Ядохимикаты, применяемые в сельском хозяйстве, принадлежат к различным классам химических соединений. Все они объединены под общим названием “пестициды”. Пестициды - это химические вещества, применяемые с целью сокращения ущерба, наносимого сельскохозяйственным культурам различными вредителями, болезнями, сорняками. Существует мнение, что без применения пестицидов с целью защиты сельскохозяйственных культур мировой урожай составлял бы лишь 70% получаемого в настоящее время.
Вместе с тем широкое использование пестицидов приводит к загрязнению внешней среды, в том числе источников водоснабжения, почвы и, как следствие к гибели многих представителей гидрофлоры и гидрофауны. Попадая в пищевые цепи, пестициды неизбежно попадают в организм человека. Пестициды относятся к химическим соединениям, трудно поддающимся биоразложению. Многие из этих чрезвычайно токсичных веществ, помимо высокой стойкости обладают выраженными кумулятивными свойствами, что создает условия для развития острых и хронических отравлений. Помимо этого, пестициды обладают выраженным мутагенным, тератогенным и канцерогенным действиями.
В последние десятилетия совершается переход от очень опасных и устойчивых хлорорганических пестицидов к фосфорорганическим пестицидам (ФОС).
Существует несколько подходов к классификации ядохимикатов группы пестицидов.
Химическая классификация. Согласно ей, ядохимикаты подразделяют на группы по их химическому составу (органические соединения фосфора, производные мочевины, органические соединения ртути и т.д.).
Классификация ядохимикатов в зависимости от их назначения.Различают:
акарициды (применяются для уничтожения клещей);
альгициды (применяются для уничтожения водорослей и другой водной растительности);
антисептики (применяются для предохранения неметаллических материалов от разрушения микроорганизмами);
арборициды (применяются для уничтожения кустарников);
бактерициды (применяются для борьбы с бактериями и бактериальными болезнями);
гербициды ( применяются для уничтожения сорняков);
инсектициды (применяются для уничтожения насекомых);
фунгициды (применяютя для борьбы с болезнями растений).
К числу ядохимикатов относятся также дефолианты (применяются для удаления листьев) и десиканты (применяются для подсушивания растений перед уборкой).
Классификация ядохимикатов в зависимости от путей поступления в организм насекомых. В зависимости от путей проникновения инсектициды делятся на:
а) контактные (проявляют действие после соприкосновения с любой частью тела);
б) кишечные (через органы пищеварения попадают в кишки);
в) системные (попадают в насекомое через поедаемые им растения);
г) фумиганты (поступают через дыхательные пути).
Фосфорсодержащие соединения (ФОС) являются одним из наиболее важных классов ядохимикатов, применяемых в сельском хозяйстве. В настоящее время используется свыше 100 представителей этого класса соединений.
Общая химическая структура этих веществ следующая:
О
R1 - O - P - X,
R2
где Р - атом фосфора, R1 и R2 - органические радикалы, а Х - или галоид (Cl, F), или CN-группа.
По химическому строению ФОС можно разделить на следующие группы:
1) производные фосфорной кислоты;
2) производные тиофосфорной кислоты;
3) производные дитиофосфорной кислоты;
4) производные пирофосфорной кислоты;
5) производные фосфоновых кислот.
Применяемые в сельском хозяйстве ФОС представляют собой либо твердые кристаллические вещества, либо прозрачные или желтовато-коричневые маслянистые жидкости. Многие из них имеют специфический неприятный запах.
Большинство ФОС - тяжелее воды. Многие из ФОС хорошо растворимы в органических растворителях (ксилоле, толуоле, ацетоне и т.д.) и некоторые растворимы в воде.
Будучи малолетучими и хорошо растворимыми в липидах жидкостями, ФОС хорошо проникают во внутренние среды организма через неповрежденную кожу и слизистые оболочки, не оставляя никаких следов.
Большинство ФОС сравнительно быстро разлагаются в щелочной среде, но могут длительно сохраняться в нейтральной и слабокислой средах (в кислой среде они могут сохраняться в течение нескольких месяцев). Гидролиз ФОС ускоряется при повышении температуры.
По степени токсичности по классификации пестицидов Л.И.Медведя и соавторов (1968) ФОС разделяются на 4 группы:
1) сильнодействующие (DL50 < 50 мг/кг);
2) высокотоксичные (DL50 - 50-200 мг/кг);
3) средней токсичности (DL50 - 200-1000 мг/кг);
4) малой токсичности (DL50 больше 1000 мг/кг).
