Комбинированное действие ядов. Синергизм и антагонизм

 

Характерной особенностью промышленных сточных вод большинства современных предприятий является сложность и многокомпонентность их химического состава. Следовательно, наряду с определением степени токсичности отдельных ингредиентов промышленных сточных вод в центре внимания должна находиться группа веществ, объединенная признаком химического родства или общностью технологического процесса. При таком подходе могут быть установлены сравнительные характеристики токсичности различных веществ и на их основе даны общие для производства решения.

Известно, что смесь различных веществ может быть значительно более токсичной, чем любой из ее компонентов. Если обозначить концентрации двух веществ, вызывающих определенный квантовый эффект (скажем, смерть) через X и Y, а некоторую долю от этих концентраций — через А и В (соответственно), каждая из которых равна 1, то явление синергизма можно представить в виде уравнения A(X)+B(Y)<1.                            

Иными словами, синергизм — это такое явление, когда биологический эффект (в данном случае токсический) смеси веществ выше, чем любого из составляющих ее компонентов. Следует отличать явление синергизма от аддитивного эффекта или простого суммирования действия двух компонентов какой-либо токсической смеси, который выражают равенством А(Х) + В(Y) = 1.

Отсюда синергизм можно определить как сверхаддитивный эффект. Однако не все авторы соглашаются с таким пониманием синергизма. Некоторые [457, 828] считают синергизм таким явлением, когда эффект смеси превышает сумму эффектов отдельных компонентов. Наконец, иногда под термином «синергизм» подразумевают способность одного из компонентов смеси, неактивного или обладающего незначительной активностью, увеличивать биологичекую активность второго компонента [385].

Нам представляется, что понимание синергизма как явления, при котором смесь более активна, чем любой составляющий ее компонент [555, 805], предпочтительнее, поскольку оно охватывает все случаи синергизма, включая и те из них, при которых каждый из компонентов смеси в отдельности обладает выраженной токсичностью.

Если два вещества действуют в противоположном направлении и вследствие этого биологическая активность смеси меньше биологической активности наиболее активного ее компонента, то говорят об антагонизме: A(X) + B(Y)>1.

Различают два вида антагонизма: абсолютный и относительный. С абсолютным антагонизмом имеют дело, когда A(X)+B(Y)>1 при А и В порознь также больше 1. Относительный антагонизм может проявиться в том случае, если А(X) +B(Y)>1, но A и В меньше 1. Можно считать, что с антагонизмом имеют дело в том случае, если эффект меньше аддитивного.

Рассматривая общие закономерности ответных реакций организма на комбинированное действие веществ, С. Блисс [456, 457] пришел к выводу о необходимости разделения трех видов совместного действия смесей. Первое из них — независимое совместное действие, при котором каждый из двух ядов имеет различный физиологический механизм действия, второе — одинаковое совместное действие, предполагающее сходство механизма токсического действия обоих компонентов. И наконец, синергистическое действие, объединяющее все виды совместного действия компонентов, не вошедшие в первые две группы, причем антагонизм рассматривается как отрицательный синергизм.

Некоторые считают, что термины «антагонизм» и «синергизм» строго применимы только при действии комбинации веществ или ионов, не теряющих идентичности в смеси путем химических реакций, вследствие чего продукт химического взаимодействия будет более или менее активнее исходных веществ [529]. Это замечание в значительной мере справедливо, если иметь в виду физиологический антагонизм, реализующийся вследствие противоположного по направлению действия на одну функциональную систему или влияния на разные системы, приводящие к ослаблению конечного эффекта. Однако следует учитывать и так называемый химический антагонизм, проявляющийся в результате химической реакции между веществами и имеющий определенное значение при оценке степени токсичности сложных смесей, таких, как индустриальные стоки и высокозагрязненные воды.

