Вынос нитратов

В последние годы существенно возросла концентрация нитратов в водах рек, протекающих через земледельческие районы. Это создает определенные проблемы, поскольку высокая концентрация нитратов благоприятствует бурному росту водорослей, которые затеняют более крупные водные растения и потребляют весь доступный кислород, растворенный в воде, обрекая тем самым на гибель рыб и других животных. Сине-зеленые водоросли могут наряду с этим выделять в воду токсичные вещества, смертельные как для человека, так и для животных. Вследствие этого Европейский Союз (ЕС) установил, что содержание нитратов в источниках водоснабжения не должно превышать 11,3 мг Ν/л.

В природных условиях, когда земля покрыта растительностью, и на постоянно эксплуатируемых пастбищах вынос нитратов не составляет проблемы, поскольку обитающие там растения реутилизируют нитраты, образовавшиеся при распаде отмерших тканей. Совершенно иная ситуация складывается на пахотных землях: значительные количества азота (Ν) удаляются с поля при уборке урожая, и эту убыль необходимо ежегодно возмещать. В умеренной зоне поле после уборки урожая нередко остается незасаженным на протяжении нескольких месяцев. В течение этого времени почвенные микроорганизмы, активность которых возросла в результате окультуривания почвы, продуцируют нитраты. Поскольку нет растений, которые могли бы использовать нитраты, создаются условия, благоприятствующие их выносу. Для предотвращения этого явления в настоящее время нередко прибегают к осеннему засеву поля какой-либо почвозащитной культурой, например, горчицей, которая утилизирует нитраты, а весной перед посевом на этом поле той или иной сельскохозяйственной культуры горчицу можно запахать в почву, и она послужит еще и в качестве удобрения. Однако даже и в этом случае для удовлетворения потребностей выращиваемых растений в азоте весной придется внести в почву добавочное количество азотных удобрений. Почвенные микроорганизмы приведут эти соединения в нитраты, которые будут частично утилизированы растениями, частично включены в органические вещества почвы, частично преобразованы в молекулярный азот или оксид азота (которые выделяются в виде газов), однако часть нитратов вымоется из почвы, что, собственно, и создаст обсуждаемую проблему.

 

Нитриты, нитраты и нитрозосоединения [1]

 

Круговорот азота является необходимой составляющей жизни на Земле. Азот, содержащийся в атмосфере, принимает участие в биосферном круговороте только после его превращения в органические или неорганические соединения. Такое превращение происходит как физико-химическими, так и, главным образом, биологическими путями. Основными фиксаторами азота являются многие виды бактерий (например, Rhizobium) и водорослей (Trichodesmium, Anaebena, Nostoc и т.п.). Параллельно с азотофиксацией и нитрификацией идет и процесс денитрофикации, причем в случае если скорость перехода окисленных соединений азота в молекулярную форму меньше, чем выделение первых из системы, то именно окислы азота в этом случае выделяются в атмосферу.

Естественный круговорот азота в биосфере существенно меняется вследствие загрязнения среды окислами азота – продуктами деятельности промышленных предприятий и транспорта (при сжигании горючих ископаемых – нефти, сланцев, торфа, угля, и, кроме того, мазута и бензина), а также применения азотных удобрений образуется большое количество окислов азота, вовлекаемых в круговорот. В результате наблюдаются такие экологические нарушения, как накопление нитратов в пищевых продуктах, кормах для животных, вымывание удобрений из почвы, эвтрофикация водоемов, разрушение трофических цепей и т. д.

 

ЭВТРОФЫ[гр. еu хорошо + trophē пита­ние] – растения, развивающиеся нормально только на богатых питательными веществами почвах (например, некоторые виды борщевика); ср. мезотрофы, олиготрофы.

 

Нитраты представляют собой соли азотной кислоты (HNО₃), нитриты же являются солями азотистой кислоты (HNО₂). Нитриты легко окисляются в соответствующие нитраты. Концентрация первых в среде обычно очень низка (в воде, например 1–10 мг/л), в то время как концентрация нитратов высока (50–100 мг/л). Среди нитратов наиболее известны нитраты аммония, натрия, калия, кальция, обычно называемые селитрами. Все селитры широко и давно используются в качестве удобрений.

