Содержание Введение......................................................................................................... 3 1. Характеристика хлорорганических пестицидов .................................... 4 2. Механизмы токсичности ХОП ................................................................ 8 3. Физиологические эффекты действия ХОП на живые организмы ..... 11 3.1. Гидробионты......................................................................................... 11 3.2. Млекопитающие и птицы.................................................................... 11 3.3. Человек .................................................................................................. 13 Заключение .................................................................................................. 17 Список использованных источников ........................................................ 18 Введение Пестициды – необходимый компонент современного сельского хозяйства, что можно продемонстрировать следующими данными: мировые потери урожая от болезней, вредителей, сорняков составляют 1775 мегатонн, а без применения пестицидов урожайность в мире снизилась бы: для картофеля – на 37 %; для капусты – на 22 %; для яблок – на 10 %; для персиков – на 9 %. Экономическая эффективность пестицидов в защите урожаев неоспорима, однако по мере внедрения этих соединений в сельское хозяйство выяснилось, что их применение имеет и отрицательные последствия для окружающей природы, человека и самого производства растительной продукции. Их можно разделить на четыре категории: нежелательное воздействие на окружающую среду; развитие устойчивости у вредителей; возрождение вредителей и вторичные вспышки численности. Успехи применения пестицидов в 1950–70-е гг. вызвали интерес к использованию аналогичных методов в водном хозяйстве. Исследователи стали исследовать возможность применения биоцидов для подавления или сокращения численности «сорных» и «вредных» гидробионтов. Неприятной неожиданностью стало то, что в водных экосистемах отрицательные последствия применения пестицидов оказались даже резче и острее, чем в экосистемах наземных [1]. В данной работе будут рассмотрены хлорорганические пестициды (ХОП), а именно их влияние на живые организмы – наземные и водные. Таким образом, цель работы: изучить влияние ХОП на живые организмы. Объект исследования: токсичность ХОП. 2 1. Характеристика хлорорганических пестицидов Современные пестициды представляют собой большую группу органических веществ, токсичных для разного рода нежелательных организмов. По механизму биологического действия они подразделяются на: Зооциды – вещества, предназначенные для уничтожения животных, в первую очередь грызунов; Инсектициды – соединения, представляющие собой опасность для насекомых; Акарициды – препараты, применяемые для уничтожения клещей; Нематоциды – для уничтожения нематод; Фунгициды – соединения для борьбы с грибами, в основном с плесенями; Бактерициды (или иногда – биоциды); Гербициды, применяемые для уничтожения нежелательной растительности; Дефолианты, вызывающие опадение листвы у деревьев; Дефлоранты, вызывающие гибель цветков; Десиканты – вещества, предназначенные для высушивания листьев; Фумиганты, предназначенные для окуривания угодий или помещений; Ретарданты, используемые для регуляции роста и развития растений); Репелленты, применяемые для отпугивания насекомых, грызунов; Аттрактанты – вещества, привлекающие насекомых для последующего уничтожения [1]. С химической точки зрения пестициды представляют собой огромное количество различных органических соединений из разных классов, поэтому их классификация выглядит следующим образом: Фосфорорганические – фосфаты, фосфонаты, фосфинаты, фосфорамиды и др.; 3 Карбаматы – дитиокарбаматы, бензимидазолы и др.; Хлорорганические; Пиретрум; синтетические пиретроиды; Фенолы; Морфолины; Хлоралкилтиолы; Металлоорганические; Азолы; Бипиридилиевые