Способ оценки загрязнения диоксинами окружающей среды выбросами свалок и заводов по утилизации отходов
Владельцы патента RU 2743498:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук (ИПЭЭ РАН) (RU)
Изобретение относится к области прикладной экологии, а именно к проблемам изучения и оценки загрязнения окружающей среды, в частности оно может быть использовано для оценки методами биомониторинга загрязнения окружающей среды диоксинами в результате выбросов со свалок и заводов по утилизации отходов. Способ оценки загрязнения окружающей среды диоксинами, производимыми свалками и заводами по утилизации отходов, путем биомониторинга включает использование в качестве объекта биомониторинга рыжую полевку летнего и зимнего сезонов, при этом осуществляют в заданный период времени пробоотбор целых тушек животных для трех проб, причем каждая проба содержит не менее 3 тушек особей рыжей полевки, и определяют в них методом хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения наличие высокотоксичных для человека конгенеров диоксинов, при этом загрязненность региона определяют по разнице - превышению концентраций в пробах тушек рыжей полевки летнего сезона, отобранных в период года - августе, относительно условно-фоновых значений диоксинов в пробах тушек рыжей полевки зимнего сезона, отобранных в период года после схода снежного покрова. Техническим результатом заявленного изобретения является расширение арсенала технических средств и способов, предназначенных для оценки с высокой степенью достоверности загрязнения окружающей среды диоксинами, производимыми выбросами свалок и заводов по утилизации отходов. 3 табл.
Изобретение относится к области прикладной экологии, а именно к проблемам оценки загрязнения окружающей среды, в частности оно может быть использовано для оценки методами биомониторинга загрязнения окружающей среды диоксинами в результате выбросов со свалок и заводов по утилизации отходов.
Термин «диоксины» относится к родственным полихлорированным соединениям 75 дибензо-п-диоксинов (ПХДД), 135 дибензофуранов (ПХДФ). Среди этих 210 соединений 17 (10 ПХДД и 17 ПХДФ - конгенеры), содержащих атомы хлора в положениях 2, 3, 7 и 8 базового каркаса молекулы, характеризуются комплексом необычайных физико-химических свойств, уникальной биологической активностью и очень высокой токсичностью для человека и животных - подлежащие контролю высокотоксичные диоксины. Различия между этими веществами по физико-химическим, биологическим и токсическим свойствам существуют, но они невелики, что позволило выделить их в группу так называемых суперэкотоксикантов, способствующих появлению длительное время существующих очагов и зон экологического неблагополучия (Кунцевич А.Д. Систематизация и оценка степени риска суперэкотоксикантов // Успехи химии. 1991. Т. 60. Вып. 3. С.530). Остальные 193 вещества из группы «диоксины», с учетом количеств, в которых они могут встречаться в компонентах биоты, серьезной угрозы не представляют.
В окружающей среде высокотоксичные диоксины присутствуют в виде сложных смесей. Для простого учета суммарной биологической активности таких смесей разработана концепция факторов токсической эквивалентности. Величины этих факторов (диоксиновых эквивалентов или коэффициентов токсичности - ДКТ) установлены для каждого из конгенеров относительно самого токсичного среди них прямого канцерогена 2,3,7,8-тетрахлордибензо-р-диоксина (2,3,7,8-ТХДД), принятого за 1,0. Сумма произведений концентраций конгенеров смести на принятые для них значения ДКТ отражает ожидаемый уровень их интегральной биологической активности (но не реальный токсичности) в показателях эквивалентной 2,3,7,8-ТХДЦ токсичности (TEQ). Для контроля и охраны окружающей среды ВОЗ в 2005 г. установлены ДКТ и связанные с ними показатели интегральной токсичности (WHO-TEQ05).
Основой алгоритма мероприятий, направленных на оценку содержания диоксинов в окружающей среде, стали современные достижения аналитической и общей экотоксикологии. Алгоритм включает в себя набор методов, обеспечивающих: сбор образцов компонентов среды и биоты, подготовку из них проб в достаточных для анализа количествах; работы по измерению массовой доли высокотоксичных диоксинов в пробах; расчет интегральной токсичности (WHO-TEQ05) по полученным концентрациям конгенеров; интерпретацию значений токсичности проб в показатели ожидаемого риска для здоровья населения.
