Характеристика вредного влияния ксенобиотиков на экосистемы: критерии вредного влияния, последствия и формы, зависимость от времени.

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 27Следующая ⇒

К важнейшим задачам при анализе воздействия ксенобиотиков на экосистему относится выявление их вредного влияния (качественное и количественное) и разработка мероприятий, предотвращающих это негативное влияние.

Под вредным воздействиям, наносимым соответствующей экосистеме, понимают:

– явственные изменения обычных колебаний численности популяции;

– долгосрочные или необратимые изменения состояния экосистемы.

Возможные последствия и формы вредного воздействия ксенобиотиков классифицируют в соответствии со следующей схемой:

Полное разрушение экосистемы в результате нарушения целостной интактной структуры (биотопа) и ее функций (биоценоза).

Пример: уничтожение мангровых лесов в результате применения дефолиантов во время войны во Вьетнаме.

Глубокие изменения биотопа.

Пример: засоление пресноводных биотопов; «современное ухудшение состояния лесов»

Постоянное загрязнение биотопа.

Пример: эвтрофикация рек и озер в результате попадания в них значительных количеств биогенных элементов (азот, фосфор)

Массированные загрязнения.

Пример: загрязнение рек и водоемов нефтью при авариях танкеров

Широко распространенное уменьшение видового разнообразия.

Пример: использование пестицидов и удобрений в агроценозах

Направленное уничтожение отдельных видов растений и животных.

Пример: использование пестицидов, в особенности в урбанизированных экосистемах.

Изменения, вызываемые ксенобиотиками в экосистемах в значительной мере определяются временем воздействия (рис. 10.3).

Введение ксенобиотика

Порог воздействия

Биохимические реакции (ферментативная и метаболическая активность, синтез аминокислот и стероидных гормонов, мембранные изменения, мутация ДНК

Нарушение поведения (неврологические и эндокринные, хемотаксис, фототаксис, равновесие/ ориентировка, бегство и т. д.)

Морфологические изменения (изменение клеток, образование опухолей, анатомические изменения)

Физиологические изменения (потребление кислорода, осмотическая и ионная регуляция, переваривание и экскреция пищи, фотосинтез, фиксация азота)

Изменение индивидуального жизненного цикла (эмбриональное развитие, скорость роста, репродукция, способность к регенерации)

Популяционные изменения (снижение числа особей, изменение в возрастной структуре, изменение генетического материала)

Экологические последствия (динамические изменения биоцинозов/экосистем, их структуры и функции)

Рис. 10.3. Воздействие ксенобиотиков на биологические системы по мере их усложнения

Нарушения поведения в биохимических реакциях наступают немедленно, а физиологические и морфологические – часы и недели; изменения индивидуального жизненного цикла – сутки и месяцы; месяцы – годы приводят к популяционным воздействиям, а десятилетия вызывают экологические нарушения. Однако в приведенной схеме не учитываются приспособительные реакции особь/популяция, а также процессы детоксикации и влияния таких факторов как, например возраст, пол, репродуктивные способности и другие.

Анализ воздействия включает оценку влияния ксенобиотиков на изменения видового состава и функций экосистемы. В этом случае последствия могут проявляться как в количественном, так и в качественном отношении. Исследования колебаний видового состава, а также взаимосвязей видов на одном трофическом уровне носят преимущественно качественный характер.

Такое же важное значение, как и структурно-видовые изменения, имеют функциональные нарушения в экосистеме. Здесь речь идет в принципе о контрольных количественных параметрах роста организмов и обмена веществ. Например, измерение объемных показателей роста растений является чувствительным методом обнаружения возможного влияния вредных веществ, особенно в области, близкой к границе токсичности. Снижение показателей биопродуктивности высших растений (деревьев) в некоторых случаях количественно обнаруживается только через несколько лет. Однако в качестве дополнительного критерия может служить снижение фотосинтетической активности.

Итак, изучение путей биотрансформации ксенобиотиков в экосистемах и входящих в их состав организмах показывает, что экологическая опасность ксенобиотиков-поллютантов определяется не только их непосредственной токсичностью, но и токсичностью и персистентностью продуктов их биотрансформации, а также способностью ксенобиотиков и продуктов их биотрансформации влиять на биохимические и физико-химические процессы в экосистемах.

Принципиальное значение имеет соотношение между скоростью поступления ксенобиотиков в конкретные экосистемы и скоростью их деградации.

Один из путей снижения нежелательных последствий загрязнения биосферы – разработка, производство и применение биодеградабельных соединений, т. е. материалов и веществ, относительно быстро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада.

Еще один важный путь – использование природных веществ для регуляции различных физиологических процессов и создания интегрированной системы защиты растений.

Есть основания предполагать, что наиболее существенным свойством, детерминирующим специфику действия наночастиц, является их чрезвычайная стабильность. В силу данного свойства они практически не подвержены биотрансформации и не элиминируются из клеток, вызывая в них деструктивные процессы [там же, с. 13–14]. По мнению Г.В. Яковлевой и А.А. Стехина, «основное токсическое действие наночастиц обусловлено не самим веществом, из которого они получены, а их электрофизическими особенностями» [18, с. 26], способствующими доставке токсичных соединений к активным центрам рецепторов и формированию аномально большого количества свободных радикалов.

