Стойкие, биоаккумулятивные и токсичные вещества

Стойкие, биоаккумулятивные и токсичные вещества ( СБТ ) — класс соединений, обладающих высокой устойчивостью к деградации под действием абиотических и биотических факторов, высокой подвижностью в окружающей среде и высокой токсичностью. Из-за этих факторов было обнаружено, что ПБТ имеют высокий порядок биоаккумуляции и биомагнификации , очень длительное время удерживания в различных средах и широкое распространение по всему миру. Большинство ПБТ в окружающей среде либо создаются промышленностью, либо являются непреднамеренными побочными продуктами.

История

Стойкие органические загрязнители (СОЗ) были в центре внимания Стокгольмской конвенции 2001 года из-за их стойкости, способности к биоусилению и угрозы, которую они представляют как для здоровья человека, так и для окружающей среды. Целью Стокгольмской конвенции было определение классификации СОЗ, разработка мер по прекращению производства/использования СОЗ и установление надлежащего удаления соединений экологически безопасным способом. В настоящее время большая часть мирового сообщества активно участвует в этой программе, но некоторые все еще сопротивляются, особенно США.

Как и классификация СОЗ, классификация химических веществ по СБТ была разработана в 1997 году Двунациональной стратегией по токсическим веществам Великих озер (GLBNS). Соглашение GLBNS, подписанное США и Канадой, классифицирует СБТ по одной из двух категорий: уровень I и уровень II. ПБТ уровня I являются высшим приоритетом и в настоящее время, по состоянию на 2005 год, содержат 12 соединений или классов соединений.

PBT уровня I (GLBNS)

• Меркурий
• Полихлорированные дифенилы (ПХБ)
• Диоксины / фураны
• Бензо(а)пирен (BaP)
• Гексахлорбензол (ГХБ)
• Алкил-свинец
• Пестициды
  • Мирекс
  • Дильдрин / альдрин
  • Хлордан
  • Токсафен
• Октахлорстирол

GLBNS находится в ведении Агентства по охране окружающей среды США (USEPA) и Министерства окружающей среды Канады . Вслед за GLBNS USEPA разработала Мультимедийную стратегию по приоритетным стойким, биоаккумулятивным и токсичным загрязнителям (Стратегия PBT). Стратегия PBT привела к внедрению критериев PBT в ряд политик регулирования. Двумя основными политиками, которые были изменены стратегией PBT, были Инвентаризация выбросов токсичных веществ (TRI), которая требовала более строгой отчетности по химическим веществам, и Новая химическая программа (NCP) в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами (TSCA), которая требовала проверки на наличие PBT и Свойства ПБТ.

Соединения

Общий

ПБТ представляют собой уникальную классификацию химических веществ, которые оказывают и будут продолжать оказывать воздействие на здоровье человека и окружающую среду во всем мире. Каждый из трех основных свойств СБТ (стойкость, биоаккумуляция и токсичность) играет огромную роль в риске, создаваемом этими соединениями.

Упорство

ПБТ могут иметь высокую экологическую мобильность. по сравнению с другими загрязнителями главным образом из-за их устойчивости к разложению (стойкости). Это позволяет ПБТ путешествовать повсюду как в атмосфере, так и в водной среде. Низкая скорость разложения ПБТ позволяет этим химическим веществам подвергаться воздействию как биотических, так и абиотических факторов, сохраняя при этом относительно стабильную концентрацию. Еще одним фактором, который делает ПБТ особенно опасными, являются продукты разложения, которые часто относительно так же токсичны, как и исходное соединение. Эти факторы привели к глобальному загрязнению, особенно в отдаленных районах, таких как Арктика и высокогорные районы, которые находятся вдали от каких-либо источников СБТ.

