I.2. Диоксины - объект науки

Диоксины - фундаментальный фактор техногенного загрязнения живой и неживой природы

Л.А. Федоров

В последние четверть века к обширному перечню экологических бед, угрожающих цивилизации, добавилась еще одна - опасность общепланетарного отравления среды нашего обитания диоксином и родственными соединениями [1-277].

Диоксин и многочисленная группа диоксиноподобных веществ - это чужеродные живым организмам вещества (ксенобиотики), поступающие в живую и неживую природу с продукцией или отходами многочисленных технологий. В отличие от множества других ксенобиотиков, например хлорорганических пестицидов, диоксины никогда не являлись целевой продукцией человеческой деятельности, а лишь сопутствовали ей в виде микропримесей [91,92]. Поэтому негативные воздействия микропримесей диоксинов на живое вещество планеты на фоне действия тысяч и миллионов других техногенных выбросов многие десятилетия оставались незамеченными. Однако именно микропримеси диоксинов, характеризующихся комплексом необычных физико-химических свойств и уникальной биологической активностью, могут стать одним из источников опаснейшего долговременного заражения биосферы. И эта опасность несравненно более серьезна, чем заражение природы многими другими веществами, например хлорорганическими пестицидами [177].

Диоксин и родственные соединения непрерывно и во все возрастающих масштабах генерируются цивилизацией в последние полвека, выбрасываются в природную среду и накапливаются в ней. Этот процесс не знает ни пределов насыщения, ни национальных границ. В настоящее время ситуация такова, что концентрация диоксинов в гидросфере и литосфере может достичь критических значений и поражение живого вещества может принять необратимый характер.

I.1. Рождение проблемы

История "знакомства" человечества с диоксинами восходит к 30-м годам, когда развитие широкомасштабного производства и применения полихлорфенолов привело к появлению массовых профессиональных заболеваний хлоракне (рецидивирующее воспаление сальных желез) [163,164,169,170], хотя само это заболевание известно с 1899 г. [278].

География распространения хлоракне значительно расширилась в 40-50-е годы в связи с созданием во многих странах крупнотоннажных производств 2,4,5-трихлорфенола (ТХФ), а также производств получаемых из него 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4,5-Т), антибактериального препарата гексахлорфена (ГХФ) и т.д. Описаны многочисленные случаи острого отравления персонала этих производств в процессе эксплуатации, в том числе в результате аварий, первая из которых случилась в США еще в 1949 г. [279]. В последующем было показано, что рецидивы хлоракне у многих пораженных проявлялись даже спустя несколько десятилетий после отравления [168,169].

Источник этих поражений был установлен и описан в 1956-1957 г. одновременно несколькими группами исследователей [280-285]. Им оказался 2,3,7,8-тетрахлордибензо-n-диоксин (2,3,7,8-ТХДД) I, образующийся в виде микропримеси при промышленном получении 2,4,5-ТХФ [281,282]. Поступая с последним в технологические цепи и затем в конечную продукцию (гербициды, антибактериальные препараты и т.д.) и отходы, I приводил, как выяснилось в дальнейшем, не только к заболеваниям хлоракне, но и к другим поражениям, включая острые, подострые и хронические отравления [142,153,155].

Одновременно с диоксином I в качестве хлоракнегенного фактора постулировался и 2,3,7,8-тетрахлордибензофуран (2,3,7,8-ТХДФ) II [284]. Однако особое внимание к себе этот ксенобиотик привлек как микропримесь к полихлорбифенилам (ПХБ), широко используемым в качестве жидких диэлектриков, теплоносителей, гидравлических жидкостей и т.д. Обусловленные ксенобиотиоком II массовые поражения людей (в 1968 г. в Японии [43,178,179,182] и в 1979 г. на Тайване [179-181,286]) были связаны с попаданием ПХБ в рисовое масло, что привело к так называемой болезни Юшо - Ю Ченг (острое поражение печени, сопровождающееся многочисленными побочными эффектами) [178-182].

Было показано также, что 2,3,7,8-ТХДД и 2,3,7,8-ТХДФ, равно как и многие другие представители полихлорированных дибензо-n-диоксинов (ПХДД) III и полихлорированных дибензофуранов (ПХДФ) IV, имеют сходные токсикологические характеристики, если атомы хлора занимают четыре латеральных 2,3,7,8-положения [287]. Всего же гомологов и изомеров, составляющих ряды ПХДД и ПХДФ, в принципе должно быть соответственно 75 и 135 [288].

