• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тема Т1. Основні поняття екотоксикології

Змістовий модуль 1

МОДУЛЬ 1

Вступ

ЗМІСТ

С.

1.1. Предмет і завдання екотоксикології

1.2. Поняття токсичності

1.3. Доза й діюча концентрація токсичних речовин

1.4. Механізм дії токсинів

1.5. Класифікація токсинів

1.1. Масштаби забруднення навколишнього середовища (НС) безупинно зростають, за час техногенеза в біосферу надійшло понад 100 тис. речовин, у тому числі 1,5 тис. особливо небезпечних з антропогенних джерел.

Токсиканти викликають різні порушення в біоті (рослини, тварини, мікроорганізми й людина):

- утворення й ріст пухлин

- генні, хромосомні й геномні мутації

- інгібування або стимулювання регенерації клітин

- прискорення процесів старіння

- порушення розвитку гамет і полових ознак

- ослаблення репродуктивної активності

- зниження імунного захисту

- алергія, погіршення пам'яті, зміна поведінки

Предмет екотоксикології – це закономірності, форми й шляхи впливу природних і антропогенних токсикантів на всі рівні організації живої речовини (від субклітинного до біосферного), а також дослідження відповідних реакцій організму на цей вплив.

Завдання екотоксикології: розробити ефективні заходи захисту біосфери й людини від впливу небезпечних забруднювачів і принципи раціонального природокористування.

Для рішення головного завдання екотоксикології вирішують ряд теоретичних і практичних завдань:

- пошук критеріїв норми й патології, і оцінка впливу токсинів на живі організми;

- вивчення закономірностей прояву токсичних ефектів (у тому числі встановлення зв'язків між будовою токсинів і його біологічним ефектом);

- вивчення нагромадження токсинів у НС та в живій речовині біосфери;

- дослідження форм адаптації живого до токсинів;

- підбор організмів для біотестування токсинів;

- установлення нешкідливих і гранично припустимих рівнів забруднення НС токсинами;

- розробка технологій одержання біопрепаратів, які заміняють пестициди в сільському й лісовому господарстві, і хімічні препарати в медицині;

- розробка біофільтрів для очищення стічних вод і оздоровлення повітряного середовища.

Взаємодія екотоксикології й ін. наук.

Екотоксикологія тісно пов'язана з екологією, біофізикою й біохімією, мікробіологією, цитологією, гістологією, фізіологією, генетикою й ембріологією, фізикою, хімією, математикою, кібернетикою.

Видатні вчені, які внесли великий вклад у розвиток екотоксикології: Глазовський М.А., Гродзинський А.Н., Астроумова С.А., Реймен М.К., Эйхлер В., Хаборн Д.В.

1.2. Токсини - це отрути, тобто речовини, які отруюють організм. Парацельс говорив, що будь-яка речовина може бути або ліками або отрутою залежно від його дози.

Ксенобіотики - «речовини, далекі від життя» (синтетичні речовини, фреони, діоксини).

Існують токсини широкого й вузького спектра дії, дія буває прямимою і опосередкованою. Прямою дією володіють фосфорорганічні пестициди (ФОП) - карбофос, фосамід і ін.; токсичні гази: метан і оксид вуглецю, нітрозосполуки, аміни, барвники й деякі лікарські препарати.

Побічно діють ті речовини, які порушують метаболізм клітини. Коли ці порушення досягнуть певного рівня, життєві функції організму послабляються й він навіть може загинути. Непряма дія як би «запізнюється» у часі в порівнянні із прямою дією токсинів. Приклад, багато з хлорорганічних пестицидів (ХОП), токсини які можуть інактивувати ферменти, а також екскременти.

Токсичний ефект – це механізм дії токсину й всі наступні явища, які він викликає.

Або токсичний ефект – це підсумок взаємодії руйнівних дій токсинів і відповідних захисних реакцій організму на інтоксикацію (отруєння).

Фактори, що впливають на токсичний ефект:

- Хімічна будова токсинів - вона визначає спосіб проникнення токсинів у клітину й ступінь виведення токсинів із клітини;

- Повільна елементарна стадія ферментативних реакцій клітини - це та стадія, що обмежує швидкість отруєння клітини й детоксикації;

- Фактори зовнішнього середовища: температура, рН, концентрація О2, інтенсивність УФ і рівень загального забруднення;

- Біологічні й фізіологічні характеристики організму - вік, стать, особливості харчування, голодування, сезонні особливості.

1.3. Доза й діюча концентрація токсичної речовини.

