Диоксины и диоксиноподобные соединения ( ДПС ) представляют собой группу химических соединений , которые являются стойкими органическими загрязнителями (СОЗ) в окружающей среде . Они в основном являются побочными продуктами сжигания или различных промышленных процессов или, в случае диоксиноподобных ПХБ и ПББ , нежелательными второстепенными компонентами преднамеренно производимых смесей. [1] [2]
Некоторые из них очень токсичны, но токсичность среди них варьируется в 30 000 раз. Они сгруппированы вместе, потому что их механизм действия одинаков. Они активируют арильный углеводородный рецептор (рецептор AH), хотя и с очень разной степенью связывания, что приводит к высоким различиям в токсичности и других эффектах. Они включают: [1] [3] [4]
Диоксины имеют различную токсичность в зависимости от количества и положения атомов хлора . Поскольку диоксины относятся к такому широкому классу соединений, которые сильно различаются по токсичности, была разработана концепция коэффициента токсической эквивалентности (TEF) для облегчения оценки риска и нормативного контроля. TEF существуют для семи конгенеров диоксинов, десяти фуранов и двенадцати ПХБ. Референтным конгенером является наиболее токсичный диоксин TCDD, который по определению имеет TEF, равный единице. [5] По сути, умножение количества конкретного конгенера на его TEF дает количество, токсикологически эквивалентное TCDD, и после этого преобразования все диоксиноподобные конгенеры можно суммировать, и полученное эквивалентное количество токсичности (TEQ) дает приближенное значение токсичности смеси, измеренное как TCDD.
Диоксины практически нерастворимы в воде, но имеют относительно высокую растворимость в липидах . Поэтому они имеют тенденцию связываться с органическими веществами, такими как планктон, листья растений и животный жир. Кроме того, они имеют тенденцию адсорбироваться на неорганических частицах, таких как зола и почва. [6]
Диоксины чрезвычайно стабильны и, следовательно, имеют тенденцию накапливаться в пищевой цепи . Они выводятся очень медленно из организма животных, например, период полураспада ТХДД у людей составляет от 7 до 9 лет. [4] [7] [8] Случаи загрязнения ПХБ часто регистрируются как случаи загрязнения диоксином, поскольку они вызывают наибольшую обеспокоенность общественности и регулирующих органов. [9] [1]
Существует 75 возможных конгенеров полихлорированных дибензо -п- диоксинов, но только 7 из них имеют сродство к арильному углеводородному рецептору (рецептор AH) и токсичны через этот механизм. Решающими структурами являются так называемые боковые хлорины в положениях 2, 3, 7 и 8. Эти 4 хлорина также делают конгенеры устойчивыми, поскольку они предотвращают микробную деградацию. Дополнительные хлорины делают соединения менее мощными, но в основном эффекты остаются теми же, хотя и при более высоких дозах. Существует 135 возможных дибензофуранов и 10, в которых боковые хлорины являются диоксиноподобными. [5]
Существует 209 соединений ПХБ. Аналогично ПХДД, для диоксиноподобной активности необходимо по крайней мере два боковых хлора в каждом кольце в положениях 3, 4 и/или 5. Поскольку рецептор AH требует плоской (плоской) структуры, только конгенеры ПХБ, которые могут свободно вращаться вдоль оси C—C между кольцами, могут присоединяться к рецептору. Заместители в орто-положениях 2 и 6 предотвращают вращение и, таким образом, мешают молекуле занять плоское положение. Моно-орто-конгенеры (один Cl в 2, 2', 6 или 6') обладают минимальной активностью. Не было замечено никакой значительной диоксиноподобной активности, если есть два или более о-хлора. [5] Бромированные диоксины и бифенилы обладают схожими свойствами, но они изучены гораздо меньше. [5]
Многие природные соединения имеют очень высокое сродство к рецепторам AH. К ним относятся индолы, флавоны, бензофлавоны, имидазолы и пиридины. [10] [1] Эти соединения быстро метаболизируются, но постоянное поступление с пищей может вызвать активацию рецепторов, аналогичную фоновым уровням диоксинов. [11] Однако они не достигают концентраций, вызывающих типичную диоксиноподобную токсичность.
