CC BY
87
[гиена и санитария 2/2013
10. Surzhikov V.D., Oleshhenko A.M., Surzhikov D.V., Ksenofontova IJu., Lapshin M.S. Health of the person and environment factors in the industrial cities. Gigiena i sanitarija. 2003; 6: 85-7.
11. Suharev A.G., Mihajlova S.A. State of health of the children’s population in intense ecological and social conditions. Gigiena i sanitarija. 2005; 1: 47-51. (in Russian).
12. Tuljakova O.V. Influence of aero technogenic pollution on physical development of children. Zdorov’e naselenija i sreda obitanija. 2011; 1 (214): 19-23. (in Russian).
13. Tuljakova O.V., ChetverikovaE.V., Cirkin VI. Features of somatic
and neurologic incidence of children depending on an ecological situation in the place of residence. Sovremennye naukojomkie tehnologii. 2007; 8: 97-8. (in Russian).
14. Frolova O.G., Nikolaeva E.N., Murzabekova G.S. Factors of perinatal pathology. In: Perinatal protection of a fruit. Alma-Ata; 1989: 19-22. (in Russian).
15. Chetverikova E.V., Cirkin V.I., Tuljakova O.V. The questionnaire for parents of the first grader: Scientific and methodical materials. Kirov: Publishing house VGPU; 2002. (in Russian).
Поступила 10.01.12
Профилактическая токсикология и гигиеническое нормирование
О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2013 УДК 614.777:579.68
Н.И. Шеина1, Н.Г. Иванов1, З.И. Жолдакова2
гигиеническое нормирование биотехнологических штаммов в воде водоемов: современное состояние и перспективы
1Российский национальный исследовательский медицинский университет, 117997, Москва; 2НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина, 119992, Москва
Обсуждается вопрос о необходимости нормирования и обоснования комплекса методов для установления ПДК биотехнологических штаммов в воде водных объектов. На основе проведения экспериментальных исследований показано, что единый количественный критерий безопасности не может быть рекомендован для биотехнологических штаммов, поэтому требуется изучение каждого штамма с целью обоснования его безопасного уровня в воде водных объектов. Предлагаемая программа биобезопасности должна включать исследование патогенных свойств в острых опытах и специфических эффектов в субхронических экспериментах, изучение влияния штаммов на процессы самоочищения воды и оценку опасности продуктов трансформации химических веществ как критерия допустимости применения штаммов, а также обоснование коэффициента запаса при установлении величины ПДК с учетом их токсического действия.
Ключевые слова: биотехнологические штаммы; биобезопасность; вода водоемов; ПДК
N. I. Sheina1, N. G. Ivanov1, Z. I. Zholdakova2 - HYGIENIC STANDARDIZATION OF BIOTECHNOLOGICAL STRAINS IN WATER RESERVOIRS: CURRENT STATE AND PERSPECTIVES
1State Educational Institution of Higher Professional Education The Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov, 117997, Moscow, Russian Federation; 2Federal State Budgetary Institution A. N. Sysin Research Institute of Human Ecology and Environmental Health of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation, 119121, Moscow, Russian Federation
The question of need for standardization and validation of the complex methods to establish the maximum concentration limit (MCL) of biotechnological strains in the water of water bodies is under discussion. On the basis of the experimental studies it has been shown that a unified quantitative criterion for safety could not to be recommended for biotechnological strains and therefore requires the study of each strain in order to substantiate the safe level in water of water bodies.
Proposed biosafety program should include the study of pathogenic properties in acute experiments and specific effects in subchronic experiments to study the influence of strains on the process of water purification and a risk assessment of transformation products of chemicals and the justification of the safety factor when establishing MCL t in terms of the toxic effect.
Key words: biosafety, biotechnological strains, standardization, water of reservoirs
Биотехнология как одна из перспективных отраслей промышленности развивается начиная с 60-х годов прошлого столетия у нас в стране и за рубежом. Промышленность на основе управления жизнедеятельностью
Жолдакова Зоя Ильинична (Zholdakova Zoya Il’inichna), e-mail [email protected].
мельчайших организмов производит широкий ассортимент продукции, используемой в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве, пищевой и химической отраслях и др. Известен целый ряд таких микроорганизмов, в том числе:
• продуценты кормового белка и химических веществ (Candida, Aspergillus,Trichoderma, Corynebacterium, Bacillus);
74
• продуценты препаратов медицинского назначения: антибиотиков, интерферона, антител, иммуномодуляторов (Penicillium, Streptomyces, Actinomyces, E.coli);
• пробиотики, в состав которых входят Bifidobacterium adolescentis, Bifidobacterium bifidum, Lactobacillus plantarum и др.;
• биодеструкторы различных химических веществ, предназначенных для очистки промышленных сточных вод, например биодеструкторы формальдегида;
• биодеструкторы нефти (Rhodococcus, Pseudomonas);
• активный ил, представляющий собой консорциум различных видов микроорганизмов для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.
