WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Химический институт им. А.М.Бутлерова Кафедра неорганической химии ЭКОТОКСИКАНТЫ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА «ХИМИЯ В ЭКОЛОГИИ» Казанский государственный университет 2010 г.

УДК 502.55 Э 40 Печатается по решению кафедры неорганической химии Казанского государственного университета протокол № 4 от 19 февраля 2010 г.

Составители:

д.х.н., профессор Н.А.Улахович к.х.н., доцент М.П.Кутырева д.х.н., профессор Э.П.Медянцева д.х.н., профессор С.С.Бабкина Э 40 Экотоксиканты: Учебно-методическое пособие для лекционного курса «Химия в экологии» / Н.А.Улахович, М.П.Кутырева, Э.П.Медянцева, С.С.Бабкина. – Казань: Издательство Казанского государственного университета, 2010. - 56 с.

Учебно-методическое пособие «Экотоксиканты» предназначено для студентов первого курса Химического института им.А.М.Бутлерова для углубленного изучения отдельных разделов лекционного курса «Химия в экологии». Особое внимание уделено наиболее опасным токсикантам (тяжелым металлам, хлорорганическим и фосфорорганическим соединениям).

Рассмотрены особенности аэрозольной составляющей атмосферы, а также проблемы тропосферного и атмосферного озона. Описаны свойства наиболее распространенных химических загрязнителей окружающей среды, экологическое значение их метаболизма и трансформации в биосфере.

Учебно-методическое пособие представляет также интерес для студентов факультета географии и экологии.

2 Оглавление Стр.

Введение………………………………………………………………… 5 1. Нормативные показатели качества окружающей среды …………………………………………………………………… 6 2. Классы токсичности химических веществ……………………………. 7 3. Наиболее опасные экотоксиканты ……………………………………. 8 3.1. Тяжелые металлы………………………………………………………. 8 3.1.1. Типы взаимодействий тяжелых металлов в организме……….. 8 3.1.2. Транспорт металлов в живую клетку…………………………… 10 3.1.3. Ртуть………………………………………………………………. 3.1.4. Свинец…………………………………………………………….. 3.1.5. Кадмий…………………………………………………………….. 3.1.6. Детоксиканты (противоядия) тяжелых металлов………………. 3.2. Хлорорганические пестициды………………………………………….. 3.2.1. Инсектициды……………………………………………………… 3.2.2. Гербициды (дефолианты)………………………………………… 3.3. Диоксины и диоксиноподобные вещества…………………………….. 3.3.1. Токсические и физико-химические свойства………………….. 3.3.2. Относительная токсичность диоксиноподобных веществ……. 3.3.3. Источники полихлорированных органических соединений в биосфере………………………………………………………………. 3.4. Полициклические ароматические углеводороды……………………… 3.4.1. Сравнительная токсичность……………………………………… 3.4.2. Источники образования и миграция в биосфере……………….. 3.4.3. Особенности строения и канцерогенная активность…………… 3.5. Фосфорорганические пестициды……………………………………….. 3.5.1. Инсектициды ……………..………………………………………. 3.5.2. Механизм токсичности………………………………………….. 3.5.3. Зависимость токсичности от строения фосфорорганических веществ………………………………………….. 3.5.3. Реактиваторы ацетилхолинэстеразы……………………………. 4. Экотоксиканты в атмосфере…………………………………………….. 4.1.Источники поступления токсикантов в атмосферу…………………... 4.2. Аэрозоли…………………………………………………………………. 4.3. Смог………………………………………………………………………. 4.3.1.Первичный смог («лондонский»)………………………………… 4.3.2.Вторичный смог («лосанджелесский»)………………………….. 4.4. Озоновые «дыры»……………………………………………………….. 4.5. Парниковый эффект…………………………………………………….. 4.6. Радионуклиды……………………………………………………………. 4.6.1. Естественный радиационный фон……………………………….. 4.6.2. Антропогенные радиоактивные факторы……………………….. 5. Экотоксиканты в гидросфере…………………………………………….. 5.1. Метаболизм и трансформация экотоксикантов в гидросфере………… 5.2. Совместное воздействие экотоксикантов………………………………. Список рекомендуемой литературы………………………………………… Контрольные вопросы………………………………………………………… Краткий словарь терминов……………………………………………………. ВВЕДЕНИЕ Экотоксикантом обычно называют токсичное и устойчивое (персистентное) в условиях окружающей среды вещество, способное накапливаться в организмах до опасных уровней концентрации. Присутствие таких веществ в окружающей среде вызывает гибель населяющих ее организмов, снижение иммунитета, аллергические реакции, изменение наследственности, нарушение естественного хода природных процессов.

