Институт экологии и географии КФУ

Вопросы-ответы к ГОСэкзамену-2012 г. по курсам В.В. Зобова

27 февраля 2012 г.

1. Механизмы экотоксичности. Биоаккумуляция, биомагнификация и биоиндикаторы накопления. Биодоступность химических веществ. Избирательная токсичность. Комбинированные эффекты. Токсические эффекты при совместном действии факторов среды. Специфичность и политропность действия ядов (Тяжелые металлы. Радионуклиды. Нефть и нефтепродукты. Полициклические и полигалогенированные ароматические углеводороды. Пестициды). Лекарства и бытовая химия.

Ответы.

Параметры экотоксикокинетики и экотоксикодинамики.

Экотоксикокинетика изучает параметры поведения (судьбы) вещества в среде: (1) персистентность, (2) трансформация, (3) мобильность, (4) биоаккумуляция, (5) биомагнификация. Эти параметры описывают местонахождение вещества в различных компартментах среды и именно они, в основном, определяют действующую дозу («адсорбированную, биодоступную дозу) вещества. Экотоксикодинамика изучает конкретные механизмы развития и формы токсического процесса. Экотоксикодинамические эффекты веществ рассматриваются по параметрам действия: (1) На уровне организма - аутэкотоксические эффекты. Проявляется: (а) Болезнями химической этиологии (интоксикации, отравления), снижением резистентности к факторам среды; (б) Транзиторными токсическими реакциями - быстро и самопроизвольно проходящими состояниями, которые сопровождаются кратковременной утратой дееспособности (раздражение глаз, дыхательных путей; седативно-гипнотические состояния; психодислептические состояния, снижение локомоторной или половой активности и т.д.); (в) Аллобиозом – стойкое изменение чувствительности организма к факторам среды, к физическим и психогенным нагрузкам (аллергия, иммуносупрессия, повышенная утомляемость и т.д.); (г) Специальными токсическими процессами, развивающимися лишь у части популяции и характеризующимися продолжительным скрытым периодом (канцерогенез, эмбриотоксичность, нарушение репродуктивных функций и т.д.). (2) На уровне популяции – демэкотоксические эффекты. Проявляются уменьшением рождаемости, увеличением числа врожденных дефектов развития, нарушением демографических характеристик (соотношение возрастов, полов и т.д.), падением СПЖ, культурной деградацией, и, наконец, ростом заболеваемости и гибелью популяции. (3) На уровне биогеоценоза – синэкотоксические эффекты. Проявляются изменением популяционного спектра ценоза, вплоть до исчезновения отдельных видов и появления новых, не свойственных данному биоценозу, нарушением межвидовых взаимоотношений. Высокая смертность одних видов может увеличить шансы для роста и размножения уцелевших особей, из-за снижения внутри- и меж- видовой конкуренции.

Биоаккумуляция – параметр экотоксикокинетики

Избирательная аккумуляция вещества в живом организме является одной из основных и нормальных функций любого живого существа. Так, в тканях рачка Calanus finmarchicus содержание Fe в 1.500 раз, а P в 20.000 раз выше их содержание в окружающей морской воде. Биоаккумуляция (биоконцентрирование) - процесс, посредством которого организмы накапливают вещества вплоть до уровня, при котором начинают регистрироваться токсические эффекты. Фактор биоаккумуляции - это отношение концентрации вещества в организме к концентрации того же вещества в среде или пище.

Факторы, влияющие на биоаккумуляцию

Распределение и депонирование веществ в организме. Металлы имеют тенденцию накопляться в тех тканях, где (а) они нормально содержатся как микроэлементы, (б) в органах с интенсивным обменом веществ (печень, почки, эндокринные железы). Гидрофильные вещества в крови высших животных частично (у человека до 95%) вступает в обратимую связь с альбуминами или с глобулинами. Образовавшийся при этом комплекс не проникает через сосудистые и тканевые мембраны и поэтому не участвует в формировании токсического процесса; комплекс «вещество-белок» служит динамичным резервом яда в организме. Липофильные вещества – это углеводороды (алифатические, ароматические и хлорированные), спирты, эфиры, кетоны, сульфоны, слабые кислоты и основания, алифатические нитро-соединения. Все липофильные вещества обладают свойствами биодепрессантов. Количественно уровень липофильности биодепрессантов приближается к logP_ow=2 (коэф. распределения «масло-вода»). Жировая ткань (жировые депо, нервная ткань, костный мозг, семенники, печень), как правило, - основное место длительного депонирования липофильных ксенобиотиков и удержания их на ядовитом уровне в течение длительного времени. Многие липофильные вещества склонны к сорбции на поверхностях различных частиц, осаждающихся из воды и воздуха, что снижает их биодоступность и токсический потенциал. При стрессах, высоких уровнях активности (половой и др.) активируется липолиз, и из жировых депо выходит в кровь депонированный в них токсикант. В экологически неблагополучных (стрессовых) регионах это может сопровождаться массовой гибелью животных при достижении ими половой зрелости, в период размножения. Стойкие поллютанты могут также передаваться потомству, у птиц и рыб - с содержимым желточного мешка (приводит к отравлению при питании яйцами), у млекопитающих - с молоком кормящей матери. При этом возможно развитие токсических эффектов у потомства, не проявляющихся у родителей. Есть половые различия в аккумуляции веществ - чаще всего более высокие уровни отмечают у самцов.