Нитраты и нитритыприменяются в пищевой и стекольной промышленности, для получения ракетного топлива, пиротехнических и взрывчатых веществ, порохов, используются в резиновом и текстильном производствах, гальванотехнике и медицине. Нитриты и нитраты являются широко применяемыми консервантами для продуктов питания. Значительная часть (около 40 %) нитритов поступает с мясными и рыбными продуктами, нитраты же человек получает главным образом с овощами. Содержание нитритов и нитратов в некоторых пищевых продуктах представлено в таблице 2.1. Наибольшей способностью к аккумуляции нитратов обладают представители тыквенных, крестоцветных, маревых растений, причем существует значительная разница между сортами одной и той же культуры. Продукты животного происхождения содержат относительно меньшие концентрации нитритов и нитратов. В связи с различным содержанием этих агентов в пищевых продуктах, в различных странах широко варьируют и нормы их суточного потребления.

Таблица 14 – Содержание нитритов и нитратов в растительных пищевых продуктах (мг/кг сырого продукта)

 

Продукт*	Нитраты	Нитриты
Редька черная	700 – 2520	1,12
Свекла красная	40–3200	0,80
Капуста белокочанная	10–1900	0,25
Капуста цветная	144–577	0,47
Картофель	5–22	0,32
Томаты	7–39	2,0
Редис (осенний)	121–1593	1,77
Редис (парниковый)	1805–2160	4,6
Сельдерей		1,19
Петрушка (корень)	90–1848	1,44
Клубника	49,7	0,22
Клюква	20,1
Яблоки	1,2–99,2
Сливы	6,4–66,5
Арбузы	10–300	–
Дыни	35–201	–
Хлеб ржаной	36,9	0,18
Пшеница (зерно)	10,0
Мука пшеничная	8,9
Молоко цельное	0,1–7,8
Творог	0,1–3,5
Брынза овечья	1,6–6,5	0,05–0,55

 

* – данные исследований по образцам пищевых продуктов в СССР. Источник: Рубенчик Б. Л. Образование канцерогенов из соединений азота. – Киев: Наук. думка, 1990.

 

Совместное воздействие нитритов и нитратов предотвращает рост микроорганизмов, вызывающих пищевые отравления (например, ботулизм). В норме нитраты и нитриты абсорбируются в желудочно-кишечном тракте, при этом нитраты быстро выделяются из организма; нитриты же, реагируя с гемоглобином крови превращают последний в метгемоглобин, который в отличие от гемоглобина не способен служить переносчиком кислорода, что определяет многие биологические эффекты нитритов/нитратов. Нитраты менее токсичны по сравнению с нитритами (они не окисляют гемоглобин и не образуют метгемоглобина и, следовательно, не приводят к метгемоглобинемии). В организменитратымогут образовываться из аммония, под влиянием бактерий нитраты превращаются в нитриты.

Токсические воздействия нитратов/нитритов достаточно полно изучены на различных видах животных, включая гидробионтов, и на человеке. Смертельная доза нитратов для людей составляет 8–15 г, а нитритов существенно ниже – 0,18 г для детей и стариков, и 2,5 г – для взрослых.

Особо следует сказать о нитрозаминах – веществах весьма простой химической структуры, знакомых каждому химику. Низшие нитрозамины – диэтил- и диметилнитрозамины (НДЭАи НДМА) впервые были синтезированы во второй половине XIX в. Нитрозосоединения широко применяются в промышленности в качестве компонента ракетного топлива, антиоксидантов, являются промежуточными продуктами синтеза красителей, лекарственных препаратов и т. д. Нитрозосоединения входят также в состав противокоррозийных препаратов, применяются как пестициды и противоопухолевые агенты.

Исключительно важной особенностью нитрозаминов является возможность их образования из химических предшественников в объектах окружающей среды, в продуктах питания и даже в организме. Подобными предшественниками образования нитрозаминов служат первичные алифатические моно- и полиамины, вторичные и третичные амины, четвертичные аммониевые соли и другие азотсодержащие органические вещества, которые взаимодействуют с оксидами азота, нитрозилгалогенидами, азотной кислотой, нитратами и нитритами. Нитрозосоединения обнаружены в воздухе рабочей зоны тех предприятий, где они применяются, в водоемах, загрязненных стоками подобных производств, а также в воздушной среде заводов минеральных удобрений (до 40 мкг/м³), дубильных цехах кожевенных фабрик (40–50 мкг/м³), литейных производств, предприятий резиновой промышленности, животноводческих комплексов и рыбокомбинатов (до 10 и более мкг/м³). Нитрозамины также обнаруживаются в органических растворителях, синтетических поверхностно-активных веществах (СПАВ), готовых резиновых изделиях; их находят в разнообразных пищевых продуктах (таблица 2.2). Например (данные по СССР), в яблоках НДМА обнаруживается в количестве 0,8 мкг/кг, в свекле — 1,5 мкг/кг; содержание НДМА в вареных колбасах – 1,9—13 мкг/кг, копченых колбасах – 2,9–5,4 мкг/кг, мясных консервах – 0,6–2,7 мкг/кг, рыбных консервах – 2,0–17 мкг/кг.

Нитрозамины также найдены в табачном дыму (таблица 2.3) и некоторых алкогольных напитках. Например, из 56 образцов японского пива в 24 обнаружен НДМА в концентрациях от 1 до 4,2 мкг/кг, а в США во всех испытанных 18 сортов – от 0,4 до 7,0 мкг/кг. В производимых в США виноградных винах, коньяке, джине, водках и роме НДМА не был обнаружен.

 

Таблица 2.2 – Среднее содержание N-нитрозодиметиламина (НДМА) в дневном рационе жителей Японии

 

 

Пищевой продукт	Дневное количество, г	Средняя концентрация, мкг/кг	Потребление, мкг/чел. /день
Соленые и копченые мясные продукты		0,5	0,006
Жареная и вяленая рыба			1,62
Рыбные консервы и продукты			0,025
Молочные продукты, яйца, куры		0,7	0,53
Соусы и приправы		0,2	0,001
Жиры и масла		0,9	0,016
Пиво		1,6	0,05
Маринованные овощи, соевые бобы		0,3	0,008
Саке
Рис
всего:			1,78

 

 

Установлено, что в желудочном соке животных и человека из нитратов и вторичных аминов или амидов могут образовываться N-нитрозосоединения. Максимальный уровень синтеза НДМА наблюдается при рН=3,4 при температуре 37 °С.

 

Таблица 2.3 – Концентрация N-нитрозаминов в сигаретном дыме (нг/сигарету)

 

Нитрозамины	Коммерческие сигареты
без фильтра	с фильтром
N-Нитрозодиметиламин	2–20	0,1–17
N-Нитрозометилэтиламин	0–2,7	0–2,5
N-Нитрозодиэтиламин	0,6–6,0	0–7,6
N-Нитрозоди-n-пропиламин	0–1,0
N-Нитрозоди-n-бутиламин	0–3,0
N-Нитрозопирролидин	0–110	1,5–30
N-Нитрозопиперидин	0–9
N-Нитрозодиэтаноламин
N-Нитрозонорникотин	120–950
4(Метилнитрозамино)-1-3-пиридил-1-бутанол	80–770
Продолжение таблицы 2.3
N-Нитрозоанатабин	140–990
N-Нитрозоанабазин	нет данных

 

* – последние четыре в списке являются табакоспецифичными N-нитрозосоединениями

 

Катализаторами эндогенного образования нитрозаминовслужат тиоцианаты, формальдегид, нитрозофенолы, галловая кислота, а ингибиторами – антиоксиданты, аскорбиновая кислота, витамины А и Е и др. Синтез нитрозаминов в организме человека можно считать твердо установленным. Например, исследования на добровольцах показали, что через два часа после завтрака, состоящего из жареного бекона, хлеба, шпината и томатов в крови обнаруживались НДМА и НДЭА в концентрациях 4,4 и 2,6 мкг/мл, соответственно. Вполне вероятно, что для человека именно эндогенный синтез нитрозосоединений является основным их источником.

О токсичности нитрозаминов для человека известно еще с 1937 года. Эти агенты обладают широким спектром биологических эффектов, однако главным и, очевидно, наиболее опасным их свойством, является способность вызывать опухоли. История открытия канцерогенности нитрозосоединений началась, когда на норковых фермах Норвегии и Англии наблюдался массовый падеж животных. Причиной оказалась добавляемая в корм селедочная мука, при приготовлении которой образуются нитрозамины, идентифицированные позже физико-химическими методами. Установлено, что из 332 разных нитрозосоединений, изученных к концу прошедшего десятилетия, 290 (87 %) оказались способными вызывать опухоли в эксперименте на животных. Обзор литературы показал, что у всех 40 видов животных (принадлежащих к 37 родам, 26 семействам, 18 отрядам и 6 классам), на которых испытывалось канцерогенное действие нитрозаминов, возникали злокачественные новообразования. Эксперты МАИР неоднократно рассматривали вопрос о канцерогенности нитрозаминов для человека. Поскольку убедительных доказательств, говорящих об онкогенной опасности этих соединений в эпидемиологических наблюдениях получено до сего времени не было, то два агента из этого класса – НДМА и НДЭА отнесены к группе 2А, т.е. к факторам, обладающим весьма высокой вероятностью вызвать опухоли у людей. Однако, принимая во внимание, что ни один из испытанных видов животных (от моллюсков до человекообразных обезьян) не оказался резистентным (лат. resistere – сопротивляться) к канцерогенному действию нитрозосоединений, трудно представить себе, что человек представляет собой исключение в животном мире. Кроме того, следует учесть и аналогию метаболизма НДМА в опытах in vitro с использованием тканей и клеток человека и животных, а также сведения о механизмах действия нитрозаминов. Выявлено, что для проявления токсических, мутагенных и опухолеродных свойств, нитрозосоединения нуждаются в их активации в организме. Подобная активация происходит с помощью микросомных ферментов, которая наблюдается в печени и в других органах, где возникают позже опухоли. Метаболиты нитрозаминов превращаются в чрезвычайно реактивные электрофильные соединения (в частности, карбониевые ионы), которые реагируют с клеточными макромолекулами (прежде всего, с ДНК) и их алкилируют, что и приводит к образованию опухолей.

В целом, даже относя нитрозосоединения к группе 2А, эксперты МАИР неоднократно подчеркивали, что наиболее распространенные НДМА и НДЭА целесообразно рассматривать как практически канцерогенные для человека, т.е. как факторы группы 1.

Нитрозосоединения оказывают также и трансплацентарное действие и при попадании в организм беременных самок вызывает токсический эффект на эмбрионов, что приводит к развитию уродств и/или опухолей у потомства. Более того, фундаментальными исследованиями Н.П.Напалкова и В.А.Александрова было показано, что трансплацентарное (лат. transplantare – пересаживать) воздействие нитрозаминов на плод может резко повысить чувствительность потомства к последующим контактам с бластомогенными (гр. blastos – росток) веществами. Этими же авторами установлено, что эмбрион наиболее чувствителен к летальному воздействию нитрозосоединений в первые дни беременности, к канцерогенному – на стадии гистогенеза, и тератогенному (гр. teratos чудовище, урод) – на стадии органогенеза.

 

ГИСТО..., ГИСТИО... [ < гр. histos ткань] – первая составная часть сложных слов, обоз­начающая: относящийся к тканям животного организма, например, гистология.

ГИСТОГЕНЕЗ [см. гисто... + гр. genesis происхождение] – развитие тканей в животном организме – про­цессы, обеспечивающие возникновение, суще­ствование и восстановление тканей с их специ­фическими для каждого органа особенностями.

ГИСТОГЕННЫЙ [см. гисто... + ...ген­ный] – в животных и растительных организ­мах – тканевой, происходящий из ткани.

ГИСТОЛИЗ [гисто... + rp. lysis разложе­ние, растворение] – разрушение тканей орга­низма растворением их различными фермента­ми тканевого или бактериального происхожде­ния.

ГИСТОЛОГИЯ [см. гисто... + ...логия] – наука о тканях многоклеточных животных и человека, изучающая развитие, строение и функциональные свойства тканей в норме; под­разделяется на гистохимию и гистофизиологию; ткани растений изучает анатомия расте­ний.

 

При экстраполяции этих наблюдений на человека, исследователи пришли к заключению, что наибольший риск эмбриотоксического действия падает на 1-ю и 3–6-ю недели беременности, тератогенного – на 2–8-ю, а канцерогенный – на период позже шести недель беременности; это нашло подтверждение при анализе имевших место воздействия тератогенного талидомида и канцерогенного диэтилстильбестрола. И еще один важный аспект: действие N-нитрозосоединений представляет канцерогенную опасность не только для потомства первого поколения, но и последующих.

Нитрозосоединения вызывают разнообразные мутагенные эффекты. Они способны вызывать у различных биологических объектов генные мутации и хромосомные изменения in vitro и in vivo – у бактерий, грибов и дрожжей, а также на клетках животных и человека, эмбриональных тканей и т.д. Кроме перечисленных выше мутагенных, тератогенных и канцерогенных эффектов, они обладают также и выраженными токсическими свойствами. Нитрозамины, вызывая повреждение эндоплазматического ретикулума (лат. reticulum сеточка) клеток, выражение ингибируют синтез белка в печени, что и определяет их гепатотоксичность (гр. hērpatos печень). Установлено и иммунодепрессивное влияние N-нитрозосоединений на специфические и неспецифические иммунные системы организма.

Необходимо упомянуть и еще об одном важном экологическом аспекте обсуждаемого вопроса – возможности нитрозирования. Следует указать на реальность нитрозирования пестицидов. Согласно данным Национальной Академии наук США, список наиболее легко нитрозируемых (а это происходит в почве и/или организме при взаимодействии с нитритами и обычно в кислой среде) включает такие известные пестициды как: диалкилтиокарбаматы, тиокарбомаилдисульфиды, соли феноксиуксусной кислоты, производные морфолина, замещенные динитроанилины и другие. При этом образуются различные нитрозопроизводные, в том числе и такие как НДМА и НДЭА. Например, тирам, цирам и диаминозид образуют 5,7; 2,0; 1,4 % НДМА, соответственно, что во многом обусловлено количеством вступающих в реакцию нитритов. Нитрозированию под влиянием нитритов и окислов азота могут подвергаться также и лекарства, содержащие амины, амиды, гидразины, карбаматы. Например, аминофеназон, окситетрациклин, метапирилен и аспирин образуют НДМА, лукантон и квинакрин – НДЭА, а дисульфирам, пиперазин и никетамид – нитрозопиперазин и НДЭА. Ранее мы указывали и на наличие в табачном дыме нитрозосоединений, которые могут быть в табаке не только в результате загрязнений плантаций табака нитрозируемыми пестицидами или нитритами-нитратами в результате использования минеральных удобрений, но и при эндогенном нитрозировании в процессе курения.

Как справедливо пишет Б. Л. Рубенчик: «Образование в природе канцерогенных нитрозосоединений можно рассматривать как своеобразный экологический феномен, при котором антропогенные воздействия на биосферу приводят к экзо- и эндогенному синтезу канцерогенов и возникновению связанных с ними онкологических заболеваний. ... источники образования нитрозосоединений в различных природных средах в основном оказываются одними и теми же. Причем, если возможность перераспределения нитрозаминов между ними минимальна, то перенос предшественников практически не ограничен. Поэтому концентрация нитрозосоединений в отличие от других канцерогенов... зависит не столько от их проникновения в различные объекты окружающей среды и распада, сколько от синтеза из предшественников. Эта экологическая особенность нитрозосоединений делает их особенно опасными для животного организма, где относительно легко осуществляется их синтез».