Особую опасность представляют вещества, обладающие высокой химической устойчивостью. Подобные экотоксиканты называют персистентными.

Причем к ним относят и вещества, быстро разлагающиеся в окружающей среде, но образующие новые более устойчивые продукты. Вещества, не участвующие в естественном биотическом круговороте, считают ксенобиотиками, т.е. чужеродными для организмов.

Среди всех геосфер Земли особое место занимает биосфера – геологическая оболочка вместе с населяющими ее организмами. Биосфера включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу, тропосферу, нижнюю часть стратосферы, в том числе озоновый слой, определяющий верхний предел жизни. Нижний предел биосферы ограничен высокими температурами и составляет 2-3 км (на такой глубине обнаружены пурпурные тионовокислые и термофильные сульфатвосстанавливающие бактерии). Биосфера представляет гигантскую экосистему. По определению В.И.Вернадского биосфера – это совокупность живых и неживых компонентов природы, находящихся во взаимодействии. Связи между компонентами экосистемы возникают, прежде всего, на основе пищевых связей и способов получения энергии.

Большое значение для жизнедеятельности в современной биосфере имеют процессы биомагнификации, связанные с накоплением экотоксикантов в пищевых цепях. Поступление в организм химикатов из окружающей среды без учета накопления с пищей называют биоконцентрированием. Бионакопление (биоаккумуляция) – это суммарный эффект биомагнификациии биоконцентрирования.



Существенные изменения в нормальном функционировании биосферы вносят антропогенные факторы. Имеется множество источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение, а вместе с тем и серьезные нарушения экологических равновесий в природе. Прежде всего, это автотранспорт и промышленность. Возникновение токсичных загрязнений может быть связано как с накоплением природных элементов или соединений, обладающих токсичностью, так и с получением новых веществ, представляющих опасность для биосферы. В первом случае примером служит загрязнение природной среды радионуклидами и солями тяжелых металлов.

Во втором – синтез пестицидов, некоторых галогенсодержащих органических соединений и др.

1. НОРМАТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Прежде, чем перейти к рассмотрению действия на живые организмы и биосферу отдельных представителей группы токсичных тяжелых металлов, познакомимся с некоторыми нормативными показателями, которые определяют степень токсичности того или иного химического вещества:

ЛД50 - летальная доза токсина, вызывающая при однократном введении гибель 50 % экспериментальных животных. По этому показателю все вещества делят на несколько групп:

- чрезвычайно токсичные (ЛД50 < 5 мг/кг), - высокотоксичные (5-50 мг/кг), - умеренно-токсичные (50-500 мг/кг), - практически нетоксичные (0,5-5 г/кг), практически безвредные (>г/кг).

ЛД100 - летальная доза токсина, при введении которой в организм погибает 100% экспериментальных животных.

t0,5 - время полувыведения (при получении дозы меньше летальной).

Для различных токсинов этот показатель составляет от нескольких часов до десятков лет.

ПДК - концентрация, которая не вызывает негативного физического ответа организма. Величины ПДК установлены для различных сред.

ПДКр.з. – предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны (мг/м3). Это концентрация токсиканта, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не вызывает заболеваний или отклонений в здоровье, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Рабочей зоной называется пространство высотой 2 м над уровнем площадки, на которой находятся места пребывания работников.

ПДКс.с. - предельно допустимая среднесуточная концентрация токсиканта в воздухе населенных пунктов (мг/м3), которая не оказывает на организм человека воздействия при неограниченно длительном вдыхании.

