Токсиканты биологического происхождения

Бактериальные токсины

По большей части бактериальные токсины представляют собой высокомолекулярные биохимические соединения, имеющие, как правило, белковую, полипептидную или липополисахаридную природу и обладающие антигенными свойствами. В настоящее время учеными выделены и изучены более 150 бактериальных токсинов.

Многие бактериальные токсины относятся к числу самых ядовитых из известных веществ. Это прежде всего ботулотоксин, холерные токсины, тетанотоксин, стафилококковые токсины, дифтерийные токсины и т. д. Ботулотоксин и стафилококковые токсины рассматривались раньше как возможные боевые отравляющие вещества. Бактериальные токсины действуют на разные органы и системы человека, однако преимущественно страдают нервная и сердечно-сосудистая системы, реже слизистые оболочки.

Бактерии могут продуцировать и токсические вещества относительно простого строения. Среди них формальдегид, ацетальдегид, бутанол. К числу таких веществ относится также и пиоцианин, выделяемый псевдомонадами.

Микотоксины (грибные токсины)

Химическое строение и биологическая активность микотоксинов чрезвычайно разнообразны. С практической точки зрения наибольший интерес представляют токсические вещества, продуцируемые микроскопическими грибами и способные заражать пищевые продукты человека и животных. К таковым относятся, в частности, некоторые эрготоксины, продуцируемые грибами (спорыньей (маточными рожками), афлатоксины и близкие им соединения, выделяемые грибами группы аспергиллюс, трихотеценовые микотоксины, продуцируемые несколькими родами грибов, преимущественно родом фузариум, охратоксины, патулин и другие.

Аналоги микотоксина эрготамина действуют на центральную нервную систему, вызывают спазм кровеносных сосудов и сокращение мускулатуры матки. В старые времена отравления зерном, зараженным микотоксинами спорыньи, нередко носили характер эпидемий. В настоящее время подобные эпидемии среди населения практически не встречаются. Отравление микотоксинами грибов случаются при попытке прервать с их помощью беременность. Аналогами эрготамина являются производные эрготина. Одним из наиболее известных производных эрготина является галлюциноген диэтиламид лизергиновой кислоты (ДЛК), известный также под названием ЛСД.

Наиболее активными «производителями» другого вида микотоксинов — афлатоксинов являются микроскопические грибы Aspergillus flavus (отсюда и название их токсинов). Эти грибы нередко поражают зерновые растения: пшеницу, кукурузу и другие. Помимо высокой острой токсичности, афлатоксины в опытах на животных проявляют свойства канцерогенов.

Трихотеценовые токсины также обладают высокой токсичностью. Эти микотоксины проявляют бактерицидную, фунгицидную и инсектицидную активность. Отравление человека трихотеценовыми токсинами сопровождается поносом, рвотой и явлениями атаксии (нарушением походки и равновесия). Некоторое время рассматривалась возможность использования этих веществ в качестве химического оружия.

Многие высшие грибы также вырабатывают в своих плодовых телах токсические вещества раз личного химического строения с широким спектром физиологической активности. Наиболее опасными среди них являются микотоксины аманитины, аманины и фаллоидины, которые содержатся в бледной поганке и при случайном использовании этого гриба в пищу вызывают токсическое поражение печени и почек. Другими известными микотоксинами являются мускарин, гиромитрин, иботеновая кислота. Некоторые виды высших грибов синтезируют токсические вещества, обладающие выраженной галлюциногенной активностью, например псилоцин, псилоцибин.

Токсины высших растений (фитотоксины)

Высшие растения синтезируют огромное количество веществ, токсичных для человека, млекопитающих и других живых существ. Являясь продуктами обмена веществ растений, фитотоксины нередко выполняют для них защитные функции. Они, например, отпугивают потенциальных консументов, то есть представителей животного мира, которые могут их поедать. Однако по большей части значение фитотоксинов для жизнедеятельности растений остается для науки неизвестным. Фитотоксины представляют собой вещества с различным биохимическим строением и неодинаковой биологической активностью. Примерами растительных токсинов являются алкалоиды, органические кислоты, терпеноиды, липиды, гликозиды, сапонины, флавоноиды, кумарины, антрахиноны.

Среди фитотоксинов особенно многочисленен класс алкалоидов. Алкалоиды — это азотсодержащие органические основания. В настоящее время известно несколько тысяч алкалоидов, многие из которых обладают высокой токсичностью для человека и млекопитающих.