соединения; Мочевины, тиомочевины; Анилины (замещенные); Хлорнитрилы [2]. Хлорорганические пестициды представляют собой органические соединения, содержащие в первую очередь хлор, а так же другие заместители. Они имеют различный механизм действия и направлены на разные стороны метаболизма живых организмов. ХОП включают в себя пять основных группировок: ДДТ и его аналоги, гексахлорциклогексан (ГХГ), циклодиены и аналогичные соединения, токсафен и родственные химические вещества, а также клеточные структуры миркс и хлордекон (кепон). Эта группировка основана на химической структуре, поэтому трудно обобщить групповые характеристики и их результирующие токсические эффекты (рисунок 1). 4 Рисунок 1. Химические структуры хлорорганических пестицидов [3] ДДТ и десять его аналогов включают коммерческие пестициды дикофол, булан, хлорфенетол, хлорбензилат, хлорпропилат, ДФДТ, этилан, метоксихлор и пролан. Некоторые из этих соединений имеют поразительно разные свойства; например, медленный метаболизм и заметное хранение ДДТ и его метаболита ДДЭ контрастируют с быстрым метаболизмом и незначительным хранением метоксихлора. Гексахлорциклогексан (ГХГ) состоит из восьми стерических изомеров, включая известный γ-изомер – линдан. Как и ДДТ и его аналоги, изомеры обладают очень разными свойствами. Циклодиены и родственные 5 соединения включают альдрин, изодрин, дильдрин, эндрин, телодрин, гептахлор, изобензам, хлордан и эндосульфан. Эта группа содержит наиболее токсичные хлорорганические пестициды (ОС), особенно в отношении острых отравлений [4]. Проблема применения этого класса пестицидов связана сразу с несколькими свойствами перечисленных соединений – во-первых, они обладают выраженным токсическим эффектом на живые организмы, а вовторых, большая часть ХОП относится к стойким органическим загрязнителям, то есть медленно или вовсе не разлагаются в окружающей среде, способны к переносу на большие расстояния и биоаккумуляции в тканях организмов. Стокгольмской конвенцией к СОЗ отнесены ДДТ, альдрин, дильдрин, хлордан, эндрин, мирекс, гептахлор, гексахлорбензол, токсафен, хлордекон, линдан, эндосульфан, пентахлорбензол. Применение пестицидов, относимых к СОЗ запрещено в странах, подписавших конвенцию, в том числе и в России, и крайне не рекомендовано в других регионах [5]. В этой работе пойдёт речь о наиболее распространённых и изученных ХОП – их влиянии на разные стороны обмена веществ и физиологические эффекты от попадания в организм разных живых существ. 6 2. Метаболизм хлорорганических пестицидов Основными характеристиками, определяющими токсичность ХОП, являются высокая стойкость, низкая полярность, низкая растворимость в воде и высокая растворимость в липидах. Все хлорорганические инсектициды могут всасываться через кожу, а также через дыхательные и оральные пути, но важность кожного всасывания сильно различается для разных соединений. Отчасти это связано с тем, что некоторые из них, такие как метоксихлор, обладают такой низкой токсичностью, что небольшое количество, поглощаемое любым путем, не вызывает признаков отравления и не сказывается на здоровье в будущем. Эффективность кожного поглощения варьируется для разных инсектицидов – ДДТ плохо поглощается кожей из растворов, а поглощение твердого материала настолько плохо, что измерить его трудно либо вовсе невозможно. Напротив, даже твердый дильдрин, если он тонко измельчен, эффективно впитывается через кожу и примерно вдвое менее токсичен при кожном применении, чем при пероральном введении. Кишечная абсорбция этих инсектицидов зависит от содержания волокон и жиров в рационе, а также от общего потребления пищи. По механизму своего действия на живые организмы пестициды классифицируются следующим образом: антихолинэстераза (ингибитор холинэстеразы), ингибитор синтеза хитина, экдизон-агонисты, блокаторы ГАМК (ингибитор α-аминомасляной кислоты), аналоги гормонов (регуляторы роста насекомых), антикоагулянты, ингибиторы глутаминсинтетазы, ингибиторы