Рецептор арильных углеводородов (рецептор AH) является древним рецептором, и его многочисленные функции были обнаружены только недавно. [13] [14] [15] Это белок возрастом более 600 миллионов лет, встречающийся у всех позвоночных, и его гомологи были обнаружены у беспозвоночных и насекомых. Он классифицируется как член основного семейства факторов транскрипции спираль-петля-спираль / Per-Arnt-Sim (bHLH/PAS) , и он действует, изменяя транскрипцию ряда генов (см. рисунок). [12] [16] Активность рецептора AH необходима для нормального развития и многих физиологических функций. Мыши, у которых отсутствует рецептор AH (нокауты), болеют сердечной гипертрофией, фиброзом печени, репродуктивными проблемами и ослабленной иммунологией. [1]
Рецептор AH важен в токсикологии по двум совершенно разным причинам. Во-первых, он индуцирует несколько ферментов, важных для метаболизма чужеродных веществ, так называемых ксенобиотиков . К ним относятся как окислительные ферменты фазы I , так и конъюгативные ферменты фазы II, например, CYP 1A2, CYP1B1, CYP2S1, CYP2A5, ALDH3, GSTA1, UGT1A1, UGT1A6, UGT1A7 и NQO1. [17] По сути, это защитная функция, предотвращающая токсические или канцерогенные эффекты ксенобиотиков, но в некоторых условиях это может также приводить к образованию реактивных метаболитов, которые являются мутагенными и канцерогенными. Эта индукция ферментов может быть инициирована многими природными или синтетическими соединениями, например, канцерогенными полициклическими углеводородами, такими как бензо (а) пирен , [17] несколькими природными соединениями, [10] и диоксинами. [1] Во-вторых, рецепторы AH участвуют в активации или подавлении генов, которые приводят к токсическим эффектам высоких доз диоксинов. [1] Поскольку ТХДД в высоких дозах может влиять на транскрипцию, возможно, сотен генов, гены, имеющие решающее значение для множества токсических эффектов диоксинов, до сих пор не очень хорошо изучены. [18]
Связывание диоксиноподобных соединений с рецептором AH позволило измерить общую диоксиноподобную активность образца с помощью биоанализа CALUX (Chemical Activated LUciferase gene eXpression). Результаты были сопоставимы с уровнями TEQ, измеренными с помощью гораздо более дорогой газовой хроматографии-масс-спектрометрии высокого разрешения в образцах окружающей среды. [19]
Токсичность диоксина основана на ненадлежащей активации физиологически важного рецептора, и поэтому необходимо тщательно учитывать дозозависимый ответ. [1] Ненадлежащая стимуляция многих рецепторов приводит к токсическим результатам, например, передозировка витамина А приводит к ненадлежащей активации ретиноидных рецепторов, что приводит, например, к порокам развития, а передозировка кортикостероидов или половых гормонов приводит к множеству неблагоприятных эффектов. Поэтому важно отделить эффекты низких доз, вызывающих активацию рецептора в физиологическом диапазоне, от эффектов высоких токсичных доз. Это тем более важно из-за больших различий в воздействии даже среди людей. Западное население сегодня подвергается воздействию диоксинов в дозах, приводящих к концентрациям от 5 до 100 пикограммов/г (как ТЭ в жире тела), а самые высокие концентрации при случайных или преднамеренных отравлениях составляли от 10 000 до 144 000 пг/г, что приводило к драматическим, но не смертельным исходам. [1]
Наиболее значимыми токсическими последствиями диоксинов как для людей, так и для животных являются рак и последствия для развития потомства. Оба были задокументированы при высоких дозах, наиболее точно в экспериментах на животных. Что касается последствий для развития, то существует согласие, что нынешние уровни диоксина во многих популяциях не очень далеки от тех, которые вызывают некоторые эффекты, но пока нет консенсуса относительно безопасного уровня. [1] [20] Что касается рака, существуют разногласия относительно того, как экстраполировать риск от высоких токсичных доз на нынешние низкие уровни воздействия. [1]
Хотя сродство диоксинов и связанных с ними промышленных токсикантов к рецептору Ah не может полностью объяснить все их токсические эффекты, включая иммунотоксичность, эндокринные эффекты и стимулирование опухолей , токсические реакции, по-видимому, обычно зависят от дозы в определенных диапазонах концентраций. Также сообщалось о многофазной зависимости доза-реакция , что приводит к неопределенности и спорам об истинной роли диоксинов в показателях заболеваемости раком. [21] Считается, что эндокринная разрушающая активность диоксинов происходит как нисходящая функция активации рецептора AH, при этом статус щитовидной железы, в частности, является чувствительным маркером воздействия. ТХДД, наряду с другими ПХДД, ПХДФ и диоксиноподобными копланарными ПХБ, не являются прямыми агонистами или антагонистами гормонов и не активны в анализах, которые напрямую проверяют эти виды активности, таких как ER-CALUX и AR-CALUX. Также не было показано, что эти соединения обладают какой-либо прямой мутагенной или генотоксической активностью. [22] Их основное действие, вызывающее рак, — это стимулирование рака. Смесь ПХБ, такая как Aroclor, может содержать соединения ПХБ, которые являются известными агонистами эстрогена , но не классифицируются как диоксиноподобные с точки зрения токсичности. Мутагенные эффекты были установлены для некоторых низкохлорированных химикатов, таких как 3-хлордибензофуран, который не является ни стойким, ни агонистом рецептора AH. [23]
Высокие дозы . Симптомы, связанные с токсичностью диоксина в исследованиях на животных, невероятно разнообразны, как по объему затронутых биологических систем, так и по диапазону дозировок, необходимых для их возникновения. [4] [1] [3] Острые эффекты однократного воздействия высокой дозы диоксина включают снижение потребления корма и синдром истощения , а также, как правило, отсроченную смерть животного в течение 1–6 недель. [12] До сих пор большинство исследований токсичности проводились с использованием 2,3,7,8-тетрахлордибензо -п -диоксина .
LD 50 ТХДД сильно различается между видами и даже штаммами одного и того же вида, при этом наиболее заметное различие наблюдается между, казалось бы, похожими видами хомяка и морской свинки. Оральная LD 50 для морских свинок составляет всего 0,5–2 мкг/кг веса тела, тогда как оральная LD 50 для хомяков может достигать 1–5 мг/кг веса тела. [4] Даже между различными штаммами мышей или крыс могут быть десятикратные или тысячекратные различия в острой токсичности. Многие патологические изменения наблюдаются в печени , тимусе и других органах. Некоторые эффекты, такие как атрофия тимуса, распространены у многих видов, но, например, токсичность для печени типична для кроликов. [4]
Низкие дозы . Очень мало признаков токсичности наблюдается у взрослых животных после низких доз, но эффекты развития могут возникать при низких уровнях диоксина, включая эмбриональные , неонатальные и, возможно, пубертатные стадии. [24] Хорошо известными эффектами развития являются расщелина неба , гидронефроз , нарушения развития зубов и полового развития , а также эндокринные эффекты. [24] Удивительно, но индукция ферментов, несколько эффектов развития и отвращение к новым продуктам питания возникают при схожих уровнях доз у животных, которые по-разному реагируют на острую токсичность высокой дозы. Поэтому было предложено разделить эффекты диоксина на эффекты типа I (индукция ферментов и т. д.) и эффекты типа II (летальность, повреждение печени, анорексия и стимулирование опухолей). [1] Причиной могут быть различные требования к структуре домена трансактивации рецептора AH для разных генов. Некоторые из этих эффектов низких доз на самом деле можно интерпретировать как защитные, а не токсические (индукция ферментов, отвращение к новым продуктам питания). [1]
Высокие дозы. Токсичность диоксинов в высоких дозах была хорошо документирована после аварий, преднамеренных отравлений, случаев загрязнения пищевых продуктов и высоких промышленных воздействий. [1] [25] Три женщины в Вене, Австрия, были отравлены большими дозами ТХДД в 1998 году. Самая высокая концентрация ТХДД в жировой ткани составила 144 000 пг/г, самая высокая, когда-либо зарегистрированная у людей. Главной особенностью было хлоракне , серьезное кожное заболевание. Жертва выжила, а другие симптомы были скромными после начальных желудочно-кишечных симптомов и аменореи . [26] Другим острым инцидентом было преднамеренное отравление Виктора Ющенко , тогдашнего кандидата в президенты Украины, в 2004 году. Концентрация ТХДД в жире составила 108 000 пг/г. Также в этом случае наиболее ярким симптомом было хлоракне после начальной боли в животе, указывающей на гепатит и панкреатит . [27] Эти эпизоды показывают, что человек не так чувствителен, как наиболее чувствительные животные, поскольку дозы должны были достигать 25 мкг/кг.