Следствием выброса живых клеток микроорганиз-мов-продуцентов из биореакторов, сброса сточных вод, содержащих значительные концентрации биотехнологических штаммов, является изменение структуры экологических ниш в районе расположения предприятия, почвы и воды. Результатом этого может быть нарушение состава сообществ микроорганизмов, взаимодействующих в этих нишах, а значит, и иная роль в круговороте веществ в природе, и негативное влияние на здоровье населения [1]. По данным Ф.Г Мурзакаева и соавт. [2], при производстве кормового белка в водный объект поступало со сточными водами значительное количество грибов рода Candida: если выше по течению от сброса сточных вод оно составляло (4-6) • 102 клеток/л, то при содержании в сточных водах в пределах (2-5) • 105 клеток/л загрязнение речной воды достигало 4,6 • 103—3 • 104 клеток/л. Это свидетельствует о высокой стабильности микроорганизмов-продуцентов в водной среде.
У работающих в микробиологической промышленности и у населения селитебных зон наблюдаются изменения в состоянии здоровья, проявляющиеся перестройкой иммунобиологической реактивности организма с признаками аллергического повреждения респираторных органов, слизистых верхних дыхательных путей, кожных покровов и дисбактериозов кишечника [3, 4].
В середине XX века были разработаны методологические основы гигиенического нормирования биотехнологических штаммов в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе населенных мест. В настоящее время установлены и законодательно утверждены гигиенические регламенты (ПДК) более 120 штаммов-продуцентов различных таксономических групп.
Вместе с тем представленный на утверждение перечень нормативов некоторых штаммов в воде водных объектов не был утвержден из-за отсутствия доказательств важности этих нормативов и методик их установления. Поэтому методологические аспекты гигиенического нормирования штаммов для воды водных объектов остаются нерешенной проблемой.
В 90-е годы в связи с развитием санитарного законодательства о санитарно-эпидемиологической оценке безопасности продукции нами проведена оценка нескольких десятков биотехнологических продуктов с целью оценки возможности их безопасного применения для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, очистки водных объектов и почвы от нефти и нефтепродуктов в качестве пробиотиков. Параллельно выдавались разрешения на применение данного вида продукции на основании только оценки их активности в отношении первой стадии минерализации органических веществ по влиянию на процессы биохимического потребления кислорода.
В связи с этим цель данной публикации состоит в рассмотрении вопроса о необходимости нормирования
и обоснования комплекса методов для установления ПДК штаммов-продуцентов в воде водных объектов.
Первые исследования опасности микробиологических препаратов для живых организмов были проведены в НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина на примере двух пробиотиков и пяти консорциумов микроорганизмов, предназначенных для очистки промышленных, сельскохозяйственных и хозяйственно-бытовых сточных вод по следующим показателям: вирулентность, токсигенность, диссеминация во внутренних органах, исследование иммунотоксических свойств, изучение микроэкологии кишечника (дисбактериоз), влияние на процессы самоочищения воды.
В табл. 1 представлены результаты исследования двух пробиотиков после ежедневного энтерального введении в течение 30 дней белым крысам. Из табл. 1 видно, что введение препаратов в концентрации 105—1010 клеток/100 мл вызывало развитие дисбактериоза различной степени выраженности и давало иммунотропный эффект, который выражался в подавлении гуморального звена и напряжении клеточного звена иммунитета. Начальные пороговые изменения проявлялись уже при воздействии препарата № 1 в концентрации 105—106 клеток/100 мл. Степень изменений зависела от концентрации микробных клеток, вводимых животным. На основании полученных результатов исследований изученные микробиологические препараты не были рекомендованы для применения в промышленном масштабе.
Параллельно в РГМУ проведено изучение влияния отдельных микроорганизмов-продуцентов различных таксонов — Rhodococcus corallinus, Bacillus licheniformis, Pseudomonas caryophylii, Alcaligenes denitrificans, Aspergillus awamori, Penicillium canescens — на организм при длительном энтеральном поступлении. При исследовании характера неблагоприятного действия биотехнологических штаммов на организм использовали комплекс методов, характеризующих общетоксическое и иммунотроп-ное действие, сенсибилизирующую активность, а также влияние на микроценоз кишечника экспериментальных животных [5—9]. Методика и результаты исследования подробно описаны в предыдущих работах [10, 11].
