Ксенобиология ответы. 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков

• Название: 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков
• Анкор: Ксенобиология ответы
• Дата: 19.10.2022
• Размер: 1.37 Mb.
• Имя файла: Ksena_1-60.docx
• Тип: Документы; #742986
• страница: 7 из 12

Часть присутствующих в атмосфере оксидов (NO, SO) и диоксидов (NO₂, SO₂) азота и серы образуются в ходе естественно протекающих природных процессов – вулканических извержений, разрядов атмосферного электричества, жизнедеятельности микроорганизмов. Доля природных процессов : 1 100 млн т этих соединений, антропогенная часть: 53 млн т.

Оксиды появляются в меньшей доле в результате эксплуатации бытовых газовых приборов и курения (выкуривание одной сигареты сопровождается появлением в воздухе помещения 160–500 мг оксида азота).

Основную токсикологическую опасность представляют диоксиды азота. В концентрации 100 мкг/м³ диоксид не вызывает каких-либо морфологических изменений в органах дыхания у крыс. Однако повышение концентрации диоксида азота до 600 мг/м³ в организме животных приводит к развитию бронхита и начальным проявлениям пневмосклероза.

Длительное воздействие диоксида азота вызывает целый спектр изменений физиологических систем организма животных (нарушение рефлекторной деятельности, гематологические изменения и т. д.). Диоксид азота в концентрациях 40–140 мг/м³ при экспозиции не более часа может вызывать развитие бронхита и бронхопневмонии.

Наиболее опасное проявление острого отравления оксидами азота – отек легких. При оценке биохимических эффектов диоксидов азота в ранние сроки от начала воздействия в тканях легких и печени прежде всего снижается содержание глутатиона.

В результате утилизации ископаемого топлива (до 70 % – при сжигании каменного угля и 16 %– при сгорании нефтепродуктов) 150 млн т серы появляется в атмосфере. При выплавке меди, свинца и цинка - 15 млн т.

Мишень воздействия оксидов серы - дыхательные пути, что приводит к увеличению респираторных заболеваний у населения, ослабляет иммунитета.

Определенное количество выброшенных в атмосферу окислов азота и серы удаляется в результате сорбции почвой, растительным покровом, водой и кислотных дождей. Образование кислотных дождей происходит с участием УФ-излучений, кислорода воздуха и озона .

Осаждающие на земную поверхность окислы азота и серы снижают интенсивность фотосинтеза, вызывают гибель наземных растительных сообществ, подкисление водоемов и связанную с ним гибель гидробионтов. Отдельные рыбы, моллюски сильно подвержены (связано с нарушением кальциевого обмена), (кислотные осадки с рН 3,0 снижали образование стручков у бобовых на 7 %).

Фторсодержащие углеводороды. Общие выбросы углеводородов в атмосферу составляют не менее 200 млн т в год. Особенно опасны полициклические ароматические углеводороды, в частности бенз(а)пирен, образующиеся при сгорании различных видов топлива и других высокотемпературных процессах и вызывающие мутагенные и канцерогенные эффекты.

Фторхлорсодержащие углеводороды вызывают разрушение озонового слоя в стратосфере. Это связано с тем, что под действием УФ-излучения образуются активные радикалы Cl*. При фотолизе кроме хлора образуются ряд других активных соединений, которые могут разрушать фторхлоруглеводороды (ФХУ) с образованием радикалов ClO* и Cl*. Радикалы участвуют в разрушении озона.

Вместе с СО₂ галогенуглероды участвуют в создании парникового эффекта в атмосфере, т. к. они поглощают ИК-излучение в области 700–1300 нм, т. е. в той области, в которой СО₂ их пропускает.

33.Экологическая и токсикологическая характеристика тяжелых металлов.

Наиболее часто металлы, в том числе и высокотоксичные, попадают в окружающую среду в результате промышленных сбросов в водоемы со сточными водами, не прошедшими эффективной очистки, а также использование пестицидов, в состав которых они входят.