Два серьезных несчастных случая с загрязнением пищевых продуктов были вызваны маслами ПХБ, используемыми в теплообменниках. [1] Масло ПХБ просочилось в масло из рисовых отрубей, потребляемое тысячами людей в Японии ( болезнь Юшо 1968) и на Тайване ( болезнь Ю-чэн 1979). Токсические эффекты были приписаны диоксиноподобным ПХБ и ПХДФ. Их ежедневное потребление было в 100 000 раз выше среднего потребления в настоящее время. [1] Было много проблем с кожей, хлоракне, отек век и гиперсекреция мейбомиевых желез в глазах. Дети, рожденные от матерей Юшо и Ю-чэн, были меньше нормы, у них была темная пигментация и иногда зубы при рождении и деформации зубов. Случаи гибели плода и выкидыши были обычным явлением. [28]
Возможно, самая известная авария с диоксином произошла в Севезо, Италия, в 1976 году. Из резервуара с хлорфенолами в воздух вылилось его содержимое, включая много килограммов ТХДД, и загрязнилась большая часть города. Самые высокие уровни ТХДД были обнаружены у детей, до 56 000 пг/г жира. Острые эффекты были ограничены хлоракне, хотя многие животные, такие как кролики, погибли после употребления загрязненной травы. [29] Зубные аберрации были обнаружены через 25 лет у лиц, подвергшихся воздействию в детстве, а несколько повышенный риск рака был подтвержден 35 лет спустя. [1]
Согласно исследованиям на животных, эффекты развития могут быть гораздо более важными, чем эффекты у взрослых. Они включают нарушения развития зубов , [30] и полового развития. [31]
Пример различий в ответах наглядно демонстрирует исследование, проведенное после катастрофы в Севезо , которое показало, что количество и подвижность сперматозоидов по-разному влияли на мужчин, подвергшихся воздействию, в зависимости от того, подвергались ли они воздействию до, во время или после полового созревания. [32]
В профессиональных условиях наблюдалось много симптомов, но воздействие всегда было связано с множеством химикатов, включая хлорфенолы , гербициды на основе хлорфеноксикислот и растворители . Поэтому было трудно получить окончательное доказательство диоксинов как причинных факторов. На сегодняшний день наилучшим доказанным эффектом является хлоракне. Предполагаемыми эффектами у взрослых являются повреждение печени и изменения в метаболизме гема , уровнях липидов в сыворотке , функциях щитовидной железы , а также диабет и иммунологические эффекты . [29]
Низкие уровни воздействия. Эффекты после низких уровней воздействия, таких как через пищу, было трудно доказать. Уровни диоксинов у современного населения составляют от 5 до 20 пг/г (TEQ в жире) и от 50 до 100 пг у пожилых людей [33] [34] или по крайней мере в 1000 раз ниже, чем при отравлениях (см. выше). Деформации зубов считались правдоподобными после длительного грудного вскармливания, когда концентрации диоксинов были высокими в 1970-х и 1980-х годах. [35] Когда концентрации снизились в 1990-х и 2000-х годах, эффекты больше не наблюдались. [1] Согласно исследованию, проведенному в России, количество сперматозоидов у 18-19-летних молодых мужчин было ниже, когда уровни диоксинов были выше в возрасте от 8 до 9 лет. [36] Это было в промышленных условиях, вызывающих относительно высокие уровни воздействия как для мальчиков, так и для их матерей. [1] Группа по загрязнению Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов (EFSA) рекомендовала снизить допустимые уровни еженедельного потребления (TWI) на основе исследования с участием российских детей. [20] Эту рекомендацию можно оспорить, поскольку она не учитывает должным образом конкурирующие риски, вытекающие из утраченных преимуществ важных и здоровых продуктов питания, таких как определенные виды рыбы. [1] Уровни TWI не применяются при грудном вскармливании, поскольку преимущества грудного молока считаются гораздо более важными, чем отдаленные риски диоксинов. [37] Общий вывод может заключаться в том, что пределы безопасности не очень велики в отношении последствий для развития, но токсические эффекты маловероятны при нынешних уровнях диоксинов среди населения.
