Нитриты, нитраты и нитрозосоединения

Круговорот азота является необходимой составляющей жизни на Земле. Азот, содержащийся в атмосфере, принимает участие в био­сферном круговороте только после его превращения в органические или неорганические соединения. Такое превращение происходит как физико-химическими, так и, главным образом, биологическими путя­ми. Основными фиксаторами азота являются многие виды бактерий (например, Rhizobium) и водорослей (Trichodesmium, Anaebena, Nostoc и т.п.). Параллельно с азотофиксацией и нитрификацией идет и процесс денитрофикации, причем в случае если скорость перехода окисленных соединений азота в молекулярную форму меньше, чем выделение первых из системы, то именно окислы азота в этом случае выделяются в атмосферу.

Естественный круговорот азота в биосфере существенно меняет­ся вследствие загрязнения среды окислами азота – продуктами дея­тельности промышленных предприятий и транспорта (при сжигании горючих ископаемых – нефти, сланцев, торфа, угля, и, кроме того, мазута и бензина), а также применения азотных удобрений образует­ся большое количество окислов азота, вовлекаемых в круговорот. В результате наблюдаются такие экологические нарушения, как накоп­ление нитратов в пищевых продуктах, кормах для животных, вымывание удобрений из почвы, эвтрофикация водоемов, разрушение тро­фических цепей и т.д.

Нитраты представляют собой соли азотной кислоты (HN03), нит­риты же являются солями азотистой кислоты (HN02). Нитриты легко окисляются в соответствующие нитраты. Концентрация первых в сре­де обычно очень низка (в воде, например 1-10 мг/л), в то время как концентрация нитратов высока (50-100 мг/л). Среди нитратов наибо­лее известны нитраты аммония, натрия, калия, кальция, обычно назы­ваемые селитрами. Все селитры широко и давно используются в каче­стве удобрений.

Нитраты и нитриты применяются в пищевой и стекольной про­мышленности, для получения ракетного топлива, пиротехнических и взрывчатых веществ, порохов, используются в резиновом и текстиль­ном производствах, гальванотехнике и медицине. Нитриты и нитраты являются широко применяемыми консервантами для продуктов пита­ния. Значительная часть (около 40%) нитритов поступает с мясными и рыбными продуктами, нитраты же человек получает главным образом с овощами. Наибольшей способностью к аккумуляции нитратов обладают представители тыквенных, крестоцвет­ных, маревых растений, причем существует значительная разница между сортами одной и той же культуры. Продукты животного происхождения содержат относительно меньшие концентрации нитритов и нитратов. В связи с различным содержанием этих агентов в пищевых продуктах, в различных странах широко варьируют и нормы их суточного потребления.

Совместное воздействие нитритов и нитратов предотвращает рост микроорганизмов, вызывающих пищевые отравления (например, ботулизм). В норме нитраты и нитриты абсорбируются в желудочно-кишечном тракте, при этом нитраты быстро выделяются из организма; нитриты же, реагируя с гемоглобином крови превращают последний в метгемоглобин, который в отличие от гемоглобина не способен слу­жить переносчиком кислорода, что определяет многие биологические эффекты нитритов/нитратов. Нитраты менее токсичны по сравнению с нитритами (они не окисляют гемоглобин и не образуют метгемоглобина и, следовательно, не приводят к метгемоглобинемии). В организме нитраты могут образовываться из аммония, под влиянием бактерий нитраты превращаются в нитриты.

Токсические воздействия нитратов/нитритов достаточно полно изучены на различных видах животных, включая гидробионтов, и на человеке. Смертельная доза нитратов для людей составляет 8-15 г, а нитритов существенно ниже – 0,18 г для детей и стариков, и 2,5 г – для взрослых.

