Поведение ксенобиотиков в экосистемах презентация

вещества, могут накапливать его в своих тканях до концентраций, на несколько порядков больших, чем в среде обитания.
Способность накапливать различные элементы даже при очень низком содержании их в среде известна давно. Это явление обычно называется аккумулированием вещества организмом (кумулятивный эффект).
Способность организмов к накоплению веществ характеризуется таким параметром, как коэффициент накопления:

накопления пестицидов, в частности хлорированных углеводородов. В одной из экосистем оз. Мичиган (США) было обнаружено явление биоконцентрации ДДТ: 0,014 мг/кг (при расчете на сырую массу) – в донном иле; 0,41 мг/кг – в ракообразных, питающихся на дне; 3–6 мг/кг – в рыбах (бельдюговые, язь, елец); 24 000 мг/кг – в жировой ткани чаек, питающихся рыбой.

в окружающей среде (период полураспада около 5 лет), ПХБ поступают в пищевые цепи и в значительных количествах аккумулируются в живых организмах. Например, в угрях, выловленных из воды с содержанием полихлорбифенила 0,1 мкг/л, концентрация этого вещества составила 7,9 мг/кг, т. е. коэффициент накопления ПХБ был равен 80 000.

методы). Повышенное содержание многих элементов в почве приводит к резкому увеличению их содержания в растениях. Анализ золы растений-концентраторов позволяет осуществлять выделение биогеохимических провинций. Более того, определенные виды растений имеют склонность произрастать в местах с преобладанием тех или иных элементов (мать-и-мачеха, вьюнок – почвы, богатые кальцием, определенные виды лебеды – на засоленных почвах).

стадии (адсорбция, диффузия), степень накопления чужеродного вещества в большей мере зависит от площади поверхности контакта организма с окружающей средой. 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. Действительно, существуют заметные различия в способности накопления веществ у клеток неодинаковой величины.

его прочие измерения) увеличивается в два раза. Площадь поверхности этого организма увеличится не в два раза, а в четыре (2×2). Объем такого организма увеличится еще больше — в восемь раз (2×2×2)! Причина неравномерного возрастания линейных размеров, площади и объема весьма проста и коренится в элементарных геометрических закономерностях. С ростом линейного размера тела его площадь и площадь любых его сечений растет пропорционально размеру в степени 2, а объем — пропорционально размеру в степени 3. Площадь пропорциональна квадрату линейных размеров, а объем — кубу!

У тех видов, которые имели более крупные клетки, способность накапливать ДДТ была более низкая. Мертвая культура клеток водорослей имела приблизительно такую же способность к аккумулированию ДДТ, как и живые организмы. Это возможно при поглощении веществ по адсорбционному механизму, а не по механизму, требующему расхода энергии. Наблюдалось также, что нитчатые водоросли, которые образуют длинные нити с очень большой поверхностью, обладают более высокой способностью аккумулировать вещества из водной среды по сравнению с другими видами, имеющими меньшую поверхность. Следовательно, доступная для вещества поверхность относится к лимитирующим факторам, особенно в тех случаях, когда адсорбция является определяющим процессом в накоплении.

ксенобиотики с большими значениями коэффициента распределения. Содержание жира в организме также указывает на его способность аккумулировать данный тип веществ. Так, способность аккумулировать ПХБ коррелировала с содержанием липида в планктоне. Таким образом, степень аккумулирования зависит от способности веществ распределяться в жировых депо.
Способность данного 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.

Степень извлечения пестицидов октановой фазой из воды

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 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.

(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. В этих условиях суммарное количество ксенобиотиков, поступающих в организм человека, в значительной степени определяется интенсивностью их разрушения под действием физико-химических факторов среды (света, воды, тепла и др.), скоростью их деструкции в предшествующих элементах трофических цепей и закономерностями биоконцентрации.

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.

4−5 суток) и в больших количествах (коэффициент накопления в диапазоне 100−1000). Аккумулируются наночастицы как водорослями (Chlorella vulgaris) – первичными потребителями пищевой цепи, так и мелкими ракообразными из зоопланктона – дафниями (Daphnia magna). Поскольку планктонные беспозвоночные являются связующим звеном в пищевой и энергетической линиях между первичными потребителями (водоросли) и вторичными консументами (например, рыбы), то вполне возможным оказывается поступление техногенных наночастиц в пищевые цепи рыбоводства и промышленной аквакультуры.

в ФРГ и Японии. Тысячи японских граждан пали жертвой болезни «итай-итай» вследствие употребления зараженных кадмием питьевой воды и овощей в результате выбросов в окружающую среду отходов нефтекомбинатов.