Полученные результаты свидетельствуют о том, что большинство изученных штаммов, за исключением Rho-dococcus corallinus, Bacillus licheniformis, при энтеральном пути поступления оказывало иммунотропное, сенсибилизирующее и дисбиотическое действие.
Таблица 1
Проявления дисбактериоза и имунотропного действия пробиотиков при длительном энтеральном введении
Уровень воздействия пробиотиков, клеток/100 мл
Проявления дисбактериоза и иммунотропного действия
N 1:
109—1010 III степень, подавление гуморального имму-
нитета, напряжение клеточного иммунитета
105—106 I степень (пороговая концентрация)
N 2:
108—109 IV степень, подавление гуморального имму-
нитета, напряжение клеточного иммунитета + сальмонеллез
107—108 III степень, подавление гуморального имму-
нитета, напряжение клеточного иммунитета
75
[гиена и санитария 2/2013
Рис.1. Соотношение Т- и В-лимфоцитов в периферической крови при энтеральном введении P. caryophylii в концентрациях: 1 - контроль; 2 - 4 • 104; 3 - 4 • 106 клеток/100 мл.
Рис. 2. Содержание эозинофилов (в %) в периферической крови при энтеральном введении P. caryophylii в концентрациях: 1 - контроль; 2 - 4 • 104; 3 - 4 • 106 клеток/1о0мл.
Влияние большинства изученных штаммов выражалось в дисбалансе иммунокомпетентных клеток, формировании гиперчувствительности немедленного и замедленного типа, а также в изменении качественной и количественной характеристики нормальной микрофлоры кишечника (рис. 1-5).
Характер неблагоприятного действия биотехнологических штаммов зависел от таксономической принадлежности, а величина регистрируемого эффекта - от концентрации микроорганизма. Для отдельных штаммов (Pseudomonas caryophylii, Alcaligenes denitrificans, Aspergillus awamori) были установлены минимально действующие (104 клеток/100 мл) и недействующие (103 клеток/100 мл) уровни энтерального воздействия.
Таким образом, исследования показали, что единый количественный критерий безопасности не может быть рекомендован для биотехнологических штаммов, поэтому требуется изучение каждого штамма с целью обоснования его безопасного уровня в воде водных объектов.
Дополнительным критерием опасности для микроорганизмов-биодеструкторов различных химических веществ, в том числе нефти и нефтепродуктов, служит тот факт, что в процессе биотрансформации химических веществ могут образовываться более токсичные метаболиты, чем исходные соединения [12-14].
Например, в ходе биотрансформации загрязняющих почву и воду нефтепродуктов с использованием различных штаммов бактерий происходит образование продуктов, обладающих канцерогенной и мутагенной активностью.
Рис. 3. Тучные клетки перитонеальной жидкости контрольных животных.
Окраска нейтральным красным. Ув. 400.
Рис. 4. Дегрануляция тучных клеток перитонеального экссудата при длительном энтеральном введении P. caryophylii в концентрации 4 • 106 клеток/100 мл.
Окраска нейтральным красным. Ув. 400.
Так, в 2008 г. C.L. Lemieux и соавт. [15] изучена мутагенная активность на различных штаммах Salmonella thyphimurium почв, загрязненных полиароматическими углеводородами (ПАУ), до и после биоочистки в биореакторах с промывкой водой, содержащей биоразлагающие бактерии. Показано, что после биоочистки образцы почв обладали значительной мутагенной активностью. Мутагенность росла с увеличением времени биоочистки, хотя содержание исходных ПАУ снижалось. Высказано предположение, что мутагенная активность связана с образованием опасных продуктов окисления. Следовательно, при изучении биодеструкторов химических веществ необходимо определять опасность продуктов биотрансформации.
Для решения вопроса о необходимости гигиенического нормирования биотехнологических штаммов мы перевели безопасные дозы (клетки/жив.), установленные в эксперименте для штаммов, в допустимые концентрации (клетки/л) по методике, принятой при обосновании ПДК химических
76
Рис. 5. Частота высеваемости (в %) представителей нормальной микрофлоры кишечника при длительном энтеральном введении P. caryophylii в концентрациях 4 • 104 и 4 • 106 клеток/100 мл.
веществ в воде водоемов [16]. Затем рассчитали допустимые концентрации штаммов на 100 мл в соответствии с методикой определения содержания микроорганизмов в питьевой воде, представленной в СанПиН 2.1.4.1074—01. Как видно из табл. 2, допустимые концентрации различаются между собой в 10—100 раз, поэтому не может быть рекомендован единый норматив для всех биотехнологических штаммов. Сравнение этих величин с показателями эпидемиологической безопасности, регламентированными СанПиН 2.1.5.980—00 для поверхностных вод и СанПиН 2.1.4.1074—01 для питьевой воды, показывает, что безопасные уровни штаммов соизмеримы с установленными регламентами для индикаторных и условно-патогенных микроорганизмов. Поэтому дополнительная контаминация воды водоемов биотехнологическими штаммами может привести к существенному превышению допустимых уровней эпидемиологической безопасности.
