Молекулярные основы токсичности металлов. Ряды токсичности

Токсичность и канцерогенность – это свойства элементов и соединений, отрицательно влияющие на живые организмы и приводящие к уменьшению продолжительности их жизни.

Количество, при котором химические ингредиенты становятся действительно опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения ими гидросферы или атмосферы, но также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биохимического цикла. Для сравнения степени токсикологического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются понятием молярной токсичности, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью (табл. 2.7.1).

Таблица 2.7.1

Молярная токсичность металлов

Организмы

Ряды токсичности

Водоросли

Hg > Cu > Cd > Fe > Cr > Zn > Co > Mn

Грибки

Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pb > Co >Zn > Fe

Цветущие растения

Hg > Pb > Cu > Cd > Cr > Ni > Zn

Кольчатые черви

Hg > Cu > Zn > Pb > Cd

Рыбы

Ag > Hg > Cu > Pb > Cd > Al > Zn > Ni > Cr > Co > Mn >>Sr

Млекопитающие

Ag, Hg, Cd > Cu, Pb, Co, Sn, Be >> Mn, Zn, Ni, Fe, Cr >> >> Sr > Cs, Li, Al

Глобальный перенос токсикантов происходит через атмосферу и большие реки, несущие воды в океаны. Земля, ложа рек, океаны служат как бы резервуаром для скопления токсикантов. Тот или иной предел, до которого атмосфера привносит токсикант либо в землю, либо на поверхность океана сверх природного циклического уровня, может быть выражен с помощью фактора обогащения EFA:

где: JT средний поток (осадки) Е на землю или поверхность океана;

JIT средний поток (осадки) индексного Т (indextoxicantIT) при условии его пренебрежимо малых антропогенных «отложений» в атмосфере. Обычно в качестве IT выбирают алюминий, кремний, титан и железо.

Содержание опасных металлов в воде приведено в таблице 2.7.2.

Таблица 2.7.2

Концентрации некоторых потенциально опасных металлов в пресной и морской воде (мг/дм3)

Металл

Пресная вода

Морская вода

Металл

Пресная вода

Морская вода

1

2

3

4

5

6

Li

2

180

Sr

70

8000

Be

0,3

0,006

Mo

0,5

10

Al

300

2

Ag

0,3

0,04

V

0,5

2,5

Cd

0,1

0,01

Cr

1

0,3

Sn

0,009

0,004

Mn

8

0,2

Sb

0,2

0,2

Co

0,2

0,02

Cs

0,02

0,3

Ni

0,5

0,6

Hg

0,1

0,03

Cu

3

0,3

Pb

3

0,03

Zn

15

5

U

0,4

3

Антропогенный перенос токсикантов посредством рек может быть оценен по фактору обогащения EFw:

EFw = (TFW/AlFW)(AlS/TS),

где TFW средняя концентрация токсиканта в пресной воде;

  TS средняя концентрация токсиканта на поверхности почвы.

  AlFW средняя концентрация алюминия в пресной воде;

  AlS средняя концентрация алюминия на поверхности почвы.

Факторами окружающей среды, влияющими на токсичность, являются температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде. Уменьшение парциального давления кислорода и увеличение рН и жесткости воды приводят к понижению токсикологического воздействия веществ-загрязнителей на окружающую среду и живые организмы, обитающие в ней. Устойчивость живого организма по отношению к токсикантам может быть достигнута при:

1) уменьшении поступления токсиканта;

2) увеличении коэффициента выделения токсиканта;

3) переводе токсиканта в неактивную форму в результате его изоляции или осаждения.

Факторы, влияющие на доступность токсикантов, их усвоение и воздействие на организм, могут быть совершенно разной природы:

·  химические (химические свойства, окислительно-восстановительные потенциалы и др.);

·  физические (освещенность, температура, турбулентность в растворах);

·  биологические (размеры, стадии развития, упитанность, состояние здоровья, акклиматизация).

Канцерогенез это способность металла проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки. Канцерогенными веществами являются никель, кобальт, хром, мышьяк, бериллий, кадмий.

Различие в канцерогенной активности определяется биодоступностью металлопроизводных: наиболее потенциально активные соединения содержат канцерогенные ионы металла, способные легко внедряться в клетки и реагировать с молекулой ДНК. Например, соли шестивалентного хрома СгO42- потенциально более канцерогенны, чем соли трехвалентного хрома СгСl3, поскольку первые легче проникают в клетки, а вторые – лишь ограниченно.