Ряд поперечных исследований показали связь между диабетом 2 типа и несколькими соединениями СОЗ, включая диоксины. [38] Такие наблюдательные исследования не могут доказать причинно-следственную связь, т. е. может быть связь, которая не доказывает, что одно является причиной другого. Основная проблема заключается в том, что подобные ассоциации можно найти со многими совершенно разными СОЗ, которые имеют только длительные периоды полураспада и тенденцию накапливаться в липидах. Это говорит о том, что все они могут быть связаны с диетой и ожирением, которые являются наиболее распространенными причинами диабета 2 типа. [1]
На протяжении многих лет высказывались предположения о различных эффектах диоксинов на эндометриоз , половое развитие, функцию печени , уровень гормонов щитовидной железы, уровень лейкоцитов , иммунные функции и даже обучение и интеллект. Хотя некоторые из этих эффектов могут быть возможны после сильного воздействия (как в катастрофе в Севезо), эти утверждения основаны только на потенциальном воздействии на население, не подкрепленном фактическими измерениями концентраций диоксина. [29] Например, поглощение из отбеленных тампонов, которое, как утверждается, связано с эндометриозом [39] , незначительно по сравнению с ежедневным потреблением диоксина из пищи. [33]
Диоксины являются общепризнанными канцерогенами в исследованиях на животных, хотя точный механизм не ясен. Диоксины не являются мутагенными или генотоксичными . [1] [22] [40] Агентство по охране окружающей среды США классифицировало диоксин и смесь веществ, связанных с источниками токсичности диоксина, как «вероятный канцероген для человека». [41] Международное агентство по изучению рака классифицировало ТХДД как канцероген для человека (класс 1) на основе явной канцерогенности для животных и ограниченных данных о человеке, [42] а впоследствии также 2,3,4,7,8-ПХДФ и ПХБ 126 как канцерогены класса 1. [43] Предполагается, что механизм в основном заключается в промотировании, т. е. диоксины могут ускорять образование опухолей, вызванных другими факторами, и отрицательно влиять на нормальные механизмы ингибирования роста опухоли. [22] Некоторые исследователи также предположили, что диоксин вызывает прогрессирование рака через совершенно иной митохондриальный путь. [44]
Как и в случае со многими токсичными конечными точками диоксина, четкую зависимость доза-реакция установить сложно. После случайного или высокого профессионального воздействия имеются данные о канцерогенности для человека. [45] [46] Рост заболеваемости раком был скромным, фактически достижение статистической значимости было сложным даже после высокого случайного или профессионального воздействия, как при отравлениях Юшо и Ючэн, аварии Севесо и комбинированных профессиональных когортах. [1] Поэтому споры о риске рака при низких уровнях популяции диоксинов понятны. [1] [21] [45] [34] Проблема с оценками МАИР [43] заключается в том, что они оценивают только опасность, т. е. канцерогенность при любой дозе. Вполне вероятно, что существует практический безопасный порог для негенотоксичных диоксинов, и нынешние уровни популяции не несут никакого риска рака. Таким образом, существует некоторое согласие в том, что риск рака также учитывается, если установлены пределы ежедневного потребления для защиты от последствий развития. [37] [1] Среди рыбаков с высокой концентрацией диоксина в организме смертность от рака снизилась, а не увеличилась. [47] Все это означает, что в случае важных полезных продуктов питания и грудного вскармливания необходим тщательный анализ пользы/риска перед установлением ограничений, чтобы избежать увеличения других рисков или потери пользы. [48]
Неопределенность и изменчивость в зависимости доза-реакция диоксинов с точки зрения их токсичности, а также способность диоксинов к биоаккумуляции привели экспертов ВОЗ к рекомендации очень низкого переносимого суточного потребления (TDI) диоксина, 1-4 пг/кг веса тела в день, т. е. от 7x10−11 до 2,8x10−10 г на человека весом 70 кг в день, чтобы учесть эту неопределенность и обеспечить общественную безопасность во всех случаях. [37] Затем власти установили еженедельные или ежемесячные уровни потребления, которые равны TDI около 2 пг/кг. [1] Поскольку диоксины выводятся очень медленно, нагрузка на организм, накопленная в течение всей жизни, высока по сравнению с дневными дозами, и случайные умеренные превышения предельных значений не сильно ее меняют. Поэтому долгосрочное потребление гораздо важнее ежедневного потребления. [1] В частности, TDI оценивалась с целью гарантировать безопасность детей, рожденных от матерей, подвергавшихся ежедневному потреблению диоксинов в течение всей своей жизни до беременности. [37] Вероятно, что TDI для других групп населения может быть выше.
Одной из важных причин различий в различных оценках была канцерогенность. Если зависимость доза-реакция ТХДД при возникновении рака линейна, это может быть реальным риском. Если зависимость доза-реакция имеет пороговый тип или J-образную форму, то при текущих концентрациях риск невелик или отсутствует. Лучшее понимание механизмов токсичности, как надеются, повысит надежность оценки риска. [2] [49] Недавно Группа по загрязнению Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов (EFSA) также провела переоценку эффектов развития . Они предлагают снизить допустимую еженедельную дозу (TWI) с 14 пг/кг до 2 пг/кг. [20] Это, вероятно, вызовет еще одну полемику, прежде чем будет принято европейскими странами. [1] Потребление диоксина и его уровни в грудном молоке в 1970-х и 1980-х годах были в 5-10 раз выше, чем в настоящее время, и было обнаружено очень мало эффектов, возможно, легкие эффекты развития зубов. [1]
Все диоксиноподобные соединения имеют общий механизм действия через арильный углеводородный рецептор (AHR), но их активность сильно различается. Это означает, что все они вызывают схожие эффекты, но для некоторых из них требуются гораздо большие дозы, чем для TCDD. Связывание с AHR, а также стойкость в окружающей среде и организме зависят от присутствия так называемых «боковых хлоров», в случае диоксинов и фуранов хлор замещает в позициях 2, 3, 7 и 8. [3] Каждый дополнительный небоковой хлор снижает активность, но качественно эффекты остаются схожими. Поэтому простая сумма различных диоксиновых конгенеров не является значимой мерой токсичности. Чтобы сравнить токсичность различных конгенеров и сделать возможным токсикологически значимую сумму смеси, была создана концепция эквивалентности токсичности (TEQ). [5]
Каждому конгенеру был присвоен коэффициент эквивалентности токсичности (TEF). [5] [50] Это указывает на его относительную токсичность по сравнению с TCDD. Большинство TEF были извлечены из данных токсичности in vivo на животных, но если они отсутствуют (например, в случае некоторых ПХБ), использовались менее надежные данные in vitro . [5] После умножения фактического количества или концентрации конгенера на его TEF, произведение представляет собой виртуальное количество или концентрацию TCDD, оказывающую воздействие той же величины, что и рассматриваемое соединение. Это умножение выполняется для всех соединений в смеси, и эти «эквиваленты TCDD» затем можно просто сложить, что приводит к TEQ, количеству или концентрации TCDD, токсикологически эквивалентной смеси.
