Полихлорированные дибензодиоксины (ПХДД ), или просто диоксины, представляют собой группу полигалогенированных органических соединений, которые являются значительными загрязнителями окружающей среды.
Их обычно, но неточно называют диоксинами для простоты, потому что каждая молекула ПХДД содержит дибензо-1,4-диоксин скелетную структуру с 1,4-диоксин в качестве центрального кольца. Члены семейства PCDD биоаккумулируются у людей и диких животных из-за своих липофильных свойств и могут вызывать нарушения развития и рак.
Диоксины возникают в виде побочные продукты при производстве некоторых хлорорганических соединений, при сжигании хлорсодержащих веществ, таких как поливинилхлорид (ПВХ), при отбеливании хлором бумаги, а также из природных источников, таких как вулканы и лесные пожары. Было много случаев загрязнения диоксинами в результате промышленных выбросов и аварий; самые ранние такие инциденты произошли в середине 19 века во время промышленной революции.
Слово «диоксины» может также относиться к другим хлорированным соединениям аналогичного действия (см. диоксины и диоксиноподобные соединения ).
Структура дибензо-1,4-диоксина состоит из двух бензольных колец, соединенных двумя кислородными мостиками. Это делает соединение ароматическим ди эфиром. Название диоксин формально относится к центральному диоксигенированному кольцу, которое стабилизировано двумя фланкирующими бензольными кольцами.
В ПХДД атомы хлора присоединены к этой структуре в любом из 8 различных мест молекулы в положениях 1– 4 и 6–9. Существует 75 различных конгенеров ПХДД (то есть родственных диоксиновых соединений).
Токсичность ПХДД зависит от количества и положения атомов хлора. Конгенеры, содержащие хлор во 2, 3, 7 и 8 положениях, оказались значительно токсичными. Фактически, 7 конгенеров имеют атомы хлора в соответствующих положениях, которые были признаны токсичными в соответствии со схемой токсичных эквивалентов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ-TEQ).
Низкие концентрации диоксинов существовали в природе до индустриализации в результате естественного горения и геологических процессов. Впервые диоксины непреднамеренно производились в виде побочных продуктов с 1848 года, когда в Германии начали работать заводы Leblanc process. Первый преднамеренный синтез хлорированного дибензодиоксина был произведен в 1872 году. Сегодня концентрации диоксинов обнаруживаются у всех людей, а более высокие уровни обычно встречаются у людей, живущих в более промышленно развитых странах. Наиболее токсичный диоксин, 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксин (TCDD), стал хорошо известен как загрязнитель Agent Orange, гербицида, использованного в малайской чрезвычайной ситуации. и Вьетнамская война. Позже диоксины были обнаружены в Таймс-Бич, Миссури и Лав Канал, Нью-Йорк и Севесо, Италия. Совсем недавно диоксины упоминались в новостях об отравлении президента Виктора Ющенко из Украины в 2004 г., неаполитанском кризисе моцареллы ирландском свиноводческом кризисе 2008 г. и the 2010.
Реестр источников диоксиноподобных соединений Агентства по охране окружающей среды США, возможно, является наиболее полным обзором источников и выбросов диоксинов, но и в других странах сейчас проводятся серьезные исследования.
Профиль концентрации ПХДД в датированном керне осадка из Esthwaite Water, Cumbria, UKПрофессиональное воздействие является проблемой для некоторых в химической промышленности, исторически для тех, кто производство хлорфенолов или гербицидов хлорфеноксикислоты или при применении химикатов, в частности гербицидов. Во многих развитых странах в настоящее время существуют правила выбросов, которые резко снизили выбросы и, таким образом, сняли некоторые опасения, хотя отсутствие непрерывного отбора проб выбросов диоксинов вызывает озабоченность по поводу занижения выбросов. В Бельгии благодаря внедрению процесса под названием AMESA непрерывный отбор проб показал, что периодический отбор проб занижает выбросы в 30-50 раз. Немногие учреждения имеют непрерывный отбор проб.
