ксенобиология. ответы. экзамен. 1. Масштабы и причины химического загрязнения. Классификация загрязнений

• Название: 1. Масштабы и причины химического загрязнения. Классификация загрязнений
• Дата: 10.01.2019
• Размер: 1.55 Mb.
• Имя файла: ксенобиология. ответы. экзамен.docx
• Тип: Документы; #63071
• страница: 7 из 7

51.Персистентные и неразлагающиеся ксенобиотики.

В связи с неспособностью экосистем к полной биодеградации ксенобиотиков создается экологическая опасность, обусловленная наличием в биосфере как устойчивых (персистентных) или вообще не разлагающихся в окружающей среде ксенобиотиков, так и подвергающихся биодеградации. В этой связи возникает несколько возможных ситуаций: - нарушение функционирования экосистем, обусловленное наличием устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксенобиотиков. В конечном итоге ксенобиотики, постоянно накапливаясь, будут оказывать негативное воздействие на экосистемы; - нарушение нормального функционирования экосистем, связанное с наличием биоразрушаемых ксенобиотиков. Причины такого нарушения: природа превращений и аккумуляции ксенобиотиков; опасностью воздействия больших доз; воздействием малых (сублетальных) концентраций. Способность ксенобиотиков распространяться в окружающей среде создает проблемы, связанные с длительностью их сохранения в природных условиях. 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. Конкретный ксенобиотик может легко разрушаться в одной среде, но может быть устойчивым в других условиях. ДДТ оказывает очень большое влияние на природную среду; он очень устойчив к метаболическому разрушению, слабо растворяется в воде, липофилен. Однако согласно установленной последовательности реакций ДДТ все же распадается на ряд производных. Так, например, при удалении из молекулы ДДТ атома хлора образуется ДДД, а при отщеплении НС1 – ненасыщенное соединение ДДЭ. Оказывается, ДДЭ – еще более опасное для окружающей среды вещество, чем ДДТ, поскольку оно еще медленнее метаболизируется и разрушается.

Превращение ДДТ в ДДЭ – основная причина возникновения экологической проблемы. Если ДДТ превращается в ДДД, то последний быстро разрушается; однако чаще ДДТ превращается в ДДЕ – соединение исключительно устойчивое, и именно этот метаболит обычно обнаруживается в окружающей среде.
52.Экологическая опасность биоразрушаемых и остатков неразложившихся ксенобиотиков, опасность сублетальных концентраций.

Экологическая опасность больших доз биоразрушаемых ксенобиотиков и остатков неразложившихся ксенобиотиков связана с возможностью нарушения практически всех элементов структуры и функционирования экосистем, включая видовое богатство и разнообразие видов, структуру популяций, стабильность и продуктивность экосистем. Большие дозы ксенобиотиков могут нести огромную экологическую опасность, во-первых, поскольку они отравляют организмы раньше, чем те успевают их метаболизировать, и, во-вторых, в связи с накоплением этих веществ организмами. В результате биоконцентрации может усиливаться токсическое воздействие ксенобиотиков и ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней. Опасность сублеталъных (талых) концентраций (доз) обусловлена следующими факторами: 1) может происходить хроническое отравление организмов, ведущее к падению репродуктивной способности; 2)может нарушаться тонкая регуляция межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различными хемомедиаторами и хеморегуляторами; 3)сублетальные концентрации, оказывая неодинаковое влияние на конкурентные виды одного трофического уровня, могут нарушать естественный экологический баланс в экосистемах; 4) малые дозы ряда пестицидов могут даже стимулировать воспроизводство популяций некоторых крайне нежелательных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах. Пути снижения нежелательных последствий загрязнения биосферы – разработка, производство и применение биоразрушающихся соединений, т. е. материалов и веществ, относительно быстро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада; – использование природных веществ для регуляции различных физиологических процессов и создания интегрированной системы защиты растений.
53.Общие представления о скрининге и мониторинге ксенобиотиков.

В практику должны вводиться только те соединения, которые подверглись биологическим испытаниям. Необходимо создание производительной системы испытаний ксенобиотиков на разные виды биологической активности. Практика показывает, что применяемое вещество часто обнаруживает новые, весьма неожиданные свойства, как полезные, так и вредные. Поэтому при поиске веществ с конкретными видами биологической активности необходимо максимально полно определить весь спектр биологической активности этих веществ. Проверка большого массива ксенобиотиков на один или несколько видов биологической активности получила название скрининга. Идея скрининга возникла давно – в период становления химической индустрии она уже прочно завоевала себе место в умах фармакологов. Тотальная проверка большого массива химических соединений или природных объектов, направленная на выявление потенциальных лекарств, получила в XX в. свое развитие как один из основных методов поиска новых лекарств (и химических соединений вообще) с заданным типом биологической активности. В 1910 г. одна из немецких фирм испытала около 1200 производных акридина. В 1966 г. в США в поисках противоопухолевых препаратов испытывал ось около 114 000 соединений, из которых было отобрано 12 потенциальных лекарств, но ни одно из них не стало достаточно выдающимся в своем классе фармакологических препаратов. Системное определение биологической активности всего массива соединений может быть осуществлено путем создания высокопроизводительной системы их классификации по видам биологический активности. Каждый ксенобиотик обладает определенными видами и степенью биологической активности. Необходимо выявить эти свойства и предсказать возможность практического использования данного соединения или его возможную роль в окружающей среде.
54.Структурная организация системы испытания ксенобиотиков на биологические активности.

