Характеристика факторов, влияющих на биоаккумулирование ксенобиотиков. Трофические цепи и экологические пирамиды.

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 27Следующая ⇒

Факторы, влияющие на биоаккумулирование ксенобиотика. Поскольку явление аккумулирования включает взаимодействие вещества с организмом, то факторы, определяющие степень его накопления, должны включать характеристики как самого ксенобиотика, так и организма. Одной из характеристик самого вещества является устойчивость. Для того чтобы ксенобиотик мог накапливаться в организме, его воздействие на организм должно быть достаточно длительным, особенно когда оно осуществляется через цепь питания. Следовательно, любое аккумулирующееся вещество должно быть устойчивым к возможным в данной среде процессам разрушения. Как уже упоминалось, способность вещества накапливаться в конкретном организме характеризуется его периодом полувыведения из этого организма. Обычно те ксенобиотики, которые устойчивы в окружающей среде, в большинстве организмов имеют относительно продолжительные периоды полувыведения и способны накапливаться в сравнительно больших количествах, но, конечно, при достаточно высокой концентрации их в окружающей среде.

Площадь поверхности. Если процесс аккумулирования включает физические стадии (адсорбция, диффузия), степень накопления чужеродного вещества в большей мере зависит от площади поверхности контакта организма с окружающей средой. Это положение можно применить к таким случаям, как адсорбция растениями пестицида из воздуха после опрыскивания или адсорбция организмами ПХБ в водной среде.

Величина поверхности на единицу массы или объема повышается при уменьшении размера частицы. Следовательно, если адсорбция в процессе аккумулирования играет значительную роль, то можно ожидать, что более мелкие организмы будут накапливать в единице объема большее количество вещества, чем более крупные. Действительно, существуют заметные различия в способности накопления веществ у клеток неодинаковой величины. Так, шесть видов водорослей, различающиеся размерами, в разных количествах накапливали ДДТ. У тех видов, которые имели более крупные клетки, способность накапливать ДДТ была более низкая. Убитая культура клеток водорослей имела приблизительно такую же способность к аккумулированию ДДТ, как и живые организмы. Это возможно при поглощении веществ по адсорбционному механизму, а не по механизму, требующему расхода энергии. Наблюдалось также, что нитчатые водоросли, которые образуют длинные нити с очень большой поверхностью, обладают более высокой способностью аккумулировать вещества из водной среды по сравнению с другими видами, имеющими меньшую поверхность. Следовательно, доступная для вещества поверхность относится к лимитирующим факторам, особенно в тех случаях, когда адсорбция является определяющим процессом в накоплении.

Распределение. Большинство организмов содержит значительные жировые отложения; в этих тканях накапливаются ксенобиотики с большими значениями коэффициента распределения. Содержание жира в организме также указывает на его способность аккумулировать данный тип веществ. Так, способность аккумулировать ПХБ коррелировала с содержанием липида в планктоне. Таким образом, степень аккумулирования зависит от способности веществ распределяться в жировых депо.

Способность данного ксенобиотика распределяться в жировых депо организма также может влиять на его период полувыведения. Жировые ткани в процессах метаболического преобразования являются не самыми активными. Следовательно, если вещество распределилось в таких тканях, оно может сохраняться там до тех пор, пока организм не израсходует весь жир.

Устойчивые в окружающей среде ксенобиотики очень плохо растворяются в воде. Следовательно, среда обитания конкретного организма может существенно влиять на его способность аккумулировать ксенобиотики. Организмы, обитающие на дне среди осадков, подвергаются воздействию более высоких концентраций ксенобиотика, чем находящиеся в верхних слоях того же самого участка водоема.

На процесс аккумулирования может влиять и размер частиц, проглатываемых организмами. Поскольку на более мелких частицах, как уже отмечалось, адсорбированное на их поверхности чужеродное вещество содержится в более высоких концентрациях, организмы, проглатывающие такие частицы, будут подвергаться воздействию более высокого содержания ксенобиотика.

Важным фактором является и количество потребляемой пищи. Организмы, нуждающиеся в относительно большом количестве пищи, могут аккумулировать чужеродное вещество из окружающей среды в большей степени при условии, что процесс накопления ксенобиотика не компенсируется более активным процессом его выведения.

Цепь питания. Ксенобиотики в массовых количествах поступают в неорганические элементы биосферы (воздух, воду, почву). Находясь во внешней среде, чужеродные соединения взаимодействуют с различными органическими элементами биогеоценозов – микроорганизмами, растениями, животными, поступая в конечном итоге по трофическим цепям в организм человека. В этих условиях суммарное количество ксенобиотиков, поступающих в организм человека, в значительной степени определяется интенсивностью их разрушения под действием физико-химических факторов среды (света, воды, тепла и др.), скоростью их деструкции в предшествующих элементах трофических цепей и закономерностями биоконцентрации.

