Математическое прогнозирование показателей токсичности и гигиенических нормативов пестицидов ряда фенилмочевины для оценки их экологической безопасности

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОКСИЧНОСТИ И ГИГИЕНИЧЕСКИХ НОРМАТИВОВ ПЕСТИЦИДОВ РЯДА ФЕНИЛМОЧЕВИНЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ

ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Н.А. ДРОЖЖИНА

Кафедра гигиены, общественного здоровья и здравоохранения РУДН. Москва. 117198, ул. Миклухо-Маклая, д. 8.Медицинский факультет

Критерии оценки экологической опасности пестицидов: токсичность, устойчивость во внешней среде, способность к кумуляции. Автором предложены математические модели, позволяющие оценить степень экологической опасности отдельных представителей ряда фенилмочевин.

Все возрастающая химизация среды обитания человека оказывает отрицательное влияние как на его здоровье, так и на окружающую среду. В первую очередь это относится к пестицидам. Происходит загрязнение всех объектов биосферы: почвы, воды, а также воздуха в местах производства и применения пестицидов.

Пестициды представляют собой особую группу веществ, разного назначения и химического строения, намеренно вводимых в окружающую среду для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур [2]. По назначению их подразделяют на инсектициды (против насекомых-вредителей), акарициды (против клещей), фунгициды (против грибков), дефолианты (против сорняков) и другие.

Комитет ВОЗ, занимавшийся оценкой опасности применения инсектицидных препаратов в сельском хозяйстве, признал, что «любой применяемый инсектицид всегда будет оказывать воздействие как на людей, работающих с ним, так и на жителей обрабатываемых им построек» [2].

В связи с этим во всем мире огромное значение придается всем аспектам оздоровления внешней среды и профилактике ее дальнейшего загрязнения пестицидами. В России проект программы о химической безопасности в современных условиях был предложен И.В.Саноцким в 1994 г. [6] и принят на последнем форуме Международного Проекта Химической Безопасности (МПХБ) (IPCS - International Project "Chemical Security"), созданный при совместном участии ЮНЕП, ВОЗ и МОТ. В сферу деятельности МПХБ входят вопросы контроля безопасного использования пестицидов, разработки мероприятий по снижению риска их применения, включая подготовку квалифицированных кадров, вопросы эпидемиологии острых отравлений пестицидами и др. [13].

Признается, что для оценки химической опасности необходимо использовать как международные методы, так и альтернативные токсикологические методы исследования, позволяющие использовать меньшее число животных ("Расширение и активизация международной деятельности по оценке риска, связанного с химическими веществами") [4,13].

К настоящему времени в России и странах СНГ получено множество материалов о токсическом действия веществ, загрязняющих среду обитания. На этой основе разработаны сотни практических рекомендаций по предупреждению, распознаванию и лечению отравлений, а также нарушений здоровья при экзогенных химических воздействиях. Однако лишь немногие из них воплощены в жизнь [5]. Экологическая ситуация на 15% территории России характеризуется как чрезвычайная или кризисная. Площадь территорий, на которых существует возможность химического загрязнения, составляет около 300 тыс. кв. км с населением 59 млн. человек [8].

В последние несколько лет существовавшая ранее тенденция к снижению гектарной нагрузки пестицидами сменилась ее увеличением. Кроме того, препаративные формы пестицидов теперь производятся или расфасовываются в России, что привело к росту числа работающих, контактирующих с пестицидами различного химического строения [6].

В решении этой проблемы большое место занимает изучение механизма и особенностей токсического действия новых химических соединений, предлагаемых к использова-

шло в качестве пестицидов. Встает вопрос о разработке методов математического прогнозирования характера биологического действия, степени токсичности химических и их ускоренной регламентации в объектах среды.

В настоящее время общепризнанными критериями для оценки экологической опасности пестицидов являются следующие их свойства:

- уровень токсичности и опасности при разных путях поступления в организм (ингаляционном, пероральном и перкутанном);

- устойчивость во внешней среде (скорость распада и обезвреживания после применения);

- метаболизм в организме млекопитающих и способность к кумуляции.

