1. Масштабы и причины химического загрязнения биосферы
 Скачать 0.53 Mb.
|
|
38. Судьба ксенобиотиков в биогеоценозах. Для ксенобиотиков, попавших в экосистемы и входящие в них ор-ганизмы, можно выделить следующие основные этапы. 1. Реакции превращения ксенобиотиков, включающие такие основные стадии, как распад ксенобиотиков, окислительно-восстановительные и гидролитические реакции, реакции конъюгации. 2. Адсорбция ксенобиотиков на частицах биологического и абиотического происхождения. 3. Переход ксенобиотиков из одной среды в другую. Реализация этих этапов в реальных биогеоценозах происходит при теснейшем взаимодействии между различными факторами. Например, распад (деградация) ксенобиотиков может осуществляться под действием ферментов, а также чисто физико-химическим образом - вследствие фотолиза (под действием света) или гидролиза (при взаимодействии с водой). Роль физико-химических факторов в превращениях ксенобиотиков в окружающей среде Для понимания характера воздействия ксенобиотиков на экосистемы важное значение имеет скорость превращения ксенобиотиков. Высокая скорость превращения обычно приводит к исчезновению вещества и,след-но, к исчезновению проблемы, связанной с загрязнением окружающей среды; при медленном разрушении вещество сохраняется длительное время, что может вызвать его концентрирование. Остановимся на таких физико-химических процессах превращения ксенобиотиков в среде, как фотохимические, окислительно-восстановительные и гидролитические реакции. Фотохимические превращения. Широко распространенная в естественных условиях солнечная радиация хорошо поглощается некоторыми молекулами. Во многих случаях поглощенная энергия способна индуцировать изменения в молекуле. В противоположность этому ионизирующее излучение, также присутствующее в окружающей среде, не настолько сконцентрировано, чтобы вызвать заметный эффект. Энергия широко распространенного в природной среде инфракрасного излучения достаточна лишь для продуцирования минимальных молекулярных изменений, но не для полного превращения молекул. Ультрафиолетовое излучение наряду с видимой областью спектра также поглощается молекулами некоторых ксенобиотиков. Фотохимические превращения проходят в три стадии: - акт абсорбции, который приводит к поглощению излучения определенной длины волны и появлению возбужденного состояния; - первичный фотохимический процесс, включающий преобразование электронно-возбужденного состояния и его переход в невозбужденное состояние; - вторичные или «темповые» реакции, происходящие в результате первичного фотохимического процесса. Активные частицы, образующиеся в первичных фотохимических процессах, особенно свободные радикалы, могут реагировать с другими молекулами в своем непосредственном окружении, например, с молекулами кислорода или воды. Эти реакции называются «тем новыми» Окислительно-восстановительные превращения. Многие неорганические и органические вещества могут принимать (восстанавливаться) или отдавать электроны (окисляться). При обсуждении поведения ксенобиотиков в окружающей среде этот процесс приобретает важное значение по следующим причинам: - окисленные и восстановленные формы данного ксенобиотика могут существенно различаться по биологическим и экологическим свойствам; - существуют довольно значительные вариации в окислительных или восстановительных условиях в окружающей среде, что влияет на трансформацию ксенобиотиков. Токсичность продуктов окисления ряда ксенобиотиков (пестицидов) выше, чем токсичность исходных веществ. Такова ситуация при окис¬лении гептахлора, альдрнна, фосфамида. Гидролиз. Реакции гидролиза обусловлены способностью вещества вступать в реакции с водой. В этих реакциях, так же как и в фотохимических процессах, необходимо учитывать распределение электронов в молекуле, особенно если это связано с появлением в ней зарядов. Способность вещества реагировать в воде с ионами водорода или гидроксила в большей степени определяется распределением заряда в его молекуле. При оценке способности вещества вступать в реакции гидролиза необходимо учитывать влияние рН. 39. Персистентные и неразлагающиеся ксенобиотики. В связи с неспособностью экосистем к полной биодеградации, а точнее, к полной детоксикации ксенобиотиков, создается экологическая опасность, обусловленная наличием как устойчивых (персистентных) или вообще неразлагающихся в окружающей среде ксенобиотиков, так и биодеградабельных ксенобиотиков. В этой связи возникает несколько возможных ситуаций: нарушение функционирования экосистем, обусловленное наличием устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксенобиотиков; вредное действие на экосистемы здесь очевидно, поскольку в конечном итоге они, постоянно накапливаясь, будут оказывать негативное воздействие на экосистемы; нарушение нормального функционирования экосистем, связанное с наличием биодеградабельных ксенобиотиков и обусловленное следующими причинами: природой превращений и аккумуляцией ксенобиотиков; опасностью воздействия больших доз; воздействием малых (сублетальных) концентраций. Природа превращений и аккумуляция ксенобиотиков. Способность ксенобиотиков распространяться в окружающей среде создает проблемы, связанные с длительностью их сохранения в природных условиях. Поэтому сведения о скорости разрушения веществ биологическими системами являются весьма необходимыми и ценными. Особенно важны эти сведения для органических ксенобиотиков. Легко разрушаемые соединения большей частью не считаются потенциально опасными для окружающей среды. Тем не менее необходимо проводить сравнительный анализ и знать способность различных организмов разрушать то или иное вещество. Данное вещество может легко разрушаться в одной среде, но может быть устойчивым в других условиях. ДЦТ оказывает очень большое влияние на природную среду; он очень устойчив к метаболическому разрушению, характеризуется низкой растворимостью в воде, липофилен. Однако, согласно установленной последовательности реакций, ДЦТ все же распадается на ряд производных При удалении атома хлора ДДТ превращ. в ДДД; при отщеплении HCL – образ. ненасыщенное соед. ДДЭ (более опасное вещество для окруж. среды, чем ДДТ, поскольку оно ещё медленнее метаболизируется и разрушаются. 