Философские дискуссии в современном естествознании представляют собой в некотором смысле необычную картину, а именно: весьма активно обсуждаются методологические и мировоззренческие проблемы биологии и физики, синергетики и астрономии, генетики и биотехнологии, однако не очень большое внимание уделяется аналогичным вопросам химии. Может оказаться, что, базируясь на таких фундаментальных обобщениях, как периодический закон, теория химического строения, химическая термодинамика, химия открыла широкие возможности для исследования и синтеза миллионов веществ неживой и живой природы, для создания раннее неизвестных соединений. Вроде бы она увлеклась эмпиризмом, утилитарной стороной и ее не интересуют сложные мировоззренческие и методологические проблемы, стоящие перед ней. "Однако перед химией, - подчеркивает Ю.А. Жданов, - стоят свои сложные и актуальные проблемы теоретического и методологического характера, и без их уяснения не только она сама, но и ряд других наук не смогут продуктивно двигаться вперед".

Теперь рассмотрим экологический аспект химии, когда происходит процесс загрязнения окружающей среды, который в силу его нелинейности оказывает вредное влияние на человека. Здесь можно выделить целый спектр вредных для нашего здоровья факторов: химическое загрязнение почвы и следующая отсюда опасность продуктов, химическая загрязненность воздуха воды и прочие экологически опасные воздействия. В данном случае следует считаться с антропогенной природой различного рода загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы. «Человек является естественным и основным загрязнителем, - подчеркивает Дж. Бокрис, - планеты. Долгое время экологическое развитие было гармонично. Жизнь одного организма в процессе развития была подчинена целому, и она соответствовала химическим процессам, протекавшим вокруг нее. До нынешнего столетия человек не очень ощутимо влиял на сбалансированную в процессе развития экологическую ситуацию. Нарушение этой гармонии, с которой в настоящее время столкнулся человек, является следствием увеличения объема химических и других промышленных предприятий, сбрасываемых в воду и в воздух. В атмосфере происходят фотохимические процессы, с помощью которых перерабатываются загрязняющие вещества и восстанавливается баланс. Однако с начала XX в. Человек выбросил в атмосферу такое количество загрязнителей, что они нарушают природные процессы восстановления баланса». Химическая загрязненность окружающей среды оказывает значительное влияние на жизнедеятельность и поведение человека, так как наносит ощутимый вред его организму.

Давно установлено, что поведение человека и сопряженные с ним его здоровье и патология детерминировано химической природой окружающей среды. Селективный выбор химических веществ лежит в основе поиска лекарственных препаратов для лечения различного рода заболеваний, в том числе и психических. Известно немало веществ, вызывающих нарушение нормального поведения человека, например, приводящих к наркомании. Однако они составляют только очень небольшую часть огромного разнообразия химических веществ, оказывающих биохимическим путем воздействие на здоровье человека. Ведь химические вещества вне зависимости от способов проникновения в организм человека влияют на протекание биохимических процессов в организме. Это обусловлено, во-пepвых, закономерностями генезиса биосистем на нашей планете - в ходе химической эволюции одним из самых ранних основных изменений был переход от восстановительной атмосферы к окислительной, в которой начали развиваться характерные для нашего времени биосистемы. Гармоничность такой эволюции четко проявляется в «... единстве, которое подразумевает биохимическую эволюцию гораздо более сложную и происшедшую гораздо раньше, чем биологическая эволюция, которая дала нам все столь разнообразные формы, явления и поведенческие образцы в растительном и животном мире». Следовательно, внешняя химическая среда детерминировала природу выживших в ходе эволюции организмов.

Во-вторых, выживание организмов связано с развившейся способностью организма к воспроизводству. Расшифровка кода ДНК – основного генетического материала, транслируемого от поколения к поколению – показала, что развитие индивида регулируется на молекулярном уровне и протекает за счет большого числа биохимических реакций. Тогда становится ясным, что все остальные свойства организма (анатомические, электрофизиологические, поведенческие и пр.) в определенном смысле зависят от биохимических процессов. Это объясняет, почему на здоровье и патологию человеческого организма, прежде всего, оказывает влияние биохимические факторы, почему наиболее значимыми являются воздействия внешней химической среды.

Само собой разумеется, что в ходе эволюционного процесса сформировалась способность биосистемы реагировать как единое целое на воздействия окружающей среды, от чего зависит физическое состояние индивида, основной причиной изменения этого состояния человека являются нейрохимические процессы, которые протекают в нервной системе, особенно в центральной нервной системе, тонкая организация которой обеспечивает возможность осуществления множества таких процессов. Мозг человека содержит, как известно, порядка 100 млрд. нейронов, он представляет собой нейронную сеть, которая является фракталом, т.е. обладает нелинейностью. И сам организм человека есть динамическая нелинейная система, поэтому связь между состоянием человека и внешней химической средой в самом общем виде является нелинейной. Результаты экспериментов по выявлению связей чувствительности поведения и острых изменений химической среды, когда нарушается нормальное состояние организма, показывает нелинейную (экспоненциальную) зависимость (связь) между состоянием организма и экзогенным химическим веществом. В общем случае неважно, каким путем попадают химические вещества в организм человека - соматическим, при вдыхании, через кожу или слизистую оболочку, вследствие инъекции или имплантации; главное состоит в том, что они оказывает нелинейное воздействие на состояние организма человека. Это имеет немаловажное значение для методов контроля и очищения окружающей среды от химических загрязнений, чтобы человек мог нормально санкционировать и осуществлять свою деятельность.

Заслуживает философского осмысления происходящий в современной химии переход от конструирования молекул к созданию молекулярных машин. Химия относится к тем областям фундаментального знания, которая позволяет синтезировать и изучать молекулы, а это означает, что химия как раздел естественных наук занята изучением вещества на уровне его молекулярной организации. Данная область исследований кажется непредельной и в действительности является таковой. В каталог химии занесены сотни тысяч молекул природного происхождения, строение которых расшифровано в лабораториях, а к настоящему времени к этому числу добавлено более 15 млн. молекул, синтезированных химиками и не встречающихся в живой природе веществ. Разработанная химиками методология синтеза, методы исследования молекулярной структуры и их превращений (а среди новейших из них есть такие, как сканирующая туннельная микроскопия и лазерная фемтосекундная спектроскопия, в которых достигаются пространственное и временное разрешения на уровне размеров отдельных атомов и их перемещений за исчезающие малые промежутки времени в 10 -15 с), позволяет успешно постигать тайны строения молекул и их различных свойств. Это относится даже к самым неустойчивым из них, разлагающимся в обычных условиях за миллионные доли секунды.

«Означают ли эти достижения, - пишет В.И. Минкин, - что химия как наука уже решила свою задачу и, хотя ее возможности производить новые молекулы в еще большем количестве остаются неограниченными, сам этот процесс приобретает все более рутинный характер? Действительно, в настоящее время стал, например, возможным, автоматический синтез пептидов (низкомолекулярных белков). Такая оценка общего состояния химической науки (науки, законы которой в равной мере важны для постижения живой и неживой Природы) была бы поспешной. Да и совсем не оригинальной». Ведь еще в 1929 г. нобелевский лауреат Поль Дирак с открытием квантовой механики утверждал: "Основные физические законы, необходимые для математической теории части физики и всей химии становятся, таким образом, полностью известными, и затруднения состоят только в том, что точное применение этих законов приводит к уравнениям, слишком сложным, чтобы их можно было решить". Данный тезис Дирака оказался в центре широких дискуссий среди физиков, химиков и адептов и противников философии редукционизма. Во многих монографиях и учебниках по теоретической и физической химии приводится данное высказывание классика науки, причем акцент делается на несбыточности предсказания. Очевидно, Дирак высказывал свою мысль в качестве некоей гиперболы, чтобы подчеркнуть исключительную важность новой теории микромира. Сами постулаты квантовой механики, вытекающие из них следствия оказались верными, а как было уже показано сейчас полное уравнение Шредингера не решается точно даже для простейших молекул, а хорошие приближения к точным решениям для молекул среднего размера требуют времени работы суперкомпьютера, исчисляемое сутками. Можно сказать, что методы квантовой механики определяют, в основном, темпы научного прогресса, но не характер научного творчества. Известно, что творческие по своей природе иррациональны и не могут быть выведены логическим, дедуктивным путем - в противном случае любой владеющий логикой человек мог делать научные открытия (в этом случае наука просто была бы не нужна). К тому же не следует забывать, что периодическая система элементов и теория молекулярного строения органических соединений были созданы химиками задолго до формирования принципов квантовой механики и даже до открытия электрона.

Известно, что выбор направлений научного поиска диктуется двумя факторами: запросом общественной потребности и внутренним импульсом исследователя к открытию новых явлений и закономерностей, проникновению в тайны Природы. На разных этапах развития общества в зависимости от достигнутого уровня знаний тенденции научного поиска и приоритеты выбора целей меняются. В химии 60-80-х годов центр тяжести исследований приходился на изучение тонкой структуры молекул, механизмов реакций и внутримолекулярной динамики. В последнее десятилетие четко выявился интерес к объектам и целям повышенной сложности - изучению и моделирова­нию функций биологически важных молекулярных систем, а также созданию новых высокотехнологичных материалов, построенных из элементов наноскопического масштаба. Эта тенденция отражает переход от исследования отдельных молекул и их небольших ассоциатов к исследованию строения свойств и трансформаций достаточно больших агрегатов молекул, направленному конструированию организованных молекулярных ансамблей с целью создания своеобразных молекулярных машин, т.е. молекулярных устройств, в которых изменения, индуцируемые в отдельных cocтавляющих молекулах, вызывают кооперативные процессы во всей системе (К. Дрекслер). Такие устройства могут служить для превращения одного вида энергии в другой, аккумуляции световой энергии, записи, хранения и передачи информации, молекулярного компьютинга и пр. "Конструирование таких устройств составляет область, - подчеркивает В.И.Минкин, – которую обозначают термином молекулярная инженерия".