Преобразование TEQ позволяет использовать все исследования наиболее изученных ТХДД для оценки токсичности смеси. Это наиболее полезно в нормативной работе, но может также использоваться в научных исследованиях. [51] Это напоминает общую меру всех алкогольных напитков: пиво, вино и виски можно сложить вместе как абсолютный алкоголь, и эта сумма дает токсикологически значимую меру общего воздействия.
TEQ применяется только к диоксиноподобным эффектам, опосредованным AHR. Некоторые токсические эффекты (особенно ПХБ) могут быть независимыми от AHR, и они не учитываются при использовании TEQ.
TEF также являются приближениями с определенным количеством научных суждений, а не научных фактов. Поэтому время от времени они могут переоцениваться. С 1980-х годов существовало несколько версий TEF. Последняя переоценка была проведена экспертной группой Всемирной организации здравоохранения в 2005 году.
Greenpeace и некоторые другие экологические группы призвали к поэтапному отказу от хлорной промышленности. [52] [53] [54] Однако сторонники хлорной промышленности говорят, что «запрет хлора будет означать, что миллионы людей в странах третьего мира умрут от нехватки дезинфицированной воды». [55] Шарон Бедер и другие утверждают, что спор о диоксине был очень политическим и что крупные компании пытались преуменьшить серьезность проблем диоксина. [53] [54] [56] Участвующие компании часто заявляли, что кампания против диоксина основана на «страхе и эмоциях», а не на науке. [57]
Большая часть потребления диоксиноподобных химикатов поступает из пищи животного происхождения: преобладают мясо, молочные продукты или рыба, в зависимости от страны. [1] [58] Ежедневное потребление диоксинов и диоксиноподобных ПХБ в качестве ТЭ составляет порядка 100 пг/день, т. е. 1-2 пг/кг/день. [1] Во многих странах как абсолютная, так и относительная значимость молочных продуктов и мяса снизилась из-за строгого контроля выбросов, что привело к снижению общего потребления. Например, в Соединенном Королевстве общее потребление ПХДД/Ф в 1982 году составило 239 пг/день, а в 2001 году — всего 21 пг/день (WHO-TEQ). [3] Поскольку периоды полураспада очень длительные (например, для ТХДД 7–8 лет), нагрузка на организм будет увеличиваться практически в течение всей жизни. Таким образом, концентрации могут увеличиваться в пять-десять раз в возрасте от 20 до 60 лет. [1] [59] [60] По той же причине кратковременное повышенное потребление, например, после инцидентов с загрязнением пищевых продуктов, не имеет решающего значения, если только оно не чрезвычайно велико или не длится в течение нескольких месяцев или лет. [1]
Наибольшая нагрузка на организм была обнаружена в Западной Европе в 1970-х и начале 1980-х годов, [1] [61] [62] , и тенденции были схожими в США [63]. Наиболее полезной мерой временных тенденций является концентрация в грудном молоке, измеренная за десятилетия. [33] [61] Во многих странах концентрации снизились примерно до одной десятой от показателей 1970-х годов, а общие концентрации TEQ сейчас составляют порядка 5-30 пг/г жира [1] [61] (обратите внимание на единицы измерения, пг/г - это то же самое, что и нг/кг, или нестандартное выражение ppt, иногда используемое в Соединенных Штатах). [3] Уменьшение обусловлено строгим контролем выбросов, а также контролем концентраций в продуктах питания. [64] [65] В молодой взрослой женской популяции США (возрастная группа 20–39 лет) концентрация составляла 9,7 пг/г липидов в 2001-2002 годах (среднее геометрическое). [60]
Определенные профессии, такие как рыболовство в некоторых районах, подвергаются воздействию исключительно высоких количеств диоксинов и связанных с ними веществ. [66] Это, наряду с высоким уровнем промышленного воздействия, может быть наиболее ценным источником информации о рисках для здоровья, связанных с диоксинами. [47]
Диоксины хорошо усваиваются из пищеварительного тракта, если они растворены в жирах или маслах (например, в рыбе или мясе). [4] С другой стороны, диоксины имеют тенденцию плотно адсорбироваться на частицах почвы, и абсорбция может быть довольно низкой: было поглощено 13,8% данной дозы ТЭ в загрязненной почве. [67]
Те же особенности, которые вызывают стойкость диоксинов в окружающей среде, также вызывают очень медленное выведение у людей и животных. Из-за низкой растворимости в воде почки не могут выводить их с мочой как таковые. Сначала они должны быть метаболизированы в более водорастворимые метаболиты, но этот метаболизм, особенно у людей, чрезвычайно медленный. Это приводит к биологическому периоду полураспада в несколько лет для всех диоксинов. По оценкам, период полураспада ТХДД составляет от 7 до 8 лет, а для других ПХДД/Ф — от 1,4 до 13 лет, ПХДФ в среднем немного короче, чем ПХДД. [1] [3] [68]
У млекопитающих диоксины в основном встречаются в жире. Концентрации в жире, по-видимому, относительно схожи, будь то сывороточный жир, жир жировой ткани или молочный жир. Это позволяет измерять нагрузку диоксином, анализируя грудное молоко. [61] Однако первоначально, по крайней мере у лабораторных животных, после однократной дозы высокие концентрации обнаруживаются в печени, но через несколько дней жировая ткань будет преобладать. В печени крыс, однако, высокие дозы вызывают индукцию фермента CYP1A2, и он связывает диоксины. Таким образом, в зависимости от дозы, соотношение концентраций жира и печеночной ткани может значительно различаться у грызунов. [4]
Диоксины не имеют общего применения. Они производятся в небольших масштабах для химических и токсикологических исследований, но в основном существуют как побочные продукты промышленных процессов, таких как отбеливание хлором бумажной массы , производство пестицидов и процессы горения, такие как сжигание . Дефолиант Agent Orange содержал следовые количества примесей диоксина и в результате вызывал серьезные проблемы со здоровьем. [70] Консервант для древесины пентахлорфенол часто содержал диоксины и дибензофураны в качестве примесей. [71] Стокгольмская конвенция запретила производство и использование диоксинов в 2001 году.