Биоаккумуляция и биомагнификация

Способность к биоаккумуляции ПБТ соответствует характеристике стойкости, обусловленной высокой устойчивостью к разложению под действием биотических факторов, особенно внутри организмов. Биоаккумуляция – это результат того, что токсичное вещество поглощается с большей скоростью, чем выводится из организма. Для ПБТ это обусловлено главным образом устойчивостью к биотической и абиотической деградации. ПБТ обычно плохо растворяются в воде, что позволяет им быстрее проникать в организм через жиры и другие неполярные участки организма. Биоаккумуляция токсиканта может привести к биомагнификации через трофическую сеть , что вызвало массовую обеспокоенность в районах с особенно низким трофическим разнообразием. Биомагнификация приводит к тому, что организмы с более высоким трофическим уровнем накапливают больше СБТ, чем организмы с более низкими трофическими уровнями, за счет потребления загрязненных СБТ организмов с более низким трофическим уровнем.

Токсичность

Токсичность этого класса соединений высока: для воздействия на организм необходимы очень низкие концентрации ПБТ по сравнению с большинством других загрязнителей. Эта высокая токсичность наряду с устойчивостью позволяет СБТ оказывать пагубное воздействие в отдаленных районах земного шара, где нет местного источника СБТ. Биоаккумуляция и увеличение, наряду с высокой токсичностью и устойчивостью, способны разрушать и/или непоправимо повреждать трофические системы, особенно более высокие трофические уровни, во всем мире. По этой причине ПБТ стали предметом внимания глобальной политики.

Специфические токсиканты

печатные платы

Исторически ПХД широко использовались в промышленных целях, например , в качестве охлаждающих жидкостей , изоляционных жидкостей и в качестве пластификатора . Эти загрязнители попадают в окружающую среду как при использовании, так и при удалении. Из-за серьезной обеспокоенности со стороны государственного, юридического и научного секторов, указывающей на то, что ПХБ, вероятно, являются канцерогенами и могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду, эти соединения были запрещены в 1979 году в Соединенных Штатах. Запрет включал использование ПХД в неконтролируемых источниках, таких как клеи, огнезащитные средства для обработки тканей и пластификаторы в красках и цементах. Полностью закрытые контейнеры, такие как трансформаторы и конденсаторы, освобождаются от запрета.

Включение ПХБ в качестве ПБТ можно объяснить их низкой растворимостью в воде, высокой стабильностью и полулетучестью, что способствует их переносу на большие расстояния и накоплению в организмах. Стойкость этих соединений обусловлена ​​высокой устойчивостью к окислению, восстановлению, присоединению, элиминированию и электрофильному замещению. На токсикологические взаимодействия ПХД влияет количество и положение атомов хлора, без орто-замещения их называют копланарными, а все остальные - некомпланарными. Некомпланарные ПХД могут вызывать нейротоксичность, препятствуя внутриклеточной передаче сигналов, зависящей от кальция. Орто-ПХБ могут изменять гормональную регуляцию за счет нарушения транспорта гормонов щитовидной железы путем связывания с транстиретином. Копланарные ПХБ подобны диоксинам и фуранам: оба связываются с рецептором арилуглеводородов (AhR) в организмах и могут оказывать диоксиноподобные эффекты в дополнение к эффектам, присущим некомпланарным ПХБ. AhR является фактором транскрипции, поэтому аномальная активация может нарушить клеточную функцию за счет изменения транскрипции генов.

Последствия СБТ могут включать рост заболеваемости, поражение донных питателей, потери при нересте, изменение возрастной структуры популяций рыб и загрязнение тканей рыб и моллюсков. Люди и другие организмы, потребляющие моллюсков и/или рыбу, загрязненную стойкими биоаккумулятивными загрязнителями, могут биоаккумулировать эти химические вещества. Это может подвергнуть эти организмы риску мутагенного, тератогенного и/или канцерогенного воздействия. Была обнаружена корреляция между повышенным воздействием смесей ПХД и изменениями ферментов печени, гепатомегалией и дерматологическими эффектами, такими как сыпь.

