Ксенобиология

Введение

1. Краткая эколого-токсикологическая характеристика одного из типов глобального загрязнения: поверхностно-активные вещества

2. Трансформация ксенобиотиков. Биотическая и абиотическая трансформация. Различия между био– и абиотической трансформацией. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков

Заключение

Список использованных источников

Актуальность обусловлена тем, что результатом роста промышленности во всех развитых странах мира является постоянное увеличение частоты контактов человека с химическими соединениями, которые в результате поступают в живой организм в силу различных причин. Многие из этих веществ, которые ранее в организме не встречались, называют ксенобиотиками, т.е. чужеродными [1].

Острота сложившейся ситуации отражается в повышенном внимании общественности к проблемам охраны природы, которые чаще всего воспринимаются как экологические проблемы. Мы часто слышим о «плохой экологии» в каком-то районе страны или города. В последние десятилетия проблема химического загрязнения природной среды вышла за рамки простого прямого воздействия на здоровье человека. Деградация природной среды, вызванная загрязнением, требует разработки новых подходов к обеспечению безопасности существования человека и природы. Речь идет не просто об изменении масштаба воздействия на природную среду; необходимы принципиально новые подходы к проблеме ограничения токсического воздействия на него [2].

Решение проблем загрязнения, мониторинг ксенобиотиков в биосфере должны основываться не только на знании метаболизма загрязняющих веществ при их биодеградации. Необходимо представлять, из каких основных этапов может складываться судьба ксенобиотиков в биогеоценозах как биокосных объектах.

Цель и задачи:

1) Рассмотреть краткую эколого-токсикологическую характеристику одного из типов глобального загрязнения: поверхностно-активные вещества.

2) Охарактеризовать трансформацию ксенобиотиков, биотическую и абиотическую трансформацию, различия между био– и абиотической трансформацией и реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков.

 

Одним из крупнотоннажных направлений нефтехимической промышленности является производство поверхностно-активных веществ (ПАВ) [3]. 

Поверхностно-активными веществами (ПАВ) или детергентами (тензидами) называют органические соединения (кислоты, спирты, простые и сложные эфиры, амины и др.), эффективно понижающие поверхностное натяжение воды [4]. 

В последние годы общемировое производство ПАВ сильно возросло и составляет, по оценкам специалистов, около десятка миллионов тонн в год [5, 6].

Как указано Л.М. Мансураевой и др. [3], мировое производство ПАВ составляет 2-3 кг на душу населения в год. Примерно 37% производимых ПАВ используется для бытовой химии, остальное в промышленности и сельском хозяйстве. Одновременно с ежегодным ростом производства ПАВ соотношение между их применением в быту и промышленности изменяется в пользу промышленности.

ПАВ находят применение более чем в 100 отраслях народного хозяйства. Большая часть производимых ПАВ используется в составе моющих средств, в производстве тканей и изделий на основе синтетических и природных волокон. К крупным потребителям ПАВ относятся нефтяная, химическая промышленность, промышленность строительных материалов и ряд других» [3].

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – химические соединения, которые при концентрировании (адсорбции) на границе раздела вызывают уменьшение ее свободной поверхностной энергии GS и, соответственно, поверхностного натяжения. Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность – способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз1,2 [3].

Эти соединения находятся в составе шампуней, пен, стиральных порошков, чистящих средств, в том числе отбеливателей, эмульсий и пр. [7]

Согласно Ж.А. Сапроновой [8], «было установлено, что процесс биоразложения ПАВ полностью зависит от видового и количественного состава микроорганизмов (Parvibaculum lavamentivorans TDS-1, Comamonas, Testosterone SPB2, Acinetobacter baumanni, Arthrobacter nicotianae, Bacillus cereus, Bacillusthuringiensis, Bacillus horikoshii, Bacillus sphaericus, Cory nebacterium sp., Pseudomonas sp., штамм JC1, микромицеты родов зигомицет Cunninghamella и Mucor, штамм водных гипоми-цет Clavariopsis aquatic, базидомицеты Bjerkandera sp., Phanerochaete chrysosporium, Pleurotus ostreatus, Trametes versicolor и т.д.), от их способности превращать широкий ряд структур, а именно: алифактическую цепочку с различным числом атомов углерода, ароматическое кольцо, расщеплять связь углерод-сера и т.д.; от наличия в микроорганизмах энзимного потенциала» [8].