Ниже представлены названия некоторых наиболее известных алкалоидов, в скобках даны названия растений их содержащих:

• конин (болиголов);

• никотин (табак);

• лобелин (лобелия);

• гиосциамин (белена);

• скополамин (скополия);

• платифиллин, сенецифиллин (крестовник);

• эхинопсин (мордовник);

• папаверин, морфин, кодеин (мак);

• даурицин (луносемянник);

• хелидонин, сангвинарин (чистотел);

• галантамин (подснежник);

• винкамин (барвинок);

• пилокарпин (пилокарпус);

• кофеин, теофиллин (чай, кофе);

• аконитин (борец);

• соланин (картофель);

• эфедрин (эфедра);

• колхицин (безвременник).

Среди гликозидов наиболее известны сердечные гликозиды. Эти биохимические соединения, производимые растениями самых разнообразных видов, обладают высокой токсичностью. Их токсичность имеет избирательное действие на сердечную мышцу человека. Сапонины обладают раздражающим действием на слизистые оболочки, а при попадании в кровь вызывают гемолиз эритроцитов. Кумарины обладают антикоагулянтным и фотосенсибилизирующим действием на наш организм.

Многие токсические вещества растительного происхождения широко используются в медицине, например, атропин, галантамин, строфантин, физостигмин, дигитоксин и многие, многие другие. Ряд фитотоксинов вызывает вредные пристрастия и является излюбленным средством «для получения кайфа» у токсикоманов и наркоманов. Среди них: кокаин, никотин, гармин, морфин, канабиноиды и другие.

Нередко продукты жизнедеятельности растений могут быть для нас аллергенами. Отдельные растительные токсины обладают канцерогенной активностью. Например, сафрол и близкие ему соединения, содержащиеся в черном перце, соланин, находящийся в проросшем картофеле, фенолы и хиноны, часто встречающиеся в многочисленных растениях. Некоторые фитотоксины содержатся в растениях в ничтожных количествах и могут оказывать токсический эффект лишь в форме специально приготовленных препаратов, другие вызывают интоксикацию при поедании растений, которые их содержат.

Токсины животных (зоотоксины)

Любой живой организм синтезирует огромное количество биологически активных веществ, которые после выделения, очистки и введения другим организмам в определенных дозах могут вызывать тяжелые интоксикации. Однако часть животных самых разных семейств, родов и видов содержат в органах и тканях чрезвычайно токсичные вещества, что позволяет выделить их в особую группу ядовитых (опасных) животных. Некоторые животные являются вторично-ядовитыми, поскольку не продуцируют, но аккумулируют яды, поступающие из окружающей среды (моллюски, накапливающие в тканях сакситоксин, синтезируемый одноклеточными организмами). Часть биологически активных веществ, вырабатываемых животными, является так называемыми пассивными зоотоксинами, оказывающими действие при поедании животного-продуцента. Другие — активные токсины. Они вводятся в организм жертвы с помощью специального аппарата (жала, зубов, игл и т. д.). Ежегодно от укусов ядовитых животных в мире погибает несколько тысяч человек.

Высокотоксичные соединения относительно простого строения обнаружены в тканях некоторых насекомых, моллюсков, рыб и земноводных. Отдельные представители этих веществ рассматривались как возможные боевые отравляющие вещества (сакситоксин, тетродотоксин, батрахотоксин, буфотенин и другие).

 

Неорганические соединения естественного происхождения

Среди многочисленных неорганических соединений естественного происхождения, вероятно, наибольшее токсикологическое значение имеют металлы и их соединения, а также газообразные вещества — поллютанты атмосферного воздуха и воздуха производственных помещений.

В естественных условиях металлы встречаются в форме руд и минералов. Они определяются в воздухе, почве и воде. Выплавка металлов из руд и использование в самых разнообразных отраслях человеческой деятельности привели к существенному увеличению их содержания в окружающей среде. Наибольшее токсикологическое значение имеют ртуть, кадмий, хром, мышьяк, свинец, бериллий, цинк, медь, таллий и др. Бериллий широко используется в металлургической промышленности. Кадмий воздействует на человека при проведении сварочных работ и в ходе других производственных процессов. В настоящее время кадмий рассматривается как один из опаснейших экотоксикантов. Ртуть нашла применение в электронной промышленности и производстве фунгицидов. Ранее эпидемии отравлений ртутью имели место на целлюлозно-бумажных производствах. Еще одним токсичным металлом является свинец. Широчайшее использование свинца в хозяйственной деятельности приводит к постепенному накоплению этого металла в окружающей среде. Большую опасность представляют некоторые органические соединения металлов (ртути, свинца, олова, мышьяка).