Вопросы комбинированного действия веществ подробно изучены на примере различных лекарств и ядов в опытах с теплокровными животными. При этом исходят из представления о том, что реакция организма на вещество является функцией концентрации этого вещества, продолжительности ее действия и периода наблюдения за эффектом, обусловленным данной концентрацией. Этр позволяет рассматривать совместное действие двух веществ как количественную связь между концентрациями веществ при постоянном уровне ответной реакции. Откладывая по оси ординат концентрацию одного вещества X, а по оси абсцисс — концентрацию другого вещества Y, получают изоболлу. Изоболла комбинированного действия представляет собой линию, соединяющую точки X и Y и показывающую концентрацию веществ, при которых наблюдается квантовый эффект (например, гибель). Область изоболлической диаграммы, в которой находится экспериментально найденная линия, определяет вид совместного действия (рис. 4).

 

Рис.4. Синергизм и антагонизм, характеризуемые площадями болограммы, в которых размещают изоболлы:

ЕЕ_A и ЕД_Б – соответвенно дозы вещества А и Б, которые вызывают одинаковую ответную реакцию организма:

 1 – линия адитивности; 2 – примерная изоболла для частного случая антагонистического действия [385]

 

Основная заслуга в использовании графического изображения комбинированного действия веществ принадлежит С. Леве [674] и его ученикам. При сравнительном изучении комбинированного действия ядов пользуются также диаграммой другого вида (рис. 5), предложенной Д. Хорсфоллом [609]. В этом случае комбинацию двух видов, вызывающих определенный токсический эффект, устанавливают путем пропорциональной замены одного ингредиента в смеси другим в концентрации, обеспечивающей такой же эффект. Для этого вначале берут концентрацию CL₅₀ вещества X, а затем 75 % от этой концентрации и 25 % CL₅₀ вещества Y. Такую замену продолжают до тех пор, пока не установят величину CL₅₀. На рис. 5 видно, что пара веществ характеризуется как синергистическая или антагонистическая в зависимости от расположения экспериментальной линии, отражающей токсичность испытуемой комбинации над горизонтальной линией, соединяющей точки относительной токсичности на параллельных осях, или под ней. При этом горизонтальная линия на рис. 5 равноценна аддитивной линии на рис. 4.

 

Рис. 5. Синергизм и антагонизм, выраженный в относительных показателях активности смесей.

Количество компонента Б в смеси эквивалентно по активности ЕД замещаемому

им количеству компонента А. Пунктиром дана кривая частного случая синергизма [385]

 

Необходимо иметь в виду также, что изоболлическая диаграмма иногда неудобна для интерпретации комбинированного действия, так как эффективные концентрации X и Y могут различаться в десятки или сотни раз и график получается асимметричным. В таком случае лучше использовать изодинамическую диаграмму, строящуюся путем нанесения не абсолютных концентраций: веществ X и Y, а равных частей (в %) от эффективных концентраций, т. е. концентраций, вызывающих определенный эффект, принимаемый за 100%. Диаграмма имеет симметричный характер. Иногда при изучении комбинированного действия трех веществ строят пространственные диаграммы.

Разработка и широкое использование графических методов изучения комбинированного действия ядов в общей токсикологии оказались весьма полезными при установлении ПДК тех или иных веществ в воздухе рабочих помещений, а также в других случаях [147], однако в ихтиотоксикологии они все еще не находят применения.

Излагая данные, полученные в опытах на рыбах, необходимо остановиться на хорошо известном положении о том, что токсичность катионов одних металлов нейтрализуется катионами других металлов в смешанных токсических растворах [672, 673; 559, 751, 752, 573, 574, 649]. Речь идет об антагонизме катионов металлов, с учетом которого составляется физиологически сбалансированный солевой раствор. В этом случае основные катионы, обнаруженные в естественных водах (Na, Са, К и Mg), подбирают в таком соотношении, что специфическая токсичность каждого сводится до минимума антагонистическим действием других [591].

В обстоятельном сообщении В. Гаррея [559], выполненном на гольянах, описываются результаты опытов по испытанию токсичности простых и смешанных растворов Na, К, Са и Mg в дистиллированной воде. Основные результаты его экспериментов (табл. 2) свидетельствуют о том, что ионы Са заметно снижают токсичность растворов Na, Mg и К и являются ярко выраженными антагонистами. Менее выраженным антагонистическим действием обладают ионы Na по отношению к ионам Са и К; для снижения токсичности растворов СаС1₂ и КСl требовались высокие концентрации NaCl. Заметное антагонистическое Действие оказывали ионы Mg по отношению к ионам К. Интересно отметить, что растворы КО и MgCl₂ оказывали менее выраженный антагонистический эффект по отношению к смесям NaCl — СаС1₂.

