Лекция 1 (1)

1.

Лекция 1
Ксенобиология
и биотестирование
Введение
Шпадарук Екатерина Михайловна
кандидат биологических наук, доцент кафедры
общей биологии и генетики
МГЭИ им. А. Д. Сахарова БГУ

2.

План лекции
1. Учебная дисциплина «Ксенобиология».
2. Масштабы загрязнения биосферы.
3. Виды ксенобиотиков, классификация
ксенобиотиков по степени опасности и
токсичности.
4. Основные проблемы и задачи современной
ксенобиологии, объекты и методы исследований,
связь с другими науками.

3.

Ксенобиология (от др.‐греч. ξενος — чужой
и λογία — наука) — наука о чужеродных
химических соединениях в живом организме и о
вызываемых этими соединениями биологических
реакциях.
Ксенобиология изучает закономерности и пути
поступления,
выведения,
распространения,
превращения чужеродных химических соединений в
живом организме и механизмы вызываемых ими
биологических реакций.
Ксенобиотики
— условная категория для
обозначения чужеродных для живых организмов
химических веществ, естественно не входящих в
биотический круговорот.

4.

Ксенобиотик – чужеродное вещество по
отношению к: 1) конкретному виду
организмов (широкая трактовка); 2) всей
биосфере (узкая трактовка).
Ксенобиотик ≠ токсикант
Токсикантом
считают
химическое
вещество, которое при соприкосновении с
организмами в определенных условиях
среды обитания и в установлеленном
количестве способно оказывать на них
повреждающее влияние.

5.

ксенобиотики
ксенобиотики
Органические
соединения

6.

ксенобиотики
ксенобиотики
Органические
соединения
Неорганические
соединения

7.

ксенобиотики
ксенобиотики
Органические
соединения
Неорганические
соединения
Химические
элементы

8.

Масштабы и причины химического
загрязнения биосферы
Причины:
•значительное
увеличение
объема
промышленного
произ‐водства, связанное с повышением производительности
труда;
•появление экологически опасных видов техники и техно‐логий;
•накопление на химических предприятиях больших запа‐сов
опасных токсических веществ;
•резкое повышение расходования природных ресурсов с
выбросом продуктов их хозяйствен‐ного использования в
биосферу;
• повышение сложности технических систем, которыми
опе‐рирует человек, приводящее
к увеличению частоты
про‐мышленных аварий и катастроф.

9.

Масштабы:
• автомобиль, проезжая 1000 километров, сжигает кислорода
столько, сколько человек потребляет за всю свою жизнь;
• дымовая шапка над городами ослабляет солнечный свет на 20
%, способствует увеличению туманов и дождей;
• в среднем за жизнь человек делает 500 млн вдохов и выдохов; без
воздуха жизнь человека длится не более 3–4-х минут;
• при переплавке одной тонны металлолома объем отходов
сокращается на 57 %, загрязнение воздуха уменьшается на 86%, воды
– на 76 %;
• при производстве бумаги из макулатуры загрязнение атмосферы
уменьшается на 37 %, воды – на 25–30 %.
Время разложения материалов в естественных
условиях:
пакеты из-под молока, шерстяные изделия – до 5 лет;
полихлорвиниловые пакеты – до 20 лет;
металлические изделия – 100 лет и более;
стекло – 1 млн лет;
пластиковая тара – практически не разлагается

10.

Классификация ксенобиотиков
Химическая:
неорганические соединения;
органические соединения;
соли;
кислоты;
магнийорганические
соединения;
органические растворители;
…

11.

Классификация ксенобиотиков
Практическая (по сфере применения):
1.Промышленные (растворители, топливо,
красители и т. д.).
2.Ядохимикаты (пестициды).
3.Фармакологические препараты.
4.Бытовые химикалии.
5.Биологические животные и растительные
яды.
6.БОВ.

12.

Классификация ксенобиотиков
Гигиеническая и санитарная классификация
(основаны на количественной оценке токсичности и
опасности веществ).
Опасность − совокупность свойств химических
веществ, определяющих вероятность вредного
действия в реальных условиях их производства и
применения.
Показатели опасности делятся на две группы:
• показатели потенциальной опасност;
• показатели реальной опасности:
Чем меньше разница между максимально переносимыми
дозами
(ПДК) и
летальными дозами, тем опаснее

13.

I – чрезвычайно опасные
II – высокоопасные
III – умеренно опасные
IV ‐ малоопасные

14.

• Токсичность
–
свойство
вещества
вызывать
отравление
организма.
Токсичность
характеризуется
дозой
вещества, вызывающей определенную
степень отравления.
• Вещества,
проявляющие
токсичность,
называются токсинами.
• При ингаляционных отравлениях она (доза)
равна произведению концентрации (мг/м3)
на время экспозиции (мин).

15.

При других путях поражения доза равна
массе вещества (мг) на 1 кг живой массы.
Различают
среднелетальные дозы:
− LCt50 (при ингаляционном отравлении);
− LD50 (при других видах воздействий);
пороговые дозы:
− PCt10 (при ингаляционном отравлении);
− PD10 (при других видах воздействий).