Доза токсинів – це загальна кількість токсинів, що досягли місця (ті структури й органи, де виявлений токсичний ефект) і визначає наступний стан організму.

Доза визначає тривалість токсичного ефекту. Залежно від дози, токсичний ефект може виявитися навіть після того, коли токсин буде виведений із клітини. Наприклад, якщо людину переселять із екологічно забрудненого місця в чисте, то знадобиться кілька років, щоб організм самоочистився.

Поняття «дози» і «концентрації» розрізняються.

Концентрація токсинів може бути низькою або високою, а доза буде залежати від ступеня його нагромадження в організмі. Наприклад, морські організми накопичують токсини по харчових ланцюгах.

Концентрація забруднень у навколишньому середовищі дає можливість оцінити потенційну токсичність забруднень у той час, як фактична токсикація залежить від багатьох факторів (наприклад, від форми знаходження, температури).

Уводять поняття про діючу концентрацію - це метаболічна, та, що гнітить і летальна.

Метаболічна концентрація – це концентрація токсину, з якою він включений в обмінні процеси без впливу на організм. Ця концентрація дозволяє організму адаптуватися.

Гнітюча концентрація – це концентрація, що приводить до порушення обміну речовин і порушення функцій організму.

Летальна концентрація (смертельна) – це концентрація, що приводить до смертельного результату миттєво або за короткий період часу, найчастіше загибель організму відбувається через порушення життєво важливих органів.

Динаміка отруєння організму залежить від чутливості організму до даного токсину.

Найбільш чутливі для людини: дитячий організм має високу чутливість до забруднення середовища й вмісту токсинів (наприклад, важкі метали), в організмі вагітної жінки або молоці матері.

Час впливу токсинів – це час контакту організму із зовнішнім токсином. Виділять групу «концентраційні отрути», для яких існує поріг дії. Їхня дія проявляється тільки після того, коли їхній вміст в організмі досягне певного рівня, при цьому час настання токсичного ефекту залишається постійним.

Поріг дії токсину – це мінімальна діюча концентрація (мінімальна доза), за якої проявляється біологічна активність токсинів. Доза виражається в кількості молекул або іонів токсинів, які здатні вступати у взаємодію з біоструктурами клітини й викликати токсичний ефект.

Істинний поріг дії - це нижня межа біологічної активності токсину. З перевищенням цього порогу зростає ймовірність впливу токсичними біохімічними структурами, а значить і небезпека появи порушень.

Оскільки порогів дії може бути стільки ж, скільки й систем організму (клітини), що реагують на даний токсин, то при визначенні порога для організму в цілому намагаються виявити ту систему (функцію), яка першою «відповідає» на токсичну дію.

Таблиця1 Імовірність вступу елементів у реакцію зі структурами клітини

* 1,0 відповідає абсолютної (100% ) імовірності.

Деякі дослідники зараз уже не порушують питання про безпечний рівень, а вивчають прийнятний рівень небезпеки. Вони вважають, що показник для токсикологічного впливу повинен бути іншим, чим для звичайних факторів навколишнього середовища. Наприклад: таким показником може бути порушення регуляторних процесів в організмі (або в екосистемі), особливо при нелетальних концентраціях речовин. І оскільки стійкість будь-якої системи, як відомо, підтримується підключенням регуляторних механізмів, ці токсичні речовини, які порушують процеси регулювання, підривають (знижують) стійкість біосистеми.

На практиці іноді користуються показником зони гострої токсичної дії, токсиканта (Z), який характеризується відношенням величини летальної (смертельної дози) або концентрації – ЛД50 (або ЛК50) до екологічно припустимого порога його токсичної дії ЕД50.

I=ЛД50(ЛК50)/ЕД50

Величина показника зони гострої токсичної дії дає уявлення про ступінь наростання токсичного ефекту зі збільшенням дози (або концентрації) отрути. Чим зона гострої токсичної дії, тим швидше легко інтоксикація при збільшенні дози може перейти в отруєння з летальним результатом.

Якщо виходити з прийнятої 4-х рівневої шкали небезпеки для здоров'я людини шкідливих речовин, то до першого класу небезпеки (найнебезпечніші) варто віднести речовини, величина показника І яких становить 6, до 2-го класу речовини з показником I від 6-18, до 3-го - речовини з показником I від 18-54 і до 4-го - речовини для яких I вище 54.

