Б7. 2. Ограниченная способность экосистем к детоксикации ксенобиотиков (на примере пестицидов). 1) Загрязнение – это привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов, или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде. Загрязнение окружающей: природные (извержение вулкана, селевой поток, наводнение, лесной пожар), и антропогенные. Химическое загрязнение — изменение естественных химических свойств среды, в результате которого повышается среднемноголетнее колебание количества каких-либо веществ для рассматриваемого периода времени (проникновение в среду веществ,превышающих норму). Ингредиентом химического загрязнения - загрязняющие вещества - это химические вещества, попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки своей обычной концентрации — предельных естественных колебаний или природного фона в. 1) оксиды серы (SO, SO2), азота (N2O, NO, NO2), углерода (СО, СО2); 2)реакционноспособные углеводороды (метан, этан, пропан); 3) озон;4) фреоны.5)Тяжелые металлы: ртуть Hg; свинец Рb; кадмий Cd и др. 6)Органические соединения: нефть и нефтепродукты; 7)полихлорированные бифенилы. Поступая в экосистемы химические вещества могут оказывать токсическое действие и вызывать токсические эффекты в биоценозах. В этом случае они становятся экотоксикантами. Различие между понятиями химический загрязнитель (поллютант), с одной стороны, и экотоксикант, с другой стороны, состоит в том, что поллютант может неблагоприятным образом модифицировать естественную природную среду. Это может проявляться в изменении биотопа, но не всегда затрагивать даже косвенно биологические компоненты экосистемы. То есть, экотоксикант – это устойчивое в условиях окружающей среды токсичное вещество, способное накапливаться в тканях живых организмов и передаваться от низших звеньев пищевой цепи к высшим. Токсикант (яд) может оказывать смертельное воздействие на индивидуальные организмы, но не иметь экологического значения. Примеры: 1) синильная кислота не считается экотоксикантом из-за высокой летучести и способности проявлять только острую токсичность; 2) к экотоксикантам не относят некоторые ФОВ (зарин, зоман, фосген) из-за низкой устойчивости в окружающей среде (см. табл.4), хотя они занесены в списки Конвенции о запрещении химического оружия и диоксинов как очень опасные вещества. Наоборот, малотоксичный поллютант (диоксид углерода – косвенное действие - «парниковый газ») может являться экотоксикантом. Примеры: а) превращение ДДТ в ДДЕ (соединение исключительно устойчивое, именно этот метаболит обычно обнаруживается в окружающей среде) б) превращение микроорганизмами неорганической ртути в метилртуть; в) образование при конъюгации более опасных (канцерогенных) или растворимых продуктов, которые поступает в экосистемы с экскрементами животного или с отмершими тканями и продолжают циркулировать в биогеоценозе. К числу практически не разлагаемых экотоксикантов относятся тяжелые металлы. Последствием является их накопление в организмах живых существ, в том числе человека (например, свинец). 2) Большие дозы экотоксикантов могут оказать острое токсическое действие на организмы раньше, чем те успевают их разрушить. В результате кратковременного действия они могут также вызвать отдаленные эффекты (мутагенез, канцерогенез, тератогенез). Деградация - длительный процесс. Поэтому в окружающей среде еще долгое время могут присутствовать не разложившиеся остатки биоразрушаемых экотоксикантов. В связи с биоконцентрированием может усиливаться их токсическое действие на организмы. 3) Экологическая опасность малых (сублетальных) концентраций (доз) экотоксикантов. Они не вызывают острого отравления, но ведут к хроническим отравлениями и специальным токсическим эффектам в отдаленном времени (мутагенез, канцерогенез, тератогенез), нарушение половой функции или иммунной системы организмов и др. Примеры. а) Формирование сублетальных доз ПХБ в Белом, Балтийском морях после сброса в морях токсичных отходов привело к бесплодию и иммунодефициту морских котиков и как следствие к сокращению их популяции. б) Малые дозы ряда пестицидов могут даже стимулировать воспроизводство популяций некоторых крайне нежелательных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах. Сублетальные дозы ДДТ и паратиона увеличивали отложение яиц колорадским жуком более чем на 50%. Экологические последствия трансформации экотоксикантов в окружающей среде. В экосистемах совместное действие абиотические и биотические факторов не всегда можно предугадать. Примеры. Почвенные компоненты (гумус, минералы, микроэлементы) могут, с одной стороны, способствовать деградации экотоксиканта, выступая в роли катализаторов, а органическое вещество – косубстракта, а с другой стороны, могут снижать скорость биодеградации экотоксиканта, делая его в результате сорбции почвой менее доступным для микроорганизмов. Некоторые пути снижения содержания экотоксикантов в биогеоценозах. 1) Экологически безопасный метод снижения нежелательного воздействия экотоксикантов - создание методом генной инженерии штаммов микроорганизмов, способных эффективно разлагать сложные по составу экотоксиканты. При этом сами пестициды используются в качестве субстрата как единственные источники углерода и энергии. Применять штаммы геномодифицированных микроорганизмов целесообразно в случае очень высоких концентраций экотоксикантов или их высокой устойчивости, когда аборигенная микрофлора сама не может с ними справиться. 