16.

Классификация ксенобиотиков
В зависимости от происхождения
различают:
•экзотоксины,
• эндотоксины,
• зоотоксины,
•фитотоксины,
•промышленные яды.

17.

Классификация ксенобиотиков
• По характеру биологического
различают:
• Нейротропные (нейротоксины).
действия
• Мембранотропные.
• Мутагенные.
• Цитологические (цитотоксины).
В
зависимости
от
биологического действия
группы токсинов:
• избирательно‐системного и
• цитологического действия.
специфичности
различают 2

18.

Классификация ксенобиотиков
Токсикологическая классификация
Общий характер
токсического действия
Нервно‐паралитическое
(бронхоспазм, судороги,
паралич)
Кожно‐резорбтивное
(местные воспалительные
процессы и некротические
изменения)
Характерные
представители
Фосфороорганические и др.
антихолинэстеразные
вещества (хлорофос,
карбофос и др.)
Дихлорэтан, гексахлоран,
кислоты, щелочи, As и его
соединения, сулема (HgCl2)
и др.

19.

Общий характер
токсического действия
Характерные
представители
Раздражающее (раздражение Хлор, фтор, БОВ, пары кислот
наружных слизистых
и др.
оболочек)
Удушающее (токсический отек Фосген, дифосген, хлорпикрин
легких)
и др.
Общетоксическое
HCN и ее производные,
угарный газ, метанол и др.
Психотропное (нарушение
сознания)
Кокаин, опиаты, атропин и др.

20.

Классификация ксенобиотиков
Классификация по избирательному
действию:
Место поражения
Характерные
представители
Сердечно‐сосудистая
система
Растительные алкалоиды
(аконит, сердечные
гликозиды и др.)
Нервная система
Тетродотоксин,
ботулотоксин, опиаты и
т.д.

21.

Печень
Хлоруглеводы, фенолы,
альдегиды, микотоксины
Кроветворная система
Анилин и его
производные,
цитостатики,
левомицетин и др.
Этиленгликоль,
щавелевая кислота, соли
тяжелых металлов,
амфотерицин Б
Пары кислот, соли
тяжелых металлов,
Мочевыделительная
система
Респираторная система,
слизистые оболочки,
кожные покровы

22.

Предмет, методы и задачи
ксенобиологии
Основная задача – обнаружение и характеристика
биологических свойств чужеродных химических веществ,
которые способны вызвать в организме патологические
изменения, а также изучение условий, при которых эти
свойства возникают, наиболее ярко проявляются и исчезают.
Вторая задача − определение зоны токсического действия
изучаемого химического вещества.
Третья задача − поиск методов обнаружения ксенобиотиков
в окружающей среде, анализа степени опасности некоторых
из них, окружающей среды и ее компонентов.

23.

Предмет, методы и задачи
ксенобиологии
Ксенобиология является фундаментальной наукой,
которая решает широкий круг задач с привлечением
знаний и методов исследования многих смежных
естественных наук, особенно общей, органической
химии, биохимии, физиологии, иммунологии,
генетики. Основной прием исследования −
эксперимент
на
животных,
тщательно
спланированный и технически хорошо оснащенный,
выявляющий наиболее тонкие механизмы действия
ксенобиотиков на организменном, системном,
органном,
клеточном,
субклеточном
и
молекулярном уровнях.

24.

Связь ксенобиологии с другими
науками
Токсикология
Фармакология
Биохимия
Биофизика
Физиология
КСЕНОБИОЛОГИЯ
Ксено‐
биохимия
Экологическая
генетика
Ксено‐
физиология

25.

Предмет, методы и задачи
ксенобиологии
Методы:
Качественный химический анализ, который
включает использование реакций обнаружения,
характерных для неорганических ионов в
растворах и для функциональных групп
органических
соединений.
Обычно
они
сопровождаются изменением окраски раствора,
образованием
осадков
или
выделением
газообразных продуктов.

26.

Количественный химический анализ −
определение содержания или количественных
соотношений элементов, функциональных групп,
соединений или фаз в анализируемом объекте. К
нему обычно относят:
‐ «классические» методы (гравиметрию,
титриметрию c визуальной индикацией конечной
точки титрования;
‐ физико‐химические методы;
‐ физические методы (фотометрия, флуориметрия,
масс‐спектрометрия);
‐ биотестирование.

27.

Биотестирование
Биотестирование (bioassay) − процедура
установления токсичности среды с помощью тест‐
объектов,
сигнализирующих
об
опасности
независимо от того, какие вещества и в каком
сочетании вызывают изменения жизненно важных
функций у тест‐объектов.
оперативность
и
доступность
Простота,
биотестирования получило признание во всем
мире; его используют наряду с методами
аналитической химии.

28.