стероидного деметилирования (биосинтеза эргостерола), ингибитор протопорфириногеноксидазы, ингибитор РНКполимеразы, тиоловые фотосинтетические реагенты, ингибиторы ингибиторы транспорта синтеза электронов, белка, ингибиторы митохондриального дыхания [4]. Описанная выше классификация даёт общее представление о том, как работают пестициды, однако, согласно опытам, они далеко не всегда 7 действуют точечно, поражая и другие стороны метаболизма. Так, отмечено снижение супероксиддисмутазы в тканях рыб в присутствии в воде эндосульфана, ряд ХОП способен индуцировать активированную митогеном протеинкиназу, которая ответственна за апоптоз [6]. Значительные данные свидетельствуют о том, что инсектициды действуют, изменяя электрофизиологические и связанные с ними ферментативные свойства мембран нервных клеток, вызывая изменение кинетики потока ионов Na и K через мембрану. Также могут быть вовлечены нарушения транспорта кальция или активности Ca(2+)-АТФазы. ДДТ действует особенно на нервный аксон, продлевая открытие ионных ворот натриевого канала, тогда как циклодиены, миркс и линдан, повидимому, действуют на пресинаптических терминалах. Было показано, что линдан, токсафен и циклодиены в основном действуют на хлоридный канал, регулируемый β-аминомасляной кислотой (ГАМК), а мирекс и хлордекон не имеют эффекта. Судорожные действия дильдрина и линдана могут быть опосредованы воздействием на гиппокамп и другие лимбические структуры. В ходе экспериментов над крысами было установлено, что при использовании в комбинации дильдрин и линдан они вызывают быстрое увеличение уровня внутриклеточных активных форм кислорода (АФК) и снижение потенциала подавляется, если митохондриальной организмы мембраны. Данный предварительно эффект обрабатаны N- ацетилцистеином. Таким образом, оба представителя ХОП функционируют в комбинации, вызывая дофаминергическую нейротоксичность, окислительный стресс и дисфункцию митохондрий [4]. Ввиду своей липофильности ХОП способны накапливаться в жировой ткани, печени, мозге, почках и, что интересно, в тканях надпочечников. Причём накопление и удаление ХОП из тканей различно. Например, ДДТ и его основной метаболит ДДЭ хранятся в жировой ткани человека, тогда как метоксихлор, который метаболизируется гораздо быстрее, встречается только в очень низких количествах жира. Изомеры гексахлорциклогексана 8 хранятся в очень разных степенях по схеме, зависящей от строения и свойств изомеров. Дильдрин хранится активно, в то время как его изомер, эндрин, хранится так мало, что он был обнаружен у пациентов только после острого воздействия и даже не у людей, занятых в его производстве. Хлорированные углеводородные инсектициды могут метаболизироваться системой микросомальных цитохромов Р-450 до гидроксильных производных, возможно, с дегидрохлорированием, как наблюдается для линдана, или путем превращения в стабильные эпоксиды, как в случае образования дильдрина из эндрина. О-деалкилирование метоксихлора также включает стадию гидроксилирования, опосредованную цитохромом Р-450. Другие возможные пути метаболизма ХОП включают конъюгацию с глутатионом или образование глюкуронидов. Неметаболизированные ХОП обычно выводятся либо с желчью, либо, возможно, через кишечную стенку для экскреции с фекалиями, тогда как их метаболиты выводятся с мочой, если они имеют относительно высокую полярность, например глюкурониды, которые могут так же быть в дальнейшем метаболизированы [4]. 