2) Разработка, производство и применение биоразрушаемых соединений (быстро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада). К ним относятся некоторые современные моющие средства, парфюмерные и косметические препараты, лекарства, пестициды последнего третьего поколения. Препараты третьего поколения пестицидов – это пропестициды-гормоны, феромоны (половые аттрактанты) вредителей. Они изменяют поведение вредителей и избирательно воздействуют лишь на определенный вид. Поэтому они эффективны для уничтожения вредителей и нетоксичны или малотоксичны для полезных организмов. Разрушаются до безвредных продуктов без накопления их в окружающей среде. Однако использование этих препаратов ограничивается сравнительно быстрым разложением в природных средах; зависимостью от внешних и сезонных факторов; производство их дороже, чем чисто химических препаратов. | Б8. 2. Биомагнификация, биоконцентрирование, биоаккумуляция (бионакопление)… Значение биоаккумуляции и экологической магнификации в формировании токсических эффектов в экосистемах. 1) Газообразные вещества: оксиды серы (SO, SO2), азота (N2O, NO, NO2), углерода (СО, СО2); реакционноспособные углеводороды (метан, этан, пропан);озон;фреоны (фтор- и фторхлорпроизводные предельных углеводородов). Тяжелые металлы: ртуть Hg; свинец Рb; кадмий Cd и др. Органические соединения: нефть и нефтепродукты; полихлорированные бифенилы (ПХБ);полихлорированные дибензо-пара- диоксины (ПХДД); полихлорированные дибензофураны (ПХДФ);пестициды (хлорорганические - ДДТ, ГХЦГ, ГХБ и др.); полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) (бенз(а)пирен и др.);микотоксины: афлатоксины; Соединения азота: нитраты NO3-, нитриты NO2-, нитрозамины; аммиак. Радиоактивные вещества (радионуклиды): 137Сs, 90Sr и др. К экотоксикантам органической природы относятся не только хлорорганические пестициды, но и любые пестициды, а также ПАВ, хлорбензолы, фенолы и хлорфенолы, хлорпарафины и др. Круг неорганических экотоксикантов включает не только ртуть, свинец и кадмий, а также другие тяжелые металлы – цинк, олово, кобальт, никель, хром; металлоиды –мышьяк и селен, неметаллы – фтор. 2. Биомагнификация - накопление химических веществ в тканях организмов за счет процессов питания. Биоконцентрирование- накопление химических веществ из абиотических компонентов окружающей среды - вода, почва, воздух без учета их поступления с пищей, например, за счет проникновения вещества через покровные ткани (этот путь особенно важен для водных организмов), с вдыхаемым воздухом и др. Био накопление - суммарный эффект биоконцентрирования и биомагнификации. Для количественной оценки биоаккумуляции используют коэффициент (фактор) бионакопления (биоаккумуляции): Кн = концентрация вещества в организме / концентрация вещества в природной среде, из которой идет накопление, в состоянии равновесия. В сравнительных исследованиях показано, что коэффициент биоаккумуляции ДДТ: у наземных растений — 0,1, насекомых — 3, червей — 70, грызунов — 100; у гидробионтов (на несколько порядков выше): у креветок — 103, устриц и планктона — 104, рыб — до 105 Водная среда обеспечивает наилучшие условия для биоаккумуляции соединений организмами, которые «фильтруют» через себя огромное количество воды, экстрагируя при этом экотоксиканты. Основным местом длительного депонирования экототоксикантов органической природы является жировая ткань. Примеры. 1) Высокое содержание ТХДД (тетрахлордибензо-п-диоксина) в образцах жировой ткани и плазме крови немецких рабочих гербицидных производств через много лет после воздействия. 2) Присутствие ТХДД в жировой ткани и плазме крови американских ветеранов войны во Вьетнаме (диоксины в гербициде «Оранжевом агенте», применяемом во время боевых действий во Вьетнаме). 3) Накопление диоксинов и ДДТ в грудном молоке женщин (их содержание в несколько раз может превышать нормативы для обычного молока коров). Велика накопительная способность также и у растений, особенно водных. Первичные продуценты получают загрязняющие вещества, рассеянные в биотопе путем биоконцентрирования. Накопление их зоопланктоном и рыбами происходит в результате биоконцентрирования и биомагнификации, птицами - биомагнификации. Значение биоаккумуляции в формировании экотоксических эффектов. Результатом биоаккумуляции экотоксикантов являются пагубные последствия как для данного вида организмов, так и для организмов, использующих данный биологический вид, в качестве пищи. Способность к участию в процессе магнификации является важным свойством экотоксикантов, обеспечивающим токсический эффект на надорганизменном уровне (экотоксикологический эффект). Примеры. 1) ДДТ в 60-х годах 20 века широко использовали для борьбы с насекомыми в водных и наземных экосистемах. В результате экологической магнификации. этот экотоксикант накапливался в организмах хищных рыб и птиц, которые стоят на высших ступенях экологической лестницы. В результате наблюдались токсические эффекты в популяциях: увеличение смертности, изменения в возрастной структуре и даже гибель популяции. 