Таким образом, любая экологическая система является совокупностью абиотических элементов, а также живых организмов, обменивающихся химическими компонентами, энергией и связанных между собой пищевыми (трофическими) цепями. При этом организмы – компоненты экосистем – подразделяются на производителей (продуцентов), потребителей (консументов) и разрушителей (редуцентов), разлагающих сложные органические соединения мертвых остатков.

Установлено, что по мере движения ксенобиотика по пищевой цепи к следующему консументу, в организме которого он метаболизируется в незначительной степени, происходит существенное увеличение концентрации чужеродного вещества.

Для понимания этого явления необходимо представлять взаимоотношения, существующие между видами в естественной среде. Вещества поглощаются в определенной последовательности: так, загрязненные растения поедаются травоядными рыбами и животными, этих рыб и животных поедают плотоядные животные и т. д. Таким образом, существуют два механизма перемещения чужеродного вещества в данной конкретной цепи питания – непосредственное его поглощение из среды и перемещение по цепи питания.

При рассмотрении распределения любого ксенобиотика в экосистеме необходимо учитывать биологические аспекты, а также иметь определенные сведения об относительном положении различных видов в цепи питания, информацию о плотности популяций различных организмов и скорости поглощения ими данного вещества.

Аккумулирование ксенобиотика в цепи питания определяется его перемещением по этой цепи, а также тем, что менее 50 % всей массы вещества преобразуется в ткани организма на следующем, более высоком уровне.

Процесс иллюстрируется схемой (рис. 10.1), где показаны также возможные потери ксенобиотика путем экскреции на различных уровнях цепи питания. Проведенный анализ показывает, как концентрация чужеродного вещества постепенно повышается в цепи питания.

Для лучшего понимания закономерностей движения по пищевым цепям продуктов питания, а также попавших в биоценозы ксенобиотиков строятся так называемые экологические пирамиды. В экологических пирамидах схематически учитывают плотности популяций (число особей на 1 м²), биомассы (грамм сухого или влажного вещества на 1 м²) или продуктивность в энергетических эквивалентах (джоулей на 1 м² в год) для всех членов каждого трофического уровня в данном биоценозе.

Стадии деградации

Фотолиз

Воздух, вода, почва

Стадии аккумулирования

Метаболизм зоопланктона

Планктон, водоросли, растения

Метаболизм травоядных

Травоядные

Метаболизм плотоядных

Плотоядные

Рис. 10.1. Усиление в цепи питания — схема увеличения концентрации вещества в организмах по мере достижения более высокого трофического уровня

В условиях поступления в организм чужеродных химических веществ, которые не могут быстро метаболизироваться и полностью экскретироваться во внешнюю среду, начинается накопление этих веществ по ходу пищевой цепи. При этом, поскольку организмы-потребители, стоящие на более высоких уровнях экологической пирамиды, обладают меньшей суммарной биомассой по сравнению с организмами предыдущего уровня, происходит последовательная биоконцентрация токсикантов, достигающая максимальных значений у конечных консументов, которыми могут являться люди.

В водной среде аккумулирование ксенобиотика может протекать по двум механизмам:

– непосредственной адсорбции вещества и (или) его распределения из водной среды;

– распределения по цепи питания.

При обсуждении поступления и накопления ксенобиотиков водными организмами специалисты различают следующие процессы:

- биоконцентрирование – накопление химических соединений (ХС) организмом в результате прямого поступления из окружающей среды без учета попадания с продуктами питания;

- биоумножение – накопление в организме ХС непосредственно из продуктов питания. В природной среде этот процесс идет одновременно с биоконцентрированием;

- биоаккумуляция – накопление в организме за счет прямого поступления из среды и питания;

Экологическое накопление – прирост концентрации вещества в экосистеме или цепи питания при переходе от низкого к более высокому трофическому уровню.

В условиях наземной среды чужеродные вещества в конечном итоге оказываются в почве, и их аккумулирование организмами должно происходить по цепи питания. Воздействие на организм ксенобиотика из атмосферы вследствие испарения из почвы может показаться аналогичным его общему воздействию на организм в водной среде. Однако концентрация чужеродного вещества в воздухе при испарении очень мала, а его способность рассеиваться в открытом пространстве настолько велика, что в большинстве случаев аккумулирование ксенобиотика по механизму распределения из атмосферы минимально. Исключение могут составлять роющие животные, существующие в более ограниченной среде.

В отличие от водных организмов у наземных животных биоаккумулирование происходит в основном за счет питания. У наземных высших растений накопление происходит, главным образом, за счет поступления ХС из почвы.

Таким образом, процесс аккумулирования ксенобиотика наземными организмами должен включать его поглощение организмами, обитающими в почве, и последующее перемещение по наземной цепи питания.

Степень, до которой организм аккумулирует определенный ксенобиотик, зависит не только от положения организма в цепи питания, но и от его физиологических и морфологических особенностей.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