Ugrás a tartalomhoz

Környezetegészségtan

Sárváry Attila (2011)

Debreceni Egyetem

1. fejezet - Környezeti expozíciók

1. fejezet - Környezeti expozíciók

A környezeti expozíciók mértékét meghatározó tényezők és a környezeti eredetű egészségkárosodások kialakulásában szerepet játszó folyamatok

A xenobiotikumok emissziója, környezetbe jutásának módjai

Az emberi tevékenység által a környezetbe jutott xenobiotikumok élő szervezetekre gyakorolt toxikus hatásainak érvényesülésében számos egymást követő folyamat játszik szerepet. Ezek közül az első az időegység alatt a környezetbe került toxikus anyag mennyiség, vagyis az emisszió, melynek során a különböző szennyező forrásokból a kémiai anyagok a levegőbe, a felszíni vizekbe és a talajba, azaz a három alapvető környezeti elembe, vagy más néven a környezeti mátrixokba kerülnek. Ebben a fejezetben azt tárgyaljuk, hogy az expozíció mértéke és gyakorisága alapján a környezet-egészségtani szempontból legfontosabb vegyi anyagok miként jutnak a környezeti mátrixokba.

A xenobiotikumok emissziója a levegőbe

A légkör alsó rétegét, a troposzférát szennyező anyagok természetes úton és az emberi tevékenység következtében jutnak a levegőbe. Természetes szennyező forrásokból származik a kozmikus por, a szél által felkavart és tovasodort talajpor, a vulkáni kitörések gázai, az erdő és szavannatüzek égéstermékei, valamint az élő, és elhalt szervezetek gáz halmazállapotú bomlástermékei. Ezek az anyagok okozzák a légkör globális háttérszennyezettségét.

Az antropogén szennyező források közül az emisszió mértéke alapján a legjelentősebb a közúti, vízi és légi közlekedés, mert a statisztikai adatok szerint a belső égésű motorok kipufogógázai felelősek a mesterséges forrásokból eredő összes szennyeződés kb. 50%-áért. Az ipar részesedése a légszennyezők emissziójából országonként változó, általában 20-30% között változik. A különböző ipari üzemek, a fosszilis tüzelőanyagokat (szén, kőolaj, földgáz) felhasználó hőerőművek, a fémfeldolgozók, az olajfinomítók, a kokszolók, a vas- és cementgyárak, a vegyipari létesítmények kéményeiből a legkülönbözőbb gáz és szilárd halmazállapotú xenobiotikumok juthatnak a levegőbe.

Az emberi tevékenységből származó emisszió maradék 20-30%-a a háztartási tüzelésből, valamint a kommunális, a mezőgazdasági és az ipari hulladékok, továbbá a veszélyes hulladékok égetéséből ered.

Jelentősebb épülettüzek, ipari katasztrófák és nukleáris balesetek során egy-egy vegyület, vagy vegyületcsoport, illetve radioaktív izotópok nagy mennyiségben kerülhetnek a troposzférába.

Az említett forrásokból sokféle xenobiotikum fordulhat elő a levegőben, környezet-egészségügyi szempontból azonban a légszennyezés megközelítőleg 90%-áért felelős a szénmonoxid, a kén-dioxid, a nitrogén-oxidok, a levegőben szuszpendált részecskék, az ózon és az ólom a legfontosabbak. Emellett jelentős szennyezők még a fluor és vegyületei, az illékony szerves vegyületek [ volatile organic compounds, (VOC-k) ] és a policiklusos aromás szénhidrogének [ polycyclic aromatic hydrocarbons, (PAH-k) ].

1.1. ábra - Xenobiotikumok bejutása a levegőbe

Xenobiotikumok bejutása a levegőbe

Szén-monoxid

Szén-monoxid keletkezik minden szerves anyag tökéletlen égésekor. Fő forrásai a háztartások, a távfűtőművek, a hőerőművek, a vegyipari üzemek kéményei. A fejlett motorizációjú országokban a szén-monoxid emisszió megközelítőleg kétharmada a belső égésű motorokból származik.

Kén-dioxid

A kén-dioxid természetes szennyező forrásai a vulkánok, melyek kitörésekor nagy mennyiségben jut a levegőbe. Ennél azonban sokkal több kén-dioxid kerül a troposzférába a fosszilis tüzelőanyagok égése során, mivel azok változó arányban tartalmaznak szerves és szervetlen kénvegyületeket. Általában a szén és a kőolaj kéntartalma magasabb, mint a földgázé. Jelentősebb forrásai a szilikát-, a mész-, a papír-, a cementipari üzemek, valamint a vas- és fémkohászati üzemek, a kénsavgyárak, a szén- és olajtüzelésű hőerőművek kéményei.

Nitrogén-oxidok

A fosszilis tüzelőanyagokban nemcsak kén-, hanem nitrogénvegyületek is találhatók, ezért égésük során nitrogén-oxidok [(NO)x] is képződnek. A folyamatban többféle nitrogéntartalmú gáz keletkezik, közülük a legfontosabbak a nitrogén-monoxid (NO), dinitrogén-oxid (N2O) és a nitrogén-dioxid (NO2). Emissziójuk forrásai a hőerőművek, a műtrágyagyárak a robbanóanyag-ipari üzemek és a háztartások kéményei. Ezen kívül becslések szerint a nitrogén-oxidok emissziójának 50%-a a szárazföldi, a vízi és a légi közlekedési eszközök motorjaiból, illetve hajtóműveiből ered. Itt szükséges megjegyezni, hogy NO-ból keletkezik a legfontosabb másodlagos légszennyező, az ózon.

Ólom

Az 1980-as évek közepéig a motorbenzinhez adott szerves ólomvegyületek (ólom-teraetil, ólom-tetrametil) miatt igen jelentős volt a benzinüzemű gépjárművekből származó ólom emissziója. Az ólommentes benzin bevezetésével azonban világszerte nagymértékben csökkent a troposzférába került ólom mennyisége. De kis koncentrációban napjainkban is kimutatható a nagyobb városok levegőjében, mivel az ólom természetes szennyezőként előfordul a kőolajban.

Levegőben szuszpendált részecskék

Szuszpendált részecskéknek nevezzük a levegőbe kibocsátott szilárd és folyadék halmazállapotú mikrorészecskék keverékét. A részecskék méretükben és kémiai összetételükben jelentősen különböznek. A levegőbe egyaránt kerülhetnek természetes (vulkánok, erdőtüzek), és mesterséges (belső égésű motorok, minden olyan létesítmény, ahol fosszilis tüzelőanyagot használnak, fém- ipari üzemek) szennyező forrásokból. A méretüket az aerodinamikai átmérővel (da) jellemezzük. (Az aerodinamikai átmérő nem azonos a geometriai átmérővel, mivel az a részecske geometriai felépítésétől és sűrűségétől függ.) Környezet-egészségtani szempontból három részecskefrakciónak, a durva (da: kisebb vagy egyelő 10 µm-rel és nagyobb 2,5 µm-nél; jele: PM-10; a PM a  „particulate matter” angol szavak kezdő betűire, a szám az aerodinamikai átmérőre utal), a finom (da: kisebb vagy egyenlő 2,5 µm –rel és nagyobb, mint 0,1 µm; jele: PM-2,5) és az ultrafinom (da: kisebb vagy egyenlő 0,1 µm-rel; jele PM-0,1) részecskéknek van. A durva részecskék emissziója főleg természetes szennyező forrásokból történik, és a talajról származó port, növényi polleneket, gomba spórákat és bakteriális eredetű endotoxinok aeroszoljait tartalmazák. A finom és ultrafinom részecskék a fosszilis tüzelőanyagok égése során keletkeznek. Szénből álló magjuk felületén különböző szerves vegyületek kötődhetnek meg. Közülük a legjelentősebbek a szerves anyagok tökéletlen égésekor képződő policiklusos aromás szénhidrogének. Ugyancsak adszorbeálódhatnak a részecskékhez a fém- és az üvegipari, valamint az elektrotechnikai üzemekből a levegőbe jutó vas, mangán, cink, réz, nikkel, vanádium, ólom, kadmium és higany. Ezen kívül ebben a frakciókban találhatók még a másodlagos szulfát és nitrát részecskék. Valamennyi részecskefrakció közül az ultrafinomak tartalmazzák a legtöbb, különösen toxikus PAH-ket.