Вопрос трансформации ксенобиотиков рассмтаривается многими авторами: Е.О. Реховской [9], М.Д. Харламовой [10], Т.В. Жуйковой [2] и Н.В. Иваненко [11].

Попадая в окружающую среду, загрязняющие вещества начинают меняться. Скорость и характер происходящих превращений отвечают за стабильность вещества. В окружающей среде возможны следующие виды трансформации:

Абиотическая трансформация, при которой самые разнообразные процессы влияют на стабильность загрязнителя в окружающей среде [9]. Абиотические механизмы трансформации тяжелых металлов в окружающей среде представляют собой преимущественно окислительно-восстановительные реакции с изменением валентности и степени растворимости. При атмосферном переносе происходит постепенное вымывание из аэрозольных частиц, преимущественно оксидов, и переход в ионную, т. е. водорастворимую форму. Это связано с наличием в атмосфере серной и азотной кислот [10]. Основными из них являются процессы фотолиза, окисления и гидролиза.

1) Фотолиз. Свет, особенно ультрафиолетовые лучи, может разрушать химические связи и вызывать деградацию химических веществ. Фотолиз происходит преимущественно в атмосфере, на поверхности почвы и воды. Скорость фотолиза зависит от интенсивности света и способности вещества его поглощать. Ненасыщенные ароматические соединения, такие как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее чувствительны к фотолизу, поскольку активно поглощают энергию света. Свет ускоряет другие процессы распада веществ: гидролиз и окисление. В свою очередь, наличие в средах фотоокислителей, к которым относятся озон, оксиды азота, формальдегид, акролеин, органические пероксиды, существенно ускоряет процесс фотолиза других загрязнителей (показано для ПАУ) [2].

2) Окисление загрязняющих веществ также происходит и ускоряется под воздействием света, например, из 4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты (гербицид) в окружающей среде образуется 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин (экозагрязнитель) [9].

3) Гидролиз отвечает за разрушение многих веществ в воде, особенно при повышении температуры. Молекулы фосфорорганических соединений обладают умеренной устойчивостью в природной среде, поскольку их эфирные связи весьма чувствительны к действию воды [9]. Гидролиз включает гидратацию сложных эфиров, замену гидроксильных групп атомами галогенов. Скорость гидролиза сильно зависит от pH почвы и температуры, например, в кислых почвах и при низких температурах хлорорганические пестициды не распадаются в несколько раз [10]. 

В результате трансформации химических веществ в окружающей среде образуются новые вещества. При этом их токсичность иногда может быть выше, чем у исходного средства. Например, в результате фотоокисления паратиона в среде может образоваться параоксон. Токсичность последнего для млекопитающих в несколько десятков раз выше, чем исходного вещества [11]. 

Н.В. Иваненко [11] приведены примеры абиотической трансформации. Так, «фотохимические превращения в окружающей среде 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты, известного гербицида, могут привести к образованию опасного экополлютанта 2,3,7,8-тетрахлордибензор-диоксина. 

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – химические соединения, которые при концентрировании (адсорбции) на границе раздела вызывают уменьшение ее свободной поверхностной энергии GS и, соответственно, поверхностного натяжения. Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность – способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз 1,2.

