуглеводів, хрому, нікелю, азбесту);

§     речовини, що впливають на репродуктивну (дітородну) функцію організму (ртуть, свинець, стирол, радіоактивні ізотопи).

Отруєння, що настає внаслідок надходження токсичних речовин до організму, відбувається в гострій, підгострій і хронічних формах. Гострі отруєння виникають внаслідок дії великих доз отрути і супроводжуються порушенням фун­кції життєво важливих органів. Хронічні отруєння проявляються поступово внаслідок тривалого надходження неве­ликих кількостей отрути в організм.

Токсичність речовин встановлюють за результатами клінічних, лабораторних та епідеміологічних досліджень. Клінічні дослідження проводять у зв'язку з випадковими отруєннями, передозуванням лікарських препаратів, вбивством і самовбивством. Під час лабораторних дослі­джень (на пацюках, мишах, морських свинках) встанов­люють токсичність різних речовин, а отримані дані вико­ристовують в гігієнічному нормуванні шкідливих факто­рів. Епідеміологічні дослідження проводять у процесі вив­чення історії хвороби, з'ясовуючи, чому одна група людей хворіє, а інша ні. Завдяки цьому вдається встановити ста­тистичний зв'язок (сильний, помірний, слабкий) між ре­човиною і захворюванням. Однак ці дослідження не мо­жуть бути використані як доказ, що конкретна речовина є причиною хвороби.

4.          Мутагенність і її вплив на людський організм

Ще у XIX ст. ботаніки звернули увагу на групу рослин, які за своїми зовнішніми ознаками різко відрізняються від інших, зберігаючи загальну схожість з ними. Такі зміни було названо мутацією (лат. mutatio – зміна, переміна). Сучасна наука тлумачить мутацію як зміну кількості або структури ДНК, що спричинює зміни генотипу.

Мутації, що виникають у статевих клітинах (генера­тивні мутації), передаються наступним поколінням. Мута­ції соматичних клітин (соматичні мутації) успадковуються лише дочірніми клітинами, які утворюються шляхом мітозу (поділу) і в багатьох випадках сприяють розвитку ракових пухлин.

Частота природних мутацій не перевищує 0,00001, що рівнозначно 1 мутації на 100 тис. поколінь. Проте в остан­ні десятиліття виявлені численні фактори, під дією яких частота мутацій може суттєво збільшуватися. Ці фактори названі мутагенами.

Мутагени (лат. muto – змінюю і грец. genos – рід, походження) – фізичні, хімічні та інші фактори, які збільшують частоту мутацій.

За походженням фактори, що впливають на частоту мутацій, поділяють на фізичні, хімічні, біологічні. До фі­зичних мутагенних факторів належать іонізуючі випро­мінювання (рентгенівське, γ – гамма, β – бета), ультрафі­олетові промені з довжиною хвилі 250-280 мм, космічне випромінювання; до хімічних мутагенних факторів – хі­мічні сполуки (іприт, кофеїн, формальдегід, ртуть, епок­сидні смоли, свинець, оксиди азоту, пестициди, мінераль­ні добрива, лікарські препарати, харчові концентрати, барвники); до біологічних мутагенних факторів – віруси (збудники кору, віспи, паротиту – запалення привушної слинної залози) і бактеріальні токсини.

За походженням мутації можуть бути геномними, хро­мосомними, генними. Геномні мутації виникають внаслі­док кратної зміни набору хромосом – геномів. Більшість сільськогосподарських культур – поліплоїди (кількість хромосом у їх клітинах у два і більше разів перевищує нор­му). Поліплоїдію викликає алкалоїд (азотовмісна речови­на) колхіцин, який використовують при виведенні сортів сільськогосподарських культур (томатів, цукрових буря­ків). Хромосомні мутації змінюють кількість хромосом. Унаслідок цього відбувається збільшення або нестача пев­ної хромосоми чи її ділянки. Прикладом можна вважати синдром Дауна, який спричинює затримку розумового розвитку дитини. Генні мутації є результатом зміни нукломідної послідовності ДНК на певній ділянці хромосоми. Більшість генних мутацій рецесивні (приховані). Перебу­ваючи в популяції протягом багатьох поколінь, вони про­являються через хвороби.

Захворювання людей, які виникають під впливом спадкових та екзогенних (зовнішніх) факторів, поділяють на такі види:

–          спадкові хвороби, зумовлені мутаціями хромосом (гені-гемофілія);

–          спадкові хвороби, зумовлені мутаціями генів на фо­ні шкідливих факторів довкілля (режим харчування, перевтома, інтоксикації, наприклад, спадковий цукровий діабет);

–          захворювання, зумовлені факторами довкілля, в якому спадковість відіграє допоміжну роль (гіпертонічна хвороба, виразка шлунку і дванадцятипалої кишки, алер­гічні захворювання, ожиріння);

–          захворювання, не пов'язані зі спадковістю (травми, інфекції, опіки).

Забруднення довкілля, ресурсів, виробничої сировини супроводжується збільшенням кількості захворювань в усіх групах. Зниженню частоти мутацій сприяє вживання антимутагенів, якими, наприклад, є вітаміни Е, С, А, К. Щодо цього корисні овочеві культури (капуста знижує ві­рогідність мутагенезу в 8-10 разів, екстракт яблук – у 8, листок м'яти – 11, зелений перець – 10, баклажани – 7, виноград – у 4 рази).