Таблица 2.

Антагонизм некоторых катионов металлов [531]

 

Впоследствии основной вывод В. Гаррея о выраженном антагонизме ионов Са и Nа был подтвержден в опытах Е. Пауэрса [751, 752], выполненных также на гольянах. Согласно полученным им данным летальное действие растворов NaCl нейтрализовалось добавлением уже небольших количеств СаСl. Сходные результаты зарегистрированы в опытах с колюшкой Ф. Крютером [649]. Он показал, что смешанные растворы, составленные из KCI, MgCb и СаСl (0,35-0,40 М), значительно менее токсичны, чем раствор NaCI аналогичной концентрации, вызывающей гибель рыб за 2 ч. Соли некоторых тяжелых металлов, оказывающие выраженный токсический эффект на рыб в мягкой и дистиллированной воде, значительно менее токсичны в жесткой [660] и морской воде [816]. Существует мнение, что низкая токсичность тяжелых металлов в высоко-минерализованных водах связана скорее с образованием осадков, чем с антагонизмом катионов. Р. Аффлек [410, 411] показал, что токсичность солей Zn и Рb значительно уменьшается в присутствии растворенных соединений Са. Например, колюшка в растворе Рb концентрацией 1 мг/л, приготовленном на мягкой воде, погибала в течение 24 ч. Однако при добавлении в токсический раствор Рb 50 мг/л хлорида, нитрата или бикарбоната кальция рыбы выживали весь период наблюдений (10 сут). Подобным же образом кальций может снижать токсичность цинка. Эти данные согласуются с более ранними наблюдениями [542, 625] об антагонистическом действии Са на токсичность некоторых тяжелых металлов, таких, как Zn и Рb.

X. Баидт [436] обнаружил синергизм между некоторыми тяжелыми металлами, токсичность солей которых оказалась более высокой, чем токсическое действие простых растворов равных концентраций. В опытах, на форели и плотве он установил, что токсичность сульфатов Zn и Cd, а также Niи Со значительно выше в смешанных растворах двух солей, чем при их действии на рыб порознь. Токсическое действие каждой из трех пар тяжелых металлов: Ni и Zn, Сu и Zn, Сu и Cd (все в форме сульфатов), выражено в гораздо большей степени по сравнению с токсическим действием солей отдельных металлов (более чем в 5 раз).

П. Дудоров [527] показал, что гольяны могут переносить концентрации 8,0 мг/л цинка или 0,2 мг/л меди порознь до 8 ч. Если же эти токсиканты оказывались в растворе вместе, то рыбы погибали при концентрации 1,0 мг/л цинка и 0,025 мг/л меди, т. е. токсичность увеличилась почти в 8 раз! Это один из наиболее иллюстративных примеров синергизма между солями тяжелых металлов.

Представленные выше фактические данные, характеризующие явлений синергизма и антагонизма между токсическими соединениями, получены,в опытах с одной группой токсикантов — с солями различных металлов. Вещества из других классов химических соединений значительно реже служили предметом исследования в этом плане, и можно лишь сослаться на единичные примеры.

Р. Стеймке и В. Экенфельдер [800] отметили, что токсичность смеси соляной и серной кислот для голубожаберника примерно равна токсичности каждой из этих кислот, взятых в отдельности, т. е. имел место аддитивный эффект. Сходная картина отмечена и при испытании токсичности смесей соляной кислоты с уксусной и серной с уксусной. Смеси этих кислот менее токсичны, чем сильная кислота, но более токсичны, чем слабый компонент смеси. В данном случае также следует говорить о простом суммировании действия, т. е. об аддитивном эффекте.

Ряд сообщений В. Соусгейта [790, 791] посвящен токсичности смесей различных соединений органической природы, в том числе и фенолов. В опытах на форели он обнаружил, что цианистый калий и паракрезол оказывают на рыб независимое действие и не являются синергистами. Весьма интересные соотношения токсичности были выявлены в опытах с фенолами. Если фенол и паракрезол оказывают на рыб простой суммарный эффект и их концентрации равной токсичности взаимозаменяемы, то паракрезол и 1-, 2-, 6-ксиленол только частично взаимозаменяемы. Оказалось, что сублетальные концентрации 1-, 2-, 6-ксиленола увеличивают токсичность паракрезола, т. е. являются синергистами. Однако субтоксические концентрации паракрезола не влияют на токсичность ксиленола.

