Контрольная работа по "Экологии". 108

Содержание:

1. Понятие о ксенобиотиках  и пути их поступления в  организм.

Человеческий организм имеет сложные  системы обмена веществ и детоксикации опасных для него соединений. Эти системы прошли длительную эволюцию под воздействием природных токсических компонентов пищи, воды, воздуха и различных биологических ядов. В XX в. человеческий организм стал подвергаться воздействию разнообразных синтезированных, т.е. ранее не встречавшихся веществ. Поскольку эти вещества чужды организму, их стали называть «ксенобиотиками». Слово ксенобиотики происходит от греч. «xenos»– чужой, «bios»– жизнь, то есть это вещества, чуждые природной среде, окружающей живые организмы. Ксенобиотик - это чужеродное для организма или сообщества химическое соединение, которое может вызывать нарушение биохимических и физиологических процессов и структурных компонентов на молекулярно-генетическом, клеточном и организменном уровнях. Воздействие ксенобиотиков может привести к снижению жизнеспособности, плодовитости и вызвать гибель живых организмов, популяций или сообществ.

Основные пути поступления ксенобиотиков в организм человека – с пищей и водой через рот, с вдыхаемым воздухом через легкие и через кожу. Действие вредных веществ на организм человека бывает комплексным и комбинированным. Комплексным принято называть такое воздействие, когда ксенобиотики поступают в организм одновременно, но разными путями. Комбинированным называют такое воздействие, когда ксенобиотики  одновременно или последовательно поступают в организм одним и тем же путем (Рис.1).

Рис. 1. Пути поступления загрязнителей в организм человека.

Сегодня, в наш индустриальный век, ксенобиотики находятся везде. Их выбрасывают промышленные предприятия в воздух и в воду, сегодня без бытовой химии многим не представляется жизнь, строительные материалы также содержат ксенобиотики и часто являются их источником, даже одежда является источником ксенобиотиков, так как делается из синтетических материалов или содержит синтетические красители, также к их числу относятся боевые отравляющие вещества, пестициды, нитриты, нитраты, алкоголи, дубильные вещества, многие лекарственные препараты (Рис.2).

Рис.2. Основные источники комплексного и комбинированного воздействия ксенобиотиков на организм человека.

Ксенобиотики подразделяются на три  группы:

1)химические (элементы, вещества и  соединения);

2)физические (шум, вибрация, радиация, излучение и т.п.);

3)биологические (бактерии, вирусы, гельминты, простейшие и т.п.).

Большинство химических элементов  в строго определённых количествах  являются необходимыми для нормального  функционирования организма человека, но избыточное их поступление вызывает отравление.

Согласно решению объединенной комиссии Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (далее ФАО) и  Всемирной организации здравоохранения (далее ВОЗ) по Пищевому кодексу, в  число компонентов, содержание которых  контролируется при международной  торговле продуктами питания, включено восемь химических элементов: ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, медь, цинк, железо, стронций. Список этих элементов в настоящее время дополняется. В России медико-биологическими требованиями определены критерии безопасности для следующих химических элементов: ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, медь, цинк, железо, олово.

Свинец. Один из самых распространенных и опасных токсикантов. Основными мишенями при воздействии свинца являются кроветворная, нервная, пищеварительная системы и почки. Отмечено отрицательное влияние на половую функцию организма.

 В земной коре содержится  в незначительных количествах.  Вместе с тем только в атмосферу  поступает в переработанном и  мелкодисперсном состоянии 4,5·105 т свинца в год.

Среднее содержание свинца по отдельным  группам продуктов, мг/кг: фрукты – 0,1, овощи – 0, 19, крупы – 0,21, хлебобулочные  изделия – 0,16, мясо и рыба – 0,16, молоко – 0,027.