Fluor és vegyületei

Gáz halmazállapotú fluor és hidrogén-fluorid juthat a troposzférába a szén égésekor annak fluortartalmától függően az alumínium- az üveg-, a porcelánipari üzemek és a műtrágyagyárak kéményeiből. Ezen kívül különböző fluoridok a levegőben szuszpendált részecskékhez is adszorbeálódhatnak.

Illékony szerves vegyületek

Az illékony szerves vegyületek tekintélyes része a közlekedési eszközök üzemanyagainak tökéletlen égése során a kipufogógázzal, valamint párolgással gőzök formájában kerülnek a levegőbe. Emissziójuk jelentős még a műanyag- és műgyantagyárakból. Az VOC-k csoportjába különböző telített (metán, etán) és telítetlen (etilén) szénhidrogének, aldehidek (formaldehid), ketonok (aceton), szerves savak (ecetsav) és aromás szénhidrogének (benzol, toluol, xilol, etil-benzol) tartoznak. Az VOC-k fontos szerepet játszanak a másodlagos légszennyezők képződésében.

A xenobiotikumok emissziója a felszíni vizekbe

A felszíni vizek eredetileg is tartalmaznak elsősorban geológiai eredetű természetes szennyezőket, de a xenobiotikumok legnagyobb része antropogén forrásokból, az ipari, a mezőgazdasági, a kommunális szennyvizekkel, illetve a szilárd hulladékokból jut közvetlenül a felszíni vizekbe.

A világszerte, főleg a fejlett ipari országokban megtett környezetvédelmi intézkedések hatására várhatóan egyre kevesebb tisztítatlan szennyvizet ürítenek a felszíni vizekbe. A magas tisztítási költségek miatt azonban még a legfejlettebb államokban is csak a szükséges, az adott országban érvényes jogszabályok és szabványok által előírt mértékig végzik el a különböző eredetű szennyvizek tisztítását. Bár a szennyvizek (elsősorban a kommunális és mezőgazdasági) számos mikroorganizmust tartalmazhatnak, a továbbiakban a velük a legnagyobb mennyiségben, és a leggyakrabban előforduló kémiai szennyezőket, és forrásaikat tekintjük át.

Ipari szennyvizek

Az ipari tevékenységtől függően sokféle szerves és szervetlen vegyület kerülhet a felszíni vizekbe. A vegyipari folyamatok során keletkezett szennyvizekben jellemző módon, és változó koncentrációban található benzol, toluol, xilol, triklór-etán, tetraklór-etilén, valamint egyéb szerves oldószerek okozhatnak szennyeződést.   A fémipari üzemek és fémfeldolgozók szennyvizei fluoridokkal, kromátokkal, cianidokkal, továbbá nehézfémekkel, köztük ólommal, higannyal, kadmiummal, nikkellel, kobalttal és rézzel szennyezhetik a felszíni vizeket.   A külszíni bányaüzemek és színesfémdúsítók szennyvizeiből vas, higany és cianidok juthatnak a felszíni vizekbe. A kátrány- és olajfeldolgozók szennyvizeiből fenolok és policiklusos aromás szénhidrogének, a növényvédő szereket gyártó üzemekből peszticidek, a papírgyárakból klór-fenonolok okozhatnak szennyeződést.

Mezőgazdasági szennyvizek

A mezőgazdasági művelésű területekről a talaj felszínéről esőzések alkalmával a felszíni vizekbe nitrogén- és foszfortartalmú műtrágyák, növényvédő szerek mosódhatnak be. Ökológiai szempontból különösen veszélyesek az említett műtrágyák, mivel azok nagy mennyiségben a vízben élő kék és zöld algák elszaporodását, ezáltal a felszíni vizek eutrofizációját idézhetik elő. Az eutrofizáció lényeges hatást gyakorolhat a felszíni vizek élővilágára, pl. halpusztulás idézhet elő. Emellett a mezőgazdaságban alkalmazott szerves trágyák lebomlása során az ammóniából oxidációval képződő nitritek és nitrátok, valamint a növényvédő szerek szennyezhetik a talajvizet.

1.2. ábra - Mezőgazdasági szennyvizek

Mezőgazdasági szennyvizek

Kommunális szennyvizek

A tisztítatlan és részben tisztított kommunális szennyvizekkel kloridok, szulfátok, a háztartási mosószerekben található foszfátok és anionaktív detergensek kerülhetnek a felszíni vizekbe. Emellett a bennük lévő nagy mennyiségű szerves anyag lebomlása során keletkező nitrogénvegyületek és a foszfátok a mezőgazdasági szennyvizekhez hasonlóan eutrofizációt okozhatnak. Ma már bizonyított, hogy a kommunális szennyvizek tartalmaznak a női ösztrogén hormonokhoz hasonló kémiai szerkezetű vegyületeket, melyek szennyezhetik a felszíni vizeket. Közülük a legismertebbek az alkil-fenolok, a bisz-fenol-A, az alkil fenol etoxilátok. Ugyancsak kimutathatók a háztartási szennyvizekben a tömegesen használt gyógyszerek, elsősorban a fájdalomcsillapítók és lebomlási termékeik, valamint több, a fogamzásgátlókban használatos természetes és szintetikus hormon is.

1.3. ábra - Kommunális szennyvizek

Kommunális szennyvizek

A felszíni vizek egyéb szennyező forrásai

Olajkutak közelében, olajvezetékek törésekor, tartályhajók töltésekor és ürítésekor, hajóbalesetek alkalmával a kőolaj és származékai, továbbá az azokban előforduló policiklusos aromás szénhidrogének idézhetnek elő szennyeződést. Üzemzavar, vagy nukleáris balesetek esetén radioaktív izotópok juthatnak az atomerőművekből a felszíni vizekbe. Környezet-egészségügyi szempontból a legveszélyesebbek a stroncium 90-es, a jód 131-es és a cézium 137-es tömegszámú izotópjai. Az eutrofizáció során elszaporodott kék és zöld algákból az általuk termelt toxinok koncentrációja állóvizekben megnövekedhet. A legjelentősebb alga toxinok a mikrocisztin, a nodularin, a saxitoxin, a különböző anatoxinok és lipopoliszacharidok.

A xenobiotikumok emissziója a talajba

A talaj legfontosabb szennyezői az oda illegálisan, vagy nem megfelelő módon elhelyezett szilárd kommunális, ipari és mezőgazdasági nem veszélyes, valamint veszélyes hulladékokból, és azok lerakó helyeiről kerülhetnek ki. Az ipari nem veszélyes hulladékok legjelentősebb kibocsátói a bányászat, az elektromos energia-, az építőanyag-, a textil-, a papír- és az élelmiszeripar, míg a veszélyeseké a vegy-, a fém-, a gép-, valamint az élelmiszeripar. A szervetlen szennyezők közül az alumíniumkohók környékén a talaj fluorid-, galvanizáló üzemek mellett a kromát- és a cianid-, kohók körzetében a nehéz- és színesfém-, akkumulátorgyáraknál az ólomtartalma növekedhet meg.

1.4. ábra - Illegálisan elhelyezett kommunális hulladék

Illegálisan elhelyezett kommunális hulladék

A mezőgazdasági termelés során keletkezett nagy mennyiségű nem veszélyes hulladékok növényi és állati eredetű szerves anyagokat, a veszélyesek pedig főleg növényvédő szereket, és azok szennyezett csomagolóanyagait tartalmazzák. Ezen kívül a mezőgazdaságban széles körben alkalmazott növényvédő szerek szennyezik a talajt, a nitrogéntartalmú műtrágyák növelik annak nitrit- és nitrát tartalmát. A foszfáttartalmú műtrágyák fokozott használata miatt a talaj kadmium koncentrációja emelkedhet meg, mivel az azok alapanyagául szolgáló kőzetekben szennyezőként előfordul a kadmium. Az egyes országokban a talajjavításra és trágyázásra alkalmazott szennyvíziszapból nehézfémek, nitritek, nitrátok, foszfátok és detergensek kerülhetnek a talajba.

1.5. ábra - Illegálisan elhelyezett kommunális hulladék

Illegálisan elhelyezett kommunális hulladék

Olajipari üzemekből, földbe süllyesztett olaj- és benzintartályokból, eltört olajvezetékekből kőolajszármazékok és fenolok, a gondatlanul a föld felszíne alatt elhelyezett radioaktív hulladékokból sugárzó izotópok juthatnak a talajba.