1)Молчаливая весна США для борьбы с вязовым заболотником, переносчиком «голландской болезни», поражающей вязы, деревья обрабатывали ДДТ. ДДТ поглощали и постепенно накапливали дождевые черви. У поедающих преимущественно дождевых червей перелетных дроздов развивалось отравление. Часть птиц погибла (в результате острого отравления со смертельным исходом), у других птиц нарушалась репродуктивная функция, они высиживали стерильные яйца из-за эмбриотоксичности ДДТ. Это постепенно привело к почти полному исчезновению перелетных дроздов в ряде регионов США. 2) Экотоксиканты могут также передаваться потомству: у рыб и птиц с содержанием желточного мешка, у млекопитающих – с молоком кормящей матери. Кроме того, у млекопитающих органические суперэкотоксиканты (ДДТ, ПХДД/ПХДФ, органические формы ртути и др.) в организме матери через плаценту могут проникать в плод. При этом возможно развитие токсических эффектов у потомства, не проявлявшихся у родителей, что также ведет к сокращению популяции и нарушению возрастной структуры. 3) Экотоксиканты долгое время могут быть депонированы в жировой ткани молодых животных, а затем в период размножения при мобилизации жировой ткани могут переходить в кровь. Это приводит к гибели молодых животных, а на популяционном уровне - к сокращению численности популяции и нарушению ее возрастной структуры. |
Б9. 2. Механизм токсического действия на молекулярно-клеточном уровне. …Особая роль структурного сходства токсиканта и «биорегулятора»; понятие о «рецепторе». 1)По механизму действия в экосистеме, возможно разделение экотоксикантов на 2 группы: 1) оказывают косвенное (опосредованное) воздействие организмы; 2) оказывают прямое (непосредственное токсическое) действие на организмы. Экотоксиканты косвенного действия – химические вещества, поступающие в окружающую среду в количествах, при которых не проявляется их прямой токсический эффект на живые организмы, но нарушается режим абиотических факторов окружающей среды (тепловой или водный режим, электромагнитное излучение, питательный режим и др.), т.е. ухудшаются условия существования организмов. Следствием являются токсические эффекты в популяциях и биоценозах. Примеры: 1) «Парниковый эффект» (глобальное потепление). Повышение концентрации СО2 в атмосферном воздухе → парниковый эффект → потепление → изменение климата, повышение уровня Мирового океана, возрастание темпов опустынивания сельскохозяйственных земель→ (сокращение видового многообразия растений и животных; появление новых видов, приспособленных к новым условиям и др). 2) Разрушение озонового слоя - фреоны. Источники – химическая промышленность, использование в качестве хладагентов. Усиление УФ-излучения оказывает вредное воздействие на человека, животных, растения: рост заболевания раком кожи у людей; исчезновение некоторых видов гидробионтов, личинки и икра которых очень чувствительны к УФ-излучению; уменьшение поверхности листьев, высоты растений и интенсивности фотосинтеза, снижение сопротивляемости к болезням некоторых видов сельскохозяйственных растений. 2) Наиболее важный фактор токсичности - химическая природа вещества. От химической природы токсиканта зависит механизм действия на молекулярно-клеточном уровне и как следствие специфичность его токсического действия. Механизм токсического действия тяжелых металлов на молекулярно-клеточном уровне связан с тем, что металлы легко взаимодействуют с различными группами органических соединений с образованием комплексных соединений и/или замещают другие жизненно важные металлы в этих комплексах. Примеры. 1) Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, ртуть, мышьяк могут связываться с белками и нарушать биохимические реакции с их участием. В связи с этим данные металлы называют тиоловыми ядами. 2) Тяжелые металлы могут замещать другие жизненно важные катионы в активном центре металлоферментов белковой природы и тем самым подменять их в биохимических реакциях. 3) Металлы могут изменять проницаемость и другие свойства клеточных мембран, тем самым они ингибируют перенос и аккумуляцию в клетке необходимых организму веществ. Наиболее сильные токсические эффекты проявляются при действии органических веществ, имеющих структурное сходство с биорегуляторами (биомедиаторами). Биорегуляторы - это специфические биомолекулы, представленные ферментами, гормонами и т.д. Они выполняют важную роль в регулировании биохимических процессов в организме - передача нервных импульсов, обмен веществ, регулирование роста и др. На поверхности клеток имеются рецепторы - молекулы или группы молекул, способные распознавать биорегуляторы и реагировать на них передачей сигналов внутрь клетки. Если токсикант имеет некоторое структурное сходством с "обычным" биомедиатором (например, нейромедиатором), то он может связываться с определенными рецепторами, что приводит к блокированию нормального метаболизма или к его изменению (например, ускорению или замедлению передачи нервного импульса). Такое связывание токсиканта с рецептором в клетке может привести к возникновению хронического отравления. Способность токсиканта оказывать действие только в течение связывания молекул-рецепторов в клетке лежит в основе материальной кумуляции. В других случаях после удаления токсического вещества молекула рецептора остается необратимо поврежденной и не может выполнять нормальных функций. Накопление в клетке таких повреждений называется функциональной кумуляцией.