Эти соединения находятся в составе шампуней, пен, стиральных порошков, чистящих средств, в том числе отбеливателей, эмульсий и пр. Поверхностно активные вещества способны уменьшить проницаемость биологических мембран эритроцитов, миэлиновых оболочек нервов и эпителия кишечника; вызывают нарушения в центральной нервной, сердечно-сосудистой, пищеварительной системах, вредят органам выделительной системы (печени и почкам). Следует отметить, что при попадании ПАВ в водную среду другие загрязняющие вещества перераспределяются и трансформируются под воздействием ПАВ. Вещества, претерпевающие трансформацию и перераспределение под действием ПАВ.

Попадая в окружающую среду, загрязняющие вещества начинают меняться. Скорость и характер происходящих превращений отвечают за стабильность вещества. В окружающей среде возможны следующие виды трансформации: абиотическая и биотическая. Абиотические механизмы трансформации тяжелых металлов в окружающей среде представляют собой преимущественно окислительно-восстановительные реакции с изменением валентности и степени растворимости. Основными виды абиотической трансформации представлены процессами фотолиза, окисления и гидролиза. Абиотическое разрушение химических веществ обычно происходит с низкой скоростью. Ксенобиотики значительно быстрее разлагаются при участии биоты, особенно микроорганизмов (главным образом бактерий и грибов), использующих их в качестве питательных веществ. Процесс биотического разрушения осуществляется при участии ферментов. Биологические превращения веществ основаны на процессах окисления, гидролиза, дегалогенирования, расщепления циклических структур молекулы, расщепления алкильных радикалов (деалкилирования) и т. д. Деградация соединения может привести к его полному разрушению, т.е. минерализации (образованию), воды, углекислого газа и других простых соединений). 

Таким образом, чужеродные химические вещества (ксенобиотики) могут активно вмешиваться в течение нормальных процессов организма, извращать их и индуцировать развитие патологических процессов, протекающих по различным механизмам, обусловленным структурой и концентрацией того или иного токсиканта. Попав в организм, ксенобиотики взаимодействуют с ферментными системами дезинтоксикации и подвергаются тем или иным метаболическим превращениям, или биотрансформации.

1. Ксенобиотики. Основные закономерности взаимодействия с ион-транспортными системами плазматической мембраны растительной клетки. Оценка их биобезопасности / В.М. Юрин [и др.] // Труды Белорусского государственного университета. Серия: Физиологические, биохимические и молекулярные основы функционирования биосистем. – 2007. – Т. 2, № 1. – С. 5-16.

2. Жуйкова, Т.В. Экологическая токсикология / Т.В. Жуйкова, В.С. Безель. – М.: Юрайт, 2021. – 362 с.

3. Мансураева, Л.М. Поверхностно-активные вещества: свойства и применение / Л.М. Мансураева, И.И. Юсупова, С.А. Булаев // Вестник магистратуры. – 2022. – № 2-1(125). – C. 30-35.

4. Соколова, С.А. Экологическая химия / С.А. Соколова. – Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2008. – 167 c.

5. Юрин, В.М. Ксенобиология: учебник / В.М. Юрин. Минск: БГУ, 2015. – 276 с.

6. Юрин, В.М. Основы ксенобиологии: учебное пособие / В.М. Юрин. – Мн.: БГУ, 2001. – 234 с.

7. Егоров, В.В. Экологическая химия / В.В. Егоров. – СПб.: Лань, 2009. – 192 с.

8. Сорбционная очистка сточных вод от СПАВ отходом производства сахарной промышленности сатурационным осадком: монография / Ж.А. Сапронова [и др.]. – Белгород: Белгородский гос. технологический ун-т, 2015. – 112 с.

9. Реховская, Е.О. Экологическая токсикология / Е.О. Реховская. – Омск: ОмГТУ, 2017. – 117 с.

10. Харламова, М.Д. Твердые отходы: технологии утилизации, методы контроля, мониторинг / М.Д. Харламова, А.И. Курбатова; под ред. М.Д. Харламовой. – М.: Юрайт, 2015. – 231 с.

11. Иваненко, Н.В. Экологическая токсикология / Н.В. Иваненко. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2006. – 108 с.