A xenobiotikumok transzmissziója a környezetben

Az emissziót követően a környezetbe került xenobiotikumok a szennyező forrásoktól távoli, akár országhatárokon túli helyekre is eljuthatnak. Mozgásuk történhet a környezeti mátrixokon belül, ezeket intrafázisú, míg a mátrixok közötti anyagátmeneteket interfázisú transzportfolyamatoknak nevezzük. A vegyi anyagok a transzportjuk során a fizikai és a kémiai tulajdonságaik alapján különböző arányban oszlanak meg a mátrixokban, ahol kémiai és biokémiai reakciók következtében átalakulhatnak, majd eredeti vagy megváltozott formájukban a növényi és az állati szervezetekbe jutva felhalmozódhatnak. Így a xenobiotikumok sorsát és megoszlását a környezetben a mátrixokban végbemenő intra-, illetve a mátrixok között bekövetkező interfázisú transzportfolyamatok és átalakulások határozzák meg. Ezek összességét transzmissziónak nevezzük.

A transzmisszió során lezajló fizikai (párolgás, oldódás, ülepedés), kémiai (oxidáció, redukció, hidrolízis, fotokémiai reakciók), és biokémiai (mikroorganizmusok általi lebontás, átalakítás) változások hatására nemcsak a környezetszennyezők intrafázisú koncentrációja, hanem fizikai és kémiai tulajdonságai, valamint toxicitása is lényegesen változhat. Mivel a transzmisszió befolyásolja az egészségkárosító hatások kialakulását, ebben a fejezetben azt ismertetjük, hogy mi lesz a vegyi anyagok sorsa a környezeti mátrixokban.

A xenobiotikumok transzmisszióját befolyásoló tényezők

Az intra- és interfázisú transzportot egyaránt befolyásolják a xenobiotikumok fizikai és kémiai tulajdonságai, valamint a természeti erők, meteorológiai és egyéb környezeti tényezők. A legfontosabb fizikokémiai sajátságok a kérdéses molekula tömege, polaritása, illékonysága, oldékonysága és stabilitása. A meteorológiai tényezők közül a levegő hőmérséklete, páratartalma, a légnyomás, a szél sebessége és iránya, a napsugárzás intenzitása, az egyéb környezeti változókból a folyóvíz áramlási sebessége, az áramlatok iránya és sebessége az állóvizekben, a víz pH-ja, valamint a talaj összetétele és szerkezete játssza a döntő szerepet.

Nyugalomban lévő fázisokban, a toxikus anyagok transzportja diffúzióval, a közegben fennálló koncentráció gradiens hatására lassan megy végbe. Mozgó fázisokban, a levegőben és a felszíni vizekben kialakuló áramlatok azonban gyorsabban, és távolabbra szállítják a xenobiotikumokat. Egy kémiai vegyület mátrixban való tartózkodásának időtartama függ a molekula stabilitásától. A stabil szerkezetű molekulákból álló anyagok általában a szennyező forrástól messzebbre juthatnak, és csak nagyon lassan, vagy egyáltalán nem bomlanak le. Ezért a környezeti mátrixokban évtizedekig fennmaradhatnak, és különböző arányban felhalmozódhatnak. Ezek az úgynevezett perzisztens vegyületek, melyek környezet-egészségtani szempontból különös figyelmet érdemelnek, mivel hosszú távon veszélyeztetik a környezetet és az emberi egészséget.

A xenobiotikumok sorsa a levegőben

A levegőbe főleg párolgással, ipari és lakossági szennyező források égéstermékeivel jutnak toxikus anyagok. Ezek az atmoszférában gázok, gőzök, mikrométernyi aerodinamikai átmérőjű szilárd részecskék és aeroszolok formájában vannak jelen. Az emisszió helyétől diffúzióval, a légtömegek, vízszintes irányú mozgásával (advekció), vagy a turbulens légáramlatokkal függőleges irányba gyorsan távolodnak. Nyugalmi állapotú levegőben, teljes szélcsend esetén a diffúzió dominál. A diffúzió sebessége függ a kérdéses légszennyező molekula tömegétől, a diffúziós állandójától, a levegő hőmérsékletétől és viszkozitásától, a kérdéses és az atmoszférában egyidejűleg jelenlévő molekulák közötti van der Waals kölcsönhatásoktól, valamint az adott xenobiotikum koncentráció gradiensétől. Advekció esetén a légszennyezők a szennyező forrástól gyorsan távolodnak, előrehaladásuk és koncentrációjuk függ a szél sebességétől és irányától.

A troposzférában kialakuló turbulens áramlatokkal a légszennyezők különböző magasságig juthatnak el. A troposzféra alsó, a Föld felszínétől számított 4 km-es rétegben gyakoribban a turbulenciák, ezért ebben a zónában a xenobiotikumok nagyobb valószínűséggel térnek vissza a talajhoz közeli levegőbe. Azok a légszennyezők, melyek tovább érnek, a Föld körül keringő légtömegekkel még magasabbra, akár a sztratoszférába is eljuthatnak. Abban az esetben, ha bekerülnek a troposzféra globális fel- és leszálló légáramlataiba, kontinensnyi távolságot is megtehetnek.

Az előbbiekből következik, hogy kedvező körülmények között a xenobiotikumok koncentrációja a levegőben a szennyező forrástól mért távolsággal általában fokozatosan csökken. Speciális meteorológiai és topográfiai feltételek mellett azonban a talajhoz közeli légrétegben feldúsulhatnak, ami súlyos légszennyezettségi helyzet, a szmog kialakulásához vezethet. A szmog létrejöttében döntő szerepet játszik a hőmérsékleti inverzió, melyben a levegő hőmérséklete, a normális állapottal ellentétben felfelé haladva növekszik. Jellemzően akkor következik be, ha az éjszaka folyamán a talaj fölötti légréteg lehűlésekor köd képződik. Másnap reggel a napsugarak nem tudnak kellőképpen áthatolni a ködön, ezért a talajhoz közeli levegő nem képes felmelegedni. Szélcsend esetén ez az állapot tartósan fennmarad, az alsó hideg és a felső meleg levegő nem keveredik egymással. Így a különböző forrásokból kibocsátott légszennyezők koncentrációja a talajhoz közeli légrétegben lényegesen megemelkedhet.

A szennyező forrásokból közvetlenül a levegőbe kibocsátott elsődleges légszennyezőkből kémiai, fizikokémiai és fotokémiai reakciók során másodlagos légszennyezők keletkezhetnek. A kén-dioxid kén-trioxiddá oxidálódhat. Mindkét gáz a levegőben lévő vízcseppecskékben oldódva kénsavat, illetve kénsavat tartalmazó aeroszolokat képez. A kénsav és az atmoszférában előforduló ammónia reakciójában másodlagos szulfát részecskék jönnek létre.

Ezeket a folyamatokat írják le az alábbi kémiai egyenletek.

1.6. ábra - eq_2.png

eq_2.png

1.7. ábra - eq_3.png

eq_3.png

1.8. ábra - eq_4.png

eq_4.png

1.9. ábra - eq_5.png

eq_5.png

Hasonló módon a nitrogén-oxidokból szintén savas aeroszolok és másodlagos nitrát részecskék alakulnak ki a következő módon:

1.10. ábra - eq_6.png

eq_6.png

1.11. ábra - eq_7.png

eq_7.png

1.12. ábra - eq_8.png

eq_8.png

A nitrogén-dioxidból fotokémiai úton a Nap ultraibolya sugárzásának hatására nitrogén-monoxid és oxigén gyök keletkezik, majd a gyök molekuláris oxigénnel ütközve ózont képez. Az ózon azonban a nitrogén-monoxiddal reagálva ismét nitrogén-dioxidot hoz létre:

1.13. ábra - eq_9.png

eq_9.png

1.14. ábra - eq_10.png

eq_10.png

1.15. ábra - eq_11.png

eq_11.png

A levegőbe jutott illékony szerves vegyületekből is keletkeznek másodlagos légszennyezők fotokémiai reakciókkal. Ezek közül a legismertebb az acetilperoxi gyökből és a nitrogén-dioxidból keletkező acetilperoxi-nitrát:

1.16. ábra - eq_12.png

eq_12.png

A xenobiotikumok a levegőből interfázisú transzportfolyamatokkal más környezeti mátrixokba kerülhetnek. A fosszilis tüzelőanyagok égéstermékeiből, a szén-, a kén- és a nitrogén-oxidokból képződött savas aeroszolok kicsapódva savas esők formájában, a szilárd részecskék az esőcseppekkel jutnak a felszíni vizekbe és a talajba. A levegőből a gázok és gőzök abszorpcióval vizes fázisokba, míg adszorpcióval a talajra kerülnek.  A szilárd részecskék ülepedéssel a felszíni vizek és a talaj felszínére, illetve a növények felületére rakódnak le.