В странах СНГ из группы сильнодействующих ФОС применяются метафос и октаметил. Среди высокотоксичных применяются метилмеркаптофос, фосфамид, бутифос, фатолофос, бензофосфат и некоторые другие. Наиболее широко применяются в СНГ ФОС средней токсичности (хлорофос, карбофос, метилнитрофос и др.).
При поступлении в организм ФОС нарушают функции нервной, мышечной, сердечно-сосудистой систем, желудочно-кишечного тракта, органов зрения. Но определяет картину отравления прежде всего избирательное действие ФОС на все звенья нервной системы.
Сущность биохимического механизма вмешательства ФОС в функционирование нервной системы представляется следующим образом.
Самым важным свойством ФОС является их способность блокировать ключевой фермент ацетилхолинэстеразу (АХЭ), катализирующую расщепление ацетилхолина (АЦХ) в нервных синапсах. Для того чтобы происходила передача нервного импульса, количество выбрасываемого из синаптических пузырьков ацетилхолина должно быть строго определенным. Ацетилхолинэстераза не допускает избыточного количества ацетилхолина, мгновенно гидролизуя его на уксусную кислоту (ацетат) и спирт холин. ФОС, обладая химическим сродством к ацетилхолинэстеразе, вступают во взаимодействие с АХЭ. Эта взаимодействие длится не доли секунды, а продолжительное время. В результате дезорганизуется проведение нервного импульса: торможение разрушения АЦХ приводит к непрерывающемуся действию его на холинорецепторы и в итоге к нарушению функций многих структур и органов.
Молекулярный механизм событий следующий. На поверхности молекулы АХЭ имеются определенные участки (активные центры), отличающиеся особой реакционной способностью (сродством) по отношению к химически активным частям молекулы яда. Эти активные центры обеспечивают временную фиксацию ацетилхолинэстеразой молекул ацетилхолина и гидролиз ацетилхолина. Ингибирование АХЭ ядами ФОС осуществляется за счет взаимодействия ФОС с активными центрами, т.е. ФОС схожи с ацетилхолином, и в результате яды реагируют с ацетилхолинэстеразой, а АЦХ накапливается. Вследствие накопления АЦХ возникает расстройство передачи сигнала, что приводит к нарушению деятельности внутренних органов.
При воздействии ФОС на АХЭ образуется стойкий фермент-ингибиторный комплекс. Выключение ФОС холинэстеразы из цепи биохимических реакций влечет за собой накопление физиологического ацетилхолина. Увеличение содержания ацетилхолина ведет к нарушению передачи нервного импульса, что приводит к функциональным изменениям деятельности внутренних органов и систем. Этот биохимический механизм и лежит в основе проявления токсического действия этих ядов.
Торможение ФОС активности холинэстеразы можно рассматривать как типичный пример торможения структурными аналогами субстрата. В этих случаях токсическое вещество выступает в роли псевдосубстрата. Химическая близость яда с субстратом оказывается достаточной, чтобы яд занял место на поверхности фермента и образовал с ним прочную связь. Образовавшийся комплекс является стойким, связь яда с ферментом разрушается медленно, и фермент перестает функционировать.
ЯДЫ ТАБАЧНОГО ДЫМА
В чистом виде никотин – желтоватая летучая остропахнущая маслянистая жидкость. В табаке он содержится главным образом в виде солей слабых органических кислот. Никотин хорошо всасывается со слизистых оболочек и метаболизируется в основном в печени посредством окисления в котинин, а также за счет реакций N-метилирования, разрыва пирролидинового кольца и его N-метилирования. Большинство метаболитов никотина выделяется с мочой.
Токсичность никотина очень велика: перорально введенная млекопитающим DL50 составляет 2-10 мг/кг. Смертельная доза для человека при одномоментном введении составляет несколько капель, что соответствует его количеству, содержащемуся в 10-12 папиросах.
Однако благодаря сравнительно быстрому выведению из организма при постепенном поступлении никотина в процессе курения такое его количество для курильщика является относительно неопасным.
