Ксенобиология ответы. 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
9.Биоаккумулирование ксенобиотиков. Коэффициент накопления. Одно- и многоразовые дозы. Способность накапливать различные элементы даже при очень низком содержании их в среде называется аккумулированием вещества организмом (кумулятивный эффект). Способность организмов к накоплению веществ характеризуется таким параметром, как коэффициент накопления. содержание (концентрация) вещества в организме N = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– содержание (концентрация) в окружающей среде Разовая доза и период полувыведения из организма. Введение в организм разовой дозы вещества приводит к появлению определенного количества этого вещества в тканях. В процессах метаболизма и экскреции это вещество выводится из организма с определенной скоростью. Многократное дозирование. В природной среде воздействие вещества на организм редко ограничивается разовой дозой. Если в окружающей среде вещество распределено повсеместно, организм подвергается его воздействию непрерывно. Важно отметить, что со временем содержание вещества в организме достигает некоторого предельного максимального значения, так как при повышении концентрации в тканях ежедневное его выведение увеличивается и становится равным дозе, вводимой ежедневно. При увеличении первоначальной вводимой дозы повышается количество выводимого вещества и его содержание в организме, т.е. устанавливается новое равновесие. Максимальная концентрация вещества в тканях зависит от размера дозы (повышается при ее увеличении) и от периода полувыведения или скорости выведения. Вещества с большим периодом полувыведения накапливаются в больших концентрациях, чем вещества с меньшим периодом полувыведения. Другим важным фактором является время, необходимое для достижения состояния равновесия. Следует отметить, что организмы, таким образом, накапливают вещество в своих тканях в соответствии со скоростями его введения и выведения. Причем степень накопления вещества в организме изменяется в широких пределах и во многих случаях коррелирует с коэффициентом распределения вещества. 10. Характеристика факторов, влияющих на биоаккумулирование ксенобиотиков. Трофические цепи и экологические пирамиды. Поскольку явление аккумулирования включает взаимодействие вещества с организмом, то факторы, определяющие степень его накопления, должны включать характеристики как самого ксенобиотика, так и организма. Одной из характеристик самого вещества является устойчивость. Для того чтобы ксенобиотик мог накапливаться в организме, его воздействие на организм должно быть достаточно длительным, особенно когда оно осуществляется через цепь питания. Следовательно, любое аккумулирующееся вещество должно быть устойчивым к возможным в данной среде процессам разрушения. Площадь поверхности. Если процесс аккумулирования включает физические стадии (адсорбция, диффузия), степень накопления чужеродного вещества в большей мере зависит от площади поверхности контакта организма с окружающей средой (адсорбция растениями пестицида из воздуха после опрыскивания). Величина поверхности на единицу массы или объема повышается при уменьшении размера частицы. Следовательно, если адсорбция в процессе аккумулирования играет значительную роль, то можно ожидать, что более мелкие организмы будут накапливать в единице объема большее количество вещества, чем более крупные. Распределение. Большинство организмов содержит значительные жировые отложения; в этих тканях накапливаются ксенобиотики с большими значениями коэффициента распределения. Способность ксенобиотика распределяться в жировых депо организма также может влиять на его период полувыведения. Жировые ткани в процессах метаболического преобразования являются не самыми активными. Следовательно, если вещество распределилось в таких тканях, оно может сохраняться там до тех пор, пока организм не израсходует весь жир. Устойчивые в окружающей среде ксенобиотики очень плохо растворяются в воде. Следовательно, среда обитания конкретного организма может существенно влиять на его способность аккумулировать ксенобиотики. Организмы, обитающие на дне среди осадков, подвергаются воздействию более высоких концентраций ксенобиотика, чем находящиеся в верхних слоях того же самого участка водоема. На процесс аккумулирования может влиять и размер частиц, проглатываемых организмами. Поскольку на более мелких частицах, как уже отмечалось, адсорбированное на их поверхности чужеродное вещество содержится в более высоких концентрациях, организмы, проглатывающие такие частицы, будут подвергаться воздействию более высокого содержания ксенобиотика. Важным фактором является и количество потребляемой