Глава 11. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Химические элементы являются одним из компонентов экологического портрета человека.

А.В. Скальный

11.1. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ БИОСФЕРЫ РОССИИ

Антропогенное загрязнение окружающей среды оказывает существенное влияние на здоровье растений и животных (Ермаков В.В., 1995). Годовая продукция растительности мировой суши до ее нарушения человеком имела значение, близкое к 172•10⁹ т сухого вещества (Базилевич Н.И., 1974). В результате воздействия ее природная продукция к настоящему времени уменьшилась не менее чем на 25% (Панин М.С., 2006). В публикациях В.В. Ермакова (1999), Ю.М. Захарова (2003), И.М. Донник (1997), М.С. Панина (2003), G.M. Hove (1972), D.R. Burkitt (1986) и др. показана возрастающая агрессивность антропогенных воздействий на окружающую среду (ОС), имеющих место на территориях развитых стран.

В.А. Ковда еще в 1976 году привел данные о соотношении естественных биогеохимических циклов и антропогенного вклада в природные процессы, с тех пор техногенные потоки возросли. По его данным, биогеохимические и техногенные потоки биосферы оцениваются следующими величинами:

По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн известных химических соединений используется до 500 тыс., из которых 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными. К 2000 г. потребление минеральных и органических сырьевых ресурсов резко возросло и достигло 40-50 тыс. тонн на одного жителя Земли. Соответственно возрастают объемы отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения. К началу XXI века антропогенные загрязнения поставили человечество на грань экологической катастрофы (Ермаков В. В., 2003). Поэтому анализ экологического состояния биосферы России и поиск путей экологической реабилитации ее территории являются весьма актуальными.

В настоящее время на предприятиях горнодобывающей, металлургической, химической, деревообрабатывающей, энергетической, строительных материалов и других отраслей РФ ежегодно образуется около 7 млрд тонн отходов. Используется же лишь 2 млрд тонн, или 28% от общего объема. В связи с этим в отвалах и шламох-ранилищах страны накоплено около 80 млрд тонн только твердых отходов. Под полигоны для их хранения ежегодно отчуждается около 10 тыс. га пригодных для сельского хозяйства земель. Наибольшее количество отходов получается при добыче и обогащении сырья. Так, в 1985 г. объем вскрышных, попутно добываемых пород и отходов обогащения в различных отраслях промышленности СССР, был соответственно 3100 и 1200 млн м³. Большое количество отходов образуется в процессе заготовки и переработки древесного сырья. На лесозаготовках отходы составляют до 46,5% общего объема вывезенной древесины. В нашей стране ежегодно образуется более 200 млн м³ древесных отходов. Несколько меньше отходов получается на предприятиях черной металлургии: в 1984 г. выход огненно-жидких шлаков составил 79,7 млн тонн, в том числе 52,2 млн тонн доменных, 22,3 млн т сталеплавильных и 4,2 млн т ферросплавных. В мире ежегодно выплавляется цветных металлов приблизительно в 15 раз меньше, чем черных. Однако при производстве цветных металлов в процессе обогащения руды образуется от 30 до 100 тонн измельченных хвостов на 1 тонн концентратов, а при плавке руды

на 1 тонну металла - от 1 до 8 тонн шлаков, шламов и других отходов (Добровольский И.П., Козлов Ю. Е. и др., 2000).

Ежегодно на предприятиях химической, пищевой, минеральных удобрений и других отраслей промышленности образуется более 22 млн тонн гипсосодержащих отходов и около 120-140 млн тонн осадков сточных вод (в сухом виде), около 90% из которых получаются при нейтрализации производственных сточных вод. Более 70% терриконов Кузбасса относятся к горящим. На расстоянии нескольких километров от них в воздухе значительно повышены концентрации SO₂, CO, CO₂. Резко повышается концентрация в почвах и поверхностных водах тяжелых металлов, а в районах урановых рудников - радионуклидов. Ведение горных работ открытым способом приводит к ландшафтным нарушениям, которые по своим масштабам соизмеримы с последствиями крупных природных катастроф. Так, в районе горных выработок в Кузбассе образовались многочисленные цепи глубоких (до 30 м) провалов, тянущихся на протяжении более 50 км, общей площадью до 300 км² и объемов провалов более 50 млн м³.

В настоящее время огромные площади занимают твердые отходы тепловых электростанций: золы, шлаки, близкие по составу к металлургическим. Их ежегодный выход достигает 70 млн тонн. Степень их использования в пределах 1-2%. По данным министерства природных ресурсов РФ, общая площадь земель, занятых отходами различных производств, в целом превышает 2000 км².

В мире добывается ежегодно более 40 млрд тонн сырой нефти, из которых при добыче, транспортировке и переработке теряется около 50 млн тонн нефти и нефтепродуктов. Нефть считается одним из самых распространенных и самых опасных загрязняющих веществ в гидросфере, так как около трети ее добывается в континентальном шельфе. Общая масса нефтепродуктов, ежегодно попадающих в моря и океаны, приближенно оценивается в 5-10 млн тонн.

По данным НПО «Энергосталь», степень очистки отходящих газов от пыли черной металлургии превышает 80%, а степень утилизации твердых продуктов улавливания составляет лишь 66%. При этом коэффициент утилизации железосодержащих пылей и шлаков равен 72%, тогда как остальных видов пылей 46%. Практически на всех предприятиях как металлургических, так и тепловых электростанций не решаются вопросы очистки агрессивных низкопроцентных серосодержащих газов. Выбросы этих газов в СССР составляли 25 млн тонн. Выбросы в атмосферу серосодержащих газов только от ввода в эксплуатацию газоочисток на 53 энергоблоках страны

в период с 1975 по 1983 годы снизились с 1,6 до 0,9 млн тонн. Слабо решаются вопросы нейтрализации гальванических растворов. Еще медленнее - вопросы по утилизации отходов, образующихся при нейтрализации и переработке отработанных травильных растворов, растворов химических производств и сточных вод. В городах России до 90% сточных вод сбрасываются в реки и водоемы в неочищенном виде. В настоящее время разработаны технологии, которые позволяют превращать токсичные вещества в малотоксичные и даже в биологически активные, которые можно использовать в сельском хозяйстве и в других отраслях.

Современные города выбрасывают в атмосферу и водную среду около 1000 соединений. В загрязнении воздуха городов одно из ведущих мест занимает автотранспорт. Во многих городах на выхлопные газы приходится 30%, а в некоторых - 50%. В Москве за счет автотранспорта в атмосферу поступает около 96% CO, 33% NO₂ и 64% углеводородов.

По факторам воздействия, их уровню, длительности действия и площади распространения природно-техногенные биогеохимические провинции Урала отнесены к территориям с наибольшей степенью экологического неблагополучия (Ермаков В.В., 1999). Уральский регион на протяжении последних лет занимает лидирующее положение по количеству суммарных выбросов в атмосферу вредных веществ. По данным А.А. Малыгиной и соавт., по загрязнению воздуха и воды Урал занимает первое место в России, а по загрязнению почв - второе. По информации Госкомстата России на долю Свердловской области в Уральском регионе приходится 31% всех вредных выбросов и такой же объем загрязненных сточных вод. Доля Челябинской области в загрязнении региона составляет 25, Башкортостана - 20, Пермской области - 18%. На предприятиях Урала размещено 400 млн тонн токсичных отходов всех классов опасности.

