Процессы комплексообразования  в механизме токсического действия загрязняющих веществ техногенного происхождения (08.12.2008)

Автор: Саратовских Елена Анатольевна

зенкор > лонтрел > кузагард > раундап > сетоксидим > базагран > тачигарен > тилт;

CuL2 > CoL2 >NiL2 > L ?FeL2 ?ZnL2 ?MoL2 >> MgL2 ?MnL2

Схема 4. Разветвление направлений действия техногенных токсикантов внутри клетки.

Причиной изменений, проявляемых растениями (гербицидный эффект, в отношении прорастания семян и вегетирующих растений, уровень хлорофилла), насекомыми; водными (ингибирование люциферазы, снижение прироста клеток), поч-вообитающими (изменение жизненных циклов, снижение репродуктивных функций) организмами, является подавление энергетического метаболизма и возникновение энергодефицита клетки, вследствие взаимодействия техногенного токсиканта с АТФ. Происходит нуклеотидное «разветвление» направлений действия ЗВ: образуются комплексы с а) мононуклеотидом - (АТФ); б) динуклеотидом - (НАДН); в) полинуклеотидами - (ДНК, РНК).

Прерывание энергетических процессов и цепей транспорта электронов, блокирование функционирования цикла трикарбоновых кислот и фотосинтетических процессов – всё это результат энергодефицита, возникающего из-за образования комплексных соединений ЗВ с нуклеотидами.

Техногенные токсиканты ингибируют систему функционирования окислительно-восстановительных ферментов. В этом ключевом «узле» жизнедеятельности любого организма токсическое действие ЗВ претерпевает второе - «ферментативное разветвление» (Схема 4): а) связывание ЗВ с металлами, составляющими сво-бодный пул внутри клетки и необходимыми для синтеза металл-содержащих ферментов; б) комплексообразование ЗВ с динуклеотидом НАДН, являющимся коферментом многих ферментов; в) собственно ингибирование активности фермента (ов), взаимодействие возможно как в активном центре, так и вне его. В результате, в организме блокируются процессы жизнедеятельности, осуществляемые этими ферментами. С другой стороны, организм не может окислить и «вывести» токсины. Таким образом, вторым механизмом формирования токсичности техногенных ЗВ является ингибирование окислительно-восстановительных процессов – блокирование цепи переноса электрона в организмах разных трофических уровней.

Химические ЗВ связываются в комплексные соединения с ДНК и РНК, происходит третье - «генетическое разветвление» (Схема 4) токсического действия: а) соединения с высокими Кк/обр встраиваются между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, нарушают нативность двойной спирали ДНК и (или) РНК, гидролизуют фосфодиэфирные связи. В результате происходит образование полиплоидных сорняков у растений. Рост численности микроартропод отстаёт от контроля: (задерживается появление кладок; снижается количество яиц в кладках; возрастает продолжительность эмбрионального периода, падает кратность увеличения численности популяции). У гидробионтов происходит снижение репродуктивной способности; б) ЗВ проявляют прямой мутагенный эффект - все пестициды на штамме ТА98 Salmonella typhimurium вызывают мутации типа сдвига рамки считывания. Мутагенная активность изученных ЗВ коррелируют с величинами их Кк/обр с ДНК и РНК; в) все ЗВ, обладающие комплексообразующими свойствами, являются промутагенами - проявляют генотоксичность после метаболической активации.

Глава 8. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

БЕЗОПАСНОСТИ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

Высокая степень загрязнения окружающей природы (Глава 1) настоятельно требует использования достижений современной науки и техники для контроля состояния объектов окружающей среды и очистки сбрасываемых стоков и газовых выбросов промышленных производств. Поэтому значительная часть нашей работы была посвящена нами изучению возможности практического использования способности токсикантов к комплексообразованию.