Схема испытаний общего потока соединений на любые виды биологической активности должна включать и систему их предварительной фильтрации. Попадая в организм, химическое вещество проникает в определенные ткани; в тканях оно взаимодействует с определенными клетками; в клетках – с определенными субклеточными структурами, а в пределах этих структур – с биополимерами или низкомолекулярными соединениями клетки. В обратном порядке развивается реакция целостного организма – от молекулы-мишени до организма. Результаты воздействия ксенобиотиков зависят в первую очередь от химической структуры самого вещества, его физико-химических свойств, которые определяют тропность вещества к определенным тканям, клеткам и характер взаимодействия с молекулярными мишенями, а также зависят от структуры мишени и его функциональной роли.

Всю совокупность операций по классификации ксенобиотиков можно представить следующим образом: классификация по видам биологической активности на основании химических, физических и физико-химических свойств при отсутствии биологического тест-объекта путем расчета структуры соединений и экспериментального определения их физико-химических свойств; классификация по результатам взаимодействия соединений с моделями клетки, организма, биосферы, включающая последовательные иерархические уровни организации биологической материи. Моделируемые объекты (клетки, организм, биосфера) предстают в системе в виде представительных наборов тест-объектов, обладающих основными элементарными функциями, присущими целевым объектам. Общий принцип организации биологических испытаний чужеродных соединений – это многоуровневый набор тестов с повышающейся на каждом уровне сложностью биологического тест-объекта (модели) и соответственно растущей детализацией и надежностью прогноза вида биологической активности. Первый уровень– базовый, через него проходят все соединения, которые в соответствии с результатами направляются затем к специализированным тестам. 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 этого подуровня является изолированная клетка. Второй уровень, меньший по пропускной способности, – надстройка. Надстройка преимущественно ориентирована на первые две цели: нахождение чужеродного соединения, обладающего полезными для человеческого организма свойствами, и обнаружение вредных для человеческого организма биологических активностей испытуемых ксенобиотиков. Процедура организации биологических испытаний ксенобиотиков. Вначале исследуются два массива ксенобиотиков: новые и известные. Это связано с тем, что среди известных соединений, не испытывавшихся ранее на биологическую активность, могут быть обнаружены искомые лекарства. Кроме того, для известных тестируемых ксенобиотиков могут быть выявлены новые виды биологической активности. С учетом фармакологической активности, выявленной на более простых моделях, последующая проверка ксенобиотиков проводится на животных. Ксенобиотики, у которых обнаружена нужная для практических целей активность, проходят испытания по полной программе, включая тестирование на основные и побочные виды активности, оценку острых, хронических и отдаленных форм проявления биологических активностей.
55.Выбор тест-объектов и тест-реакций. Принцип биологического эпиморфизма.

Система тестирования ксенобиотиков по видам биологической активности может включать два взаимосвязанных подхода. Первый подход – исследование целевого объекта испытаний (человек, животное, растение, биогеоценоз), на который должно быть направлено действие искомого ксенобиотика исходя из целей поиска (лекарство, ветеринарное средство, гербицид и т.д.); второй – изучение совокупности тест-объектов более примитивной организации, чем целевой. Использование второго подхода оправданно в тех случаях, когда первый не обеспечивает достаточной производительности и т. п. Традиционный путь поиска: с применением фармакологических тестов организменного уровня определяют биологическую активность ряда чужеродных соединений, затем улучшают их свойства путем химической модификации в соответствующих рядах соединений. После этого проводят новые испытания модифицированных веществ, снова их улучшают и т. д. Это делается до тех пор, пока указанная процедура не приведет к созданию наиболее эффективного в данном ряду соединения. Такой подход охватывает лишь один или несколько видов биологической активности и сравнительно малую выборку ксенобиотиков.