Челябинская область является одним из крупнейших в стране производителей черных металлов. В ней насчитывается 28 предприятий металлургического комплекса. Для обеспечения их сырьем в области работает более 10 горноперерабатывающих предприятий. По состоянию на 1993 год на металлургических предприятиях области накоплено около 180 млн тонн доменных шлаков, 40 млн тонн сталеплавильных и более 20 млн тонн шлаков производства феррохрома, а также значительное количество пылей и шламов. Установлена возможность переработки отходов в различные строительные материалы для нужд народного хозяйства. В Челябинской области образуется в 3 раза больше

отходов на душу населения, чем в целом по России. В отвалах области накоплено свыше 2,5 млрд м³ различных горных пород, 250 млн тонн шлаков и золы ТЭС. Из всего объема вскрышных пород перерабатывается только 3%. На металлургических предприятиях из 14 млн тонн ежегодно образующихся шлаков используется только 40-42%, из них 75% доменных шлаков, 4% - сталеплавильных, 3% - ферросплавных и 17% шлаков цветной металлургии, а золы ТЭС только около 1%. По данным И.А. Мякишева, в атмосферу г. Челябинска в 1997 году было выброшено 74 736 тонн газообразных и жидких выбросов.

Нарушение микро- и макроэлементного гомеостаза в организме определяется природно-техногенными загрязнениями биосферы, что приводит к формированию широких ареалов техногенных микроэлемен-тозов вокруг территориально-промышленных комплексов. Страдает здоровье не только людей, принимающих непосредственное участие в процессе производства, но и проживающих по соседству с предприятиями. Как правило, они имеют менее выраженную клиническую картину и могут принимать скрытую форму тех или иных патологических состояний. Показано, что вблизи промышленных предприятий, расположенных в городе среди жилых массивов, концентрации свинца превышают фоновые значения в 14-50 раз, цинка - в 30-40 раз, хрома - в 11-46 раз, никеля - в 8-63 раза.

Челябинск входит в число 15 городов России с устойчиво повышенным уровнем загрязнения атмосферы и занимает 12-е место. Анализ экологической ситуации и состояния здоровья населения г. Челябинска позволил установить, что по уровню загрязнения Челябинск относится к «зонам чрезвычайной экологической ситуации». Продолжительность жизни на 4-6 лет меньше по сравнению с аналогичными показателями по России (см. рис. 10.6).

Жители, длительно проживающие в условиях природно-техногенного загрязнения, подвергаются воздействию аномальных концентраций химических элементов, оказывающих заметное влияние на организм. Одно из проявлений - изменение состава крови, причиной которого является нарушение поступления железа, микроэлементов (Cu, Co) в организм, связанное как с низким содержанием их в продуктах питания, так с высоким содержанием в пище соединений, препятствующих абсорбции железа в ЖКТ.

При проведении мониторинга по биологическим и ветеринарным параметрам в56 хозяйствах разных регионов Урала (Донник И.М., Шкуратова И.А., 2001) было условно выделено пять вариантов территорий, различающихся по экологической характеристике:

• территории, загрязненные выбросами крупных промышленных предприятий;

• территории, загрязненные вследствии деятельности ПО «Маяк» долгоживущими радионуклидами - стронцием-90 и цезием-137 (Восточно-Уральский радиоактивный след - ВУРС);

• территории, испытывающие нагрузку от промышленных предприятий и одновременно находящиеся в зоне ВУРСа;

• геохимические провинции с высоким природным содержанием тяжелых металлов (Zn, Cu, Ni) в почве, воде, а также аномальными концентрациями в припочвенном воздухе и воде радона-222;

• территории, относительно благоприятные в экологическом отношении, свободные от промышленных предприятий.

11.2. ЭКОЛОГО-АДАПТИВНЫЙ ПРИНЦИП УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ БИОСФЕРЫ

Многообразие почвенных и водных ресурсов России по агрохимическим и агрофизическим показателям и их загрязнению многообразными природно-техногенными загрязнителями является барьером, препятствующим обеспечению организма сбалансированным микро-и макроэлементным составом в биологически активной нетоксичной форме. Изучением механизмов биологического действия микро- и макроэлементов, а также токсических приложений в медицине, животноводстве и растениеводстве занимается геохимическая экология.

Основная задача геохимической экологии - выяснение процессов приспособления организмов к условиям окружающей среды (адаптации), процессов миграции химических элементов, форм миграции и влияние техногенных процессов, изучение точек приложения химических элементов среды к обменным процессам, выявление причинных зависимостей нормальных и патологических реакций организмов от факторов окружающей среды. В природных условиях и в эксперименте составляют конечную цель этого раздела экологии

(Ковальский В.В., 1991).

Геохимическая экология - это область системной экологии, где основным фактором воздействия служит химический элемент и подразделяется на частные направления по объекту воздействия: геохимическая экология человека, растений и животных. Современная экология является интегрирующей наукой (Реймерс Н.Ф., 1990). Он проводит связь экологии с 28 естественными науками.

Техногенные загрязнения окружающей среды оказывают влияние на продолжительность жизни населения. В настоящее время рождаемость населения не всегда превышает смертность. В условиях Южного Урала показатель смертности составляет 16 на 1000 человек населения (Шепелев В.А., 2006).

Современная стадия эволюции биосферы представляет собой стадию коррекции техногенной деятельности человека и начало появления разумных ноосферных технологий (Ермаков В.В., 2003). Достижение устойчивого развития зависит, прежде всего, от создания и освоения экологически приемлемых технологий в промышленности и сельском хозяйстве. Медицина и сельское хозяйство должны переходить на стратегию адаптации к биосфере, согласно которой нужно учитывать биохимические особенности территории и основные экологические принципы, управляющие самовоспроизводством живых систем. Эколого-адаптивный принцип - основной принцип, позволяющий природным экосистемам неопределенно долго поддерживать свое стабильное состояние, заключается в том, что восстановление и избавление от отходов происходят в рамках биогеохимического круговорота химических элементов. Поскольку атомы не возникают, не превращаются один в другой и не исчезают, то они могут бесконечно использоваться в пищевых целях, находясь в самых различных соединениях и запас их никогда не истощится. Существовавший веками круговорот элементов включал только биогенные элементы. Однако извлечение из недр земли в последние десятилетия и рассеивание в биосфере несвойственных живым организмам химических элементов привели к тому, что они включаются в биогеохимические циклы с участием человека и животных.