1)Большие дозы могут нести огромную экологическую опасность, поскольку они отравляют организм раньше, чем эти организмы успевают их метаболизировать; 2)опасность, связ. с накоплением ксенобиот.организмами В результате биоконцентрации может усиливаться токсическое действие, ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней. 40. Экологическая опастность биоразрушаемых и остатков неразложившихся ксенобиотиков, опасность сублетальных концентраций. Экологическая опасность больших доз биоразрушаемых ксенобиотиков и остатков неразложившихся ксенобиотиков связана с возможностью нарушения практически всех аспектов структуры и функционирования экосистем, включая разнообразие видов, структуру популяций, стабильность и продуктивность экосистем. Необходимо подчеркнуть следующие положения: во-первых, большие дозы могут нести огромную экологическую опасность, поскольку они отравляют организмы раньше, чем эти организмы успевают их метабол из ировать; во-вторых, опасность, связанная с накоплением ксенобиотиков организмами. В результате биоконцентрации может усиливаться токсическое воздействие, ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней. Опасность сублетальных (малых) концентраций (доз) обусловлена следующими факторами: а) может происходить хроническое отравление малыми концентрациями (дозами), ведущее к падению репродуктивной способности. Например, отравление ПХБ и пестицидами способствовало бесплодию популяций тюленя в Балтийском море, что в конечном итоге может привести к вымиранию популяции (т. к. понижается рождаемость); б) сублетальные концентрации ксенобиотиков могут нарушать тонкую регуляцию межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различными хемомедиаторами и хеморегуляторами; в) сублетальные концентрации, оказывая неодинаковое влияние на конкурентные друг с другом виды одного трофического уровня, могут нарушать естественный экологический баланс в экосистемах; г) малые дозы ряда пестицидов, как оказалось, могут даже стимулировать воспроизводство популяций некоторых крайне нежелательных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах. Так, в одной из серии опытов сублетальные дозы ДЦТ, диэльдрина и паратиона увеличивали откладку яиц колорадским жуком на 50,33 и 65 % соответственно. Итак, изучение путей биотрансформации ксенобиотиков в экосистемах и входящих в их состав организмах показывает, что экологическая опасность ксенобиотиков-поллютантов определяется не только их непосредственной токсичностью, но и токсичностью и персистентностью продуктов их биотрансформации, а также способностью ксенобиотиков и продуктов их биотрансформации влиять на биохимические и физико-химические процессы в экосистемах. Принципиальное значение имеет соотношение между скоростью поступления ксенобиотиков в конкретные экосистемы и скоростью их деградации. Один из путей снижения нежелательных последствий загрязнения биосферы - разработка, производство и применение биодеградабельных соединений, т. е. материалов и веществ, относительно быстро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада. Еще один важный путь - использование природных веществ для регуляции различных физиологических процессов и создания интегрированной системы защиты растений. Завершая очень сжатое изложение поведения ксенобиотиков в экосистемах и возможные последствия этих взаимодействий, отметим некоторые основные положения:
экологическую опасность представляют даже низкие, сублетальные концентрации ксенобиотиков, которые (особенно при длительном воздействии) могут в течение ряда поколений снижать воспроизводство в популяциях и тем самым приводить к вымиранию этих популяций 41. Общие представления о скрининге и мониторинге. Биологическим испытаниям должны подвергаться все синтезируемые ксенобиотики, т. е. необходимо создать производительную систему их испытаний на разные виды биологической активности. Практика показывает, что у часто применяемого вещества открываются новые свойства (как полезные, так и вредные). Поэтому в случае поиска веществ с конкретными видами биологической активности необходимо максимально полно определить у них весь спектр видов биологической активности. Для осуществления указанных целей необходимо эффективное массовое испытание ксенобиотиков на биологическую активность. Проверка большого массива ксенобиотиков на один или несколько видов биологической активности получила название скрининга. Экономическая эффективность скрининга возрастает, если растет число тестируемых активностей, и скрининг становится многоцелевым, ориентирован на цели сельского хозяйства, микробиологической промышленности, охраны окружающей среды и т. д. мониторинга - системы непрерывного контроля за химическим загрязнением среды. в мониторинге используется физико-химический метод контроля, позволяющий измерять концентрации компонентов или других показателей среды. Допустимый уровень загрязнения среды химическими веществами определяется предельно допустимой концентрацией (ПДК) для каждого вещества. Биологическая активность различных веществ, проявляющаяся в их отрицательном воздействии на организм человека, представлена различными типами. к недостаткам использования ПДК в системе контроля загрязнения среды относят:
для создания системы мероприятий, обеспечивающей безопасность людей в среде, загрязненной продуктами химической деятельности человека, необходимы: разработка научно обоснованных подходов для выбора критериев, определяющих безопасность человека и других живых компонентов биосферы, а также развитие технологических и инженерно-технических методов и техники экспресс-анализа, обеспечивающих непрерывный контроль за состоянием среды. 42. Структурная организация системы испытания ксенобиотиков на биологические активности. Общий принцип организации биологических испытаний чужеродных соединений - это многоуровневый набор тестов с повышающейся на каждом уровне сложностью биологического тест-объекта (модели) и растущей детализацией и надежностью прогноза вида биологической активности. Первый уровень - базовый, через него проходят все соединения, которые в соответствии с результатами прохождения этого первого уровня направляются затем к специализированным тестам. Базовый уровень состоит из трех подуровней. на первом подуровне сведения о структуре и некоторых свойствах соединений вводятся в компьютер, который производит первичный анализ принадлежности соединения данной структуры к определенным уже известным классам биологической активности. На втором подуровне эта классификация производится на основании экспериментального определения дополнительных физико-химических характеристик веществ. На третьем подуровне в систему вводятся тест-объекты. Основным тест-объектом является изолированная клетка.На этом подуровне регистрируется способность чужеродных химический соединений влиять на основные свойства живой клетки, как рост, дыхание, энергетика, биосинтез и т. д. База пропускает весь массив испытуемых ксенобиотиков, выдавая для каждого из них единообразный набор характеристик - основной биологический «паспорт». Биологический «паспорт» ксенобиотика - документ, которым должно снабжаться каждое соединение, поступившее из испытания. «Паспорт» должен содержать сведения о структуре вещества, источнике его происхождения, результаты теоретического и экспериментального изучения соединения, включая первичную оценку безопасности ксенобиотика. Биологический «паспорт» ксенобиотика - это итоговый документ. Второй уровень- надстройка. Надстройка работает в режиме ориентации на две цели: нахождение химического соединения, обладающего полезными для человеческого организма свойствами, и обнаружение вредных для человеческого организма биологических активностей испытуемых химических соединений. Надстройка работает для достижения целей, связанных с организмом человека. Поэтому клетки человека и организм человека в целом берутся за основу при проектировании надстройки. Надстройка имеет дело с расчлененным потоком веществ, т. е. на отдельные испытательные блоки приходятся лишь некоторые подмножества на основе данных, получаемых в базе. на предварительном этапе на упрощенных (модельных) системах необходимо предсказать вид биологической активности и определить ксенобиотики, которые, по вероятным оценкам, не обладают определенными видами активности (резус) или являются токсичными (исключаются из системы испытаний). Основная идея предыспытания состоит в реализации следующих методологических подходов: заменить модели организмен- ного уровня некоторой совокупностью моделей доорганизменного уровня. Таким образом, достигается цель более экономного расхода химического соединения на единичное испытание и реальнее становится автоматизация испытаний с технологической стороны. Процедура организации биологических испытаний ксенобиотиков, ориентированная на поиск лекарственных препаратов и оценку их безопасности. 43. Выбор тест-объектов и тест-реакций. Принцип биологического эпиморфизма. Система тестирования ксенобиотиков по видам биологической активности может включать два взаимосвязанных подхода. Первый – уровень целевого объекта испытаний (человек, животное, растение, биогеоценоз), на который должно быть направлено действие искомого ксенобиотика, исходя из целей поиска (лекарства, ветеринарное средство, гербицид и т. д.), и второй подход – совокупность тест-объектов, базирующихся на использовании более примитивной организации живой материи, чем целевой. Использование второго подхода оправдано в тех случаях, когда первый не обеспечивает достаточной производительности и т. д. Однако эти реальные подходы ограничиваются одним или несколькими видами биологической активности и сравнительно малой выборкой ксенобиотиков из массива. Когда мы говорим о биологической активности ксенобиотиков, то для ее определения, естественно, необходимы тест-объекты, на которых регистрируются определенные виды биологической реакции (гибель, изменение роста, изменение различных метаболических реакций и т. д.) при их действии; эти реакции часто называются тест-реакциями. К настоящему времени разработан достаточно широкий набор тест-объектов и соответствующих тест-реакций, позволяющих классифицировать химические соединения по характеру их действия. |