| Б10. 2. Экотоксикометрия. Основные подходы к оценке экотоксичности химических веществ. Понятие «экологическая опасность». Классы опасности химических веществ. 1) Прямое (непосредственное токсическое) действие на организмы оказывают вещества, обладающие токсическими свойствами по отношению к организмам. Примеры. 1) Полихлорированные дибензо-п-диоксины. ПХДД/ПХДФ и ПХБ, объединяют группу диоксинов и диоксиноподобных соединений (ДПС) в связи с общими особенностями их химического строения, поведения в окружающей среде и опасными форами токсического действия на организмы. 1) Диоксины и диоксиноподобные соединения имеют исключительно антропогенное происхождение. ПХБ ранее использовались как диэлектрики в трансформаторах и конденсаторах. В качестве пластификаторов при производстве лаков, смазок, фунгицидов; сейчас производство запрещено. ПХДД и ПХДФ не являются целевыми продуктами ни одного из существующих производств. Влияние: обладают канцерогенными свойствами, разрушают эндокринную систему, подавляют иммунитет, ухудшают репродуктивные функции организмов. 2) Пестициды. Группы: хлорорганические пестициды (ХОП), фосфорорганические пестициды, карбаматные пестициды. Основные источники: применение в сельском, лесном и парковом хозяйстве, деревообрабатывающей промышленности; химическая промышленность (технологические отходы хлорорганических производств); места скопления не утилизированных пестицидов (в том числе и ХОП), представляющие экотоксикологическую угрозу как очаги локального загрязнения. Все пестициды отличаются токсичностью для разных видов организмов. Наиболее опасны - хлорорганические пестициды. Они обладают наибольшей устойчивостью. Спектр токсического действия: канцерогенное, мутагенное, эмбриотоксическое, тератогенное, нейротоксическое, иммунотоксическое и др. По физическим свойствам ХОП - твердые вещества, термически и химически стабильны, плохо растворимы в воде, но хорошо в органических растворителях и жирах. 3 ) Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) - Соединения различаются по числу бензольных колец и характеру присоединения колец друг к другу. В эту группу соединений входят ароматические углеводороды с двумя неконденсированными кольцами и с конденсированными кольцами. Основным показателем токсичности ПАУ является их канцерогенность. Бенз(а)пирен - наиболее опасный для живых организмов ПАУ. Естественные источники ПАУ: стихийно возникающие лесные пожары, вулканическая деятельность, трансформация погребенной в почве биоты. С одержатся в каменных и бурых углях, нефти, битумах. Антропогенные источники: предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической (коксохимическая, органический синтез), металлургической, топливной (ТЭЦ) и добывающей промышленности, выбросы автомобильного и водного транспорта, строительство, переработка промышленных отходов и др. ПАУ поступают в окружающую среду при сжигании всех видов топлива. 4) Фенолы и их производные (например, хлорфенолы), хлорбензолы и хлорпарафины Фенолы и их производные (например, хлорфенолы) имеют большой объем производства и используются во многих областях промышленности: производство лаков, красок, синтетических смол, пластификаторов, пестицидов, антисептиков, что является причиной их широкого распространения в окружающей среде. Хорошо растворяются в воде и поэтому в большом количестве содержатся в сточных водах химических производств, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности. У человека даже небольшие дозы фенолов приводят к поражению печени и почек. Главное - они влияют на репродуктивную функцию и вызывают рост раковых заболеваний у людей. Они очень токсичны для гидробионтов: влияют на их эндокринную систему и репродуктивную функцию. Под действием УФ-излучения и термического воздействия они могут превращаться в диоксины. 5) Микотоксины – это вторичные метаболиты микроскопических грибов.Среди них выделяются по токсичным свойствам афлатоксины. Афлатоксины – это твердые вещества. Они загрязняют зерновые, бобовые культуры, орехи, бобы какао и кофе, чай, семена подсолнечника и продукты их переработки. Афлатоксины являются гепатотропными токсикантами (поражают печень), в частности вызывают рак печени, Обладают тератогенными, мутагенными, иммунотоксическими свойствами. Экотоксичность - это способность данного ксенобиотического профиля среды вызывать неблагоприятные эффекты (экотоксикологические эффекты) в соответствующем биоценозе. В тех случаях, когда нарушение естественного ксенобиотического профиля связано с накоплением в среде одного поллютанта, можно говорить об экотоксичности этого вещества. Раздел «Экотоксикометрия» недостаточно разработан. Подходы к оценке экотоксичности ксенобиотика: 1) классические количественные токсикологические исследования на основе анализа зависимости «доза-эффект» для нескольких биологических видов; 2) качественная оценка через понятие «опасность» («экологическая опасность»); 3) специфический метод экотоксикологии – оценка экологического риска. Существуют и другие подходы к оценке экотоксичности химических веществ. Экотоксичность не измеряется величинами (количественно), она характеризуется качественно через понятие «экологическая опасность»(кратко «опасность»). Экологическая опасность важнейшая характеристика загрязняющих веществ с позиции экотоксикологии. Экологическая опасность - это потенциальная способность вещества в конкретных условиях вызывать повреждение биологических систем при попадании в окружающую среду. Потенциальная опасность вещества определяется величиной его токсичности для представителей различных биологических видов, а также его стойкостью в окружающей среде (персистентностью), способностью к биоаккумуляции и участию в химических реакциях под действием биотических и абиотических факторов, летучестью, растворимостью, липофильностью и другими экотоксикокинетическими характеристиками. На основе этих показателей проводится градация химических веществ по степени отрицательного воздействия на несколько классов опасности. |