Для химии небо остается широко открытым, ибо это не только наука, но и искусство. Искусство, конечно же, благодаря красоте своих объектов, но и по самой своей сути, благодаря своей способности и бесконечно изобретать и творить свои объекты, самое себя, свое собственное будущее. Подобно художнику, химик воплощает в материальных образах плоды своего собственного воображения. Камень, звуки, слова сами по себе не содержат создаваемых из них произведений скульптора, композитора, писателя. Подобным образом, химик создает новые молекулы, новые материалы и новые свойства из элементов, предоставляемых ему природой. Он воистину творит новые миры, которые не существовали, пока не вышли, оформившись из рук химика, подобно тому как материал, только выйдя из рук мастера, приобретает силу и выразительность произведения искусства. Это прекрасно передал в своем творении Опост Роден.

Химия обладает этим творческим потенциалом. Как Марселей Бертло: «Химия сама создает свои объекты». Она не просто создает предметы, она творит предмет своего исследования. Он не существует изначально, изобретается и создается в процессе исследования. Он не просто ждет своего открытия, он ждет своего создания. Суть химической науки нашла свое полное выражение в словах художника – ученого Леонардо да Винчи: «… там, где природа перестает творить свои собственные объекты, за дело берется человек, который создает, используя природные материалы и при помощи природы, бесчисленное множество новых объектов…».

Суть химии не только в открытиях, но и в изобретениях, в творческом созидании, прежде всего. Книгу химии надо не только читать, но и писать; партитуру химии надо не просто исполнить, ее надо сочинить. Философская значимость современной химии состоит в том, что она позволяет конструировать новые вещества и материалы, не встречающиеся в живой природе, а это, в свою очередь, вносит новое измерение в смысл экзистенции человека. Ведь очень сложными и многообразными обещают быть объекты супрамолекулярного химического творчества, в результате которого можно создавать целые химические галактики. Творчество же, как известно, служит поиску смысла нашей жизни, удовлетворяя высшую потребность в самоактуализации.

Похожая информация.

В 1980-е и 1990-е годы проблемы, связанные с окружающей средой, широко обсуждались учеными, политиками и в средствах массовой информации. Большое внимание было уделено вопросам глобального и регионального масштаба, например эмиссии диоксида углерода (СО 2), связанной с глобальным потеплением климата, и истощению озонового слоя стратосферы в связи с выбросами хлорфторуглеводородов (ХФУ). Однако проблемы местного значения рассматривались не менее серьезно, поскольку их последствия оказываются более явными и непосредственными. Вопросы, связанные с загрязнением водных ресурсов продуктами выщелачивания, поступающими со свалок, и образованием радона в жилых домах, являются теперь достоянием не только нескольких узких специалистов, но и заботой широкого круга населения. Следует отметить, что многие из этих проблем требуют понимания механизмов химических реакций и потому химия окружающей среды становится особенно важной и актуальной дисциплиной.

Химия окружающей среды в настоящее время становиться одной из ведущих дисциплин в связи с все возрастающим воздействием антропогенных химических соединений на окружающую среду. В предлагаемом курсе излагаются основные принципы, необходимые для изучения химии окружающей среды и показывается, как применяются эти принципы в локальных и глобальных масштабах и как проявляется эффект геохимических процессов во временном масштабе.

Цель курса химические основы экологии – знакомство учащихся с некоторыми основополагающими химическими принципами, которые используются в химии окружающей среды, и иллюстрация их применение в различных ситуациях как глобального, так и регионального масштаба.

Основной идеей этого курса является необходимость понимания того, как протекают природные геохимические процессы и как они действовали в различных временных масштабах. Такое понимание дает базовую информацию, на основе которой можно количественно учесть последствия вмешательства человека в химические процессы. Курс не пытается дать исчерпывающий обзор, в него включены темы, освещающие основополагающие химические принципы.

Пояснительная записка

Программа «Химические основы экологии» является модифицированной (Шустов С.Б., Шустова Л.В. «Химия и экология», Н.Новгород, 1994г., Нижегородский гуманитарный центр). Программа способствует интеграции естественных наук и гуманитарных наук, укрепляет систему экологического познания.

Программа может быть реализована в учебном плане 9-11классов, предполагает снятие необоснованных предубеждений в отношении химии как «основного виновника» экологических бед, оценку её положительной роли в современном решении проблем окружающей среды, формирование оптимистического взгляда в будущее и веры в разум человека.

Цель

Заложить основы для восприятия базового курса химии с позиций экологической проблематики, развить естественнонаучных знания, а также приобщить учащихся к видению химических аспектов экологии.

Задачи

1. Развитие познавательного интереса к экологическим проблемам.

2. Развитие личностного самообразования.

3. Создание комфортной обстановки, атмосферы сотрудничества.

4. Формирование общественной активности по вопросам экологии.

5. Формирование специальных знаний и умений.

Ожидаемые результаты

Учащимися должны быть переосмыслены основы базового курса химии с позиций экологической проблематики, скорректирован стереотип отношения к химии как «основного виновника» экологических проблем. Реализация программы даст возможность влиять на формирование у старшеклассников жизненных принципов, основанных на сотрудничестве человека с природой, воспитание ответственного отношения к природе.

Кроме того, комфортная благоприятная обстановка и атмосфера сотрудничества на занятиях способствует самообразованию.

Способы проверки знаний, умений, навыков и периодичность

Стартовое, промежуточное и итоговое тестирование.

Введение. 2 ч. (1+1)

Химия – наука о веществах и их превращениях. Экология – наука, изучающая отношение организмов между собой и окружающей средой. Взаимосвязь химии и экологии, их роль в познании окружающего мира. Охрана природы – комплекс мер по защите и сохранению объектов природы и рациональному использованию природных ресурсов. Двойственная роль человека в окружающей среде.

Практическая часть. Интервьюирование (опрос) учащихся школы с целью выявления их отношения к природе и её охране и сопоставление их ответов со своим личным отношением к проблеме.

Тема №1. Важнейшие химические понятия. 3 ч. (2+1)

Химические вещества и химические реакции. Простые и сложные вещества. Основные классы веществ. Графическое изображение веществ. Уравнения химических реакций. Знакомство с техникой безопасности при работе в химическом кабинете.

Практическая часть. Сопоставление физических явлений и химических реакций. Демонстрационное изменение окраски индикаторов в различных средах.

Тема №2. Основные экологические понятия. 4ч. (3+1)

Экологические фильтры. Организм, Цепи питания. Понятие о ПДК. Экологическая пирамида чисел и массы. Биосфера. Ноосфера. Уровни экологических проблем: местный, региональный, глобальный. Экологический кризис.

Практическая часть. Определение уровня экологических проблем.

Тема №3. Организм человека – химическая лаборатория. 4 ч. (3+1)

Химическая организация организмов. Понятие об органических веществах: белках, жирах, углеводах, нуклеиновых кислотах, гормонах, витаминах. Неорганические вещества: вода, соли натрия, калия, кальция. Соединения железа, меди, кобальта, фосфора и их биороль. Причины быстрого старения организма. Ортобиоз – здоровый образ жизни.

Практическая часть. Ознакомление с составом зубной эмали и дентина. Причины появления кариеса.

Тема № 4. Атмосфера Земли и её охрана. 4 ч.(2+2)

Атмосфера – воздушная среда обитания. Воздух и его компоненты. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. «Гигиена» воздуха. Вред, наносимый здоровью человека курением. Причины возникновения парникового эффекта, разрушения озонового слоя и возможные последствия. Охрана атмосферы. Экологические чистые виды топлива. Альтернативные источники энергии.

Практическая часть. Игра: «Если бы я был мэром...» Конкурс проектов: «Экологические чистые виды транспорта 21 века».

Тема №5. Гидросфера и её охрана. 4 ч. (2+2)

Вода, её состав и свойства. Гидросфера – водная среда обитания организмов. Основные источники и пути загрязнения водоёмов: добыча и транспортировка нефти, угля, руды, промышленные, сельскохозяйственные и бытовые стоки. Проблема дефицита пресной воды и её решение.

Практическая часть. 1. Имитационная игра: «Оперативное совещание» (проблема: нефть в море). 2. Экологическое прогнозирование. Оценка ситуации: водители моют машины на берегу водоёма. Разработка проекта экологически безопасной площадки для мойки машин.

Тема №6. Литосфера и её охрана. 4 ч. (2+2)

Литосфера и её границы. Почва, её функции. Загрязнение почвы тяжёлыми металлами (источники, последствия, защита). Накопление в почве пестицидов – химические средства борьбы с сорняками, болезнями растений. Влияние пестицидов на природную среду. Альтернативные способы борьбы с вредителями. Проблема городских и промышленных свалок и пути её решения.