Соединения PCDD/F никогда не синтезировались для каких-либо целей, за исключением небольших количеств для научных исследований. [12] Небольшие количества PCDD/F образуются всякий раз, когда органика, кислород и хлор доступны при подходящих температурах. [1] Это дополняется металлическими катализаторами, такими как медь. Оптимальный температурный диапазон составляет от 400 °C (752 °F) до 700 °C (1292 °F). Это означает, что образование происходит наиболее интенсивно, когда органический материал сжигается в условиях, далеких от оптимальных, таких как открытый огонь, пожары в зданиях, домашние камины и плохо эксплуатируемые и/или спроектированные мусоросжигательные печи для твердых отходов. [3] Исторически сжигание муниципальных и медицинских отходов было наиболее важным источником PCDD/F.
Соединения ПХБ , всегда содержащие низкие концентрации диоксиноподобных ПХБ и ПХДФ, были синтезированы для различных технических целей (см. Полихлорированные бифенилы ). Они попали в окружающую среду в результате аварий, таких как пожары или утечки из трансформаторов или теплообменников, или из содержащих ПХБ продуктов на свалках или во время сжигания. Поскольку ПХБ являются несколько летучими, они также переносились на большие расстояния по воздуху, что привело к глобальному распространению, включая Арктику. Только незначительная часть ПХБ в смесях являются диоксиноподобными. [1]
Другие источники ПХДД/Ф включают в себя:
Улучшения и изменения были внесены почти во все промышленные источники для сокращения производства ПХДД/Ф. В сжигании отходов большое количество рекламы и беспокойства, окружавших диоксиноподобные соединения в 1980-1990-х годах, продолжает проникать в общественное сознание, особенно когда предлагаются новые мусоросжигательные и мусороперерабатывающие предприятия. В результате этих опасений процессы сжигания были улучшены за счет повышения температуры горения (более 1000 °C (1830 °F)), лучшего управления печью и достаточного времени пребывания, выделенного для обеспечения полного окисления органических соединений. Сжигание или «совместная переработка» муниципальных и твердых промышленных отходов в цементных печах является еще одним доказанным источником соединений ПХДД/Ф, несмотря на экстремально высокие температуры 1400–1500 °C (2550–2730 °F), что представляет риск в странах, где совместная переработка все чаще используется в качестве основной стратегии управления отходами, если не внедрены надлежащие экологический мониторинг и контроль. [72] В идеале процесс сжигания окисляет весь углерод до CO2 и преобразует весь хлор в HCl или неорганические хлориды до того, как газы пройдут через температурное окно 400-700 °C, где возможно образование PCDD/F. Эти вещества не могут легко образовывать органические соединения, а HCl легко и безопасно нейтрализуется в скруббере , в то время как CO2 выбрасывается в атмосферу. Неорганические хлориды включаются в золу.
Системы скруббера и удаления частиц способны улавливать часть PCDD/F, которые образуются даже на сложных мусоросжигательных заводах. Эти PCDD/F, как правило, не уничтожаются, а перемещаются в летучую золу . Были разработаны каталитические системы, которые уничтожают парообразные PCDD/F при относительно низких температурах. Эта технология часто сочетается с рукавным фильтром или системой SCR в хвостовой части мусоросжигательного завода.
Предел Европейского Союза для концентрации диоксиноподобных соединений в отводимых дымовых газах составляет 0,1 нг/Нм³ ТЭ. [74] [75]
Как в Европе [76] , так и в США [77] выбросы резко сократились с 1980-х годов, даже на 90% (см. рисунок). Это также привело к снижению нагрузки на организм человека, что наглядно продемонстрировано снижением концентрации диоксинов в грудном молоке . [61] С существенным сокращением выбросов от мусоросжигательных заводов, другие потенциально крупные источники диоксиноподобных соединений, например, от лесных и лесных пожаров, увеличились по сравнению с промышленными источниками. [78] Однако они не включены в общий перечень из-за неопределенности в имеющихся данных. [79] Более недавнее исследование воздействия на окружающую среду случайных пожаров, включая лесные пожары , оценило выбросы диоксинов (ПХДД/Ф) как примерно эквивалентные выбросам от дорожного движения и сжигания муниципальных отходов. [80]
Открытое сжигание отходов (сжигание бочек на заднем дворе) не уменьшилось эффективно, и в США это теперь самый важный источник диоксинов. Общие годовые выбросы в США сократились с 14 килограммов (31 фунт) в 1987 году до 1,4 килограмма (3,1 фунта) в 2000 году. Однако сжигание бочек на заднем дворе сократилось лишь скромно с 0,6 килограмма (1,3 фунта) до 0,5 килограмма (1,1 фунта), в результате чего более трети всех диоксинов в 2000 году было получено только от сжигания на заднем дворе. [77]
Низкие концентрации диоксинов были обнаружены в некоторых почвах без какого-либо антропогенного загрязнения. Загадочный случай загрязнения молока был обнаружен в Германии. Было обнаружено, что источником был каолин , добавляемый в корм для животных. Диоксины неоднократно обнаруживались в глинах из Европы и США с 1996 года, при этом загрязнение глины предположительно было результатом древних лесных пожаров или аналогичных природных явлений с концентрацией ПХДД/Ф во время осаждения глины. [81]
При выращивании сахарного тростника оставшийся жом после извлечения сахара используется в больших количествах для производства энергии (как технологического тепла , так и электроэнергии для использования как на самом сахарном заводе, так и для других потребителей), и на местном уровне он считается значительным источником диоксинов. [82] Это в основном указывает на то, что сжигание биомассы производит диоксины, и это должно происходить при достаточно высоких температурах, а также должна быть надлежащая фильтрация дымовых газов. Для очистки газов и загрязняющих веществ в сахарной промышленности часто используются мокрые газоочистители, такие как типа Вентури . Кроме того, используются также другие системы очистки - электростатические осадители и рукавные фильтры . [83] Эти методы могут быть недостаточными [82] [83] [84] Неправильно сожженная биомасса, которая подвергается только неполному сгоранию при низкой температуре , является причиной многих негативных последствий для здоровья, связанных с загрязнением воздуха внутри помещений, и представляет собой особую проблему на Глобальном Юге , где биомасса, такая как древесина или коровий навоз, часто является единственным общедоступным топливом для приготовления пищи и отопления домов. Помимо диоксинов, при сжигании биомассы в условиях низкого содержания кислорода выделяются и другие вредные продукты неполного сгорания, такие как оксид углерода . Использование пластика, особенно содержащего хлор пластика, такого как поливинилхлорид , в качестве топлива или поджигателя еще больше увеличивает выбросы диоксинов.