Предусматривается содержание свинца в водопроводной воде не выше 0,03 мг/кг. Следует отметить активное накопление свинца в растениях и мясе сельскохозяйственных животных вблизи промышленных центров, крупных автомагистралей. Взрослый человек получает ежедневно с  пищей 0,1-0,5 мг свинца, с водой –  около 0,02 мг. Общее его содержание в организме составляет 120 мг. Из крови свинец поступает в мягкие ткани и кости.90% поступившего свинца выводится из организма с фекалиями, остальное с мочой и другими  биологическими жидкостями. Биологический  период полувыведения свинца из мягких тканей и органов составляет около 20 дней, из костей – до 20 лет.

Мероприятия по профилактике загрязнения  свинцом пищевых продуктов должны включать государственный и ведомственный  контроль за промышленными выбросами свинца в атмосферу, водоемы, почву. Необходимо снизить или полностью исключить применение соединений свинца в бензине, стабилизаторах, изделиях из поливинилхлорида, красителях, упаковочных материалах. Немаловажное значение имеет гигиенический контроль за использованием луженой пищевой посуды, а также глазурованной керамической посуды, недоброкачественное изготовление которых ведет к загрязнению пищевых продуктов свинцом.

Кадмий. В природе в чистом виде не встречается. Земная кора содержит около 0,05 мг/кг кадмия, морская вода – 0,3 мкг/кг.

Кадмий широко применяется при  производстве пластмасс, полупроводников. В некоторых странах соли кадмия используются в ветеринарии. Фосфатные  удобрения и навоз также содержат кадмий. Все это определяет основные пути загрязнения окружающей среды, а, следовательно, продовольственного сырья и пищевых продуктов. Попадая  в организм в больших дозах, кадмий проявляет сильные токсические  свойства.

Главной мишенью биологического действия являются почки. Известна способность  кадмия в больших дозах нарушать обмен железа и кальция. Все это  приводит к возникновению широкого спектра заболеваний: гипертоническая  болезнь, анемия, снижение иммунитета и др. 

Важное значение в профилактике интоксикации кадмием имеет правильное питание: преобладание в рационе растительных белков, богатое содержание серосодержащих аминокислот, аскорбиновой кислоты, железа, цинка, меди, селена, кальция. Необходимо профилактическое УФ-облучение. Целесообразно исключить из рациона продукты, богатые кадмием. Белки молока способствуют накоплению кадмия в организме и проявлению его токсических свойств.

Мышьяк. Содержится во всех объектах биосферы: морской воде – около 5 мкг/кг, земной коре – 2 мг/кг, рыбах и ракообразных – в наибольших количествах.

Мышьяк, в зависимости от дозы, может  вызывать острое и хроническое отравление. Хроническая интоксикация возникает  при длительном употреблении питьевой воды с 0,3-2,2 мг мышьяка на 1 л воды. Разовая доза мышьяка в 30 мг смертельна для человека. Специфическими симптомами интоксикации считают утолщение  рогового слоя кожи ладоней и подошв. Неорганические соединения мышьяка  более токсичны, чем органические. После ртути мышьяк является вторым по токсичности элементом, содержащимся в пищевых продуктах. В организме  он накапливается в волосах, ногтях, коже. Необходимость мышьяка для  жизнедеятельности организма человека не доказана, за исключением его  стимулирующего действия на процесс  кроветворения.

Загрязнение продуктов питания  мышьяком обусловлено его использованием в сельском хозяйстве. Мышьяк находит  применение в производстве полупроводников, стекла, красителей. Бесконтрольное использование  мышьяка и его соединений приводит к его накоплению в продовольственном  сырье и пищевых продуктах, что  обусловливает риск возможных интоксикаций и определяет пути профилактики.

Ртуть является одним из самых опасных и высокотоксичных элементов, обладающим способностью накапливаться в организме растений, животных и человека. Загрязнение пищевых продуктов ртутью может происходить в результате: естественного процесса испарения из земной коры в количестве 25-125 тыс. т ежегодно; использования ртути в народном хозяйстве - производство хлора и щелочей, зеркал, электротехническая промышленность, медицина и стоматология, сельское хозяйство и ветеринария; образование некоторыми группами микроорганизмов метилртути, диметилртути, других высокотоксичных соединений, поступающих в пищевые цепи. Защитным эффектом при воздействии ртути на организм человека обладают цинк и особенно селен. Токсичность неорганических соединений ртути снижают аскорбиновая кислота и медь при их повышенном поступлении в организм, органических – протеины, цистин, токоферолы.