ДДТ

Одним из ПБТ, вызывающих беспокойство, является ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан), хлорорганический препарат, который широко использовался в качестве инсектицида во время Второй мировой войны для защиты солдат от малярии, переносимой комарами. Из-за низкой стоимости и низкой токсичности для млекопитающих широкое использование ДДТ в сельскохозяйственных и коммерческих целях началось примерно в 1940 году. Однако чрезмерное использование ДДТ привело к толерантности насекомых к этому химическому веществу. Также было обнаружено, что ДДТ обладает высокой токсичностью для рыб. ДДТ был запрещен в США в 1973 году из-за сбора доказательств того, что стабильная структура ДДТ, высокая растворимость в жирах и низкая скорость метаболизма приводят к его биоаккумуляции в животных. Хотя ДДТ запрещен в США, другие страны, такие как Китай и Турция, по-прежнему производят и используют его довольно регулярно с помощью дикофола , инсектицида, в состав которого входит ДДТ в качестве примеси. Продолжающееся использование ДДТ в других частях мира по-прежнему является глобальной проблемой из-за мобильности и стойкости ДДТ.

Первоначальный контакт ДДТ происходит с растительностью и почвой. Отсюда ДДТ может путешествовать по многим маршрутам; например, когда растения и растительность подвергаются воздействию химического вещества для защиты от насекомых, растения могут его поглотить. Затем эти растения могут потребляться людьми или другими животными. Эти потребители проглатывают химическое вещество и начинают метаболизировать токсикант, накапливая еще больше при проглатывании и создавая риск для здоровья организма, их потомства и любых хищников. Альтернативно, проглатывание зараженного растения насекомыми может привести к толерантности организма. Другой путь — химическое вещество проходит через почву и попадает в грунтовые воды и в систему водоснабжения человека. В случае, если почва находится рядом с движущейся водной системой, химическое вещество может попасть в крупные пресноводные системы или океан, где рыба подвергается высокому риску токсикологического воздействия ДДТ. Наконец, наиболее распространенным путем переноса является испарение ДДТ в атмосферу с последующей конденсацией и, в конечном итоге, выпадением в осадки, где он выбрасывается в окружающую среду в любой точке земного шара. Из-за переноса ДДТ на большие расстояния присутствие этого вредного токсиканта будет продолжаться до тех пор, пока он где-либо используется, и до тех пор, пока нынешнее загрязнение в конечном итоге не ухудшится. Даже после полного прекращения его использования он будет оставаться в окружающей среде еще много лет из-за устойчивых свойств ДДТ.

Предыдущие исследования показали, что ДДТ и другие подобные химические вещества напрямую вызывают реакцию и эффект со стороны возбудимых мембран. ДДТ вызывает повторяющуюся активацию мембран, таких как органы чувств и нервные окончания, замедляя способность натриевых каналов закрываться и прекращать высвобождение ионов натрия. Ионы натрия поляризуют противоположный синапс после того, как он деполяризовался в результате возбуждения. Это ингибирование закрытия натриевого ионного канала может привести к множеству проблем, включая дисфункцию нервной системы, снижение двигательных способностей/функций/контроля, репродуктивные нарушения (истончение яичной скорлупы у птиц) и недостатки в развитии. В настоящее время ДДТ признан возможным канцерогеном для человека на основании исследований опухолей печени животных. Токсичность ДДТ для человека связана с головокружением, тремором, раздражительностью и судорогами. Хроническая токсичность привела к долгосрочным неврологическим и когнитивным проблемам.

Меркурий

Неорганический

Неорганическая ртуть (элементарная ртуть) менее биодоступна и менее токсична, чем органическая ртуть, но, тем не менее, она все же токсична. Он попадает в окружающую среду как из природных источников, так и в результате деятельности человека, и способен перемещаться по атмосфере на большие расстояния. От 2700 до 6000 тонн элементарной ртути выбрасывается в результате естественной деятельности, такой как вулканы и эрозия. Еще 2 000–3 000 тонн выбрасываются в результате промышленной деятельности человека, такой как сжигание угля, выплавка металлов и производство цемента. Из-за своей высокой летучести и времени пребывания в атмосфере около года ртуть способна путешествовать через континенты, прежде чем отложиться. Неорганическая ртуть обладает широким спектром токсикологического воздействия, включающим поражение дыхательной, нервной, иммунной и выделительной систем человека. Неорганическая ртуть также обладает способностью биоаккумулироваться у особей и биомагнифицироваться через трофические системы.