Негативное влияние наночастиц на окружающую среду также связана с повышенной адсорбцией ими ксенобиотиков, что резко расширяет возможности транспорта внутрь клеток и клеточных органелл, нарушая их биологические функции. При этом «наночастицы не распознаются защитными системами организма. Это ведет к накоплению их в растениях, животных организмах и микроорганизмах, что увеличивает возможность поступления в организм человека»

Сегодня появился термин «зеленая нанотехнология», как способ создания и использования наноматериалов и нанопродукции без нанесения ущерба окружающей среде и здоровью человека. К зеленой нанотехнологии, с одной стороны, относится производство наноматериалов и продуктов с использованием принципов зеленой химии и зеленых технологий (что улучшает окружающую среду косвенным образом), а с другой, – создание нанопродуктов, которые непосредственно участвуют в решении прошлых, настоящих и будущих проблем, связанных с защитой природы и здоровьем людей (например, сорбенты для очистки сточных вод или питьевой воды, новые катализаторы, энергетические системы).

Наноматериалы воздействуют на окружающую среду не только сами по себе, но и в виде отходов нанопроизводства, а также при их превращении в отходы потребления.

Так, ученые, проанализировав один из самых распространенных методов производства нанотрубок – химическое осаждение в паровой фазе, – обнаружили, что в процессе химических превращений в окружающую среду поступает свыше 10 ароматических углеводородов, в том числе канцероген – полициклический бензапирен. Остальные компоненты «коктейля» негативно влияют на озоновый слой планеты.

По решению Пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития РФ, прошедшего в 2008 г., приоритетными задачами, обеспечивающими качество и безопасность нанопродукции и нанопроизводств, были признаны «разработка гигиенических нормативов, определяющих безопасные уровни приоритетных видов наноматериалов в воздухе рабочей зоны, населенных пунктов и жилых помещений, питьевой воде, продуктах питания и других объектах внешней среды, а также регламентация процессов производства, транспортировки, использования и утилизации токсичных наноматериалов, которая исключала бы возможность их воздействия на человека в опасных для здоровья масштабах» [13, с. 88].

Согласно решению Пленума, безопасность наноматериалов должна оцениваться последующим основным блокам методически значимых проблем:

– методы обнаружения, идентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биологических средах, позволяющие отличить наноматериалы от их аналогов в традиционной, то есть макродисперсной форме; - изучение взаимодействия наноматериалов с липидами, белками, нуклеиновыми кислотами (ДНК, РНК, клеточные мембраны, рибосомы, ферменты, цитохромы Р-450) в системах in vitro;

– изучение механизмов проникновения наноматериалов через биомембраны и связывания с мембранными рецепторами в системе in vitro;

– изучение изменения характеристик наночастиц в составе модельных систем, воспроизводящих различные среды организма (желудочное и кишечное содержимое, кровь, лимфа, желчь, моча и др.);

– определение параметров острой, подострой и хронической токсичности, органотоксичности (нейро-, гепато-, кардио-, иммуно-, нефротоксичность и др.) и отдаленных эффектов (мутагенность, эмбриотоксичность, тератогенность, канцерогенность), а также распределения наноматериалов по органам и тканям;

– определение параметров I и II фазы метаболизма ксенобиотиков и системы антиоксидантной защиты;

– изучение влияния наноматериалов на экспрессию генов, генотоксичность, апоптоз, протеомный и метаболомный профили, потенциальную аллергенность;

– изучение влияния в моделях in vitro выживаемости пробиотических микроорганизмов нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта в присутствии наноматериалов, процессов всасывания наноматериалов в желудочно-кишечном тракте на моделях in situ и in vivo и определение влияния наноматериалов на микробиоценоз желудочно-кишечного тракта [13, с. 88]

Завершая очень сжатое изложение поведения ксенобиотиков в экосистемах и возможные последствия этих взаимодействий, отметим некоторые основные положения:

– ксенобиотики включают многие классы веществ, они способны мигрировать по всей биосфере и переходить из одной среды в другую: из атмосферы в океан, с суши в водоемы и т. д.;

– биологическое действие многих ксенобиотиков, действующих совместно, усиливается, т. е. в функциональном смысле мы наблюдаем эффект, больший суммы отдельных веществ, кроме того, многие ксенобиотики или продукты их метаболизма оказываются более токсичными и канцерогенными, чем исходные;

– действию ксенобиотиков подвергаются такие структурно-функциональные системы клетки, как генетический аппарат, биомембраны, белки и их обмен;

– трансформация ксенобиотиков в объектах окружающей среды может приводить к появлению более персистентных и остатков неразложившихся соединений;

Ссылка на рис. 10.6?

Продуцент- источник

Внешняя среда

Организм-объект воздействия

Продуцирование (синтез), высвобождение

Трофическая цепь

Биотранс-формация

Химические и биохимические реакции во внешней среде

Рис. 10.6. Общая схема действия экологических ксенобиотиков

– многие ксенобиотики (например, гидрофобные пестициды, некоторые металлы и их соединения) способны аккумулироваться в живых организмах в более высоких концентрациях, чем в окружающей среде;

– экологическую опасность представляют даже низкие, сублетальные концентрации ксенобиотиков, которые (особенно при длительном воздействии) могут в течение ряда поколений снижать воспроизводство в популяциях и тем самым приводить к вымиранию этих популяций.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