Уровни массовых долей высокотоксичных диоксинов в пробах определяют методом хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения по стандартной методике (Методика выполнения измерения содержания полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов в пробах почв и донных отложений методом хромато-масс-спектрометрии, ПНД Φ 16.1.7-97). Полученные данные являются исходными для расчета значений WHO-TEQ05 с помощью общепринятых коэффициентов (эквивалентов) токсичности (ДКТ). В настоящее время эти методы занимают лидирующее положение среди методического арсенала аналитической экотоксикологии, отражающего ожидаемый уровень токсичности диоксинов, загрязняющих среду (Г.И. Агапкина, Е.С.Бродский, А.А. Шелепчиков и др. ПХДД и ПХДФ в почвах г. Москвы // Вестник МГУ, серия 17. Почвоведение, 2010, №3. С.16-20).
Задачу по интерпретации суммарных значений WHO-TEQ05 в показатели ожидаемого риска для здоровья населения решают методом сравнения их величин с санитарно-гигиеническими нормативами содержания диоксинов в различных средах (нормативы) и/или допустимыми концентрациями в пищевых продуктах (допустимые концентрации). Между тем, «признано недопустимым присутствие диоксинов в продуктах питания, воздухе и питьевой воде. Однако, достичь этого практически невозможно. При решении вопроса нормирования безопасного уровня диоксинов для человека следует отметить, что пороговые дозы и нормы - это большая условность» (Софронов Г.Α., Рембовский В.Р., Родилов А.С., Могиленкова Л.А. Современные взгляды на механизмы токсического действия диоксинов и их санитарно-гигиенического нормирование // Медицинский академический журнал, 2019. Т. 19, №1, С.17-28). Кроме того, среды (например, почвы) являются активным фактором, определяющим закономерности экотоксикокинетики антропогенных химических веществ (их перемещения, превращения и удаления) в окружающей среде, их взаимодействия с различными компонентами биоты и, в конечном счете, меру ущерба, наносимого живым организмам, их популяциям и экосистемам (Софронов Г.А., Румак B.C., Лазаренко Д.Ю. Экотоксикокинетика и экотоксикодинамика токсичных химических веществ в условиях тропиков // Медицинский академический журнал, 2010. Т. 4. С.183-190). Поэтому, практически невозможно учитывать современными способами нормирования влияние факторов экотоксикокинетики на проявление эффектов от влияния опосредованных локальными факторами малых доз диоксинов и присущих им токсических свойств.
Уже твердо доказано, что негативное влияние на организм малых доз высокотоксичных диоксинов, загрязняющих среду, впрочем, как и любых других химических загрязняющих веществ, будет наблюдаться только тогда, когда эти вещества загрязнят его ткани (Филатов В.А. Взаимодействие организма и ксенобиотика: хемобиокинетика / В кн.: Общая токсикология под ред. Б.А. Курляндского и В.А. Филова / М.: Медицина, 2002. С.12-89).
Наиболее объективную оценку последствий загрязнения тканей человека предоставляют данные эпидемиологического обследования, которые являются материало- и финансово-емкими, имеют множество морально-этических ограничений. Между тем, использование такой практики в аспекте предупреждения риска для населения ограничено высоким уровнем вероятности проявлений индивидуальных токсических эффектов (определяемых наследуемыми особенностями и их модификациями на протяжении жизни) и связанных с ними различных форм излечимой и неизлечимой патологии (Софронов Г.А., Румак B.C., Умнова Н.В., Белов Д.А., Турбабина К.А. Возможные риски малых доз диоксинов для здоровья населения: к методологии выявления токсических эффектов // Медицинский академический журнал, 2016. Т. 16, №3, С.7-19).