A xenobiotikumok sorsa a felszíni vizekben

Az ipari, mezőgazdasági és kommunális szennyvizekkel számos xenobiotikum kerülhet a folyókba, tavakba és a tengerekbe, de azok a vízfelületen szétterülő olajszennyeződésekből is kioldódhatnak. A poláros, hidrofil molekulák könnyen feloldódnak, a vízzel nem, vagy csak nagyon  kismértékben elegyedő folyadékok emulziót, míg a szilárd részecskék szuszpenziót képeznek. A hidrofób molekulákból álló folyadékok, valamint a szilárd részecskék sűrűségüktől függően a víz felszínén maradnak, vagy leülepednek. Emellett a kémiai anyagok a felszíni vizekben természetes körülmények között is jelenlévő szuszpendált részecskék felületén adszorbeálódhatnak, majd koagulációval az üledékbe juthatnak, és feldúsulhatnak. Az adszorpció történhet az üledékek felszínén is.

Állóvizekben a xenobiotikumok transzportjának egyik módja a diffúzió, de abban fontos szerepet játszanak a tavakban, tengerekben és óceánokban kialakuló áramlások is. Az Atlanti- és a Csendes-óceánok vizének felső rétegében, az uralkodó szelek hatására létrejött fő ciklikus áramlások a szennyezőket képesek átvinni az egyik kontinensről a másikra. A transzport iránya az Északi-félgömbön az óramutató mozgásával azonos, a Délin pedig azzal ellentétes. A toxikus anyagokat azonban nemcsak ezek, hanem a le- és felfelé irányuló mélytengeri áramlások is szállíthatják.

Folyókban a xenobiotikumok a szennyezés helyétől a víz áramlásával távolodnak. A megtett távolságuk függ a folyóvíz áramlási sebességétől, a kérdéses molekula vízben való oldékonyságától és stabilitásától. A szennyező forrástól azok a vegyi anyagok jutnak a legmesszebbre, melyek jól oldódnak vízben és stabil kémiai szerkezettel rendelkeznek. Vízszintes irányú transzportjuk mértéke arányos a víz áramlási sebességével, míg a felhígulásukban és a függőleges, a folyómeder felé irányuló mozgásukban domináns szerepet játszanak a turbulens áramlások. Általában a toxikus anyagok koncentrációja a szennyezéstől mért távolsággal folyamatosan csökken. De abban az esetben, ha a víz áramlási sebessége csökken, bizonyos szakaszokon ismét feldúsulhatnak. Jellemző példák erre a tengerekbe ömlő folyók torkolatai, ahol a meder kiszélesedése miatt jelentősen lelassul az áramlás. Ilyenkor a vízben szuszpendált részecskék, és a korábban oldatban lévő fémvegyületek kicsapódva gyorsan és nagy mennyiségben ülepednek le. Később, ha a szennyeződés megszűnik, az üledékben felhalmozódott xenobiotikumok kioldódhatnak, és rövidebb vagy hosszabb ideig újra vizes fázisba kerülhetnek.

Az oldott fémvegyületek azonban nemcsak a folyótorkolatokban, hanem ott is kicsapódhatnak, ahol a víz pH-ja megváltozik. Így például a fémeket tartalmazó szennyvizek általában savasak, pH-juk alacsony. Ha tiszta folyóvízzel keverednek, az elegy pH-ja megnő, ami a fémvegyületek kicsapódását, majd leülepedését idézi elő.

A folyók, tavak és tengerek üledékeibe jutott xenobiotikumok transzmisszióját bonyolult fizikai, kémiai és biokémiai folyamatok határozzák meg. A toxikus anyagok kémiai és biokémiai transzformációját döntően befolyásolja a víz és az üledék oxigénkoncentrációja. Általában minél mélyebben helyezkedik el az üledék, és minél lassúbb a fölötte lévő víz áramlása, annál kevesebb oxigént tartalmaz. Ezért a víz felszínéhez közeli üledékekben jellemzően oxidatív (aerob), míg a mély tavak és tengerek alján reduktív (anaerob) átalakulások mennek végbe. Viszonylag jól ismert a kétszeres pozitív töltésű fémionok és a szerves vegyületek sorsa anaerob körülmények között.

A divalens kationok közül a kadmium az üledékekben lévő szulfidokkal reagálva kadmium-szulfid formájában csapódik ki és kötődik meg. Ameddig a reakcióképes szulfidok mennyisége meghaladja a kadmiumét, addig az üledékekkel érintkező és a felette lévő vízrétegben a fémion nem mutatható ki. Ugyanez a folyamat játszódik le a nikkel-, a cink-, az ólom-, a réz-, a higanyionok, és valószínűleg a króm-, az arzén-, valamint az ezüstionok esetében is. Másrészt az üledékekhez gyengébben kötődő fémionokat az erősebben kötődők képesek leszorítani, például a réz a kadmiumot. Az üledékekben élő anaerob baktériumok képesek átalakítani a szervetlen fémvegyületeket szervesekké. Az egyik legismertebb ilyen folyamat a szervetlen higanyvegyületek biokémiai transzformációja mono-, illetve dimetil-higannyá.

A szerves vegyületek az üledékeket alkotó részecskék felületén adszorbeálódhatnak. A kötődés erőssége, és a megoszlásuk függ az oldékonyságuktól, melyet a víz-oktanol megoszlási hányadossal (Kov) szoktak jellemezni:

Kov  = Co/Cv, ahol Co= a kérdéses xenobiotikum egyensúlyi koncentrációja a vízzel nem elegyedő oktanolos fázisban, Cv= a kérdéses xenobiotikum egyensúlyi koncentrációja a vizes fázisban

Az apoláros, stabil kémiai szerkezetű molekulákból álló szerves vegyületek vízben rosszul oldódnak, ezért a Kov értékük nagy. Ezeknek legnagyobb része erősen kötődik az üledék részecskék felszínéhez, míg a kisebbik hányaduk oldatban marad. Bizonyos idő után egyensúlyi megoszlás alakul ki az üledékhez kötött, és a vízben oldott xenobiotikum között. Azok a toxikus anyagok, melyeknek kicsi a Kov értéke, nem, vagy csak korlátozott mértékben adszorbeálódnak. Az oldatban maradt vegyi anyagok hidrolízissel, oxidációval, a víz felső rétegében fotolízissel, valamint mikroorganizmosok közreműködésével lebomolhatnak, illetve illékonyságuktól függően párolgással a levegőbe juthatnak.

A xenobiotikumok sorsa a talajban

Az ipari, bányászati és mezőgazdasági tevékenység következtében a talajba jutott xenobiotikumok, és a levegőből kiülepedett szilárd részecskék a szennyeződés helyén lerakódnak. Ezt követően a talajszemcsék felületén különböző arányban adszorbeálódhatnak és oldódhatnak a talaj pórusait megtöltő vízben. Megoszlásuk a szilárd és folyadék fázisok között függ a molekulák Kov értékétől, kémiai szerkezetétől, töltésétől, a szemcsék adszorpciós képességétől, valamint a talaj összetételétől, pH-jától és nedvességtartalmától. Hasonlóan a felszíni vizek üledékeihez, a nagy Kov-sal rendelkező toxikus anyagok erősebben, míg a kis Kov-sal bírók gyengébben kötődnek a talajszemcsékhez. Abban az esetben, ha megváltozik a talajvíz összetétele és pH-ja, akkor a szemcsékről a xenobiotikumok deszorpciója következhet be (jellemző példák erre a fémvegyületek). Az oldatban maradt szennyezők transzportja diffúzióval és a pórusok közötti víz áramlásával megy végbe, a szállított mennyiségük arányos a pórusvíz áramlási sebességével. Könnyen mélyebbre jutnak és szennyezhetik a talajvizet. Másrészt a hidrofil szerves vegyületeket a talajban élő mikroorganizmusok viszonylag gyorsan lebontják. A biodegradáció során általában nem mérgező anyagok képződnek, de a transzformáció még toxikusabb terméket is eredményezhet; például a diklórdifenil-triklóretán (DDT) átalakulása diklór-diferiletánná (DDE). A szerves vegyületek a talajban azonban nemcsak biokémiai folyamatokkal, hanem kémiai úton, hidrolízissel és oxidációval is degradálódhatnak, illetve izomerizálódhatnak. Az izomerizáció során szintén keletkezhet az eredetinél toxikusabb molekula. Tipikus példája ennek az egyik rovarirtó szer, a malation izomerizációja izomalationná. A talaj felső rétegében a szennyezők fotolízissel is lebomolhatnak, másrészt onnan az esővízzel mélyebbre szivároghatnak, majd lefelé haladva a talajvízbe juthatnak. A talaj felszínéről az illékony kémiai anyagok párolgással a levegőbe kerülhetnek.