С момента проведения конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992 году устойчивое развитие стало основной перспективой для стратегии национального и международного развития в области защиты окружающей среды. Устойчивое развитие является процессом перемен, при котором эксплуатация ресурсов, направление инвестиций, ориентация технологического развития должны находиться в гармонии друг с другом для обеспечения потребностей людей, как в настоящее время, так и в будущем. Стратегия устойчивого развития нацелена на удовлетворение основных нужд людей посредством обеспечения экономического роста внутри экологических границ (см. на схеме), представленных одним из важнейших аспектов в области экологической медицины - проблемы экологической реабилитации. Первым этапом устойчи-

вого развития является разработка конкретных проектов, которые могут перерасти в мощную альтернативу нынешней модели развития. В 2002 году проведена международная конференция «Устойчивое развитие Челябинска и региона», на которой одним из приоритетных признан пилотный проект по применению фосфорсодержащих комплексонатов металлов. Важнейшим этапом экологической реабилитации являются разработка и внедрение системы профилактики возникновения техногенных аномалий. Малоотходные технологии регенерации и утилизации промышленных отходов, неорганических кислот и солей переходных металлов с применением хелатообразую-щих агентов для очистки производственных растворов с получением комплексонатов металлов для медицины, сельского хозяйства и промышленности; технологии очистки гидролизных кислот, что снизит объемы сточных вод, твердых и газообразных отходов, должны найти повсеместное внедрение. Данные инновации позволят снизить объем сточных вод в 2 раза, суммарное содержание солей в 4-5 раз, титана, железа и алюминия в 10-13 раз, магния в 5-7 раз. Технологии позволяют получать редкоземельные металлы высокой степени очистки (Жолнин А.В. и соавт., 1990).

Актуальность проблемы здоровья человека и животных в связи с экологической ситуацией очевидна. Решение данной проблемы направлено на создание базиса технологических решений, реализуемых в виде компактных производств, продукция которых запускает компенсаторный механизм природных комплексов отдельных биологических видов. Такой подход позволяет использовать потенциальные возможности

природы путем оптимального саморегулирования, т. е. единственное решение проблем - это повышение эффективности самозащиты биологической системы и природной среды от экологически опасных факторов путем использования продуктов готовых технологий, запускающих механизмы самозащиты.

Первые биосферные исследования выполнены Жоржем Кювье (XIX в.). Он впервые связал эволюцию животного мира Земли с геологическими катастрофами. Это способствовало формированию в дальнейшем представлений о сочетании эволюционного и скачкообразного развития, а также боигеохимическом единстве среды обита-

ния и живых организмов. Несмотря на современные попытки классификации химических элементов, мы придерживаемся количественной характеристики, данной В.И. Вернадским и затем А.П. Виноградовым. В настоящее время учение о макро- и микроэлементах заметно эволюционировало, а накопленные знания о свойствах и биологической роли химических элементов концентрируются в новом научном направлении - «элементологии», прообраз которой заложен в бионеорганической химии (Жолнин А.В., 2003).

В условиях экологического неблагополучия перспективным направлением является эколого-адаптивный принцип, целью которого является коррекция состояний дезадаптации с использованием адаптогенов мягкого действия, антиоксидантов, иммунотроп-ных средств, улучшающих состояние функциональных систем, занятых биотрансформацией элементов, детоксикацией организма. Профилактика и коррекция нарушений обменных процессов с помощью фосфорсодержащих комплексонатов металлов весьма эффективна (Жолнин А. В., 2006). Усвояемость микро- и макроэлементов повышается до 90-95%. Применение микро- и макроэлементов в форме неорганических соединений недостаточно эффективно, так как они находятся в биологически неактивной форме. Их усвояемость в данных условиях в пределах 20-30%, в результате чего потребность организма в микро- и макроэлементах не удовлетворяется даже при достаточно дозированном и продолжительном применении. Анализ взаимодействия техносферы и биосферы позволяет рассматривать их в совокупности как единую систему - экосферу, в которой сосредоточены все современные социо-и эколого-экономические проблемы. Принципы целостности очень важны для понимания проблем современной экологии, главными из которых являются выносливость живой природы и зависимость от нее человеческого общества. Человечество должно научиться жить в согласии с природой, с ее законами и обязано уметь прогнозировать влияние последствий своей деятельности на биологические системы всех уровней, включая экосферу.

Исходя из представленного краткого обзора эколого-биогео-химической обстановки России не остается никаких сомнений в необходимости принятия нового методологического подхода к изучению природно-аномальных и техногенных загрязнений биосферы, различных по путям поступления в организм, токсичности, концентрации, формам, длительности действия, биохимическим реакциям систем организма в ответ на действие загрязнителей.

11.3. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОВИНЦИИ

Следствием техногенеза как мощного антропогенного фактора, отражающего состояние технологии общества являются изъятие (концентрирование) одних химических элементов (Au, Ag, Pb, Fe) и рассеяние других (Cd, Hg, As, F, Pb, Al, Cr) в биосфере или сочетание обоих процессов одновременно.

Локализация и интенсивность поступления техногенных потоков химических элементов обусловливают формирование техногенных аномалий и биогеохимических провинций (БГХП) с различной степенью экологической напряженности. В пределах таких территорий под влиянием токсических веществ у человека, животных и растений возникают патологические нарушения.

В современных условиях все возрастающего техногенного преобразования природы кардинальное значение имеет принцип адекватности используемых материалов и технологий продуктивности и ресурсов биосферы. Биогенная миграция химических элементов не беспредельна. Она стремится к максимальному своему проявлению в определенных пределах, соответствующих гомеостазу биосферы как основному свойству ее устойчивого развития.

Понятие «биогеохимическая провинция» было введено академиком А.П. Виноградовым: «Биогеохимические провинции - области на земле, отличающиеся от соседних областей по содержанию в них химических элементов и вследствие этого вызывающие различную биологическую реакцию со стороны местной флоры и фауны». В результате резкой недостаточности или избыточности содержания какого-либо элемента в пределах данной БГХП возникает биогеохимическая эндемия - заболевание человека, растений и животных.

Территории, в пределах которых человек, животные и растения характеризуются определенным химическим элементным составом, называют биогеохимическими провинциями.

Биогеохимические провинции - это таксоны биосферы третьего порядка - территории различных размеров в составе субрегионов биосферы с постоянными характерными реакциями организмов (например, эндемическими заболеваниями). Патологические процессы, вызванные дефицитом, избытком и дисбалансом микроэлементов в организме А.П. Авцын (1991) назвал микроэлементозами.

Неравномерное распространение химических элементов в пространстве является характерным свойством геохимической структуры земной коры. Значительные и стабильные отклонения содержания

какого-либо элемента в определенном регионе называются геохимическими аномалиями.

Для характеристики неоднородности химических элементов в земной коре В.И. Вернадский использовал кларк концентрации К_к:

где А - содержание элемента в горной породе, руде и пр.; К_среды - среднее значение кларка элемента в земной коре.

Среднее значение кларка элемента в земной коре характеризует так-называемый геохимический фон. Если кларк концентрации больше единицы, это указывает на обогащение элементом, если меньше - означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом. Местности с однотипными аномалиями объединяются в биогеохимические провинции. Биогеохимические провинции могут быть как обеднены каким-либо элементом (К_к < 1), так и обогащены им (Кк > 1).