Медь, в отличие от ртути и мышьяка, принимает активное участие в процессах жизнедеятельности, входя в состав ряда ферментных систем. Суточная потребность – 4-5 мг. Дефицит меди приводит к анемии, недостаточности роста, ряду других заболеваний, в отдельных случаях – к смертельному исходу. Однако при длительном воздействии высоких доз меди наступает "поломка" механизмов адаптации, переходящая в интоксикацию и специфическое заболевание. В этой связи является актуальной проблема охраны окружающей среды и пищевой продукции от загрязнения медью и ее соединениями. Основная опасность исходит от промышленных выбросов, передозировки инсектицидами, другими токсичными солями меди, потребления напитков, пищевых продуктов, соприкасающихся в процессе производства с медными деталями оборудования или медной тарой.

Цинк входит в состав около 80 ферментов, участвуя тем самым в многочисленных реакциях обмена веществ. Типичными симптомами недостаточности цинка являются замедление роста у детей, половой инфантилизм у подростков, нарушение вкуса и обоняния и др.

Суточная потребность в цинке  взрослого человека составляет 15 мг. Цинк, содержащийся в растительных продуктах, менее доступен для организма. Цинк из продуктов животного происхождения усваивается на 40%. Содержание цинка в пищевых продуктах составляет, мг/кг: мясо – 20-40, рыбопродукты – 15-30, устрицы – 60-1000, яйца – 15-20, фрукты и овощи – 5, картофель, морковь – около 10, орехи, зерновые – 25-30, мука высшего сорта – 5-8; молоко – 2-6 мг/л. В суточном рационе взрослого человека содержание цинка составляет 13-25 мг. Цинк и его соединения малотоксичны. Содержание цинка в воде в концентрации 40 мг/л безвредно для человека.

Вместе с тем возможны случаи интоксикации при нарушении использования  пестицидов, небрежного терапевтического применения препаратов цинка. Признаками интоксикации являются тошнота, рвота, боль в животе, диарея. Отмечено, что  цинк в присутствии сопутствующих  мышьяка, кадмия, марганца, свинца в  воздухе на цинковых предприятиях вызывает у рабочих "металлургическую" лихорадку.

Известны случаи отравления пищей  или напитками, хранившимися в железной оцинкованной посуде. В этой связи  приготовление и хранение пищевых  продуктов в оцинкованной посуде запрещено.

Необходимость олова для организма человека не доказана. Вместе с тем в организме  взрослого человека около 17 мг олова, что указывает на возможность  его участия в обменных процессах. Основным источником загрязнения пищевых продуктов оловом являются консервные банки, фляги, железные и медные кухонные котлы, другая тара и оборудование, которые изготавливаются с применением лужения и гальванизации. Опасность отравления оловом увеличивается при постоянном присутствии его спутника - свинца. Не исключено взаимодействие олова с отдельными веществами пищи и образование более токсичных органических соединений. Отравление оловом может вызвать признаки острого гастрита (тошнота, рвота и др.), отрицательно влияет на активность пищеварительных ферментов.

Влияние радионуклидов на живой организм. Большие дозы радиации убивают клетку, останавливают ее деление, угнетают ряд биохимических процессов, лежащих  в основе жизнедеятельности, повреждают структуру ДНК и тем самым  нарушают генетический код и лишают клетку информации, лежащей в основе ее жизнедеятельности. Радиоактивные  элементы, попадающие в организм, вызывают возникновение свободных радикалов - частиц, обладающих высоким повреждающим действием на живую клетку. При  больших дозах происходят серьезнейшие повреждения тканей, а малые могут  вызвать рак и индуцировать генетические дефекты, которые, возможно, проявятся  у детей и внуков человека, подвергшегося  облучению, или у его более  отдаленных потомков. Это проявляется  как при наружном, так и при  внутреннем облучении, когда в организм попадают радионуклиды: стронций-90, рубидий-87, цезий-137 и другие. 