9 3. Физиологические эффекты действия ХОП на живые организмы 3.1. Гидробионты В целом, во многих источниках отмечено, что гидробионты более чувствительны к действию токсикантов, чем наземные организмы ввиду большей плотности среды и способности загрязнителей растворяться в воде. На примере популяции радужной форели была изучена токсичность эндосульфана [6]. У особей отмечен выраженный очаговый некроз в клетках печени при концентрации 26,3 мкг/л эндосульфана, а так же уменьшение среднего корпускулярного гемоглобина и среднего корпускулярного объема эритроцитов. Так же это соединение вызывает такие физиологические эффекты, как гиперплазию межслоевого эпителия и слизистых клеток, застой крови во вторичных ламеллах, гипертрофию в жабрах и повреждение яичек. На смертность рыбы повлияли такие факторы, как размер рыбы, pH воды и температура – увеличение первых двух факторов привело к увеличению продолжительности жизни рыб в воде с токсикантом, увеличение температуры – к обратному эффекту. Хроническое воздействие на рыб приводит к нарушениям работы щитовидной железы, изменению уровня гормонов у рыб, снижает рост молоди и скорость оплодотворения [7]. 3.2. Млекопитающие и птицы В целом признаки отравления различными хлорорганическими инсектицидами схожи, и проявляются в первую очередь в появлении характерного тремора. Тем не менее, существуют различия между эффектами ДДТ и его аналогов и многих других хлорированных углеводородных инсектицидов. Для начальных этапов отравления ДДТ характерен не только тремор, но также другие эффекты, тогда как линдан, альдрин, дильдрин, эндрин и токсафен часто вызывают судороги в качестве первого признака травмы. Это происходит не только у подопытных животных, но и у людей. Циклодиены 10 эндрин, дильдрин и изобензан, по-видимому, являются одними из наиболее токсичных для человека и, возможно, более чем в 10 раз токсичнее, чем ДДТ. Еще одним симптомом острого отравления у млекопитающих является лихорадка, обусловленная повреждением центра контроля температуры в головном мозге. У людей при остром отравлении высокая температура, иногда поздняя, но внезапная, сразу же сопровождается смертью – это наблюдалось при отравлении линданом, дильдрином и эндрином. Степень стимуляции нервной системы напрямую связана с концентрацией этих инсектицидов в нервной ткани. Обычно эффект быстро обратим у животных после однократного или многократного приема. Восстановление происходит, когда концентрация хлорированного углеводородного инсектицида в нервной системе падает ниже критического уровня. Это не обязательно означает потерю химического вещества из организма, а скорее перераспределение в другие ткани, такие как жир [4]. Снижение уровня дофамина оставляет крыс неспособными контролировать движения, что вкупе с гибелью клеток головного мозга представляет собой клиническую картину болезни Паркинсона. Так же на предмет нейро-поведенческой токсичности для крыс были изучены хлордекон и производные ДДТ – их воздействие у испытуемых организмов вызывает тремор. Так же производные ДДТ вызывает острое отравление печени, почек и яичек крыс [6]. Воздействие на печень ДДТ и других хлорорганических инсектицидов вызывает заметные изменения в печени различных грызунов, а у некоторых видов, особенно у мышей, эти изменения переходят в опухоли. У мышей гепатокарциногенность была продемонстрирована у нескольких штаммов и демонстрирует зависимость доза-ответ. Повышенная заболеваемость опухолью (особенно аденомы легких) также отмечалась в некоторых других органах мышей. ДДТ может быть гепатокарциногенным и для крыс, тогда как результаты у хомяков, собак и обезьян не дают результатов. Хлорированные 11 углеводородные инсектициды, как правило, отрицательны в тестах на мутагенность, но ДДТ, БХК и циклодиеновые пестициды способны усиливать действие признанных сильных гепатокарциногенов. Так же пестициды имеют исключительный эффект на грызунов, не характерный для других животных – хлордан, дильдрин и токсафен вызывают образование витков эндоплазматического ретикулума вокруг капель жира, увеличение числа лизосом и атрофию тела аппарата Гольджи. Подобные изменения могут быть обратимыми при однократном воздействии. Существуют исследования, доказывающие связь между отравлениями ХОП и эндокринными нарушениями у млекопитающих. Действие линдана приводит к атрофии тканей яичек у подопытных крыс, а хлордан влияет на поведенческие эффекты, связанные с полом. Производные ДДТ могут действовать как антагонисты рецепторов андрогенов [4]. У птиц ХОП вызывают смертность, нарушения репродуктивной функции, имеют токсический и тератогенный эффект, вызывая у птенцов синдром истощения и врождённые патологии – аномалии скелета и нервной системы. Спектр химических воздействий на взрослых птиц охватывает острую смертность, сублетальный стресс, снижение фертильности, подавление образования яиц, истончение яичной скорлупы и нарушение инкубации и поведения по выращиванию цыплят [8]. 