Для объектов гидросферы используют следующие ПДК:

ПДКв – предельно допустимая концентрация вещества в водоеме хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (мг/л), которая не оказывает влияния на организм человека в течение всей его жизни, а также на здоровье последующих поколений.

ПДКв.р. - предельно допустимая концентрация вещества в водоеме, который используется для рыбохозяйственных целей (мг/л). Как правило, в последнем случае величина показателя намного ниже. Это связано со способностью рыб накапливать токсиканты.

ДОК - допустимое остаточное количество вещества в продуктах питания (мг/кг), которое, поступая в организм в течение всей жизни, не вызывает патологических отклонений в здоровье человека.

В тех случаях, когда величина ПДК не установлена, действуют временные гигиенические нормативы. Это - ОБУВ - ориентировочно безопасный уровень воздействия;

- ОДК - ориентировочно допустимая концентрация;

- ПДВ - предельно допустимый выброс и другие.

Целью нормирования является защита от вредного воздействия токсикантов каждого члена общества, а не «среднего» человека. Поэтому значения ПДК устанавливают в расчете на наиболее ранимые группы населения (дети, пожилые люди). При оценке порогового уровня учитывают функциональные неспецифические изменения в организме и отдаленные последствия, а не только очевидные патологические изменения. Необходимо иметь ввиду, что нормирование суперэкотоксикантов по параметрам токсичности не всегда обеспечивает безопасность при контакте с ними.

Особенно в случаях канцерогенного, мутагенного и эмбриотропного воздействий на человека. Пороговые дозы, вызывающие эти эффекты, нередко меньше пороговых доз токсичности.

2. КЛАССЫ ТОКСИЧНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В зависимости от ПДК в воздухе рабочей зоны все токсиканты разделены на четыре класса.

1. Вещества чрезвычайно опасные (ПДКр.з. < 0,1 мг/м3): пары ртути, тетраэтилсвинец, оксид кобальта, металлический кобальт, карбонилы кобальта и никеля, бензпирен, гексахлоциклогексан, гидразин, четыреххлористый углерод.

2. Вещества высокоопасные (ПДКр.з. от 0,1 до 1,0 мг/м3): оксиды азота, серный ангидрид, серная кислота, гидрид мышьяка, хлор, ванадий и его соединения, бензол, сероуглерод, фенол, некоторые пестициды (2,4-Д и 2,4,5Т).

3. Вещества умеренно-опасные (ПДКр.з. от 1 до 10 мг/м3): диоксид серы, вольфрам, диоксан, дихлорэтан, ацетонитрил.

4. Вещества малоопасные (ПДКр.з. > 10 мг/м3): аммиак, бензин, мнооксид углерода, этанол.

Токсиканты первого класса способны длительное время присутствовать в биосфере. Например, пары ртути принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, определяющих скорость ее осаждения. Пары ртути переносятся на большие расстояния и могут находиться в тропосфере на протяжении двух лет. В гидросфере соединения тяжелых металлов (ТМ) мигрируют. Частично они осаждаются в виде карбонатов, сульфатов, сульфидов, фосфатов или адсорбируются на минеральных и органических осадках. Поэтому содержание ТМ в донных отложениях постоянно растет и может в 10 тысяч раз превышать их содержание в воде.





При насыщении осадков ТМ и понижении рН меньше 7 ТМ могут переходить обратно в воду. Этому способствует образование растворимых комплексных соединений с органическими ионами (этилендиаминтетраацетат-ион, нитрилтриацетат-ион и др.), которые попадают в гидросферу вместе с моющими средствами и очищающими препаратами.

Некоторые металлы (ртуть, олово, мышьяк, свинец) подвергаются микробиологическому алкилированию. Металлорганические соединения представляют особую опасность для организма вследствие их устойчивости, липофильности, амфифильности. Они характеризуются большим периодом полувыведения. В результате происходит кумуляция (накопление), т.е.

токсикант поступает в организм быстрее, чем выводится. Период полувыведения ртути для большинства тканей организма составляет 70-дней, а кадмия – 10 лет.