A talajszemcsékhez erősen kötött, stabil kémiai szerkezetű, hidrofób molekulák kémiai és biokémiai úton történő degradációja rendkívül lassú, ezért a talajban hosszú ideig akkumulálódhatnak és szívódhatnak fel a növényekbe. Amint az alábbi táblázatban látható, lebomlásuk felezési ideje több év is lehet.

1.17. ábra - Néhány perzisztens szerves vegyület lebomlásának felezési ideje talajban

Néhány perzisztens szerves vegyület lebomlásának felezési ideje talajban

Az adatok forrása: Walker C. H., Hopkin S. P., Sibly R. M., Peakall D. B.: The Fate of Organic Pollutants in Individuals and Ecosystems. In: Walker C. H., Hopkin S. P., Sibly R. M., Peakall D. B. Principles of Ecotoxicology, CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton 2006, pp 79.

A xenobiotikumok transzmissziója fontos szerepet játszik a levegő, a felszíni vizek és a talaj öntisztulásában, de ha a szennyeződés mértékének növekedése felülmúlja az öntisztuló képességet, akkor a környezeti mátrixok fizikai állapota és kémiai összetétele tartósan megváltozik.

A xenobiotikumok bejutása az élő szervezetekbe

A levegőben, felszíni vizekben és a talajban végbemenő transzportfolyamatok, kémiai és biokémiai átalakulások mellett a xenobiotikumok élő szervezetekbe jutását döntően meghatározza az, hogy a környezeti mátrixokból milyen mértékben képesek felszabadulni, azaz biológiailag mennyire hozzáférhetők. A biológiailag hozzáférhető mennyiség definíció szerint a xenobiotikumok azon része, ami a mátrixból bekerülhet az élő szervezetekbe. Egy toxikus anyag biológiailag akkor jól hozzáférhető, ha oldatban van, ezért általában a kis Kov értékkel rendelkező molekulák könnyebben jutnak be az élő szervezetekbe. Bármilyen olyan változás a környezeti mátrixban, amelynek hatására megváltozik a vízben oldott szennyező koncentrációja, növelheti, vagy csökkentheti a kérdéses xenobiotikum biológiai hozzáférhetőségét. Az egyik leggyakoribb környezeti változás a víz pH-jának csökkenése, vagy emelkedése. Így például, kimutatták, hogy a tavakba jutott alumíniumvegyületek semleges és enyhén savas pH-n nagyon rosszul oldódnak, de a víz savasodása esetén, 4,5-ös pH alatt oldékonyságuk jelentős mértékben megnövekszik. Ezért nagyobb mennyiségben kerülnek be a halak szervezetébe, ami halpusztuláshoz vezet.

Másrészt a nehézfémek közül a kadmium, a cink és az ólom talajszemcsékhez való kötődésének erőssége az említett sorrendben növekszik, ezáltal a talajvízbe történő beoldódásuk mértéke azonos irányban csökken. Ezzel magyarázható többek között, hogy a kadmium a talajból sokkal nagyobb mértékben juthat biológiai szövetekbe, mint az ólom. A xenobiotikumok biológiailag hozzáférhető mennyisége lényegesen változhat akkor is, ha a mátrixokhoz kötött, és az oldott frakciója közti egyensúly eltolódik. Ez figyelhető meg a talaj savasodása esetén, amikor a szemcséken adszorbeálódott nehézfémek leválnak, és koncentrációjuk a pórusok közötti vízben megemelkedik.

A xenobiotikumok biokoncentrációja és biomagnifikációja

Ha az élő szervezetekbe több xenobiotikum jut be, mint amennyit képesek átalakítani, majd kiüríteni, akkor a kérdéses anyag bizonyos szövetekben, vagy szervekben felhalmozódik. Ez a biokoncentráció (szinonimájaként használatos a bioakkumuláció kifejezés is) jelensége, melyet először klórozott szénhidrogén és szerves fémvegyület szennyezés esetén figyelték meg. Ezek az anyagok lipidoldékonyak, Kov értékük nagy, a felszíni vizekben és a talajban µg/l-nyi, illetve µg/kg-nyi koncentrációban lehetnek jelen. Ha a vízben élő fitoplanktonokba bejutnak, lipidjeikben felhalmozódnak. A fitoplanktonok táplálékként a zooplanktonokba kerülnek, ahol a szennyezők a lipidekben tovább koncentrálódnak, majd a tápláléklánc minden egymást követő lépésében – halikrákból halakba, halakból madarakba, stb. – koncentrációjuk megközelítőleg egy nagyságrenddel növekszik. Ezt a folyamatot, melynek során a xenobiotikum koncentrációja az adott szervezetben magasabbá válik, mint a táplálékában volt, biomagnifikációnak, vagy más néven bioamplifikációnak nevezzük. A biomagnifikáció mértéke számszerűleg megadható a biomagnifikációs faktorral (BMF):

BMF = Csz /Ct, ahol: Csz  =  a kérdéses xenobiotikum koncentrációja a vizsgált élő szervezetben;        Ct  =  a kérdéses xenobiotikum koncentrációja a vizsgált élőlény táplálékában.

A legelterjedtebb perzisztens környezetszennyezők közül a poliklórozott bifenilek (PCB-k) biomagnifikációját a kanadai Nagy Tavak élővilágában mutatja a 2.2. számú táblázat. A növényi lipidekben, és az állatok zsírszövetében biokoncentrációval, illetve biomagnifikációval feldúsult toxikus anyagok különösen veszélyesek, mivel az élelmiszerekkel fokozott mértékben kerülhetnek be az emberi szervezetbe.

1.18. ábra - A poliklórozott bifenilek biomagnifikációja a Nagy Tavak élővilágában

A poliklórozott bifenilek biomagnifikációja a Nagy Tavak élővilágában

(Az adatok forrása: Environment Canada, State of the Environment Reports, Government of Canada, Supply and Services. Ottawa,1991.)

A xenobiotikumok bejutása az emberi szervezetbe

A xenobiotikumok a transzmissziójukat követően, az expozíció során, a légutakon, a tápcsatornán, vagy a bőrön keresztül bejutnak az emberi szervezetbe. Általában nem az expozíció helyén fejtik ki toxikus hatásukat, hanem bizonyos szervekben, az úgynevezett célszervekben. Ahhoz, hogy oda eljussanak, először be kell kerülniük a véráramba, majd el kell hagyniuk az érpályát, hogy a sejtek közötti (extracelluláris), és a sejteken belüli (intracelluláris) térbe, azaz a hatás helyére érjenek. A toxikus anyag koncentrációja a vérben és a célszervekben függ felszívódásuk (abszorpció), szervezeten belüli megoszlásuk (disztribúció) és átalakulásuk (biotranszformáció), valamint kiürülésük (exkréció) mértékétől. Ebben a fejezetben a méreganyagok abszorpciójával, disztribúciójával és exkréciójával foglalkozunk. Fontos azonban hangsúlyoznunk, hogy ezek a folyamatok szorosan összefüggenek egymással, és időben egyszerre is végbemehetnek.

A xenobiotikumok abszorpciója

Abszorpció az a folyamat, melynek során a xenobiotikumok az expozíció helyétől a vér-, illetve a nyirokkeringésbe jutnak. A felszívódás történhet a gyomor-bélrendszerben, a tüdőn és a bőrön keresztül. Az abszorpció, majd az azt követő disztribúció, exkréció folyamán a toxikus anyag molekuláinak biológiai membránokon kell áthaladniuk. Ez passzív és speciális aktív transzportfolyamatok révén valósul meg.