Практическая часть. Круглый стол «Пестициды и окружающая среда». Составление памятки дачнику.

Тема №7. Химия в быту. 4 ч.(2+2)

Основные вещества, используемые в быту, их свойства. Техника безопасности при обращении с бытовыми химикатами. Первая помощь при химических отравлениях и ожогах. Этанол (состав, свойства, двойственная роль в отношении человека)

Практическая часть. 1. Знакомство с основными группами веществ, применяемых в быту. Конкурс инструкций по домашней технике безопасности. 2. Дискуссия: Этанол: факты «за» и «против».

Тема №8. Земля – наш общий дом. 4 ч. (2+2)

Круговорот веществ в биосфере. Распространенность элементов в земной коре. Понятие о методах контроля за поступлением металлов в растительные и животные организмы. Ксентобиотики – вещества, не свойственные живым организмам (косметические средства, аэрозоли). Экоотравления. Аллергия как результат экоотравлений. Пути сохранения чистоты биосферы. Роль экологии, химии в решении экологических проблем.

Программа рассчитана на 34 часа, из них – 20 часов теория, 14 часов практика.

Учебно-тематический план

№ п/п

Название разделов, тема

Количество часов

всего

теория

практика

Введение

Важнейшие химические понятия

Атмосфера Земли и её охрана

Гидросфера и её охрана

Литосфера и её охрана

Химия в быту

Земля – наш общий дом

ИТОГО:

34

20

14

Методическое обеспечение

Тема

Форма занятий

Приемы, методы

Методический и дидактический материалы

Техническое оснащение

Форма подведения итогов

Введение

Групповая работа

Интервьюирование

Групповое задание

Беседа

Карточки

Подведение итогов

интервьюирование

Важнейшие химические понятия

Практическое занятие

Групповые задания

Таблицы

Схемы

Растворы кислот, щелочи, солей и различных индикаторов

Реферат

Основные экологические понятия

Групповая

Индивидуальная

Практическая

Лекция

Беседа

Слайды

Таблицы

Экран

Презентация

Организм человека – химическая лаборатория

Групповая

Практическая

Лекция

Дидактические карточки

Практическая работа

Таблицы

Схемы

Дидактические карточки

Доклад

Гидросфера и её охрана

Групповая работа Имитационная игра Прогнозирование Моделирование

Групповые и индивидуальные задания Беседа

Дидактические карточки Таблицы Слайды

Экран

Имитационная игра

Литосфера и её охрана

Групповая работа Круглый стол

Лекция Беседа Индивидуальные задания

Дидактические карточки Видеофильм

Видеомагнитофон

Круглый стол Составление памятки дачнику

Атмосфера и её охрана

Групповая работа Индивидуальная работа

Игра

Лекция Творческие задания Групповые задания

Таблицы

Схемы

Слайды

Экран

Конкурс

проектов

Химия в быту

Практические задания Дискуссия

Индивидуальные задания Групповые задания Беседа

Дидактические карточки

Вещества, применяемые в быту

Дискуссия «Этанол: за и против»

Земля – наш общий дом

Групповые занятия Практическое занятие Конференция

Лекция

Беседа

Групповые задания

Таблицы

Схемы

слайды

Экран

Конференция «Химия и экология»

Список литературы

Шустов С. Б., Шустова Л. В. Химия и экология. Учебное пособие для учащихся. Н. Новгород, 1994 г. Нижегородский гуманитарный центр.

Э. Гроссе, Х. Вайсмантель. Химия для любознательных. Ленинград, «Химия», 1985 г.

В.И.Голик, В.И. Комащенко, К. Дребенштедт. Охрана окружающей среды. Москва, 2005 г.

А.Ф.Сергеева. Урожай без химии или экология шести соток. Ростов-Феникс, 2001 г.

Г.П. Поляшова. Лечение без химии. Проверенные средства народной медицины. Золотая книга народной медицины. ЭКСМО, 2005 г.

Экологические аспекты химии элементов

Микроэлементы и ферменты. Представление о металлоферментах. Специфические и неспецифические ферменты. Роль ионов металлов в ферментах. Горизонтальное сходство в биологическом действии d-элементов.Синœергизм и антагонизм элементов.

Склонность ионов d-элементов к гидролизу и полимеризации

В кислых средах ионы d-элемента находятся в виде гидратированных ионов [М(Н 2 О) m ] n+ . При повыше­нии рН гидратированные ионы многих d-элементов вследствие большого заряда и небольшого размера иона обладают высоким поляризующим влиянием на молекулы воды, акцепторной способностью к гидроксид-ионам, подвергаются гидролизу катионного типа, образуют прочные ковалентные связи с ОН - . Процесс заканчивается либо образованием базовых солей [М(ОН) m ] (m-n)+ , либо нерастворимых гидроксидов М(ОН) n , либо гидроксокомплексов [М(ОН) m ] (n-m)- . Процесс гидролитического взаимодействия может протекать с образованием многоядерных комплексов в результате реакции полимеризации.

2. 4. Биологическая роль d-элементов (переходных элементов)

Элементы, содержание которых не превышает 10 -3 %, входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других жизненно важных соединœений. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы: Fe, Co, Mn, Zn, Мо, V, В, W; в синтезе белков уча­ствуют: Mg, Мn, Fe, Со, Си, Ni, Сr, в кроветворении – Со, Ti, Си, Mn, Ni, Zn ; в дыхании - Mg, Fe, Сu, Zn, Mn и Co. По этой причине микроэлементы нашли широкое применение в медицинœе, в качестве микроудобрений для полевых культур, подкормки в животноводстве, птицеводстве и рыбоводстве. Микроэлементы входят в состав большого числа биорегуляторов живых систем, в основе которых лежат биокомплексы. Ферменты - ϶ᴛᴏ особые белки, ко­торые действуют как катализаторы в биологических системах. Ферменты – уникальные катализаторы, обладающие непревзойденной эффективностью действия и высокой селœек­тивностью. Пример эффективности протекания реакции разложения перекиси водорода 2Н 2 О 2 ® 2Н 2 О +О 2 в присутствии ферментов приведен в таблице 6.

Таблица 6. Энергия активации (Е о) и относительная скорость реакции разложения Н 2 О 2 при отсутствии и в присутствии различных катализаторов

Сегодня известно более 2000 ферментов, многие из которых катализируют одну реакцию. Активность большой группы ферментов проявляется только в присутствии определœенных соединœений небелковой природы, называемых кофакторами. В качестве ко­факторов выступают ионы металлов или органические соединœения. Примерно третья часть ферментов активируется переходными металлами.

Ионы металлов в ферментах выполняют ряд функций: являются электрофильной группой активного центра фермента и облегчают взаимодействие с отрицательно заряженными участками молекул субстрата͵ формируют каталитически активную конформацию структуры фермента (в формировании спиральной структуры РНК, принимают участие ионы цинка и марганца), принимают участие в транс­порте электронов (комплексы переноса электрона). Способность иона металла выполнять свою роль в активном центре соответствующего фермента зависит от способности иона металла к комплексообразованию, геометрии и устойчивости образуемого комплекса. Это обеспечивает повышение селœективности фермента по отношению к субстратам, активации связей в ферменте или субстрате посредством координации и изменении формы субстрата в соответствии со стерическими требованиями активного центра.

Биокомплексы различа­ются по устойчивости. Одни из них настолько прочны, что постоянно находятся в организме и выполняют определœенную функцию. В тех случаях, когда связь кофактора и белка фермента прочна и разделить их трудно, его называют «простетической группой». Такие связи обнаружены в ферментах, содержащих гем-комплексное соединœение желœеза с про­изводным порфина. Роль металлов таких комплексов высокоспецифична: замена его даже на близкий по свойствам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Данные ферменты относят к специфическим ферментам.

Примерами таких соединœений является хлорофилл, полифенилоксидаза, витамин В 12 , гемоглобин и некоторые металлоферменты (специфические ферменты). Немногие ферменты принимают участие только в одной определœенной или единственной реакции.

Каталитические свойства большинства ферментов определяются активным центром, образуемым разными микроэлементами. Ферменты синтезируются на период выполнения функции. Ион металла выполняет роль активатора и его можно заменить ионом другого металла без потери физиологической активности фермента. Такие отнесены к неспецифическим ферментам.

Ниже приведены ферменты, в которых ионы различных металлов выполняют сходные функции.

Таблица 7. Ферменты, в которых ионы различных металлов выполняют сходные функции

Один микроэлемент может активировать работу различных ферментов, а один фермент может быть активирован различными микроэлементами. Наибольшую близость в биологическом действии оказывают ферменты с микроэлементами в одинаковой степенью окисления +2. Как видно для микроэлементов переходных элементов в их биологическом действии характерно больше горизонтальное сходство, чем вертикальное в периодической системе Д.И. Менделœеева (в ряду Ti-Zn).Пpи решeнии вопроса о применении того или иного микроэлемента крайне важно учитывать не только наличие подвижных форм этого элемента͵ но и других, имеющих одинаковую степень окисления и способных заменять друг друга в составе ферментов.

