Исследование аварийной экотоксикологической ситуации и меры по ее устранению (хром).

Перечисленные методы не исчерпывают области применения биотестов для оценки загрязнения  биосферы и прогноза влияния загрязнителей  на живую природу. Несмотря на сложность выявления биологического отклика на воздействие внешних факторов, озабоченность состоянием экологии, очевидно, будет стимулировать дальнейшее развитие этих биоаналитических методов (Евгеньев, 1999).

Итак, несмотря на большое  количество физико-химических методов диагностики состояния окружающей среды вопрос об использовании методов биотестирования остается открытым и требует детального рассмотрения вопросов применения конкретных тест-систем к конкретным случаям.

 

ГЛАВА 6 ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИСУТСТВУЮЩЕЙ ДОЗЫ ТОКСИКАНТА НА КОМПОНЕНТЫ БИОТЫ

 

В решении экологических  задач наиболее эффективным остается химический эксперимент, и не только эвристический, при котором учащиеся работают по четким инструкциям учителя  и под его наблюдением, но и исследовательский. При таком эксперименте возможна различная степень самостоятельности учащихся. Ученическое исследование сочетает в себе использование теоретических знаний и эксперимента, требует умения прогнозировать, строить план исследования, а в некоторых случаях учащийся сам формулирует проблему, выдвигает гипотезу и разрабатывает эксперимент для ее проверки. Таким образом, при данной форме эксперимента от учащихся требуется максимальная самостоятельность. В настоящее время учителя используют много опытов с экологическим содержанием, часть которых посвящена изучению влияния различных антропогенных факторов на живой организм, в частности на белки, в том числе и на ферменты. Предлагаю опыт по исследованию влияния токсиканта на уреазу. Рассматриваемый фермент широко распространен в растительном мире, особенно высока активность уреазы в семенах некоторых бобовых. Для проведения эксперимента рекомендуем использовать уреазу арбузных семечек. В них активность этого фермента сохраняется в течение трех лет. Можно взять семечки кабачка, в них активность уреазы сохраняется в течение одного года. Лучше же брать семечки из свежих плодов. Уреаза катализирует гидролиз мочевины с образованием оксида углерода(IV) и аммиака:

 

 

 

Метод определения активности уреазы основан на тестировании выделяющегося аммиака фенолфталеином. Наглядность данного опыта обеспечивается быстрым появлением интенсивной розовой окраски индикатора.

Реактивы и оборудование: ступка с пестиком, пробирки, пипетки, 1 % раствор мочевины, 0,02 % спиртовой раствор фенолфталеина, дистиллированная вода, экстракт фермента, рабочие растворы токсикантов.

Приготовление экстракта  уреазы

Очистить 3–4 арбузных семечка  от кожуры и растереть ядра в ступке с 10 мл воды. Данный экстракт слить в  пробирку и использовать для проведения опытов.

Ход опыта

Для опытов взять 2 мл суспензии  ферментативного препарата. В пробирку добавить 1 мл воды или токсиканта (соли тяжелого металла), встряхнуть и добавить 2 мл раствора мочевины. Следует подчеркнуть, что необходимо добавлять реагенты в той последовательности, о которой сказано выше. Затем в пробирку добавить 2–3 капли спиртового раствора фенолфталеина, оставить при комнатной температуре на 3–5 мин. По интенсивности появляющейся окраски фенолфталеина судят об ингибировании фермента. Если окраска появляется, значит, уреаза сохраняет свою активность, так как выделяется аммиак, а если окраска индикатора не появляется, значит, реагент ингибирует фермент. В опытах используются различные концентрации токсикантов. Готовить растворы солей и фенола необходимо с учетом разбавления при проведении опыта. Токсиканты в одних концентрациях ингибируют фермент, в других нет. Исследовательский компонент эксперимента состоит в нахождении такой концентрации фактора, при которой начинается ингибирование уреазы.