Пестициды - химические соединения, применяемые  для защиты культурных растений от вредных организмов. Пестициды различаются по объектам применения. Например: гербициды используются для борьбы с сорными растениями, зооциды - для борьбы с грызунами, инсектициды - для борьбы с вредными насекомыми. Больше всего пестицидов может содержаться в овощах, молочных продуктах, зерне и зернобобовых, меньше всего - в рыбе и растительных маслах. Острые отравления пестицидами встречаются довольно редко. Гораздо чаще наблюдаются хронические отравления пестицидами и их метаболитами. Пестициды обладают высокой токсичностью для  организма человека, опасны в связи  с возможностью мутагенного, тератогенного  и канцерогенного действия. Они могут  оказать токсическое действие на плод, не принося вреда организму  матери и, выделяясь с молоком, затем  отрицательно влиять на рост и развитие младенца.

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) образуются в процессе горения органических веществ (бензина, др. видов топлива, табака), в т. ч., при копчении, подгорании продуктов питания. Они содержатся в воздухе (пыль, дым), проникают в почву, воду, а оттуда - в растения и животных. ПАУ являются устойчивыми соединениями, поэтому обладают способностью накапливаться. В организм человека ПАУ попадают через  дыхательную, пищеварительную систему, через кожу. большому риску попадания в организм ПАУ подвергаются курильщики и пассивные курильщики.

Механизмы защиты  организмов от  ксенобиотиков

Все чужеродные соединения, попадая в  организм человека или животных, распределяются в различных тканях, накапливаются, подвергаются метаболизму и выводятся (Рис. 3).

Рис. 3. Превращения ксенобиотиков в организме человека (а) и пути их выведения (б).

Лекарства и токсичные соединения по-разному  распределяются среди этих составляющих. Одни остаются в крови, другие поступают  в межклетники или вовнутрь клеток. Следует учесть, что многие лекарства  и токсичные соединения являются слабыми кислотами или основаниями, что может сильно влиять на их распределение  среди клеточных мембран, они  не будут проникать сквозь мембраны.

Некоторые ксенобиотики в крови могут изолироваться  путем связывания с белками. Изоляция этих соединений при помощи белков крови может ограничить их действие на клетки.

Превращения ксенобиотиков в организме человека представляют собой механизм поддержания постоянства состава внутренней среды организма во время воздействия на него чужеродных соединений. Принято выделять две фазы метаболизма.

К первой фазе относятся реакции гидролиза, восстановления и окисления субстрата. Обычно они приводят к внедрению  или образованию функциональной группы типа - OH, -NH2, - SH, - COOH, что несколько  увеличивает гидрофильность исходного  соединения.

Эти реакции  происходят при активном участии  ферментов системы цитохрома, осуществляющих окислительный, восстановительный метаболизм стероидов, жирных кислот, ретиноидов, желчных кислот, биогенных аминов, лейкотриенов, а также экзогенных соединений, в том числе лекарств, загрязняющих агентов из окружающей среды, химических канцерогенов. Причём поступление чужеродного вещества в организм усиливает выделение им необходимых для метаболизма ферментов.

Ко второй фазе метаболизма ксенобиотиков относятся реакции глюкуронидации, сульфатирования, ацетилирования, метилирования, конъюгации с глютатионом, аминокислотами, такими как глицин, таурин, глутаминовая кислота. В основном реакции второй фазы приводят к значительному увеличению гидрофильности ксенобиотика, что способствует их выведению из организма. Реакции второй фазы обычно протекают намного быстрее, чем реакции первой фазы, поэтому скорость метаболизма ксенобиотика в большой степени зависит от скорости, с которой протекает реакция первой фазы.

Различные биохимические реакции метаболизма  ксенобиотиков осуществляются в печени, почках, лёгких, кишечнике, мочевом пузыре, др. органах, что зачастую приводит к заболеваниям этих органов: циррозу и раку печени, раку мочевого пузыря, проч. Для примера: в печени происходят многие ферментативные процессы расщепления ксенобиотиков, в почках – выведение низкомолекулярных продуктов метаболизма. Метаболизм этилового спирта вызывает цирроз печени, а ртуть, свинец, цинк, кадмий вызывают некроз почек.