Б11. 2. Экотоксикометрия. Основные подходы к оценке экотоксичности химических веществ …метода. 1)Некоторые химические вещества способны оказывать как косвенное, так прямое действие (смешанное действие) на популяции и биоценозы. Экотоксиканты смешанного действия. Примеры. 1) Кислотообразующие соединения - оксиды серы (SO2) и азота(NO, NO2). Главные источники – атмосферные выбросы топливной и металлургической промышленности, транспорта. Подкисляют осадки и поступают в виде кислых дождей в наземные и водные экосистемы. Прямое действие на фитоценозы - ожоги листьев, поражение хвои. Косвенное воздействие - поражение наземной растительности вследствие изменения процессов метаболизма в почве и соответствующего характера питания растений; гибель гидробионтов в результате образования токсических соединении (алюминия, тяжелых металлов) при снижении рН. Совокупное (прямое и косвенное) воздействие на наземные и водные экосистемы 1) повреждение лесов (7-62 %) в Центральной Европе; 2) исчезновение некоторых видов рыб в озерах Скандинавских стран. 2) Нитраты NO3-, нитриты NO2-, N-нитрозамины, NH3. Прямое действие. Нитраты могут превращаться в нитриты. Заболевание метгемоглобинемией людей и животных: нитриты переводят гемоглобин в метгемоглобин, не способный к переносу кислорода по кровеносной системе (вызывает удушье и даже смерть). Болезнь отмечалась в США, Франции, Германии, Израиле и других странах. Косвенное воздействие – эвтрофикация связана с поступлением в пресноводные экосистемы, биогенных элементов (азот, фосфор, калий). Преимущественное развитие в таких условиях лишь нескольких видов приводит к уменьшению видового разнообразия водоема. 3) Нефть и нефтепродукты. Прямое токсическое действие оказывают легкие фракций а также стойкие ПАУ,которые в условиях острого воздействия поражают ЦНС, вызывая наркотический эффект.АУ и ПАУ обладают канцерогенными и мутагенными свойствами. Косвенное (опосредованное) воздействие оказывают относительно устойчивые в окружающей среде тяжелые фракции нефти (парафины) через изменение физических, химических и биологических свойств среды обитания (закупоривают поры и каналы почвы, обволакивают корни растений, нарушая поступление воды, питательных веществ и кислорода для почвенных организмов). 2) Экотоксичность - это способность данного ксенобиотического профиля среды вызывать неблагоприятные эффекты в соответствующем биоценозе. В тех случаях, когда нарушение естественного ксенобиотического профиля связано с накоплением в среде одного поллютанта, можно говорить об экотоксичности этого вещества. Раздел «Экотоксикометрия» недостаточно разработан к настоящему времени. Существует несколько разных подходов к оценке экотоксичности ксенобиотика: 1) классические количественные токсикологические исследования на основе анализа зависимости «доза-эффект» для нескольких биологических видов; 2) качественная оценка через понятие «опасность» («экологическая опасность»); 3) специфический метод экотоксикологии – оценка экологического риска. «Доза-эффект».В данной зависимости аргументом - мерой токсического действия- является доза (концентрация), а мерой токсического эффекта – «глубина» (степень) поражения рассматриваемой биологической системы - ответ системы на токсическое действие.
Доза – это масса химического вещества (мг), поступившего в организм, на единицу массы организма (кг); Концентрация – это концентрация химического вещества в окружающей среде (воздухе, воде, почве), действующая на организм (или другую биологическую систему). Эффект может выражаться в абсолютных единицах (изменение массы тела особей, числа потомков на одну особь в популяции, число погибших особей, число стерильных особей, число особей с пораженной нервной системой и т. д) или в относительных единицах (процент от максимально возможного, принятого за 100 %).
Реакция биологических систем молекулярного (А), органного (Б), популяционного (В) и биоценотического (Г) уровней на токсическое воздействие.
Общая закономерность: с увеличением дозы увеличивается степень повреждения системы; Другие критерии токсичности химических веществ. Пороговая доза (концентрации, уровень) - это доза (концентрация, уровень), ниже которой современными методами исследований не выявляется действие химического вещества на биологический объект. На уровне популяции и экосистемы их также называют критическими концентрациями (Ск). При оценке хронической экотоксичности необходимо учитывать ограниченности метода: 1. Определение коэффициента опасности является лишь первым шагом по определению экотоксического потенциала вещества. В условиях лаборатории пороговые концентрации определяют, оценивая показатели летальности, роста, репродуктивных способностей группы. Изучение других последствий хронического действия веществ порой может привести к иным числовым характеристикам. 2. Исследования токсичности проводят на животных, пригодных для содержания в условиях лаборатории. Получаемые при этом результаты нельзя рассматривать как абсолютные. Токсиканты могут вызывать хронические эффекты у одних видов, и не вызывать - у других. 3. Взаимодействие экотоксиканта с биотическими и абиотическими элементами окружающей среды (экотоксикокинетика) может существенно сказаться на его токсичности в естественных условиях. Однако это не подлежит изучению в условиях лаборатории.