Различают два рода биогеохимических провинций - естественные и техногенные. Техногенные провинции образуются в результате разработки рудных месторождений, выбросов металлургической и химической промышленности, применения удобрений в сельском хозяйстве. Естественные биогеохимические провинции образуются в результате деятельности микроорганизмов, поэтому нужно обращать внимание на роль микроорганизмов в создании геохимических особенностей окружающей среды. Дефицит и избыток элементов могут приводить к формированию биогеохимических провинций, обусловленных как недостатком элементов (йодные, фторидные, кальциевые, медные и другие провинции), так и их избытком (борные, молибденовые, фторидные, никелевые, бериллиевые, медные и др.). Интересна и важна проблема дефицита брома внутри континентальных областей, горных районов и избытка брома в прибрежных и в вулканических ландшафтах.

С биогеохимической позиции ряд зон экологической напряженности можно рассматривать как биогеохимические провинции - локальные участки биосферы - с резким изменением химического элементного состава среды и организмов с нарушением локальных биогеохимических циклов жизненно важных химических элементов, их соединений, ассоциаций и проявлением патологических специфических реакций. Классификация биогеохимических провинций по экологическому состоянию территорий рассмотрена в разделе.

В соответствии с генезисом БГХП подразделяются на первичные, вторичные, природные, природно-техногенные и техногенные, а терри-

ториально они могут быть зональными, азональными в пределах региона и субрегиона. Экологический анализ БГХП согласно факторам воздействия и площади распространения показывает, что наиболее экологически неблагополучными в России являются следующие азональные и субрегиональные провинции:

• полиметаллические с доминирующими ассоциациями Cu-Zn, Cu-Ni, Pb-Zn, Cu-Ni-Co (Южный Урал, Башкортостан, Чара, Норильск, Медногорск);

• никелевые провинции (Норильск, Мончегорск, Никель, Полярный, Заполярье, Тува);

• свинцовые (Алтай, Кавказ, Забайкалье);

• ртутные (Алтай, Саха, Кемеровская область);

• с избытком фтора (Кировск, Восточное Забайкалье, Красноярск, Братск);

• субрегиональные провинции с высоким содержанием бора и бериллия (Южный Урал).

Из природных и природно-техногенных биогеохимических провинций с избытком в среде и организмах животных меди, никеля и кобальта следует отметить ряд локальных территорий Урала. Эти провинции привлекали внимание ученых еще в 50-е годы 20-го столетия. Позднее Южно-Уральский субрегион биосферы был изучен более детально. Он выделен в самостоятельный биогеохимический таксон на основании следующих факторов: наличия разнородных металлогенных поясов - меднорудных и смешанно-меднорудных, обогащающих почвы такими микроэлементами, как Cu, Zn, Cd, Ni, Co, Mn, что приводит к различным реакциям организма на избыток этих элементов, и географического положения субрегиона биосферы, характеризующегося климатическим единством. Эксплуатация Cu-Zn и Ni-Co месторождений субрегиона биосферы на протяжении почти столетия привела к образованию техногенных провинций, которые выделяются на уровне современного геохимического состояния биосферы.

В данном субрегионе выделены Баймакская медно-цинковая биогеохимическая провинция (Баймак, Сибай), а также Юльдыбаевская и Халиловская Ni-Co-Cu-провинции. В пастбищных растениях первой провинции концентрация меди и цинка в растениях пастбищ варьирует в пределах 14-51 (медь) и 36-91 (цинк) мг/кг сухого вещества. Содержание металлов в растениях других провинций составляет: 10-92 (никель), 0,6-2,4 (кобальт), 10-43 (медь) мг/кг. В южных районах Челябинской области содержание селена в почвах и растениях

очень низкое (0,01-0,02 мг/кг), поэтому в этих районах отмечено заболевание животных беломышечной болезнью.

В районах Челябинской области (Нагайбакском, Аргаяшском, окрестностях городов Пласта, Кыштыма, Карабаша) в почве, воде и кормах содержание селена высокое - до 0,4 мг/кг и более (Ермаков В.В., 1999). Концентрации металлов в растениях, произрастающих в зоне металлургических предприятий (Медногорск), по-видимому, более значительны. Учитывая частые случаи среди животных медных и никелевых токсикозов (медная желтуха, гиперкупроз, никелевый экзематозный дерматоз, никелевый кератоз, некроз конечностей) и биогеохимические критерии по никелю, рассмотренные биогеохимические провинции можно отнести к зонам риска и кризиса (Ермаков В.В., 1999; Грибовский Г.П., 1995).

На Урале имеются геохимические аномалии Золоторудных зон, характеризующихся естественным выходом солей тяжелых металлов в почву и воду. В этих зонах природное содержание мышьяка достигает 250 ПДК, свинца 50 ПДК, повышено содержание ртути, хрома в почвах. Зона Соймановской долины от г. Миасса до г. Кыштыма, включая г. Карабаш, богата выходами на поверхность почвенного слоя меди, цинка, свинца, достигающими свыше 100 ПДК. Вдоль всей области тянутся выходы кобальта, никеля, хрома, создавая порой до 200 ПДК для почв сельскохозяйственных угодий. Особенности природных и техногенных аномалий на Южном Урале формируют на его территории геохимические провинции, элементный состав которых способен оказывать выраженное воздействие на элементный состав питьевой воды, животных, растений и человека.

Изучение техногенных провинций - новая исключительно сложная научная задача, решение которой необходимо для общей экологической оценке функционирования биосферы в современную эпоху и поиска более рациональных технологий. Сложность проблемы состоит в необходимости дифференциации техногенных и природных потоков и форм миграции химических элементов, взаимодействия техногенных факторов, проявления у организмов непредвиденных биологических реакций. Следует напомнить, что именно это научное направление наряду с геохимической экологией способствовало в нашей стране развитию учения о микро- и макроэлементном гомео-стазе и их коррекции. По В.И. Вернадскому, ведущим фактором биосферы является химический - «Подходя геохимически и к изучению геологических явлений, мы охватываем всю окружающую нас природу в одном и том же атомном аспекте». Под его влиянием сформиро-

валась новая область знания - «геохимическая среда и здоровье»

(Ковальский В. В., 1991).

В Карталинском и Брединском районах Челябинской области у крупного рогатого скота распространена эпидемическая остеоди-строфия, вызванная нарушениями фосфорно-кальциевого обмена. Причиной заболевания является избыток стронция, бария и никеля. Устранение дефицита кальция и фосфора позволяет купировать заболевание. В Сосновском районе Челябинской области у крупного рогатого скота обнаружен дефицит меди, цинка, марганца и йода. Биологические системы многих территорий Челябинской области имеют высокое содержание железа. Соответственно повышается биотическая концентрация меди, марганца и витамина Е в кормовом рационе животных. Следовательно, избыток железа может привести к развитию дефицита указанных элементов в организме с клиническими проявлениями. Например, нарушается репродуктивная функция организма.

Полученные данные показывают актуальность зонального картирования территорий по биогеохимическому принципу с составлением базы данных экологического портрета населения, сельскохозяйственных животных и растений. Накопление статистических знаний позволит перейти к реализации эколого-адаптивного принципа, т.е. к разработке и внедрению комплекса региональных мероприятий по устранению дезадаптации биологических систем на территориях разной степени токсического и прооксидантного прессинга. Подобная информация будет востребована не только медицинскими учреждениями, но и станциями экологического мониторинга, санаторно-курортными учреждениями, демографическими службами, институтами и организациями агропромышленного комплекса.