Это определило актуальность поиска модельных объектов, использование которых позволит формировать научно обоснованные представления о закономерностях взаимодействия организма и высокотоксичных диоксинов, загрязняющих среду. Такие результаты получают методами биомониторинга накопления этих веществ в тканях животных из природных популяций и/или сельскохозяйственных животных в условиях их свободного выпаса - биомониторинга экспозиции (Weber R., Herold С., Hollert Η., Kamphues J., Blepp M., Ballschmiter K. 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). Исследования содержания ПХДД/Ф в тканях нескольких видов животных (японская лесная мышь Apodemus speciosus, уссурийская могера Mogera imaizumii, енотовидная собака Nyctereutes procyonoides) в Японии позволили выявить и оценить влияние видовых особенностей на биоаккумуляцию конгенеров высокотоксичных диоксинов [Kunisue Т., Watanabe М.Х., Iwata Η., Tsubota Т., Yamada F., Yasuda M., Tanabe S. PCDDs, PCDFs, and coplanar PCBs in wild terrestrial mammals from Japan: congener specific accumulation and hepatic sequestration // Environmental Pollution 2006. 140(3):525-535]. Кроме того, эффект высоких уровней загрязнения диоксинами молодых особей против взрослых рыжих лис (Vulpes vulpes), обитающих на территориях селитебных зон г. Цюрих, рассмотрен в аспекте нового метода контроля биодоступности этих веществ [Dip R., Hegglin D., Deplazes P., Dafflon O., Koch H., Naegeli H. Age- and Sex-Dependent Distribution of Persistent Organochlorine Pollutants in Urban Foxes // Environmental Health Perspectives. 2003. 111(13): 160812]. Анализ значений коэффициентов биоаккумуляции ПХДД/Ф дождевыми червями показал, что значения в условиях меньшего загрязнения почв могут быть достоверно выше наблюдаемых при большем их загрязнении [Henriksson S., Bjurlid F., Rotander Α., Engwall Μ., Lindstrom G., Westberg H., Hagberg J. Uptake and bioaccumulation of PCDD/Fs in earthworms after in situ and in vitro exposure to soil from a contaminated sawmill site // Science of the Total Environment 2017. 580:564-571). Недостатком указанных способов является низкая репрезентативность результатов, связанная с получением только показателей биоаккумуляции конгенеров высокотоксичных диоксинов в тканях исследуемых локальных выборок животных.
Дополнительным фактором, который мог влиять на взаимоотношения организма с диоксинами, загрязняющими среду, является способность этих веществ передаваться из организма матери потомкам через плаценту и вместе с грудным молоком. Известно, что чувствительность тканей эмбриона и новорожденных к химическим веществам в критические периоды онтогенеза существенно возрастает. Анализ и систематизация этих и других данных предоставила твердые методические основания для заключения, что наиболее полные и достоверные результаты относительно закономерностей взаимоотношений организма с высокотоксичными диоксинами, загрязняющими среду, можно получать в опытах на млекопитающих.
Ключевым звеном цепочки переноса высокотоксичных диоксинов, загрязняющих природную среду, в организм млекопитающих являются загрязненные этими веществами компоненты биоты, входящие в основу их пищевого рациона. Известно, что 95% этих веществ поступает в организм пищевым путем. В качестве наилучшего показателя для изучения и оценки вклада пищевых продуктов в характеристики переноса диоксинов из окружающей среды в организм рассматривается градиент концентраций в тканях анализируемых видов млекопитающих при возрастании уровня загрязнения биоты и, как следствие, количества поступающих в организм ядов (уровень экспозиции). Для определения значений этого показателя внутри локальной популяции, находящейся в зоне действия источников высокотоксичных диоксинов (их выбросов и/или сбросов), важно выделять группы с максимально жесткими и возможно низкими уровнями экспозиции. Наличие локального градиента концентраций конгенеров диоксинов будет свидетельствовать о появлении в окружающей среде условий, способствующих передаче накопленных абиотическими компонентами и биотой высокотоксичных диоксинов в организм млекопитающих, и, как следствие, о необходимости принятия неотложных мер для обеспечения экологической безопасности, в том числе для проживающего рядом населения.
По-видимому, это направление анализа, несмотря на ряд ограничений, может обеспечить резкое снижение денежных и временных затрат на анализ проб различных типов и заложить основу для мониторинга экотоксикологической ситуации в реальном масштабе времени, а также, что очень важно, способствовать формированию научно обоснованных рекомендаций для управленческих решений в области обеспечения экологической безопасности.
Технический результат заявленного изобретения заключается в расширении арсенала технических средств, предназначенных для оценки с высокой степенью достоверности загрязнения окружающей среды диоксинами, производимыми свалками и заводами по утилизации отходов.