§1. Использование комплексообразования для извлечения

хлорсодержащих ароматических соединений из водных объектов

ХОС и пестициды, в частности, как показано в Главах 3 – 4, образуют комплексные соединения. Кроме того, в Главе 1 указывалось, что для очистки стоков или водных объектов окружающей среды, необходимо извлекать из них ЗВ и повторно использовать в производственных целях, либо утилизировать. Нами была изучена возможность, используя способность ЗВ к комплексообразованию, извлечь пестицид (2,4-Д = 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота), краситель (исследовалось 14 красителей), ХОС: хлорбензол (I); 2-хлор-4-нитрофенол (II), из водных растворов, технических стоков, смесей органических соединений с помощью фторсодержащих растворителей (перфтордекалина и перфторксилола). Методом электронной спектроскопии было показано, что соединения I и II образуют химические связи с молекулами перфтордекалина, в результате чего могут быть извлечены из раствора в воде или ацетонитриле. Таким образом, перфтордекалин может быть использован для извлечения ХОС из воды. Извлечь с помощью перфтордекалина пестицид 2,4-Д или какой-либо краситель нам не удалось.

§2. Разработка метода экспресс определения общей токсичности воды

Проведённые нами исследования показали, что токсиканты-загрязнители окружающей среды: пестициды и металлы, ХОС, фенолы образуют с нуклеотидами комплексные соединения. Константы комплексообразования с АТФ коррелируют с токсичностью ЗВ, проявляемой в отношении многоклеточных живых организмов. Полученные корреляции можно использовать для определения токсичности растворов, содержащих смеси неизвестных веществ. В этом случае, следует говорить об обобщённой концентрации и, обобщённой константе связывания (К?).

Измерение выполняется быстро, метод пригоден для определения общей токсичности воды (питьевой, сточной, объектов окружающей среды, водных вытяжек из твёрдых отходов и т.д.). Обладает высокой информативностью. Возможно проведение анализов в промышленных и полевых условиях. Может быть востребован: промышленными предприятиями, экологическими службами, СЭС, водозаборами, лабораториями МЧС, частными лицами. Используются доступные и дешёвые реагенты. Рассчёт экономической эффективности, выполненный на основании документа «Прейскурант. Тарифы на услуги, оказываемые Федеральным государственным учреждением «Специализированная инспекция аналитического контроля по Центральному региону»», показывает, что использование предлагаемого метода позволяет снизить затраты на проведение одного определения ~ на 90%.

Уникальность предлагаемой разработки состоит в получении количественной информации о суммарной токсичности проб, аналогичной отклику живых организмов (инфузорий, дафний, светящихся бактерий, микроартропод), но без трудностей, связанных с использованием живых тест-систем. Возможность применения данного вида корреляций в качестве экспресс-метода определения токсичности водных объектов окружающей среды, проверялась нами в процессе мониторинга среднего течения реки Волги (Глава 8 §5). Величины К?, как правило, соответствовали токсичности, определяемой на светящихся бактериях или инфузориях.

§3. Биоразложение экотоксикантов в природной среде

В Главе 5 нами показано, что техногенные токсиканты, характеризующиеся способностью к комплексообразованию, ингибируют окисляющие ферменты. Кроме того, (Глава 7 §3 и 4) ингибирование активности ферментных систем, в частности люциферазы, приводит к токсичности в отношении одно- и многоклеточных живых организмов. Поэтому мы рассмотрели возможность разложения ЗВ в многокомпонентной экологической системе.

Исследовалось поведение ЗВ под действием комплекса живых организмов активного ила (АИ) и солнечного света, т.е. в условиях, моделирующих природные водоёмы. Испытывали гербицид лонтрел (образцы 1-3), его медный комплекс (4), сточные воды полупромышленного производства лонтрела (5). Токсикологическую оценку проб проводили методом биотестирования на культурах Tetrahymena pyri-

formis и Benekea harvey.

Присутствие лонтрела, его медного комплекса или промышленного стока (1-5) в исследуемых концентрациях оказывает острое и хроническое действие на культуру инфузорий. Токсичность образца 1 сохранялась высокой ((80 %) в течение 2 месяцев наблюдения (рис. 21). До начала эксперимента в контрольном образце АИ идентифицированы 9 видов простейших организмов: представители водорослей, амёб, прикреплённых инфузорий, флагеллаты. После введения загрязнителя происходило уменьшение числа регистрируемых видов до 7 (табл. 9, столбец 1).

