kontr_bkh2 шпоры

3.5. Реакции конъюгации В определенных ситуациях эти реакции являются высокоэффективными путями снижения токсичности некоторых ксенобиотиков, хотя в некоторых случаях образуются более опасные (канцерогенные) продукты, чем исходные вещества. Наиболее изучены реакции конъюгации, в которых участвуют следующие молекулы. 1. Ацетат конъюгируется при посредстве ацетил-КоА с некоторыми ароматическими и алифатическими аминами и сульфонами- дами. Ацетилирование катализируется соответствующими ацетил-трансферазами. Например, описана N-ацетилтрансфераза (КФ 2.3.1.5.) с молекулярной массой 37 000. Животные одного вида могут весьма существенно различаться по способности к ацетилированию ксенобиотиков (быстрые и медленные ацетиляторы). В некоторых случаях на стадии ацетилирования могут образовываться промежуточные продукты, более опасные, чем исходные ксенобиотики. Так, при ацетилировании таких аминов, как 2-аминофлуорен, 4-аминобифенил, 2-аминонафталин, образуются канцерогены с более выраженным канцерогенным действием, чем исходные соединения 2. Глицин. Его конъюгация с бензойной кислотой, описанная Келлером в 1842 г.,- одна из первых изученных реакций биотрансформации. 3. Цистеин, глутатион и другие серосодержащие соединения. Так, трипептид глютатион - эффективный конъюгирующий агент для конденсированных кольцевых систем - нафталина, антрацена, фенантрена .Тиосульфат ответствен за превращение неорганических цианидов в менее токсичные тиоцианаты 4. Метилирование (например, с участием метионина). Таким образом метилируются алкилфенолы, галогенфенолы, амины, пиридин, пирогаллол; сульфиты, селениты, теллуриты подвергаются биологическому метилированию и превращаются в летучие диметильные производные.При метилировании ксенобиотиков донорами метильных групп могут служить 6-метилтетрагидрофолиевая кислота и другие источники одноуглеродных остатков, однако эти пути метилирования изучены пока недостаточно. 5. Орнитин и аргинин. Орнитин используется при детоксикации бензойной кислоты в организме рептилий и птиц; аргинин - в организме членистоногих. 6. Глутамин. У приматов он используется для конъюгации фенилуксусной кислоты и некоторых ее гетероциклических аналогов. 7. Рибоза и глюкоза. Оба соединения часто используются для конъюгации; конъюгаты глюкозы особенно широко представлены в растениях ,у моллюсков и насекомых. 8. Глюкуроновая кислота. Это 6-карбоксильное производное глюкозы используется для конъюгации с ксенобиотиками у большинства позвоночных и всех млекопитающих. Она имеет преимущество перед глюкозой как детоксицирующий агент, поскольку содержит ионизируемую группу. Конъюгации подвергаются спирты, кетоны, фенолы, енолы, карбоксикислоты, амины, гидрокси-ламины, карбаматы, карбамиды, сульфонамиды, тиолы, арилмеркаптаны и другие ксенобиотики. Глюкоуронидная конъюгация идет с участием нескольких ферментов, в том числе УДФГ-пирофосфорилазы, УДФ-глюкозодегидрогеназы и ферментов из грут- пы УДФ-глюкуронозилтрансфераз. 9. Сульфатная конъюгация - эволюционно, по-видимому, один из древних видов биотрансформации. В нее вступают фенолы, спирты, ароматические амины, гидроксиламины, некоторые стероиды (например, [Голиков и др., 1986]). Происходит с участием сульфат-аденилтрансферазы (КФ 2.7.7.4; АТР: сульфат-аденилил- трансфераза), аденилил - сульфаткиназы (КФ 2.7.1.25; АТР: аденилсульфат-3'-фосфотрансферазы), возможно, и других ферментов группы сульфотрансфераз. 