Е. А. Веселов [40] провел изучение совместного действия фенола с метакрезолом и фенола с трикрезолом. Он отметил, что концентрация фенола (60%) с метакрезолом (40%) 70 мг/л не вызывала гибели карасей в течение 3 сут, в то время, как чистый фенол был губителен для карасей в концентрации 40-50 мг/л, а чистый трикрезол — в концентрации 25 мг/л. Примерно такие же соотношения были отмечены в опытах со смесью фенола с трикрезолом. Из опытов следует, что фенол и трикрезол — антагонисты, поскольку токсический эффект смеси меньше токсического эффекта составных компонентов.

В практическом отношении большой интерес представляют данные, характеризующие степень токсичности различных компонентов промышленных сточных вод, объединенных общностью технологического процесса. В этом случае речь идет скорее о химическом синергизме или антагонизме, поскольку возникают новые комплексные или простые соединения с той или иной токсичностью, отличной от токсичности исходных соединений. Одно из сообщений по токсичности медно-аммиачного комплекса для различных видов рыб (окунь, уклейка, карась, вьюн) принадлежит Н. С. Строганову и А. Т. Пажиткову [337]. Токсическое действие комплекса на уклейку, карася и окуня несколько более выражено, чем чистого раствора меди равной концентрации. По мнению авторов, пороговая концентрация медно-аммиачного комплекса, выявленная в опытах с выживанием, находится в области 0,5 мг/л (по меди).

Английскими исследователями [837] было установлено, что смесь аммония и фенола более токсична для радужной форели, чем каждый из ингредиентов, поскольку концентрация этих веществ в смеси обычно меньше в сравнении с соответствующими пороговыми концентрациями аммония (0,6 мг/л) и фенола (4,4-мг/л). Следовательно, фенолы могут оказывать токсическое действие в присутствии других ядов даже при таких концентрациях, которые в чистом виде неэффективны. К. Вурманн и X. Вокер [860] отметили более высокую токсичность комбинации аммония и цианидов, чем каждого компонента в отдельности.

Токсичность сложных сточных вод определяется не только содержанием компонентов, объединенных химическим сродством, но и наличием сопутствующих веществ. Так, токсичность фенолов может изменяться в ту или иную, сторону благодаря присутствию в сточных водах некоторых предприятий цианидов, нафтола, пиридина, родана, сероводорода и др. В качестве примера можно сослаться на группу цианидов. Обладая высокой собственной токсичностью, они оказывают существенное влияние на токсичность отдельных соединений и сточных вод некоторых предприятий. Известны случаи не только синергизма цианидов, но и, что особенно интересно, антагонизма с другими веществами и элементами. Соединения цианидов с металлами, образующие относительно стабильные металл-цианидные комплексы, такие, как Ni, Сu и Fe, значительно менее токсичные, чем цианиды и соли тяжелых металлов порознь, обладающие, как известно, высокой токсичностью.

П. Дудоров [528] показал, что комплексы цианидов с Zn и Cd менее токсичны, чем исходные компоненты. Вместе с тем цинк-цианидные и кадмий-цианидные соединения могут диссоциировать почти полностью, образуя высокотоксичные компоненты: цианиды и ионы тяжелых металлов. В этом случае высокая индивидуальная токсичность продуктов разложения металл-цианидных комплексов (CN и металл-ион) увеличивается за счет частичного синергизма. Диссоциация этих комплексов в значительной мере определяется рН, а также другими факторами. Известно [472], например, что безвредный раствор ферроцианида калия становится высокотоксичным для рыб, если выдерживается на прямом солнечном свету, поскольку освобождается цианид путем фоторазложения стабильного комплекса. Высокая токсичность хлора общеизвестна, однако особая его опасность для рыб состоит в том, что он легко комбинируется с различными компонентами сточных вод, сообщая им высокую токсичность. Малые количества аммония, соединяясь с хлором, образуют хлорамин, токсичность которого значительно выше токсичности исходных продуктов. Даже концентрации хлорамина 0,05-0,06 мг/л оказались летальными для форели, которая погибала в течение 48 ч [502]. Г. Шаут [769] показал, что хлорирование разведенных ислетальпых растворов тиоцианата калия (KCNS) сделало эти растворы высоко токсичными для гольянов.

