Токсичность кадмия и методы воздействия его на окружающую среду

В случае разногласий между представителями Госсанэпидслужбы и изготовителем или предприятием, реализующим продукцию, а также при отборе проб по санитарно-эпидемиологическим показаниям число образцов пищевых продуктов, предназначенных для исследования, должно быть увеличено.

6.Аналитические методы определения кадмия в образцах

После отбора и подготовки пробы наступает стадия химического анализа, на которой и проводят обнаружение компонента или определение его количества. С этой целью измеряют аналитический сигнал. В большинстве методов аналитическим сигналом является среднее из измерений физической величины на заключительной стадии анализа, функционально связанной с содержанием определяемого компонента.

В случае необходимости обнаружения какого-либо компонента обычно фиксируют появление аналитического сигнала - появление осадка, окраски, линии в спектре и т.д. Появление аналитического сигнала должно быть надежно зафиксировано. При определении количества компонента измеряется величина аналитического сигнала - масса осадка, сила тока, интенсивность линии спектра и т.д.

Химические методы.

В основе химических методов обнаружения и определения лежат химические реакции трех типов: кислотно-основные, окислительно-восстановительные и комплексообразования. Иногда они сопровождаются изменением агрегатного состояния компонентов. Наибольшее значение среди химических методов имеют гравиметрический и титриметрический. Эти аналитические методы называются классическими. Критериями пригодности химической реакции как основы аналитического метода в большинстве случаев являются полнота протекания и большая скорость.

Гравиметрические методы.

Гравиметрический анализ заключается в выделении вещества в чистом виде и его взвешивании. Чаще всего такое выделение проводят осаждением. Реже определяемый компонент выделяют в виде летучего соединения (методы отгонки). В ряде случаев гравиметрия - лучший способ решения аналитической задачи. Это абсолютный (эталонный) метод.

Недостатком гравиметрический методов является длительность определения, особенно при серийных анализах большого числа проб, а так же неселективность - реагенты-осадители за небольшим исключением редко бывают специфичны. Поэтому часто необходимы предварительные разделения.

Аналитическим сигналов в гравиметрии является масса.

Титриметрические методы.

Титриметрическим методом количественного химического анализа называют метод, основанный на измерении количества реагента В, затраченного на реакцию с определяемым компонентом А. Практически удобнее всего прибавлять реагент в виде его раствора точно известной концентрации. В таком варианте титрованием называют процесс непрерывного добавления контролируемого количества раствора реагента точно известной концентрации (титрана) к раствору определяемого компонента.

В титриметрии используют три способа титрования: прямое, обратное и титрование заместителя.

Прямое титрование - это титрование раствора определяемого вещества А непосредственно раствором титрана В. Его применяют в том случае, если реакция между А и В протекает быстро.

Обратное титрование заключается в добавлении к определяемому веществу А избытка точно известного количества стандартного раствора В и после завершения реакции между ними, титровании оставшегося количества В раствором титрана В'. Этот способ применяют в тех случаях, когда реакция между А и В протекает недостаточно быстро, либо нет подходящего индикатора для фиксирования точки эквивалентности реакции.

Титрование по заместителю заключается в титровании титрантом В не определяемого количества вещества А, а эквивалентного ему количества заместителя А', получающегося в результате предварительно проведенной реакции между определяемым веществом А и каким-либо реагентом. Такой способ титрования применяют обычно в тех случаях, когда невозможно провести прямое титрование.для фиксирования точки эквивалентности реакции.

Титрование по заместителю заключается в титровании титрантом В не определяемого количества вещества А, а эквивалентного ему количества заместителя А', получающегося в результате предварительно проведенной реакции между определяемым веществом А и каким-либо реагентом. Такой способ титрования применяют обычно в тех случаях, когда невозможно провести прямое титрование.

Кинетические методы.

Кинетические методы основаны на использовании зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, а в случае каталитических реакций и от концентрации катализатора. Аналитическим сигналом в кинетических методах является скорость процесса или пропорциональная ей величина.

Реакция, положенная в основу кинетического метода, называется индикаторной. Вещество, по изменению концентрации которого судят о скорости индикаторного процесса, - индикаторным.

Биохимические методы.

Среди современных методов химического анализа важное место занимают биохимические методы. К биохимическим методам относят методы, основанные на использовании процессов, происходящих с участием биологических компонентов (ферментов, антител и т.п.). Аналитическим сигналом при этом чаще всего являются либо начальная скорость процесса, либо конечная концентрация одного из продуктов реакции, определяемая любым инструментальным методом.

Ферментативные методы основаны на использовании реакций, катализируемых ферментами - биологическими катализаторами, отличающимися высокой активностью и избирательностью действия.

Иммунохимические методы анализа основаны на специфическом связывании определяемого соединения - антигена соответствующими антителами. Иммунохимическая реакция в растворе между антителами и антигенами - сложный процесс, протекающий в несколько стадий.