Тест‐объект − организм, используемый при оценке
токсичности химических веществ, природных и сточных
вод, почв, донных отложений, кормов и др.
Тест‐объекты, по определению Л. П. Брагинского, −
«датчики» сигнальной информации о токсичности
среды и заменители сложных химических анализов,
позволяющие
оперативно
констатировать
факт
токсичности (ядовитости, вредности) водной среды
(«да» или «нет»), независимо от того, обусловлена ли
она
наличием
одного
точно
определяемого
аналитически вещества или целого комплекса
аналитически не определяемых веществ, обычно
представляющие собой сточные воды. Тест‐объекты с
известной
степенью
приближения
дают
количественную оценку уровня исследуемого объекта.

29.

Биомаркеры – это организмы и их характеристики,
которые позволяют диагностировать текущее
состояние окружающей среды. В качестве
характеристик могут выступать физиологические,
биохимические, иммунологические и другие
свойства (процессы) организмов.
Биоиндикатор (bioindicator) – организм, вид,
популяция, сообщество, характеризующиеся
специфическими особенностями обитания или
указывающие на специфические изменения
условий среды (Семенченко, 2004).

30.

Среди биологических тест‐объектов, используемых для
определения биологической активности КС. применяют:
• Основные биополимеры, надмолекулярные структуры (белки,
нук. к., нуклеопротеиды).
• Молекулярно‐биологические,
биохимические
системы
(биосинтез).
• Субклеточные структуры (митохондрии, ядра).
• Одноклеточные организмы (бактерии, дрожжи).
• Функционирующие клетки различных систем организма (форм.
элементы крови, нервные, мышечные клетки).
• Клетки в процессах, меняющие их статус, мутационные
превращения (дробление, дифференцировка).
• Использование представителей основных типов тканей.
• Проводят испытания на многоклеточных организмах.

31.

Примеры тест‐объектов
и биоиндикаторов
Daphnia magna Straus, 1820

32.

Примеры тест‐объектов
и биоиндикаторов
Daphnia magna Straus, 1820
Хлорелла

33.

Примеры тест‐объектов
и биоиндикаторов
Daphnia magna Straus, 1820
Хлорелла
Allium cepa

34.

35.

Lepidium sativum
Лишайники
Betula pendula ROTH
Lemna L., 1753

36.

Группы биоиндикаторов:
• Индивидуальные − размер особей, плодовитость,
наличие аномальных особей и т. д.
• Процессы − увеличение или уменьшение скоростей
процесса (например, скорости фотосинтеза).
• Структурные − видовая структура, число
толерантных (интолерантных видов), биотические
индексы и т. д.
• Экосистемные − видовое разнообразие, видовая
структура (Семенченко, 2004).

37.

Биоиндикаторы загрязнения:
1) организмы, которые поглощают (накапливают)
токсические вещества и способны в силу этого
быть показателями загрязненности
данным
веществом;
2) организмы, свидетельствующие о загрязненности
(Кузьменко и др., 1999).
В отличие от биомаркеров, биоиндикаторы не
могут мгновенно реагировать на изменение
экологических
условий,
поскольку
их
индикаторными
свойствами
являются популяционные процессы и процессы в
сообществе в целом.

38.

Основным преимуществом биоиндикаторов
перед биомаркерами является тот факт, что
далеко не всегда кратковременное изменение
условий, на которое реагирует биомаркеры,
приводит к негативным изменениям в
популяциях, сообществах и экосистемах
(Семенченко, 2004).

39.

Рекомендуемая литература
Юрин, В. М. Основы ксенобиологии: учеб. пособие / В. М. Юрин. – Минск: Новое
знание, 2002. – 267 с.
Тарасов, А. В. Основы токсикологии: учебное пособие для студ. вузов жел.-дор.
трансп. / А. В. Тарасов, Т. В. Смирнов. – М.: Маршрут, 2006.– 160 с.
Андреева, Н. Г. Основы токсикологии: учеб. пособие / Н. Г. Андреева. – Барнаул: Издво Алт. гос. техн. ун-та, 2001.
Райс, Р. Х. Биологические эффекты токсических соединений: курс лекций / Р. Х. Райс,
Л. Ф. Гуляева. − Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т, 2003. − 208 с.
Куценко, С. А. Основы токсикологи / с. А. Куценко. – Санкт-Петербург, 2002. – 396 с.
Альберт, А. Избирательная токсичность. В 2 т. / А. Альберт. − М.: Медицина. 1989.
Баренбойм, Г. М. Биологически активные вещества. Новые принципы поиска / Г. М.
Баренбойм, А. Г. Маленков. − М.: Наука. 1986.
Головенко, Н. Я. Сравнительная биохимия чужеродных соединений / Н. Я. Гапоненко,
Т. Л. Карасева. − Киев: Наукова думка. 1983.
Исидоров, В. А. Введение в химическую экотоксикологию / В. А. Исидоров. − СПб:
Химия. 1999.
Исидоров, В. А. Экологическая химия: учеб. пособие / В. А. Исидоров. − СПб:
Химиздат, 2001.

40.

Спасибо за внимание