В результате дальнейших исследований этого феномена [421] на радужной форели были получены важные уточнения. Установлено, что тиоцианат калия мгновенно вступает в реакцию с хлором, образуя чрезвычайно токсичное вещество, представляющее собой, по-видимому, хлористый цианид (CNCi); KCNS + 4Cl₂ + 4H₂0; CNCl + KCl + H₂SO₄ + 6НCl. Количество образующегося CNC1 зависит от соотношения тиоцианата и добавленного хлора, а также других факторов.

Важно и то, что хлорирование некоторых малотоксичных сточных вод с использованием концентраций хлора ниже токсичных приводит к резкому возрастанию токсичности сточных вод для рыб. Минимальными летальными концентрациями хлористого цианида для рыб являются концентрации ниже 0,1 мг/л. Концентрации между 0,10 и 0,15 мг/л приводят к опрокидыванию рыб раньше чем через 1 ч при температуре 17-20°С.

Приведенные данные по комбинированному действию различных компонентов промышленных сточных вод показывают, сколь важно для реальной оценки их вредности учитывать возможное комплексное действие различных ингредиентов на жизнь водоема в целом и на рыб, в частности. Хотя имеющихся материалов явно недостаточно для окончательных выводов, следует считать, что оценка токсичности сложных по своему составу сточных вод по одному, пусть наиболее токсичному компоненту может не соответствовать действительности, если не учитывать при этом антагонизма или синергизма. Токсичность многокомпонентных сточных вод будет определяться не только наиболее токсичным компонентом этой смеси или суммой эффектов отдельных компонентов, но и присутствием антагонистических или синергических веществ органической или неорганической природы.

В связи с этим необходимо рассмотреть один чрезвычайно важный, на наш взгляд, вопрос. Нередко приходится устанавливать причину массовой гибели рыб на том или ином водоеме, используя при этом данные патоморфологического и патофизиологического исследований, совокупность которых позволяет в первом приближении представить симптомокомплекс отравления. В свою очередь по этим данным можно составить предварительное мнение относительно группы веществ, вызвавших гибель рыбы, справедливость которого необходимо затем проверить в экспериментальных условиях. Идентификация картины отравления в экспериментальных условиях с картиной гибели рыб в естественных водоемах может послужить решающим доказательством в определении завода, сточные воды которого вызвали массовое отравление рыбы.

Этот своего рода нхтиотоксикологический научно-следственный эксперимент приобретает особое значение, если в рыбохозяйственный водоем-приемник сбрасывают сточные воды несколько предприятий.

Целесообразность проведения научно-следственного эксперимента вполне очевидна и базируется на хорошо известном положении о том, что в смеси ядов общую картину отравления определяет наиболее токсичный компонент (особенно в случае острого отравления рыбы). Вместе с тем необходимо оговорить, что научно-следственный эксперимент может лишь ориентировочно очертить круг веществ, обусловивших гибель рыб, не указывая конкретно, какое именно вещество играет решающую роль в отравлении рыб. Из этого следует также, что на основе данных научно-следственного эксперимента нельзя хотя бы приблизительно рассчитать количество вещества, необходимое для получения токсического эффекта в естественном водоеме. И дело не только в том, что в зависимости от гидрохимических и гидрологических особенностей конкретного водоема будет меняться минимальная летальная концентрация токсического вещества для рыб данного водоема. Расчеты подобного рода осложняются в основном тем, что то или иное химическое соединение может резко менять свою токсичность в результате совместного действия различных компонентов сточных вод. Синергизм и антагонизм имеют место и при взаимодействии различных пестицидов, нефти, поверхностно-активных веществ и т. д. Все это ставит перед необходимостью дальнейшего изучения этого феномена в опытах на рыбах.

ГЛАВА III.