Лекция 7. Основные закономерности воздействия токсикантов на природные системы 1. Ксенобиотический профиль среды и его формирование 2. Персистирование и трансформация экополлютантов в среде 3. Накопление экополлютантов в живых системах 4. Экотоксикодинамические эффекты

2 1.Ксенобиотический профиль среды и его формирование Из всего многообразия химических веществ для живых организмов значимы лишь те вещества, молекулы которых обладают свойством биодоступности. Определение ксенобиотического профиля и его составляющих Биодоступность - способность вещества ( молекулы ) взаимодействовать с живыми организмами немеханическим путем. Твердые Вещества (в виде мелко дисперсной пыли Вещества в Газообразном состоянии Жидком состоянии Форме водных растворов Адсорбированные на частицах почвы и различных поверхностях

3 Большая часть биодоступных соединений необходима живым организмам для участия в процессах их метаболизма, и потребляется организмами в качестве ресурсов среды обитания. Другая часть, поступая в организм животных и растений, не используются ими как источник энергии, но, действуя в достаточных дозах и концентрациях, способна изменить течение нормальных физиологических процессов. Такие соединения называются чужеродными или ксенобиотиками (от греч. «хenos» - чужой «bios» -жизнь). !

4 Совокупность чужеродных веществ, содержащихся в окружающей среде (воде, почве, воздухе и живых организмах) в форме (агрегатном состоянии), позволяющей им вступать в химические и физико-химические взаимодействия с биологическими объектами экосистемы составляют ксенобиотический профиль биогеоценоза.

5 Важнейшие экологические факторы среды Температура, Освещенность, Влажность, Ксенобиотический профиль Качественные и количественные характеристики Химический состав окружающей абиотической среды Чужеродные вещества, содержащиеся в органах и тканях живых существ Персистентность (лат. persiste упорствовать) продолжительность сохранения ксенобиотиком биологической активности в окружающей среде или её отдельных объектах- в почве, атмосфере, гидросфере, растениях и т. д. !

6 Ксенобиотические профили среды, сформировавшиеся в ходе эволюции, можно назвать естественными ксенобиотическими профилями. Включение веществ в геологические круговороты Накопление в среде в несвойственных количествах Изменение естественного ксенобиотического профиля Добыча полезных ископаемых Вещества, изменяющие естественный ксенобиотический профиль называются экополлютантами (загрязнителями). Экополлютант, накопившейся в ксенобиотичеком профиле в количестве, достаточном для инициации токсического процесса в биоценозе (на любом уровне организации живой материи), называется экотоксикантом.

7 Формирование ксенобиотического профиля геохимическими особенностями местности, качественным составом химических элементов и веществ, поступающих в среду в настоящем, а также их количеством. Формирование ксенобиотического профиля среды определяется Формирование ксенобиотического профиля среды определяется: Кроме того, имеет место зависимость формирования от процессов персистирования и трансформации, связанных не только с характеристиками экополлютантов, но и с особенностями конкретного биогеоценоза. Оказывают влияние также физические процессы, способствующие выносу экополлютантов за пределы экосистемы.

8 Источники поступления экополлютантов в среду переносимые ветром частицы пыли, аэрозоль морской соли, продукты вулканической деятельности, химические соединения, образующиеся при лесных пожарах, минеральная пыль, дым лесных пожаров(сажа), вулканическая пыль и пепел, споры и пыльца растений. Естественные (природные) Антропогенные выхлопные газы, дым промышленных предприятий, пестициды, промышленные отходы, и др.

9 2. Персистирование и трансформация экополлютантов в среде Многие ксенобиотики, попав в воздух, почву, воду приносят минимальный вред экосистемам, поскольку время их воздействия ничтожно мало. Вещества, оказывающиеся резистентными к процессам разрушения и, вследствие этого, длительно персистирующие в окружающей среде, как правило, являются потенциально опасными экотоксикантами.