В группу газообразных поллютантантов входят вещества, находящиеся в газообразном состоянии при нормальной температуре и атмосферном давлении, а также пары летучих жидкостей. Среди веществ, представляющих наибольшую опасность: монооксид и диоксид углерода (СО, CO2), сероводород (H2S), оксиды азота (NxOy), озон (O3), оксиды серы (SxOy) и другие. Обмен многих поллютантов в атмосфере проходит естественным путем. Так, в процессе вулканической активности в атмосферу выбрасываются оксиды серы, галогены, сероводород. В ходе лесных пожаров выделяется огромное количество СО, оксидов азота, сажи. Основным источником газообразных веществ в атмосфере являются растения.

Результатом горения топлива является образование большого количество оксидов углерода, азота, серы. Эксплуатация транспортных средств приводит к выбросу в атмосферу свинца, СО, NO, углеводородов. Производства — основной источник кислот, растворителей, хлора, аммиака.

Токсичные газообразные вещества в бытовых условиях образуются при приготовлении пищи, курении, эксплуатации бытовой техники.

 

Органические соединения естественного происхождения

Основными природными источниками органических соединений являются залежи угля, нефти, вулканическая деятельность. Помимо предельных и непредельных алифатических углеводородов, среди представителей группы отличаются своей токсичностью полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Эти вещества также выделяются при неполном сгорании органических материалов и обнаруживаются в дыме при горении древесины, угля, нефти, табака, а также в каменноугольной смоле и жареной пище. Поскольку отдельные ПАУ являются канцерогенами, их рассматривают как Опасные экотоксиканты.

 

Синтетические токсиканты

Подавляющее большинство известных химических соединений получено синтетическим путем. Нет такой области деятельности, в ходе которой современный человек не контактировал бы с химическими веществами. Некоторые группы веществ, несмотря на их широчайшее использование, в силу высокой биологической активности требуют особого внимания со стороны токсикологов. Это прежде всего пестициды, органические растворители, лекарства, токсичные компоненты различных производств, побочные продукты химического синтеза и т. д.

Пестициды

Пестициды — вещества, предназначенные для борьбы с животными и растениями-вредителями с целью повышения урожайности и сохранения материальных ценностей, созданных человеком. В отличие от других поллютантов пестицидами умышленно обрабатывают окружающую среду, для того чтобы уничтожить некоторые виды живых организмов. Многие пестициды представляют большую или меньшую опасность для человека ввиду их неабсолютной селективности в отношении организмов-мишеней. Основной риск, связанный с использованием пестицидов, обусловлен их накоплением в окружающей среде и перемещением по пищевым Цепям вплоть до человека. Достаточно часты случаи острого отравления пестицидами. Не изжиты хронические интоксикации у рабочих, занятых в производстве и использовании пестицидов. Поскольку организмы «вредителей» адаптируются к действию химических веществ, во всем мире постоянно синтезируются и внедряются в практику десятки и сотни новых соединений. Классы пестицидов:

• альгициды;

• фунгициды;

• гербициды;

• нематоциды;

• моллюскоциды;

• инсектициды;

• акарициды;

• родентициды.

Самым известным хлорорганическим инсектицидом является ДДТ. Хотя это вещество синтезировано еще в 1874 году, его инсектицидные свойства были обнаружены лишь в 1939 году швейцарским химиком Паулем Мюллером, удостоенным за это открытие десять лет спустя Нобелевской премии. ДДТ широко использовался для борьбы с вредителями, однако сейчас в силу отрицательных токсикологических свойств запрещен к производству и применению в большинстве развитых стран.

Среди других известных хлорорганических пестицидов следует назвать метоксихлор (близкий аналог ДДТ), мирекс, алдрин, хлордан, линдан.

Фосфорорганические инсектициды (ФОИ) представляют собой по большей части эфиры фосфорной и тиофосфорной кислот. В настоящее время это наиболее широко используемые пестициды. Они токсичнее хлорорганических инсектицидов, но менее стойки в окружающей среде и потому менее опасны для экологии. Наиболее известные ФОИ: паратион, диазинон, хлорофос, карбофос, дисульфотион, малатион.