Наличие микропримесей диоксинов ПХДД и ПХДФ с фрагментами 2,3,7,8-Cl4 в продукции хлорных производств явилось причиной многочисленных поражений людей в различных странах мира в 60-70-е и даже 80-е годы [81,82,85,113,144,235]. Их попадание в корм неоднократно наносило ущерб бройлерной промышленности США [289]. Поражение людей и длительное заражение диоксинами различных объектов наблюдалось многократно и в непромышленной сфере, например при непродуманной утилизации отходов хлорных производств [119,132-134,218,290-293], при пожарах на электросиловых точках, где сосредоточено большое количество полихлорвиниловых изоляционных материалов или имеются трансформаторы (конденсаторы), заполненные ПХБ, в том числе в смеси с хлорбензолами [85,97,125,127,294].

Установлено также, что не менее, а в ряде случаев и более опасными, чем полихлорированные производные ПХДД и ПХДФ, являются также те из полибром- [295-302] и смешанных полихлорбромсодержащих [301-303] дибензо-n-диоксинов и дибензофуранов V-VIII, которые имеют фрагмент 2,3,7,8-Hal4. Они образуются в качестве побочных продуктов галогенорганических производств, при сжигании топлив в присутствии соединений брома, а также при переработке или уничтожении промышленных и бытовых отходов.

Важно, однако, подчеркнуть, что кислородными галогенированными трициклами типа III-VIII высокотоксичные диоксины не исчерпываются. В ряде сообщений уже обсуждается высокая биологическая активность серных аналогов ПХДД и ПХДФ [304,305]. В частности, установлена высокая токсичность дисерного аналога 2,3,7,8-ТХДД [304]. Некоторые из серных производных обнаружены в выбросах мусоросжигательных печей (МСП)[305]. Таким образом, в последующие рассмотрения должны включаться S- и S,O-аналоги полигалогенированных дибензо-n-диоксинов, а также S-аналоги дибензофуранов:

Рассмотрение вопроса о структуре центрального цикла диоксиновых соединений показало, что оно допускает серьезные вариации. Так, оказалось, что биологической активностью, характерной для 2,3,7,8-ТХДД и вообще диоксиноподобных веществ, обладают также многие другие ароматические галогенорганические соединения, имеющие фрагмент 2,3,7,8-Hal4. В их числе некоторые трициклические производные, например полихлор-, полибром- и смешанные полихлорбромсодержащие ксантены IX, ксантоны Х и бифенилены XI [306,307], структурно более сложные кватерфенилы [77,79,187] и т.д. Список этот пока не окончен.

Наконец, выяснилось, что к числу биологически активных галогенорганических соединений рассматриваемого типа относится также ряд классов бициклических производных. Среди ПХБ XII, например, найдены изомеры, сравнимые по токсичности с примесными к ним полигалогендибензофуранами IV, VI и VIII [182]. В число рассматриваемых соединений входят также ряд полихлоразо- и полихлоразоксибензолов XIII и XIV [171,172,308]:

По-видимому, и этот перечень нельзя считать завершенным.

Многие из указанных три- и бициклических соединений диоксинового типа сопутствуют химической и иной продукции, производимой цивилизацией, и представляют опасность для биосферы сами по себе. Однако некоторые из них являются также предшественниками в живой и неживой природе других ксенобиотиков, например особо токсичных веществ 2,3,7,8-ТХДД и 2,3,7,8-ТХДФ.

Схемы 1 и 2, составленные по уже имеющимся данным, дают некоторое представление о редком по сложности структурном разнообразии всего массива рассматриваемых диоксинов. Легко видеть, что если ретроспектива диоксиновой опасности более или менее поддается пониманию, каким-то обобщениям и оценкам, то в отношении перспектив ситуация не столь оптимистична. Тут цивилизацию может ожидать много неожиданностей.

Совокупность указанных обстоятельств определила довольно острую реакцию, с которой мировое сообщество отнеслось к появлению сравнительно новой экологической опасности, каковой оказалась диоксиновая проблема.

