Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследования качества продуктов питания. Учебное пособие
.pdf
Кресс-салат, который отличается быстрым и почти
стопроцентным прорастанием в чашках Петри, является
хорошим тестом для исследования почвы на вредные вещества
(ионы металлов и другие загрязнители), определения степени
загрязнения воздушной среды. Биологическими переменными в
этом случае являются длина проростков и корешков, общая
масса растений по сравнению с контрольными.
При оценке лесных повреждений во всем мире используют
сами лесные породы. Наиболее удобными параметрами для
контроля являются некрозы лиственных пород (липа), темные
верхушечные некрозы хвои и продолжительность их жизни,
меньшее ветвление.
Для биоиндикации лесов составлены бонитировочные
шкалы некрозов в виде стандартных картин. Биоиндикация на
тканевом уровне с использованием лиственных и хвойных
пород была также положена в основу картографирования
территорий европейских стран и с их помощью определяются
зоны газо-дымового стресса.
Влияние техногенных выбросов на леса можно
рассмотреть на примере предприятий нефтепереработки. К
примеру, нефтеперерабатывающий завод мощностью 12
млн.тонн в среднем за год выбрасывает в окружающую среду
около 115 тыс. тонн диоксида серы и большое количество
фенолов как производных ароматических углеводородов. В
окружающей среде за счет фотохимических процессов
протекают реакции
SO2 + O2 = 2SO3, SO3 + H2O = H2SO
2
4
Негативное влияние образующейся в атмосфере серной
кислоты ("кислотные дожди") может проявляться различным
образом. Так, сульфат-ионы подавляют метаболические
превращения в живой клетке. Повышенная кислотность
атмосферных осадков влияет на кислотность почв, меняя
подвижность микроэлементов в ней, ограничивая тем самым их
191
доступность для растений. В целом считается, что выброс 1
тонны SO2 эквивалентен гибели 0,1 га леса.
Выбросы фенолов в свою очередь влияют на активность
почвенных ферментов. Они могут стимулировать активность
одних ферментов, например, пероксидазы, в то же время угнетая
другие (каталазы, дегидрогеназы, протеазы).
Биоиндикацию многолетнего воздействия антропогенных
стрессоров на хвойные породы, кустарники и другие растения
проводят измерениями ширины годичных колец у пробных
деревьев, прироста в длину горизонтальных ветвей взрослых
деревьев. Несмотря на малую специфичность отклика на
стрессоры, этот способ позволяет провести точную
биоиндикацию с малыми затратами труда.
При биоиндикации на уровне организмов выбор
биологических переменных предполагает, что изменение
биологического отклика должно коррелировать с изменениями
на экосистемном уровне. Проследить такую зависимость на
практике достаточно сложно. Наиболее чувствительны к
влиянию антропогенных стрессоров такие показатели
организмов, как рост особей, их продуктивность, выживаемость,
состояние органов дыхания, состав крови и плазмы для рыб и
млекопитающих.
Для мониторинга природных и сточных вод пригодны
одноклеточные водоросли. Фитопланктон очень чувствителен к
воздействию различных химических стрессоров. В качестве
тест-объектов в мониторинге промышленных вод широкое
применение находят дафнии. Они являются фильтраторами
воды и играют большую роль в самоочищении водоемов.
Дафнии легко культивируются в лабораторных условиях.
Короткий биологический цикл дает возможность проследить за
действием ряда токсических веществ в течение 1–2 месяцев.
При определении токсичности водной среды в кратковременных
192
опытах основным показателем служит выживаемость
гидробионта.
Для биоиндикации состояния водоемов довольно широко
используют так называемые "рыбные пруды", в которых тестобъектами являются караси, аквариумные рыбы гуппи. В
токсикологии вод промыслового, хозяйственно-бытового
назначения используют организмы различных система-тических
групп, которые обеспечивают все основные звенья кругооборота
вещества в водоеме.