Passzív transzport

A xenobiotikumok membránokon való átjutásának leggyakoribb módja a passzív diffúzió. A vízben jól oldódó kisméretű molekulák, melyeknek 600 Dalton alatti a molekulatömegük, a membrán hidrofil pórusain, míg az apoláros hidrofób molekulák a membrán lipidrétegében oldódva jutnak be a sejtekbe. Minél kisebb a hidrofil molekula, annál könnyebben halad át passzív diffúzióval a membrán hidrofil pórusain. Így például az etanol rendkívül gyorsan felszívódik a gyomorból, majd rövid időn belül a vérből kikerülve egyenletesen oszlik el a szövetekben. A nagyobb molekulatömegű vízoldékony molekulák, és az ionos vegyületek a membrán csatornáin keresztül diffundálnak a sejtekbe.

A toxikus anyagok legnagyobb része apoláros, lipidekben különböző mértékben oldódó molekulákból áll. A diffúzió intenzitása ebben az esetben az extracelluláris és az intracelluláris terek közötti koncentrációkülönbség mellett, arányos a molekula lipidoldékonyságával is. Mivel a passzív transzport mozgató ereje a koncentrációgradiens, a folyamat nem igényel energiát.

Aktív transzport

Számos olyan vegyület létezik, melynek membránon való átjutása nem magyarázható passzív diffúzióval, mivel a molekuláik túl nagyok ahhoz, hogy a hidrofil pórusokon áthatoljanak, illetve nem oldódnak a membrán lipidjeiben. Ennek ellenére speciális transzportfolyamatokkal gyorsan bejutnak a sejtekbe. Ezeknek egyik formája az aktív transzport, melynek során a xenobiotikumok a koncentrációgradiens ellenében jutnak át a membránon. A mechanizmus eredetileg a nem testidegen vegyületek, a cukrok, az aminosavak és a nukleotidok szállítására fejlődött ki, és általánosan elterjedt az élő szervezetekben. A transzporthoz egy hordozó fehérje molekula – mely a membrán alkotórésze – szükséges. A transzportfehérje a membrán egyik oldalán szelektíven megköti a szállítandó anyagot, majd komplexet képez vele. Ez a komplex jut át a membrán másik oldalára, ahol a xenobiotikum felszabadul a komplexből. Ezután a hordozó visszakerül eredeti helyére, és a ciklus megismétlődhet. A rendszer telíthető, mivel a hordozó fehérjék kötési képessége véges. A folyamat gátolható is, mert a szállítandó molekulák között kompetíció lehetséges. Az aktív transzport energiát igényel, működéséhez adenozin-trifoszfátra (ATP) van szükség. Ezért az anyagcseremérgek, melyek megakadályozzák az ATP bioszintézisét, a transzportot szintén bénítják.

A xenobiotikumok abszorpciója a gyomor-bélrendszerből

Számos környezetszennyező anyag a tápláléklánc útján kerül az emberi szervezetbe, azaz a gyomor-bélrendszerben szívódik fel. Ezen kívül az öngyilkossági szándékból, és a véletlen balesetek alkalmával a szájon keresztül bejutott mérgek szintén a gasztrointesztinális rendszerben abszorbeálódnak. A gyomorban a gyomornedv 1-2-es pH-ján a bázikus karakterű szerves molekulák legnagyobb része ionizált állapotban van, és ennek következtében lipidoldékonyságuk lényegesen csökken. Ezért a gyomorból nem tudnak abszorbeálódni, ahhoz a magasabb pH-jú belekbe kell eljutniuk. Ezzel ellentétben a savas karakterű szerves molekulák disszociációja ionokra a gyomor alacsony pH-ján visszaszorul, ezáltal az ionizálatlan xenobiotikum lipidoldékonnyá válik. A lipid/víz megoszlási hányadosuk arányában passzív diffúzióval átjutnak a nyálkahártyán, majd a gyomrot ellátó erekbe kerülnek.

A bázikus karakterű vegyületek abszorpciójára a vékonybelek pH-ja (pH ~5-6) alkalmasabb, mint a gyomoré. A felszívódásukat nagymértékben előmozdítja a belek bőséges vérellátása, valamint bélbolyhokkal megnövelt felülete. Bár a belekből történő abszorpcióban szerepet játszik az aktív transzport is, a xenobiotikumok többsége passzív diffúzióval jut a vérbe, majd a májba.

A xenobiotikumok abszorpciója a tüdőből

A levegőbe jutott mérgező gázok, illékony folyadékok gőzei, a levegőben szuszpendált szilárd és folyadék halmazállapotú részecskék a tüdő légző-hólyagocskáin, az alveolusokon keresztül szívódnak fel. Mielőtt azonban oda eljutnának, érintkezésbe kerülnek az orr, a garat, a légcső, a hörgők és a hörgőcskék nyálkahártyáival, ahonnan szintén abszorbeálódhatnak. A gázok és gőzök tüdőből történő felszívódásában a szerves savak és bázisok disszociációjának mértéke a gyomor-bélrendszerhez képest kisebb szerepet játszik. Ennek az a magyarázata, hogy az ionizált molekulák nem illékonyak, ezért koncentrációjuk a levegőben elhanyagolható. Másrészt az alveolusok alatt elhelyezkedő 1-es típusú pneumocitákból álló sejtréteg nagyon vékony, így a belélegzett gázok és gőzök molekulái az alveolusok falán passzív transzporttal áthatolva rövid távolságon belül a vérbe kerülnek. A felszívódás rendkívül gyors, mivel az alveolusok összes felülete igen nagy (50-100 m2), a membránjuk vékony (200 nm), valamint az alattuk lévő kötőszövet hajszál- és nyirokérhálózata nagyon sűrű. A kapillárisok szoros kontaktusban vannak az 1-es típusú pneumocitákkal, ezért a gázok és gőzök hamar a véráramba jutnak. A vérben a koncentrációjuk függ az oldékonyságuktól, melyet a kérdéses xenobiotikum vér/alveoláris levegő közötti megoszlási hányadosával (a gáz, illetve a gőz koncentrációja a vérben/a gáz, illetve gőz koncentrációja az alveoláris térben lévő levegőben) szoktak jellemezni. Minél nagyobb a belélegzett gáz koncentrációja az alveoláris térben lévő levegőben, annál nagyobb a koncentrációja a vérben is. Egyensúlyi állapotban, amikor a gáz parciális nyomása a vérben és az alveoláris levegőben azonos, ugyanannyi molekula lép az alveoláris térből a vérbe, mint amennyit a vér elszállít az alveoláris levegőből. Azok a gázok és gőzök, amelyeknek nagy a megoszlási hányadosuk, jobban oldódnak a vérben, és jelentősebb mértékben szívódnak fel a tüdőből.

Azt, hogy a levegőben szuszpendált szilárd és folyadék halmazállapotú részecskék milyen mélyen jutnak le a légutakba, alapvetően a partikulumok mérete határozza meg. A 10,0 μm-nél nagyobb aerodinamikai átmérőjű részecskék a felső légutakban (orr, gége), a 10,0  μm és a 2,5 μm méretűek (PM-10 frakció) az alsó légutakban (légcső, hörgők) halmozódnak fel. Ezt követően az ott elhelyezkedő csillószőrök felfelé irányuló mozgása következtében tüsszentéssel, köhögéssel, illetve fokozott nyálkahártya szekrécióval távoznak a szervezetből, vagy a szájba és a garatba jutnak, ahol a nyállal a tápcsatornába kerülnek, és onnan szívódnak fel. A 2,5 μm és 0,1 μm közötti aerodinamikai átmérőjű részecskék (PM-2,5 frakció) a hörgőcskékben halmozódnak fel, majd a csillószőrök segítségével visszajutnak a középső és felső légutakba. A 0,1 μm-nél kisebb aerodinamikai átmérőjű részecskék (PM-0,1 frakció) lehatolnak az alveolusokba, azok falán keresztül gyorsan a vérkeringésbe jutnak, vagy az alveoláris makrofágok fagocitálják őket.