Промежуточное положение между специфическими и неспецифическими ферментами занимают некоторые металлоферменты . Ионы металлов выполняют функцию кофактора. Повышение прочности биокомплекса фермента повышает специфичность его биологического действия. На эффективность ферментативного действия иона металла фермента оказывает влияние его степень окисления. По интенсивности влияния микроэлементы расположены в следующий ряд:

Ti 4+ ®Fe 3+ ®Cu 2+ ®Fe 2+ ®Mg 2+ ®Mn 2+ . Ион Мn 3+ в отличии от иона Мn 2+ , очень прочно связан с белками, причем преимущественно с кислородосодержащими группами совместно Fe 3+ входит в состав металлопротеинов.

Микроэлементы в комплексонатной форме выступают в организме в качестве фактора, определяющего, по-видимому, высокую чувствительность клеток к микроэлементам путем их участия в создании высокого градиента концентрации. Значения атомных и ионных радиусов, энергий ионизации, координационных чисел, склонность к образованию связей с одними и теми же элементами в молекулах биолигандов обусловливают эффекты, наблюдаемые при взаимном замещении ионов: может происходить с усилением (синœергизм), так и с угнетением их биологической активности (антагонизм) замещаемого элемента. Ионы d-элементов в степени окисления +2 (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) имеют сходные физико-химические характеристики атомов (электронную структуру внешнего уровня, близкие радиусы ионов, тип гибридизации орбиталей, близкие значения констант устойчивости с биолигандами). Сходство физико-химических характеристик комплексообразователя определяет близость их биологического действия и взаимозаме­няемость. Указанные выше переходные элементы стимулируют процессы кроветворения, усиливают процессы обмена веществ. Синœергизм элементов в процессах кроветворения связан возможно, с участием ионов этих элементов в различных этапах процесса синтеза форменных элементов крови человека.

Для s - элементов I группы характерен по сравнению с другими элементами своего периода небольшой заряд ядер атомов, невысокий потенциал ионизации валентных электронов, большой размер атома и увеличение его в группе сверху вниз. Все это определяет состояние их ионов в водных растворах в виде гидратированных ионов. Наибольшее сходство лития с натрием обусловливает их взаимозаменяемость, синœергизм их действия. Деструктирующие свойства в водных растворах ионов калия, рубидия и цезия, обеспечивает их лучшую мембранопроницаемость, взаимозаменяемость и синœергизм их действия. Концентрация К + внутри клеток в 35 раз выше чем вне ее, а концентрация Na + во внеклеточной жидкости в 15 раз больше чем внутри клетки. Эти ионы в биологических системах являются антагонистами. s - Элементы II группы в организме находятся в виде соединœений образованных фосфорной, угольной и карбоновых кислотами. Кальций, содержащийся в основном в костной ткани, по своим свойствам близок к стронцию и барию, которые могут замещать его в костях. При этом наблюдаются как случаи синœергизма, так и антагонизма. Ионы кальция являются также антагонистами ионов натрия, калия и магния. Сходство физико-химических характеристик ионов Ве 2+ и Mg 2+ обусловливает их взаимозаменяемость в соединœениях, содержащих связи Mg–N и Mg–О. Этим можно объяснить ингибирование магнийсодержащих ферментов при попадании в организм бериллия. Бериллий - антагонист магния. Следовательно, физико-химические свойства и биологическое действие микроэлементов определяются строением атомов. Большинство биогенных элементов - это члены второго, третьего и четвертого периодов периодической системе Д.И. Менделœеева. Это относительно легкие атомы, со сравнительно небольшим зарядом ядер их атомов.

2. 4. 2. Роль соединœений переходных элементов в переносœе электронов в живых системах.

В живом организме многие процессы имеют циклический, волнообразный характер. Химические процессы, лежащие в их основе, должны быть обратимы. Обратимость про­цессов определяется взаимодействием термодинамических и кинœетических факторов. К обратимым относят­ся реакции, имеющие константы от 10 -3 до 10 3 и с небольшим значением DG 0 и DЕ 0 про­цесса. При этих условиях концентрации исходных веществ и продуктов реакции могут на­ходиться в соизмеримых концентрациях и при изменении их в некотором диапазоне можно добиваться обратимости процесса. С кинœетических позиций должны быть низкие значения энергии активации. По этой причине удобным переносчиком электронов в живых системах являются ионы металлов (желœезо, медь, марганец, кобальт, молибден, титан и другие). Присоединœение и отдача электрона вызывают изменения лишь электронной конфигурации иона металла, не изменяя, существенно, структуру органической составляющей комплекса. Уникальная роль в живых системах отведена двум окислительно-восстановительным системам: Fe 3+ /Fe 2+ и Cu 2+ /Cu + . Биолиганды стабилизируют в большей степени в первой паре окисленную форму, а во второй пape – преимущественно восстановленную. По этой причине у систем, содержащих желœезо, формальный потенциал всœегда ниже, а у систем, со­держащих медь, часто выше окислительно-восстановительные системы, имеющие в своем составе медь и желœезо, перекрывают широкий диапазон потенциалов, что позволяет им со многими субстратами вступать во взаимодействие, сопровождающиеся умеренными изменениями DG 0 и DЕ 0 , что отвечает условиям обратимости. Важным этапом обмена веществ является отщепление водорода от питательных веществ. Атомы водорода переходят при этом в ионное состояние, а отделœенные от них электроны поступают в дыхательную цепь; в этой цепи, переходя из одного соединœения к дру­гому, они отдают свою энергию на образование одного из базовых источников энергии аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), а сами, в конечном счете, попадают к молекуле кислорода и присоединяются к ней, образуя молекулы вода. Мостиком, по которому осциллируют электроны, служат комплексные соединœения желœеза с порфириновым ядром, аналогичные по составу гемоглобину .

Большая группа желœезосодержащих ферментов, которые катализируют процесс переноса электронов в митохондриях, принято называть цитохромами (ц. х.), Всего известно около 50 цитохромов. Цитохромы представляют собой желœезопорфирины, в которых всœе шесть орбиталей иона желœеза заняты донорными атомами, биолиганда. Различие цитохромов толь­ко в составе боковых цепей порфиринового кольца. Вариации в структуре биолиганда вызывает различие в величинœе формальных потенциалов. Все клетки содержат по крайней мере три близких по строению белка, названных цитохромами а, b, с. В цитохроме с связь с гистидиновым остатком полипептидной цепи, осуществляется через порфириновое ядро Свободное координационное место в ионе желœеза занято метиониновым остатком полипептидной цепи:

Одним из механизмов функционирования цитохромов, составляющих одно из звеньев электронно-транспортной цепи является перенос электрона от одного субстрата другому.

С химической точки зрения цитохромы являются соединœениями, проявляющими в обра­тимых условиях окислительно-восстановительную двойственность.

Перенос электрона цитохромом с сопровождается изменением степени окисления желœе­за:

ц. х. Fe 3+ + e « ц.хFe 2+

Ионы кислорода реагируют с ионами водорода окружающей среды и образуют воду или перекись водорода. Пероксид быстро разлагается специальным ферментом каталазой на воду и кислород по схеме:

2Н 2 О 2 ®2Н 2 О + О 2

Фермент пероксидаза ускоряет реакции окисления органических веществ перекисью водорода по схеме:

Эти ферменты в своей структуре имеют гем, в центре которого имеется желœезо со сте­пенью окисления +3 (2 раздел 7.7).

В цепи переноса электронов цитохром с передает электроны цитохромам, называемых цитохромоксидазами. Οʜᴎ имеют в своем составе ионы меди. Цитохром – одноэлектронный переносчик. Наличие наряду с желœезом в составе одного из цитохромов меди превращает его в двухэлектронный переносчик, что позволяет регулировать скорость процесса.

Медь входит в состав важного фермента – супероксиддисмутазы (СОД), которая утилизирует в организме токсичный супероксид-ион О 2- путем реакции

[СОД Cu 2+ ] + ® О 2 - [СОД Cu + ] + О 2

[СОД Cu + ] + О 2 - + 2Н + ® [СОДCu 2+ ] + Н 2 О 2

Водородпероксид разлагается в организме под действием каталазы.

Сегодня известно около 25 медьсодержащих ферментов. Οʜᴎ составляют группу оксигеназ и гидроксилаз. Состав, механизм их действия описан в работе (2, раздел 7.9.).

Комплексы переходных элементов являются источником микроэлементов в биологически активной форме, обладающих высокой мембранопроницаемостью и ферментативной активностью. Οʜᴎ принимают участие в защите организма от « окислительного стресса». Это связано с их участием в утилизации продуктов метаболизма, определяющих неконтролируемый процесс окисления (перекисями, свободными радикалами и другими кислородактивными частицами), а также в окислении субстратов. Механизм свободно-радикальной реакции окисления субстрата (RН) перекисью водорода с участием в качестве катализатора комплекса желœеза (FeL) можно представить схемами реакций.

RН + . ОН ® R . + Н 2 О; R . + FeL ® R + + FeL

Субстрат

R + + ОН - ® RОН

Окисленный субстрат

Дальнейшее протекание радикальной реакции приводит к образованию продуктов с более высокой степенью гидроксилирования. Аналогично действуют и другие радикалы: НО 2 . , О 2 . , . О 2 - .

2. 5. Общая характеристика элементов р-блока

Элементы у которых происходит достройка р-подуровня внешнего валентного уровня называют р-элементами . Электронное строение валентного уровня ns 2 p 1-6 . Валентными являются электроны s- и р-подуровней.

Таблица 8. Положение р-элементов в периодической системе элементов.