Особо следует сказать о нитрозаминах – веществах весьма про­стой химической структуры, знакомых каждому химику. Низшие нитрозамины – диэтил- и диметилнитрозамины (НДЭА и НДМА) впервые были синтезированы во второй половине XIX в. Нитрозосоединения широко применяются в промышленности в качестве компонента ра­кетного топлива, антиоксидантов, являются промежуточными продук­тами синтеза красителей, лекарственных препаратов и т.д. Нитрозо­соединения входят также в состав противокоррозийных препаратов, применяются как пестициды и противоопухолевые агенты.

Исключительно важной особенностью нитрозаминов является возможность их образования из химических предшественников в объ­ектах окружающей среды, в продуктах питания и даже в организме. Подобными предшественниками образования нитрозаминов служат первичные алифатические моно- и полиамины, вторичные и третич­ные амины, четвертичные аммониевые соли и другие азотсодержа­щие органические вещества, которые взаимодействуют с оксидами азота, нитрозилгалогенидами, азотной кислотой, нитратами и нитри­тами. Нитрозосоединения обнаружены в воздухе рабочей зоны тех предприятий, где они применяются, в водоемах, загрязненных стоками подобных производств, а также в воздушной среде заводов минераль­ных удобрений (до 40 мкг/куб. м), дубильных цехах кожевенных фабрик (40-50 мкг/куб. м), литейных производств, предприятий резиновой про­мышленности, животноводческих комплексов и рыбокомбинатов (до 10 и более мкг/куб.м). Нитрозамины также обнаруживаются в органичес­ких растворителях, синтетических поверхностно-активных веществах (СПАВ), готовых резиновых изделиях; их находят в разнообразных пи­щевых продуктах (таблица 15). Например (данные по СССР), в яблоках НДМА обнаруживается в количестве 0,8 мкг/кг, в свекле – 1,5 мкг/кг; содержание НДМА в вареных колбасах – 1,9-13 мкг/кг, копченых колбасах – 2,9-5,4 мкг/кг, мясных консервах – 0,6-2,7 мкг/кг, рыбных консервах – 2,0-17 мкг/кг.

Таблица 15 – Среднее содержание N-нитрозодиметиламина (НДМА) в дневном рационе жителей Японии

Пищевой продукт	Дневное количество (в г.)	Средняя концентрация (в мкг/кг)	Потребление (в мкг/чел./день)
Соленые и копченые мясные продукты		0,5	0,006
Жареная и вяленая рыба			1,62
Рыбные консервы и продукты			0,025
Молочные продукты, яйца, куры		0,7	0,53
Соусы и приправы		0,2	0,001
Жиры и масла		0,9	0,016
Пиво		1,6	0,05
Маринованные овощи, соевые бобы		0,3	0,008
Саке
Рис
всего:			1,78

Нитрозамины также найдены в табачном дыму (таблица 16) и не­которых алкогольных напитках. Например, из 56 образцов японского пива в 24 обнаружен НДМА в концентрациях от 1 до 4,2 мкг/кг, а в США во всех испытанных 18 сортов – от 0,4 до 7,0 мкг/кг. В произво­димых в США виноградных винах, коньяке, джине, водках и роме НДМА не был обнаружен.

Установлено, что в желудочном соке животных и человека из нитра­тов и вторичных аминов или амидов могут образовываться N-нитрозосоединения.

Таблица 16 – Концентрация N-нитрозаминов в сигаретном дыме (нг/сигарету)

Нитрозамины*	Коммерческие сигареты
без фильтра	с фильтром
N-Нитрозодиметиламин	2-20	0,1-17
N-Нитрозометилэтиламин	0-2,7	0-2,5
N-Нитрозодиэтиламин	0,6-6,0	0-7,6
N-Нитрозоди-п-пропиламин	0-1,0
N-Нитрозоди-п-бутиламин	0-3,0

Продолжение таблицы 16

N-Нитрозопирролидин	0-110	1,5-30
N-Нитрозопиперидин	0-9
N-Нитрозодиэтаноламин
N'-Нитрозонорникотин	120-950
4(Метилнитрозамино)-1 -3-пиридил)-1 –бутанол	80-770
N'-Нитрозоанатабин	140-990
N'-Нитрозоанабазин	нет данных

*) последние четыре в списке являются табакоспецифичными N-нитрозосоединениями

Источник: IARC Monographs on the Evaluation of the Carcinogenic Risk of Chemicals to Humans. Tabacco Smoking. Volume 38 – IARC, Lyon, France, 1986.