Среди ФОС обнаружены не только эффективные пестициды, но и вещества, чрезвычайно токсичные для человека. Под руководством немецкого ученого Шрадера на основе ФОС в 1940-х годах были получены первые фосфорорганические боевые отравляющие вещества (ФОВ), в частности табун. Все ФОС — нейротоксиканты, нарушающие проведение нервных импульсов в центральных и периферических холинергических синапсах.

Гербициды — это вещества, предназначенные для борьбы с растениями, в частности сорными травами.

Чрезвычайно опасны для человека средства борьбы с грызунами — родентициды. Производные фторуксусной кислоты, варфарин, стрихнин, соли таллия, используемые для этой цели, — это высокотоксичные соединения.

 

Органические растворители

Органические растворители используют повсеместно: на производствах, в сельском хозяйстве, в быту. Обычные органические растворители принадлежат к одной из следующих химических групп.

1. Алифатические углеводороды (пентан, гексан, октан и др.).

2. Галогенированные алифатические углеводороды (хлороформ: СНСl3; четыреххлористый углерод: ССl4; метиленхлорид: СН2Сl2; трихлорэтилен: Сl2С=СНСl; винилхлорид: СН2=СНСl и т. д.).

3. Алифатические алкоголи (этанол, метанол и т. д.).

4. Гликоли и эфиры гликолей (этиленгликоль, пропиленгликоль, диоксан и т. д.).

5. Ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол).

Для всех органических растворителей характерна близость токсикологических свойств: они угнетают функции центральной нервной системы (наркотическое действие).

 

Лекарства, пищевые добавки, косметика

Количество лекарств, выпускаемых в мире, составляет десятки тысяч тонн веществ многих сотен наименований. Практически любое лекарственное средство обладает токсичностью, и при неправильном его использовании, а также у людей с повышенной чувствительностью может вызвать неблагоприятные реакции. В настоящее время ни один медикамент не разрешается к применению до исчерпывающего изучения его переносимости (токсичности), определения оптимальных доз и схем использования по программам, утвержденным специальными государственными структурами (Фармакологический комитет в России, Управление пищевых и лекарственных средств (FDA) в США)). Тем не менее число отравленных лекарствами неизменно растет. Первое место, как причина самоотравления, занимают психофармакологические средства — барбитураты (барбитал, фенобарбитал), бензодиазепины (диазепам), трициклические антидепрессанты (имипрамин) и т. д.

Еще одна токсикологическая проблема, связанная с использованием лекарств, — это наличие у многих из них так называемых побочных, то есть нежелательных, эффектов. Как правило, лекарство, принося пользу в одном, наносит ущерб в другом. Существуют весьма опасные медикаментозные средства, использование которых сопряжено с существенным риском. Оправданием их применения является угроза жизни пациента и отсутствие других медикаментозных средств, устраняющих эту угрозу. К числу таких средств относятся прежде всего противоопухолевые препараты.

Столь же тщательную проверку на токсичность, как и лекарственные препараты, проходят косметические средства и пищевые добавки (пищевые красители, антиоксиданты, предотвращающие прогоркание жиров, консерванты, ароматические вещества, вкусовые добавки и т. д.). Острые отравления этими веществами практически не отмечаются. Однако у особо чувствительных лиц возможны неблагоприятные реакции, связанные с сенсибилизацией организма, особенно при длительном воздействии.

 

Боевые отравляющие вещества (БОВ)

В ходе Первой мировой войны было применено около 130 тысяч тонн высокотоксичных соединений примерно 40 наименований. В годы Второй мировой войны химическое оружие применяли в крайне ограниченных масштабах. Тем не менее работы по созданию новых образцов ОВ не прекращались. В фашистской Германии, а позже и других странах, были созданы чрезвычайно токсичные фосфорорганические отравляющие вещества (ФОВ).

В качестве БОВ в различное время испытывались такие вещества, как хлор, фосген, дифосген, хлорпикрин, мышьяковистый водород, синильная кислота, хлорциан, хлорбензилиденмалонодинитрил (CS), метиларсиндихлорид, 2-хлорвиниларсиндихлорид (люизит), дихлордиэтилсульфид (сернитый иприт), трихлортриэтиламин (азотистый ипит), изопропиловый эфир метилфторфосфоновой кислоты (зарин), этил S-2-диизопропил аминоэтил метилфосфонотиолат (VX) и многие, многие другие.

В 1993 году в Париже была принята Конвенция о запрещении применения, разработки и накопления химического оружия. В настоящее время конвенцию подписали более 150 государств. В соответствии с принятыми документами в ближайшие годы предполагается уничтожить запасы химического оружия на планете.