Период	Группа
IIIA	IVA	VA	VIA	VIIA	VIIIА
		(C)	(N)	(O)	(F)	Ne
			(P)	(S)	(Cl)	Ar
	Ga					Kr
	In	Sn	Sb	Te	(I)	Xe
	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
	р 1	р 2	р 3	р 4	р 5	Р 6
() - незаменимые элементы, – биогенные элементы

В периодах слева направо возрастает заряд ядер, влияние которого превалирует над увеличением сил взаимного отталкивания между электронами. По этой причине потенциал иони­зации, сродство к электрону, а, следовательно, и акцепторная способность и неметалличе­ские свойства в периодах увеличиваются. Все элементы, лежащие на диагонали Вr – At и выше являются неметаллами и образуют только ковалентные соединœения и анионы. Все остальные р-элементы (за исключением индия, талия, полония, висмута которые проявля­ют металлические свойства) являются амфотерными элементами и образуют как катионы, так и анионы, причем и те, и другие сильно гидролизуется. Большинство р-элементов-неметаллов – биогенные (исключение – благородные газы, теллур и астат). Из р-элементов - металлов – к биогенным относят только алюминий. Различия в свойствах сосœедних элементов, как внутри; так и по периоду: выражены значительно сильнее, чем у s-элементов. р-Элементы второго периода – азот, кислород, фтор обладают ярко выражен­ной способностью участвовать в образовании водородных связей. Элементы третьего и по­следующего периодов эту способность теряют. Их сходство заключается только в строении внешних электронных оболочек и тех валентных состояний, которые возникают за счет неспаренных электронов в невозбужденных атомах. Бор, углерод и особенно азот, сильно отличаются от остальных элементов своих групп (наличие d- и f-подуровней).

Все р-элементы и в особенности р-элементы второго и третьего периодов (С, N, Р, О, S, Si, Cl) образуют многочисленные соединœения между собой и с s-, d- и f-элементами. Боль­шинство известных на Земле соединœений - ϶ᴛᴏ соединœения р-элементов. Пять главных (макробиогенных) р-элементов жизни – О, Р, С, N и S - ϶ᴛᴏ основной строительный мате­риал, из которого сложены молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Из низкомолекулярных соединœений р-элементов наибольшее значение имеют оксоанионы: СО 3 2- , НСО 3 - , С 2 O 4 2- , СНзСОО - , РО 4 3- , НРO 4 2- , H 2 PO 4 - , SO 4 2- и галогенид-ионы. р-Элементы имеют много валентных электронов, обладающих различной энергией. По­этому в соединœениях проявляют различную степень окисления. К примеру, углерод прояв­ляет различные степени окисления от – 4 до +4. Азот – от -3 до +5, хлор – от -1 до +7.

В процессе реакции р-элемент может отдавать и принимать электроны, выступая соответственно восстановителœем или окислителœем в зависимости от свойств элемента с которым вступает во взаимодействие. Это порождает широкий ассортимент образуемых ими соединœений. Взаимопереход атомов р-элементов различных стпеней окисления, в том числе и за счет метаболических окислительно-восстановительвых процессов (к примеру, окисление спиртовой группы в их альдегидную и далее в карбоксильную и так далее) вызывает богатство их химических превращений.

Соединœение углерода проявляет окислительные свойства, если в результате реакции атомы углерода увеличивают число его связей с атомами менее электороотрицательных элементов (металл, водород) потому, что притягивая к себе общие электроны связей атом углерода понижает свою степень окисления.

СН 3 ® -СН 2 ОН ® -СН = О ® -СООН ® СО 2

Перераспределœение электронов между окислителœем и восстановителœем в органических соединœениях может сопровождаться лишь смещением общей электронной плотности химической связи к атому, выполняющему роль окислителя. В случае сильной поляризации эта связь может и разорваться.

Фосфаты в живых организмах служат структурными компонентами скелœета͵ клеточных мембран и нуклеиновых кислот. Костная ткань построена главным образом из гидроксиапатита Ca 5 (PО 4) 3 OH. Основу клеточных мембран составляют фосфолипиды. Нуклеиновые кислоты состоят из рибозо- или дезоксирибозофосфатных цепей. Кроме того полифосфаты являются основным источником энергии.

В организме человека обязательно синтезируется NO с помощью фермента NO -синтазы из аминокислоты аргинина. Время жизни NO в клетках организма порядка секунды, но их нормальное функционирование не возможно без NO. Это соединœение обеспечивает: расслабление гладкой мускулатуры мышц сосудов, регуляцию работы сердца, эффективную работу иммунной системы, передачу нервных импульсов. Предпологают, что NO обеспечивает важную роль в обучении и запоминании.

Окислительно-восстановительные реакции, в которых принимают участие р-элементы, лежат в основе их токсического действия на организм. Токсическое действие оксидов азота связано с их высокой окислительно-восстановительной способностью. Нитраты, попадающие в продукты питания, в организме восстанавливаются до нитритов.

NO 3 - + 2H + + 2е ® NО 2 + Н 2 О

Нитриты обладают высоко токсичными свойствами. Οʜᴎ превращают гемоглобин в метгемоглобин, который является продуктом гидролиза и окисления гемоглобина.

В результате гемоглобин теряет способность транспорта кислорода к клеткам организ­ма. В организме развивается гипоксия. Вместе с тем, нитриты, как соли слабой кислоты, реагируют с соляной кислотой в желудочном содержимом, образуя при этом азотистую кислоту, которая с вторичными аминами образует канцерогенные нитрозамины:

Биологическое действие высокомолекулярных органических соединœений (аминокислот, полипептидов, белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) определяется атомами (N, Р, S, О) или образуемыми группами атомов (функциональными группами), в которых они выступают в качестве химически активных центров, доноров электронных пар способных к образованию координационных связей с ионами металлов и органическими молекулами. Следовательно, р-элементы образуют полидентатные хелатирующие соединœения (аминокислоты, полипептиды, белки, углеводы и нуклеиновые кислоты). Стоит сказать, что для них характерны ре­акции комплексообразования, амфотерные свойства, реакции гидролиза анионного типа. Данные свойства определяют их участие в базовых биохимических процессах, в обеспе­чении состояния изогидрии. Οʜᴎ образуют белковые, фосфатные, водородкарбонатные буферные системы. Участвуют в транспорте питательных веществ, продуктов метаболиз­ма, и других процессах.

3. 1. Роль среды обитания. Химия загрязнений аттмосферы. Роль врача в охране окружающей среды и здоровья человека.

А. П. Виноградов показал, что поверхность земли неоднородна по химическому составу. Растения и животные, а также и человек, находящиеся на территории различных зон, используют неодинаковые по химическому составу питательные вещества и отвечают на это определœенными физиологическими реакциями и определœенным химическим составом организма. Эффекты, вызываемые микроэлементами, зависят от их поступ­ления в организм. Концентрации биометаллов с организме при нормальном его функцио­нировании поддерживаются на строго определœенном уровне (биотическая доза) с помощью соответствующих протеинов и гормонов. Запасы биометаллов в организме систематически пополняются. Οʜᴎ содержатся в достаточном количестве в принимаемой пище. Химический состав растений и животных, идущих на питание, влияет на организм.

Интенсивное промышленное производство привело к загрязнению природной среды «вредными» веществами, в том числе и соединœениями переходных элементов. В природе наблюдается интенсивное перераспределœение элементов в биогеохимических провинциях. Основным путем (до 80%) их поступления с организм является наша пища. С учетом антропогенного загрязнения окружающей среды крайне важно принимать радикальные меры по реабилитации среды обитания и человека, живущего в ней. Эта проблема во многих европейских странах поставлена впереди проблем экономического роста и находится в числе приори­тетных. В последние годы выброс различных загрязнений увеличился. Прогноз развития промышленности позволяет сделать вывод о дальнейшем возрастании количества выбросов и загрязнителœей окружающей среды.

Реальные зоны, в которых в результате жизнедеятельности осуществляется круговорот элементов, называются экосистемами или, как называл академик В.Н. Су­качев, биогеоценозами . Человек является составной частью экосистем на нашей планете. В своей жизнедеятельности человек может нарушать ход естественного биогенного круговорота. Окружающую среду загрязняют многие отрасли промышленности. Согласно учения В. И. Вернадского оболочку нашей планеты, измененную хозяйственной деятельностью человека, называют ноосферой . Она охватывает всю биосферу и выходит за ее пределы (стратосферу, глубокие шахты, скважины и т.д.). Главную роль в ноосфере играет техногенная миграция элементов - техногенез. Исследования по геохимии ноосферы являются теоретической основой рационального использования природных ресурсов и борьбы с загрязнениями окружающей среды. Газообразные, жидкие, твердые загрязнения окружающей среды образуют токсические аэрозоли (туман, дым) в приземном слое атмосферы. При загрязнении атмосферы сернистым газом, высокой влажности при отсутствии температуры, образуется токсический смоᴦ. Основной вред окружающей среде наносят продукты окисления SO 2 , SО 3 и кислоты H 2 SO 3 и H 2 SО 4 . В результате выбросов оксида серы, азота в промышленных регионах наблюдаются «кислотные» дожди. Дождевая вода, содержащая большие концентрации ионов водорода, может выщелачивать токсичные ионы металлов:

ZnO(т) + 2H + = Zn 2+ (p) + Н 2 О

При работе двигателя внутреннего сгорания выделяются оксиды азота͵ продуктом превращения которых является озон:

N 2 + О 2 « 2NO (в цилиндре двигателя)

Большую озабоченность общества вызывают экологические проблемы, химическая суть которых состоит в охране биосферы от избытка оксидов углерода и метана, создающих «парниковый эффект», оксидов серы и азота͵ приводящих к «кислотным дождям»; галогенпроизводных (хлор, фтор) углеводородов, нарушающих «озоновый щит Земли»; канцеро­генных веществ (полиароматических углеводородов и продуктов их неполного сгорания) и других продуктов. В наши дни становится актуальной не только проблема охраны окружающей среды, но и охрана внутренней среды. Растет число веществ, поступающих в живой организм, кото­рые являются чужеродными, чуждыми жизни и называемых ксенобиотиками . По дан­ным всœемирной организации здравоохранении их насчитывается около 4 млн. Οʜᴎ попадают в организм с пищей, водой и воздухом, а также в виде лекарств (лекарственных форм).