Максимальный уровень синтеза НДМА наблюдается при рН=3,4 при температуре 37^оС. Катализаторами эндогенного обра­зования нитрозаминов служат тиоцианаты, формальдегид, нитрозофенолы, галловая кислота, а ингибиторами – антиоксиданты, аскор­биновая кислота, витамины А и Е и др. Синтез нитрозаминов в орга­низме человека можно считать твердо установленным. Например, ис­следования на добровольцах показали, что через два часа после за­втрака, состоящего из жареного бекона, хлеба, шпината и томатов в крови обнаруживались НДМА и НДЭА в концентрациях 4,4 и 2,6 мкг/мл, соответственно. Вполне вероятно, что для человека именно эндоген­ный синтез нитрозосоединений является основным их источником.

О токсичности нитрозаминов для человека известно еще с 1937 года. Эти агенты обладают широким спектром биологических эффек­тов, однако главным и, очевидно, наиболее опасным их свойством, является способность вызывать опухоли. История открытия канцерогенности нитрозосоединений началась, когда на норковых фермах Норвегии и Англии наблюдался массовый падеж животных. Причиной оказалась добавляемая в корм селедочная мука, при приготовлении которой образуются нитрозамины, идентифицированные позже физико-химическими методами. Установлено, что из 332 разных нитрозосое­динений, изученных к концу прошедшего десятилетия, 290 (87%) ока­зались способными вызывать опухоли в эксперименте на животных. Обзор литературы показал, что у всех 40 видов животных (принадле­жащих к 37 родам, 26 семействам, 18 отрядам и 6 классам), на кото­рых испытывалось канцерогенное действие нитрозаминов, возникали злокачественные новообразования. Эксперты МАИР неоднократно рас­сматривали вопрос о канцерогенности нитрозаминов для человека. Поскольку убедительных доказательств, говорящих об онкогенной опас­ности этих соединений в эпидемиологических наблюдениях получено до сего времени не было, то два агента из этого класса - НДМА и НДЭА отнесены к группе 2А, т.е. к факторам, обладающим весьма высокой вероятностью вызвать опухоли у людей. Однако, принимая во внимание, что ни один из испытанных видов животных (от моллюсков до человекообразных обезьян) не оказался резистентным к канцеро­генному действию нитрозосоединений, трудно представить себе, что человек представляет собой исключение в животном мире. Кроме того, следует учесть и аналогию метаболизма НДМА в опытах in vitro с использованием тканей и клеток человека и животных, а также сведения о механизмах действия нитрозаминов. Выявлено, что для проявления токсических, мутагенных и опухолеродных свойств, нитрозосоединения нуждаются в их активации в организме. Подобная активация проис­ходит с помощью микросомных ферментов, которая наблюдается в печени и в других органах, где возникают позже опухоли. Метаболиты нитрозаминов превращаются в чрезвычайно реактивные электрофильные соединения (в частности, карбониевые ионы), которые реагируют с клеточными макромолекулами (прежде всего, с ДНК) и их алкилируют, что и приводит к образованию опухолей.

В целом, даже относя нитрозосоединения к группе 2А, эксперты МАИР неоднократно подчеркивали, что наиболее распространенные НДМА и НДЭА целесообразно рассматривать как практически канце­рогенные для человека, т.е. как факторы группы 1.