Влияние катионов тяжелых  металлов на активность фермента

Поступая в биосферу, тяжелые металлы активно включаются в различные миграционные циклы  эко- и геосистем и представляют потенциальную опасность для  всего живого. Соединения тяжелых  металлов способны сохранять токсичность практически бесконечно, так как при их превращении металл остается без изменений. Катионы металлов, поступающие в организм человека или животного из окружающей среды, образуют прочные связи с карбоксил-анионами и часто вызывают разрывы ионных взаимодействий между ионизированными боковыми радикалами аминокислотных остатков в глобуле, что приводит к потере активной структуры белка. Они снимают электрическую поляризацию белка, уменьшая его растворимость. Вследствие этого находящийся в растворе белок выпадает в осадок. Попадая в клетки, хром, как и многие другие тяжелые металлы, дезактивирует ферменты, взаимодействуя с SH - группами белков - составляющих ферментов.

Опыт 

Изучение влияния солей  тяжелых металлов на активность уреазы. В качестве токсиканта надо использовать раствор двухромовокислого калия К₂Сr₂O₇ в различных концентрациях (10^-6, 10^-7, 10^-8, 10^-9 моль/л). Эксперимент следует проводить по вышеприведенной методике.

Результаты опыта занести  в таблицу.

 

Таблица 3 Результаты опыта

Концентрация, моль/л	К2Сr2O7	Контроль
10-6
10-7
10-8
10-9

 

В таблице ставят знаки:

"+" - реагент ингибирует  фермент;

"-" - реагент не  ингибирует фермент.

 

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

 

Неконтролируемое загрязнение  окружающей среды тяжелыми металлами угрожает здоровью людей.

В связи с этим необходимо максимально снизить уровень  поступления тяжелых металлов в  организм человека. В частности, путем  получения продукции растениеводства (пищи для человека и сельскохозяйственных животных, которые в свою очередь также являются источником продуктов питания для человека) свободной от загрязнения тяжелыми металлами. Следовательно, необходимо проводить химический анализ почв на содержание каждого из наиболее опасных металлов.

В Нидерландах разработана нормативная база концентрации тяжелых металлов. Установлено три уровня содержания их в почве: А – фоновые концентрации; В – концентрации, указывающие на необходимость проведения дополнительных исследований и мероприятий; С – пороговые концентрации, свидетельствующие о необходимости проведения срочных мер по очистке почв. В таблице 4 представлены уровни содержания тяжелых металлов в почве:

 

Таблица 4 Уровни содержания тяжелых металлов в почве

Металл	Концентрация (мг/кг)
	Фоновая (А)	Повышенная (В)	Пороговая (С)
Хром	100	250	800
Кобальт	20	50	300
Никель	50	100	500
Медь	50	100	500
Цинк	200	500	3000
Молибден	10	40	500
Кадмий	1	5	20
Олово	20	50	300
Барий	200	400	2000
Ртуть	0,3	2	10
свинец	50	150	600

Для получения продукции  растениеводства, свободной от тяжелых металлов, на почвах с повышенным их содержанием необходимо:

• провести агрохимическое обследование пашни, определить содержание тяжелых металлов в почве
• сопоставить содержание тяжелых металлов с содержанием калия и кальция
• произвестковать кислые почвы
• повысить содержание обменного калия в почве
• исключить применение минеральных удобрений, содержащих тяжелые металлы
• подобрать культуры, минимально потребляющие эти элементы; на сильно загрязненных полях можно выращивать культуры для технической переработки
• периодически проводить контроль продукции на содержание тяжелых металлов

Кроме того, снизить воздействие  тяжелых металлов на здоровье населения  можно путем решения следующих  задач:

1. организация точного и оперативного контроля выбросов тяжелых металлов в атмосферу и воду;
2. прослеживание цепей миграции тяжелых металлов от источников до человека;
3. налаживание широкого и действенного контроля (на различных уровнях, вплоть до бытового) содержания тяжелых металлов в продуктах питания, воде и напитках.
4. проведение выборочных, а затем и массовых обследований населения на содержание тяжелых металлов в организме.

Подобные меры применяются  в ряде развитых стран. В США реализуется  национальная программа массовых обследования детей на содержание свинца в крови, государством финансируются разработки необходимых технических средств.