Это связано с низкой культурой производителœей и потребителœей химических препаратов, которые не обладают профессиональными химическими знаниями. Действительно, лишь незнание свойств веществ, неспособность предвидеть последствия их чрезмерного применения может служить причиной невосполнимых потерь природы, составным эле­ментом которой является человек. Ведь до сих пор некоторые производители, да и медицинские работники, уподобляются булгаковскому мельнику, который хотел сразу вылечиться от малярии неимоверной (ударной) дозой хинина, но не успел – умер. Роль различных химических элементов в загрязнении окружающей среды и возникновении заболеваний, в том числе и профессиональных, до сих пор недостаточно изучена. Необходимо проанализировать поступление в окружающую среду различных веществ в результате деятельности человека, пути попадания их в организм человека, растения, взаимодействие их с живыми организмами на разных уровнях и разработать систему эф­фективных мероприятий, направленных как на предотвращение дальнейшего загрязнения окружающей среды, так и создание необходимых биологических средств защиты внутренней среды организма. Медицинские работники обязаны принимать участие в разработке и вне­дрении технических, профилактических, санитарно-гигиенических и лечебно-оздоровительных мероприятий.

3.2 Биохимические провинции. Эндемические заболевания.

Зоны, в пределах которых животные и растения характеризуются определœенным химическим элементным составом, называют биогеохимическими провинциями. Биогеохимические провинции - это таксоны биосферы третьего порядка - территории различных размеров в составе субрегионов биосферы с постоянными характерными реакциями организмов (к примеру эндемические заболевания). Различают - два рода биогеохимических провинций - естественные и техногенные, возникающие в результате |разработки рудных месторождений, выбросов металлургической и химической промышленности, применения удобрений в сельском хозяйстве. Нужно обращать внимание на роль микроорганизмов в создании геохимических особенностей окружающей среды. Дефицит и избыток элементов может приводить к формированию биогеохимических провинций, обусловленных как недостатком элементов (йодные, фторные, кальциевые, медные и др. провинции) так и их избытком (борные, молибденовые, фторные, медные и пр.). Интересна и важна проблема дефицита брома внутри континœентальных областей, горных районов и избытка брома в прибрежных и вулканических ландшафтах. В этих регионах и эволюция центральной нервной системы протекала качественно по разному. На Южном Урале открыта биогеохимическая провинция на породах обогащенных никелœем. Стоит сказать, что для нее характерны уродливые формы трав, болезни овец, связанные с повышенным содержанием никеля в среде.

Соотношение биогеохимических провинций с их экологическим состоянием позволило выделить следующие территории: а) с относительно удовлетворительной экологической обстановкой - (зона относительного благополучия); б) с обратимыми, ограниченными, и в большинстве случаев устранимыми экологическими нарушениями - (зона экологического риска) ; в) с достаточно высокой степенью неблагополучия наблюдаемого в течении длительного периода на значительной территории, устранение которого требует значительных затрат и времени - (зона экологического кризиса ); г) с очень высокой степенью экологического неблагополучия, практически необратимыми экологическими нарушениями, имеющими четкую локализацию –(зона экологического бедствия) .

По фактору воздействия, его уровня, длительности действия и площади распространения выделœены как зоны риска и кризиса следующие природно-техногенные биогеохимические провинции:

1. полиметаллические (РЬ, Cd, Hjg, Сu, Zn) с доминирующими ассоциациями Сu–Zn, Сu–Ni, Рb–Zn, в том числе:

· обогащенные медью (Южный Урал, Башкортостан, Норильск, Медногорск);

· обогащенные никелœем (Норильск, Мончегорск, Никель, Полярный, Тува, Южный Урал) ;

· обогащенные свинцом (Алтай, Кавказ, Забайкалье) ;

· обогащенные фтором (Кировск. Красноярск, Братск);

· с повышенным содержанием урана и радионуклидов в среде (Забайкалье, Алтай, Южный Урал).

2. биогеохимические провинции с недостатками микроэлементов (Se, I, Cu, Zn и др.).

Глава 11. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Глава 11. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Химические элементы являются одним из компонентов экологического портрета человека.

А.В. Скальный

11.1. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ БИОСФЕРЫ РОССИИ

Антропогенное загрязнение окружающей среды оказывает существенное влияние на здоровье растений и животных (Ермаков В.В., 1995). Годовая продукция растительности мировой суши до ее нарушения человеком имела значение, близкое к 172 10 9 т сухого вещества (Базилевич Н.И., 1974). В результате воздействия ее природная продукция к настоящему времени уменьшилась не менее чем на 25% (Панин М.С., 2006). В публикациях В.В. Ермакова (1999), Ю.М. Захарова (2003), И.М. Донник (1997), М.С. Панина (2003), G.M. Hove (1972), D.R. Burkitt (1986) и др. показана возрастающая агрессивность антропогенных воздействий на окружающую среду (ОС), имеющих место на территориях развитых стран.

В.А. Ковда еще в 1976 году привел данные о соотношении естественных биогеохимических циклов и антропогенного вклада в природные процессы, с тех пор техногенные потоки возросли. По его данным, биогеохимические и техногенные потоки биосферы оцениваются следующими величинами:

По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн известных химических соединений используется до 500 тыс., из которых 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными. К 2000 г. потребление минеральных и органических сырьевых ресурсов резко возросло и достигло 40-50 тыс. тонн на одного жителя Земли. Соответственно возрастают объемы отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения. К началу XXI века антропогенные загрязнения поставили человечество на грань экологической катастрофы (Ермаков В. В., 2003). Поэтому анализ экологического состояния биосферы России и поиск путей экологической реабилитации ее территории являются весьма актуальными.

В настоящее время на предприятиях горнодобывающей, металлургической, химической, деревообрабатывающей, энергетической, строительных материалов и других отраслей РФ ежегодно образуется около 7 млрд тонн отходов. Используется же лишь 2 млрд тонн, или 28% от общего объема. В связи с этим в отвалах и шламох-ранилищах страны накоплено около 80 млрд тонн только твердых отходов. Под полигоны для их хранения ежегодно отчуждается около 10 тыс. га пригодных для сельского хозяйства земель. Наибольшее количество отходов получается при добыче и обогащении сырья. Так, в 1985 г. объем вскрышных, попутно добываемых пород и отходов обогащения в различных отраслях промышленности СССР, был соответственно 3100 и 1200 млн м 3 . Большое количество отходов образуется в процессе заготовки и переработки древесного сырья. На лесозаготовках отходы составляют до 46,5% общего объема вывезенной древесины. В нашей стране ежегодно образуется более 200 млн м 3 древесных отходов. Несколько меньше отходов получается на предприятиях черной металлургии: в 1984 г. выход огненно-жидких шлаков составил 79,7 млн тонн, в том числе 52,2 млн тонн доменных, 22,3 млн т сталеплавильных и 4,2 млн т ферросплавных. В мире ежегодно выплавляется цветных металлов приблизительно в 15 раз меньше, чем черных. Однако при производстве цветных металлов в процессе обогащения руды образуется от 30 до 100 тонн измельченных хвостов на 1 тонн концентратов, а при плавке руды

на 1 тонну металла - от 1 до 8 тонн шлаков, шламов и других отходов (Добровольский И.П., Козлов Ю. Е. и др., 2000).

Ежегодно на предприятиях химической, пищевой, минеральных удобрений и других отраслей промышленности образуется более 22 млн тонн гипсосодержащих отходов и около 120-140 млн тонн осадков сточных вод (в сухом виде), около 90% из которых получаются при нейтрализации производственных сточных вод. Более 70% терриконов Кузбасса относятся к горящим. На расстоянии нескольких километров от них в воздухе значительно повышены концентрации SO 2 , CO, CO 2 . Резко повышается концентрация в почвах и поверхностных водах тяжелых металлов, а в районах урановых рудников - радионуклидов. Ведение горных работ открытым способом приводит к ландшафтным нарушениям, которые по своим масштабам соизмеримы с последствиями крупных природных катастроф. Так, в районе горных выработок в Кузбассе образовались многочисленные цепи глубоких (до 30 м) провалов, тянущихся на протяжении более 50 км, общей площадью до 300 км 2 и объемов провалов более 50 млн м 3 .

В настоящее время огромные площади занимают твердые отходы тепловых электростанций: золы, шлаки, близкие по составу к металлургическим. Их ежегодный выход достигает 70 млн тонн. Степень их использования в пределах 1-2%. По данным министерства природных ресурсов РФ, общая площадь земель, занятых отходами различных производств, в целом превышает 2000 км 2 .