Диоксины образуются в малых концентрациях, когда органический материал сжигается в присутствии хлора, независимо от того, присутствует ли хлор в виде хлорида ионы или как хлорорганические соединения, поэтому они широко производятся во многих контекстах. Согласно последним данным Агентства по охране окружающей среды США, основными источниками диоксинов в целом являются следующие типы:
Первоначальная инвентаризация источников диоксинов Агентством по охране окружающей среды США, проведенная впервые в 1987 году, показала, что сжигание составляет более 80% известных источников диоксинов. В результате Агентство по охране окружающей среды США ввело новые требования к выбросам. Эти правила позволили снизить выбросы диоксина из мусоросжигательных заводов. Сжигание твердых бытовых отходов, медицинских отходов, осадка сточных вод и опасных отходов вместе в настоящее время производит менее 3% всех выбросов диоксинов.. Однако с 1987 года сжигание бочек на заднем дворе практически не уменьшилось, и в настоящее время это крупнейший источник выбросов диоксинов, производящий около одной трети общего объема производства.
При сжигании диоксины могут также преобразовываться или образовываться de novo в атмосфере над дымовой трубой, когда выхлопные газы охлаждаются через температурный интервал от 600 до 200 ° C. Наиболее распространенный метод уменьшения количества диоксинов, реформирующихся или образующихся de novo, заключается в быстром (30 миллисекундах) гашении выхлопных газов через это окно 400 ° C. Выбросы диоксинов из мусоросжигательных заводов были сокращены более чем на 90% в результате новых требований по контролю выбросов. Сжигание в развитых странах в настоящее время вносит очень незначительный вклад в выбросы диоксинов.
Диоксины также образуются в реакциях, не связанных с горением, таких как отбеливание хлором волокон для бумаги или текстильных изделий, а также при производстве хлорированных фенолов, особенно когда температура реакции плохо контролируется. Используемые соединения включают консервант для древесины пентахлорфенол, а также гербициды, такие как 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (или 2,4-D) и 2, 4,5-трихлорфеноксиуксусная кислота (2,4,5-Т). Более высокие уровни хлорирования требуют более высоких температур реакции и большего образования диоксина. Диоксины могут также образовываться во время фотохимического распада обычного противомикробного соединения триклозана.
Допустимые суточные, ежемесячные или годовые дозы установлены Всемирной организацией здравоохранения и рядом правительств. Диоксины попадают в население почти исключительно в результате приема пищи, в частности, через потребление рыбы, мяса и молочных продуктов, поскольку диоксины являются жирорастворимыми и легко проникают в пищевую цепочку .
Дети переносят значительные нагрузки на организм из-за матери, и грудное вскармливание увеличивает нагрузку на организм ребенка. Воздействие диоксина может также происходить при контакте с пиломатериалами, обработанными пентахлорфенолом (пента), поскольку пентахлорфенол часто содержит диоксины в качестве загрязнителя. Ежедневное потребление детьми во время грудного вскармливания часто во много раз превышает дозу взрослых в зависимости от массы тела. Вот почему консультативная группа ВОЗ оценила допустимое потребление, чтобы предотвратить накопление вредных телесных нагрузок у женщины до ее первой беременности. Дети, находящиеся на грудном вскармливании, обычно все еще имеют более высокое содержание диоксинов в организме, чем дети, не вскармливаемые грудью. ВОЗ по-прежнему рекомендует грудное вскармливание из-за других его преимуществ. Во многих странах содержание диоксинов в грудном молоке за два последних десятилетия уменьшилось даже на 90%.
Диоксины присутствуют в сигаретном дыме. Диоксин в сигаретном дыме был отмечен Агентством по охране окружающей среды США как «недостаточно изученный» в его «Переоценке диоксина» (1995). В том же документе Агентство по охране окружающей среды США признало, что диоксин в сигаретах является «антропогенным» (искусственным, «маловероятным в природе»).