Сложности решения указанных  задач состоят в том, что 1) миграция и токсичность элементов зависят от физико-физических форм, поэтому методы анализа должны давать возможность определять связанные и лабильные формы вещества, степень окисления элементов; 2) средства контроля должны обладать низким порогом обнаружения, высокой селективностью и низкой стоимостью.

Наиболее сложной и  слабо изученной проблемой является медико-санитарное нормирование воздействия элементов на жизнедеятельность. ПДК и другие нормы выведены эмпирически, при отсутствии общей теории вопроса. Они не учитывают даже главные особенности химизма природных и техногенных систем, для которых предназначены, и не всегда привязаны к определенным соединениям или формам нахождения элементов.

Не решены вопросы  суммарного влияния нескольких элементов  – эффектов их антагонистического (снижающегося) или синергетического (увеличивающегося) взаимодействия. Эта проблема наиболее остра, так как обычно в экогеохимических системах присутствуют ассоциации большого числа элементов.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Волков Ю. В. Мониторинг  окружающей среды с помощью  годичных колец деревьев // Проблемы  геологии и освоения недр/ Тез.  Докл. V Международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященный 100-летию горно ― геологического образования в Сибири, 9 ― 13 апр., 2001 ― Томск, ― С. 597 ― 598 .

2. Государственный доклад  о состоянии окружающей природной  среды Российской Федерации в 1998 году.: М, ― 1999. ― 265 с.

3. Дмитриева С.А., Парфенов  В.И. Кариология флоры как основа цитогенетического мониторинга: на примере Березовского биосферного заповедника. ― Минск: Наука и техника. ― 1991. ― 231с

4. Евгеньев М.И. Тест ― методы и экология // Соросовский образовательный журнал. ― 1999. ― № 11. ― С.29 ― 34.

5. Евсеева Т. И., Гераськин  С.А. Использование традесканции  для оценки токсичности, тератогенности и мутагенности проб талой воды, содержащих тяжелые металлы // Международный экологический конгресс "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности", Санкт ― Петербург , 14 ― 16 июня, 2000 . СПб, 2000 ― Т. 2. С. 178 ― 181

6. Егоров Д.О., Егорова  А.О Оценка уровня загрязненности  окружающей среды с использованием биоиндикаторов // "Современные проблемы

экологии, микробиологии  и иммунологии" Тез. докл. регион. Конференции молодых ученых, 18 ― 20 янв., 1999. ― Пермь, ― С. 25 ― 27

7. Егоров Ю. А., Николаевский  В. С., Суздалева А. Л. Место  биоиндикации в системе обеспечения экологической безопасности человеческой деятельности: На примере атомной энергетики // Современные проблемы

биоиндикации и биомониторинга" Тез. Докл. Международн. симпозиума по биоиндикаторам 17 ― 21 сент., 2001 . ― Сыктывкар, 2001 ― С. 58, 246

8. Егорова Е.И., Козьмин Г.В., Трофимов А.И. Проблемы экологической оценки состояния природной среды в районах размещения атомных электростанций // Вестник Российской Академии Естественных Наук. ― 2002. ― №2. ― С. 4 ― 8.

9. Егорова Е.И., Сынзыныс  Б.И. Биотестирование объектов окружающей среды. Лабораторный практикум по курсу «Биотестирование». ― Обнинск: ИАТЭ, 1997. ― 88с

10. Жуленко В.Н., Рабинович  М.И., Таланов Г.А. Ветеринарная  токсикология. –– М.: Колос, 2002. –  384с.

11. Илющенко В.П., Щегольков  В.Н. Чувствительность Allium ― теста к присутствию тяжелых металлов в водной среде // Химия и технология воды. ― 1990. ― Т. 12. ― №3. ― С. 275 ― 278

12. Колупаев В. Б.  Парамеции и черви как индикаторы  загрязнения почв городских территорий // Международная научная конференция" Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон"., Санкт ― Петербург , 18 ― 20 окт., 2000 . СПб, 2000 ― С. 73 ― 74 .