1.4. Для проникнення в клітину, токсини використовують різні «прийоми»: «дірявлять» мембрани, «обманюють» клітину, маскуючись під життєво необхідні для неї з'єднання й елементи й т.д., що наочно демонструють наступні приклади.

Нікотин сприймається нервовими клітинами, як ацетиляхомин - речовина медіатор, що після проведення нервового імпульсу легко розщеплюється ферментом ацетилхомінхтерозою (тим самим знімається тривале подразнення ацетилхаміном нервових закінчень). Однак нікотин не є сильним медіатором (а це значить, що він не руйнує ацетиленхтерозой), тому подібна «помилка» виводить нервові клітини з ладу внаслідок тривалого безперервного їхнього подразнення.

Молекула диоксина, що має форму прямокутника розміром 3*10А, дивно точно «уписується» у рецептори живих організмів.

Дія важких металів на біоструктуру клітини є реакція з SN-, NH2 і COOH- групами білкових молекул Hd, Pb, As, Cd незвототньо інактивують ферменти клітини, зв'язуючи наявні і їхньому складі SH-групи цистіна із утворенням мерконтидів, ці метали названі типовими отрутами, токсичність їх тим вище, чим більш прочно вони пов'язані із сіркою.

Катіони токсичності металів використовують «прийом» склеювання білкових ниток, тобто нейтрону «-» заряд міцелл, що втративши здатність взаємно відштовхувати, починає перемінятися, що приводить до дестабілізації колоїдних структур клітини.

Токсична дія пестицидів диметілокарбонатної групи заснована на тому, що вони міцно зв'язують і виводять із організму життєво важливі мікроелементи, що входять до складу ферментів, порушуючи тим самим обмін речовин.

Фізична токсичність: неелектроліти, розчиняючись у ліпідній фракції клітинної мембрани викликають її «набрякання» і «розтягування», отже призводять до збільшення відстані між ферментами. Неелектроліти легко впроваджуються в цитоплазму багатих ліпідами нервових клітин, що призводить до розкладання (при високій концентрації), спотворює передачу нервових імпульсів, у результаті наступає розлад поведінкових реакцій організму - наркотичний ефект (при хронічному впливі порушуються органи травлення й виділення), що дало підставу називати неелектроліти наркотиками.

Серед механізмів реалізації токсичності ксенобіотиків (токсинів) виділяють два:

1). Незворотне зв язування токсину з біомолекулами різних клітинних і внутрішніх структур.

2). Окисний стрес, що супроводжується активізацією неферментативного , свободнорадикального окислювання (СРО), перекісного окислювання ліпідів. Це дозволяє клітині використати для нейтралізації дії антропогенних і природних токсинів антиокисну систему (АОС).

АОС складається з набору антиоксидантів, включає токоферол (локалізований у гідрофобній структурі мембран), локалізація в гідрофольному внутрішньоклітинному й позаклітинному середовищі тіолові з'єднання, селенові похідні, а також феріантирадиксанта фермент - супероксиддіснутоза (СОД), антиперекисний фермент каталоза (КТ) і головний сироватковий антиокислювач - фермент церулоплазми (ЦП).

Найбільш потужна з відомих АОС виявлена в ряді мікроорганізмів.

У живій клітині всі первинні порушення викликані дією токсинів, виникли на молекулярному рівні. Один з перших принципів «удар» ферменту. Одні токсини підсилюють їхня активність, а ін. – гнітять їхню дію. Наприклад: солі синильної кислоти – ціаніди, які блокують окремі компоненти дихальних ферментів у теж час активної діяльності ін. ферментів. Отрутами майже всіх ферментів є іони Ag, Hg, Pb.

1.5. За механізмом дії токсичні речовини гранично класифікують, виходячи із принципів:

- структурні аналоги ферментів і метаболітів клітини

- отрути - попередники структурних аналогів субстратів

- отрути - аналоги вітамінів

- отрути, які порушають синтез білків, аналоги амінокислот, ряд антибіотиків (тетрациклін, пеніцилін)

- отрути, які реагують із функціоактивними групами білків

- отрути, які роз'єднують процесс окисного фосфорилюваня - порушують процес синтезу АТФ

- отрути, які приводять денатурацію білків - активність порушення ферментів і функціонування властивості білків шляхом зміни їх вторинної, третинної й четвертинної структури

Для характеристики токсинів використовують наступні характеристики:

- агрегатний стан: рідкі, тверді, газоподібні

- хімічний склад: оксиди, кислоти, луги, солі, важкі метали, органічні речовини (альдегіди, спирти, нітрозосполуки, поліциклічні, ароматичні вуглеводні й ін.)