входящие в них организмы, можно выделить следующие явления:

∙ реакции превращения ксенобиотиков,
∙ адсорбция ксенобиотиков на частицах биологического и абиотического происхождения.
∙ переход ксенобиотиков из одной среды в другую.

веществами растений разлагаются медленнее, чем исходные вещества. Такова, например, ситуация, возникающая при конъюгации некоторых фосфорорганических пестицидов (винфос) с веществами растительной клетки, в частности с лигнином.

абсорбции, приводящий к поглощению излучения определенной длины волны и появлению возбужденного состояния;
∙ первичный фотохимический процесс, включающий преобразование электронно-возбужденного состояния и его переход в невозбужденное состояние;
∙ вторичные или «темновые» реакции, происходящие в результате первичного фотохимического процесса.
.

Схема фотолитического превращения феноксиуксусной кислоты (1) в 2,3,7,8-тетрахлодибензодиоксина  (2) в окружающей среде

отдавать электроны (окисляться). При обсуждении поведения ксенобиотиков в окружающей среде этот процесс приобретает важное значение по следующим причинам:

окисленные и восстановленные формы данного ксенобиотика могут существенно различаться по биологическим и экологическим свойствам;

существуют довольно значительные вариации в окислительных или восстановительных условиях в окружающей среде, что влияет на трансформацию ксенобиотиков.

Вода, особенно при нагревании, быстро разрушает многие вещества. Эфирные связи, например, в молекулах фосфорорганических соединений, высокочувствительны к действию воды, чем определяется умеренная стойкость этих соединений в окружающей среде.
В этих реакциях, так же как и в фотохимических процессах, необходимо учитывать распределение электронов в молекуле, особенно если это связано с появлением в ней зарядов.
Распределение заряда в молекуле определяет способность вещества реагировать в воде с ионами водорода или гидроксила. При оценке способности вещества вступать в реакции гидролиза необходимо учитывать влияние рН.

на частицах биологического или абиотического происхождения деградабельность ксенобиотика снижается. Процессы сорбции – десорбции ксенобиотиков нередко определяют их устойчивость и взаимосвязаны с переносом в биосфере на большие расстояния.
Из многочисленных примеров важности подобных процессов можно привести следующие. Многие пестициды в почве гидролизуются с образованием соединений, которые адсорбируются на частицах почвы, связываются с гумусом и благодаря этому сохраняются длительное время, т. е. устойчивость этих токсикантов возрастает. В адсорбированном состоянии они не разлагаются фотохимически и не гидролизуются водой Следует отметить, что подобные пестициды в чисто химическом эксперименте (в водном растворе без почвы) малоустойчивы.

в результате модификации структуры их молекул, сорбция ксенобиотиков на частицах и другие оказываются существенными при переходе веществ (и продуктов их превращений) из одного блока биогеоценоза в другой. Таковы переходы ксенобиотиков из воды в воздух и обратно, из организмов в воду и обратно, из почвы в воду и т. д.
Подобные переходы могут иметь решающее значение для крупномасштабного перемещения ксенобиотиков в атмосфере. Например, перенос на большие расстояния.

Высокая способность ксенобиотиков и их метаболитов переходить из одного блока экосистемы (почвы или воды) в другие (воздух, биота) порождает экологические проблемы.

По некоторым данным, ДДТ исчезает из почвы за время до 30 лет, альдрин и хлордан – до 15 лет, диэльдрин – до 25 лет, гептахлор – до 14 лет и т. д.

Сами живые организмы способствуют эффективному транспорту этого ядовитого элемента из одной среды в другую. На примере транспорта ртути можно проиллюстрировать процесс накопления ядов в пищевых цепях. Установлено, что в живых организмах метилируется ртуть, давая (СН3)Hg+: (СН3)[Co]+ + Hg2+® (CH3)Hg+ + [Co]2+.

кожи были не покрыты оперением. У рыб, отравленных метилртутью, нарушается координация движения, они отстают от косяка и становятся добычей птиц. Среди диких животных наибольшее содержание ртути отмечено в печени кабанов и зайцев. В печени тюленей Северного моря обнаружено содержание ртути намного больше ПДК.

В Швеции в 50-х годах проводилась массовая обработка зерна метилртутьдицианамидом. Результат - гибель зерноядных птиц (голуби, фазаны, куры, куропатки, овсянки). Вторая цепь - гибель хищных птиц: совы, пустельги, ястреба, сокола-сапсана, филина. Это экологическая катастрофа! В США в связи с этим охотники больше не употребляют добытую ими пернатую дичь.

