Введение
В условиях бурного развития промышленности, энергетики и транспортных коммуникаций, интенсивной разработки полезных ископаемых, активной химизации сельского хозяйства происходит резкий рост загрязнения природной среды, почв, растений, а также влияние на организм человека. Загрязнение среды представляет собой сложный, многообразный процесс. Химические соединения, находящиеся в отходах производств, оказываются обычно там, где изначально их не было. Многие из них химически активны и способны взаимодействовать с молекулами, входящими в состав тканей живого организма, или активно окисляться на воздухе. Понятно, что такие вещества оказываются ядами по отношению ко всему живому. Привнесение в экосистему и размножение чуждых ей видов организмов является биологическим загрязнением.
Ксенобиотики
Ксенос – чужой, биос – жизнь. Значит, ксенобиотик – это чужеродное и чуждое организму химическое вещество. Оно физиологически активно, так как может взаимодействовать с биомишенями – с белками, липидами и т.д., входящими в состав клеток. С биомишенями клеток обычно вступают в контакт естественные биорегуляторы: нейромедиаторы (химические посредники, передающие информацию от клетки к клетке) и биомодуляторы (посредники иного свойства, которые подстраивают работу клеток, выводят их на оптимальный режим жизнедеятельности). А когда с биомишенями взаимодействуют не естественные, а чужеродные вещества, то изменяются функции самих клеток, органов, систем и даже организма в целом и образовывают токсичные метаболиты, вызывающие:
токсические или аллергические реакции
изменения наследственности
снижение иммунитета
специфические заболевания (болезнь минамата, болезнь итай-итай, рак)
искажение обмена веществ, нарушение естественного хода природных процессов в экосистемах, вплоть до уровня биосферы в целом.
Примеры ксенобиотиков :
тяжёлые металлы (кадмий, свинец, ртуть и другие)
фреоны
нефтепродукты
полициклические и галогенированные ароматические углеводороды
пестициды
многие виды пластмасс
синтетические поверхностно-активные вещества
Особое внимание уделим тяжелым металлам, так как в последнее десятилетие среди наиболее опасных загрязнителей являются именно они.
Геном хлоропластов
Хлоропласт представляет собой одну из разновидностей специфичных для клеток растений органелл - пластид. (Органеллами называют клеточные структуры, клеточные органы, выполняющие специфические функции в жизни клетки.) В клетках растений присутствуют несколько типов пластид с разными функциями: в зеленой пластиде - хлоропласте - происходит фотосинтез, в амилопластах синтезируется и отлагается в запас крахмал, в хромопластах накапливаются пигменты - каротиноиды. Для пластид характерна оболочка, состоящая из двух различных по свойствам мембран. Пластиды имеют свой генетический аппарат и белоксинтезирующую систему и способны делиться внутри клетки.
В растительной клетке хлоропласт обладает собственным геномом (совокупность генов) и собственным аппаратом реализации генетической информации путем синтеза РНК и белка. Следует заметить, что это справедливо и для других органелл клетки – митохондрий, являясь их энергетическим депо, тогда как хлоропласты присутствуют только в клетках зеленых растений. ДНК в хромосомах ядра хлоропластная ДНК (хлДНК) представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу.
Молекулы ДНК органелл относительно просты, невелики и замкнуты в кольцо Двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК, за крайне редким исключением, обладают уникальными топологическими характеристиками. Кольцевые молекулы имеют в структуре соответствующие изгибы и петли, которые получили название супервитков, и которые хорошо различимы при использовании электронной микроскопии. Некоторое время существовало мнение, что плотность упаковки хлоропластных ДНК определяется степенью их суперспирализованности. Теперь полагают, что в компактизации хлоропластного нуклеоида первостепенную роль играет специфическая сульфит-редуктаза [20]. Размеры геномов хлоропластов у всех исследованных организмов сходны, Все хлоропласты содержат несколько копий своей геномной ДНК. Обычно эти молекулы ДНК распределены в виде отдельных групп, либо в строме хлоропластов. В энергетических органеллах гистоны отсутствуют, поэтому способ упаковки ДНК в них, как полагают, сходен не с хроматином эукариот, а с принципом организации бактериального генома.