С этих позиций наиболее безопасными и перспективными для практического использования представляются пестициды естественного происхождения (пиретрум, табак, мочевина) и их синтетические аналоги (пиретроиды, соединения фенилмочевины).

Наиболее четко количественные зависимости биологической активности веществ от их структуры могут быть выявлены внутри группы родственных соединений. В данном исследовании изучены химические соединения из группы фенилмочевины, применяемые в качестве эффективных пестицидов. Фенилмочевины, судя по среднесмертельным дозам при введении их в желудок лабораторных животных, обладают, как правило, умеренной или низкой токсичностью (III-IY класс). Попав в почву или воду все фенилмочевины под влиянием кислорода, воды и сапрофитной микрофлоры быстро разлагаются, превращаясь в окси- и сульфопроизводные (фенилгидроксиламины, аминофенолы, сульфаты и глюкурониды) (Hodge А.С., 1967; Carbone G.O., 1969). Коэффициенты кумуляции всех изученных фенилмочевин выше 5, что характеризует их как мало кумулятивные соединения [7].

Токсическое действие производных фенилмочевины определяется образующимся в процессе метаболизма анилином и характеризуется нарушениями со стороны нервной системы и паренхиматозных, угнетением тканевого дыхания органов (снижают интенсивность окислительно-восстановительных процессов и активность SH-групп в печени), нарушением гормональной функции надпочечников и щитовидной железы. Некоторые дериваты фенилмочевины способствуют повышенному метгемоглобинообразованию.

Как показывают токсикологические исследования, характер и степень токсического действия, а также тип и скорость трансформации во внешней среде разных фенилмочевин может несколько различаться в зависимости от их структуры (наличия тех или иных функциональных груші, их количества и расположения в формуле соединения).

Таким образом, для характеристики экологической опасности любого мало изученного соединения фенилмочевины достаточно установить степень его токсичности. Это можно сделать в краткосрочном остром эксперименте. Однако вполне реально получить сведения о токсичности фенилмочевины путем математического анализа количественной зависимости связи показателей токсичности с физико-химическими свойствами веществ данной группы, полученных с использованием имеющихся экспериментальных данных для других родственных соединений.

Методы математического моделирования. На кафедре гигиены, общественного здоровья и здравоохранения РУДН проведено токсикологическое изучение и гигиеническое обоснование ПДК в воздухе рабочей зоны 4 химических соединений, относящихся к группе фенилмочевин. На основаниии собственных экспериментальных данных и данных литературы о параметрах токсикометрии 30 других родственных соединений разработаны математические модели количественных зависимостей отдельных показателей токсического действия химических веществ этой группы с различными комбинациями констант, отражающих физико-химические свойства и особенности их химического строения, выражаемые в общем виде формулой регрессии: Y=CiXi+C2X2+C3X3 .

В качестве дескрипторов (Хь Х2, Х3) в уравнениях регрессии использованы константы, характеризующие «транспортные» свойства веществ, т.е. их способность проникать

в организм, скорость продвижения к соответствующим рецепторам организма, метаболизм и выведение (коэффициент Овертон-Мейера - Роктанол/вода, гидрофобная константа Ханча «тс» [10]), взаимодействие с рецепторами организма (электронная константа Гаммета «а», индукционная постоянная Тафта «о*» и суммарный вклад функциональных групп молекулы - ЕР. в отдельные показатели токсикометрии, рассчитанный по методу Фри-Вильсона [9]), пространственные особенности молекулы (стерическая постоянная Тафта «Е5», константы молекулярной и удельной связности молекулы - МС и УС, рассчитываемые по связям структурной формулы молекулы по методике Л. Кира и Л.Холла [11]). ЕЯ впервые был применен в качестве независимого дескриптора. Сь С2, С3 - цифровые расчетные коэффициенты, определявшиеся методами корреляционнорегрессионного анализа.

В результате анализа разработаны математические модели расчета основных показателей токсикометрии группы веществ, синтезированных на основе фенилмочевины (ФМ): среднесмертельных доз и концентраций (Е>Ь-50. СЬ-50), пороговых уровней однократного и хронического воздействия (I лт ас. и Пт сЬ.), а также величин ПДК этих веществ в воздухе рабочей зоны, в том числе - при применении их в сельском хозяйстве в виде пестицидов.