В мире добывается ежегодно более 40 млрд тонн сырой нефти, из которых при добыче, транспортировке и переработке теряется около 50 млн тонн нефти и нефтепродуктов. Нефть считается одним из самых распространенных и самых опасных загрязняющих веществ в гидросфере, так как около трети ее добывается в континентальном шельфе. Общая масса нефтепродуктов, ежегодно попадающих в моря и океаны, приближенно оценивается в 5-10 млн тонн.

По данным НПО «Энергосталь», степень очистки отходящих газов от пыли черной металлургии превышает 80%, а степень утилизации твердых продуктов улавливания составляет лишь 66%. При этом коэффициент утилизации железосодержащих пылей и шлаков равен 72%, тогда как остальных видов пылей 46%. Практически на всех предприятиях как металлургических, так и тепловых электростанций не решаются вопросы очистки агрессивных низкопроцентных серосодержащих газов. Выбросы этих газов в СССР составляли 25 млн тонн. Выбросы в атмосферу серосодержащих газов только от ввода в эксплуатацию газоочисток на 53 энергоблоках страны

в период с 1975 по 1983 годы снизились с 1,6 до 0,9 млн тонн. Слабо решаются вопросы нейтрализации гальванических растворов. Еще медленнее - вопросы по утилизации отходов, образующихся при нейтрализации и переработке отработанных травильных растворов, растворов химических производств и сточных вод. В городах России до 90% сточных вод сбрасываются в реки и водоемы в неочищенном виде. В настоящее время разработаны технологии, которые позволяют превращать токсичные вещества в малотоксичные и даже в биологически активные, которые можно использовать в сельском хозяйстве и в других отраслях.

Современные города выбрасывают в атмосферу и водную среду около 1000 соединений. В загрязнении воздуха городов одно из ведущих мест занимает автотранспорт. Во многих городах на выхлопные газы приходится 30%, а в некоторых - 50%. В Москве за счет автотранспорта в атмосферу поступает около 96% CO, 33% NO 2 и 64% углеводородов.

По факторам воздействия, их уровню, длительности действия и площади распространения природно-техногенные биогеохимические провинции Урала отнесены к территориям с наибольшей степенью экологического неблагополучия (Ермаков В.В., 1999). Уральский регион на протяжении последних лет занимает лидирующее положение по количеству суммарных выбросов в атмосферу вредных веществ. По данным А.А. Малыгиной и соавт., по загрязнению воздуха и воды Урал занимает первое место в России, а по загрязнению почв - второе. По информации Госкомстата России на долю Свердловской области в Уральском регионе приходится 31% всех вредных выбросов и такой же объем загрязненных сточных вод. Доля Челябинской области в загрязнении региона составляет 25, Башкортостана - 20, Пермской области - 18%. На предприятиях Урала размещено 400 млн тонн токсичных отходов всех классов опасности.

Челябинская область является одним из крупнейших в стране производителей черных металлов. В ней насчитывается 28 предприятий металлургического комплекса. Для обеспечения их сырьем в области работает более 10 горноперерабатывающих предприятий. По состоянию на 1993 год на металлургических предприятиях области накоплено около 180 млн тонн доменных шлаков, 40 млн тонн сталеплавильных и более 20 млн тонн шлаков производства феррохрома, а также значительное количество пылей и шламов. Установлена возможность переработки отходов в различные строительные материалы для нужд народного хозяйства. В Челябинской области образуется в 3 раза больше

отходов на душу населения, чем в целом по России. В отвалах области накоплено свыше 2,5 млрд м 3 различных горных пород, 250 млн тонн шлаков и золы ТЭС. Из всего объема вскрышных пород перерабатывается только 3%. На металлургических предприятиях из 14 млн тонн ежегодно образующихся шлаков используется только 40-42%, из них 75% доменных шлаков, 4% - сталеплавильных, 3% - ферросплавных и 17% шлаков цветной металлургии, а золы ТЭС только около 1%. По данным И.А. Мякишева, в атмосферу г. Челябинска в 1997 году было выброшено 74 736 тонн газообразных и жидких выбросов.

Нарушение микро- и макроэлементного гомеостаза в организме определяется природно-техногенными загрязнениями биосферы, что приводит к формированию широких ареалов техногенных микроэлемен-тозов вокруг территориально-промышленных комплексов. Страдает здоровье не только людей, принимающих непосредственное участие в процессе производства, но и проживающих по соседству с предприятиями. Как правило, они имеют менее выраженную клиническую картину и могут принимать скрытую форму тех или иных патологических состояний. Показано, что вблизи промышленных предприятий, расположенных в городе среди жилых массивов, концентрации свинца превышают фоновые значения в 14-50 раз, цинка - в 30-40 раз, хрома - в 11-46 раз, никеля - в 8-63 раза.

Челябинск входит в число 15 городов России с устойчиво повышенным уровнем загрязнения атмосферы и занимает 12-е место. Анализ экологической ситуации и состояния здоровья населения г. Челябинска позволил установить, что по уровню загрязнения Челябинск относится к «зонам чрезвычайной экологической ситуации». Продолжительность жизни на 4-6 лет меньше по сравнению с аналогичными показателями по России (см. рис. 10.6).

Жители, длительно проживающие в условиях природно-техногенного загрязнения, подвергаются воздействию аномальных концентраций химических элементов, оказывающих заметное влияние на организм. Одно из проявлений - изменение состава крови, причиной которого является нарушение поступления железа, микроэлементов (Cu, Co) в организм, связанное как с низким содержанием их в продуктах питания, так с высоким содержанием в пище соединений, препятствующих абсорбции железа в ЖКТ.

При проведении мониторинга по биологическим и ветеринарным параметрам в56 хозяйствах разных регионов Урала (Донник И.М., Шкуратова И.А., 2001) было условно выделено пять вариантов территорий, различающихся по экологической характеристике:

Территории, загрязненные выбросами крупных промышленных предприятий;

Территории, загрязненные вследствии деятельности ПО «Маяк» долгоживущими радионуклидами - стронцием-90 и цезием-137 (Восточно-Уральский радиоактивный след - ВУРС);

Территории, испытывающие нагрузку от промышленных предприятий и одновременно находящиеся в зоне ВУРСа;

Геохимические провинции с высоким природным содержанием тяжелых металлов (Zn, Cu, Ni) в почве, воде, а также аномальными концентрациями в припочвенном воздухе и воде радона-222;

Территории, относительно благоприятные в экологическом отношении, свободные от промышленных предприятий.

11.2. ЭКОЛОГО-АДАПТИВНЫЙ ПРИНЦИП УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ БИОСФЕРЫ

Многообразие почвенных и водных ресурсов России по агрохимическим и агрофизическим показателям и их загрязнению многообразными природно-техногенными загрязнителями является барьером, препятствующим обеспечению организма сбалансированным микро-и макроэлементным составом в биологически активной нетоксичной форме. Изучением механизмов биологического действия микро- и макроэлементов, а также токсических приложений в медицине, животноводстве и растениеводстве занимается геохимическая экология.

Основная задача геохимической экологии - выяснение процессов приспособления организмов к условиям окружающей среды (адаптации), процессов миграции химических элементов, форм миграции и влияние техногенных процессов, изучение точек приложения химических элементов среды к обменным процессам, выявление причинных зависимостей нормальных и патологических реакций организмов от факторов окружающей среды. В природных условиях и в эксперименте составляют конечную цель этого раздела экологии

(Ковальский В.В., 1991).

Геохимическая экология - это область системной экологии, где основным фактором воздействия служит химический элемент и подразделяется на частные направления по объекту воздействия: геохимическая экология человека, растений и животных. Современная экология является интегрирующей наукой (Реймерс Н.Ф., 1990). Он проводит связь экологии с 28 естественными науками.

Техногенные загрязнения окружающей среды оказывают влияние на продолжительность жизни населения. В настоящее время рождаемость населения не всегда превышает смертность. В условиях Южного Урала показатель смертности составляет 16 на 1000 человек населения (Шепелев В.А., 2006).

Современная стадия эволюции биосферы представляет собой стадию коррекции техногенной деятельности человека и начало появления разумных ноосферных технологий (Ермаков В.В., 2003). Достижение устойчивого развития зависит, прежде всего, от создания и освоения экологически приемлемых технологий в промышленности и сельском хозяйстве. Медицина и сельское хозяйство должны переходить на стратегию адаптации к биосфере, согласно которой нужно учитывать биохимические особенности территории и основные экологические принципы, управляющие самовоспроизводством живых систем. Эколого-адаптивный принцип - основной принцип, позволяющий природным экосистемам неопределенно долго поддерживать свое стабильное состояние, заключается в том, что восстановление и избавление от отходов происходят в рамках биогеохимического круговорота химических элементов. Поскольку атомы не возникают, не превращаются один в другой и не исчезают, то они могут бесконечно использоваться в пищевых целях, находясь в самых различных соединениях и запас их никогда не истощится. Существовавший веками круговорот элементов включал только биогенные элементы. Однако извлечение из недр земли в последние десятилетия и рассеивание в биосфере несвойственных живым организмам химических элементов привели к тому, что они включаются в биогеохимические циклы с участием человека и животных.