11.4. ЭНДЕМИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ

Наряду с заболеваниями, обусловленными антропогенными факторами загрязнения окружающей среды (техногенными), существуют заболевания, связанные с особенностями биогеохимических провинций (природно-аномальные).

Заболевания и синдромы, в этиологии которых главную роль играет недостаток биогенных (эссенциальных) элементов или избыток как биогенных, так и токсичных микроэлементов, а также их дисбаланс, в том числе аномальные соотношения микро- и макроэле-

ментов, представлены рабочей классификацией микроэлементозов человека (табл. 11.1).

Установлено, что в некоторых биогеохимических провинциях бывает избыток или недостаток определенных микроэлементов, не обеспечивается сбалансированное минеральное питание организма, что приводит к возникновению заболеваний на данной территории.

Заболевания, вызываемые избытком или недостатком элементов в определенной зоне, называют эндемическими заболеваниями. Они носят характер эндемий. Симптомы заболеваний - гипомикроэлементо-зов - представлены в табл. 11.2.

Таблица 11.1. Микроэлементозы человека

Таблица 11.2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

Как следует из таблицы, при недостатке железа в организме развивается анемия, так как оно входит в состав гемоглобина крови. Суточное поступление в организм этого элемента должно быть 12 мг. Однако избыток железа вызывает сидероз глаз и легких, что связано с отложением соединений железа в тканях этих органов на Урале в горных районах Сатки. В Армении в почвах повышенное содержание молибдена, поэтому 37% населения страдает подагрой. Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительной ткани. Кроме того, дефицит меди способствует раковым заболеваниям у людей пожилого возраста. Избыток меди в органах (гипермикроэлементоз) приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Дефицит меди вызывает заболевание мозга у детей (синдром Мениеса), так как в мозге не хватает цитохромоксидазы. На Урале дефицит йода в пище - от недостатка йода развивается базедова болезнь. В Забайкалье, Китае, Корее население поражается деформирующими артрозами (уровская болезнь). Особенность болезни - размягчение и искривление костей. Почвы этих территорий имеют повышенное

содержание Sr, Ba и пониженное Со, Са, Cu. Установлено существование корреляции между пониженным содержанием Са и повышенным содержанием Sr, аналога кальция, который более химически активен. Поэтому нарушается Са-Sr обмен в костной ткани при уровской болезни. Происходит внутреннее перераспределение элементов, кальций вытесняется стронцием. В результате развивается стронциевый рахит. Замена одних элементов другими обусловлено близостью их физико-химических характеристик (радиус иона, энергия ионизации, координационное число), разностью их концентраций и химической активности. Натрий замещается литием, калий - рубидием, барием, молибден - ванадием. Барий, имея одинаковый радиус с калием, конкурирует в биохимических процессах. В результате такой взаимозамещаемости развивается гипокалиемия. Ионы бария, проникая в костные ткани, вызывают эндемическое заболевание Папинг.

11.5. ВОЗМОЖНЫЕ СЛУЧАИ НАРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОЛИГАНДНОГО ГОМЕОСТАЗА ОРГАНИЗМА

Для организма характерно поддержание на постоянном уровне концентрации ионов металлов и лигандов, т.е. поддержание металло-лигандного равновесия (металлолигандного гомеостаза). Нарушение его возможно по ряду причин.

Первая причина. В организм поступают ионы токсиканта (Мт) из окружающей среды (Be, Hg, Со, Те, Pb, Sr и др.). Они образуют более прочные комплексные соединения с биолигандами, чем биометаллы. В результате более высокой химической активности и меньшей растворимости образующихся соединений в узлах кристаллической решетки наряду с гидроксидфосфатом кальция Са₅(РО₄)₃ОН и взамен его могут осаждаться соединения и других металлов, близких по свойствам к кальцию (изоморфизм): бериллия, кадмия, бария, стронция. В этом конкурирующем комплексообразовании за фосфат ион они выигрывают у кальция.

Присутствие даже небольших концентраций тяжелых металлов в окружающей среде вызывает патологические изменения в организме. Предельно допустимая концентрация соединений кадмия в питьевой воде равна 0,01 мг/л, бериллия - 0,0002 мг/л, ртути - 0,005 мг/л, свинца - 0,1 мг/л. Ионы бериллия нарушают процесс включения кальция в костную ткань, вызывая ее размягчение, что приводит к бериллиозу (бериллиевому рахиту). Замещение ионов кальция

стронцием приводит к образованию менее растворимого соединения Sr₅(PO₄)₃OH. Особенно опасно замещение ионов кальция ионами радионуклида стронция-90. Радионуклид, включаясь в костную ткань, становится внутренним источником облучения, что приводит к развитию лейкемии, саркомы.

Ионы Hg, Pb, Fe являются мягкими кислотами, и с ионами серы образуют более прочные соединения, чем ионы биометаллов, представляющие собой жесткие кислоты. Таким образом, возникает конкуренция за лиганд -S-Н между токсикантом и микроэлементом. Первый выигрывает конкуренцию, блокируя активные центры ферментов и исключая их из управления метаболизмом. Металлы Hg, Pb, Bi, Fe и As называют тиоловыми ядами. Соединения мышьяка (V) и особенно мышьяка (III) очень токсичны. Химизм токсичности можно объяснить способностью мышьяка блокировать сульфгидрильные группы ферментов и других биологически активных соединений.

Вторая причина. В организм поступает микроэлемент, необходимый для жизнедеятельности организма, но в значительно больших концентрациях, что может быть связано с особенностями биогеохимических провинций либо с результатом неразумной деятельности человека. Например, для борьбы с вредителями винограда используются препараты, действующим началом которых являются ионы меди. В результате в почве, воде и винограде повышенное содержание ионов меди. Повышенное содержание меди в организме приводит к поражению ряда органов (воспаление почек, печени, инфаркт миокарда, ревматизм, бронхиальная астма). Заболевания, вызванные повышенным содержанием меди в организме, называют гиперкупремиями. Имеет место и профессиональный гиперкупреоз. Избыточное содержание железа в организме приводит к развитию сидероза.

Третья причина. Нарушение баланса микроэлементов возможно в результате непоступления или недостаточного поступления, что также может быть связано с особенностями биогеохимических провинций либо с производством. Например, почти две трети территории нашей страны характеризуются недостатком йода, в частности, в гористых местностях, по долинам рек, это вызывает эндемическое увеличение щитовидной железы и зоба у людей и животных. Профилактическое йодирование способствует предотвращению эндемий и эпизоотии.

Недостаток фтора приводит к флюорозу. В местах добычи нефти наблюдается дефицит иона кобальта.

Четвертая причина. Повышение концентрации токсичных частиц, содержащих азот, фосфор, кислород и серу, способных образовывать прочные связи с ионами биометаллов (СО, CN^-, -SH). В системе несколько лигандов и один ион металла, способный образовывать комплексное соединение с данными лигандами. При этом наблюдаются конкурирующие процессы - конкуренция между лигандами за ион металла. Преобладающим будет процесс образования наиболее прочного комплекса. M6L6 + Lт - MбLт + Lб, где Мб - ион биогенного металла; Lб - биолиганд; Lт - токсичный лиганд.