Технический результат достигается тем, что оценку загрязнения окружающей среды диоксинами, производимыми свалками и заводами по утилизации отходов, проводят путем биомониторинга, при этом в качестве объекта биомониторинга используют широко распространенный вид - рыжую полевку (Clethrionomys glareolus) - с отловом животных из функциональных группировок летнего и зимнего сезонов, осуществляют в заданный период времени пробоотбор целых тушек животных для трех проб, причем каждая проба содержит не менее 3 тушек особей рыжей полевки, и определяют в них методом хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения наличие высокотоксичных для человека конгенеров диоксинов; при этом загрязненность региона определяют по градиенту концентраций в пробах рыжих полевок разного сезона отлова - по разнице концентраций диоксинов в пробах полевок летнего сезона, отобранных в августе, относительно условно-фоновых значений в пробах полевок зимнего сезона, отобранных после схода снежного покрова.
Способ осуществляется следующим образом.
В качестве объекта биомониторинга используют половозрелых животных обоего пола из двух функциональных группировок локальной популяции рыжей полевки, отловленных на одних и тех же загрязненных диоксинами территориях - группировки зимнего сезона (ФГЗС), пойманных в период года после схода снежного покрова, и группировки летнего сезона (ФГЛС), пойманных в августе. Для получения статистически значимого результата на достаточном количестве биоматериала рыжей полевки отбирают целые тушки животных для трех проб, причем каждая проба содержит не менее 3 тушек особей. Принадлежность животных к определенной функциональной группировке определяют по весовым и возрастным характеристикам особей и дате отлова.
Концентрацию токсичных для человека конгенеров диоксинов (7 полихлорированных дибензо-пара-диоксинов (ПХДД) и 10 полихлорированных дибензофуранов (ПХДФ) измеряют методом изомерно-специфического анализа на хромато-масс-спектрометрической системе высокого разрешения (например, WatersAutoSpecPremier) в пробах, подготовленных из целых тушек отловленных животных. Значения показателя общей (интегральной) токсичности высокотоксичных диоксинов в смеси (WHO-TEQ05) определяют расчетным методом. Концентрацию измеряют в пикограммах относительно сухого веса тканей животных (пг/г) и грамма жировой составляющей тканей, т.е. липидов (пг/г липидов). При этом загрязненность региона определяют по разнице концентраций в пробах тушек рыжей полевки ФГЛС, пойманных в летний период года - в августе, относительно условно-фоновых значений диоксинов в пробах тушек рыжей полевки ФГЗС, пойманных в период года сразу после схода снежного покрова.
Главные императивы, которые стали основой мероприятий, направленных на мониторинг содержания высокотоксичных диоксинов в тканях выбранных видов мелких млекопитающих (рыжей полевки), обитающих при максимально жестких и возможно низких (условно фоновых) условиях экспозиции:
1. Вредное действие смесей диоксинов, загрязняющих среду, определяет токсичность поглощенных организмом конгенеров диоксинов и их доза. Поэтому мероприятия для распознавания и оценки вклада механизмов переноса диоксинов из почвы в организм консументов более высокого порядка (в нашем случае, млекопитающих) отражает появление в локальной среде условий, которые будут способствовать поступлению этих веществ в организм человека в различных жизненных ситуациях, например, при потреблении загрязненных диоксинами молочных, мясных и других продуктов;
2. Высокотоксичные диоксины могут проявлять присущие им свойства (токсичность, прежде всего) при любых концентрациях, включая очень низкие (воздействие в малых дозах). Поэтому, при решении вопроса нормирования безопасного уровня этих веществ для человека, общепринятые пороговые дозы и нормативы являются большой условностью;
3. 95% высокотоксичных конгенеров диоксинов поступают из окружающей среды в организм млекопитающих вместе с продуктами питания и накапливаются в его тканях с эффектом сверхкумуляции. Поэтому показатели содержания конгенеров в тканях (концентрации) являются надежной мерой их поступления вместе с продуктами питания (мерой экспозиции);
4. В качестве модельного вида млекопитающих выбрана рыжая полевка, т.к. в природных популяциях этого вида выделены две функциональные группировки - летнего и зимнего сезонов (ФГЛС и ФГЗС, соответственно). ФГЛС в основном состоит из особей, которые родились в начале весны и на протяжении всей жизни потребляли загрязненную диоксинами пищу, что в полной мере отражает максимально жесткие условия экспозиции. ФГЗС представлена особями, которые родились преимущественно осенью и пережили зиму, а сильно загрязненную диоксинами пищу потребляли ограниченно, что отражает более низкий уровень экспозиции таких животных.
Примеры осуществления способа.