| Б12. 2. Оценка экологического риска как метод прогноза экотоксикологических последствий применения химических веществ.Основные стадии (блоки) схемы оценки экологического риска, предложенной Агентством по охране окружающей среды США (ЕРА USA). 1) Неблагоприятные экотоксические эффекты в биоценозе рассматриваются в рамках трех разделов: аутэкотоксикология (организма), демэкотоксикология (популяции), синэкотоксикология (биоценоза). Токсический процесс на уровне организма в биоценозе проявляться:смертью;болезнями химической этиологии (интоксикация =отравление); аллобиозом - стойкими изменениями реакции организма на воздействие физических, химических, биологических факторов окружающей среды, а также психические и физические нагрузки (иммунотоксичность, аллергия, повышенная утомляемость и т.д.); специальными токсическими процессами - развивающимися лишь у части популяции, как правило, в особых условиях (действие химических веществ; в определенный период жизнедеятельности организма) и характеризующимися продолжительным скрытым периодом (тератогенез, канцерогенез, мутагенез); замедлением роста и развития. Понятие об острой и хронической экотоксичности. Острая экотоксичность вызывает токсические эффекты, проявляющиеся в биоценозе и/или популяции непосредственно после кратковременного действия химического вещества. Острая интоксикация вплоть до смерти. Является следствием аварий и катастроф с выходом в окр.среду большого количества относительно нестойкого экотоксиканта. Пример. Использование высокотоксичных химических веществ с военными целями (иприт и др.). В годы первой мировой войны отравление получили более 1,3 млн. человек. В 2000 году в Румынии на предприятии по добыче драгоценных металлов, в результате аварии произошла утечка синильной кислоты и цианид-содержащих продуктов. На уровне организма: болезни химической этиологии, снижения устойчивости организма к факторам окружающей среды, специальных форм токсического процесса, замедления роста, смерти. На уровне популяции это ведет к постепенному сокращению ее численности. на уровне биоценоза – к снижению продуктивности, сокращению видового разнообразия. Поступление, распределение и выведение экотоксикантов из организма человека и животных. Экотоксиканты прямого действия поступают в организмы через:органы дыхания, кожу, пищеварительный тракт (непосредственно или по трофической цепи). В организм человека поступает до: 70 % экотоксикантов с пищей, 20 % из воздуха,10% с водой. Накапливаются в различных органах и тканях: жировой и мышечной ткани (особенно липофильные органические соединения), в печени, почках, легких, эндокринных железах (кадмий 33% в почках, 14% - в печени, 2% - в легких; цинк - в мышцах, печени, поджелудочной железе). Экскреция (выведение) экотоксикантов и их метаболитов происходит через выделительные системы: почки, легкие, кожа, кишечник, слюнные, потовые, слезные и сальные железы, молочные железы. Кумуляция – это постепенное накопление в организме токсичного вещества (материальная кумуляция) или вызванных им изменений (функциональная). Хроническое отравление тесно связано с кумуляцией. Возникающий в результате кумуляции токсический эффект - кумулятивный эффект. В зависимости от локализации токсического процесса интоксикация может быть местной и общей. Местная интоксикация - токсический процесс развивается непосредственно на месте поступления токсиканта в организм (местное поражение глаз, участков кожи, дыхательных путей и легких, различных областей желудочно-кишечного тракта человека и животных). Общая интоксикация - в токсический процесс вовлекаются многие органы и системы организма, в том числе удаленные от места поступления токсиканта. При избирательном поражении токсикантом органа или системы органов токсикант называют избирательно действующим. Виды: нейротоксиканты (избирательное поражение нервной системы, нефротоксиканты (поражение почек), гепатотоксиканты (поражение печени), гематотоксиканты (поражение кровеносной системы. мышьяк), пульмонотоксиканты (дыхательная система - фосген,) При избирательном поражении химическим веществом определенных органов или систем органов заболевание может приобрести специфические черты Примеры. 1) Действие нитритов (NO2-), оксида азота (NO) и оксида углерода (СО) на организм человека и животных связано с превращением гемоглобина в метгемоглобин, что ведет к специфическому заболеванию кровеносной системы и даже смерти. 2) При длительном избыточном поступлении в организм фтора поражаются кальцинированные ткани и возникает флюороз (хроническое заболевание костной системы и зубов - пятна и эрозии на эмали зубов. Эффекты в биоценозе на уровне организмов: снижение устойчивости организма к действию физических, химических, биологических факторов окр. среды, к психическим и физическим нагрузкам. Проявляются в виде последствия нарушении в иммунной системе, аллергии, повышенной утомляемости, снижения активности и др. Как правило, действие экотоксикантов, приводящее к снижению устойчивости организма к факторам среды и нагрузкам характеризуется как неспецифическое. Например, иммунотоксическое действие нарушает защитные функции организма и его последствием является рост инфекционных заболеваний, вызванных болезнетворными микроорганизмами 2) Риск - это вероятность реализации опасности (наступление неблагоприятных эффектов), или ожидаемая величина ущерба, связанного с каким-либо действием. Оценка экологического риска - это процесс определения вероятности развития неблагоприятных эффектов со стороны биогеоценозов в результате изменений различных характеристик среды. Важным элементом оценки экологического риска является выявление опасности, связанной с возможным массивным воздействием на среду различных химических веществ (изменение естественного ксенобиотического профиля среды) и определение вероятности. Качественно экологический риск, связанный с использованием химических веществ, характеризуется через природу неблагоприятных последствий (экотоксикологических эффектов), количественно - через вероятность их возникновения. В современных условиях полностью исключить экологический риск из-за использования химических веществ невозможно. Поэтому необходимо определить уровни "нормального" (приемлемого), повышенного и неприемлемого риска. Количественная оценка экологического риска для конкретных экосистем не всегда возможна, поскольку часто неясна связь между всеми неблагоприятными факторами и вызываемыми ими экологическими последствиями. При определении экотоксического риска в качестве объектов среды для изучения и защиты могут выступать характеристики биосистемы, имеющие антропоцентрическое значение и даже субъективно воспринимаемые общественным мнением, как весьма значимые (например, сохранение популяции какой-либо промысловой рыбы). Агентство по Защите Окружающей среды США (EPA) разработало и утвердило план проведения таких работ. Острая экотоксичность химического загрязняющего вещества определяется экспериментально на нескольких видах, являющихся представителями различных уровней трофической организации в экосистеме (водоросли, растения, беспозвоночные, рыбы, птицы, млекопитающие). Агентство по защите окружающей среды США (ЕPA) требует при определении критериев качества воды, содержащей некий экотоксикант, определения его токсичности, по крайней мере, на 8 различных видах пресноводных и морских организмов в 2-х повторностях (16 тестов).