Все группы диоксиноподобных соединений устойчивы в окружающей среде. Очень немногие почвенные микробы и животные могут расщеплять ПХДД/Ф с помощью боковых хлоринов (позиции 2, 3, 7 и 8). [85] Липофильность (тенденция искать жироподобные среды) и очень плохая растворимость в воде заставляют эти соединения перемещаться из водной среды в живые организмы, имеющие липидные клеточные структуры. Это называется биоаккумуляцией . Увеличение хлорирования увеличивает как стабильность, так и липофильность. Соединения с самыми высокими числами хлора (например, октахлордибензо-п-диоксин), однако, настолько плохо растворимы, что это препятствует их биоаккумуляции. [85] За биоаккумуляцией следует биоусиление . Липидорастворимые соединения сначала накапливаются в микроскопических организмах, таких как фитопланктон (планктон растительного характера, например, водоросли). Фитопланктон потребляется животным планктоном, его беспозвоночными, такими как насекомые, их мелкой рыбой, а затем крупной рыбой и тюленями. На каждой стадии или трофическом уровне концентрация выше, потому что стойкие химикаты не «сжигаются», когда высший организм использует жир организма-жертвы для производства энергии.
Из-за биоаккумуляции и биомагнификации виды на вершине трофической пирамиды наиболее уязвимы к диоксиноподобным соединениям. В Европе орлан-белохвост и некоторые виды тюленей приблизились к вымиранию из-за отравления стойкими органическими загрязнителями. [86] Аналогично, в Америке популяция белоголовых орланов сократилась из-за СОЗ, вызывающих истончение яичной скорлупы и другие репродуктивные проблемы. [87] Обычно неудачу приписывают в основном ДДТ , но диоксины также являются возможной причиной репродуктивных эффектов. И в Америке, и в Европе у многих водоплавающих птиц наблюдаются высокие концентрации диоксинов, но обычно недостаточно высокие, чтобы нарушить их репродуктивный успех. [86] [88] Благодаря дополнительному зимнему кормлению и другим мерам орлан-белохвост восстанавливается (см. Орлан-белохвост ). Также восстанавливаются кольчатые нерпы в Балтийском море.
Люди также находятся на вершине трофической пирамиды, особенно новорожденные. По оценкам, новорожденные, находящиеся исключительно на грудном вскармливании, подвергаются воздействию в общей сложности 800 пг ТЭ/день, что приводит к расчетной дозе на основе веса тела в 242 пг ТЭ/кг/день. [89] Из-за множества источников пищи у взрослых людей воздействие намного меньше, в среднем 1 пг ТЭ/кг-день, [89] а концентрации диоксина у взрослых намного меньше, 10-100 пг/г, по сравнению с 9000-340 000 пг/г (ТЭ в липидах) у орлов [86] или тюленей, питающихся почти исключительно рыбой.
Из-за различных физико-химических свойств не все конгенеры диоксиноподобных соединений одинаково хорошо находят свои пути к человеку. Измеряемые как TEQ, доминирующими конгенерами в тканях человека являются 2,3,7,8-TCDD, 1,2,3,7,8-PeCDD, 1,2,3,6,7,8-HxCDD и 2,3,4,7,8-PeCDF. [3] Это сильно отличается от большинства источников, где могут преобладать гепта- и окта-конгенеры. Группа ВОЗ, переоценивавшая значения TEF в 2005 году, выразила обеспокоенность тем, что выбросы не следует некритически измерять как TEQ, поскольку все конгенеры не одинаково важны. [5] Они заявили, что «когда оценка риска для человека должна проводиться из абиотических матриц, такие факторы, как судьба, транспорт и биодоступность из каждой матрицы, должны быть специально рассмотрены». [5]
Все СОЗ плохо растворимы в воде, особенно диоксины. Поэтому загрязнение грунтовых вод не было проблемой, даже в случаях сильного загрязнения из-за основных химикатов, таких как хлорфенолы. [90] В поверхностных водах диоксины связаны с органическими и неорганическими частицами.