Биомагнификация – параметр экотоксикокинетики

Химические вещества могут перемещаться по пищевым цепям от организмов-жертв, к организмам-консументам. Для высоко липофильных веществ это перемещение может сопровождаться увеличением концентрации токсиканта в тканях каждого последующего организма - звена пищевой цепи. Этот феномен называется биомагнификацией (поступление веществ из пищи в отличие от биоконцентрирования=биоаккумуляции – поглощение веществ из окружающей среды). Для борьбы с переносчиком «голландской болезни», поражающей вязы, вязовым заболонником Scolytes multistriatus, деревья обрабатывали ДДТ. Часть пестицида попадала в почву, где его поглощали дождевые черви, и аккумулировалась в тканях (биоконцентрирование). У поедающих преимущественно дождевых червей перелетных дроздов развивалось отравление пестицидом (биомагнификация) - часть из дроздов погибала, у других нарушалась репродуктивная функция - они откладывали стерильные яйца. В результате, борьба с заболеванием деревьев привела к почти полному исчезновению перелетных дроздов в ряде регионов США.

Биоиндикаторы накопления

В экотоксикологии различают: (1) Биоиндикаторы, которые отвечают на влияние веществ характерными функциональными изменениями (=«индикаторы реакции») - личинки мух и рыбы - для водных систем или (б) лишайники или гамазиды - для наземных систем. Для текущего контроля чаще используются растения (например, генетически однородный клон ели). (2) Биоиндикаторы, которые накапливают вещество (=«индикаторы накопления») - растения, мидии, дождевые черви, жировая ткань дельфинов или перья хищных птиц. Использование биоиндикаторов накопления существенно облегчает химический анализ и эффективность контроля бедственных ситуаций. Так тяжелые металлы и хлорированные углеводороды, накапливаются в организме в значительно более высоких концентрациях, чем в окружающей среде и, т.о., упрощают химический анализ.

Биодоступность химических веществ

Для токсикологов и фармакологов интерес представляют лишь те молекулы, которые обладают биодоступностью и соответствующей биоактивностью. В теории фармакологии и токсикологии биодоступность – это показатель, определяющий, какая часть вещества попала в биосистему или, точнее, в кровоток, а затем на биомишень. Однако на практике определить реальную действующую (т.е. биодоступную) концентрацию вещества в крови и непосредственно у биомишени очень сложно. До сих пор: (1) Одно только точное определение количества вещества не позволяет спрогнозировать его биодоступность, биоэффект и потенциальную токсичность. То есть, фактическое присутствие вещества в среде еще не означает автоматически, что это экотоксикант. (2) Нет аналитического метода, который был бы способен различать биодоступное количество вещества от просто связанного на каком-либо биологически инертном сорбенте. Пока единственным эквивалентом биодоступного количества является лишь та фракция вещества, которая перешла в водный раствор. Судьба биодоступного вещества: (1) Одна часть биодоступного вещества утилизируется или метаболизируется биотой без особых токсикологических последствий. Например, микрофлора сточных вод и почв способна разрушать до 40% бенз()пирена нефтей, используя его в качестве источника энергии и пластического материала. (2) Другая часть биодоступного вещества не утилизируется биотой, и в определенных количествах (дозах), способна повреждать течение физиологических процессов. Именно эта неутилизируемая часть (количество, доза, концентрация) биодоступного вещества называется ксенобиотической, т.е. чуждой жизни. В прошлом, понятие «ксенобиотик» относилось к самому веществу, а не к его части. Т.о., химическое вещество становится экологически опасным ЯДОМ только в том случае, если его количество, попавшее в организм, не может быть там обезврежено или утилизировано.