7. Выбор вида индикатора. Популяционные характеристики, используемые для оценки популяции под действием кадмия

Некоторые экотоксикологические показатели, характеризующие состояние природных популяций животных при токсическом загрязнении среды обитания, рассмотрены выше. В силу трудоемкости таких оценок невозможно детально анализировать состояние популяций даже ограниченного числа видов. Поэтому проблема выбора минимального числа видов-индикаторов, оценка состояния которых может в достаточной степени отражать состояние природных экосистем, требует серьезного обоснования.

По С.С.Шварцу, в структуре природных биогеоценозов могут быть выделены немногочисленные популяции видов-доминантов, определяющих продуктивность биоценоза и его своеобразие. Остальные популяции представлены многочисленными видами-сателлитами, обеспечивающими необходимые условия для протекания биогеохимических циклов, характерных для данного ценоза.

Опыт использования различных групп животных, растений и микроорганизмов в качестве биоиндикаторов состояния экосистем показывает, что одного универсального индикатора подобрать невозможно. Невозможно подобрать и универсальные критерии к отбору видов-индикаторов состояния экосистем. Эти критерии становятся противоречивыми и не сочетающимися в одном виде, как только задача характеристики экосистемы начинает уточняться.В качестве примера приведем дождевых червей -- наиболее удобный вид-индикатор состояния почв. В силу специфики экологии этого вида он наиболее чувствителен к загрязнению почв тяжелыми металлами и радиоактивными элементами. Успешно используется и лихеноиндикация, основанная на высокой чувствительности лишайникового покрова к загрязнению атмосферы сернистыми соединениями.

Наиболее рационально использование видов, отражающих состояние компонентов природных экосистем. Выбор этот должен удовлетворять следующим требованиям:

- среди видов-индикаторов должны быть продуценты, консументы, редуценты;

- среди видов консументов должны быть представители основных трофических звеньев.

Таким образом, выделенные виды-индикаторы должны отражать неспецифические ответы экосистем на разнообразные виды токсического и иного воздействия. Это позволяет рассматривать их состояние в качестве сочетанного ответа на одновременное действие многих токсических факторов. В силу неизбежной неполноты имеющейся информации, сложности и нелинейности характера реакции природных экосистем на токсическое воздействие в настоящее время не существует сколько-нибудь надежных методов диагностики их состояния в условиях загрязнения природной среды.

Отмеченная сложность и неоднозначность диагностики состояния природных экосистем не исключает необходимости введения некоторого единого подхода, позволяющего классифицировать территорию по степени экологического неблагополучия.

Несмотря на то что здоровье человека регламентируется системой санитарно-гигиенических нормативов, упоминание в тексте Закона состояния здоровья населения оправдано, поскольку оно определяется природной средой.

Биотестирование

Биотестирование представляет собой методический прием, основанный на оценке действия фактора среды, в том числе токсического, на организм, его отдельную функцию или систему организмов (Методы биотестирования…, 1989). Согласно Морозовой (2001) биотестирорвание - это метод моделирования последствий воздействия фактора, обладающего общебиологическим действием на живое. Главная задача, решаемая биотестированием ? это получение быстрого ответа - есть или отсутствует токсичность (Тарасенко, 1999). Евгеньев (1999) под биотестированием понимает приемы исследования, при котором о качестве среды, факторах, действующих самостоятельно или в сочетании u1089 с другими, судят по выживаемости, состоянию и поведению специально помещенных в эту среду организмов - тест-объектов. Тест-объекты должны отвечать следующим требованиям:

1. Высокая чувствительность к воздействиям даже малых доз мутагена.

2. Быстрота и экономичность методов тестирования.

3. Воспроизводимость (возможность получения аналогичных результатов на этой же тест-системе).

4. Чувствительность не только к мутагенам, но и к их метаболитам. 14

5. Возможность экстраполировать данные, полученные при исследованиях in vitro на условия in vivo (Дмитриева, Парфёнов, 1991).

Биотестирование не отменяет систему аналитических и аппаратурных методов контроля природной среды, а лишь дополняет ее качественно новыми биологическими показателями, так как с экологической точки зрения сами по себе результаты определения концентрации токсикантов имеют относительную ценность (Патин, 1981). По мнению Оливернусовой (1991), использование биологических тест-систем позволяет определить изменения в экосистемах на очень ранней стадии, когда они еще не проявляются в виде морфологических и структурных изменений и их нельзя выявить другими методами. Это дает возможность предвидеть нарушения экосистемы и вовремя принять меры. Кроме того, состояние биоиндикаторов можно использовать как дополнительную информацию при оценке здоровья населения. По словам Егоровой (2002) кумулятивный эффект всего многообразия сочетаний различных воздействий возможно оценить лишь с помощью биотестирования. Тарасенко (1999) рассматривает биотестирование как введение в более тщательный и всесторонний анализ химического состава воды. Вопросам биотестирования загрязненности воды поллютантами посвящены многие работы (Илющенко, Щегольков, 1990; Морозова с соавт., 2001; Христова, Безруков, 1994).