I.2. Диоксины - объект науки

История овладения научным сообществом знаниями о диоксинах как экологической опасности общепланетарного масштаба богата событиями и по-своему драматична. После первых статей о 2,3,7,8-ТХДД, опубликованных в 1956-1957 гг. и содержавших главным образом медицинскую информацию [280-285], за отдельными исключениями [309-311], на эту проблему легла многолетняя завеса молчания. Объясняют этот феномен обычно соображениями секретности [91], связанными с такими токсикологическими характеристиками веществ типа 2,3,7,8-ТХДД и 2,3,7,8-ТХДФ, что их стали называть смертельными молекулами, суперядами и т.д. [170,312]. Соответственно, у определенных слоев общества возникал соблазн рассматривать диоксины как прямое средство ведения химической войны [313]. Гербицидная война США во Вьетнаме, невольным участником которой стал высокотоксичный 2,3,7,8-ТХДД, подтверждает небеспочвенность этой мысли.

Однако с конца 60-х годов покров тайны, который окутывал диоксиновую проблему в странах Запада, был в значительной мере сброшен, причем в первую очередь именно в США. Опасность диоксинов, в том числе опасность долговременного заражения диоксинами живой и неживой природы, оказалась объектом внимания исследователей промышленно развитых стран. Еще задолго до окончания войны во Вьетнаме в научной печати появился ряд острых и очень доказательных предостережений о диоксиновой опасности [314-317].

Были опубликованы также многочисленные научные данные, касающиеся большинства важнейших аспектов диоксиновой проблемы. Стало известно, например, о содержании ПХДД в обращающихся на сельскохозяйственном рынке гербицидах [318-321] и хлорфенолах [322,323], а также ПХДФ в коммерческих ПХБ [287]. Были опубликованы данные о распределении и бионакоплении диоксина в водных экосистемах [324,325], об их подвижности [326] и устойчивости [327] в почве, о фоторазложении диоксинов в природных условиях [328] и вообще об их устойчивости при различных воздействиях [329-331], об их образовании при пиролитических процессах [332]. Появились и первые сообщения о взаимоотношении диоксинов с живыми организмами [325,333-341], в том числе с растительными [333] и животными [335-340], а также о токсикологии диоксинов и механизме их токсического действия [140,155,342-345].

В начале 70-х годов достоянием научного сообщества стали первые результаты анализа промышленных аварий на хлорфенольных производствах США [346], Великобритании [347,348], Германии [349], Чехо-Словакии [350] и Нидерландов [351] с однозначным указанием на их диоксиновую природу. Были опубликованы данные изучения заболеваний людей (хлоракне) [164,352] и домашних животных [289] в связи с их диоксиновым происхождением, а также об опасных для здоровья людей количествах диоксина, найденных в коммерческом ГХФ, применяемом в фармацевтических целях [248,353].

Наконец появились многочисленные публикации, характеризующие стандартные химические данные об этих веществах - о методах синтеза диоксиновых ксенобиотиков [354-357] и о методах определения диоксинов в различного рода объектах [248,319,358-360]. Стали известны физико-химические характеристики 2,3,7,8-ТХДД и октахлордибензо-n-диоксина (ОХДД) [355], а также данные дифрактометрии [361,362] и спектроскопии ЯМР 13С [356], относящиеся ко многим диоксиновым производным.

Следует еще раз подчеркнуть, что все эти данные были опубликованы в 1968-1974 гг., т.е. задолго до окончания войны во Вьетнаме (1975 г.), причем часть материалов была обнародована до окончания химического этапа этой войны, завершившегося в 1971 г. В последующие годы поток сообщений по диоксиновой проблематике приобрел лавинообразный характер [89]. Таким он остается до наших дней.

Полог секретности над диоксиновой проблемой сохранился лишь в бывшем СССР. Это ненормальное положение существовало многие годы, и лишь с конца 1989 г. начало несколько изменяться [59,60,92-95].

Вскоре после проведения первых официальных обсуждений диоксиновой проблемы и появления первых научных публикаций начались также научные конференции, симпозиумы, коллоквиумы и семинары, подавляющее большинство из которых завершилось обнародованием всех трудов [1,2,36-42,46-48,62-74,76,79,80,86]. К настоящему времени опубликованы многочисленные обзорные работы, сборники и монографии [1-245], посвященные диоксиновой проблеме в целом и отдельным ее аспектам. Защищены многочисленные научные диссертации [246-277].