A xenobiotikumok abszorpciója a bőrön keresztül

A bőr számos toxikus anyaggal kerülhet érintkezésbe, de annak elszarusodott legfelső rétege többnyire megfelelő akadályt jelent a xenobiotikumok felszívódásának, mert a benne elhelyezkedő laphámsejtek lipid- és víztartalma a nyálkahártyákhoz képest igen alacsony. Ennek ellenére a nagy lipidoldékonyságú molekulák számára a bőr átjárható, ezért abszorpciójuk azon keresztül jelentős mértékű lehet. Ahhoz, hogy a vegyi anyagok a bőr legalsó rétegében, a dermisben lévő hajszál- és nyirokerekbe jussanak, több sejtrétegen kell áthatolniuk. A bőrön keresztül három egymást követő fázisban szívódnak fel a toxikus anyagok. Az első, az abszorpció sebességét meghatározó szakaszban a molekulák passzív transzporttal átjutnak a felső elszarusodott laphámsejt rétegen. Toxikológiai vizsgálatok szerint ezen a poláros és az apoláros vegyületek egyaránt képesek áthaladni. A poláros anyagok a hidratált fehérjerostok külső felületén, a nem polárosak pedig a fehérjerostok közötti lipidekben oldódva diffundálnak át. Apoláros vegyületek esetén a diffúzió sebessége általában a molekulák lipidoldékonyságával egyenesen, míg a molekulatömegükkel fordítottan arányos. A felszívódás mértékét befolyásolja még a szaruréteg vastagsága és nedvességtartalma, mely testrészenként jelentősen különbözik. A tenyéren és a talpon például 400-600 μm, míg az alkar belső felületén 8-15 μm között változik. Minél vastagabb a szaruréteg, annál nehezebben jutnak át rajta a xenobiotikumok. A kizárólag vízben oldódó toxikus anyagok a verejték- és faggyúmirigyek, valamint a szőrtüszők mentén abszorbeálódhatnak, ekkor a felszívódott molekulákat a nyirokrendszer szállítja el. A második fázisban a molekulák az epidermis mélyebb rétegein passzív diffúzióval keresztülhatolva a dermisbe kerülnek. Végül az utolsó, harmadik szakaszban az ott elhelyezkedő hajszál- és nyirokerek falán át a vér-, illetve a nyirokkeringésbe jutnak.

A xenobiotikumok disztribúciója

A disztribúció az a folyamat, melynek során a felszívódott xenobiotikumok a vér- és nyirokkeringéssel eljutnak a sejtekbe és a szövetekbe, ott átalakulnak, vagy raktározódnak. Az abszorbeálódott vegyi anyagok a szervezet víztereiben, először a vérplazmában, azután a szövetek közötti víztérben és a sejtekben oszlanak meg. Így például egy 70 kilogrammos embernél 1 gramm xenobiotikum a 3.1. számú táblázatban látható arányban oszlik meg a vízterekben.

1.19. ábra - Egy gramm xenobiotikum eloszlása az emberi szervezet víztereiben

Egy gramm xenobiotikum eloszlása az emberi szervezet víztereiben

Az adatok forrása: Rozman K. K., Klaassen C. D.: Absorption, distribution, and excretion of toxicants. In: Klaassen C. D. (ed.) Casarett and Doull’s toxicology, The basic science of poisons, McGraw – Hill, Inc., New York 1996, pp 101.

A xenobiotikumok transzportja a vérben

A vérplazma fehérjéi nemcsak a fiziológiai szempontból nélkülözhetetlen molekulák, például vitaminok, koleszterin, hormonok, hanem a toxikus anyagok szállításában is részt vesznek. A vérbe jutott xenobiotikumok többsége az ott legnagyobb arányban előforduló albumin frakcióhoz kötődik. Az albumin szállítja többek között a Ca2+, a Cu2+, a Zn2+, a Cd2+ ionokat, és az aromás szénhidrogéneket. A béta-globulinok közül a transzferrin a Fe2+, a Co3+, míg a cöruloplazmin a Cu2+ transzportjában játszik szerepet. A lipoproteinek a lipidoldékony toxikus anyagok szállításában vesznek részt. A kötődés a plazmaproteinekhez gyors és reverzibilis, a makromolekulák és a xenobiotikumok közötti kapcsolatot ionos és hidrogénhíd kötések, Van der Waals erők, valamint hidrofób kölcsönhatások hozzák létre. A vegyi anyagoknak azonban csak egy része van kötött állapotban, a másik frakciójuk szabad, és a plazmában egyensúlyi állapot alakul ki a két frakció között. A kötött anyagok a transzportfehérjék nagy molekulatömege következtében nem tudnak kilépni az érpályából. Ha a szabad molekulák diffúzióval átjutnak az erek falán, akkor az eredeti egyensúlyi állapot ideiglenesen felborul, mert csökken a plazma szabad xenobiotikum koncentrációja. Ekkor újabb molekulák válnak le a kötőhelyeikről, és egy másik egyensúly alakul ki. Valójában a disszociáció folyamatosan zajlik, mivel a szabad xenobiotikum molekuláinak diffúziója az érfalon keresztül is folyamatos. Végeredményben a toxikus anyag a vérből a szövetekbe jut.

A plazmafehérjéken kívül a vörösvértestek is részt vesznek a toxikus anyagok, elsősorban a Cr6+, a Hg2+, az Pb2+, az As3+, az Sb3+ ionok, valamint a gázok közül a szén-monoxid és a hidrogén-cianid transzportjában.

A xenobiotikumok akkumulációja a szervezetben

A xenobiotikumok nem egyenletesen oszlanak meg a szervezetben, hanem bizonyos szövetekben és szervekben szelektíven felhalmozódnak. Toxikológiai szempontból különösen fontos a májban, a vesében, a zsírszövetben és a csontokban történő raktározódás.

A máj és a vese közösen több toxikus anyagot képes koncentrálni, mint az összes egyéb szerv együttesen. Az extracelluláris térből a xenobiotikumok legtöbb esetben aktív transzporttal jutnak be az említett szervekbe, a szállításban és felhalmozódásban jelentős szerepe van a xenobiotikumokat specifikusan kötő fehérjemolekuláknak. A májsejtek citoplazmájában lévő ligandin a szerves savak és azo-festékek transzportjában vesz részt. A májban és a vesékben egyaránt megtalálható metallotionein kadmiumot és cinket köt meg.

Számos környezetszennyező vegyület lipofil tulajdonságú, ezért könnyen átjutnak a különböző sejtek membránjain, majd a zsírszövetben halmozódnak fel. Itt raktározódnak a perzisztens szerves szennyezők, a klórozott szénhidrogén típusú rovarirtó szerek, a poliklórozott és polibrómozott bifenilek, valamint a dioxinok. A xenobiotikumok akkumulációja a zsírszövetben átmeneti méregtelenítésnek is tekinthető, mivel a raktározódás ideje alatt azok kikerülnek az anyagcsere folyamatokból. Éhezés, vagy hirtelen testsúlycsökkenés esetén azonban újra mobilizálódnak, és ismét a vérbe, illetve a célszervekbe kerülnek.

Bizonyos xenobiotikumok adszorbeálódhatnak a csontok hidroxi-apatit kristályainak felületére az azzal érintkező extracelluláris folyadékból. Azok az ionok, melyek töltésükben és méretükben azonosak a hidroxi-apatit kristályokban lévő kalcium (Ca2+) és hidroxil (OH-) ionokkal, diffúzióval a kristályok belsejébe jutnak, és ioncserés mechanizmussal a csontokban felhalmozódnak. Így például az akkumulációjuk során az ólom és a stroncium a Ca2+, a fluoridok pedig a OH- ionokat cserélik le.

A xenobiotikumok átjutása a vér-agy gáton és a placentán

A központi idegrendszerbe és a magzatba nem minden xenobiotikum képes bejutni. A vízoldékony vegyületek behatolása az agyba sokkal nehezebb, mint más szövetekbe, mert a központi idegrendszert ellátó hajszálerek fala lényegesen tömörebb, mint az egyéb kapillárisoké, így az agyi endothel sejtek között csak néhány hidrofil pórus található. Másrészt az agyban a hajszálerek és az extracelluláris tér között egy asztrocitaréteg helyezkedik el, és ez szintén meggátolhatja a hidrofil molekulák passzív diffúzióját. A hajszálereknek ezt a xenobiotikumokat visszatartó funkcióját vér-agy gátnak nevezzük. Ez azonban nem jelent abszolút védelmet, mert a lipidoldékony anyagok átjutnak ezen az akadályon is.

A magzat szervezetébe a placentán keresztül a vízben oldódó toxikus anyagok nem képesek áthatolni. Ez azzal magyarázható, hogy a placenta vérellátásában mind az anyai, mind a magzati szervezet részt vesz, de az anyai és a magzati ereket elválasztó, több sejtrétegből álló komplex membránrendszer megakadályozza a hidrofil xenobiotikumok magzatba jutását. A vér-agy gáthoz hasonlóan ez sem jelent tökéletes védelmet, mivel a lipidoldékony molekulák lipid/víz megoszlási hányadosuk arányában passzív transzporttal a magzatba kerülnek.