Всемирная организация здравоохранения считает, что ПДК для ртути в рыбе может составлять 1 мг/кг. Несмотря на это, в Финляндии рекомендуется есть рыбу только 1 – 2 раза в неделю.

В Бразилии многочисленны отравления ртутью, так как население очень любит употреблять в пищу рыбу пиранью.

в окуне 0,8 мг/кг массы, то у щуки уже 1,6 мг/кг. После употребления такой щуки в пищу человеком, в волосах содержание ртути может составлять 50 мг/кг. Если же содержание ртути в волосах до 300 мг/кг массы, это является смертельно опасным. Воздействие ртути на организм человека вызывает поражение головного мозга, ограничение поля зрения вплоть до полной слепоты. Установлено также влияние на наследственность: метилртуть вызывает аномальные митозы (К-митозы), поломки хромосом в 1000 раз сильнее, чем при действии такого яда, как колхицин. Последствием ртутных отравлений в Швеции и Японии стали врожденные уродства у детей.

Неорганическая ртуть и тимеросал демонстрируют дополняющую токсичность

пестицидов расположены вблизи границ.
Следовательно, при возможных утечках ядохимикатов из хранилищ в подземные воды они могут представлять опасность для территорий других государств.
Следовательно, при возможных утечках ядохимикатов из хранилищ в подземные воды они могут представлять опасность для территорий других государств.

Общее количество непригодных пестицидов составляет свыше 6 тыс. тонн.
Запасы пестицидов хранятся во всех областях страны примерно на 146 складах (2876 т), в 7-ми захоронениях (3933,3 т) и одном специализированном предприятии по захоронению опасных отходов (302 т).
Самое большое захоронение – Петриковское (1423,3 т).

устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксенобиотиков. Вредное действие на экосистемы здесь очевидно, поскольку в конечном итоге происходит их накопление, что и оказывает негативное воздействие;

нарушение нормального функционирования экосистем, связанное с наличием биодеградабельных ксенобиотиков и обусловленное природой превращений и аккумуляцией ксенобиотиков; опасностью воздействия больших доз; воздействием малых (сублетальных) концентраций.

считаются потенциально опасными для окружающей среды. Тем не менее, необходимо проводить сравнительный анализ и знать способность различных организмов разрушать тот или иной ксенобиотик. Данное вещество может легко разрушаться в одной среде, но может быть устойчивым в других условиях.
Наряду с определением скорости разрушения ксенобиотика очень важно также изучить, какие типы веществ образуются в процессе их превращения, т. е. при оценке экологической опасности необходимо учитывать природу и процессы метаболических превращений.

чаще ДДТ превращается в ДДЭ – соединение исключительно устойчивое, и именно этот метаболит обычно обнаруживается в окружающей среде. Если бы процесс разрушения ДДТ можно было отрегулировать так, чтобы направить его в сторону образования не ДДЭ, а только ДДД, то проблема, обусловленная попаданием ДДТ в окружающую среду, была бы значительно менее острой.

с возможностью нарушения структуры и функционирования экосистем, видового разнообразия видов, структуры популяций, стабильности и продуктивности экосистем. Экологическая опасность больших доз может определяться тем, что они способны вызывать отравление организмов раньше, чем они успевают их метаболизировать.

С другой стороны, опасность воздействия связана с накоплением ксенобиотиков организмами, с соотношением между скоростью поступления ксенобиотиков в конкретные экосистемы и скоростью их деградации.

отравление малыми концентрациями (дозами), ведущее к падению репродуктивной способности. Например, отравление ПХБ и пестицидами способствовало бесплодию популяций тюленя в Балтийском море, что в конечном итоге может привести к вымиранию популяции;

б) сублетальные концентрации ксенобиотиков могут нарушать тонкую регуляцию межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различными хемомедиаторами и хеморегуляторами;

в) сублетальные концентрации, оказывая неодинаковое влияние на конкурентные друг с другом виды одного трофического уровня, могут нарушать естественный экологический баланс в экосистемах;

г) малые дозы ряда пестицидов, как оказалось, могут даже стимулировать воспроизводство популяций некоторых крайне нежелательных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах. Так, в одной из серии опытов сублетальные дозы ДДТ, диэльдрина и паратиона увеличивали откладку яиц колорадским жуком на 50,33 и 65 % соответственно.

экосистеме, понимают:

явственные изменения обычных колебаний численности популяции

долгосрочные или необратимые изменения состояния экосистемы.