Первый симпозиум по проблеме "Хлордиоксины - их источники и судьба" был организован в США в рамках 162-й ежегодной конференции Американского химического общества, по существу, одновременно с прекращением гербицидной войны США во Вьетнаме (Вашингтон, сентябрь 1971 г.) [1]. Спустя два года в США состоялась специальная научная конференция "Перспективы хлорированных дибензодиоксинов и хлорированных дибензофуранов" [2]. В дальнейшем аналогичные научные конференции, семинары и коллоквиумы проводились неоднократно в ряде других стран: Италии (1976,1985) [41,74], Швеции (1977) [36], Германии (1987) [46], Дании (1987) [47] и т.д. Однако особенно интенсивно эта проблема по-прежнему исследовалась в США, где научные конференции по различным аспектам диоксиновой проблемы проходили как в рамках встреч Американского химического общества [37-39], так и специально [2,35,40,42,76,80].

Во второй половине 70-х годов стало ясно, что опасность диоксинов как веществ, относящихся к разряду суперэкотоксикантов, приобрела общепланетарные масштабы. Как следствие в эти годы в химической экологии возник совершенно иной - хемосферный - подход к проблеме. Он рассматривает живые организмы главным образом в аспекте их взаимодействия со всей совокупностью непрерывно влияющих на них химичеcких веществ. В рамках этого подхода оформилась и специальная дисциплина - экотоксикология.

В целом, однако, диоксиновая проблема в силу своей сложности и многообразия сложилась как проблема сугубо междисциплинарная, новые грани которой могут возникать с самой неожиданной стороны. Одно из проявлений именно этого аспекта диоксиновой проблемы - обнаружение диоксинов (1977-1978 гг.) в выбросах МСП [288,363,364].

Это и ряд других обстоятельств подтолкнули западные страны к организации серьезных исследований на международной основе. В 1978 г.[76] и в 1981 г.[79] в США состоялись международные научные конференции, посвященные воздействию галогенированных углеводородов, в особенности соединений диоксинового типа, на здоровье человека. Ряд научных встреч и программ был осуществлен Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) [46], в том числе в рамках Международного агентства по исследованию рака [33]. В частности, с 1985 г. действует программа ВОЗ "Диоксин в грудном молоке женщин" [27,28]. Масштабную программу работ по оценке диоксиновой проблемы осуществила в 1985-1988 гг. специальная рабочая группа НАТО [50-58,365]. Была осознана необходимость международного сотрудничества при утилизации отходов хлорных и иных промышленных производств [47-49].

По-видимому, этапным для диоксиновой проблемы следует считать 1980 г. В этом году в США были изданы книги, посвященные этой проблематике в целом и наиболее полно систематизирующие всю совокупность знаний, накопленных цивилизацией к тому времени [3,77,84]. В том же году началось осуществление широкого и планомерного международного сотрудничества по исследованию проблемы диоксина в рамках ежегодных научных конференций "Диоксин и родственные соединения": Рим (Италия) - 1980 г. [62], Арлингтон (США) - 1981 г. [63], Зальцбург (Австрия) - 1982 г. [64], Оттава (Канада) - 1984 г. [65], Байрет (Германия) - 1985 г. [66], Фукуока (Япония) - 1986 г. [67], Лас Вегас (США) - 1987 г. [68], Умеа (Швеция) - 1988 г. [69], Торонто (Канада) - 1989 г. [70], Байрет (Германия) - 1990 г. [71], Триангл Парк (США) - 1991 г. [72], Тампере (Финляндия) - 1992 г. [73].

Участники этих конференций рассматривают и пересматривают все аспекты диоксиновой проблемы как проблемы сугубо междисциплинарной - образование и распространение диоксинов в природе, их опасность для человека и природы, механизм действия диоксинов на живые организмы, пути и способы защиты от диоксинов, в том числе обеззараживания и т.д. В рамках этих конференций действуют также более узко специализированные симпозиумы. В частности, в 1990 г. был подробно проанализирован галогенорганический синтез как один из серьезнейших источников появления и накопления диоксинов в природе. Результаты всех этих конференций опубликованы [62-72].