Комплекс образует лиганд, обладающий большей комплексообра-зующей способностью. Кроме того, имеется возможность образования разнолигандного комплекса, например ион железа (II) в гемоглобине образует с монооксидом углерода СО комплекс, который в 300 раз прочнее, чем комплекс с кислородом:

Токсичность монооксида углерода объясняется с точки зрения конкурирующего комплексообразования, возможности смещения лиган-дообменного равновесия.

Пятая причина. Изменения степени окислении центрального атома микроэлемента или изменения конформационной структуры биокомплекса, изменения его способности к образованию водородных связей. Например, токсичное действие нитратов и нитритов проявляется и в том, что под их воздействием гемоглобин превращается в метгемо-глобин, который не способен транспортировать кислород, что приводит к гипоксии организма.

11.6. ТОКСИЧНЫЕ И НЕТОКСИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ПОЛОЖЕНИЕ ИХ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Условно элементы можно разделить на токсичные и нетоксичные. Токсичные элементы - химические элементы, оказывающие отрицательное действие на живые организмы, которое проявляется только при достижении некоторой концентрации и формы, определяемой природой организма. Наиболее токсичные элементы расположены в периодической системе компактно в 4,5 и 6 периодах (табл. 11.3).

За исключением Be и Ba эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Соли меди, серебра, золота взаимодействуя с сульфидами щелочных металлов с водородсульфидом с образованием нерастворимых соединений. Катионы этих металлов взаимодействуют с веществами, в состав которых входят группы, содержащие серу. Токсичность соединений меди обусловлена тем, что ионы меди взаимодействуют с сульфгидрильными группами -SH (связывание белков) и аминогруппами -NH₂ (блокирование белков). При этом образуются биокластеры хелатного типа. Ртути аминохлорид может взаимодействовать в биологических системах с сульфгидрильными группами белков по реакции:

Таблица 11.3. Положение токсичных элементов в периодической системе Д. И. Менделеева

Существует мнение, что основная причина токсического действия связана с блокированием определенных функциональных групп или же вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например Cu, Zn. Особой токсичностью и распространенностью отличаются Hg, Pb, Be, Co, Cd, Cr, Ni, которые конкурируют в процессе комплексообразования с биометаллами и могут их вытеснять из биокомплексов:

где Мб - ион биогенного металла; Мт - ион токсичного элемента; Lб - биолиганд.

Токсичность определяют как меру любого аномального изменения функции организма под действием химического агента. Токсичность представляет собой сравнительную характеристику, эта величина позволяет сопоставить ядовитые свойства различных веществ (табл. 11.4). Биогенные элементы обеспечивают поддержание динамического равновесия процессов жизнедеятельности организма. Токсичные элементы, а также избыток биогенных элементов могут вызвать необратимые

изменения динамического равновесия в биологических системах, приводящих к развитию патологии.

Таблица 11.4. Сравнительная токсичность ионов металлов

Элементы распространены в органах, тканях и клетках неравномерно. Это зависит от химических свойств элемента, пути его поступления и от длительности действия.

Повреждающее действие вещества проявляется на различных структурных уровнях: молекулярном, клеточном и на уровне организма. Наиболее важные аномальные эффекты происходят на молекулярном уровне: ингибирование ферментов, необратимые конформационные изменения макромолекул и как следствие изменение скорости метаболизма и синтеза, возникновение мутаций. Токсические проявления зависят от концентрации и дозы вещества. Дозы могут быть качественно подразделены на категории по степени возрастания эффекта:

1) без заметных эффектов;

2) стимуляция;

3) терапевтический эффект;

4) токсический или повреждающий эффект;

5) летальный исход.

Стимуляцию и терапевтические эффекты могут вызывать не все вещества. Максимальную токсичность проявляют наиболее химически активные частицы, координационно ненасыщенные ионы, к числу которых следует отнести ионы свободных металлов. Накопленные токсикологией сведения убедительно показывают, что токсичность неорганических соединений металлов - оксидов и солей - является функцией токсичности металлов в элементарной форме. Таким образом, окисление не оказывает решающего влияния на токсичность, а лишь изменяет в той или иной мере ее степень. Все оксиды металлов менее ядовиты, чем их соли, причем с увеличением токсичности элемента различие степени токсичности между оксидами и солями уменьшается. Снижение электрофильных свойств иона соответственно приводит к снижению его токсического действия на организм.

Хелатирование свободных ионов металла полидентатными лигандами превращает их в устойчивые, более координационно насыщенные частицы, неспособные разрушить биокомлексы, а следовательно, малотоксичные. Они мембранопроницаемы, способны к транспортировке и выведению из организма. Итак, токсичность элемента определяется его природой, дозой и молекулярной формой, в составе которой находится элемент. Следовательно, нет токсичных элементов, есть только токсичные концентрации и формы.

Токсическое действие соединений на разных структурных уровнях проявляется неравномерно. Структуры, в которых кумуляция элемента максимальна, подвергаются наибольшему токсическому действию. В связи с этим введены понятия критической концентрации для клетки и органа, критический эффект (Ершов Ю.А., Плетнева Т.В., 1989).

Таблица 11.5. Биогеохимические свойства техногенных загрязнителей окружающей среды, которые наиболее широко используются в производственной деятельности (по А.Р. Таировой, А.И. Кузнецову, 2006)

Примечание: В - высокая; У- умеренная; Н - низкая.

Критической концентрацией элемента для клетки называется такая минимальная концентрация, при достижении которой в клетке происходят аномальные функциональные изменения - обратимые или необратимые. Существование критической концентрации токсического элемента для клетки связано с наличием в клетке определенного резерва регулирования функций и указывает на существование в организме клеточного гомеостаза токсического действия элемента.

Критической концентрацией элемента для органа называется такая средняя концентрация, при достижении которой наблюдается нарушение его функции. Критическая концентрация для органа может быть значительно больше или меньше критической концентрации для отдельной клетки. Критическим по данному элементу органом называется первый из органов, в котором элемент достиг критической концентрации при данных условиях (Гигиенические критерии ВОЗ, 1981). В ряде случаев более правильно говорить не об органе, а о критической системе (фермент, органелла, клетка, орган, функциональная система).

Установить характер зависимости концентрации элемента от суммарной дозы позволяют токсико-кинетические модели (Филонов А.А., 1973; Соловьев В.Н. и др., 1980).

Рис. 11.1. Общая токсико-кинетическая модель прохождения неорганических веществ через организм (Ершов Ю.А., Плетенева Т.В., 1989)

Такие модели отображают кинетику поступления химических агентов в организм, их превращения, всасывание и выведение из организма

(рис. 11.1).

Токсические эффекты некоторых элементов представлены в табл. 11.6.

Продолжение табл. 11.6 Таблица 11.6. Эффекты токсичности некоторых химических элементов

Окончание табл. 11.6

Примечание. Эффекты токсичности элементов использовать при рассмотрении медико-биологического значения химических элементов.