Тяжелые металлы вызывают острое или хроническое отравление. Токсичность тяжелых металлов проявляется в подавлении роста и развития растений и микроорганизмов, нанесения серьезного ущерба здоровью человека и животных. Длительное воздействие их может вызвать развитие рака, аллергии, физических и неврологических дегенеративных процессов.

Степень токсичности тяжелых металлов для человека и животных, а также для растений неодинакова и колеблется в весьма широких пределах. Например цинк, титан характеризуются низкой токсичностью для человека и теплокровных животных, но даже в низких концентрациях они оказывают губительное действие на рыб и других обитателей водных экосистем.

Свинец.Ежегодно в земную атмосферу выбрасывается около 1 млн.т. его соединений, значительная часть которых водорастворима. Основной источник – этилированный бензин. Токсикологическая опасность свинца усугубляется его активным всасыванием в пищеварительном тракте человека и накоплением в костях. Депонированный в костях свинец способен поступать в кровь, с током которой доставляется в различные органы.

В наибольшей степени опасному воздействию свинца подвергаются рабочие, занятые на его добыче в шахтах, а также при выплавке. В этом случае металл поступает в организм ингаляционным путем.

Примерно 35 % свинца, попавшего в дыхательные пути человека, оседает в легких. Около 10 % свинца, поступившего с продуктами питания в пищеварительный тракт, всасывается. Выведение свинца из организма человека осуществляется преимущественно (более 70 %) почками и в меньшей мере через пищеварительный тракт ( 10 %).

Свинцовая интоксикация вызывает нарушение биосинтеза гемоглобина на уровне ингибирования левулинатдегидратазы и гемсинтетазы. Имеются сведения о нарушении синтеза цитохрома Р-450 при свинцовой интоксикации.

Главной мишенью воздействия свинца при хронических отравлениях являются центральная и периферическая нервные системы (свинцовая энцелопатия: появление головной боли, нарушение сна, памяти, возникновение тремора, галлюцинаций и т. д.). Некоторые растения интенсивно накапливают свинец (листья салата и бобов).

Ртутьвещества общетоксического действия, вызывающие у людей летальный исход, попадая в организм с питьевой водой в количестве 75–300 мг в сутки. Наиболее токсична двухлористая ртуть (сулема), однократная летальная доза которой составляет для человека 0,2–0,5 г. Ртуть характеризуется высокой нефротоксичностью, приводящей к быстро развивающейся почечной недостаточности. Выведение ртути осуществляется почками, через пищеварительный тракт, потовыми и молочными железами.

Начиная с концентрации 0,006–0,01 мг/л ртуть в виде водорастворимых солей оказывает губительное влияние на рыб и другие водные организмы.

При отравлениях ртутью, особенно ее органическими соединениями, отчетливо выражены симптомы поражений нервной системы (парезы, параличи, нарушения зрения и слуха). Биологический период полувыведения ртути для большинства тканей человека 70-80 дней.

В 1953 г. в Японии у 121 жителя побережья Минамата было выявлено заболевание, сопровождающееся ломотой в суставах, нарушением слуха и зрения - «болезнь Минамата». На ацетиленовом производстве ртутные отходы сбрасывались в реку, впадающую в бухту Минамата. Ртуть микробиологическим путем превращалась в метилртуть, которая через планктон, моллюсков и рыб в конце концов концентрировалась и дойдя до человека достигала токсичной концентрации.

Кадмийгубительно влияет на организм. Накапливается в печени, почках, поджелудочной и щитовидной железах и др. Кадмий характеризуется выраженной нефротоксичностью при попадании в организм с питьевой водой.

Высокой чувствительностью к действию кадмия характеризуются водные организмы. Так, пребывание рыб (гуппи, карп, карась и др.) на протяжении суток в воде с содержанием Cd²⁺ 0,001–0,3 мг/л приводит к их гибели.Для кадмия период полувыведения из организма человека составляет более 10 лет, поэтому при систематическом попадании даже следов кадмия могут быть серьёзые последствия.