Диоксины абсорбируются в основном за счет поступления жиров с пищей, так как именно здесь они накапливаются у животных и людей. У людей высокохлорированные диоксины накапливаются в жировых тканях и не метаболизируются и не выводятся из организма. Расчетный период выведения периода полувыведения высокохлорированных диоксинов (4–8 атомов хлора) у человека составляет от 4,9 до 13,1 года.
Стойкость конкретного диоксина конгенера Считается, что у животного следствие его строения. Диоксины без боковых (2, 3, 7 и 8) хлоринов, которые, таким образом, содержат атомы водорода на соседних парах атомов углерода, могут быть более легко окислены цитохромами P450. Окисленные диоксины легче выводятся из организма, чем хранятся в течение длительного времени.
2,3, 7,8-Тетрахлордибензодиоксин (TCDD) считается наиболее токсичным из родственных соединений (механизм действия см. 2,3,7,8-Тетрахлордибензодиоксин и Арилуглеводородный рецептор ). Другим конгенерам диоксинов, включая ПХДФ и ПХД с диоксиноподобной токсичностью, присваивается рейтинг токсичности от 0 до 1, где TCDD = 1 (см. Диоксины и диоксиноподобные соединения ). Этот рейтинг токсичности называется концепцией фактора токсической эквивалентности или TEF. TEF являются согласованными значениями и, из-за сильной зависимости видов от токсичности, перечислены отдельно для млекопитающих, рыб и птиц. TEF для видов млекопитающих обычно применимы для расчета риска для человека. TEF были разработаны на основе детальной оценки литературных данных для облегчения как оценки рисков, так и нормативного контроля. Многие другие соединения также могут обладать диоксиноподобными свойствами, в частности, неорто ПХБ, одно из которых имеет TEF до 0,1.
Значение общего токсичного эквивалента диоксина (TEQ) выражает токсичность, как если бы смесь была чистым TCDD. Подход TEQ и текущие TEF были приняты на международном уровне как наиболее подходящий способ оценки потенциальных рисков для здоровья, связанных со смесью диоксинов. Последние данные показывают, что этот тип простого масштабного коэффициента может быть не самым подходящим лечением сложных смесей диоксинов; как перенос из источника, так и абсорбция и выведение различаются для разных конгенеров, и значение TEF не может точно отразить это.
Диоксины и другие стойкие органические загрязнители (СОЗ) подвержены воздействию Стокгольмской конвенции. договор обязывает подписавшие его стороны принимать меры по устранению, где это возможно, и минимизации, где это невозможно, всех источников диоксина.
Со временем диоксины накапливаются преимущественно в жировых тканях (биоаккумуляция ), поэтому даже небольшие воздействия могут со временем достичь опасного уровня. В 1994 году Агентство по охране окружающей среды США сообщило, что диоксины являются вероятным канцерогеном, но отметило, что нераковые эффекты (репродукция и половое развитие, иммунная система) могут представлять большую угрозу для здоровья человека. ТХДД, наиболее токсичный из дибензодиоксинов, классифицируется Международным агентством по изучению рака (IARC) как канцероген группы 1. Период полураспада TCDD у человека составляет около 8 лет, хотя при высоких концентрациях скорость выведения увеличивается за счет метаболизма. Воздействие диоксинов на здоровье опосредуется их действием на клеточный рецептор, рецептор арилуглеводородов (AhR).
Воздействие высоких уровней диоксинов у людей вызывает тяжелую форму стойкого угри, известные как хлоракне. Эпидемиологические исследования показали, что высокие профессиональные или случайные уровни воздействия диоксинов приводят к увеличению риска опухолей на всех участках. Другие эффекты у людей (при высоких дозах) могут включать:
Недавние исследования показали, что высокое воздействие диоксинов меняет соотношение мужчин и женщин число рождений среди населения, при котором женщин рождается больше, чем мужчин.