Несмотря на некоторые недостатки биотестирования (трудностью учета адаптационно-приспособительных изменений тест-организмов; фазностью и сезонностью их реагирования, вызванной стимуляцией физиологических функций под воздействием малых концентраций загрязняющих веществ и их угнетением под воздействием больших концентраций; различием метаболизма водных растений и животных и др.) (Бутаев с соавт., 2002). Перспективность контроля антропогенного загрязнения природных вод с помощью биотестов обоснована многочисленными исследованиями, и в Российской Федерации с 1991 г. Оно 15 стало обязательным элементом экологического мониторинга (Правила охраны поверхностных вод…, 1991). Кроме того, методы биотестирования нашли свое отражение в таких нормативных документах, как РД 118-02-90; РД 52.18.344-93; ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.4-99; СП 2.1.7.1386-03 и др). В 15 субъектах продолжался эксперимент, направленный на внедрение методов биотестирования в области оценки качества возвратных вод и определения платы за сброс с учетом суммарной токсичности загрязняющих веществ. На основе результатов эксперимента подготовлена "Инструкция по расчету платы за сброс в водные объекты загрязняющих веществ с учетом их суммарной токсичности", которая направлена на рассмотрение в Минфин России и Минэкономики России (Государственный доклад …, 1999)

Биоиндикация - родственный биотестированию прием, использующий для этих же целей организмы, обитающие в исследуемой среде. При выборе таких организмов приходится соблюдать определенные требования, среди которых возможность фиксировать четкий, воспроизводимый и объективный отклик на воздействие внешних факторов, чувствительность этого отклика на малые содержания загрязнителей и др. (Егоров, Егорова, 1999; Волков 2001; Егоров с соавт., 2001; Михайлуц с соавт., 2001; Федорова 2002).

Известен пример биотестирования, основанный на использовании канареек для индикации появления рудничного газа в горных выработках горняками в средние века. Поведение птицы или ее гибель оповещали шахтеров о грозящей им опасности.

Биоиндикацию можно проводить на уровне молекул, клеток, органов (систем органов), организмов, популяций и даже биоценоза. Повышение уровня организации живой природы может приводить к усложнению, неоднозначности взаимосвязи биологического u1086 отклика антропогенными факторами исследуемой среды, поскольку на них могут накладываться и природные факторы. Поэтому в качестве биотестов выбирают наиболее чувствительные к исследуемым загрязнителям организмы.

Использование биохимических реакций (молекулярный уровень индикации) связано с тем, что они наиболее чувствительны к воздействию внешних загрязнителей. В присутствии загрязнителей окружающей среды, например, происходит уменьшение содержания хлорофилла в мембранах хлоропластов растений или понижается способность фитопланктона к продуцированию кислорода в процессе фотосинтеза. Это может служить индикаторным признаком воздействия на живую природу газопылевых выбросов предприятий или токсичных компонентов сточных вод (Евгеньев, 1999).

При проведении биологического тестирования на уровне организмов выбор биологических переменных предполагает, что отклик должен коррелировать с изменениями на экосистемном уровне. Выявить такую зависимость на практике достаточно сложно. Однако такие показатели организмов, как рост особей, их продуктивность, выживаемость, состояние органов дыхания, состава крови и плазмы, удается использовать для биологического тестирования состояния среды (Евгеньев, 1999).

Чувствительность отклика биотестов на содержание биологически активных веществ в испытуемой среде можно проиллюстрировать на примерах. Многие организмы способны аккумулировать (накапливать) химические загрязнители выше их естественного содержания в воде и почве без быстро проявляющихся нарушений. Такая способность тест-организмов оказалась полезной в качестве индикаторного признака загрязнения окружающей среды и используется для аккумулятивной биоиндикации. Этот прием биотестирования применяют при исследовании процессов миграции токсичных веществ в окружающей среде. В качестве тест-организмов выбирают те из них, которые имеют высокий коэффициент биологического накопления (КН) токсикантов из окружающей среды. Величина КН зависит от природных факторов. Бензпирен в гидробиоте Берингова моря накапливается с КН, равным 2,9 " 103, а в теплых водах Средиземного моря накопление возрастает в пять раз. Знание КН оказалось удобным для глобального и регионального мониторинга окружающей среды.

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.

8.Токсикологические методы оценки воздействия присутствующей дозы кадмия 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.

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.

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.

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.

Библиографический список

http://www.bestreferat.ru/referat-61878.html

http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnihttp://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/KADMI.htmlk http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=664521a/himiya/KADMI.html?page=0,4

http://xreferat.ru/10/518-1-izuchenie-toksicheskogo-vliyaniya-kadmiya-na-aktivnost-aminotransferaz-u-potomstva-belyh-krys.html

http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/KADMI.html

http://referat.yabotanik.ru/jekologiya/toksikologicheskie-metody-ocenki-vozdejstviya-prisutstvujushhej-dozy/199281/186392/page4.html

Размещено на Allbest.ru