- дисперсний стан: істинні (молекулярно-іонні), колоїдні, грубодисперсні (суспензії, емульсії, аерозолі)

- рівень токсичності: нетоксичні (Na2SO3, NaCl, CaCl2 і ін.)

- характер: речовинні, енергетичні, матеріально-енергетичні, інформаційні (сигнальні або сенсорні)

- вид: хімічні, біологічні (продукти життєдіяльності організмів - екзометаболіти, алеллопатичні речовини, семіхеміки)

- походження: природні, антропогенні

- періодична поява: періодичні, постійні

- черговість виникнення: первинні, вторинні

- умова дії на організм: залежні й незалежні від концентрації

- спектр дії на організм: виборчої й загальної дії

- токсичний ефект: фізиологічні, психо-фізиологічні, цитопатичні, мутагенні, тератогенні, канцерогенні

- локалізація дії: локальні, загальні

-ступінь впливу: летальні, екстремальні (стресові), що лімітують (обмежуючі), що турбують

- механізм дії: що порушують синтез клітинної мембрани клітини, що порушують синтез білків і нуклеїнових кислот у клітині, що порушують цілісність (цитоплазматичних) мембран

Залежно від характеру дії біотоксини (тобто токсини, які виробляють живі організмами) можуть класифікуватися як:

- нейтротоксини - блокують передачу нервового імпульсу (тайлотоксини, буларотоксини, деякі екзотоксини бактерій)

- цитотоксини - діють як гідролітичні ферменти (деякі токсини замінних отрут), що дозволяє їм руйнувати мембрани й викликати кризу клітин (еритроцитів)

- токсини-інгібітори - придушують активність певних ферментів, відповідальних за процеси обміну речовин у клітині (дифтерійні токсини)

- токсини- ферменти - фосфоменази, протеази, гламуронідози, надходять у зовнішню (бактерії, гриби, синьо-зелені водорості) впроваджуючись в організм (клітину) - «жертву», вони вбивають його шляхом гідролітичного руйнування життєво важливих біохімічних структур.

За принципом дії на живий організм токсичні речовини класифікують як отрути:

- локальної дії (кислоти, лугу, солі багатьох металів, формальдегіди, органічні кислоти)

- ферментні (фтор, ціаніди, сечовина)

- протоплазматичніе (фосфорорганічні речовини, ціаніди, фториди, азиди, меркоптани)
- гемалітичні (Pb-Se, ціаніди, токсини синьо-зелених водоростей)

- нервово-паралітичні (аміак, солі амонію, лужні, F, феноли, нафтопродукти)
- наркотичні (органічні розчинники, хлорорганічні з'єднання)
З урахуванням загального характеру дії токсини бувають:

- неспецифічні – хоча й слабко, але вступають у хімічні реакції, для них характерна в основному фізична токсичність, як у неелектролітів
- специфічні – активно реагують тільки з певними біохімічними структурами клітини.
При хронічному впливі на організм, практично будь-який токсин приводить до порушення широкого кола функцій організму. Тривала дія навіть неспецифічної отрути може викликати порушення й у не специфічних для неї структурах.

Контрольні запитання:

1. Предмет і завдання екотоксикології

2. Наведіть поняття токсичності, токсичного ефекту

3. Які фактори впливають на токсичний ефект

4. Розгляньте різницю між поняттями доза й діюча концентрація токсичних речовин

5. Метаболічна, гнітюча і летальна концентрація

6. Біологічна активність токсинів

7. Механізм дії токсинів

8. Основи класифікації токсинів

Читайте також:

1. II. Основні закономірності ходу і розгалуження судин великого і малого кіл кровообігу
2. II. Поняття соціального процесу.
3. V. Поняття та ознаки (характеристики) злочинності
4. А/. Поняття про судовий процес.
5. Адвокатура в Україні: основні завдання і функції
6. Адміністративний проступок: поняття, ознаки, види.
7. Адміністративні провадження: поняття, класифікація, стадії
8. Акти застосування юридичних норм: поняття, ознаки, види.
9. Амортизація основних засобів, основні методи амортизації
10. Аналіз ступеня вільності механізму. Наведемо визначення механізму, враховуючи нові поняття.
11. Артеріальний пульс, основні параметри
12. АРХІВНЕ ОПИСУВАННЯ: ПОНЯТТЯ, ВИДИ, ПРИНЦИПИ І МЕТОДИ

Переглядів: 2362