Диоксины накапливаются в пищевых цепях аналогично другим хлорированным соединениям (биоаккумуляция ). Это означает, что даже небольшие концентрации в загрязненной воде могут быть сконцентрированы в пищевой цепи до опасных уровней из-за длительного биологического периода полураспада и низкой растворимости диоксинов в воде.
Несмотря на то, что из-за отсутствия экспериментов с контролируемыми дозами трудно установить конкретные последствия для здоровья людей, исследования на животных показали, что диоксин вызывает широкий спектр токсичных веществ. последствия. В частности, TCDD оказался тератогенным, мутагенным, канцерогенным, иммунотоксичным и гепатотоксичен. Кроме того, сообщалось об изменениях во множестве систем эндокринных и факторов роста. Наиболее чувствительные эффекты, наблюдаемые у нескольких видов, по-видимому, связаны с развитием, включая эффекты на развивающуюся иммунную, нервную и репродуктивную системы. Наиболее чувствительные эффекты возникают при нагрузке на тело, относительно близкой к таковой у людей.
Среди животных, для которых была изучена токсичность TCDD, имеются убедительные доказательства следующих эффектов:
LD50 диоксина также сильно варьируется между видами, причем наиболее заметное различие наблюдается между якобы схожими видами хомяков и морских свинок. Оральная LD50 для морских свинок свиней составляет всего от 0,5 до 2 мкг / кг массы тела, тогда как оральная LD50 для хомяков может достигать от 1 до 5 мг / кг массы тела, разница в тысячу раз или мес. re, и даже среди линий крыс могут быть различия в тысячи раз.
Agent Orange - это кодовое название одного из гербицидов и дефолиантов США военные использовались в рамках своей программы гербицидной войны, Operation Ranch Hand, во время войны во Вьетнаме с 1961 по 1971 год. Это была смесь 2,4,5-Т и 2,4-D. Используемый 2,4,5-Т был загрязнен 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксином (TCDD), чрезвычайно токсичным диоксиновым соединением.
. Во время войны во Вьетнаме, между 1962 и В 1971 году военные США распылили 20000000 галлонов США (76000000 литров) химических гербицидов и дефолиантов во Вьетнаме, восточном Лаосе и некоторых частях Камбоджи в рамках операции «Ранчо Хэнд».
К 1971 году 12% от общего количества территория Южного Вьетнама была обработана обеззараживающими химикатами, которые часто применялись со скоростью, в 13 раз превышающей установленный законом предел Министерства сельского хозяйства США. Только в Южном Вьетнаме было окончательно уничтожено около 10 миллионов гектаров сельскохозяйственных земель. В некоторых регионах концентрации ТХДД в почве и воде были в сотни раз выше, чем уровни, считающиеся безопасными в США. Агентство по охране окружающей среды.
По данным Министерства иностранных дел Вьетнама, 4,8 миллиона вьетнамцев подверглись воздействию Agent Orange, в результате чего 400 000 человек были убиты или искалечены, а 500 000 детей родились с врожденными дефектами. Красный Крест Вьетнама подсчитал, что до 1 миллиона человек являются инвалидами или имеют проблемы со здоровьем из-за заражения агентом Orange. Правительство Соединенных Штатов поставило под сомнение эти цифры как ненадежные и нереалистично завышенные.
Анализы, использованные для определения относительной токсичности этих соединений, имеют общие элементы, которые отличаются от используемых методов для более традиционных аналитических определений. Предпочтительные методы для диоксинов и связанных анализов используют газовую хроматографию / масс-спектрометрию высокого разрешения (HRGC / HRMS). Концентрации определяют путем измерения отношения аналита к соответствующему внутреннему стандарту, меченному изотопами.
Также новые биологические анализы, подобные сегодня, используются для идентификации диоксинов и диоксиноподобных соединений. Преимущество HRGC / HRMS заключается в том, что он может сканировать множество образцов с меньшими затратами. Также он способен обнаруживать все соединения, которые взаимодействуют с Ah-рецептором, ответственным за канцерогенные эффекты.