10. Лигнин. В растениях удалось обнаружить новый тип конъюгатов - нерастворимые конъюгаты с лигнином. С ним могут ковалентно связываться молекулы пестицидов 2,4-дихлорфенокси - уксусной кислоты (2,4-Д), пентахлорфенола, а также 3,4-дихлор-анилина 11. Металлотионеины. Эти белки с низкой молекулярной массой и высоким содержанием цистеина связывают ионы тяжелых металлов. Наиболее изучено связывание ими кадмия, хотя эти белки могут связывать и другие металлы

3.4.Дегалогенирование Формально реакции дегалогенирования хлорсодержащих ксенобиотиков могут относиться к описанным выше классам реакций, но экологическая важность этих реакций требует их акцентировки и особого рассмотрения. К хлорсодержащим ксенобиотикам относятся многие персистентные загрязняющие вещества, в том числе пестициды (например, [Мельников, 1987]), а также ряд природных метаболитов низших растений. Можно выделить [Головлева, Головлев, 1980]: 1) гидролитическое, 2) восстановительное и 3) окислительное дегалогенирование. 1. Гидролитическое дегалогенирование. Изучено у хлорированных алифатических кислот. Наблюдается также при деградации ароматических пестицидов после расщепления их кольца. Например, гербицид 2,4-Д деградируется почвенными бактериями с участием реакции этого типа. 2. Восстановительное дегалогенирование. Это реакции замещения атома галоида на водород. Многие бактерии, грибы и водоросли таким образом трансформируют ДДТ в ДДД. Возможно, таким же образом микроорганизмы могут отщеплять хлор и от алициклических молекул, например от линдана (γ-гексахлорцик-логексана). При восстановительном дегалогенировании могут образоваться интермедиаты, токсичные для клеток. 3. Окислительное дегалогенирование. Реакции этого типа подразделяются на несколько классов: а) дегидрогалогенирование; б) окислительное дегалогенирование с образованием двойной связи; в) дегалогенирование-гидроксилирование с участием молекулярного кислорода.

3.5. Метоболизм ксенобиотиков 3.6. Клонцепция двухфазного метаболизма токсикантов 3.7. Судьба загрязняющих веществ в биогеозинозе, судьба полютантов В более общей форме обсудим некоторые вопросы, связанные с основными этапами и ключевыми моментами в жизни ксенобиотиков, попавших в экосистемы и входящие в них организмы: 1) распад ксенобиотиков, 2) окислительно-восстановительные реакции с участием ксенобиотиков; 3) реакции конъюгирования (присоединения), 4) переход ксенобиотиков из одной среды в другую, 5) адсорбция ксенобиотиков на мелких частицах биотического или абиотического происхождения. Протекание этих этапов существования ксенобиотиков в реальных биогеоценозах осуществляется при теснейшем взаимодействии биологических и абиотических факторов. Так, распад (деградация) ксенобиотиков может происходить под действием ферментов, а также чисто физико-химическим образом - вследствие гидролиза в водной среде или фотолиза под действием света. Продукты деградации ксенобиотиков могут порождать природоохранительные проблемы. Так, пестицид пропанид подвергается гидролизу в агроэкосистемах с образованием 3,4-дихлоранилина, который способен очень долго сохраняться в почве и загрязнять продукцию растениеводства. 