Обсуждая необходимость нормирования промышленных штаммов в воде водоемов, нужно рассмотреть возможные достоинства и недостатки создания системы их регламентирования. По нашему мнению, необходимость контроля со стороны органов санэпиднадзора обусловлена длительностью выживания штаммов в воде, доказанной опасностью для здоровья людей и животных, влиянием на процессы самоочищения воды водных объектов, а также способностью к биотрансфо-мации химических веществ с вероятным образованием более токсичных соединений. С другой стороны, согласно требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01, сточные воды, поступающие в водную среду, должны быть подвергнуты обеззараживанию, что может привести к снижению уровня сапрофитных микроорганизмов в питьевой воде или полному их уничтожению. Вместе с тем эта сторона обсуждаемой проблемы изучена недостаточно. Особая сложность при нормировании штаммов будет связана, по-видимому, с необходимостью разработки и внедрения в практику специфических методов определения микроорганизмов в воде водоемов.
Таблица 2
Максимально не действующие количества биотехнологических штаммов в 100 мл воды
Микроорганизм-процудент
Bacillus licheniformis Pseudomonas caryophylii Aspergillus awamori Penicillium canescens Alcaligenes denitrificans Rhodococcus corallinus
Максимально недействующая концентрация, клеток/100 мл
2 • 105
4 • 103
6 • 103
4 • 103
1 • 103
Более 2 • 106
Полагаем, что программа биобезопасности должна включать исследование патогенных свойств в острых опытах и специфических эффектов в субхронических экспериментах, изучение влияния штаммов на процессы самоочищения воды и оценку опасности продуктов трансформации химических веществ как критерия допустимости применения штаммов, а также обоснование коэффициента запаса при установлении величины ПДК с учетом их токсического, в том числе аллергенного, действия.
Таким образом, проблема безопасности биотехнологических штаммов требует дальнейшего изучения, разработки методики их нормирования, обоснования методов оценки санитарно-эпидемиологической безопасности и методов контроля в воде.
Литер атур а
1. Пивоваров Ю.П., Королик В.В. Комплексная гигиеническая оценка биотехнологических штаммов в связи с загрязнением ими окружающей среды. Вестник Российского государственного медицинского университета. 1996; 1/2: 71—6.
2. Мурзакаев Ф.Г., Баширова Р.М., Хуспаризанова Р. Ф. Влияние некоторых ингредиентов промышленных выбросов на выживаемость грибов-продуцентов в почве и воде. В сб.: Гигиена производственной и окружающей среды, профессиональная патология в связи с развитием производства белково-витаминных концентратов. Уфа; 1978. 52—5.
3. Немыря В.И., Никитина Ю.Н. Результаты динамических исследований состояния здоровья населения в районе расположения предприятий по производству кормового белка. В сб.: Факторы окружающей среды и здоровье населения. М.; 1988. 99—104.
4. Соседова Л.М., Рукавишников В.С., Шаяхметов С.Ф. Токсико-гигиенические аспекты оценки риска изолированного и сочетанного воздействия биотехнологических продуктов. Медицина труда и промэкология. 2003; 3:13—9.
5. Буданова Е.В. Микрофлора кишечника при некоторых патологических состояниях инфекционной и неинфекционной природы: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. М.; 1994.
6. Голубева И.В., Килессо В.А., Киселева В.С. Энтеробактерии: Руководство для врачей. М.: Медицина; 1985.
7. Дисбактериозы кишечника, причины возникновения, диагностика, применение бактерийных биологических препаратов. Пособие для врачей и студентов. М.: АО «Партнер»; 1999.
8. Методические указания по экспериментальному обоснованию ПДК микроорганизмов-продуцентов и содержащих их готовых форм препаратов в объектах производственной и окружающей среды. № 5789/1—91. М.: МЗ СССР 1991.
77
[гиена и санитария 2/2013
9. Федосеева В.Н., Порядин Г.В., Ковальчук Л.В., ЧередеевА.Н., Коган В.Ю. Руководство по иммунологическим и аллергологическим методам в гигиенических исследованиях. М.: Про-медэк; 1993.
10. ШеинаН.И. Токсиколого-гигиеническая оценка биотехнологических штаммов микроорганизмов. Вестник Российского государственного медицинского университета. 2007; 3 (56): 66-71.