Канцерогенез зависит как от механизма поступления канцерогенных веществ в клетку, так и от их количества внутри клетки. Важным фактором в этом аспекте является общая цитотоксическая активность конкретного иона металла. Так, например, если ион металла так же активен и цитотоксичен, как Hg2+1+, то гибель клетки будет предшествовать канцерогенному ответу.

Канцерогенные вещества могут быть разделены на три категории:

·  металлсодержащие частицы;

·  водорастворимые соединения металлов;

·  жирорастворимые соединения.

Наибольшей способностью проникать в клетку обладают водорастворимые соединения. Например, такой водорастворимый ион металла, как хромат-ион СrО42-, способен легко проникать вклетки с использованием SO42--транспортной системы. А никель в ионной форме не внедряется в клетки с легкостью и поэтому многие водорастворимые соли никеля не рассматриваются как потенциально канцерогенно опасные. Жирорастворимые соединения металлов, такие, например, как карбонил никеля Ni(CO)4, легко входят в клетку и поэтому очень токсичны.

На механизм канцерогенеза сильно влияет рН среды, температура, наличие в клетке аминокислот. При более низких значениях рН наблюдается наибольшая растворимость канцерогенов в клетках. Присутствие в клетке аминокислот, хорошо связывающих металлы (таких, как цистеин, гистидин), сильно понижает способность канцерогенов, например, никеля, проникать в клетки. Температура среды является значимым условием канцерогенеза. Повышение ее приводит к ускорению процесса канцерогенеза.

Локализация канцерогенных ионов металлов в клетках приводит к хромосомным нарушениям, которые являются результатом сшивания молекул ДНК с белком и трансформации клетки. Такие канцерогенные металлы, как никель и хром, образуют очень стабильные тройные комплексы, состоящие из ДНК, металла и белка. Эти комплексы чрезвычайно устойчивы, они вовлекают в канцерогенез никель и хром, и перераспределение ионов металлов по мере образования этих комплексов становится менее вероятным.

Объекты экотоксикологических исследований чрезвычайно разнообразны. Это воды, почвы, фармацевтические препараты, биологические объекты животного происхождения, пищевые продукты и напитки, пестициды, средства бытовой химии, растительность, отходы и т.д. Поэтому комплекс прикладных задач, решаемых экотоксикологией, далеко не прост и весьма специфичен.

Наиболее приоритетные из них:

1)создание современной методологии экотоксикологических исследований, позволяющей проводить достоверную оценку качества окружающей среды в условиях природопользования и комплексного влияния основных ее экологических составляющих на живые организмы;

2)осуществление ранней диагностики изменений в организме, выявляемых до наступления морфологических, генетических, популяционных и других изменений;

3)разработка прикладных основ химико-токсикологического анализа приоритетных загрязнителей, включающего разнообразные способы их обнаружения, изолирования и количественного определения в объектах окружающей среды;

4)создание целенаправленного мониторинга токсикантов, вызывающих те или иные отклонения в живых организмах, который позволит по-новому подойти к идентификации наиболее активно действующего фактора, так как специфичность биохимического ответа организма даст возможность проследить путь от следствия к причине, т.е. выйти на соответствующего токсического агента или на узкую группу агентов, выделяя их из общего массива веществ-загрязнителей.

Основная задача химико-токсикологического анализа – установление характера объекта, его консистенции и морфологического состава.

Чрезвычайно большое разнообразие объектов химико-токсикологического анализа обусловливает специфические его особенности, заключающиеся в изолировании (или извлечении из достаточно большого количества исследуемого образца ничтожно малых количеств токсиканта) и необходимости анализа в большинстве случаев не индивидуальных веществ, а многокомпонентных смесей, в которых каждый определяемый компонент может влиять на последующий.

Стандартная схема выполнения химико-токсикологического анализа включает методы выделения (или изолирования) и очистки токсикантов, а также методы их качественного обнаружения и количественного определения.

Среди этих методов особенное внимание, как правило, уделяется методам выделения и очистки, поскольку анализируемые системы представляют собой достаточно сложные неоднородные и многокомпонентные смеси, анализ которых сопряжен с рядом трудностей, обусловленных селективностью определения, достоверностью и воспроизводимостью получаемых аналитических данных.