3,4-Дихлоранилин иногда обнаруживают в потребляемом рисе. Другой пример - пестициды из группы этиленбисдитиокарбаматов. При их разложении в качестве одного из продуктов получается этилентиомочевина, которая в некоторых случаях проявляет канцерогенное действие. При распаде нематоцида вапама (метамсодиума) в почве образуется метилизотиоцианат (метилгорчичное масло), уничтожающее насекомых, почвенные грибы, семена растений. Один из основных продуктов разложения фунгицида беномила в растениях, в водной среде и почве - метил-N-(бензимидазолил-2)- карбамат, сокращенно называемый БМК. БМК весьма персистентен в окружающей среде. В литературе крайне малочисленны сведения о продуктах его разложения . Подобно реакциям деградации окислительно-восстановительные реакции могут быть различной природы: и ферментативные, и йеэнзиматические, например окисление кислородом воздуха или растворенным в воде; окисление посредством перекиси водорода, которая выделяется в воду некоторыми гидрокарбонатами; окисление с участием свободных радикалов. Последний тип окисления наблюдается в природной воде в результате выделения гидробионтами веществ - доноров электронов и перекиси водорода.В организме животных биологический смысл конъюгации ксенобиотиков заключается в том, чтобы придать имповышенную водорастворимость и вывести их в виде водорастворимых конъюгатов с мочой. Однако с биогеоценотической точки зрения проблема все равно остается, поскольку загрязняющее вещество (в форме конъюгата) попадает в почву или воду и продолжает циркулировать в биогеоценозе. Продукты конденсации некоторых пестицидов (или их метаболитов) с веществами растений разлагаются медленнее, чем исходные поллютанты сами по себе. Такова, например, ситуация, возникающая при конденсации фосфорорганического пестицида винфоса с веществами растительной клетки. Одним из типов конъюгирования ксенобиотиков может считаться их алкилирование. Для дальнейшей судьбы ксенобиотика в организме и биогеоценозе при этом очень важно, что при алкилировании может существенно изменяться водо- и жирорастворимость o (липофильность) данного соединения, а последнее свойство вещества, в свою очередь, определяет его переходы из гидрофильной среды в гидрофобную и обратно. Подобные переходы - необходимое звено в цепи процессов, ведущих в вредному воздействию ксенобиотика на организм, поскольку такое воздействие предполагает прохождение ксенобиотиком через гидрофобный слой биомембран, окружающих живые клетки. Кроме того, именно гидрофобность ряда ксенобиотиков (в том числе многих хлорорганических соединений) обусловливает их повышенную способность в биоаккумуляции. Еще один аспект важности переходов ксенобиотиков из гидрофильной среды в гидрофобную (и обратно) в том, что при этом изменяется доступность молекулы для ферментов. Подавляющее большинство ферментов действуют в водной среде. Переход молекул ксенобиотиков из водной среды в гидрофобную означает уменьшение их доступности для ферментов, а следовательно, снижение их подверженности биотрансформации и детоксикации.Среди многочисленных примеров важности подобных процессов судьба в окружающей среде таких пестицидов, как пропанид, дипирилиевые гербициды, паратион, вапам и др. Так, пестицид пропанид, как отмечалось выше, в почве гидролизуется с образованием в качестве продукта 3,4-дихлоранилина, который занимает важное место в экологической химии данного пестицида. 3,4-Дихлоранилин адсорбируется на частицах почвы, связывается с гумусом и благодаря этому сохраняется (в адсорбированном виде) особенно длительное время.