3. НАИБОЛЕЕ ОПАСНЫЕ ТОКСИКАНТЫ К числу наиболее опасных загрязняющих природную среду компонентов относятся тяжелые металлы и стойкие органические загрязнители (СОЗ). Они нарушают естественную функцию биоты, и поэтому их еще называют ксенобиотики, т.е. чуждые живому. Тяжелыми называют металлы, удельная плотность которых не ниже величины данного показателя для железа (7.8 г/см3). Это прежде всего ртуть, кадмий, свинец, висмут, таллий, сурьма и др. К тяжелым относятся и многие жизненно необходимые (эссенциальные) металлы: железо, кобальт, никель, медь, цинк, молибден, которые входят в состав биокатализаторов (ферментов) или их активаторов. Их содержание не превышает микроколичеств, поэтому их также называют микроэлементами. В группу СОЗ обычно включают хлор- и фосфорсодержащие пестициды, полиароматические углеводороды, полихлорированные диоксины и диоксиноподобные вещества, а также нитрозамины.

3.1. Тяжелые токсичные металлы 3.1.1. Типы взаимодействий тяжелых металлов в организме В зависимости от положения химического элемента в периодической системе Д.И.Менделеева ионы ТМ могут оказывать различное по своей природе токсическое действие. Можно выделить четыре типа взаимодействий ТМ в живом организме.

а). Ионы непереходных металлов Pb2+, Hg2+, CH3Hg+, Cd2+ химически модифицируют кислотные группы белков, главным образом цистеина H2N-CH(CH2SH)COOH. Установлен ряд прочности связи металл – сера: Hg2+ > CH3Hg+ > Pb2+ > Cd2+. Наблюдается также очень высокая степень корреляции между растворимостью сульфидов этих и других тяжелых металлов и их токсичностью. Растворимость сульфидов изменяется в следующей последовательности: Hg2+ < Pb2+ < Cd2+ < Zn2+ < Mn2+. Низкая растворимость сульфидов тяжелых металлов явилась причиной того, что живые организмы не выработали в ходе эволюции механизмов их детоксикации, достаточно эффективных для современного уровня антропогенного загрязнения.

б). Ионы тяжелых металлов переменной степени окисления (хром, молибден, титан) катализируют окисление аминокислотных тиольных групп:

[TM] SR + H2O2RSH + O2 RS Образующийся дисульфид не обладает биологической активностью, что может быть причиной возникновения устойчивой патологии в организме.

в). Тяжелые металлы способны вытеснять эссенциальные металлы из металлосодержащих комплексов, что приводит к потере биологической активности субстратов. Например, цинк в ферменте карбоангидразе может быть вытеснен ионами ртути или свинца. В гидроксилазах цинк может быть замещен ионами кадмия. В результате происходит его дезактивация.

Существует также взаимозависимость ионов металлов друг от друга и от условий попадания в организм. Например, железо из овощей усваивается плохо из-за присутствия в них комплексообразующих лигандов. В свою очередь, избыток цинка может ингибировать абсорбцию меди. Кадмий проявляет большую токсичность, попадая в организмы с недостаточным содержанием цинка, а свинец становится более токсичным при дефиците кальция.

г). Некоторые комплексные соединения металлов с органическими лигандами близки по своим характеристикам (пространственное строение, размеры, распределение электронной плотности и др.) к субстратам, выполняющим физиологическую роль в организме, и поэтому могут проявлять так называемый эффект мимикрии, подменяя аминокислоты, гормоны и нейромедиаторы. Так, комплексное соединение метилртути с цистеином имитирует незаменимую аминокислоту метионин, участвующую в синтезе холина и адреналина. В этих процессах метионин служит донором метильных групп. Кроме того, он является источником серы в биосинтезе цистеина.

Для токсичных тяжелых металлов в принципе не существует надежных механизмов самоочищения. Эти токсиканты лишь перераспределяются из одного природного резервуара в другой, взаимодействуют с различными живыми организмами с различными последствиями, мигрируют в основном в гидросфере. Различные формы одного и того же элемента отличаются по биологической активности и доступности для организмов.

Для сопоставления токсичности различных ТМ используют некоторые биологические виды в качестве тест-объектов (метод биотестирования).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.