В последнее же десятилетие актив международного сообщества ученых пополнился двумя принципиальными достижениями, связанными с многоликостью опасности диоксинов. Одно из них - это обоснование идеи суммирования токсических эффектов различных веществ с помощью единого показателя (так называемого диоксинового эквивалента, ДЭ), за основу которого взят 2,3,7,8-ТХДД [24,56,57,70,148]. Второе достижение - это разработка и широкое внедрение в аналитическую практику целостной методологии определения микроколичеств диоксиновых соединений на фоне большой макрокомпоненты органических веществ, обращающихся в живой и неживой природе [160,188,191-193,198-202,205,206,210].

Схема 3 дает некоторое представление об основных фактах и событиях, связанных со вторжением диоксинов в жизнь цивилизации.

1872 г. - Впервые синтезирован хлорированный диоксин ОХДД

1948 г. - Болезнь хлоракне признана профессиональным заболеванием (Великобритания)

1948 г. - 2,4,5-Т зарегистрирован в США в качестве пестицида

1949 г. - Первая промышленная авария, связанная с производством 2,4,5-Т и массовым поражением работников 2,3,7,8-ТХДД (фирма "Монсанто", Нитро, США)

1957 г. - Диоксин найден как примесь в гербициде 2,4,5-Т

1957 г. - Впервые синтезированы высокотоксичные диоксины 2,3,7,8-ТХДД и 2,3,7,8-ТБДД

1961-1962 гг. - Диоксиновые поражения при взрывах на производстве 2,4,5-ТХФ (ПО "Химпром", Уфа)

1962-1970 гг. - Дефолиант 2,4,5-Т, содержавший примесь 2,3,7,8-ТХДД, использован во время войны во Вьетнаме

1965-1967 гг. - Массовое поражение работников ПО "Химпром" (Уфа) при производстве гербицида 2,4,5-Т

1970 г. - Сообщение о тератогенности и эмбриотоксичности диоксинов в опытах на животных

1971 г. - Первая научная конференция "Хлордиоксины - источники и судьба" (США)

1971 г. - EPA США исключило использование гербицида 2,4,5-Т для защиты большинства продовольственных культур

1971 г. - Заражение диоксинами большой территории штата Миссури,США (обнаружено в 1982 г.)

1972 г. - В США резко ограничено гигиеническое использование ГХФ, содержащего примесь 2,3,7,8-ТХДД

1976 г. - Взрыв на заводе фирмы ИКМЕСА и заражение окрестностей Севезо (Италия)

1977 г. - Диоксины найдены в выбросах МСП (Нидерланды)

1980 г. - Первая ежегодная международная научная конференция "Диоксины и родственные соединения" (Италия)

1980 г. - Диоксины обнаружены в выхлопных газах автомобилей

1980 г. - Установлен период полураспада диоксина в почве (> 10 лет)

1984 г. - Диоксины найдены в молоке

1985 г. - Диоксины обнаружены в выбросах целлюлозно-бумажной промышленности (Швеция, США)

1992 г. - 12-я ежегодная международная научная конференция "Диоксины и родственные соединения" (Финляндия)

Схема 3. Хронология некоторых событий, относящихся к диоксиновой проблеме

Выполненная исследователями работа имела естественные материальные и организационные следствия. В ряде западных стран - США, Канаде, Великобритании, Германии, Швеции, Японии, Дании и т.д.- комплекс проблем, связанных с диоксинами, занял одно из важнейших мест в государственных экологических и эколого-экономических программах. В этих странах изданы многочисленные официальные справочно-нормативные документы по диоксиновой проблематике [4-25]. Изданы также официальные справочные документы международных организаций - ВОЗ, НАТО и т.д.[26-34,50-58].

Лишь в бывшем СССР диоксиновая проблема не заняла пока места, адекватного опасности, которую она представляет для жизни цивилизации. Об этом можно судить, например, по содержанию ежегодных официальных докладов экологических ведомств бывшего СССР и России [366-369]. Существование этой проблемы в них не упоминается. Не обсуждается она и в последнем издании, подробно освещающем вопросы химии и технологии галогенорганических соединений [370].