4.1.2 Факторы, определяющие токсическое действие химических веществ

Основными факторами, которые определяют токсический эффект химических веществ, являются:

- химическое строение;

- физико-химические свойства;

- условия воздействия на организм;

- концентрация.

Различия в действии разнообразных химических веществ объясняются главным образом особенностями их химического строения. Именно химическое строение веществ предопределяет их токсические свойства.

Практически важное значение имеют выявленные закономерности между строением веществ и их действием на организм. Одной из таких закономерностей является правило Ридардсона, согласно которому сила наркотического действия углеводородов в гомологических рядах углеводородов возрастает с увеличением числа атомов углерода от низших членов ряда к высшим. Если принять силу наркотического действия этилового спирта за единицу, то сила наркотического действия остальных спиртов такова: метиловый спирт (СН3ОН) - 0,8; этиловый спирт - (С2Н5ОН) - 1, пропиловый спирт (С3Н7ОН) - 2, бутиловый спирт (С4Н9ОН) - 3, аллиловый спирт (С5Н11ОН) - 4.

Другая известная закономерность выражается правилом разветвления цепей: наркотическое действие веществ ослабляется при разветвлении цепи углеродных атомов. Например, действие изопропилового спирта слабее, чем нормального пропилового спирта.

Следующая закономерность - это правило кратных связей: биологическая активность вещества возрастает с увеличением кратных связей, т.е. с увеличением непредельности соединения. Например, действие этана СН3–СН3 слабее, чем этилена СН2= СН2, а действие этилена слабее, чем ацетилена СНºСН.

Замыкание цепи углеродных атомов усиливает действие углеводородов при их ингаляционном поступлении. Установлено, что пары циклопропана действуют сильнее паров пропана.

При переходе от полиметиленового кольца к ароматическому сила действия веществ также возрастает. Например, пары бензола действуют сильнее паров циклопропана, пары толуола - сильнее паров метилциклогексана.

Введение в молекулу вещества гидроксильной группы, как правило, ослабляет силу действия. Известно, что спирты менее токсичны, чем соответствующие им углеводороды.

При ведении галоидов в молекулу органического соединения резко меняются его свойства и усиливается токсическое действие. Среди галоидпроизводных следует различать два типа соединений: первый - когда галоид находится в открытой цепи, второй - когда он связан с углеродом циклической или ароматической молекулы. Первый тип более активен и потому значительно токсичнее второго типа соединений. Например, хлортолуол С6Н5СН3Сl токсичнее хлорбензола С6Н5Сl.

Резко меняются токсические свойства веществ при введении нитро- и нитрозогрупп. Для алкилэфиров азотистой и азотной кислот, где группы NO2 и NO связаны с кислородом, характерно сосудорасширяющее и гипотензивное действие (этилнитрит, этилнитрат, нитроглицерин). Для нитро- и нитрозосоединений жирного и ароматического рядов, где нитро- и нитрозогруппы связаны с углеродом, характерно действие на центральную нервную систему и образование метгемоглобина в крови.

Существенной является еще одна закономерность, характерная для многих гомологических рядов: первые члены гомологических рядов обладают большим токсическим действием, чем последующие. Например, метанол токсичнее этанола, муравьиная кислота - уксусной, формальдегид - ацетальдегида.

Определенное значение имеет и молекулярная симметрия. Известно, что симметрично построенные соединения более токсичны, чем несимметричные. К примеру, симметричный дихлорэтан примерно в 2 раза токсичнее несимметричного.

Значительно меньше закономерных связей выявлено среди неорганических веществ. Установлено, что токсичность щелочноземельных металлов возрастает с увеличением их атомной массы.

При оценке токсичности неорганических соединений важно учитывать валентность химических элементов. Так, например, шестивалентные соединения хрома токсичнее двухвалентных, окисные соединения марганца более токсичны, чем двухвалентные, т.е. с увеличением валентности элемента токсичность соединения, содержащего этот элемент, возрастает. Но есть и обратные соотношения, когда с увеличением валентности элемента токсичность его соединений падает. Примером могут служить соли железа: закисные соли железа токсичнее окисных.

Биологическое действие химических веществ зависит не только от химического строения, но и от их физико-химических свойств, которые, в свою очередь, обусловлены также химическим строением.

Опасность отравления химическими веществами зависит от таких физико-химических свойств, как летучесть, растворимость, агрегатное состояние, дисперсность, сорбционная способность.

Под летучестью понимают максимально допустимое содержание паров вещества, отнесенное к единице объема воздуха. Летучесть при 20^оС может быть определена по формуле

C 20 = M×P H /18,3

где С - летучесть вещества, мг/л; М - молекулярная масса; Рн- давление насыщенного пара, мм рт.ст.

Расчет летучести при любой температуре производится по формуле

C = 16 M×P/T

где Т - температура кипения вещества, К:

Т = 273 + tкип.