Достоверность формул регрессии оценивалась по коэффициентам попарной и множественной корреляции (г, 11), средней ошибке (Зух), коэффициенту детерминации (Б) и критерию Фишера (Б). Для практического использования в целях прогнозирования уровней токсических эффектов рекомендованы модели, имеющие по всем показателям достоверность, соответствующую р<0,05, а по ряду формул р<0,001.

Полученные результаты и их обсуждение.

Для расчета Ш.-50 разработано более 20 математических моделей, из которых высоко достоверными (11=0,83-0,85; 0=0,68-0,73; 8^=0,10-0,17; при п=14) оказались следующие формулы регрессии:

^ БТ-50 = 5,901 - 2,012 ^ М - 0,293 2а;

^ БЬ-50 = 6,892 - 2,448 1ё М - 0,116 ЕЕ5;

^ БТ-50 = 5,703 - 2,255 1ё М + 0,328 Т^;

1§ БТ-50 = 6,888 - 2,477 М + 0,036 Ел;

^ ВТ-50 = 6,510 - 2,234 1ё М - 0,050 1§ Ро/в;

^ БТ-50 = 6,352 - 2,274 ^ М + 0,038 ^ Я;

^ БТ-50 - 6,591 - 2,348 ^ М + 0,020 ^ МС/

Таблица 1

Удельный вес вкладов функциональных групп в величины показателей _______________токсикометрии и ПДКр.з. фенилмочевин____________________

Радикалы Функциональные группы Величина вклада Я в показатели

БТ-50 Ьш ас 1лт сЬ ПДКр.з.

РзС- -0,41 +0,55 +0,02 +0,15

С1- +0,03 -0,22 +0,01 +0,11

С1-С6Н4-0- -0,20 - - -0,57

СНзО- -0,22 -0,83 -0,11 -0,50

Вг- -0,07 -0,82 0,00 О сГ 1

НЕ2СЕ2СО- +1,34 - - -

СНз- -0,40 - - -

Ы2 -он -0,25 -0,05 -0,33 +0,05

-СОСбН5 +0,25 - - -

Яз -СНз +0,01 -0,11 -0,34 +0,06

-ОСНз -0,21 +0,77 -0,77 -0,55

Выяснено, что большое влияние на токсичность отдельных веществ оказывает суммарный вклад и местоположение в молекуле функциональных групп: в положении (пара-положение в фенильном кольце по отношению к мочевине), К2 (боковая группа от атома К, соединенного с кольцом) или В.3 (концевая группа от N2 мочевины) (табл. 1).

Таким образом, на величину 01,-50 существенное влияние оказывают: в положении Я| группы НР2СР2СО-, БзС- и СН3-, менее значительно влияние групп СН30- и С1-С6Н4-0-, остальные группы практически не влияют на величину ОТ-50. В положении обе встречавшиеся в обработке функциональные группы влияют умеренно и разнонаправле-но. В положении Я3 умеренно снижает уровень среднесмертельной дозы (г.е. повышает токсичность) только группа -ОСН3.

Суммарные вклады имеющихся в соединениях фенилмочевины функциональных групп в среднем составили: Е]^ = -0,239; Ш2 = +0,020; Е113 = -0,014. Что касается конкретных химических веществ, то галогены в положении Я,, а также метильная и ме-токси-группы в положении К3 увеличивают токсичность ФМ независимо от наличия заместителей в других положениях. ЕЯ дикурона, паторана и малорана составляют соответственно -0,384; -0,283 и -0,257. Группа СН30-С6Н4-0- оказывает противоположное действие: ЕЯ дифеноксурона = +1,347.

Показатель ЕЯ в формулы расчета Б Т-50 нами не вводился лишь потому, что и более простые расчеты давали весьма высокую надежность предлагаемых формул. Но для других параметров токсикометрии фенилмочевин попытка ввести показатель ЕЛ в качестве одного из дескрипторов в математические модели наряду с другими физикохимическими константами оказалась весьма успешной.