Объект исследований: выборки половозрелых животных обоего пола из функциональных группировок локальной популяции рыжей полевки (осенне-зимнего и летнего сезонов, ФГЗС и ФГЛС, соответственно), которые отловлены на одних и тех же загрязненных диоксинами территориях в окрестностях свалки «Саларьево» (г. Москва). Рыжих полевок ФГЗС отловили в период с 23 по 27 апреля 2018 года - сразу после схода снежного покрова. Рыжих полевок ФГЛС отловили 24 августа 2018 года. Принадлежность животных к определенной функциональной группировке определяли по весовым и возрастным характеристикам особей, морфологическим признаком зубного ряда и дате отлова. Продолжительность экспозиции (уровень экспозиции) животных из ФГЗС диоксинами, загрязняющими среду, была равна возрасту на день отлова, который составлял 9,5±0,5 месяцев. Очевидно, что все эти животные пережили зиму, так как родились в сентябре-октябре предыдущего (2017) года. Средний возраст животных, отловленных 24 августа 2018 года, представляющих ФГЛС и соответствующий уровень экспозиции, был равен 3,8±0,8 месяцев.
Концентрации высокотоксичных диоксинов (7 полихлорированных дибензо-пара-диоксинов и 10 полихлорированных дибензофуранов - ПХДД и ПХДФ) измеряли методом изомерно-специфического анализа на хромато-масс-спектрометрической системе высокого разрешения WatersAutoSpecPremier в трех пробах, которые готовили из целых тушек отловленных животных. Каждая проба содержала тушки не менее 3 особей, так как для анализа необходимо иметь представительные количества биомассы (см. таблица 1).
Значения показателя WHO-TEQ05, отражающего интегральную биологическую токсичность конгенеров, определяли расчетным методом. Концентрации измеряли в пикограммах (10-12 грамма) относительно сухого веса тканей животных (пг/г) и грамма липидов (пг/г липид.) (см. таблица 2).
Главные компоненты, рассчитанные на основе параметров концентраций ПХДД/Ф и WHO-TEQ05 в пробах из выборок ФГЗС и ФГЛС, показали принадлежность этих функциональных группировок к разным совокупностям.
Различия между выборками ФГЛС и ФГЗС оценили относительными величинами. Мерой различий стало частное от деления концентраций (пг/г и пг/г липидов) ПХДД/Ф и WHO-TEQ05 ФГЛС (делимое) на аналогичные показатели для ФГЗС (делитель). Различия между концентрациями конгенеров со значением коэффициента токсичности больше 0,1 и WHO-TEQ05 в организме животных из ФГЛС и ФГЗС были многократными. Достоверность этих различий показал критерий Манна-Уитни (см. таблица 3).
Таким образом, заявленное изобретение расширяет арсенал технических средств, предназначенных для оценки загрязнения диоксинами окружающей среды выбросами свалок и заводов по утилизации отходов, и обеспечивает высокую достоверность данной оценки.
Начальная оценка опасности содержания диоксинов в тканях рыжей полевки из ФГЛС - с учетом отражающих риски для здоровья человека данных (при сопоставимых уровнях загрязнения тканей) - показала реальную вероятность появления у населения дополнительных случаев различных форм излечимой и практически неизлечимой (например, рака) патологии, нарушений детородной функции, прироста уровня встречаемости нарушений развития.
Для минимизации последствий вредного действия этих веществ на население требуется принятие управленческих решений в области обеспечения экологической безопасности. Предлагаемый способ распознавания повышения уровня содержания диоксинов на локальной территории позволит констатировать изменение экотоксикологической ситуации с увеличением риска для здоровья ее обитателей, предпринять срочные меры для предупреждения опасности для населения.
Способ оценки загрязнения окружающей среды диоксинами, производимыми свалками и заводами по утилизации отходов, путем биомониторинга, отличающийся тем, что в качестве объекта биомониторинга используют рыжую полевку летнего и зимнего сезонов, осуществляют в заданный период времени пробоотбор целых тушек животных для трех проб, причем каждая проба содержит не менее 3 тушек особей рыжей полевки, и определяют в них методом хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения наличие высокотоксичных для человека конгенеров диоксинов, при этом загрязненность региона определяют по разнице - превышению концентраций в пробах тушек рыжей полевки летнего сезона, отобранных в период года - августе, относительно условно-фоновых значений диоксинов в пробах тушек рыжей полевки зимнего сезона, отобранных в период года после схода снежного покрова.