3.8. Токсичность загрязнителей Загрязняющее вещество - вещество или смесь веществ, количество и/или концентрация которых: - превышают нормативы, установленные для химических и иных веществ, а также для микроорганизмов; - оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Токсичность - свойство химических соединений оказывать вредное или летальное дей-ствие на организмы. Токсичность химических соединений обусловлена взаимодействием организма, токсического вещества и окружающей внешней среды. Тяжесть воздействия загрязняющих веществ определяют три фактора: Первый - их химическая природа, то есть насколько они активны и вредны для опреде-ленного вида растений и животных. Второй - концентрация, то есть содержание на единицу объема воздуха, воды или поч-вы. Третий фактор - устойчивость, то есть продолжительность существования в воздухе, воде и почве. Токсичность газообразных веществ характеризуется не дозой, выраженной в единицах массы или объема, а концентрацией. Важнейшим параметром токсичности газообразных веществ является ПДК (предельно допустимая концентрация). Под ПДК понимают наименьшую концентрацию химических соединений, которая при ежедневном воздействии на организм человека в течение длительного времени не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний, обнаруживаемых современными методами исследования. 3.9 связь между структурой веществ и его особенностями как поллютанта Для анализа связи между структурой веществ и их биологической активностью (quantitative structure-activity relationships, QSAR) используется более 40 различных физических и химических характеристик веществ. В самом кратком виде отметим некоторые особенности связей между структурой веществ и их биологической активностью. Во-первых, немалую роль имеет гидрофобность (липофильность) вещества, определяемая соотношением в структуре молекулы гидрофобных и гидрофильных групп. Экотоксикологическое значенние гидрофобности было показано, в частности, в работах по изучению ПАВ с различной длиной углеводородной цепи в гидрофобной части молекулы. В случае водных экосистем существенное значение имеет не столько сама гидрофобность, сколько сочетание двух свойств: гидрофобности и стабильности молекул в воде. Именно сочетание последних двух качеств приводит к высокой биоаккумуляции веществ в рыбах. В случае наземных позвоночных организмов также есть указания на корреляцию между гидрофобиостыо вещества (которую определяют по коэффициенту распределения в системе октанол- вода) и способностью к биоаккумуляции в жировой ткани, хотя некоторые исследования указывают на отсутствие простой и общей Для всех ксенобиотиков закономерности [Garten, Trabalka, 1983]. Во-вторых, существенное значение имеет содержание галогенов в молекуле загрязняющего вещества. Замена атомов водорода в молекуле вещества на атомы галогенов увеличивает химическую устойчивость данного соединения в биосфере. При увеличении числа атомов галогенов в молекуле ее персистентность (устойчивость) растет. В-третьих, немаловажна роль эпоксигрупп. Показано, что у ряда инсектицидов замена двойной связи в молекуле на эпоксигруппу приводит к увеличению биологической активности вещества. Появление эпоксигруппы в молекуле вещества может увеличивать его персистентность. В-четвертых, немаловажную роль может иметь конформация молекул. Так, двумя пестицидами, отличающимися друг от друга только конформацией, являются альдрин и изодрин. При их эпоксидации образуются продукты окисления, содержащие эпоксигруппу и также отличающиеся друг от друга только конформацией. Эти продукты окисления носят следующие названия: производное изодрииа, содержащее эпоксигруппу, называется эндрином; аналогичное производное альдрина называется дильдрином. Доступность молекул для атаки ферментами, а следовательно, и биодеграда-бельность этих молекул зависит от конформации данных молекул. 3.10 ограниченность природной способности экосистем Материал о разнообразных ферментах и реакциях, участвующих в детоксикации, изложенной выше, не должен порождать иллюзию того, что способности организмов и экосистем обезвреживать поллютанты очень высоки. Так, к экосистемам, наиболее активно разрушающим поллютанты, относятся экосистемы очистных сооружений. Однако при их работе накапливается биомасса тех организмов, которые входят в состав этих экосистем. Эта биомасса - основной компонент осадка, образующегося на очистных сооружениях (sewage sludge). Осадок содержит на 1 кг сухой массы: 0,008-16 мг полициклических ароматических углеводородов (ПАУ); 0,004-760 мг ПХБ; около 300-400 мг РБ (в Австрии до 10 060 мг); около 400-940 мг Сг (в Великобритании до 14 000 мг, в Австрии до 24 380 мг) [Rehm, Reed, 1986]. В осадке обнаружены и другие металлы, нит- розамины, остатки хлорорганических соединений и ПАВ. Проблема ликвидации этого осадка до сих пор не решена. Использование пасти накапливаемого осадка для удобрения пашни влечет опасность загрязнения земель. В связи с ограниченностью возможностей биодеградации ксенобиотиков в биогеоценозах необходимо рассмотреть следующие вопросы: 1) существование крайне персистентных (устойчивых) или вообще не разлагающихся в окружающей среде поллютантов; 2) высокую экологическую опасность даже в принципе биодеградабельных загрязняющих веществ, которая связана с нарушением нормального функционирования экосистем, кумуляцией некоторых поллютантов в организме, опасностью воздействия сублетальных их концентраций.