В табачном дыме выделено и идентифицировано около 4 тысяч различных химических соединений, большинство которых представляет опасность для здоровья человека. Вместе с никотином в дым переходят оксид углерода, синильная кислота, ацетон, аммиак, бензол, ацетальдегид, изопрен, акролеины и др. и в качестве компонентов твердой фазы в виде аэрозолей фенол, крезолы, индол, бензапирен, карбазол, калий, натрий, цинк, свинец, алюминий, медь, кадмий, мышьяк и др. При выкуривании 20 папирос в организм поступает 0,09 г никотина, 0,032 г аммиака, 0,006 г синильной кислоты, 369 мл оксида углерода, 0,011 г пиридиновых оснований. Ниже приведены некоторые органоспецифические канцерогены, содержащиеся в сигаретном дыме.
| Канцероген | Содержание в одной сигарете, мг |
| N-нитрозодиметиламин | 1-180 |
| N-нитрозоэтилметиламин | 1-40 |
| N-нитрозодиэтиламин | 0,1-28 |
| N-нитрозопирролидин | 2-110 |
| N-нитрозопиперидин | 0-9 |
| N-нитрозодиэтаноламин | 0-40 |
| N’-нитрозонорникотин | 120-3700 |
| 4-[метилнитрозамино]-1-[3-пиридил]-1-бутанон | 120-950 |
| N’-нитрозоанабазин | 40-400 |
| 2-толуидин | 30-160 |
| 2-нафтиламин | 4,3-27 |
| 4-аминобифенил | 2,4-4,6 |
| Никель | 20-3000 |
| Полоний-210 | 0,03-1,0 пКи |
При горении табачных продуктов образуются основной и побочный потоки дыма. Основной поток формируется в горящем конусе и в горячих зонах сигарет и папирос. Общая масса основного потока из одной сигареты составляет примерно 400-500 мг. Побочный поток образуется в интервалах между затяжками и выделяется из противоположного, обугленного торца сигареты (папиросы) в окружающий воздух. Лишь 35-40% сигаретного табака сгорает во время затяжек, а остальное его количество – при тлении в интервалах между ними, во время которых образуется относительно большая часть таких соединений, как аммиак, амины (включая ароматические) и, особенно, летучие канцерогенные N-нитрозамины. Установлено также, что в побочном потоке бензамирена в 3,4 раза больше, чем в основном. Кроме того, нитрозамины образуются и в процессе обработки табака. Эти вещества являются органоспецифическими канцерогенами, т.е. каждое из них способно вызывать злокачественные опухоли в каком-либо определенном органе. Некоторые вещества данного класса являются производными алкалоидов табака, в частности, образующиеся из никотина N-нитрозамины ННН (нитрозонорникотин) и НМПБ (4-(метилнитрозоамино)-1-(3-пиридил)-1-бутанон) – самые сильные из содержащихся в табачном дыме канцерогенов – вызывают возникновение опухолей у нескольких видов лабораторных животных. Например, одной аппликации 1 мг НМПБ достаточно для возникновения у хомячков опухолей в легких. Некоторое представление о путях формирования механизмов канцерогенной активности N-нитрозаминов дает оценка реакций их биотрансформации. Так, НМПБ активируется в организме путем N-гидроксилирования, превращаясь в метилдиазогидроксид. Это нестабильное химическое соединение способно тем не менее активно проникать в клеточное ядро и метилировать азотистое основание гуанин до 7-метилгуанина и О6-метилгуанина. Последний является промутагенным аддуктом, влияющим на процесс передачи генетической информации.
При рассмотрении биологических повреждающих эффектов табачного дыма ведущее значение придается никотину, его избирательному действию на центральные и периферические Н-холинореактивные структуры нервных клеток, мышечной системы, некоторых желез внутренней секреции. Особенно чувствительны к никотину Н-холинорецепторы вегетативных ганглиев, на которые он оказывает двухфазное действие. Первая фаза (возбуждение) характеризуется деполяризацией мембран ганглионарных нейронов, вторая (угнетение) – обусловлена конкурентным антагонизмом с ацетилхолином. При этом синтез, освобождение и гидролиз ацетилхолина не изменяются. Дальнейшая нарастающая в крови концентрация никотина в процессе курения приводит ко многим функциональным сдвигам, что у мало адаптированного к табачному дыму человека проявляется сужением зрачков, усилением слюноотделения, головокружением, тошнотой. Повторное введение никотина формирует привыкание и устойчивость к яду, но одновременно к нему развивается пристрастие, и курение становится потребностью. Иными словами, постепенно развивается никотиновая наркомания (токсикомания).