Так, введение показателя суммарного вклада функциональных групп резко повысило достоверность таких важных параметров токсического действия ФМ, как порог острого действия веществ (Пт ас.), порог хронического действия (Пт сЬ.) и, наконец, величин предельно допустимых концентраций ФМ в воздухе рабочей зоны, в том числе и в воздухе промышленных зон сельских населенных мест (полей, ферм) при распылении там пестицидов.

Приводим формулы расчета Ьш ас., обладающие высочайшей надежностью (11-0,97-0,99; 0=0,95-0,97; 8^=0,07-0,09; прип=30):

^ Пт ас = 3,384 - 1,855 М + 0,945 ЕЯ;

^ Пт ас = -0,663 - 0,789 Еа + 1,10 ЕЯ;

1ё Пт ас = 0,735 + 0,873 \% УС - 0,69 Еа + 1,007 ЕЯ.

^ Пт сЬ - -1,278 + 0,087 £71 + 0,51 ЕЛ - также достаточно точная модель (11=0,84; Б=0,70; 8ух=0.14; при п=13).

Знание уровней Пт ас и Пт сЬ позволяет определить зону хронического действия (Ъ сЬ) - один из важных показателей, позволяющих судить о степени риска развития хронического отравления при частом (длительном) воздействии малых концентраций пестицида.

Оценка класса токсичности химического соединения может быть дана и на основании величины ПДК этого соединения в воздухе рабочей зоны. По принятой в нашей стране классификации токсичности химических веществ 1-у классу (чрезвычайно токсичные) соответствуют уровни ПДК <0,1 мг/м3; 2-у классу (высоко токсичные) - от 0,1 до 1 мг/м3; 3-му классу (умеренно токсичные) - от 1 до 10 мг/м3; 4-у (мало токсичные) ->10 мг/м^.

Приводим некоторые математические модели для расчета величин ПДК фенилмочевин в воздухе рабочей зоны:

^ ПДК = 1,111 - 1,348 ^ М + 0,875 ЕЛ;

^ ПДК = -1,868 - 1,348 - 0,463 Еа + 0,94 ЕЯ;

ПДК - -2,936 +0,902 К кум + 1,338 ЕЫ;

^ ПДК = -2,650 - 0,065 ^ Р о/в + 0,839 1ё К кум + 1,275 Е11;

lg ПДК = -2,412 - 0,593 lg МС 0,78 lg К кум + 1,269 ER;

lg ПДК = -1,537 + 0,314 lg Lim ас - 0,539 2ст + 0,649 2R;

lg ПДК = -2,979 + 0,118 lg DL-50 + 0,815 lg К кум + 1,265 ER.

Указанные формулы были проверены по экспериментальным данным, полученным кафедрой при обосновании ПДК четырех фенилмочевин (М-фенил-М'-метилмочевина, метурин, К-фенил-оксиК:-метилмочепина и фенурон). Различия в уровнях DL-50 не превышали 1,12-кратных; по Lira ас. - 1,34-кратных; по Lim chr. - 1,95- кратных; по ПДК

- 1,11-кратных.

На основании разработанных формул с учетом влияния вкладов функциональных групп нам удалось обосновать величину ПДК в воздухе рабочей зоны не изучавшегося экспериментально ФМ-производного дефолианта цитодефа (действующее начало - N-фе нил-N ’-триазолилмочеви на).

Физико-химические свойства цитодефа: М = 203,2; Тпл = 231С; % = -3,86;

МС = 4,71; УС = 0,0232. Экспериментально установленные величины: DL-50 при внут-рижелудочном введении - более 7000 мг/кг (IY класс токсичности); К кум - более 5,3 (IY класс опасности хронических отравлений).

По разработанным нами уравнениям регрессии были получены усредненные расчетные параметры токсикометрии цитодефа: DL-50 = 3530 мг/кг; Lim ас = 24,66 мг/м^; Lim ch = 8,69 мг/м3; Z ch = 2,84, что указывает на умеренную опасность (III класс) хронических отравлений. Таким образом, цитодеф по более опасным показателям должен быть отнесен к Ш классу опасности при использовании в промышленности и сельском хозяйстве.