3.11 Устойчивые и неразлагающиеся поллютанты В связи с неспособностью экосистем к полной биодеградации ксенобиотиков создается экологическая опасность, обусловленная наличием в биосфере как устойчивых или вообще не разлагающихся в окружающей среде ксенобиотиков, так и подвергающихся биодеградации. В этой связи возникает несколько возможных ситуаций: -нарушение функционирования экосистем, обусловленное наличием устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксенобиотиков. -нарушение нормального функционирования экосистем. Причины такого нарушения: природа превращений и аккумуляции ксенобиотиков; опасностью воздействия больших доз; воздействием малых концентраций. Способность ксенобиотиков распространяться в окружающей среде создает проблемы, связанные с длительностью их сохранения в природных условиях. Легко разрушаемые соединения большей частью не считаются потенциально опасными для окружающей среды. Конкретный ксенобиотик может легко разрушаться в одной среде, но может быть устойчивым в других условиях. 3.12. Экологическая опасность биоразрушаемых поллютантов и остатков неразложившихся поллютантов Экологическая опасность больших доз биоразрушаемых ксенобиотиков и остатков неразложившихся ксенобиотиков связана с возможностью нарушения практически всех элементов структуры и функционирования экосистем, включая видовое богатство и разнообразие видов, структуру популяций, стабильность и продуктивность экосистем. Большие дозы ксенобиотиков могут нести огромную экологическую опасность, во-первых, поскольку они отравляют организмы раньше, чем те успевают их метаболизировать, и, во-вторых, в связи с накоплением этих веществ организмами. В результате биоконцентрации может усиливаться токсическое воздействие ксенобиотиков и ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней. Опасность сублеталъных концентраций обусловлена следующими факторами: -может происходить хроническое отравление организмов, ведущее к падению репродуктивной способности. -может нарушаться тонкая регуляция межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различными хемомедиаторами и хеморегуляторами; -сублетальные концентрации, оказывая неодинаковое влияние на конкурентные виды одного трофического уровня, могут нарушать естественный экологический баланс в экосистемах; -малые дозы ряда пестицидов могут даже стимулировать воспроизводство популяций некоторых крайне нежелательных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах. 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. 4. Аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод Биохимический способ очистки основан на использовании специальных бактерий, которые в ходе своей жизнедеятельности расщепляют сложные органические соединения на более простые элементы – воду, углекислый газ и минеральный осадок. Эти бактерии постоянно присутствуют в почве и воде, где они способствуют естественному очищению почвы и воды. Но поскольку их концентрация невысока, процессы естественного очищения протекают довольно медленно. В очистных сооружениях, где применяется способ биохимической очистки, присутствуют огромные колонии бактерий, участвующие в переработке стоков. При этом в этих сооружениях создаются благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, что позволяет значительно ускорить процессы очищения воды в сооружении в сравнении с естественным очищением в природе. Как правило, при биохимической очистке используется один из двух видов бактерий либо их комбинация: -Аэробные микроорганизмы перерабатывают сложные органические соединения. В результате окисления они расщепляются на воду, минеральный осадок и углекислый газ. Главная особенность этих бактерий в том, что они нуждаются в кислороде, поэтому конструкции с их использованием оборудуются аэраторами и компрессорами. (используют биофильтр- заполнена крупнозернистым материалом; аэротенк-очистные сооружения) -Анаэробные микроорганизмы в небольшом количестве всегда присутствуют в стоках. Эти бактерии не нуждаются в кислороде. Однако им нужен углекислый газ и нитраты, чтобы вести свою жизнедеятельность. Эти организмы в процессе жизни выделяют метан, поэтому в сооружении необходимо использовать систему вентиляции.