Биотрансформация и биодеградация токсических веществ

На стойкость вещества в окружающей среде влияет большое количество процессов. Различают биотическую и абиотическую трансформацию химических веществ в естественных природных системах.

К первым относятся следующие процессы.

Фотолиз. Свет, особенно ультрафиолетовые лучи, способен разрушать химические связи и вызывать деградацию химических веществ. Фотолиз проходит главным образом в атмосфере и на поверхности почвы и воды. Скорость фотолиза зависит от интенсивности света и способности вещества его поглощать. Ненасыщенные ароматические соединения, например полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее чувствительны к фотолизу, так как активно поглощают энергию света. Свет ускоряет и другие процессы деградации веществ: гидролиз и окисление. В свою очередь наличие в средах фотооксидантов, к которым относятся озон, оксиды азота, формальдегид, акролеин, органические перекиси, существенно ускоряет процесс фотолиза других поллютантов (показано для ПАУ).

Гидролиз. Вода, особенно при нагревании, быстро разрушает многие вещества. Эфирные связи, например, в молекулах фосфорорганических соединений, высокочувствительны к действию воды, чем определяется умеренная стойкость этих соединений в окружающей среде. Скорость гидролиза сильно зависит от pH.

Процесс деградации инсектицида паратиона в качестве примера представлен на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Абиотическое превращение паратиона в окружающей среде.

В результате превращения химических веществ в окружающей среде образуются новые вещества. При этом их токсичность иногда может быть выше, чем у исходного агента. В результате фотоокисления паратиона образуется параоксон. Токсичность последнего для млекопитающих в несколько десятков раз выше, чем у исходного вещества.

Фотохимические превращения в окружающей среде 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты, известного гербицида, могут приводить к образованию упомянутого выше опасного экополлютанта 2,3,7,8-тетрахлодибензо-р-диоксина (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема фотолитического превращения феноксиуксусной кислоты:

(1) — в ТХДД; (2) — в окружающей среде Еще один достаточно известный пример — образование нитрозосоединений. Так, по данным ученых США, в почве, в кислой среде, целый ряд пестицидов, среди которых диалкилтиокарбаматы, тиокарбамоилди-сульфиды, соли феноксиуксусной кислоты и др., легко вступают в соединение с нитритами. Напомним, что образующиеся при этом нитрозосоединения в настоящее время рассматриваются как возможные канцерогены.

Установлена роль живых организмов — главным образом бактерий и грибов — в процессах биотрансформации. Химические соединения они используют в качестве питательных веществ. Процесс биотического разрушения идет при участии энзимов. В основе биопревращений веществ лежат процессы окисления, гидролиза, дегалогенирования, расщепления циклических структур молекулы, отщепления алкильных радикалов (деалкилирование) и т. д. Деградация соединения может завершаться его полным разрушением, т. е. минерализацией (образование воды, диоксиды углерода, других простых соединений). Однако возможно образование промежуточных продуктов биотрансформации веществ, обладающих порой более высокой токсичностью, чем исходный агент. Так, бактерии в донных отложениях водоемов могут превращать неорганические соединения ртути в более токсичные ртутьорганические соединения (монои диметил ртути).

Вместе с тем в живых организмах могут протекать реакции, направленные на разложение и биотрансформацию токсических веществ, с образованием продуктов, не обладающих токсичностью. В этом случае речь идет о механизмах детоксикации вредных веществ в живых организмах.

У растительных организмов основной путь детоксикации связан с фиксацией чужеродных соединений неактивными молекулами клеточных стенок. При этом часто растения не могут полностью инактивировать исходные токсиканты, поэтому при поступлении обработанных химическими веществами кормов (чаще всего пестицидами) в ЖКТ происходит высвобождение токсикантов. Например, атразин и цианозин при скармливании скоту кукурузы могут вызвать мутагенный эффект.

У животных отмечен более широкий спектр реакций на чужеродные вещества. Преимущественно реакции детоксикации направлены на увеличение водорастворимости исходных веществ или их метаболитов с последующим выведением из организма. Это увеличение водорастворимости достигается введением в состав молекул гидроксильных групп (гидроксилирование) или групп, способных диссоциировать с образованием ионов. Например, конъюгация с водорастворимыми биомолекулами. Из широкого спектра таких химических реакций, возможных в условиях внутренней среды живых организмов, можно выделить окисление (ОК), восстановление (В), гидролиз (Г), ацетилирование (А), реакции конъюгации (химической связи) с аминокислотами.

