Токсичные единицы ( ТЕ ) используются в области токсикологии для количественной оценки взаимодействия токсикантов в бинарных смесях химикатов. [1] Токсичная единица для данного соединения основана на концентрации, при которой наблюдается 50% эффект (например, EC50 ) для определенной биологической конечной точки. Одна токсичная единица равна EC50 для данной конечной точки для определенного биологического эффекта в течение определенного периода времени. Токсичные единицы позволяют сравнивать индивидуальную токсичность бинарной смеси с объединенной токсичностью. Это позволяет исследователям классифицировать смеси как аддитивные, синергические или антагонистические. Синергизм и антагонизм определяются смесями, которые более или менее токсичны, чем предсказывает сумма их токсичных единиц.
Загрязнители часто присутствуют в виде смесей в окружающей среде. Решения по регулированию основаны на моделях токсичности смесей, которые предполагают аддитивность, что может привести к недооценке или переоценке токсических эффектов. Уточнение нашего понимания взаимодействия смесей может привести к более информированному управлению окружающей средой и принятию решений. Кроме того, изучение взаимодействия смесей может прояснить механизмы действия конкретных токсикантов, которые во многих случаях плохо изучены.
Применение токсичных единиц требует данных о токсичности для отдельных компонентов смеси, а также специализированных данных о токсичности смеси. Оценка реакции каждого отдельного химического вещества позволяет исследователям генерировать новую метрику дозирования, токсичные единицы, которая стандартизирована по токсичности каждого химического вещества. Поскольку токсичность двух соединений может сильно различаться, 1 токсичная единица двух разных соединений может соответствовать двум очень разным концентрациям на основе массы. В дополнение к токсичности отдельных компонентов, использование токсичных единиц требует 2x2 факторного концентрационного ряда, где реакция измеряется на увеличение каждого загрязнителя при постоянном другом загрязнителе. Этот сложный концентрационный ряд позволяет исследователям описывать, как компоненты смеси взаимодействуют друг с другом, и прогнозировать эффекты при непроверенных комбинациях компонентов с помощью нелинейных регрессионных моделей.
Точечная оценка — это метод прогнозирования параметров популяции на основе имеющихся данных выборки, который может использоваться для соотнесения концентрации на основе массы с метрикой на основе токсичности. Точечные оценки в токсикологии часто являются конечными точками ответа на кривой доза-эффект . Эти точечные оценки предсказывают, при какой концентрации можно ожидать увидеть заданную биологическую конечную точку, например, 50% смертность ( LC50 ). Любая токсикологическая конечная точка (торможение роста, размножение, поведение и т. д.) может использоваться в качестве метрики токсичности для преобразования концентрации на основе массы в токсичные единицы.
Точечные оценки генерируются путем подгонки модели нелинейной регрессии к данным о токсичности и использования этой модели для прогнозирования концентрации химического вещества, необходимой для того, чтобы вызвать известную реакцию биологической конечной точки.
Одна токсическая единица может быть определена исследователем как концентрация данного химического вещества, необходимая для того, чтобы вызвать заданную токсикологическую конечную точку ( LC50 , EC50 , IC50 ).
1TU=LC50 или 1TU=IC50 для ингибирования роста
Поскольку массовые или молярные концентрации различных химических веществ, необходимые для достижения заданной конечной точки, такой как LC50, могут существенно различаться, концентрация, соответствующая 1TU, специфична для каждого отдельного тестируемого химического вещества.
Изоболограммы являются одним из способов представления результатов испытаний токсичности бинарной смеси на основе токсичных единиц. [2] Сила этого метода заключается в его простоте и удобстве использования. Сначала строится линия аддитивности, которая соответствует всем комбинациям двух химических веществ, которые приведут к одной токсичной единице. Затем экспериментальные результаты испытаний бинарной смеси наносятся на изоболограмму. Результаты испытания смеси представляют собой точечные оценки из кривых реакции на дозу смеси, которые соответствуют испытаниям отдельных химических веществ. Когда эти точечные оценки смеси наносятся на изоболограмму, область, в которую они попадают (на основе концентраций двух химических веществ, необходимых для достижения данной конечной точки), показывает, являются ли взаимодействия смеси аддитивными , синергетическими или антагонистическими .