3.3. Человек Что касается людей, изучение воздействия различных классов пестицидов позволяет сделать вывод, что многие из них ответственны за гипертонию, сердечнососудистые, эндокринные нарушения и другие проблемы со здоровьем. Прямое или косвенное воздействие пестицидов приводит к нервно-мышечным расстройствам и стимуляции метаболизма лекарств и стероидов. Некоторые хлорорганические соединения могут функционировать в качестве ксеноэстрогенов, и, как сообщалось, такие соединения, как метоксихлор и алахлор, оказывают воздействие на человека и 12 экспериментальных животных из-за ингибированного синтеза и повышенной деградации гормонов щитовидной железы. Так, установлено, что производные ДДТ в сыворотке крови кореллируют с аномальным повышение содержания гормонов щитовидной железы – свободного тироксина, общего трийодтиронина, и понижают концентрацию тиреотропного гормона. Данные об канцерогенности ДДТ, дильдрина, альдрина, эндрина, хлордана и гептахлора противоречивы, однако, у животных часть этих инсектицидов являются стимуляторами развития рака молочной железы и печени, инициированными другими установленными канцерогенами. Есть так же вероятность, что ХОП могут вызывать рак опосредованно, путём изменения соотношения и концентрации половых гормонов и гормонов щитовидной железы. Кроме того, доказана способность дильдрина вызывать рак предстательной железы. Недавние исследования связывают действие метаболитов ДДТ с рождением недоношенных и маловесных детей. Так же у детей воздействие диоксинов показало значительную положительную связь с неспособностью к обучению. Сообщалось так же о риске гиперактивности с дефицитом внимания (СДВГ) при более высоких уровнях воздействия производных ДДТ и ПХБ. Было обнаружено, что пренатальное воздействие производных ДДТ и их присутствие в сыворотке пуповины приводят к исчезновению развития нейронов после 12 месяцев младенческого возраста [4,8]. Эпидемиологические воздействие стойких исследования органических показали, загрязнителей, что длительное главным образом хлорорганических пестицидов, тесно связано с диабетом 2 типа и болезнью Паркинсона [8]. В таблице 1 приведены основные физиологические эффекты ХОП на человека и некоторых млекопитающих. 13 Таблица 1. Физиологические эффекты хлорорганических пестицидов [8] Название ХОП Организм Человек Алдрин и диэлдрин Хлордан ДДЕ ДДТ Мыши, крысы, свиньи, кролики, собаки Человек Мыши Нерпы Человек Человек Мыши Птицы Рыбы Лососевые Крысы Рептилии, рыбы, млекопитающие Крысы Дикофол Собаки Человек Крысы Эндосульфан Физиологические эффекты Нейротоксический, репродуктивный, развивающий, иммунологический, генотоксический, тумерогенный эффекты, тошнота, рвота, подергивание мышц и апластическая анемия Судороги, потеря массы тела, депрессия, повышенная раздражительность, слюноотделение, повышенная возбудимость, прострация и смерть Судороги, тремор, спутанность сознания и нарушение координации Снижение фертильности, рак печени Рак, травма, менингоэнцефалит Зуд, псориаз, экзема, лейкодерма, кожные высыпания Ощущение покалывания во рту, тошнота, головокружение, спутанность сознания, головная боль, вялость, нарушение координации движений, рвота, усталость, тремор в конечностях, анорексия, анемия, мышечная слабость, повышенная возбудимость, беспокойство и нервное напряжение Опухоли печени, изменения печени, в том числе гепатоцеллюлярная гипертрофия, маргинализация Утончение скорлупы яиц Влияние на мембранную