Микроэлементология изучает два круга проблем. Во-первых, это интервалы концентрации, формы соединений микроэлементов и условия, в которых проявляется биогенный эффект, значение которого сравнимо со значением витаминов, не синтезирующихся в организме, но являющихся незаменимыми нутриентами. При гипомикроэлемен-тозах - заболеваниях, вызванных дефицитом МЭ, возникают болезни недостаточности. Во-вторых, пределы токсичности, кумулятивные эффекты микроэлементов как загрязнителей окружающей среды.

При разнообразных формах контакта организмов с данными элементами возникают болезни и синдромы интоксикации - токсикопа-тии. Сложность проблемы состоит не только в том, что проявления недостаточности и интоксикации крайне разнообразны, но и в том, что сами эссенциальные МЭ при определенных условиях вызывают токсичные реакции, а поллютанты при определенной дозе и экспозиции могут оказаться полезными (реверсивный эффект). Это тесно соприкасается с их взаимовлиянием, которое может быть как синер-гическим, так и антагонистическим. Многое в микроэлементологии, особенно в проблеме дисбаланса МЭ в организме, еще недостаточно исследовано.

11.7. МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА ОТ КСЕНОБИОТИКОВ

Природа проявила большую заботу о поддержании металлоли-гандного гомеостаза организма, о сохранении чистоты внутренней среды организма. Обеспечить удаление отходов порой даже важнее, чем накормить клетку. Питательные вещества доставляет одна система - кровеносная, а отходы удаляют две - кровеносная и лимфатическая. Мелкий «мусор» как бы уходит прямо в кровь, а крупный - в лимфу. В лимфатических узлах лимфа очищается от токсических отходов.

Существуют следующие механизмы защиты внутренней среды организма.

1. Барьеры, мешающие ксенобиотикам войти во внутреннюю среду организма и в особо важные органы (мозг, половую и некоторые другие железы внутренней секреции). Эти барьеры образованы одноили многослойными пластами клеток. Каждая клетка одета мембраной, непроницаемой для многих веществ. Роль барьеров у животных и человека выполняют кожа, внутренняя поверхность желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей. Если ксенобиотик проникает в кровь, то в центральной нервной системе, железах внутренней секреции его встретят гистогематические барьеры, т.е. барьеры между тканью и кровью.

2. Транспортные механизмы обеспечивают выведение ксенобиотиков из организма. Они обнаружены во многих органах человека. Наиболее мощные находятся в клетках печени и почечных канальцах. Особые образования обнаружены в желудочках головного мозга, которые перемещают чужеродные вещества из ликвора (жидкость,

омывающая мозг) в кровь. Имеется как бы два вида выведения ксенобиотиков: те, что очищают внутреннюю среду всего организма, и те, что поддерживают чистоту внутренней среды одного органа. Принцип работы системы выведения одинаков: транспортные клетки образуют слой, одна сторона которого граничит с внутренней средой организма, а другая с внешней. Мембрана клеток не пропускает ксенобиотики, но в этой мембране имеется белок-переносчик, который опознает «вредное» вещество и переводит его во внешнюю среду. Анионы выводятся одним видом переносчиков, а катионы - другим. Описано более двухсот переносчиков, комплексонаты s-элементов относятся к их числу. Но транспортные системы не всесильны. При высокой концентрации яда в крови они не успевают утилизировать полностью токсичные частицы и на помощь приходит третий механизм защиты.

3. Ферментативные системы, которые превращают ксенобиотики в соединения, менее токсичны и легче удаляемы из организма. Они катализируют процессы взаимодействия ксенобиотика с молекулами других веществ. Продукты взаимодействия легко удаляются из организма. Наиболее мощные ферментативные системы находятся в клетках печени. В большинстве случаев она может справляться с этой задачей и обезвреживать опасные вещества.

4. Тканевое депо, где как бы под арестом, могут накапливаться нейтрализованные ксенобиотики и сохраняться там длительное время. Но это не является средством полной защиты от ксенобиотиков в экстремальных условиях.

Именно поэтому возникла мысль искусственно создать системы защиты, аналогичные лучшим образцам природных биологических систем.

11.8. ДЕЗИНТОКСИКАЦИОННАЯ ТЕРАПИЯ

Дезинтоксикационная терапия - это комплекс лечебных мер, имеющих целью выведение яда из организма или обезвреживание яда с помощью антидотов. Вещества, устраняющие последствия действия ядов на биологические структуры и инактивирующие яды посредством химических реакций, называют антидотами.

Развитие физико-химической биологии создало возможности разработки и применения разнообразных методов очищения организма от токсичных молекул и ионов. Для дезинтоксикации организма применяют методы диализа, сорбционные и химические реакции. Диализ

относят к почечным методам. При гемодиализе кровь от диализата отделяется полупроницаемой мембраной, и токсичные частицы из крови пассивно переходят через мембрану в жидкость в соответствии с градиентом концентрации. Применяют компенсационный диализ, вивидиализ. Сущность компенсационного диализа заключается в том, что жидкость в диализаторе отмывается не чистым растворителем, а растворами с различными концентрациями веществ. На принципе компенсационной вивидиффузии был сконструирован аппарат, получивший название «искусственная почка», с помощью которой можно очищать кровь от продуктов обмена веществ и, следовательно, временно защищать функцию больной почки. Показанием к применению «искусственной почки» является острая почечная недостаточность при уремии после переливания крови, при ожогах, токсикозе беременности и т.д. Моделирование естественных механизмов детоксикации крови в различных сорбционных устройствах с использованием углеродных сорбентов, иммуносорбентов, ионообменных смол и других называется гемосорбцией. Она так же, как и ее разновидности плазмо- и лимфосорбция, используется для удаления из крови различных токсичных веществ, вирусов, бактерий. Созданы высокоспецифические сорбенты на конкретные метаболиты, ионы, токсины. Они обладают уникальной способностью удалять из организма гидрофобные крупномолекулярные соединения, среди которых много высокотоксичных и балластных веществ (холестерин, билирубин и др.). Сорбционные методы позволяют воздействовать на иммунореактив-ность организма путем удаления иммуноглобулинов, комплемента, комплексов антиген-антитело.

Из сорбционных методов нашла широкое применение энтеросорб-ция. Энтеросорбция - метод, основанный на связывании и выведении из ЖКТ с лечебной или профилактической целью эндогенных и экзогенных веществ, надмолекулярных структур и клеток. Энтеросорбенты - лечебные препараты различной структуры - осуществляют связывание экзо- и эндогенных веществ в ЖКТ путем адсорбции, абсорбции, ионообмена и комплексообразования.

Классифицируются энтеросорбенты по химической структуре: активированные угли, силикагели, цеолиты, алюмогели, алюмосиликаты, оксидные и другие неорганические сорбенты, пищевые волокна, орга-номинеральные и композиционные сорбенты.