A xenobiotikumok exkréciója

Exkréciónak nevezzük azt a folyamatot, melynek során a xenobiotikumok változatlan, vagy átalakult formában kiválasztódnak, majd kiürülnek a szervezetből. Az exkréciót a biológiai felezési idővel szokták jellemezni. Ez azt az időtartamot jelenti, amely alatt a kérdéses toxikus anyag 50%-a eltávozik a szervezetből.

A kiválasztás legfontosabb szerve a vese, melynek kéregállományában a glomerulusok membránján a 60 000 Daltonnál kisebb molekulatömegű toxikus anyagok a vérnyomás erejével átszűrődnek, majd a vesetubulusokba jutnak. A vízben jól oldódó, transzportproteinekhez nem kötött, szabad xenobiotikumok a vizelettel távoznak. Az ionizált szerves savak és bázisok szintén a vizelettel ürülnek.

A máj különösen fontos szerepet játszik a xenobiotikumok átalakításában (ezzel a következő, 3.8. részben foglalkozunk) és exkréciójában, mert a toxikus anyagokat szállító vér mielőtt eljut a szervezet más részeibe, keresztülhalad rajta. A máj hajszálereinek fala nagymértékben permeábilis, ezért a vérben oldott vegyi anyagok passzív, vagy aktív transzporttal könnyen bekerülnek a májsejtekbe, ahol átalakulásuk után az epefolyadékkal a béltraktusba érnek. Ott a fizikokémiai tulajdonságaiktól függően a széklettel hagyják el a szervezetet, vagy újra abszorbeálódnak, és a vérrel ismét a májba jutnak. Ez a folyamat az enterohepatikus recirkuláció, mely az ionizált, vízben jól oldódó molekulák esetében megy végbe. Ezek hidrofil formában nem tudnak visszaszívódni, de a bélflóra baktériumainak hatására átalakulnak, és ismét lipidoldékonnyá válnak, ami képessé teszi őket a belekből történő reabszorpcióra. A többszöri enterohepatikus recirkuláció jelentősen megnövelheti a xenobiotikumok biológiai felezési idejét. Azok a toxikus anyagok, melyek fizikai és kémiai sajátságai következtében nem szívódnak fel a tápcsatornában, a széklettel ürülnek a szervezetből.

A gázok és az illékony folyadékok gőzei a kilégzéssel a tüdőn keresztül változatlan formában távoznak. Az alveoláris tér levegőjében lévő gáz parciális nyomásától függ, hogy a molekulák passzív diffúzióval a levegőből a vérbe, vagy a vérből a levegőbe kerülnek. A vérben jól oldódó gázok lassabban, a rosszul oldódók gyorsabban választódnak ki, az elimináció sebessége arányos a légzési frekvenciával.

A főbb exkréciós útvonalakon kívül a vegyi anyagok kiürülhetnek még egyéb módon is. A zsírszövetekben felhalmozódott lipofil vegyületek passzív diffúzióval eljuthatnak a tejmirigyekbe, ahonnan kiválasztódnak az anyatejjel. Így például néhány környezet-egészségügyi szempontból fontos xenobiotikum, a poliklórozott és a polibrómozott bifenilek, a dioxinok, a klórozott szénhidrogén típusú rovarirtók az újszülöttek szervezetébe is bekerülhetnek. Kisebb jelentőségű a kémiai anyagok exkréciója a nyállal, a verejtékkel és a könnyel.

A xenobiotikumok biotranszformációja

A felszívódott xenobiotikumok többségét a szervezet, különböző átalakítások és lebontások után üríti ki. Azokat a folyamatokat, melyek során a toxikus anyagok kémiai szerkezete enzimek közreműködésével, vagy egyéb reakciókban, a szervezetben megváltozik, biotranszformációnak, más szóval metabolizmusnak nevezzük. A biotranszformációban keletkezett termékeket összefoglaló néven metabolitoknak hívjuk. A biotranszformáció szerepe az, hogy a nehezen ürülő, nem poláros, lipidoldékony xenobiotikumokat átalakítsa poláros, vízben oldódó molekulákká, melyek könnyen ürülnek az epével és a vizelettel. A metabolizmus eredménye lehet detoxikáció, vagyis toxikológiailag inaktív vegyület kialakulása, vagy aktiváció, ami azt jelenti, hogy az eredeti molekulánál még mérgezőbb metabolit jön létre. A kémiai anyagok átalakítását és lebontását enzimek végzik. Metabolizáló enzimekben különösen gazdagok a májsejtek, ezért a biotranszformáció legfontosabb szerve a máj. A xenobiotikumok átalakításának két fő formáját (és szakaszát) az I-es és II-es fázisú biotranszformációs reakciók jelentik. A legfontosabb I-es fázisú reakciók az oxidáció, a redukció és a hidrolízis, míg a II-es fázisúak a különböző típusú konjugációs reakciók.

I-es fázisú biotranszformációs reakciók

Oxidációs reakciók

A xenobiotikumok biotranszformációjának leggyakoribb formája az oxidáció, melyet a májsejtek endoplazmatikus retikulumában található enzimek, a citokróm-C-P450 monooxigenázok (a továbbiakban CYP) végeznek. (A citokróm P450 elnevezés onnan ered, hogy az izolált citokróm enzimek fényelnyelése 450 nm-en maximális.) Az oxidáció enzimeinek szubsztrátspecificitása kicsi, ezért a kevert funkciójú oxidáz enzimrendszer elnevezés is használatos. A CYP működéséhez az oxigénmolekulán kívül redukált nikotinadenin-dinukleotidfoszfát (NADPH) segédenzim szükséges. Egy RH xenobiotikum oxidációja az enzim-szubsztrát komplexben lejátszódó, egymást követő elektrontranszportok végeredménye, és a következő általános reakcióegyenlettel írható le:

1.20. ábra - eq_1.png

eq_1.png

A CYP rendszeren kívül más enzimek is részt vesznek a xenobiotikumok oxidációjában. Ezek nem az endoplazmatikus retikulumban, hanem a májsejtek mitokondriumaiban találhatók.

Redukciós reakciók

A xenobiotikumok redukciója a szervezetben nem gyakori, mivel a sejtek megfelelő működéséhez aerob körülmények szükségesek. Bizonyos vegyületek azonban redukálódhatnak is. A reakciókat ezekben az esetekben a CYP egyik komponense, a NADPH-citokróm-C-P450-reduktáz, valamint a májsejtek plazmájában található aldehid-, illetve karbonil-reduktáz (ketoreduktáz) enzimek katalizálják. Fontos még megjegyezni, hogy a xenobiotikumok redukciója a belekben is végbemehet, mivel az ott található bélbaktériumok sok redukáló enzimet tartalmaznak.

Hidrolízis

Bizonyos xenobiotikumok, például az alkének és az aromás vegyületek oxidációjakor keletkezett epoxidok hidrolízissel alakulnak át. A reakciókban közreműködő enzimek főleg a májsejtek endoplazmatikus retikulumában találhatók.

II-es fázisú biotranszformációs reakciók

Az I-es fázisú biotranszformációkban a xenobiotikumok molekuláin különböző reakcióképes funkciós csoportok jönnek létre. Az így kialakult reaktív csoportok a II-es fázisú metabolikus utakon a szervezetben lévő endogén molekulákkal (például aminosavak) konjugálódnak. Így tehát az I-es fázisú biotranszformációs reakciókat közvetlenül a II-esek követik. A konjugációk még tovább fokozzák az I-es fázisban keletkezett metabolitok vízoldékonyságát, ezért a xenobiotikumok exkréciója jelentősen felgyorsul. A II-es fázisú biotranszformációs reakciókat szintetikus átalakulásoknak is szokták nevezni. Az endogén molekulák és a funkciós csoportok kapcsolódása, azaz a II-es fázisú reakciók energiát igényelnek, ezért a folyamatokat szintén enzimek katalizálják. A II-es fázisú reakciók általában sokkal gyorsabban végbemennek, mint az I-esek. A reaktív csoportokhoz kapcsolódó endogén molekulák típusa alapján többféle szintetikus átalakulás mehet végbe a májsejtekben. A konjugációk típusait, és a folyamatokban résztvevő enzimeket ebben a tananyagban nem ismertetjük. A keletkezett konjugátumok poláros, vízben jól oldódó vegyületek, melyek a vizelettel ürülnek, vagy az epén át a bélcsatornába jutnak, és a széklettel távoznak a szervezetből.