Итак, из всего вышесказанного можно  сделать вывод о том, что изучение превращений ксенобиотиков путём детоксикации и деградации в живых организмах и во внешней среде важно для организации санитарно-гигиенических мероприятий по охране природы. Изучение влияния ксенобиотиков на иммунную систему дает возможность предупредить вредноносное действие этих веществ на организм или ликвидировать его последствия, вернув иммунитет человека в норму. Специальные исследования показали, что причиной уменьшения численности диких животных и рыб стало длительное воздействие загрязнителей, вызывающее репродуктивные эффекты, проявляющиеся снижением или прекращением воспроизводства. Наши пищевые цепи непосредственно связаны с животными и растениями, поэтому решение данной проблемы имеет огромное практическое значение.

2. Загрязнение воды при  использовании в промышленности  и сельском хозяйстве. 

Загрязнение поверхностных вод  началось в центральной России еще  в XVI в., когда начали удобрять поля навозом. С тех пор в центральных  районах страны основным загрязнителем  вод было сельское хозяйство. В северных районах большую роль играл сплав  леса, особенно молевой, при котором  бревна тонули и гнили в воде. С развитием промышленности и  ростом городов стала расти роль коммунальных и промышленных загрязнений.

Резкое  усиление загрязнений произошло  в ХХ веке. Особая опасность связана с совпадением периода роста сбросов загрязненных сточных вод и многовековой тенденции нарастания сухости климата, снижения водности водоемов. В этих условиях растут концентрации поллютантов в растворах и, следовательно, степень их вредного воздействия на природные системы и здоровье человека.

К началу 90-х гг. в России создалась довольно сложная ситуация. Качество вод большинства  поверхностных водоемов страны не отвечало установленным нормативам. Главными загрязняющими поверхностные воды веществами являются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества, соединения меди и цинка, аммонийный и нитратный азот.

Различают природное и антропогенное загрязнения. Природное (естественное) загрязнение - загрязнение среды, источником которого являются природные процессы и явления, напрямую не обусловленные деятельностью человека: извержения вулканов, пыльные бури, наводнения, стихийные пожары и т.п.

Антропогенное (искусственное) загрязнение - результат деятельности человека. В настоящее время общая мощность источников антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных.

Загрязнение воды - изменения химического и физического состояния или биологических характеристик воды, ограничивающие дальнейшее ее употребление.

При всех типах водопользования меняются либо физическое состояние (например, при нагревании), либо химический состав воды - при поступлении загрязняющих веществ, которые делятся на две  основные группы: со временем изменяющиеся в водной среде и остающиеся в  ней неизменными.

К первой группе относятся органические компоненты бытовых стоков и большая часть  промышленных, например отходы целлюлозно-бумажных предприятий. Вторую группу составляют многие неорганические соли, например сульфат натрия, который используется как краситель в текстильной  промышленности, и неактивные органические вещества типа пестицидов.

Загрязнение природных вод – это снижение их биосферных функций и экономического значения в результате поступления в них вредных веществ.

Загрязнение водоемов происходит как естественным, так и искусственным путем. Загрязнения  поступают с дождевыми водами, смываются с берегов, а также  образуются в процессе развития и  отмирания животных и растительных организмов, находящихся в водоеме.

Естественное загрязнение природных вод возникает в результате природных процессов, без какого либо участия или влияния человека.

Однако  гораздо больший урон гидросфере наносит антропогенное загрязнение  природных вод.