(АК), сульфатами ©, глутатионом (ГТ), глюкурановой кислотой (ГУК), глюкозой (ГЛ) и реакцию фосфолирирования (Ф) (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Наличие в организмах разных таксонов процессов, участвующих в метаболизме чужеродных веществ (Bhatnagar, 1980, цит. по: Остроумову, 1986):

О — окисление; В — восстановление; Г — гидролиз; АК — соединение с аминокислотами; ГТ — соединение с глутатионом; А — ацетилирование;

С — соединение с сульфатом; ГЛ — соединение с глюкозой; ГУК — соединение с глюкурановой кислотой; Ф — фосфирилирование Схема показывает, что наряду с имеющими место у всех групп животных процессами гидролиза, восстановления, конъюгации с аминокислотами по мере эволюционной продвинутости видов появляются качественно новые реакции и возрастает общее количество реакций, участвующих в процессе биодеградации. Появляются процессы окисления, конъюгация с сульфатами, с глюкурановой кислотой, глюкозой.

Таким образом, попадание в окружающую среду эволюционно новых химических соединений породило новую проблему — токсификацию. В результате токсификации деградация первичных токсикантов сопровождается появлением более токсичных метаболитов, обладающих свойствами мутагенности, канцерогенности, тератогенности.

Так, в результате токсификации ПАУ распадаются с образованием соединений, являющихся интермедиатами в канцерогенезе. Отметим, что канцерогенность ПАУ впервые была установлена еще в XVIII в. в результате диагностики раковых заболеваний мошонки у трубочистов.

В настоящее время загрязнение окружающей среды ракетным топливом сопровождается образованием весьма токсичных соединений, в числе которых нитрозодиметиламины, диметиламины, тетраметилтетразин и ряд других (Федоров и др., 1999).

Следует подчеркнуть особую роль микроорганизмов, населяющих ЖКТ млекопитающих. Так, в организмах жвачных животных биодеградация большинства пестицидов происходит за счет микроорганизмов рубца. При поступлении же с водой они транзитом, минуя рубец, активно переходят в сычуг и далее через кишечник всасываются в кровь.

Процессы биодеградации, сопровождаемые токсификацией, часто обладают видовой специфичностью, что используется при борьбе с насекомыми. Сегодня создаются вещества, обладающие пониженной токсичностью для млекопитающих и высокой активностью по отношению к насекомым (дельтанит, тиодекарбонит). Например, у теплокровных животных разложение пестицидов за счет ферментативных реакций с участием оксидаз сопровождается образованием малотоксичных и водорастворимых сульфамидов, которые активно выводятся из организма. У насекомых — другой путь биотрансформации тех же пестицидов: происходит гидролиз поллютантов с образованием карбаминовой кислоты — особо активного и токсичного соединения. Именно на этих реакциях основана эффективность инсектицидов.

Другим примером служит широко известный хлорофос, применяемый для борьбы с насекомыми. Механизм его действия заключается не только в прямом токсическом влиянии, но и в том, что за счет дегидрохлорирования в организме насекомых образуется дихлофос, обладающий в 5—10 раз более высокой токсичностью. Отметим также, что реакция образования дихлофоса может происходить при нагревании исходного соединения. Так, при обработке животных хлорофосом в молоке обнаруживают содержание дихлофоса.

У млекопитающих следует отметить еще один механизм детоксикации. В ответ на повышенное поступление в организмы металлов индуцируется синтез особых белков-металлотионеинов, обладающих высокой специфичностью к металлам, которые связываются молекулой белка. Это приводит к детоксикации с последующим депонированием их в печени, почках (Cd, Си, Zn), селезенке (Cd) и выведением из организма.

У растений тоже возможны процессы токсификации, сопровождающиеся появлением высокоактивных метаболитов. До последнего времени при опрыскивании яблонь широко использовался пестицид алар. При последующей термической обработке яблок это вещество переходит в гептил, ядовитое вещество, в 6 раз более токсичное, чем синильная кислота. С 1986 г. применение этого препарата в Европе и США запрещено.

Следует отметить, что биотрансформация активно протекает и в биокосных системах. В почвах и природных водоемах эти процессы идут за счет экзоферментов и метаболитов, вырабатываемых прокариотами, грибами и водорослями.

В почвах определенная часть загрязняющих веществ сорбируется почвенными структурами и оказывается вне сферы воздействия таких экзоферментов. Доступными для процесса деградации являются главным образом токсиканты в жидкой фазе почвы. Эти процессы наиболее активны в случае, если токсичностью не подавлена жизнедеятельность почвенных организмов. Эффективность биодеградации определяется рядом факторов: механическими свойствами почв; содержанием в них гумуса (увеличение гумуса ведет к повышенной сорбции нелетучих веществ, в том числе металлов); степенью аэрации почв; уровнем pH и другими.

В природных водоемах процессы биодеградации связаны не только с экзоферментами, но и со свободными радикалами, образуемыми в воде благодаря наличию перекиси водорода и антиоксидантов (восстановителей), выделяемых гидробионтами. Интенсивность этих процессов зависит от условий водоема (солености, наличия тяжелых металлов, pH и пр.). При этом в водоемах и почвах также могут иметь место процессы токсификации. Например, ртуть, поступающая в окружающую среду в виде неорганических соединений, в результате процессов метилирования образует высокотоксичную метил-ртуть, обладающую высокой подвижностью и токсичностью. В связи с этим следует особо подчеркнуть роль pH водоемов, при понижении которого может происходить высвобождение ранее связанных металлов до свободной, обладающей повышенной токсичностью ионной формы. Это касается, прежде всего, алюминия, который в ионной форме обладает высокой токсичностью для гидробионтов.