Давно известно, что ТХДД чувствителен к фотохимическому дехлорированию. При воздействии прямого солнечного света или УФ-излучения он разложится в течение нескольких часов. [91] Фотокатализ и другие методы также были опробованы в попытках удалить диоксины из почв и других сред. [92] [93] Поскольку диоксины плотно адсорбируются на частицах почвы, а микробная деградация (в основном через дегалогенирование, примером является Dehalococcoides CBDB1) [94] [95] диоксинов происходит очень медленно, исследователи активно пытались найти механизмы для увеличения деградации [96] или найти особенно активные виды микроорганизмов для целей биоремедиации. [97] [92] [93] В целом, это не было очень успешным. Кроме того, взаимодействия с микробиомами кишечника животных плохо изучены. [98]
Наиболее важным источником воздействия на человека является жирная пища животного происхождения (см. Потребление человеком выше), [33] и грудное молоко. [89] Существуют большие различия между разными странами относительно наиболее важных пунктов. В США и Центральной Европе молоко, молочные продукты и мясо были, безусловно, самыми важными источниками. В некоторых странах, особенно в Финляндии и в некоторой степени в Швеции, рыба важна из-за загрязненной балтийской рыбы и очень низкого потребления из любых других источников. [3] В большинстве стран значительное снижение потребления диоксина произошло из-за более строгого контроля за последние 20 лет.
Исторически сложилось так, что профессиональное воздействие диоксинов было серьезной проблемой. [42] Диоксины образуются как важные токсичные побочные продукты при производстве ПХБ , хлорфенолов , гербицидов хлорфеноксикислот и других хлорированных органических химикатов. Это вызвало очень высокие уровни воздействия на рабочих в плохо контролируемых гигиенических условиях. У многих рабочих было хлоракне . В исследовании NIOSH в США средняя концентрация ТХДД у лиц, подвергшихся воздействию, составила 233 нг/кг (в липидах сыворотки), тогда как у не подвергавшихся воздействию рабочих она составила 7 нг/кг, хотя воздействие имело место 15–37 лет назад. [42] Это указывает на огромное предыдущее воздействие. Фактически, точный обратный расчет является предметом споров, и концентрации могли быть даже в несколько раз выше, чем первоначально предполагалось. [99]
Обработка и распыление гербицидов на основе хлорфеноксикислоты также может вызывать довольно высокие уровни воздействия, как это наглядно продемонстрировали пользователи Agent Orange во время Малайской чрезвычайной ситуации и во время войны во Вьетнаме . Самые высокие концентрации были обнаружены у нелетающего личного состава (например, при заполнении баков самолетов), хотя вариации были огромными, от 0 до 618 нг/кг ТХДД (среднее значение 23,6 нг/кг). [42] Другие профессиональные воздействия (работа на целлюлозно-бумажных комбинатах, сталелитейных заводах и мусоросжигательных заводах) были значительно ниже. [42]
Случайные воздействия были огромными в некоторых случаях. Самые высокие концентрации у людей после аварии в Севезо составили 56 000 нг/кг, а самое высокое воздействие, когда-либо зарегистрированное, было обнаружено в Австрии в 1998 году, 144 000 нг/кг (см. TCDD ). [26] Это эквивалентно дозе от 20 до 30 мкг/кг TCDD, дозе, которая была бы смертельной для морских свинок и некоторых пород крыс.
Воздействие от загрязненной почвы возможно, когда диоксины взрываются в пыли или дети едят землю. Вдыхание было четко продемонстрировано в Миссури в 1970-х годах, когда отработанные масла использовались в качестве пылеподавителя на конных аренах. Многие лошади и другие животные погибли из-за отравления. [100] Диоксины не являются ни летучими, ни водорастворимыми, и поэтому воздействие на людей зависит от прямого употребления в пищу почвы или производства пыли, которая переносит химикат. Загрязнение грунтовых вод или вдыхание паров химиката вряд ли вызовет значительное воздействие. В настоящее время в США насчитывается 126 участков Superfund с завершенным путем воздействия, загрязненных диоксинами.
Кроме того, известно, что ПХБ проходят через очистные сооружения и накапливаются в шламе , который используется на сельскохозяйственных полях в некоторых странах. В 2011 году в Южной Каролине SCDHEC принял экстренные правила по шламу после того, как было обнаружено, что ПХБ были сброшены на очистные сооружения. [101]
Известно также, что ПХБ смываются с промышленных предприятий и земель (т. н. иловых полей), загрязняя рыбу, [102] как это было вверх и вниз по реке Катоба в Северной и Южной Каролине. Власти штата опубликовали рекомендации по потреблению рыбы из-за накопления ПХБ в тканях рыб. [103]
Было несколько случаев загрязнения пищевых продуктов, один из самых известных произошел в Бельгии в 1999 году. [1] Резервуар с переработанными жирами, собранными для производства кормов для животных, был загрязнен маслом ПХБ, содержащим около 1 г диоксинов и 2 г DL-ПХБ. Это вызвало серьезную тревогу в Европейском союзе, но из-за относительно быстрого реагирования и медленного накопления диоксинов в организме человека не было никаких последствий для здоровья. [1] Похожий случай был в Ирландии в 2008 году. В 2008 году Чили пережила свиной кризис , вызванный высокой концентрацией диоксинов в экспортируемой свинине. Было установлено, что загрязнение было вызвано оксидом цинка, используемым в кормах для свинины, и привело к репутационным и финансовым потерям для страны, а также привело к введению новых правил безопасности пищевых продуктов. [104] Эти эпизоды подчеркивают важность контроля за продуктами питания, а раннее обнаружение гарантирует, что очень медленно накапливающиеся диоксины не увеличатся в организме человека до уровней, вызывающих токсические эффекты.
Этот комментарий является ответом на недавнюю статистическую обработку данных о заболеваемости раком у выбранных рабочих, подвергшихся воздействию диоксина, из более раннего исследования химического завода NIOSH. Вопреки новым выводам авторов NIOSH, реакция заболеваемости раком на увеличение воздействия диоксина имеет J-образную форму, как и в двух основных наборах данных, на которые они не смогли сослаться или объяснить. Статистическая обработка NIOSH скрыла значительное снижение заболеваемости раком, которое происходит при низком воздействии диоксина. Несмотря на то, что заболеваемость раком может возрасти при высоком уровне воздействия диоксина, такому росту может предшествовать значительное снижение при более низком уровне воздействия.