Несомненное патогенное значение имеет содержащийся в табачном дыме оксид углерода. В артериальной крови курящих содержание карбоксигемоглобина значительно выше, чем у некурящих, - по разным данным, от 4,6 до 5,8%, но может достигать и 7-10%, что существенно сокращает кислородный резерв крови. Помимо этого, в настоящее время доказано атерогенное действие оксида углерода. И никотин, и оксид углерода повышают в плазме крови курильщика концентрацию жирных кислот, что усиливает синтез липопротеидов очень низкой плотности. У курящих в сравнении с некурящими, как правило, определяется более высокий уровень холестерина крови – одного из основных факторов риска развития ишемической болезни сердца. Одновременно уменьшается и период полураспада фибриногена – биохимического предшественника важнейшего фактора свертываемости крови.
Постоянное раздражение дыхательных путей табачным дымом приводит к развитию у курильщиков хронического бронхита, ларингита, трахеита. Воспалительные процессы в воздухоносных путях легких приводят к той или иной степени нарушения их проходимости вследствие скопления слизи, набухания слизистых оболочек, разрастания соединительной ткани. Тем самым снижается дыхательная функция легких и в конечном счете – поступление кислорода в кровяное русло. Этому способствует также частое развитие у курильщиков эмфиземы легких вследствие уменьшения их эластичности, разрушения межальвеолярных перегородок и разрастания соединительной ткани. Помимо этого, компоненты табачного дыма ингибируют часть ферментных систем легких, обеспечивающих в них необходимую активность иммунных, защитных и детоксикационных процессов. Вследствие такого ослабления барьерной функции курение табака резко увеличивает риск возникновения инфекционных заболеваний дыхательных путей при одновременно более тяжелом их течении.
Наибольшую опасность, которую несет организму человека табачный дым, – злокачественные новообразования, прежде всего рак легких. У курильщика в альвеолах постепенно накапливается так называемый табачный деготь (смола) – концентрат жидких и плотных продуктов горения и сухой перегонки табака. При сгорании 1 кг табака в среднем образуется 50 г дегтя. В его состав входит много ядовитых веществ, и в их числе активные канцерогены из класса полициклических углеводородов: бензапирен, дибензантрацен, хризен, дибензпирен. Более подробно бластомогенные свойства изучены у бензапирена. Эксперименты свидетельствуют, что злокачественные опухоли у мыши и крысы развиваются при аппликации 2-4 мг этого вещества. Следует также иметь в виду, что дым сигареты содержит много вторичных аминов, которые, растворяясь в слюне и попадая в желудок, могут образовывать нитрозамины.
Ряд авторов при рассмотрении сочетанного действия табачного дыма и этанола отмечают, что последний может выполнять роль растворителя канцерогенных углеводородов и одновременно нарушать функцию микросомальных ферментов клеток слизистых оболочек дыхательных путей, пищевода.
Немаловажное значение в этой связи имеют также радиоактивные изотопы, содержащиеся в табачном дыме. Из них наибольшую канцерогенную опасность связывают с Ро210, проникающим в листья табака в основном из почвы через корневую систему и содержащимся в количестве 0,03 – 1,0 пКи в одной сигарете.
Многими исследованиями установлено направленное влияние компонентов табачного дыма на процессы биотрансформации ксенобиотиков, в том числе лекарственных веществ. У курильщиков отмечено повышение активности ферментов, метаболизирующих некоторые лекарства – анальгетики, транквилизаторы, антидепрессанты, адреноблокаторы. Очевидно, что в том случае, когда индукция фермента усиливает распад молекул препарата, то его действие, как правило, ослабляется (фенацетин, антипирин, анаприлин, теофиллин, кофеин, имизин, пентазоцин и др.).
Особое внимание заслуживает проблема курения табака беременными женщинами, так как при этом повреждается организм будущего ребенка. Установлено, что организм женщины весьма чувствителен к табачным ядам, причем выраженно страдает детородная функция. Так, по данным обследования 5500 женщин, у курящих бесплодие наблюдалось в 41,5%, а у некурящих – лишь в 4,5% случаев.
Во всем мире борьба с курением стала чрезвычайно важной медико-социальной проблемой. Теперь ясно, что надежный барьер между человеком и табачным дымом – это один из главных факторов улучшения здоровья и увеличения продолжительности жизни. О масштабах данной проблемы свидетельствует то обстоятельство, что в странах СНГ более 1/4 населения добровольно подвергают себя ежедневному воздействию комплекса токсических веществ и одновременно создают угрозу здоровью для окружающих.