34.Экологическая и токсикологическая характеристика пестицидов.

Среди КБ особое место занимают средства защиты сельскохозяйственных растений от сорняков, насекомых, грибов – пестициды.

Тенденция к повышению урожайности сельскохозяйственных культур с ростом применения пестицидов, в свою очередь, порождает постоянный рост производства пестицидов.

Применением пестицидов приводит к возникновению проблем экологических и медицинских. Это связано с их высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью. При изучении путей трансформации пестицидов в организмах выяснилось, что некоторые из них превращаются в более токсичные продукты. Пестицидное загрязнение связано не только с повсеместным характером применения ядохимикатов, но и с их способностью мигрировать в экосистеме и биосфере в целом.

Наиболее широко распространены два класса пестицидов – фосфорорганические (ФОП) и хлорорганические (ХОП) пестициды.

ФОП – вызывают тяжелые отравления людей как в условиях сельскохозяйственного производства, так и в быту. Бытовые отравления хлорофосом характеризуются высокой степенью летальности (20–30) %. В основе токсического действия ФОП лежит их взаимодействие с холинэстеразой (ХЭ), ведущее к торможению ее активности и последующему быстроразвивающемуся нарушению метаболизма ацетилхолина - подавление передачи нервного импульса в холинреактивных системах. При этом наблюдается слюнотечение, отек легких, колики, тошнота, ухудшение зрения, увеличение кровяного давления, мышечные спазмы и судороги, паралич дыхательных путей и др.

ФОП оказывают повреждающее действие на мембрану: снижают скорость АТФ-зависимого транспорта Са²⁺ в микросомах печени крыс, стимулируют перикисное окисление липидов биологических мембран, приводящее к нарушению их функционального состояния и т. д. Наиболее вероятные пути поступления ФОП в организм человека и животных – через желудочно-кишечный тракт, кожу и ингаляционным путем.

Быстро деградирует в почве (в почве не накапливается). Хотя даже непродолжительное сохранение ФОП в почве ведет к последующему проникновению их в культивируемые растения, в грунтовые воды и атмосферу.( ФОП в моркови, рапсе, луке если они обработаны ФОП).

Перемещение в растения является не единственным путем миграции ФОП в почве. ФОП достаточно быстро мигрирует по профилю почвы, где происходит достаточно интенсивная деградация (в отличие от хлорированных пестицидов). При попадании ФОП в водоемы их деградация идет преимущественно по гидролитическому пути.

ХОП применяться давно. Классический представитель (ДДТ). ДДТ относится к числу чрезвычайно активных препаратов с инсектицидным действием.

Во многих странах, в том числе и у нас, применение ДДТ было запрещено уже в 60-х гг. ХХ в.

ДДТ – это типичный контактный яд, который сравнительно быстро проникает через кожу. ДДТ нарушает нормальный цикл в мембранах нервных клеток, влияя на Na-насос, поэтому после возбуждения не происходит восстановления первоначальной величины потенциала покоя. Токсическое действие ДДТ на нервную систему у разных организмов проявляется неодинаково. Хлорсодержащие пестициды в концентрации 0,01–10,0 мг/кг в молоке матери влияют на состояние ребенка или попав в половые железы (гонады) вызывают нарушение деторождаемости. Влияют на репродуктивную систему. В экосистемах эти вещества оказывают значительное влияние на животные организмы.

Для ХОП характерна высокая кумулятивная способность, что и определяет возможность хронических отравлений. Токсичность ХОП для человека довольно высока. Так, эндрин вызывает у людей судороги при попадании внутрь в дозе около 2 мг/кг, ДДТ вызывает аналогичный эффект в дозе 16 мг/кг, минимальная летальная доза токсофена от 2–7 г.

По некоторым данным в настоящее время их распылено в атмосфере около 3 млн т. Длительное пребывание ХОП в почве приводит к накоплению их в культурных растениях.