10 Таблица - Период полуразрушения некоторых ксенобиотиков в окружающей среде Экополлютант Период полуразрушенияСреда пребывания ДДТ 10 лет Почва ТХДТ 9 лет Почва Атразин 25 месяцевВода ( Рн =7.0) Фенантрен 138 дней Почва Карбофуран 45 днейВода ( рН =7.0) Фосфорилтиохолины 21 деньПочва (t +15 о С ) Иприт 7 днейПочва (t +15 о С ) Зарин 4 часаПочва (t +15 о С )

11 абиотическую и биотическую. Подавляющее большинство веществ подвергаются в окружающей среде различным превращениям - трансформации. Различают два вида трансформации: абиотическую и биотическую. Абиотическая трансформация – процессы, происходящие в абиотическом компоненте экосистем. Как правило, идут с малой скоростью. Основными процессами являются фотолиз, гидролиз, окисление. Фотолиз. Свет, особенно ультрафиолетовые лучи, способен разрушать химические связи и, тем самым, вызывать деградацию химических веществ. Фотолиз проходит главным образом в атмосфере, на поверхности почвы и воды. Скорость фотолиза зависит от интенсивности света и способности вещества его поглощать. Гидролиз. 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. Скорость гидролиза также сильно зависит от рН.

12 Абиотические процессы трансформации чаще всего сопряжены с биотическими процессами. Биотическая трансформация – протекает с относительно высокой скоростью, ускорение обеспечивают живые организмы (бактерии и грибы), которые используют ксенобиотики как питательные вещества. Процесс биотического разрушения идет при участии энзимов. В основе биопревращений веществ лежат процессы окисления, гидролиза, дегалогенирования, расщепления циклических структур молекулы, отщепление алкильных радикалов. Деградация соединения может завершаться его полным разрушением. Однако, также как и в случае абиотической трансформации, возможно образование промежуточных продуктов биотрансформации веществ, обладающих порой более высокой токсичностью, чем исходный агент. Таким образом, процесс трансформации веществ в окружающей среде может приводить к образованию более токсичных веществ, чем исходные. !

13 Процессы элиминации физической природы (не связанные с разрушением). Для этих процессов характерно изменение концентрации ксенобиотиков в регионе, путем их перераспределения в компонентах среды. 1. испарение и выпадение осадков. Загрязнитель с высоким давлением пара может легко испаряться из воды и почвы, а затем перемещаться в другие регионы с током воздуха. 2. перемещение с токами атмосферы. Атмосферные токи постоянно циркулируют в пределах всей биосферы, увлекая и перенося частицы пыли. 3. сорбция веществ на взвешенных частицах в воде, с последующим осаждением приводит к их элиминации из толщи воды, но накоплению в донных отложениях. Осаждение резко снижает биодоступность загрязнителя. 4. движение грунтовых вод. Перераспределению водорастворимых веществ способствуют дожди и движение грунтовых вод. К таким процессам относятся:

14 Характер поведения токсикантов в воздушной среде Воздушное (аэральное) загрязнение зависит от : Скорость потока воздуха Турбулентность (смешивание) воздушных масс Направление ветра Роза ветров Фотохимический эффект

15 3. Накопление экополлютантов в живых системах Многие ксенобиотики способны накапливаться в тканях живых организмов. Процесс, посредством которого организмы накапливают токсиканты, извлекая их из абиотической фазы ( воды, почвы, воздуха ) и из пищи ( трофическая передача ), называется биоаккумуляцией. Результатом биоаккумуляции являются негативные последствия как для самого организма при достижении поражающей концентрации в критических тканях, так и для организмов, использующих данный биологический вид, в качестве пищи. Биоаккумуляция.

16 Устрица Crassostrea virginica накапливает в своем организме ДДТ в концентрациях, превышающих содержание его в воде в раз. Разложение токсикантов в водной среде Фотолиз рН среды UV – радиация Факторы, влияющие на разложение токсикантов в воде Креветки накапливает в своем организме кадмий в концентрациях, превышающих содержание его в воде в 154 раза Превышение концентрации ТМ в моллюсках, водорослях и губках составляет – раз

17 Факторы, влияющие на биоаккумуляцию 1.Персистирование ксенобиотика в среде. Степень накопления вещества в организме, в конечном счете, определяется его содержанием в среде. Вещества, быстро элиминирующиеся, в целом, плохо накапливаются в организме. Исключением являются условия, при которых поллютант постоянно привносится в окружающую среду (регионы близ производств и т.д.). Персистирование лат. persisto постоянно пребывать, оставаться. !

18 2. Особенности растворимости ксенобиотика. Наибольшей способностью к биоаккумуляции обладают жирорастворимые (липофильные) вещества, медленно метаболизирующие в организме. Жировая ткань, как правило, основное место длительного депонирования ксенобиотиков. 3. Биоаккумулятивные процессы могут быть избирательно связаны с этапами жизненного цикла организмов. 4. Биоаккумуляция обладает свойством избирательности и, как выяснилось, по интенсивности накопления токсиканта имеются межвидовые, внутривидовые и внутрипопуляционные различия.