разрушение экосистемы в результате нарушения целостной интактной структуры (биотопа) и ее функций (биоценоза).
Пример: уничтожение мангровых лесов в результате применения дефолиантов во время войны во Вьетнаме.
2. Глубокие изменения биотопа.
Пример: засоление пресноводных биотопов; «современное ухудшение состояния лесов»
3. Постоянное загрязнение биотопа.
Пример: эвтрофикация рек и озер в результате попадания в них значительных количеств биогенных элементов (азот, фосфор)
4. Массированные загрязнения.
Пример: загрязнение рек и водоемов нефтью при авариях танкеров.
5. Широко распространенное уменьшение видового разнообразия.
Пример: использование пестицидов и удобрений в агроценозах
6. Направленное уничтожение отдельных видов растений и животных.
Пример: использование пестицидов, в особенности в урбанизированных экосистемах.

и применение биодеградабельных соединений, т. е. материалов и веществ, относительно быстро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада.

Другой важный путь – использование природных веществ для регуляции различных физиологических процессов и создания интегрированной системы защиты растений.

связи они практически не подвержены биотрансформации и не выводятся из клеток, вызывая в них деструктивные процессы. По мнению ряда специалистов основное токсическое действие наночастиц на входящие в экосистемы организмы обусловлено не самим веществом, из которого они получены, а их «электрофизическими особенностями», способствующими доставке токсичных соединений к активным мишеням с последующим формированием большого количества свободных радикалов.

Негативное влияние наночастиц на окружающую среду также связана с повышенной адсорбцией ими ксенобиотиков и их транспортом внутрь клеток и клеточных органелл, что приводит к нарушению их биологических функций. Последнее в значительной мере обусловлено тем, что наночастицы не распознаются защитными системами организма. Это ведет к накоплению их в растениях, животных организмах и микроорганизмах, что увеличивает, в конечном итоге, возможность поступления в организм человека.

среды РАМН и Минздравсоцразвития РФ, безопасность наноматериалов рекомендуется оценивать по следующим основным блокам методически значимых проблем:

изучение механизмов проникновения наноматериалов через биомембраны и связывания с мембранными рецепторами в системе in vitro;
изучение изменения характеристик наночастиц в составе модельных систем, воспроизводящих различные среды организма (желудочное и кишечное содержимое, кровь, лимфа, желчь, моча и др.);
определение параметров острой, подострой и хронической токсичности, органотоксичности (нейро-, гепато-, кардио-, иммуно-, нефротоксичность и др.) и отдаленных эффектов (мутагенность, эмбриотоксичность, тератогенность, канцерогенность), а также распределения наноматериалов по органам и тканям;
определение параметров I и II фазы метаболизма ксенобиотиков и системы антиоксидантной защиты;
изучение влияния наноматериалов на экспрессию генов, генотоксичность, апоптоз, потенциальную аллергенность;
изучение влияния в моделях in vitro выживаемости пробиотических микроорганизмов нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта в присутствии наноматериалов, процессов всасывания наноматериалов в желудочно-кишечном тракте на моделях in situ и in vivo и определение влияния наноматериалов на микробиоценоз желудочно-кишечного тракта.

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.

Однако, как правило, применение критерия ПДК не обеспечивает необходимую степень безопасности живых организмов. Биологическая активность различных веществ, проявляющаяся в их отрицательном воздействии на организм человека, может быть представлена различными типами.

следующие.

ПДК отражает токсичность только для конкретного типа организма и поэтому не является универсальным критерием безопасности вещества.

2. Реально в атмосфере присутствует в качестве загрязнения сложная смесь исходных веществ и веществ вторичного происхождения, возникающих как продукты исходных реакций. Это приводит к обесцениванию ПДК применительно к одному индивидуальному веществу: очевидно, что содержание каждого из компонентов такой смеси в концентрациях, ниже ПДК, не гарантирует ее безопасности.

3. При разработке норм допустимого содержания химических веществ в среде обычно не учитывается их накопление в конечных звеньях пищевых цепей, так как все звенья этих цепей во многих случаях точно нельзя определить. Например, если в воде находятся миллионные доли ДДТ на литр, то в конце пищевой цепи, после планктона, рачков, рыб на 1 кг веса бакланов, питающихся крупной рыбой, приходится 26,4 млн долей ДДТ.

одной нормы ПДК.

6. Химические соединения, попав в экосистему, могут действовать на всех ее живых представителей. Это приводит к таким непредсказуемым нарушениям, которые, в конечном счете, скажутся на человеке.

7. В процессе биотрансформации возможно появление более токсичных ксенобиотиков.

Таким образом, 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.

УСПЕХОВ НА ЭКЗАМЕНЕ