Биоаналитические методы, основанные на контроле реакции микроорганизмов, позволяют определять рибофлавин,
никотиновую кислоту, тиамин и другие биологически активные
9
вещества на нанограммовом уровне (одна часть на 10
частей
матрицы). Фолиевая кислота, витамин В12 обнаруживаются с
еще большей чувствительностью.
Различные фунгициды, выделенные из анализируемой
смеси методами тонкослойной хроматографии (ТСХ),
обнаруживают по их способности замедлять рост грибов. Для
этого зону на пластинке ТСХ, соответствующую определяемым
веществам, помещают в культуральную среду для выращивания
грибов-индикаторов.
На способности гладкой мускулатуры сокращаться при
введении нанограммовых количеств гистамина основано
определение гистамина и антигистаминовых препаратов.
Последние, напротив, подавляют этот эффект. Для определения
препаратов используют подвздошные кишки морской свинки.
Малые количества окситоцина можно определять по его
способности сокращать матку беременных животных. Собаки
используются для обнаружения наркотиков и взрывчатых
веществ.
В отдельных случаях методы биоиндикации
демонстрируют чрезвычайно высокую эффективность при
решении сложных задач аналитической химии, биотехнологии и
193
экологии. Примером может служить поиск половых
аттрактантов вредителя сельского хозяйства – бабочки
хлопковой совки. Если вместо детектора газожидкостного
хроматографа на выходе из колонки поместить самца хлопковой
совки, а в саму колонку ввести экстракт абдоминальных
сегментов самок этой бабочки, то появление пика активного
вещества (аттрактанта) на выходе из колонки сопровождается
"поднятием усиков, дрожанием крылышек и попытками
копулировать друг с другом". Такой оригинальный прием
существенно облегчает обнаружение таких природных веществ,
которые позволяют самцу хлопковой совки отыскивать по
запаху самку этой бабочки на расстоянии несколько сот метров.
После установления состава и структуры аттрактанта физикохимическими методами становится реальной задача
промышленного его синтеза или поиска в других объектах
биосферы. Использование чрезвычайно малых количеств таких
пахучих веществ в электронных ловушках позволяет
эффективно бороться с вредителями сельского хозяйства.
Слетающиеся на запах самцы бабочки погибают под действием
высокого напряжения на сетке ловушки-приманки. Такой
способ борьбы с вредителями растений, естественно, не
представляет угрозы для окружающей среды, поскольку
исключается использование токсичных пестицидов.
Очень чувствительным "детектором" по отношению к
пахучим веществам является нос человека. Человек по запаху
6
может обнаружить 10
молекул ионона, этилдисульфида,
скатола, ванилина, кумарина или масляной кислоты в 1 см3
воздуха.
Количественное определение пахучих веществ часто
проводят (в парфюмерной промышленности) с помощью так
называемых "нюхательных ящиков". Они содержат
газообразную пробу с примесью следовых количеств
определяемого вещества. На выходном отверстии ящика
194
аналитик проверяет наличие или отсутствие запаха.
Находящуюся в ящике смесь разбавляют чистым газом до тех
пор, пока не перестанет ощущаться запах определяемого
вещества. Затем по количеству добавленного газа-разбавителя
можно определить первоначальную концентрацию пахучего
следового компонента.
На виноградниках известной винодельческой компании
“Torres”, работающей в Испании, Чили и США, в качестве
биомониторов используются розы. Эти растения своим
поведением указывают на состояние почв, присутствие в них
органических и минеральных веществ, а также влаги.
На рис. 6.1 приведена хроматограмма смеси веществ,
имитирующих различные запахи. Как видно, человеческий нос
выступает в качестве «измерительного инструмента»,
фиксирующего наличие различных веществ в окружающей
среде.