пищи. Организмы, нуждающиеся в относительно большом количестве пищи, могут аккумулировать чужеродное вещество из окружающей среды в большей степени при условии, что процесс накопления ксенобиотика не компенсируется более активным процессом его выведения. Цепь питания. Ксенобиотики в массовых количествах поступают в неорганические элементы биосферы (воздух, воду, почву). Находясь во внешней среде, чужеродные соединения взаимодействуют с различными органическими элементами биогеоценозов – микроорганизмами, растениями, животными, поступая в конечном итоге по трофическим цепям в организм человека. Установлено, что по мере движения ксенобиотика по пищевой цепи к следующему консументу, в организме которого он метаболизируется в незначительной степени, происходит существенное увеличение концентрации чужеродного вещества. Для лучшего понимания закономерностей движения по пищевым цепям продуктов питания, а также попавших в биоценозы ксенобиотиков строятся так называемые экологические пирамиды. В экологических пирамидах схематически учитывают плотности популяций (число особей на 1 м2), биомассы (грамм сухого или влажного вещества на 1 м2) или продуктивность в энергетических эквивалентах (джоулей на 1 м2 в год) для всех членов каждого трофического уровня в данном биоценозе. В условиях поступления в организм чужеродных химических веществ, которые не могут быстро метаболизироваться и полностью экскретироваться во внешнюю среду, начинается накопление этих веществ по ходу пищевой цепи. При этом, поскольку организмы-потребители, стоящие на более высоких уровнях экологической пирамиды, обладают меньшей суммарной биомассой по сравнению с организмами предыдущего уровня, происходит последовательная биоконцентрация токсикантов, достигающая максимальных значений у конечных консументов, которыми могут являться люди. Итак, в результате процессов абсорбции, распределения и биоконцентрации, зависящих как от физико-химических свойств ксенобиотиков, так и от экологических взаимоотношений в пищевых цепях, в организмах человека, животных и растений происходит аккумулирование ксенобиотиков, сопровождающееся в ряде случаев их специфическим токсическим действием. 11. Характеристика вредного влияния ксенобиотиков на экосистемы: критерии вредного влияния, последствия и формы, зависимость от времени. Важное значение имеют скорости превращений ксенобиотиков в экосистеме. Высокая скорость превращения обычно приводит к исчезновению вещества и к исчезновению проблемы, связанной с загрязнением окружающей среды; при медленном разрушении вещество сохраняется длительное время, что может приводить к его концентрированию. Этапы дальнейшей трансформации ксенобиотиков в экосист: 1) реакции превращения: распад ксенобиотиков, окислительно-восстановительные и гидролитические реакции, реакции конъюгации; 2) адсорбция на частицах биологического и абиотического происхождения; 3) переход из одной среды в другую (миграция). 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. нарушение нормального функционирования экосистем, связанное с наличием биоразрушаемых ксенобиотиков. 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. При оценке экологической опасности необходимо учитывать природу и процессы метаболических превращений. Важно помнить тот факт, что почти любой органический ксенобиотик может метаболизироваться в каком-либо организме, и часто в результате довольно сложных последовательностей реакций образуются многочисленные метаболиты. Степень накопления метаболитов в организме зависит от относительных скоростей их образования и последующего метаболизирования и (или) вывода из организма. Метаболит накапливается в организме, если он вырабатывается с относительно высокой скоростью, тогда как последующие метаболические реакции идут с меньшей скоростью или скорость выведения метаболита из организма мала по сравнению со скоростью его образования. Природу метаболических превращений следует учитывать при разработке аналитических методов. Экологическая опасность больших доз биоразрушаемых ксенобиотиков и остатков неразложившихся ксенобиотиков Большие дозы ксенобиотиков могут нести огромную экологическую опасность:они отравляют организмы раньше, чем те успевают их метаболизировать, и 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 концентраций (доз) обусловлена следующими факторами: а) может происходить хроническое отравление организмов, ведущее к падению репродуктивной способности. Например,отравление ПХБ и пестицидами способствовало развитиюбесплодия в популяции тюленя в Балтийском море. В конечном итоге это может приводить к вымиранию популяции из-за снижения рождаемости; б) может нарушаться тонкая регуляция межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различными хемомедиаторами и хеморегуляторами; в) сублетальные концентрации, оказывая неодинаковое влияние на конкурентные виды одного трофического уровня,могут нарушать естественный экологический баланс 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 биоразрушающихся соединений, т.