Поверхности реагирования являются более продвинутым и сложным способом визуализации той же информации, представленной в изоболограмме. Поверхность реагирования представляет собой трехмерный график с концентрациями отдельных компонентов в токсичных единицах на осях x и y и переменной реагирования на оси z. Это трехмерное представление реакции организмов на два химических стрессора может быть использовано для прогнозирования токсичности любой комбинации компонентов на основе нелинейных регрессионных моделей, которые формируют поверхность реагирования. [2]
Основная польза единиц токсичности заключается в классификации взаимодействий смесей как аддитивных, синергических или антагонистических. Аддитивность означает, что токсичность смеси равна сумме токсичностей отдельных компонентов. Аддитивность является предположением по умолчанию моделей, используемых для прогнозирования токсичности смесей в целях регулирования и управления окружающей средой. Синергетические эффекты возникают, когда экспериментальная токсичность смеси больше суммы индивидуальных токсичностей. И наоборот, антагонистические эффекты возникают, когда экспериментальная токсичность смеси меньше, чем можно было бы предсказать с помощью аддитивности. Понимание взаимодействий смесей может предотвратить переоценку или недооценку токсичности регулирующими органами, которые предполагают аддитивность для некатегоризированных смесей.
Агентство по охране окружающей среды США использует токсичные единицы в качестве эталона, называемого эталоном равновесного распределения осадков (ESB) , для прогнозирования токсичности загрязненных полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) осадков для бентосных беспозвоночных. [3] Токсичные единицы рассчитываются на основе концентраций 34 ПАУ в осадках и их ожидаемого поведения распределения осадков, воды и липидов. На основе подхода равновесного распределения (который учитывает различную биологическую доступность химических веществ в различных осадках) ESB для общего количества ПАУ представляет собой сумму частных минимума каждого из 34 отдельных ПАУ в конкретном осадке, деленную на конечную хроническую концентрацию для каждого конкретного ПАУ в осадке. Согласно Агентству по охране окружающей среды, пресноводные или соленые осадки, которые содержат менее или равно 1,0 токсичных единиц смеси 34 ПАУ или более ПАУ, приемлемы для защиты бентосных организмов. Отложения, токсичность которых превышает 1,0 единицы, не являются защитными и могут оказывать неблагоприятное воздействие на бентосные организмы.
Оценки EPA ESB не учитывают антагонистические, аддитивные или синергетические эффекты других загрязняющих веществ в отложениях и подвергаются критике как чрезмерно консервативная оценка для пирогенных ПАУ (например, от процессов на заводах по производству искусственного газа). [4] Это отчасти связано с аналитическими подходами к определению единиц токсичности как для пирогенных, так и для петрогенных ПАУ.
Оценка идентификации токсичности (TIE) — это подход к систематической характеристике, идентификации и подтверждению токсичных веществ в целых отложениях и интерстициальных водах отложений. [5] Этот подход обычно применяется EPA. Данные о концентрации воздействия сточных вод и данные об измеренной концентрации токсичных веществ преобразуются в токсичные единицы для регрессионного анализа, чтобы оценить, существует ли линейная связь между двумя или более токсичными веществами. [6]
Ограничения, связанные с использованием токсичных единиц, во многом зависят от методологии, в которой они используются. Например, использование изоболограмм применимо только к бинарным смесям. В целом, токсичные единицы основаны на точечных оценках, которые ограничены проекцией. Точечные оценки и, следовательно, токсичные единицы являются упрощением модели « доза-реакция» . Информация о токсических эффектах при концентрациях, отличных от точечной оценки, теряется при переводе.
Распространенным методом изучения смесей является измерение общей токсичности смеси и рассмотрение внутренних токсических взаимодействий как несущественных. [2] Любые эффекты смеси учитываются в общей токсичности. Результаты этого метода ограничены специфичностью смеси и имеют ограниченную ценность для определения конкретных механизмов токсичности.
Использование обобщенных линейных моделей (GLM) позволяет проводить сложную непараметрическую подгонку модели для описания токсичности сложных смесей. Обобщенные линейные модели с большей вероятностью найдут существенные различия от аддитивности, чем подходы TU. [7] Подход GLM также позволяет изменять модели для отражения текущих знаний о биологических механизмах [8]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )