Тетрахлордибензо-п-диоксин (ТХДД)
Среди наиболее типичных представителей стойких органических загрязнителей (СОЗ) необходимо выделить 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин, который чаще называют ТХДД (TCDD), или просто — диоксин (dioxin), и все понимают, о чём речь.
Рисунок 1. Структурная формула ТХДД.
ТХДД, благодаря деятельности человека широко распространён в окружающей среде и представляет собой самый токсичный из всех известных СОЗ. В своё время его по аналогии с Т-2 микотоксином военные пробовали использовать в качестве боевого отравляющего вещества. Пытались также использовать диоксин и в качестве лекарственного средства для лечения онкологических заболеваний.
ТХДД позволяет продемонстрировать как замещение атомов водорода в молекуле органического соединения может драматическим образом влиять на его свойства, превращая обычный химикат, который не представляет особой опасности в высоко токсичный СОЗ. Это относится практически ко всем СОЗ, в том числе и ПХБ. Так, в качестве структурного прародителя ТХДД можно рассматривать дибензо-пара-диоксин, структурная формула которого представлена ниже:
Рисунок 2. Структурная формула дибензо-пара-диоксина.
Это умеренно гидрофобное вещество (Log Pow = 4,30) с низкой токсичностью (LD50 = 1220 мг/кг, крысы per os) и растворимостью в воде на уровне 900 мг/л. Замена 4 атомов водорода в этой молекуле на атомы хлора закономерно приводит к значительному увеличению липофильности (Log Pow = 6,75), резкому снижению растворимости в воде — до 20 нг/л и увеличению токсичности в 25000 раз (LD50 = 50 мкг/кг, крысы per os).
В природе существует 75 различных хлорпроизводных дибензо-п-диоксина, которые по аналогии с ПХБ, называют конгенерами. Самими токсичными из них являются 2,3,7,8-ТХДД и 1,2,3,7,8-пентахлордибензо-п-диоксин (ПеХДД). Ещё три гексахлор производных в 10 раз, гептахлор производное в 100 раз, а октахлор — в 1000 раз менее токсичны, чем ТХДД. Остальные 69 хлорпроизводных дибензо-пара-диоксина имеют значительно меньшую острую токсичность. Но это не означает отсутствия у них какой-либо отрицательной биологической активности по отношению к позвоночным или теплокровным.
Ниже, по аналогии с ПХБ, показано, как влияет замещение атомов водорода на атомы хлора в молекуле дибензо-п-диоксина на липофильность молекулы.
Рисунок 3. Влияние атомов хлора на липофильность конгенеров ТХДД.
Можно видеть, насколько возрастает липофильность молекулы. Одновременно падает растворимость в воде. Всё это приводит к снижению скорости биотрансформации молекул хлордиоксинов в организме позвоночных и возрастанию коэффициента биоаккумуляции токсикантов с послеующим их переносом в проукты животноводства — мясо, икру рыб, яйца, молоко и молочные продукты.
Для ТХДД характерен широкой диапазон межвидовой чувствительности.
Таблица 1. Острая токсичность ТХДД.
| Токсичность ТХДД при однократном введении ЛД50, мг / кг * | |
| Морская свинка | 0,0006 |
| Хомяк | 0,0450 |
| Крыса | 0,0500 |
| Мышь | 0,1120 |
| Кошка | 0,1150 |
| Собака | 0,3000 |
| Обезьяна | 0,7000 |
| Куры | 0,5000 |
| Куриный эмбрион | 0,0005 |
| Человек | >0,7 |
| Echerichia coli | 2 – 4 ppm ** |
| Salmonella tiphimurium | 2 – 3 ppm ** |
| * ЛД50 – обозначение, принятое в токсикологии для дозы, вызывающей 50% летальных исходов. ** Летальная концентрация. | |
Можно видеть, что морская свинка в 180 раз более чувствительна к действию диоксина, чем мышь, такой же грызун. Следует отметить особенно высокую токсичность диоксина для эмбрионов цыплят по сравнению со взрослыми курами. Разница — в 1000 раз. Принимая во внимание, что концентрация диоксина, из-за биоаккумуляции, как и других СОЗ, в тканях позвоночных постоянно увеличивается с возрастом, то неудивительно, что выводимость инкубационных яиц и качество молодняка снижается с возрастом родительского стада. Этот факт имеет прямое отношение и к другим видам сельскохозяйственных и других домашних животных.
О диоксине заговорили после ряда промышленных аварий, непродуманного использования промышленных отходов и применения американской армией во время Вьетнамской войны дефолианта «Agent Orange”, изготовленного по упрощённой технологии, в котором диоксин содержался в качестве побочной технологической примеси.
В рамках боевых действий было израсходовано более 50 000 т этой рецептуры, в которой позже обнаружили наличие около 200 кг примеси в виде 2,3,7,8-ТХДД. Появились сообщения о массовых поражениях населения, а также участников войны – американских и австралийских. Был обнаружен негативный эффект микропримесей гербицида на детородные функции женщин, его мутагенное, тератогенное и эмбриотоксическое действие. Была, наконец, осознана опасность отдаленных последствий поражения, в особенности выраженных в подавлении иммунной системы.
Когда стали очевидны массовые клинические проявления отравлений диоксином, политики, военные и научная общественность занялись изучением свойств этого опасного вещества и поисками его источников.
Было установлено, что диоксин никогда не производился в промышленных масштабах. Достаточно быстро выяснилось, что диоксин образуется в качестве побочного продукта в многочисленных технологических процессах, в которых присутствует хлор или его производные, а также при горении любых органических соединений, содержащих хлор или в присутствии производных хлора. Также было установлено, что диоксин представляет собой чрезвычайно стойкое в химическом плане соединение, практически не подвергается метаболическим превращениям в системе метаболизма ксенобиотиков позвоночных (см. СОЗ), плохо растворяется в воде, но хорошо сорбируется на мелких твёрдых или жидких частицах липофильных веществ и в таком состоянии может переноситься на большие расстояния. С тех пор принято считать, что основным средством распространения диоксина, как и других СОЗ, является пыль.
О степени загрязнённости окружающей среды диоксинами в развитых странах можно судить по некоторым видам продукции животного происхождения из разных стран. Например, рыбная мука и рыбий жир, произведенные в Европе (Северное и Балтийское моря) содержат в 8-10 раз больше диоксинов, чем те же продукты, произведенные в Чили или Перу (Тихоокеанский бассейн).
Параллельно с изучением источников диоксина в окружающей среде изучали пути поступления диоксина и диоксиноподобных соединений в организм человека. Агенство по охране окружающей среды США (US Environment Protection Agency) в одном из своих докладов за 1993 год указало эти пути. Среди источников, которые суммарно обеспечивали более 95% поступления диоксинов в организм человека были выделены 10 наиболее значимых. Они представлены на следующем графике.
Рисунок 3. Основные источники поступления диоксинов в организм человека.
На рисунке представлены данные не только о полихлорированных дибензодиоксинах, но и об их ближайших «родственниках» — полихлорированных дибензофуранах, столь же широко распространённых в окружающей среде. Растительные продукты, из-за их весьма незначительного вклада, были исключены из рассмотрения. Очевидно, что более 90% всех диоксинов поступает с продукцией животноводческого сектора. Причём, более 65% — с говядиной, молоком и молочными продуктами. Аналогичным образом выглядит картина для большинства СОЗ и ПАУ.
Весьма сходные результаты были получены и опубликованы в 2001 году исследователями из University of Texas School of Public Health (А. Шектер с сотрудниками). Данные, полученные этой командой для «потребления» диоксина, практически совпадают с приведенными выше данными для ПХДД/ПХДФ от Агенства по охране окружающей среды США. По их данным также более 65% токсинов поступают в организм среднего американца с говядиной и молочными продуктами.
Рисунок 4. Основные источники поступления диоксинов в организм человека.
Похожую картину наблюдали также исследователи из Нидерландов при рассмотрении основных путей поступления диоксинов в организм детей в возрасте от 2 до 6 лет. Все виды мяса в данной работе были отнесены, к сожалению, к одной колонке. Здесь очевидно смещение в сторону молочных продуктов, что естественно для детской диеты. В итоге получили более 88% поступления токсинов от мяса и молочных продуктов.
Рисунок 5. Основные источники поступления диоксинов в организм (по данным P. E. Boon et al., 2014)
Причина, по которой говядина оказывается в 3 раза более загрязнённой, чем птица или свинина вполне объяснима. Дело в том, что в промышленном свиноводстве и птицеводстве животные содержатся в закрытых помещениях, оборудованных системами очистки воздуха, а в качестве источника пищи получают комбикорма на зерновой основе. Крупный рогатый скот (КРС) большую часть года проводят на открытых пастбищах, а в холодное время года откармливается сеном, сенажом и силосом. Комбикорм при таком режиме составляет незначительную часть рациона. Его количество увеличивают обычно только на последних стадиях откорма скота специализированных мясных пород.
Как упоминалось выше, в качестве основного источника загрязнения кормов на фоновом уровне рассматривается пыль, частицы которой содержат диоксин, другие СОЗ и ПАУ. Пыль способна переносится на большие расстояния и оседать на зелёных частях растений, которые поедаются скотом и заготавливаются в виде сена, сенажа или силоса. В разделе «Химия в кормах» на примере риса мы уже рассматривали распределение ПХДД/ПХДФ в злаковых растениях.
Для других зерновых также было показано, что зерно, которое служит основой любого комбикорма, обычно содержится значительно меньшее количество диоксина и других СОЗ по сравнению с травой, сеном или силосом на единицу сухой массы. С другой стороны, травяные рационы менее калорийны, чем комбикорма, поэтому коэффициент конверсии корма у КРС может достигать 6-9 кг/кг. Кроме того, КРС уступает по скороспелости свиньям, а тем более, птице, что существенно увеличивает сроки откорма мясного скота до 14-18 месяцев. Дойные коровы до отправки «на колбасу» проживают ещё дольше — 4 – 7 лет. Совокупность этих факторов приводит к более высокой степени загрязнения мяса КРС диоксином и другими СОЗ.
Как уже упоминалось, в эту схему хорошо укладываются данные о содержании диоксина в обычных куриных яйцах и т. н. яйцах «органик» от кур на свободном выпасе. В яйцах с обычной птицефабрики содержание диоксина было значительно ниже (в 5-10 раз), чем в «фермерских» яйцах категории «органик».
Можно предположить, что данные о преимущественном поступлении диоксина и других СОЗ в организм человека с продуктами животноводства внесли свой опредеённый вклад в заключение экспертов ВОЗ из Международного агенства по изучению рака (МАИР) об особой опасности красных мясных продуктов для человека.
Рекомендуемая литература
1. Shiu, W.Y., Doucette, W., Gobas, A.P.C., Andren, A. and Mackay, D. // Physical-Chemical Properties of Chlorinated Dibenzo-p-dioxins // Environ. Sci. Technol. (1988 ) 22: 651-658.
2. А. Вакулка // Снова о диоксинах // «Химия и жизнь – XXI век» (2011) № 11 ( http://gochs.info/download/Snova-o-dioksinah.pdf )
3. А. Галкин, П. Бениш // Диоксины в кормах – глобальная угроза и проблемы международной торговли // Материалы 6 Международной конференции “Комбикорма 2012”, Москва, 6-7 февраля, 2012
(http://soyanews.info/news/detail.php?SECTION_ID=4072&ELEMENT_ID=75703 )
4. Л.А. Фёдоров, Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспектива, Москва, “Наука” (1993) 226 с.
( http://www.seu.ru/cci/lib/books/dioksiny/index.htm )
5. Furst, P., Beck, H., and Theelen, R.M.C. // Assessment of human intake of PCDDs and PCDFs from different environmental sources // Toxic Substances Journal, (1992) 12, 133-150.
6. Health assesment document for polychlorinated dibenzo-p-dioxins: Final Report EPA-600/8-84/014F. Cincinatti: US EPA, Office of Health and Environmental Assesment (1985) 609 p.
7. Gierthy JF, Bennett JA, Bradley LM, Cutler DS // Correlation of in vitro and in vivo growth suppression of MCF-7 human breast cancer by 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin // Cancer Res. (1993) Jul 1;53(13):3149–3153.
8. Alexander I. Sotnichenko, Sergey E. Severin, Galina A. Posypanova et al. // Water-soluble 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin complex with human a-fetoprotein: properties, toxicity in vivo and antitumor activity in vitro // FEBS Letters (1999) 450, 49-51.
9. А.И. Сотниченко, С.Е. Северин, Н.Б. Фельдман и др. // Изучение противоопухолевой активности водорастворимого комплекса 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина с a–фетопротеином человека in vivo // Аллергия, астма и клин. иммунология (2001) №1, стр.8-11.
10.Revich B, Aksel E, Ushakova T, Ivanova I, Zhuchenko N, Klyuev N, Brodsky B, Sotskov Y // Dioxin exposure and public health in Chapaevsk, Russia // Chemosphere (2001) May-Jun;43(4-7):951–966.
11. T. Otani, M. Kuwahara, R. Uegaki, and N. Seike. 1. Major route of contamination of rice plants by dioxins. NIAES Annual Report 2003.
http://www.naro.affrc.go.jp/archive/niaes/annual/r2003/html/no04.html
12. Weber, R. et al. \\ Reviewing the relevance of dioxin and PCB sources for food from animal origin and the need for their inventory, control and management \\ Environ. Sci. Eur., 2018, 30, 42-84.
A. Schecter, P. Cramer, K. Boggess, J. Stanley, O. Päpke, J. Olson, A. Silver, M. Schmitz \\ Intake of dioxins and related compounds from food in the U.S. population \\ J Toxicol Environ Health A, . 2001, 63(1):1-18.
13. P. E. Boon et al. // Dietary exposure to dioxins in the Netherlands //RIVM Letter report 2014, 39р.
А.И.Сотниченко, В.В.Оханов
01.01.2020
Москва