У человека ХОП поражает нервную, пищеварительную, кроветворную и сердечно-сосудистую системы. Являясь высоколипофильными соединениями, ХОП вызывают повреждения биологических мембран. Большинство ХОП стимулируют пролиферацию эндоплазматического ретикулума (ЭР) и индуцируют микросомальные оксидазы, в частности цитохром Р-450.ХОП влияют и на активность ферментных систем углеводно-фосфорного обмена.

35.Экологическая и токсикологическая характеристика органических ксенобиотиков: полихлорбифенилы, нефть и нефтепродукты, поверхностно-активные

вещества.

Полихлорбифенилы (ПХБ). Промышленное использование ПХБ обусловлено их химической инертностью, негорючестью и высокой диэлектрической постоянной - применять их в гидравлических системах, в трансформаторах, в рецептурах смазочных масел и пестицидов.

Загрязнение атмосферы ПХБ связано с утилизацией отходов при сжигании (до 52 %) на свалках, утечка ПХБ при транспортировке, при авариях на производстве и при удалении жидких промышленных отходов.

Попадая в атмосферу, ПХБ достаточно быстро сорбируются на взвешенных частицах, которые или быстро оседают, или вымываются из атмосферы с осадками. Большая часть ПХБ, переносимая с потоком воздуха, находится в парообразной фазе. ПХБ весьма устойчивые соединения. На открытом воздухе период полураспада может составлять от 10 до 100 лет. ПХБ мало растворимы в воде и имеют высокую температуру кипения, но встречаются повсеместно (воздух, вода, почва).

Микроорганизмы и другие более высокого порядка живые организмы чрезвычайно медленно метаболизируют ПХБ. Высокая липофильность ПХБ обуславливает их большое время жизни в организмах. Таким образом, токсичность ПХБ возрастает с увеличением содержания галогена.По мере повышения степени хлорирования также снижается интенсивность метаболической деградации ПХБ живыми организмами.

ПХБ экологически опасны в силу высокой персистентности и способности накапливаться в жировых тканях человека и животных, молоке и во всех гидрофобных средах.. Попадающие в организм животных ПХБ влияют на частоту развития спонтанных пневмоний и абсцессов легких, что свидетельствует о снижении сопротивляемости к инфекции. Считают, что ПХБ действуют и на репродуктивную функцию органов.

Нефть и нефтепродукты.Попадает нефть в природнуюсреду: при бурении скважин, при авариях танкеров, течи в нефтепроводах, при транспортировке, очистке отстойников и т. д.

Нефть весьма медленно разлагается в окружающей среде. В основном она состоит из ароматических углеводородов; в некоторых случаях, в зависимости от происхождения содержит алициклические углеводороды, альдегиды, кетоны.

На поверхности воды она разливается на большие расстояния с образованием тонкой пленки (1 т нефти образует пленку на 12 км²). В этом случае образуется эмульсионный слой нефть-вода, который препятствует газообмену между водой и воздухом. У птиц контакт с нефтью приводит к склеиванию оперения, птицы утрачивают способность держаться на воде и быстро гибнут от переохлаждения. Растворимые в воде окисленные компоненты нефти могут обладать токсическим действием, обладают концерогенным эффектом. Нефть, попавшая в природную среду, подвергается микробиологическому разложению (в течение недель и месяцев). За это время ее легколетучие компоненты испаряются, а оставшиеся подвергаются медленному окислению - образованию сгустков, которые постепенно опускаются на дно и оказывают влияние на придонные организмы.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Амфифильные соединения, хорошо растворимы в воде, эффективно переносятся с водными массами на большие расстояния.

Модифицируют биологические мембраны, воздействуют на их транспортно-барьерные свойства; при высоких концентрациях ПАВ наблюдаются более сильные эффекты – солюбилизация мембран. ПАВ оказывают влияние на активность ферментов в мембране, причем при низких концентрациях в ряде случаев наблюдается активация, а при высоких – ингибирование ферментативной активности. Механизм мембранотропного действия этой группы соединений связан со способностью неполярной части молекулы встраиваться в липидные структуры мембраны.