11. Шеина Н.И., Жолдакова З.И., Иванов Н.Г. Проблема гигиенического нормирования биотехнологических штаммов в воде водоемов. Гигиена и санитария. 2010; 5: 39-42.
12. Жолдакова З.И., Харчевникова Н.В. Прогноз опасности веществ по зависимости структура-биотрансформация-активность. Российский химический журнал. 2004; 2: 16-24.
13. Haritash A.K., Kaushik C.P. Biodegradation aspects of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs): a review. J. Hazard Mater. 2009; 169: 1-15.
14. Kanaly R.A., Harayama S. Advances in the field of high-molecular-weight polycyclic aromatic hydrocarbon biodegradation by bacteria. Microb. Biotechnol. 2010; 3: 136-64.
15. Lemieux C.L., LynesK.D., WhiteP. A., LundstedtS., LambertI.B. Mutagenicity of an Aged Gasworks Soil During Bioslurry Treatment. Environ. Molec. Mutagen. 2009; 50: 404-12.
16. Методические указания «Обоснование гигиенических нормативов химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. МУ 2.1.5.720-99. М.: МЗ РФ. 1999.
References
1. Pivovarov Yu.P., Korolik V.V. Complex hygienic assessment of biotech strains due to pollution of the environment. Bulletin of the Russian State Medical University. 1996; 1/2: 71-6 (in Russian).
2. MurzakaevF.G., BashirovaRM., KhusparizanovaR.F. The effect of certain ingredients of industrial emissions on the survival of fungi-producers in soil and water. In: Hygiene production and environment, professional pathology in connection with the development of protein-vitamin concentrates. Ufa; 1978. 52-5 (in Russian).
3. Nemyria VI., Nikitina N. The results of dynamic studies of the health status of the population in the area of the production facilities of feed protein. In: The factors of the environment and public health. Moscow; 1988. 99-104(in Russian).
4. Sosedova L.M., Rukavishnikov V.S., Shayakhmetov S.F. Toxic and hygienic aspects of the risk assessment of isolated and combined impact of biotech products. Occupational medicine and promekologiya. 2003; 3:13-9 (in Russian).
5. Budanova E.V. Intestinal microflora, under certain pathological conditions of infectious and non-infectious nature. Synopsis of PhD med. sci. diss. Moscow; 1994 (in Russian).
6. Golubeva I.V., Kilesso VA., Kiseleva V.S. Enterobacteriaceae: a guide for doctors. Moscow: Medicine. 1985 (in Russian).
7. Dysbacterioses intestine, causes, diagnosis, use of bacterial biologicals. Manual for doctors and students. Moscow: “Partner”. 1999 (in Russian).
8. Guidance on the experimental basis of Exposure Limit Values for microorganisms-producers and their containing biologicals in the objects of production facilities and the environment. N 5789/1-91. Moscow: USSR Ministry of Health. 1991(in Russian).
9. Fedoseeva V.N., Poryadin G.V., Koval’chuk L.V., Cheredeev A.N., Kogan V.Yu. Guide to immunological and allergenic methods in hygienic researches. Moscow: Promedek. 1993 (in Russian).
10. Sheina N.I. Toxicological and hygienic evaluation of biotech microbial strains. Bulletin of the Russian State Medical University. 2007; 3 (56): 66-71(in Russian).
11. Sheina N.I., Zholdakova Z.I., Ivanov N.G. The problem of hygienic standards biotech strains in water reservoirs. Hygiene and sanitation. 2010; 5: 39-42 (in Russian).
12. Zholdakova Z.I., Kharchevnikova N.V Forecast of hazards of substancesonthe dependenceofthe structure—diotransformation-activity. Russian Chemical Journal. 2004; 2: 16-24 (in Russian).
13. Haritash A.K., Kaushik C.P. Biodegradation aspects of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs): a review. J. Hazard Mater. 2009; 169: 1-15.
14. Kanaly R.A., Harayama S. Advances in the field of high-molecular-weight polycyclic aromatic hydrocarbon biodegradation by bacteria. Microb. Biotechnol. 2010; 3:136-64.
15. Lemieux S.L., Lynes K.D., White P. A., Lundstedt S., Lambert
I.B. Mutagenicity of an Aged Gasworks Soil During Bioslurry Treatment. Environ. Molec. Mutagen. 2009; 50: 404-12.
16. Guidelines “Justification of hygienic standards of chemicals in water for drinking, cultural and community uses”. N 2.1.5.72099. Moscow: Russian Ministry of Health. 1999 (in Russian).
Поступила 23.05.11
78