Органический

Органическая ртуть наносит значительно больший вред окружающей среде, чем ее неорганическая форма, из-за ее широкого распространения, а также более высокой подвижности, общей токсичности и скорости биоаккумуляции, чем у неорганической формы. Органическая ртуть в окружающей среде в основном образуется в результате преобразования элементарной (неорганической) ртути анаэробными бактериями в метилированную ртуть (органическую). Глобальное распространение органической ртути является результатом общей подвижности соединения, активации бактериями и транспортировки в результате потребления животными. Органическая ртуть имеет во многом те же эффекты, что и неорганическая форма, но она обладает более высокой токсичностью из-за ее более высокой мобильности в организме, особенно ее способности легко преодолевать гематоэнцефалический барьер.

Экологическое воздействие ртути

Высокая токсичность обеих форм ртути (особенно органической ртути) представляет угрозу практически для всех организмов, контактирующих с ней. Это одна из причин такого высокого внимания к ртути в окружающей среде, но даже в большей степени, чем ее токсичность, заключается в ее стойкости и времени удержания в атмосфере. Способность ртути легко улетучиваться позволяет ей проникать в атмосферу и путешествовать повсюду. В отличие от большинства других ПБТ, период полураспада которых в атмосфере составляет от 30 минут до 7 дней, время пребывания ртути в атмосфере составляет не менее 1 года. Такое время удержания в атмосфере, а также устойчивость ртути к факторам разложения, таким как электромагнитное излучение и окисление, которые являются двумя основными факторами, ведущими к разложению многих СБТ в атмосфере, позволяют широко транспортировать ртуть из любого источника. Эта особенность транспортировки ртути по всему миру, а также ее высокая токсичность являются причиной ее включения в список СБТ BNS.

Заметное воздействие ПБТ на окружающую среду

Япония

О негативных последствиях загрязнения окружающей среды стало известно после нескольких катастроф, произошедших во всем мире. В 1965 году было признано, что обширное ртутное загрязнение химического завода Чиссо в Минамате, Япония, из-за неправильного обращения с промышленными отходами привело к значительным последствиям для людей и организмов. Ртуть выбрасывалась в окружающую среду в виде метилртути (биодоступное состояние) в промышленные сточные воды , а затем биоаккумулировалась моллюсками и рыбой в заливе Минамата и море Сирануи . Когда зараженные морепродукты потреблялись местным населением, это вызывало неврологический синдром, получивший название « болезнь Минамата» . Симптомы включают общую мышечную слабость, повреждение слуха, уменьшение поля зрения и атаксию. Катастрофа в Минамате способствовала глобальному осознанию потенциальных опасностей, связанных с загрязнением окружающей среды, и определению характеристик СБТ.

Пьюджет-Саунд

Несмотря на запрет ДДТ 30 лет назад и годы различных усилий по очистке Пьюджет-Саунда от ДДТ и ПХД, по-прежнему наблюдается значительное присутствие обоих соединений, которые представляют постоянную угрозу здоровью человека и окружающей среде. Тюлени ( Phoca vitulina ), распространенный морской вид в районе Пьюджет-Саунд, были в центре внимания нескольких исследований по мониторингу и изучению последствий накопления и увеличения ДДТ на водных животных. В одном исследовании детенышей тюленей метили и повторно осматривали каждые 4–5 лет для проверки на концентрацию ДДТ. Тенденции показали, что щенки были сильно заражены; это означает, что их добыча также сильно загрязнена. Из-за высокой растворимости ДДТ в липидах он также способен накапливаться у местного населения, которое потребляет морепродукты из этого региона. Это также касается беременных и кормящих женщин, поскольку ДДТ передается от матери к ребенку. Риск ДДТ для здоровья животных и человека будет по-прежнему оставаться проблемой в Пьюджет-Саунде, особенно из-за культурного значения рыбы в этом регионе.

См. также

• Стойкие органические загрязнители