Нитрозосоединения оказывают также и трансплацентарное дей­ствие и при попадании в организм беременных самок вызывает токси­ческий эффект на эмбрионов, что приводит к развитию уродств и/или опухолей у потомства. Более того, фундаментальными исследования­ми Н.П. Напалкова и В.А. Александрова было показано, что транспла­центарное воздействие нитрозаминов на плод может резко повысить чувствительность потомства к последующим контактам с бластомогенными веществами. Этими же авторами установлено, что эмбрион наиболее чувствителен к летальному воздействию нитрозосоединений в первые дни беременности, к канцерогенному – на стадии гистогене­за, и тератогенному – на стадии органогенеза. При экстраполяции этих наблюдений на человека, исследователи пришли к заключению, что наибольший риск эмбриотоксического действия падает на 1-ю и 3-б-ю недели беременности, тератогенного – на 2-8-ю, а канцеро­генный – на период позже шести недель беременности; это нашло подтверждение при анализе имевших место воздействия тератогенно­го талидомида и канцерогенного диэтилстильбестрола. И еще один важный аспект: действие N-нитрозосоединений представляет канце­рогенную опасность не только для потомства первого поколения, но и последующих.

Нитрозосоединения вызывают разнообразные мутагенные эффек­ты. Они способны вызывать у различных биологических объектов ген­ные мутации и хромосомные изменения in vitro и in vivo – у бактерий, грибов и дрожжей, а также на клетках животных и человека, эмбрио­нальных тканей и т.д. Кроме перечисленных выше мутагенных, тератогенных и канцерогенных эффектов, они обладают также и выраженны­ми токсическими свойствами. Нитрозамины, вызывая повреждение эндоплазматического ретикулума клеток, выражение ингибируют син­тез белка в печени, что и определяет их гепатотоксичность. Установ­лено и иммунодепрессивное влияние N-нитрозосоединений на специ­фические и неспецифические иммунные системы организма.

В заключении этого раздела необходимо упомянуть и еще об одном важном экологическом аспекте обсуждаемого вопроса – воз­можности нитрозирования. Частично об этом шла речь выше, однако следует указать на реальность нитрозирования пестицидов. Согласно данным Национальной Академии наук США, список наиболее легко нитрозируемых (а это происходит в почве и/или организме при взаи­модействии с нитритами и обычно в кислой среде) включает такие известные пестициды как: диалкилтиокарбаматы, тиокарбомаилдисуль-фиды, соли феноксиуксусной кислоты, производные морфолина, за­мещенные динитроанилины и другие. При этом образуются различ­ные нитрозопроизводные, в том числе и такие как НДМА и НДЭА. Например, тирам, цирам и диаминозид образуют 5,7; 2,0; 1,4% НДМА, соответственно, что во многом обусловлено количеством вступающих в реакцию нитритов. Нитрозированию под влиянием нитритов и оки­слов азота могут подвергаться также и лекарства, содержащие ами­ны, амиды, гидразины, карбаматы. Например, аминофеназон, окси-тетрациклин, метапирилен и аспирин образуют НДМА, лукантон и кви-накрин – НДЭА, а дисульфирам, пиперазин и никетамид-нитрозопи-перазин и НДЭА. Ранее мы указывали и на наличие в табачном дыме нитрозосоединений, которые могут быть в табаке не только в результате загрязнений плантаций табака нитрозируемыми пестицидами или нитритами-нитратами в результате использования минеральных удоб­рений, но и при эндогенном нитрозировании в процессе курения.

Как справедливо пишет Б.Л.Рубенчик: "Образование в природе канцерогенных нитрозосоединений можно рассматривать как своеоб­разный экологический феномен, при котором антропогенные воздей­ствия на биосферу приводят к экзо- и эндогенному синтезу канцеро­генов и возникновению связанных с ними онкологических заболева­ний.... источники образования нитрозосоединений в различных при­родных средах в основном оказываются одними и теми же. Причем, если возможность перераспределения нитрозаминов между ними ми­нимальна, то перенос предшественников практически не ограничен. Поэтому концентрация нитрозосоединений в отличие от других канце­рогенов... зависит не столько от их проникновения в различные объек­ты окружающей среды и распада, сколько от синтеза из предшествен­ников. Эта экологическая особенность нитрозосоединений делает их особенно опасными для животного организма, где относительно легко осуществляется их синтез."