е. материалов и веществ, относительно быстро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада. Кроме того, продуктыметаболизма многих ксенобиотиков оказываются более токсичными и канцерогенными, чем исходные соединения;действию ксенобиотиков подвергаются такие структурно-функциональные системы клетки, как генетическийаппарат, биомембраны, белки; трансформация ксенобиотиков в объектах окружающейсреды может приводить к появлению более персистентных соединений и остатков неразложившихся токсикантов; многие ксенобиотики (например, гидрофобные пестициды некоторые металлы и их соединения) способны аккумулироваться в живых организмах в более высоких концентрациях, чем в окружающей среде. 12 Система оценки первичной безопасности ксенобиотиков: характеристика тест-объектов и тест-реакций. Рассмотрим, как можно решить одну из упомянутых целей биологического испытания – первичную оценку биологической безопасности ксенобиотика на субклеточном и тканевом уровнях в автоматизированном режиме. В этом случае система включает три подсистемы: информации, экспериментальную и управляющую. Первая подсистема производит автоматизированный сбор, обработку полученных теоретических экспериментальных данных и формирует итоговый документ о биологической активности испытуемого ксенобиотика. Управляющая подсистема в соответствии с целями и задачами производит работы по последовательному переключению испытаний на соответствующую тест-систему, осуществляет смену и дозировку экспериментальных растворов, поддерживает заданный (временной) режим испытаний и т.д. Основные события по выявлению биологической активности ксенобиотика разыгрываются в экспериментальной подсистеме, базирующейся на многоуровневом подборе тест-объектов, позволяющих провести оценку токсических, мутагенных, канцерогенных и других эффектов. Примерный перечень тест-объектов и тест-реакций, используемых в системе первичной оценки безопасности ксенобиотиков
13. Биотесты и биоиндикаторы. Использование приемов биотестирования в системе экологического мониторинга. Технологические и технические решения, реализованные в системе биологических испытаний, могут быть широко использованы в конкретных системах и комплексах для контроля за состоянием окружающей среды и отдельных ее блоков: атмосфера, вода, почва. Обращение к этой системе может стимулировать развитие одного из наиболее перспективных направлений в процедуре контроля – использование биологических объектов и разработка на их основе биодатчиков. 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). Одной из неотложных задач охраны природы является создание мониторинга – системы непрерывного контроля за химическим загрязнением среды. В настоящее время в мониторинге предпочтение отдается физико-химическим методам контроля, позволяющим измерять концентрации компонентов или других показателей среды. Законодательно допустимый уровень загрязнения среды химическими веществами определяется предельно допустимой концентрацией (ПДК) для каждого вещества. 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. При проведении фундаментальных исследований система дает возможность установить корреляцию между действием определенных типов биологической активности на различных уровнях сложности живой материи и ее компонентов (организм, ткани, клетки, субклеточные структуры, биополимеры). Методологически это открывает подходы к пониманию механизмов «отрицательного» действия определенных классов ксенобиотиков и ведет к тому, чтобы сформулировать на этой основе задания на разработку защитных мероприятий. Биоиндикация — оценка качества природной среды по состоянию её биоты. Основана на наблюдении за составом и численностью видов-индикаторов.Биоиндикация используется в экологических исследованиях, как метод выявлення антропогенной нагрузки на биоценоз. Метод биоиндикаторов основан на исследовании воздействия изменяющихся экологических факторов на различные характеристики биологических объектов и систем. В качестве биоиндикаторов выбирают наиболее чувствительные к исследуемым факторам биологические системы или организмы. Изменения в поведении тест-объекта оценивают в сравнении с контрольными ситуациями, принятыми за эталон. Например, при оценке экологического состояния поверхностных вод в качестве биоиндикаторов используют наблюдение за поведением дафний, моллюсков, некоторых рыб |