3 Генотоксичность тяжелых металов
Генотоксичность — это термин, описывающий вредоносные действия над клеточным генетическим материалом, влияющие на его целостность. Генотоксичные вещества потенциально мутагенны или канцерогенны, в частности, способны привести к генетической мутации или к развитию опухоли. К ним относятся как определенные типы химических соединений, так и определенные типы радиации.
О масштабах загрязнения тяжелыми металлами можно судить из данных, характеризующих общемировое годовое производство. Однако необходимо учитывать и другие источники. Например, 1,5–2 тыс. т ртути ежегодно поступает в биосферу при переработке минералов и руд, 0,1–8 тыс. т – при сжигании топлива; ежегодно в биосферу при сжигании угля попадает около 3,5 тыс. т свинца, 56 тыс. т – в результате выветривания и 110 тыс. т выносят реки.
Степень токсичности тяжелых металлов для человека и животных, а также для растений неодинакова и колеблется в весьма широких пределах. К числу наиболее токсичных металлов следует отнести кадмий, ртуть, свинец, хром и некоторые другие; они оказывают повреждающее действие на биообъекты в концентрациях, не превышающих 1 мг/л. Так, 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.
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.
В ряде случаев происходит депонирование металлов в придонных слоях, особенно значительное в холодное время; по мере повышения температуры происходит постепенное их растворение. Для повреждения механизмов природного самоочищения водоемов бывает достаточным даже кратковременное повышение концентрации металлов в водной экосистеме, что весьма существенно при организации мониторинга тяжелых металлов в сточных водах.
Коротко рассмотрим токсикологическую характеристику наиболее распространенных металлов-поллютантов.
Кадмий относится к числу металлов, которые, попав в живой организм, влияют на него губительно. Весьма важным является фактор длительности воздействия кадмия на организм человека и животных в связи с его способностью накапливаться 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.
Свинец попадает в окружающую среду в больших количествах. Ежегодно в земную атмосферу выбрасывается около миллиона тонн его соединений, значительная часть которых водорастворима, что обусловливает экологическую опасность Pb2+. Основной источник – этилированный бензин. Токсикологическая опасность свинца усугубляется его активным всасыванием в пищеварительном тракте человека и животных, значительным объемом распределения в тканях и накоплением в костях. Депонированный в костях свинец способен поступать в кровь, с током которой доставляется в различные органы. Считают, что в организм взрослого человека с водой и продуктами питания за сутки поступает 0,3 мг свинца и еще 0,3 мг попадает из табачного дыма у интенсивных курильщиков.
Случаи хронического отравления свинцом наблюдаются при длительном употреблении питьевой воды, в которой его содержание достигает 0,04 –1 мг/л.
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 %).
Проведенные в Гренландии исследования показали, что содержание свинца во льду, образованном примерно в середине XVIII в., оказалось примерно в 25 раз выше, чем во льду, образование которого было отнесено к VIII в. до н. э. С 1750 г. накопление свинца в ледниках Гренландии постоянно возрастает. С 40-х гг. XX в. этот процесс усилился и продолжается до настоящего времени.
Определенную роль в накоплении свинца в экосистемах играют растения, получающие металл не только из атмосферы, но и из почвы. Отмечается видовая специфичность растений при его накоплении. Так, при выращивании растений присутствующий в атмосфере свинец обнаружен в листьях салата и бобов, но практически отсутствует в томатах, кочанной капусте, картофеле и моркови.
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.). Для различных вариантов отравления свинцом характерно поражение почек, пищеварительного тракта.
Ртуть и ее соединения относятся к веществам общетоксического действия, вызывающим 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).