Обстоятельства, затрудняющие индустриализацию процесса биологического испытания соединений на организменном уровне (в частности на животных): необходимость большого числа животных в качестве тест-объектов; затраты большого количества исследуемого химического соединения; ограниченность автоматизации процесса; большие временные затраты в связи с тем, что единичный акт испытания химического соединения на животных мало управляем во времени. Работая со сравнительно небольшими массивами чужеродных соединений возникла необходимость обратиться к исследованиям на тканевом, клеточном, молекулярном уровнях. Здесь вступает в право использование принципа качественного подобия – эпиморфизматест-объекта и целевого объекта в отношении определенного биологического свойства ксенобиотика. Принцип эпиморфизма – это принцип конструктора: из небольшого числа деталей построить как можно больше фигур. Возможности принципа эпиморфизма велики, поскольку основные молекулярные структуры и субклеточные образования в большей степени единообразны у самых разнообразных живых объектов. Главные методологические трудности при использовании эпиморфных моделей связаны с определением оптимального уровня детализации модели по отношению к целостному организму. Этого можно достичь исходя из того, что в системе тест-объектов на клеточном уровне организации представляются все царства живого и основные типы тканей организма человека, а также из того, что у тест-объектов в совокупности определяются все основные реакции (гибель, повреждение, адаптация, проницаемость, метаболизм ксенобиотиков, синтез белка и ДНК, возбудимость и т. д.). Для определения б.а необходимы тест-объекты, у которых регистрируются определенные виды биологических реакций (гибель, изменение роста, изменение различных метаболических реакций и т. д.) при их действии, называемые тест-реакциями. Предлагается подбирать тест-объекты по следующим критериям: сходство молекулярных рецепторов, являющихся мишенями для веществ с данными видами активности; принцип надмолекулярной организации и молекулярный состав (близость по структуре); функциональное сходство; органное или тканевое происхождение; идентичность патологического состояния тест-объекта таковому реального объекта. Каждый тест-объект индивидуален, что приводит к целому ряду затруднений при регистрации его характеристик, интерпретации данных, выявлении их соответствия поставленным целям и т. д.

56.Разработка основ промышленного, с/х и экологического видов мониторинга на основе техники биологического испытания ксенобиотиков.

Пестициды с воздухом, водой, пищевыми продуктами могут воздействовать на любого человека. Масштабы их производства непрерывно растут. Все это приводит к тому, что пестициды представляют опасность, избавиться от которой человек пока не имеет возможности, так как производство продуктов питания пока тесно связано с производством пестицидов. Уменьшение опасности пестицидов должно идти по нескольким направлениям: 1.Замена химических методов борьбы с вредоносными организмами на биологические. 2.Создание научно обоснованных программ применения каждого пестицида, учитывающих их возможную роль в экологических сообществах, пути распространения в природе, и в пищевых цепях в частности. 3. Оценка безопасности новых и уже используемых пестицидов по полной программе, адекватной проверке лекарств. 4.Создание новых высокоэффективных пестицидов, максимально безопасных для человека и живой природы. Особое значение приобретает возможность оценить опасные биологические свойства не только индивидуальных пестицидов, но и их комбинаций между собой, с другими компонентами с/х химии, с лекарствами и т.д. Пищевые добавки (ПД) в наше время выступают как самые распространенные биологически активные ксенобиотики. Примеры: карбоксиметилцеллюлаза, которая применяется в производстве мороженого за рубежом, вызывает у крыс местную саркому, краситель-амарант, обладает канцерогенной активностью. Особый вопрос – сочетание пищевых добавок и лекарств, а также сочетание пища-пищевая добавка-лекарство. Необходимо исследовать биологическую активность употребляемых и вновь предлагаемых ПД с использованием автоматического системного комплекса, а в качестве тест-обьекта использовать модели, учитывающие специфичность механизма реализации этой активности в организме человека. Это позволит выявить наиболее опасные пищевые добавки и искать им замену прежде всего среди природных веществ, а также информировать потребителя об их опасности. Экологический мониторинг. Все чаще начинают использовать биологические методы контроля, с помощью которых наблюдение ведется за реакцией на загрязнение живого объекта, т. е. объект выступает как составная часть измерительной системы. Возможны три различных подхода к применению биологических объектов в качестве тестовых 

1.Использование организмов, входящих в данный биогеоценоз, за состоянием которых ведется слежение (биоиндикаторы). 2. Использование организмов, исходно не имеющих отношения к тестируемому биогеоценозу, но вводимых туда искусственно (экзогенные биоиндикаторы). 3. Использование объектов, не имеющих отношения к данному биогеоценозу, выращенных или взятых в контролируемых условиях и применяемых в качестве чувствительных элементов прибора, контролирующего состояние среды (биодатчик). Методы контроля влияния ксенобиотиков на биосферу: Качественный и количественный анализ индивидуальных веществ и комплексных загрязнений (химические и физические методы, иммунно-химические методы); Определение биологической активности индивидуальных веществ и комплексных загрязнений (методы с использований биоиндикаторов, методы с использованным биодатчиков).