| ||||||||||||||||||||||||||||
Б13. 2. Токсические эффекты при совместном действии химических веществ…Адаптация биологических систем к действию экотоксикантов. 1) При избирательном поражении химическим веществом определенных органов или систем органов заболевание может приобрести специфические черты. Примеры. 1) Действие нитритов (NO2-), оксида азота (NO) и оксида углерода (СО) превращает гемоглобин в метгемоглобин, что ведет к специфическому заболеванию кровеносной системы и даже смерти. 2) При длительном избыточном поступлении в организм фтора поражаются кальцинированные ткани и возникает флюороз. Это хроническое заболевание костной системы и зубов; как пятна и эрозии на эмали. Эффекты: в биоценозе на уровне организма снижение устойчивости организма к действию физических, химических, биологических факторов окружающей среды, к психическим и физическим нагрузкам. Проявляются в виде последствия нарушении в иммунной системе, аллергии, повышенной утомляемости, снижения активности и др. Как правило, действие экотоксикантов, приводящее к снижению устойчивости организма к факторам среды и нагрузкам характеризуется как неспецифическое. Например, иммунотоксическое действие нарушает защитные функции организма и его последствием является рост инфекционных заболеваний, вызванных болезнетворными микроорганизмами. Происходит подавлении функций иммунной системы организма. Снижение устойчивости организма может проявляться в форме аллергии. Аллергия – это повышенная чувствительность организма к воздействию некоторых факторов окружающей среды, называемых аллергенами. Аллергены: химические вещества, в том числе никель, хром, мышьяк, пестициды, ПАВ, парфюмерные, косметические и лекарственные средства, пищевые добавки. Сущность аллергического действия - аллерген вызывает в организме образование антител. В результате этого нарушается реакция организма на последующее действие этого или других аллергенов. Болезни: При ингаляционном поступлении аллергена в организм развиваются аллергические заболевания органов дыхания - бронхиальная астма, риниты, насморк и др., а при попадании через кожу - дерматиты и экземы. В связи с ростом аллергических заболеваний у жителей крупных промышленных центров появился термин «аллергизация населения». В промышленно развитых странах не менее четверти населения страдает аллергиями, в некоторых городах РФ - до 40-50%. 2) Виды: 1) Независимое действие – эффект комбинированного действия не отличается от изолированного действия каждого токсиканта. Преобладает максимальный эффект-эффект наиболее токсичного вещества. 2) Наиболее часто при совместном воздействии токсиканты могут взаимно влиять на токсические эффекты друг друга. Выражается как антагонизм, синергизм, аддитивность (суммация), сенсибилизация. Устойчивость организмов и их популяций к продолжающимся токсическим воздействиям со временем может повышаться благодаря адаптации. Адаптация представляет собой изменения в организме, которые повышают способность популяций или отдельных особей противостоять неблагоприятным факторам окружающей среды. Последствием химического загрязнения является воздействие экотоксикантов на организмы. В случае поступления в организм металлов, проявляющих токсические свойства, устойчивость может повышаться за счет: связывания ионов компонентами клеточных стенок или продуцирования веществ, связывающих их. Изменения проницаемости клеточных мембран для экотоксикантов и др. Формирование адаптации зависит от режима воздействия экотоксиканта и общих условий среды. В адаптации экологических систем к токсическому воздействию выделяют 3 уровня: 1-ый уровень – это приспособительные реакции индивидуального организма (например, изменение длины корневой системы растений или интенсивности всасывания для уменьшения поступления ТМ); 2-ой уровень - это приспособительные реакции надорганизменного уровня; характерен для одного-двух компонентов (популяций) экосистемы; 3-ий уровень – это процесс адаптивной микроэволюции; при длительном токсическом воздействии на популяцию (десятки-сотни поколений) через несколько промежуточных этапов со снижением продуктивности и численности популяция восстанавливает численность. | Б14. 1. Специальные формы токсического процесса в организме и их роль в формировании отдаленных эффектов в экосистемах. Тератогенное и эмбриотоксическое действие. Примеры. 2. Необходимость совместного использования биологических и химико-аналитических методов при экотоксикологических исследованиях. Биоиндикация пресноводных и морских экосистем. 1) Наиболее важны в экотоксикологическом плане иммунотоксическое действие, а также специальные формы токсического действия - тератогенное, эмбриотоксическое, мутагенное и канцерогенное. Специальные формы приводят к отдаленным последствиям для биологических систем и поэтому особенно опасны для популяций и биоценозов. Иммунотоксическое действие проявляется в подавлении функций иммунной системы организма – защищать организм от действия повреждающих агентов, например инфекции. Тератогенным (уродство) называется действие химических веществ на организм матери, отца и плода, в результате которого у плода возникают врожденные уродства. В процессе развития плода появляются нарушения в формировании органов, может отражаться на умственном и физическом развитии потомства. Если действие токсиканта в организме матери сопровождается гибелью или нарушением развития эмбриона, то оно обозначается как эмбриотоксическое. К тератогенам относятся: ДДТ, ПХДД/Ф, ПХБ, свинец, кадмий, ртуть и др. Их тератогенное действие вызывает снижение плодовитости животных- млекопитающих и птиц, нарушение внутриутробного развития, патологию внутренних органов (печени, почек, сердца), снижение жизнеспособности эмбриона, гибель плода. 