Отличие расчетной DL-50 от экспериментально установленной величины составляет

1,98 раза.

Показатели ПДК цитодефа, рассчитанные по приведенным выше формулам, составили от 3,99 до 7,69 мг/м3 (в среднем - 5,84 мг/м3).

Проведенный логико-математический анализ позволил нам рекомендовать ПДК цитодефа в воздухе рабочей зоны на уровне 5 мг/м3. Норматив был рассмотрен и одобрен проблемной комиссией «Гигиена и токсикология пестицидов и пластмасс» УАМН (г.Киев).

Полученные результаты (низкая кумулятивность, умеренная токсичность и быстрое разложение в природной среде) позволяют рекомендовать цитодеф к широкому применению в сельском хозяйстве как экологически безопасный продукт.

Литература

1. Авдюшкина С.И. Токсикология линурона и обоснование гигиенических регламентов его применения.// Автореф. дисс. канд., 1972.-22 стр.

2. Безопасность применения пестицидов в здравоохранении 16-й доклад Комитета экспертов ВОЗ по инсектицидам // ВОЗ, Женева, 1969 - с. 5-9.

3. Горяйнова А.Н., Рубинский Н.Д., Мнушкина Э.А., Щербань Н.Г. Обоснование ПДК метурина, фенил-метилмочевины, фенилгидроксиламина в воде водоемов //Гиг. и сан.-1979.-№3,- С.68-70.

4. Курляндский Б.А. Основы эколого-гигиенической стратегии профилактики химических воздействий на здоровье человека // Вестник Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И.И.Мечникова. - 2003, №3. - с.43-47.

5. Ракитский В.Н., Ильницкая А.В., Юдина Т В., и др. Определение фактических концентраций экспозиционных уровней для оценки риска воздействия пестицидов на здоровье работающих// Гиг. и сан,. 2002, №3 -С.76-78.

6. Саноцкнй И.В. О санитарной политике сегодня в области химической безопасности // Мед. Труда и промышленная экология. - 1996, №1 -С.30-32.

7. Справочник по пестицидам, М., 1983 - с. 154- 186.

8. Шабров А.В., Чащин В.П., Нагорный С.В., Маймулов В.Г. Методология системной медикоэкологической экспертизы по установлению связи заболеваний химической этиологии среди населения с воздействием на организм вредных факторов окружающей среды // Вестник Санкт-Петербургской государст

венной медицинской академии им. И.И.Мечникова. - 2003, №3. - с.13-19.

9. Free S.M., Wilson I.W. A mathematical Contribution on structure.//Med. Chem.-1964.- V.7.- P.395-399.

10. Hansch C. On the Structure in Medical Chemistry //Med. Chem.-1976.- V.19 - P. 1-6.

11.Kier L.B., Hall L.W. Molecular Connectivity in Chemistry and Drug Research//New York, 1976,- 257 P.

12.Pronczuk de Garbino Jenny. Health impact of poisoning by pesticides brief overview on the activities of the International Program on Chemical Safety (IPCS)// Prz. Lek. - 1997. - 54, №10. - P.653-656.

13.Sonich-Mullin C. WHO/ IPCS: International harmonization of approaches to chemical risk assessment: Abstr. 2nd World Congress. Altemat. And Anim. Use life sci., Utrecht, 20-26 Oct., 1996 // ATLA. - 1996. - 24, Spec. Issue. -P.161.

MATHEMATICAL SIMULATION INDICTS OF TOXICITY AND HYGIENIC NORMS OF PESTICIDESIS OF PHENYLUREA FOR AVALUATION OF THEIR ECOLOGICAL DANGERNESS

N.A. DROZHZHINA

Department of hygiene, public health and public health services RPFU. Moscow, 117198, Mik-

luho-Maklaja St., 8. Mtdical Faculty.

The ecological danger of pesticidesis is characterized by toxicity, stability in enviroment and ability to cumulating. Author of the article have worked out the mathematical formulations for evalbating of the level of ecological danger of phenylurea derivatives.