Их применение сопровождается пенообразованием. Возросшая потребность в ПАВ на промышленных предприятиях, а также их интенсивное использование в быту привели к большим скоплениям пены в руслах рек и водоемах. Пена препятствует судоходству, а высокая токсичность ПАВ приводит к гибели рыб. Незначительные концентрации ПАВ в речной воде (0,05–0,1 мг/л) активизирует токсические вещества, адсорбированные на донных осадках. Аналогично, вода, содержащая ПАВ и просачивающаяся в почву, может привести к активации токсических ксенобиотиков, чем и объясняется их опасность для грунтовых вод.

36.Наноматериалы: классификация, свойства, биологическая активность.

Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм.

Наноматериалы классифицируют в соответствии с их химическим составом:

– металлические наночастицы;

– наночастицы оксидов металлов и неметаллов;

– полупроводниковые наночастицы;

– углеродные наночастицы;

– наночастицы органически модифицированных слоистых сили-катов и алюмосиликатов;

– наночастицы из органически разветвленных полимеров;

– квантовые точки.

Многие вещества при переходе в наносостояние приобретают новые биологические свойства: способность проникать внутрь биологических структур, проходить через мембраны клеток, и более того, они обретают большую каталитическую активность. Даже абсолютно инертное исходное вещество в наносостоянии способно вызывать существенный эффект, поскольку суммарная поверхность его частиц очень велика. Например, у кубика вещества с размером ребра 1 см суммарная поверхность составляет 6 квадратных сантиметров. Если раздробить его до 2–3 нанометров, то суммарная площадь всех наночастиц будет размером примерно 400–500 квадратных метров!

Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием, которые часто отличаются от свойств этого же вещества в обычной форме В наносостоянии можно выделить ряд физико-химических особенностей поведения веществ:

1. Увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе высокой кривизны. Для макрочастиц (более микронного размера) данный эффект незначителен (не более долей процента). Большая кривизна поверхности наночастиц и изменение топологии связи атомов на поверхности приводит к изменению их химических потенциалов. Вследствие этого существенно изменяется растворимость, реакционная и каталитическая способность наночастиц и их компонентов. Эти эффекты могут быть использованы для создания биологически активных препаратов нового поколения, но они же и несут и потенциальные риски.

2. Большая удельная поверхность наноматериалов. Очень высокая удельная поверхность наноматериалов увеличивает их адсорбционную емкость, химическую реакционную способность и каталитические свойства. Это может приводить, в частности, к увеличению продукции свободных радикалов и активных форм кислорода, и далее к повреждению биологических структур (липиды, белки, нуклеиновые кислоты, в частности, ДНК).

3. Небольшие размеры и разнообразие форм наночастиц. Наночастицы, вследствие своих небольших размеров, могут связываться с нуклеиновыми кислотами. Изменять пространственную структуру и активность белков, барьерные функции мембран, проникать в клеточные органеллы и, тем самым, влиять на функции биоструктур. Следует обратить внимание на то, что наночастицы могут не вызывать иммунный ответ.

4. Высокая адсорбционная активность. Из-за своей огромной поверхности наночастицы обладают свойствами высокоэффективных адсорбентов, способных поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии. Это делает их потенциально полезными для удаления вредных продуктов. Многие наноматериалы обладают гидрофобными свойствами или являются электрически заряженными, что усиливает как процессы адсорбции на них различных химических агентов, так и их проникающую способность. Последнее может резко увеличивать их токсичность.

5. Высокая способность к аккумуляции. Возможно, что из-за малого размера наночастицы не распознаются защитными системами организма, не подвергаются биотрансформации и не выводятся из организма. Это ведет к накоплению наноматериалов в растительных, животных организмах, а также микроорганизмах, передаче по пищевой цепи, что, тем самым, увеличивает их поступление в организм человека.