2) Неорганические соединения ртути вызывают гибель эмбриона, а метилртуть вызывает серьезные поражения головного мозга. Минамата. 4) Увеличение частоты выкидышей и рождение мертвых детей у вьетнамских женщин во время войны во Вьетнаме после распыления американской авиацией так называемого «Оранжевого агента», содержащего как примесь наиболее опасный диоксин –ТХДД. 2) Все живые организмы в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга. Биомониторинг как актуальное научно-прикладное направление оформился контроль качества окружающей среды с использованием двух основных групп биологических методов: биоиндикации и биотестирования. Их применение имеет свои особенности в каждой науке, в том числе в экотоксикологии. Оценка качества среды осуществляется сравнением концентраций экотоксикантов с их ПДК/ОДК. Химико-аналитические методы имеют недостатки: трудоемки, не всегда экспрессны, требуют дорогостоящего и дефицитного оборудования и реактивов, а также высококвалифицированного обслуживающего персонала; главный недостаток - они не могут гарантировать достоверной оценки экологической опасности, даже при широком спектре анализируемых веществ. Ведь важны не сами уровни содержания экотоксикантов, а те биологические эффекты, которые они могут вызвать и о которых не могут информировать. Последствием действия экотоксикантов на природные экосистемы (и популяции) являются нарушения структурного и функционального характера. Химические методы не предназначены для такой индикации. Более того, на основе только одной химико-аналитической информации можно усмотреть экотоксикологические проблемы там, где их нет. Например, в почвах некоторых регионов отмечается повышенное содержание мышьяка. Однако сложившиеся в данном регионе сообщества животных, растений и микроорганизмов адаптированы к данном концентрациям мышьяка. Они соответствуют естественному ксенобиотическому профилю среды и не вызыв ают повреждения в экосистеме. Однако, однотипность реакции биологических систем на действие экотоксикантов, с одной стороны, и действие других антропогенных факторов и природно-климатических факторов, с другой стороны, затрудняет однозначную диагностику влияния только экотоксикантов. В этом случае параллельное использование физико-химических методов контроля содержания экотоксикантов в природных средах облегчает задачу диагностики прямых изменений вызванных действием экотоксикантов. Особенности биоиндикации в экотоксикологии. Биоиндикация — обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов-биоиндикаторов непосредственно в среде их обитания. Такой нагрузкой может быть присутствие экотоксиканта. Биоиндикаторы - биологические системы, по наличию, поведению или состоянию которых судят об особенностях среды обитания и происходящих в ней естественных или антропогенных изменениях. Биоиндикаторы разделены на две группы: А) биоиндикаторы уровней загрязнения, Б) биоиндикаторы состояния экосистемы. Биоиндикаторы состояния экосистемы наиболее полно и прямо соответствуют конечным задачам экологического мониторинга. Оценку загрязненности среды обитания осуществляют по отклику организма. Отклик может выражаться: 1) в накоплении экотоксикантов в отдельных тканях и органах; 2) в токсических эффектах. Биоиндикаторы уровней загрязнения по накоплению экотоксикантов представляют собой организмы-аккумуляторы; с их помощью определяют содержание экотоксикантов в объектах среды. Использование биоаккумуляторов может служить решению экоаналитических задач: повышение чувствительности определения экотоксикантов в объектах природной среды традиционными методами аналитической химии. Пример: определение липофильных экотоксикантов в водной экосистеме в ультрамалых количествах, анализируя не саму воду, а жировую ткань хищных рыб высших трофических уровней. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем.. Среди индикаторов - обитатели почвы и лесной подстилки; травоядные от грызунов до крупных копытных, а также хищники. Из представителей почвенной м езофауны в лесных экосистемах очень чувствительны к загрязнению дождевые черви (доминируют), гибнут уже при содержании ТМ в 3-4 раза выше фона. В пресноводных экосистемах в качестве биоиндикаторов-аккумуляторов используют: 1) представителей различных групп беспозвоночных -моллюсков, пиявок, ракообразных, растительноядных и хищных насекомых (хищных жуков, клопов) 2) ведущих оседлый образ жизни хищных рыб, например щуку для метилированных форм ртути в озерах 3) рыбоядных птиц, например для индикации загрязнения ДДТ (Кн =105). Для биоиндикации ТМ используют бурые водоросли и моллюски.. У водорослей и моллюсков существует особый механизм связывания ионов ТМ, обеспечивающий высокую пластичность и позволяющий им выживать при сильном загрязнении вод ТМ.
|
Дата добавления: 2015-11-05; просмотров: 67 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
С1-С4 – пороговые концентрации. Реакции систем А и Б на токсическое действие изучает (гигиеническая) токсикология, а реакции систем В и Г – экологическая токсикология