19 Значение биоаккумуляции Биоаккумуляция может лежать в основе не только хронических, но и отсроченных острых токсических эффектов. Как уже отмечалось, быстрая потеря жира, в котором накоплено большое количество вещества, приводит к выходу токсиканта в кровь. Мобилизация жировой ткани у животных нередко отмечается не только в период миграции, но и в период размножения. В экологически неблагополучных регионах это может сопровождаться массовой гибелью животных при достижении ими половой зрелости. Стойкие поллютанты могут также передаваться потомству. У птиц и рыб - с содержимым желточного мешка, у млекопитающих - с молоком кормящей матери.

20 Биомагнификация Химические вещества могут перемещаться по пищевым цепям от организмов-жертв, к организмам - консументам. Перемещение может сопровождаться увеличением концентрации токсиканта в тканях каждого последующего организма - звена пищевой цепи. Этот феномен называется биомагнификацией. Особенно характерен для высоко липофильных веществ.

21 4. Экотоксикодинамические эффекты В соответствии с представлением об уровнях организации биологических систем экологию подразделяют на аутэкологию, демэкологию, синэкологию. В соответствии с этим, в экотоксикологии изучаются экологические эффекты на уровне организма, популяции и биоценоза.

22 1. Уровень организма (аутэкотоксический) - проявляются снижением резистентности к другим действующим факторам среды, понижением активности, заболеваниями, гибелью организма, канцерогенезом, нарушениями репродуктивных функций и т.д. 2.Уровень популяции (демэкотоксический) - проявляются гибелью популяции, ростом заболеваемости, смертности, уменьшением рождаемости, увеличением числа врожденных дефектов развития, нарушением демографических характеристик (соотношение возрастов, полов и т.д.), изменением средней продолжительности жизни, культурной деградацией. 3. Уровень биогеоценоза (синэкотоксический) - проявляются изменением популяционного спектра ценоза, вплоть до исчезновения отдельных видов и появления новых, не свойственных данному биоценозу, нарушением межвидовых взаимоотношений.

23 При оценке экотоксичности одного вещества в отношении представителей только одного вида живых существ, могут быть использованы качественные и количественные характеристики : величины острой, подострой, хронической токсичность, дозы и концентрации, вызывающие мутагенное, канцерогенное и иные виды эффектов В более сложных системах, экотоксичность цифрами (количественно) не измеряется, она характеризуется целым рядом показателей качественно или полуколичественно, через понятия «опасность» или «экологический риск».

24 Острая экотоксичность. Острое токсическое действие веществ на биоценоз может явиться следствием аварий и катастроф, сопровождающихся выходом в окружающую среду большого количества относительно нестойкого токсиканта или неправильного использования химикатов. Хроническая экотоксичность. С хронической токсичностью веществ, как правило, ассоциируются сублетальные эффекты. Часто при этом подразумевают нарушение репродуктивных функций, иммунные сдвиги, эндокринную патологию, пороки развития, аллергизацию и т.д. Однако хроническое воздействие токсиканта может приводить и к смертельным исходам. Х роническое воздействие экополлютантов - основная проблема экологии.

25 Механизмы экотоксичности Прямое действие - это непосредственное поражение организмов определенной популяции или нескольких популяций (биоценоза) экотоксикантом или совокупностью экотоксикантов данного ксенобиотического профиля среды. Действие экотоксикантов прямое опосредованное смешанное Опосредованное - это действие ксенобиотического профиля среды на биотические или абиотические элементы среды обитания популяции, в результате которого условия и ресурсы среды перестают быть оптимальными для её существования. Многие токсиканты способны оказывать как прямое, так и опосредованное, т.е. смешанное действие.

26 1. Прямое действие токсикантов, приводящее к массовой гибели представителей чувствительных видов. 2. Прямое действие ксенобиотика, приводящее к развитию аллобиотических состояний и специальных форм токсического процесса. 3. Эмбриотоксическое действие экополлютантов. 4. Прямое действие продукта биотрансформации поллютанта с необычным эффектом. 5. Опосредованное действие путем сокращения пищевых ресурсов среды обитания. 6. Взрыв численности популяции вследствие уничтожения вида - конкурента.

27 Нетрудно заметить, что приведенные в качестве примеров механизмы экотоксического действия веществ на животных при иных условиях вполне могут реализоваться и в отношении человека.