Обработка мутагеном (НММ) – N-нит-розо-N-метилмочевиной приводила к каче-

Рис. 21. Динамика изменения токсичности образцов АИ, содержащих лонтрел (1, 2, 3), CuL2 (4), пробу промышленного стока (5): Обработка АИ НММ: 1. – нет; 2. – 6 часов;

3. – 18 часов. Лонтрел = 1,22(10–3 М; пром. сток=1(10-3 М; CuL2=0,4(10-3М

Стрелки - повторная обработка.

ственному изменению состава АИ и увеличению регистрируемого видового разнообразия: биоценоз представлен 2 типами низших растений (бактерии, водоросли) и 5 классами беспозвоночных (реснитчатые, саркодовые, жгутиконосцы, нематоды, коловратки). В образце, обработанном мутагеном в течение 18 ч, увеличивалось регистрируемое число видов в биоценозе АИ по сравнению с образцом, подвергнутым 6-часовой обработке (20 и 15 видов, соответственно): заметно увеличивалась численность коловраток, идентифицировались серобактерии, раковинные амёбы. Данное сообщество успешнее сопротивлялось антропогенной нагрузке: токсичность образца, обработанного 18 ч, понижалась по сравнению с 6-часовой обработкой. При больших временах экспозиции (60-70 суток) наблюдалось снижение видового разнообразия. Через 18 мес. доминирующей остаётся одна линия зелёных одноклеточных водорослей - Euglena viridis, как наиболее устойчивый вид.

АИ во всех аэротенках, кроме контрольного, был подвергнут обработке мутагеном с целью получения активации инцистированных живых организмов.

При 6-часовой обработке НММ (образец 2) токсичность оставалась высокой ((90 %) в течение 36 суток, затем резко падала, и к 56 суткам образец был практически нетоксичен. После 18-ти часовой обработки (образец 3) токсичность сразу падала до 50 %, затем монотонно снижалась, и к 60 дню наблюдения образец становился нетоксичным. Уменьшение токсичности после 18-ти часовой обработки по сравнению с 6-часовой инкубацией с НММ может объясняться изменением количественного соотношения видового состава АИ в результате мутагенного воздействия. Под действием мутагена происходит инцестирование большого количества находящихся в спящем состоянии микроорганизмов. Таким образом, мутагенная обработка АИ является весьма перспективным способом обработки АИ для улучшения видового разнообразия, и повышения окислительных свойств, в частности в отношении трудно разлагаемых пестицидов. Такая обработка должна приводить, в конечном итоге, к улучшению экологического состояния водных объектов.

В течение 0-20 суток во всех образцах, как контрольном, так и подвергнутых мутагенной обработке (6 и 18 часов экспозиции), концентрация лонтрела и СuL2 не изменяется (рис. 22). После 18-20 суток концентрация лонтрела в образцах 1-3 на-

Таблица 9. Гидробиологический состав активного ила

Организм б/обр. НММ НММ, 6 ч НММ 18 ч Повтор

НММ 6 ч Повтор

Рис. 22. Кинетические кривые био-разложения образцов:

1, 2, 3. – лонтрел; 4. - CuL2;

5 – пром. сток производства лонтрела. Обозначения и концентрации как рис. 21.

чинала снижаться. Уменьшение содержания токсиканта в образцах 2 и 3 (АИ с мутагеном) происходило быстрее, чем в контроле. Приблизительно через 40 суток от начала опыта вновь устанавливалось стационарное состояние.

Для дальнейшего усиления окислительных свойств АИ была предпринята повторная обработка мутагеном. Однако, это не привело к существенному дополнительному разложению изучаемых веществ. За 66 суток содержание лонтрела уменьшилось на 25% и на 20% в пробе, не обработанной НММ. За год пребывания загрязнителей в растворе АИ, подвергнутого мутагенной обработке, концентрация лонтрела уменьшилась всего на 45%. В контрольном образце АИ, не обработанном НММ, – на 30%. В образце 5, содержащем сток промышленного производства гербицида, концентрация токсических веществ уменьшилась за год всего на 7 %.

Рис. 22. Кинетические кривые био разложения образцов:

1, 2, 3. – лонтрел; 4. - CuL2;


загрузка...