Рис. 6.1. Хроматограмма смеси веществ, имитирующей
различные запахи
195
Популяции животных и растений, а также их
структурно-функциональные особенности могут быть
использованы как биоиндикаторы состояния окружающей
среды. В качестве биологических переменных при этом
используют сокращение обилия или исчезновение
растительного и животного вида. Из-за большой трудоемкости и
приблизительности оценок эти формы биоиндикации носят в
большинстве случаев качественный характер, хотя известны и
примеры количественной оценки состояния среды. Так, тест на
присутствие ртути в птичьих перьях позволил проследить
динамику ртутного загрязнения с использованием чучел.
Установлено, что начиная с 40-х годов прошлого столетия
содержание ртути в перьях фазана, серой куропатки, соколасапсана возросло в 10 – 20 раз по сравнению с 1840 – 1940 гг.,
когда оно оставалось практически неизменным. Рост
содержания ртути в перьях, очевидно, связан с началом бурного
роста химической промышленности, который приходится на эти
годы.
Влияние антропогенных факторов прослеживается на
уровне биоценоза, ландшафта. Для индикации изменений в
ценозах привлекаются экологические параметры структуры,
прежде всего, доминирование, видовое разнообразие
(сложность), равномерность распределения и различие в
разнообразии и доминировании видов.
Аккумуляция химических загрязнителей различными
организмами (тест-организмами) выше естественного
содержания в окружающей среде может быть использована в
качестве индикационного признака для определения уровня
стрессовой нагрузки. Аккумулятивные биоиндикаторы накапливают антропогенное воздействие большей частью без быстро
проявляющихся нарушений. Такое значительное накопление,
загрязнение, постепенно превышающее нормальный уровень,
196
чаще всего происходит на уровне экофизиологических или
биоценотических процессов. Аккумулятивная индикация
используется для выяснения того, какие токсичные вещества и с
какой скоростью накапливаются в биосфере, как они мигрируют
после появления в окружающей среде и как влияют на процессы
жизнедеятельности. Тест-организмы, которые выбирают среди
растений и животных, должны обладать высокими
коэффициентами биологического накопления (КН) токсикантов
из окружающей среды. Так, тяжелые металлы в планктоне
накапливаются с КН = 102 – 104, полихлориро-ванные бифенилы
в планктоне имеют КН = 1,7.105, ртуть в органах и тканях – 102 –
104. Коэффициент накопления зависит от природных факторов
(температура воды и т.д.). Так, КН бенз(а)пирена в
3
гидробионтах Берингова моря составляет 2,9.10
, а в более
теплых водах Средиземного моря он в пять раз выше.
Можно перечислить некоторые тест-организмы, которые
используются для аккумулятивной индикации при проведении
биомониторинга. При мониторинге содержания ионов кадмия в
природных водах используют водоросли, ртути в почвах –
капусту, галогенидов – иглы сосны, лишайники,
полихлорированных бифенилов в Мировом океане – жировые
ткани морских млекопитающих, никеля в Средиземном море –
устрицы, свинца и кадмия вдоль автотрасс – подорожник.
Активный биомониторинг с помощью лишайников является
хорошо оправдавшим себя методом учета комплексного
действия промышленных выбросов в исследуемой области.
Требования, которые предъявляются при выборе
организмов-мониторов, следующие: высокий коэффициент
накопления, существование корреляции между содержанием
токсикантов в организмах и в окружающей среде; достаточная
численность особей в исследуемом районе; оседлый образ
жизни; многолетний цикл развития; накопление токсикантов не
должно приводить к их гибели.
197
Активный биомониторинг с использованием организмов,
их популяций положен в основу создания биологических
средств оповещения о токсичности (БИОСОТ). БИОСОТ
основан на использовании естественного отклика (реакции) или
смерти живых организмов на появление в окружающей среде
токсичных веществ. Хорошо известно многовековое
использование в шахтах биологической системы,
предупреждающей о появлении в атмосфере рудничного газа
(метана). В качестве БИОСОТ шахтеры использовали клетки с
канарейками, которые благодаря высокой чувствительности к
содержанию метана в воздухе заранее своим поведением
предупреждали людей о смертельной опасности.