( септики-сооружения, в которых процессы сбраживания и образования осадка; метантенки-искуственный подогрев; двухъярусные отстойники) 4.1. Общие показатели сточных вод При определении содержания органических веществ широко используются два способа: химическое потребление кислорода и биохимическое потребление кислорода. В первом случае методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25% раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 часов в 50% (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ используется катализатор - сульфат серебра. Дихроматный способ достаточно прост и легко автоматизируется, что обуславливает его широкое распространение. Биохимическое потребление кислорода измеряется количеством кислорода, расходуемым микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение БПК требует специальной аппаратуры. В герметичный ферментер помещается определенное количество исследуемой сточной воды, которую засевают микроорганизмами. В процессе культивирования регистрируется изменение количества кислорода, пошедшего на окисление соединения, присутствующего в сточных водах. Лучше всего культивировать микроорганизмы из уже работающих биологических систем, адаптированных к данному спектру загрязнений. В зависимости от временеи затрач на культивирование разл БПК5, БПК20 и БПКп (за 5, 20 суток, до полного окисления). Измерение БПК5 проводят для стоков, легко усваиваемые соединения (углеводы, низшие спирты). Для стоков, содерж большой спектр орг соед, опред БПКп. Стоки кислой и щелочной среды перед БПК нейтрализуют. Бихроматное потребление кислорода (ХПК). Методика потребления ХПК основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25%-м раствором бихромата калия (K₂Cr₂O₇) при кипячении в течение 2 часов в 50%-м растворе (по объему) H₂SO₄ (мг/л). Биохимическое потребление кислорода (БПК) - количество кислорода, израсходованное за определенный промежуток времени на аэробное разложение органических веществ. При определении БПК методом разбавления и продолжительностью инкубации 5 суток при температуре 20 С⁰ в отсутствии света. Кроме БПК₅ , можно определить БПК при продолжительности инкубации 20 суток - БПК₂₀ или независимо от времени - БПК_полн. 4.2. Анаэробное сбраживание 4.3. Гние́ние (аммонификация) — процесс разложения азотсодержащих органических соединений (белков, аминокислот), в результате их ферментативного гидролиза под действием аммонифицирующих микроорганизмов с образованием токсичных для человека конечных продуктов — аммиака, сероводорода, а также первичных и вторичных аминов при неполной минерализации продуктов разложения: Трупных ядов (например путресцин и кадаверин) Ароматические соединения (например скатол, индол- образуются в результате дезаминирования и декарбоксилирования аминокислоты триптофана) Гниение серосодержащих аминокислот (цистеина, цистина и метионина) приводит к выделению сероводорода, тиолов, диметилсульфоксида Нитрификация — микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой кислоты или её самой далее до азотной кислоты, что связано либо с получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация), либо с защитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении пероксида водорода (гетеротрофная нитрификация). Протекает в аэробных условиях в почве, а также природных водах. Часто может вызывать появление в них нитратов в токсичном количестве, а поскольку нитраты — наиболее активно мигрирующее в растворе соединение азота — происходит их вынос из почвы в расположенные ниже по склону водоемы, что влечет за собой уменьшение коэффициента использования азотных удобрений и эвтрофикацию данных водоемов. Денитрификация (восстановление нитрата) — сумма микробиологических процессов восстановления нитратов до нитритов и далее до газообразных оксидов и молекулярного азота. В результате их азот возвращается в атмосферу и становится недоступным большинству организмов. Осуществляется только прокариотами (причём как бактериям, так и археями) в анаэробных условиях и связана с получением ими энергии. Особо выделяют ассимиляционное восстановление нитрата, приводящее к синтезу азотсодержащих клеточных компонентов и свойственную всем растениям, многим грибам и прокариотам, способным расти на средах с нитратами, однако не сопровождающуюся получением энергии этими организмами. Аммонийный и нитратный азот, поглощенный микробными клетками, включается в органические азотсодержащие полимеры клеточных компонентов и временно выводятся из круговорота азота, то есть происходит их иммобилизация.