Чем выше летучесть вещества, тем значительнее опасность отравления им. Поэтому в производственных условиях стремятся использовать менее летучие соединения. Так, например, стремятся бензол заменять толуолом, а лучше - ксилолом, так как он обладает меньшей летучестью в сравнении с бензолом и толуолом.

С летучестью веществ связана и опасность образования взрывоопасных паровоздушных смесей. Легколетучие вещества очень быстро образуют в воздухе взрывоопасные паровоздушные смеси, например, при аварийных разливах веществ.

Токсичность веществ в значительной мере зависит также от растворимости в воде, жирах, различных средах организма (крови, желудочном соке, лимфатической жидкости). Хорошая растворимость вещества в жирах в сочетании с высокой растворимостью в воде обусловливает опасность всасывания яда в организм через кожу при контакте с ним.

С растворимостью ядов связаны скорость всасывания, превращения в организме и выделения из него.

Знание растворимости химических веществ необходимо при разработке и выборе защитных мазей и паст. Например, нельзя применять гидрофильные мази и пасты при работе с водными растворами кислот и щелочей.

Для оценки опасности отравления промышленными ядами имеет значение и агрегатное состояние вещества. Наибольшую опасность представляют вещества, используемые в жидком, паро- и газообразном состояниях. Твердые вещества могут проникать через кожу и желудочно-кишечный тракт, и всасывание их происходит медленнее, чем паро- и газообразных веществ. Важной характеристикой твердых веществ является их дисперсность. Чем выше дисперсность вещества, тем ниже скорость оседания и выше концентрация в воздухе, следовательно, тем значительнее количество веществ, поступающих в организм человека. При использовании в производстве твердых веществ стремятся к гранулированному или крупнокристаллическому состоянию, если это не противоречит технологии. В таком состоянии вещества мало пылят, и не задерживаются на одежде и не загрязняют ее.

Другим свойством химических веществ, определяющим опасность отравлений, является способность сорбироваться различными материалами. Известно, что некоторые вещества (ртуть, тетраэтилсвинец, нитро- и аминосоединения бензола) хорошо сорбируются материалом внутренней поверхности стен, пола, потолка производственных помещений. В порах этих поверхностей происходит депонирование ядовитых веществ, и при последующей десорбции они вновь выделяются в воздух производственных помещений. Например, ртуть хорошо сорбируется штукатуркой, нитро- и аминосоединения поглощаются асфальтовыми и битумными полами. Знание сорбционной способности веществ необходимо при выборе не только строительных материалов, но и материалов для спецодежды.

Токсический эффект вредных веществ зависит также от реальных условий воздействия на организм. Условия воздействия могут быть связаны как с факторами внешней среды, так и с особенностями организма человека. К факторам внешней среды следует отнести метеорологические условия производственной среды, различного рода физические факторы (шум, вибрация, излучения). Наблюдениями установлено, что количество отравлений многими химическими веществами резко возрастает в жаркое время года. Влияние высокой температуры объясняется, с одной стороны, изменением агрегатного состояния, увеличением летучести веществ, и с другой стороны, изменениями в физиологическом состоянии организма. При повышенной температуре окружающего воздуха ускоряется процесс кровообращения в организме и увеличивается объем легочной вентиляции; все это ускоряет сорбцию веществ и признаки отравления наступают скорее.

Влияние таких факторов, как повышенная влажность, шум, вибрация, излучения, аналогичны влиянию высокой температуры.

Токсическое действие веществ зависит также и от индивидуальных особенностей организма человека. Одни и те же яды у одних людей могут вызвать кожные заболевания, удушье, в то время как другие совершенно невосприимчивы к ним.

Молодые и больные люди более подвержены действию вредных веществ. Существуют специальные противопоказания, исключающие допуск людей с рядом заболеваний к работе с вредными веществами.

Женщины более подвержены действию ряда химических веществ; есть перечень веществ, к работе с которыми не допускаются женщины.

Имеет значение и злоупотребление алкоголем. Значительное число химических веществ усиливают свое действие в присутствии алкоголя. Даже незначительные дозы малотоксичных веществ оказываются весьма опасными даже в состоянии легкого опьянения.

Следующим фактором, определяющим токсический эффект химических веществ, является их концентрация в воздухе производственных помещений. Чем выше концентрация газов и паров в воздухе, тем сильнее токсическое действие их. Для наиболее распространенных промышленных ядов установлена зависимость между концентрацией, продолжительностью и характером действия. Так, сильное токсическое действие окиси углерода сказывается, когда произведение продолжительности воздействия (в часах) на концентрацию (в мг/м куб.) равно 1700.

С целью предупреждения вредного воздействия на организм химических веществ производится регламентирование их содержания в различных средах (в воздухе производственных помещений, в атмосферном воздухе, воде водоемов).