Примерами естественной реакции организмов на антропогенные стрессоры являются избегание рыбами источников
загрязненных вод или "забывание" голубыми крабами своего
инстинкта зарывания в донные отложения при появлении в воде
ДДТ.
Главным требованием при выборе биологических особей в
БИОСОТ является быстрое время отклика на появление
стрессора и адекватная реакция на него.
При создании системы БИОСОТ можно использовать
свойство бактериального ила быстро (за 10 минут) менять
2+
значение рН при появлении токсичных ионов металлов (Cu
).
Микробные дрожжи при появлении фенола в воде за 10 – 30
минут отвечают резким уменьшением способности
продуцировать кислород. Кислородный сенсор позволяет
определять присутствие токсикантов в воде.
198
7. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ АНАЛИЗ
Ферментативный анализ возник на стыке биологии и
аналитической химии. Он основан на использовании реакций,
катализаторами которых выступают биологические системыферменты. Последние могут менять свою каталитическую
активность при появлении в реакционной среде различных
химических веществ (стрессоров), ингибирующих
ферментативные процессы. Это свойство ферментативных
реакций положено в основу ферментативного анализа.
Ферменты – это высокоспецифичные биокатализаторы,
представляющие собой сложные либо простые белки. Их
каталитическая активность зависит от степени сохранения
нативной структуры белка, т.е. его первичной, вторичной и
третичной структуры. Первичная структура белка определяется
количеством и последовательностью аминокислотных остатков,
образующих полипептидную цепь. Относительное
расположение аминокислот в цепи определяет биологическую
активность белка.
Вторичная структура белка возникает за счет образования
водородной связи между атомами водорода аминогруппы (NH-)
и атомами кислорода карбоксильных (COO-) групп основной
цепи. В результате образуется гибкая полипептидная цепь со
спиральной или складчатой структурой (α-
и β- спирали). α-
спирали (правые) стабилизированы внутрицепочечными
водородными связями. β-спирали возникают между
полипептидными цепями в противоположных направлениях,
поэтому получили название антипараллельных.
Третичная структура белка возникает при укладке
полипептидной цепи строго определенным образом в
компактные глобулы или в фибриллы. Эта структура возникает
и стабилизируется за счет жестких дисульфидных связей, а
также ионных, ван-дер-ваальсовых сил, возникающих в
199
результате взаимодействия между боковыми радикалами
аминокислот полипептидной цепи.
Четвертичную структуру имеют, например, гемоглобин
крови, часть ферментов, причем их биологическая активность
зависит от четвертичной структуры белка, а биологические
свойства – от вторичной и третичной структуры.
Разрушение компонентной структуры фермента в
результате кипячения, воздействия сильной кислоты (НСl,
HСlO4 и др.) или иной химической обработки приводит к
полной потере его каталитической активности. Молекулярная
масса ферментов достигает 12000 – 1000000 дальтон.
Ферменты способны увеличивать скорость
8
катализируемых ими реакций в 10
–1020 раз. Каталитическая
активность ферментов связана с субстратной специифичностью.
Под ней понимают комплементарность взаимодействия
молекулы субстрата S и специфического участка на поверхности
молекулы фермента, которые подходят друг к другу как ключ к
замку. К этому участку (активному, каталитическому центру)
присоединяется молекула субстрата, которая претерпевает
различные превращения в ходе каталитических процессов.
Механизм таких реакций можно рассмотреть на примере
каталитического дегидрирования сукцинат-ионов в присутствии
фермента сукцинатдегидрогеназы, в результате которого
образуются фумарат-ионы.
Специфическая активность фермента сукцинатдегидрогеназы по отношению к сукцинат-ионам связана с тем, что
последние геометрически подобны (комплементарны) активным
центрам фермента. При этом в ходе каталитической реакции
образуется комплекс ES, который затем распадается с
образованием продукта реакции Р и свободного фермента Е
быстро
Е + S
→→→→
медленно
ES →→→→
E + P
200
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]