Важнейшей характеристикой экотоксикологической опасности любого химического соединения является скорость его биологической деградации и элиминации из объектов природной среды. Этот показатель чаще всего выражают как период полуразложения ксенобиотика (время, в течение которого распадается или выводится из организма половина первоначального его количества). В табл. 6.1 приведена токсикинетическая характеристика некоторых соединений.

Например, в воде озера Онтарио в 90-е гг. XX в. определяли высокие концентрации пестицида мирекс, использование которого было прекращено еще в конце 1970;х гг. В водоемах испытательного полигона ВВС США во Флориде, где в 1962—1964 гг. с исследовательскими целями был распылен «Agent Orange», спустя 10 лет ил содержал 10—35 нг/кг ТХДД (при норме, по стандартам США, — 0,1 пкг/кг, России — 10 пкг/кг).

Период полуразрушения некоторых ксенобиотиков в окружающей среде.

Таблица 6.1

К числу веществ, длительно персистирующих в окружающей среде, относятся тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, сурьма, ртуть, мышьяк, хром), полициклические полигалогенированные углеводороды (полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны, полихлорированные бифенилы и т. д.), некоторые хлорорганические пестициды (ДДТ, гексахлоран, алдрин, линдан и т. д.) и многие другие вещества.

Оценочные средства

Вопросы для подготовки студентов к семинарскому занятию.

• 1. Раскройте сущность физиолого-биохимических реакций, которые развиваются в организме при действии токсикантов.
• 2. Охарактеризуйте изменение биохимических реакций при действии тяжелых металлов на уровне животного организма.
• 3. Какие последствия могут быть при воздействии токсикантов на генетический аппарат клетки? В чем проявляются различия в реакции соматических и половых клеток?
• 4. Объясните разницу между острым и хроническим воздействием радиации и токсикантов на живые организмы.
• 5. Объясните, какие изменения могут возникнуть в организме под воздействием мутагенов.
• 6. Что такое биотрансформация токсических веществ?
• 7. Что такое процесс токсификации химических веществ?
• 8. Опишите процессы детоксикации и токсификации токсических веществ в почве и водных экосистемах.

Типовые задания для текущего контроля успеваемости СК-1:

• 1. Наиболее распространенные механизмы повреждения биохимических структур ядами основаны на воздействии последних на ферментные системы организма. Этот процесс может осуществляться по двум направлениям. По механизмам первого направления токсичные вещества модифицируют активность ферментов путем прямого взаимодействия с ними. По механизмам второго направления токсичные вещества нарушают ферментативную активность путем косвенного воздействия на ферментные системы. Приведите примеры прямого и косвенного воздействия тяжелых металлов на ферментативные системы.
• 2. Объясните причину повышенной чувствительности меристематических тканей к тяжелым металлам.
• 3. При изучении содержания свинца, меди и кадмия у птиц, обитающих в районе действия металлургического предприятия, установлены повышенные уровни этих токсикантов в скелете. Будут ли наблюдаться какие-либо изменения других жизненно важных органов? Какие изменения популяционного характера возможны у птиц, обитающих на этих территориях?

СК-5:

• 4. У растений, произрастающих в условиях загрязнения окружающей среды полиметаллической пылью, было отмечено повышенное содержание пролина в тканях листа. С чем это связано (объясните механизм образования пролина)? Может ли концентрация пролина в тканях выступать в качестве индикатора загрязнения окружающей среды? Ответ обоснуйте.
• 5. Может ли развитие сельского хозяйства, включающего животноводческий комплекс, нанести вред окружающей среде? Ответ обоснуйте. Приведите примеры воздействия животноводства на биоту.
• 6. Назовите механизмы детоксикации (деградации) токсических веществ в живом организме. Охарактеризуйте особенности этих процессов у растений и животных.

СК-8:

• 7. Охарактеризуйте экотоксические эффекты, происходящие на клеточном уровне, и их последствия для организма при дальнейшем увеличении дозы токсиканта.
• 8. Охарактеризуйте реакции, которые возникают в организме теплокровных животных при попадании в них ксенобиотиков.
• 9. 2 июля 2017 г. ракета-носитель «Протон-М» с тремя спутниками Глонасс разбилась через минуту после взлета с космодрома Байконур. На борту ракеты находилось 600 т топлива. Какое топливо могло находиться на борту ракеты? Предположите последствия для биоты, если ядовитое облако, которое образовалось после крушения ракеты, выйдет за границы космодрома.