Искусственное (антропогенное) загрязнение  водоемов является, главным образом, результатом спуска в них сточных вод от промышленных предприятий и населенных пунктов. Поступающие в водоем загрязнения в зависимости от их объема и состава могут оказывать на него различное влияние:

1) изменяются  физические свойства воды (изменяется  прозрачность и окраска, появляются  запахи и привкусы);

2) появляются  плавающие вещества на поверхности  водоема и образуются отложения  (осадок на дне);

3) изменяется  химический состав воды (изменяется  реакция, содержание органических  и неорганических веществ, появляются  вредные вещества и т. п.);

4) уменьшается  в воде содержание растворенного  кислорода вследствие его потребления на окисление поступивших органических веществ;

5) изменяются  число и виды бактерий (появляются  болезнетворные), вносимых в водоем  вместе со сточными водами. Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого, а иногда и для технического водоснабжения; в них погибает рыба.

В первом десятилетии XXI века антропогенное  загрязнение природных вод стало  носить глобальный характер и существенно  сократило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на Земле.

Человечество  потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными  ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство. Наиболее водоемкие  отрасли промышленности — горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них  уходит до 70 % всей воды, затрачиваемой  в промышленности.

Одним из основных загрязнителей воды является нефть и нефтепродукты. Нефть  может попадать в воду в результате естественных ее выходов в районах  залегания. Но основные источники загрязнения  связаны с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья.

Среди продуктов  промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию  на водную среду и живые организмы  занимают токсичные синтетические  вещества. Они находят все более  широкое применение в промышленности, на транспорте, в коммунально-бытовом  хозяйстве. Эти вещества могут образовывать в водоёмах слой пены, особенно хорошо заметный на порогах, перекатах, шлюзах. Из других загрязнителей необходимо назвать металлы (например, ртуть, свинец, цинк, медь, хром, олово, марганец), радиоактивные элементы, ядохимикаты, поступающие с сельскохозяйственных полей, и стоки животноводческих ферм. Небольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и их соединения. Так, в таблице 1, приведены основные загрязнители водных экосистем в различных отраслях промышленности.

Табл. 1. Основные загрязнители водных экосистем в различных отраслях промышленности.

Значительное  количество таких опасных загрязняющих веществ, как пестициды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий  и др., смывается с сельскохозяйственных территорий. В основном они попадают в водоемы и водостоки без  какой-либо очистки, а поэтому содержат высокую концентрацию органических веществ, биогенных элементов и  других загрязнителей.

Главный же потребитель пресной воды —  сельское хозяйство: на его нужды  уходит 60-80 % всей пресной воды. Причём велик ее безвозвратный расход (особенно на орошение).

Расширенное производство (без очистных сооружений) и применение ядохимикатов на полях  приводят к сильному загрязнению  водоемов вредными соединениями. Загрязнение  водной среды происходит в результате прямого внесения ядохимикатов при  обработке водоемов для борьбы с  вредителями, поступления в водоемы  воды, стекающей с поверхности  обработанных сельскохозяйственных угодий, при сбросе в водоемы отходов  предприятий — производителей, а  также в результате потерь при  транспортировке, хранении и частично с атмосферными осадками.

Наряду  с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат значительное количество остатков удобрений (азота, фосфора, калия), вносимых на поля. Кроме того, большие  количества органических соединений азота  и фосфора попадают со стоками  от животноводческих ферм, а также  с канализационными стоками. Повышение  концентрации питательных веществ  в почве приводит к нарушению  биологического равновесия в водоеме.

Вначале в таком водоеме резко увеличивается  количество микроскопических водорослей. С увеличением кормовой базы возрастает количество ракообразных, рыб и других водных организмов. Затем происходит отмирание огромного количества организмов. Оно приводит к расходованию всех запасов кислорода, содержащегося  в воде, и накоплению сероводорода. Обстановка в водоеме меняется настолько, что он становится непригодным для  существования любых форм организмов. Водоем постепенно «умирает».

Загрязняющие  вещества могут проникать и в  подземные воды: при просачивании промышленных и сельскохозяйственных стоков из хранилищ, прудов-накопителей, отстойников и др. Загрязнения  подземных вод не ограничиваются территориями промышленных предприятий, хранилищ отходов и пр., а распространяются вниз по течению потока на расстояния до 20 - 30 км и более от источника  загрязнения. Всё это создает  реальную угрозу для питьевого водоснабжения  в этих районах.