функцию и ферментные системы Поведенческие изменения Нейротоксичность Слезотечение, слюноотделение, анорексия, брадикардия, боль в животе, гиперактивность, беспокойство, депрессия и рвота Снижение массы тела, острая нейротоксичность Ингибирование АКТГ (Адренокортикотропный гормон надпочечников) Уменьшает количество лейкоцитов и миграцию макрофагов, отрицательно влияет на гуморальную и клеточную иммунную систему. Влияет на качество спермы, количество сперматозоидов, сперматогониальные клетки, морфологию сперматозоидов и другие дефекты мужских половых гормонов. Повреждение и мутация ДНК. Иммуносупрессия, неврологические расстройства, врожденные пороки развития, хромосомные нарушения, умственная отсталость, нарушение обучения и потеря памяти и гломерулонефрит 14 Таблица 1. продолжение Человек Линдан Крысы Метоксихлор Крысы Человек Пентахлорфенол Крысы и мыши Наносит вред печени, почкам, нервной и иммунной системам человека и вызывает врожденные дефекты рака, вызывает нейротоксичность, репродуктивную токсичность и гепатотоксичность Изменяет экспрессию генов печени, гепатотоксичность Снижение фертильности Оплодотворение морских ежей и раннее развитие яиц. Воспаление верхних дыхательных путей и бронхит, эффекты крови, такие как апластическая анемия, воздействие на почки и печень, иммунологические эффекты и раздражение глаз, носа и кожи Влияет на сердечно-сосудистую систему, кровь, печень, иммунную систему и центральную нервную систему (ЦНС) 15 Заключение Хлороорганические пестициды представляют собой вещества различных классов органических соединений, содержащие хлор. Они применяются для различных целей, многие их представители относя к стойким органическим загрязнителям и запрещены к применению во многих странах мира, подписавших Стокгольмскую конвенцию. Несмотря на разность структур, хлорорганические соединения стойкие, длительно разлагаются или вовсе не разлагаются, аккумулируются в живых тканях и оказывают токсический эффект. Токсичность ХОП выражается в основном по отношению к центральной нервной системе и печени, отдельные ХОП, структура которых похожа на структуру гормонов, могут оказывать влияние на эндокринную систему и обмен веществ. Механизм развития токсических эффектов у разных организмов изучен неодинаково – наиболее изучены ДДТ, эндосульфан, линдан и алдрин, то есть те пестициды, которые уже запрещены к использованию. Это можно объяснить тем, что их запрету должна способствовать научная база, доказывающая токсичность для живых организмов. Пестициды, применяемые в меньших объёмах, изучены несколько меньше. 16 Список использованных источников 1. Зилов Е. А. Гидробиология и водная экология : (организация, функционирование и загрязнение водных экосистем) : учебное пособие / Е. А. Зилов ; Федеральное агентство по образованию, ГОУ ВПО "Иркутский гос. ун-т", Науч.-исслед. ин-т биологии. – Иркутск : Изд-во Иркутского гос. ун-та, 2009. – 147 с. 2. Marrs TC, Ballantyne B. Pesticide toxicology and international regulation. John Wiley & Sons, Ltd, 2004. 566 p. 3. Исидоров, В. А. Введение в химическую экотоксикологию: Учеб. пособие / В. А. Исидоров. – СПб. : Химиздат, 1999. – 141, с. 4. Hoffman, D., Rattner, B., Burton, G. A., Jr., and Cairns, J. Handbook of ecotoxicology, 2nd Ed., CRC-Lewis, Boca Raton, Fla, 2002. 1315 р. 5. Амирова З.К. Экология стойких органических загрязнителей: свойства, структура и методы исследования СОЗ. Учебное пособие. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2017. – 120 с. 6. Singh, Z., Kaur, J., Kaur, R., Hundal, S.S., 2016. Toxic effects of organochlorine pesticides: a review. Am. J. Biosci. 4 (3–11), 11–18. 7. Holloway T.N. Micropollutants: Sources, Ecotoxicological Effects and control strategies., Nova Science Publishers, New York, 2017 8. Jayaraj R, Megha P, Sreedev P. Organochlorine pesticides, their toxic effects on living organisms and their fate in the environment. Interdiscip Toxicol. 2016;9:90 – 100. 17