Бактериальные токсины, биоактивные кишечные пептиды, токсичные метаболиты, радионуклиды удаляются из организма методом энтеросорб-ции с помощью угольных сорбентов или углерод-минеральных сорбентов с положительно заряженной поверхностью. Используется в комплексной

терапии ряда заболеваний: псориаза, бронхиальной астмы, желудочно-кишечных заболеваний. Хорошие результаты дала плазмосорбция, сочетающая два способа детоксикации: гемосорбцию и плазмаферез.

Одно из важнейших направлений решения проблемы детоксикации организма - разработка и применение искусственных органов очистки: «искусственная почка» и «вспомогательная печень». Аппарат «вспомогательная печень», разработанный профессором В.Е. Рябининым, берет на себя большую часть работы по детоксикации организма и улучшению обмена веществ. Им создан препарат, изготовленный из свиной печени, который взаимодействует с кровью пациента через полупроницаемую мембрану. Действие препарата основано на принципах функционирования цитохрома Р₄₅₀. Он сохраняет свою функциональную активность при непрерывной работе в печени 6-8 ч. Уже через час после начала эксперимента из крови удаляется до 84% аммиака, а через два часа - 91%. Данный метод может применяться при острых и хронических заболеваниях печени, инфекционных заболеваниях, при травмах и ожогах.

Одним из наиболее широко применяемым, доступным и простым методом детоксикации является химический метод. Химические методы биотрансформации «вредных» для организма частиц весьма разнообразны:

1) обезвреживание токсиканта путем химического взаимодействия с ним, т.е. непосредственного действия на токсичную частицу;

2) устранение токсического эффекта путем влияния на ферменты, рецепторы организма, которые управляют физиологическими процессами утилизации токсикантов в организме, т.е. опосредованное воздействие на токсикант.

Вещества, используемые в качестве детоксикантов, позволяют изменить состав, размер, знак заряда, свойства, растворимость токсичной частицы, превратить ее в малотоксичную, купировать ее токсическое действие на организм, вывести ее из организма.

Из химических методов детоксикации широко используется хелато-терапия, основанная на хелатировании токсичных частиц комплексона-тами s-элементов. Хелатирующие агенты обеспечивают детоксикацию организма путем их непосредственного взаимодействия с токсикантом, образования связанной, прочной формы, подходящей для транспортировки и выведения из организма. Таков механизм детоксикации ионов тяжелых металлов тетацином, тримефацином.

Для детоксикации используются и реакции осаждения. Простейшим противоядием ионов бария, стронция является водный раствор сульфата натрия. Окислительно-восстановительные реакции также при-

меняют для детоксикации. С солями тяжелых металлов тиосульфат натрия дает плохо растворимые сульфиды, и его применяют в качестве антидота при отравлениях тяжелыми металлами:

Тиосульфат-ион отдает атом серы цианид-иону, тем самым превращая его в нетоксичный роданид-ион:

В качестве противоядия соединений тяжелых металлов применяют и водные растворы сульфида натрия, так называемое щелочное сероводородное питье. В результате образования малорастворимых соединений токсичные ионы изолируются и выводятся из желудочно-кишечного тракта. При отравлении сероводородом пострадавшему дают подышать увлажненной хлорной известью, из которой выделяется небольшое количество хлора. При отравлении бромом дают вдыхать пары аммиака.

Разрушительными для белков являются биотрансформации, связанные с действием сильных окислителей, которые переводят соединения серы до степени окисления +6. Такие окислители, как, например, пероксид водорода, окисляют дисульфидные мостики и сульфгидриль-ные группы белков в сульфогруппы R-SO₃H, что означает их денатурацию. При лучевом поражении клеток изменяется их окислительно-восстановительный потенциал. Для сохранения потенциала в качестве радиопротектора - препарата, предохраняющего организм от лучевого поражения, - применяют р-меркаптоэтиламин (меркамин), окисление которого активными формами кислорода при радиолизе воды приводит к образованию цистамина:

Сульфидная группа может участвовать в гемолитических процессах с образованием малореакционноспособных радикалов R-S. Это свойство меркамина также служит защитой от действия свободнорадикаль-ных частиц - продуктов радиолиза воды. Следовательно, равновесие тиол дисульфид связано с регуляцией активности ферментов и гормонов, приспособлением тканей к действию окислителей, восстановителей и радикальных частиц.

В интенсивной терапии эндотоксикозов используются совместно химические методы (протекторы, антидоты) и эфферентные методы

детоксикации - плазмаферез с непрямым электрохимическим окислением крови и плазмы. Данный комплекс методов лежит в основе конструкции аппарата «печень-почка», который уже находит применение в клинике.

11.9. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПОДГОТОВЛЕННОСТИ К ЗАНЯТИЯМ И ЭКЗАМЕНАМ

1. Дать понятие о биогеохимических провинциях.

2. На чем основано применение комплексонатов s-элементов как лечебных препаратов при отравлении соединениями тяжелых металлов?

3. Физико-химические основы биотоксического действия (Pb, Hg, Cd, нитритов и нитрозаминов).

4. Механизм токсического действия ионов тяжелых металлов на основе теории жестких и мягких кислот и оснований.

5. Принципы хелатотерапии.

6. Детоксикационные препараты для хелатотерапии.

7. Какие свойства соединений азота определяют их токсическое действие на организм?

8. Какие свойства перекиси водорода определяют ее токсическое действие?

9. Почему тиолсодержащие ферменты необратимо «отравляются» ионами Cu²⁺, Ag⁺?

10. Какой возможен химизм противотоксического действия Na₂S₂O₃ • 5H₂O при отравлении соединениями ртути, свинца, синильной кислотой?

11. Дайте определение геохимической экологии, экологического портрета человека.

11.10. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1. При отравлении тяжелыми металлами используют методы:

а) энтеросорбции;

б) хелатотерапии;

в) осаждения;

г) все выше перечисленные ответы верны.

2. Вещество может проявлять свою токсическую природу благодаря:

а) форме поступления;

б) концентрации;

в) присутствия в организме других веществ;

г) все выше перечисленные ответы верны.

3. Средняя концентрация, при достижении которой наблюдается нарушение функции органа, называется:

а) предельно допустимая концентрацией;

б) индексом летальности;

в) критической концентрацией;

г) биотической концентрацией.

4. Вещества, вызывающие развитие раковых опухолей, называются:

а) струмогены;

б) мутагены;

в) канцерогены;

г) тератогены.

5. Соединения молибдена относятся к веществам:

а) с высокой токсичностью;

б) умеренной токсичностью;

в) низкой токсичностью;

г) не проявляют токсических свойств.

6. Базедова болезнь является:

а) гипермакроэлементозом;

б) гипермикроэлементозом;

в) гипомакроэлементозом;

г) гипомикроэлементозом.

7. Перекись водорода превращают серу аминокислот в серу:

а) -1;

б) 0;

в) +4;

г) +6.

8. Антидотом против цианистого калия является:

а) тиосульфат натрия;

б) метгемоглобинобразователи;

в) сахара;

г) все выше перечисленные ответы верны.

9. Какое вещество обладает максимальным токсическим действием?

а) Pb⁴⁺;

б) Pb²⁺;

в) РbЭДТА^2-;

г) Pb°.

Часть IV. ГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