С момента проведения конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992 году устойчивое развитие стало основной перспективой для стратегии национального и международного развития в области защиты окружающей среды. Устойчивое развитие является процессом перемен, при котором эксплуатация ресурсов, направление инвестиций, ориентация технологического развития должны находиться в гармонии друг с другом для обеспечения потребностей людей, как в настоящее время, так и в будущем. Стратегия устойчивого развития нацелена на удовлетворение основных нужд людей посредством обеспечения экономического роста внутри экологических границ (см. на схеме), представленных одним из важнейших аспектов в области экологической медицины - проблемы экологической реабилитации. Первым этапом устойчи-

вого развития является разработка конкретных проектов, которые могут перерасти в мощную альтернативу нынешней модели развития. В 2002 году проведена международная конференция «Устойчивое развитие Челябинска и региона», на которой одним из приоритетных признан пилотный проект по применению фосфорсодержащих комплексонатов металлов. Важнейшим этапом экологической реабилитации являются разработка и внедрение системы профилактики возникновения техногенных аномалий. Малоотходные технологии регенерации и утилизации промышленных отходов, неорганических кислот и солей переходных металлов с применением хелатообразую-щих агентов для очистки производственных растворов с получением комплексонатов металлов для медицины, сельского хозяйства и промышленности; технологии очистки гидролизных кислот, что снизит объемы сточных вод, твердых и газообразных отходов, должны найти повсеместное внедрение. Данные инновации позволят снизить объем сточных вод в 2 раза, суммарное содержание солей в 4-5 раз, титана, железа и алюминия в 10-13 раз, магния в 5-7 раз. Технологии позволяют получать редкоземельные металлы высокой степени очистки (Жолнин А.В. и соавт., 1990).

Актуальность проблемы здоровья человека и животных в связи с экологической ситуацией очевидна. Решение данной проблемы направлено на создание базиса технологических решений, реализуемых в виде компактных производств, продукция которых запускает компенсаторный механизм природных комплексов отдельных биологических видов. Такой подход позволяет использовать потенциальные возможности

природы путем оптимального саморегулирования, т. е. единственное решение проблем - это повышение эффективности самозащиты биологической системы и природной среды от экологически опасных факторов путем использования продуктов готовых технологий, запускающих механизмы самозащиты.

Первые биосферные исследования выполнены Жоржем Кювье (XIX в.). Он впервые связал эволюцию животного мира Земли с геологическими катастрофами. Это способствовало формированию в дальнейшем представлений о сочетании эволюционного и скачкообразного развития, а также боигеохимическом единстве среды обита-

ния и живых организмов. Несмотря на современные попытки классификации химических элементов, мы придерживаемся количественной характеристики, данной В.И. Вернадским и затем А.П. Виноградовым. В настоящее время учение о макро- и микроэлементах заметно эволюционировало, а накопленные знания о свойствах и биологической роли химических элементов концентрируются в новом научном направлении - «элементологии», прообраз которой заложен в бионеорганической химии (Жолнин А.В., 2003).

В условиях экологического неблагополучия перспективным направлением является эколого-адаптивный принцип, целью которого является коррекция состояний дезадаптации с использованием адаптогенов мягкого действия, антиоксидантов, иммунотроп-ных средств, улучшающих состояние функциональных систем, занятых биотрансформацией элементов, детоксикацией организма. Профилактика и коррекция нарушений обменных процессов с помощью фосфорсодержащих комплексонатов металлов весьма эффективна (Жолнин А. В., 2006). Усвояемость микро- и макроэлементов повышается до 90-95%. Применение микро- и макроэлементов в форме неорганических соединений недостаточно эффективно, так как они находятся в биологически неактивной форме. Их усвояемость в данных условиях в пределах 20-30%, в результате чего потребность организма в микро- и макроэлементах не удовлетворяется даже при достаточно дозированном и продолжительном применении. Анализ взаимодействия техносферы и биосферы позволяет рассматривать их в совокупности как единую систему - экосферу, в которой сосредоточены все современные социо-и эколого-экономические проблемы. Принципы целостности очень важны для понимания проблем современной экологии, главными из которых являются выносливость живой природы и зависимость от нее человеческого общества. Человечество должно научиться жить в согласии с природой, с ее законами и обязано уметь прогнозировать влияние последствий своей деятельности на биологические системы всех уровней, включая экосферу.

Исходя из представленного краткого обзора эколого-биогео-химической обстановки России не остается никаких сомнений в необходимости принятия нового методологического подхода к изучению природно-аномальных и техногенных загрязнений биосферы, различных по путям поступления в организм, токсичности, концентрации, формам, длительности действия, биохимическим реакциям систем организма в ответ на действие загрязнителей.

11.3. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОВИНЦИИ

Следствием техногенеза как мощного антропогенного фактора, отражающего состояние технологии общества являются изъятие (концентрирование) одних химических элементов (Au, Ag, Pb, Fe) и рассеяние других (Cd, Hg, As, F, Pb, Al, Cr) в биосфере или сочетание обоих процессов одновременно.

Локализация и интенсивность поступления техногенных потоков химических элементов обусловливают формирование техногенных аномалий и биогеохимических провинций (БГХП) с различной степенью экологической напряженности. В пределах таких территорий под влиянием токсических веществ у человека, животных и растений возникают патологические нарушения.

В современных условиях все возрастающего техногенного преобразования природы кардинальное значение имеет принцип адекватности используемых материалов и технологий продуктивности и ресурсов биосферы. Биогенная миграция химических элементов не беспредельна. Она стремится к максимальному своему проявлению в определенных пределах, соответствующих гомеостазу биосферы как основному свойству ее устойчивого развития.

Понятие «биогеохимическая провинция» было введено академиком А.П. Виноградовым: «Биогеохимические провинции - области на земле, отличающиеся от соседних областей по содержанию в них химических элементов и вследствие этого вызывающие различную биологическую реакцию со стороны местной флоры и фауны». В результате резкой недостаточности или избыточности содержания какого-либо элемента в пределах данной БГХП возникает биогеохимическая эндемия - заболевание человека, растений и животных.

Территории, в пределах которых человек, животные и растения характеризуются определенным химическим элементным составом, называют биогеохимическими провинциями.

Биогеохимические провинции - это таксоны биосферы третьего порядка - территории различных размеров в составе субрегионов биосферы с постоянными характерными реакциями организмов (например, эндемическими заболеваниями). Патологические процессы, вызванные дефицитом, избытком и дисбалансом микроэлементов в организме А.П. Авцын (1991) назвал микроэлементозами.

Неравномерное распространение химических элементов в пространстве является характерным свойством геохимической структуры земной коры. Значительные и стабильные отклонения содержания

какого-либо элемента в определенном регионе называются геохимическими аномалиями.

Для характеристики неоднородности химических элементов в земной коре В.И. Вернадский использовал кларк концентрации К к:

где А - содержание элемента в горной породе, руде и пр.; К среды - среднее значение кларка элемента в земной коре.

Среднее значение кларка элемента в земной коре характеризует так-называемый геохимический фон. Если кларк концентрации больше единицы, это указывает на обогащение элементом, если меньше - означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом. Местности с однотипными аномалиями объединяются в биогеохимические провинции. Биогеохимические провинции могут быть как обеднены каким-либо элементом (К к < 1), так и обогащены им (Кк > 1).

Различают два рода биогеохимических провинций - естественные и техногенные. Техногенные провинции образуются в результате разработки рудных месторождений, выбросов металлургической и химической промышленности, применения удобрений в сельском хозяйстве. Естественные биогеохимические провинции образуются в результате деятельности микроорганизмов, поэтому нужно обращать внимание на роль микроорганизмов в создании геохимических особенностей окружающей среды. Дефицит и избыток элементов могут приводить к формированию биогеохимических провинций, обусловленных как недостатком элементов (йодные, фторидные, кальциевые, медные и другие провинции), так и их избытком (борные, молибденовые, фторидные, никелевые, бериллиевые, медные и др.). Интересна и важна проблема дефицита брома внутри континентальных областей, горных районов и избытка брома в прибрежных и в вулканических ландшафтах.

С биогеохимической позиции ряд зон экологической напряженности можно рассматривать как биогеохимические провинции - локальные участки биосферы - с резким изменением химического элементного состава среды и организмов с нарушением локальных биогеохимических циклов жизненно важных химических элементов, их соединений, ассоциаций и проявлением патологических специфических реакций. Классификация биогеохимических провинций по экологическому состоянию территорий рассмотрена в разделе.

В соответствии с генезисом БГХП подразделяются на первичные, вторичные, природные, природно-техногенные и техногенные, а терри-

ториально они могут быть зональными, азональными в пределах региона и субрегиона. Экологический анализ БГХП согласно факторам воздействия и площади распространения показывает, что наиболее экологически неблагополучными в России являются следующие азональные и субрегиональные провинции:

Полиметаллические с доминирующими ассоциациями Cu-Zn, Cu-Ni, Pb-Zn, Cu-Ni-Co (Южный Урал, Башкортостан, Чара, Норильск, Медногорск);

Никелевые провинции (Норильск, Мончегорск, Никель, Полярный, Заполярье, Тува);

Свинцовые (Алтай, Кавказ, Забайкалье);

Ртутные (Алтай, Саха, Кемеровская область);

С избытком фтора (Кировск, Восточное Забайкалье, Красноярск, Братск);

Субрегиональные провинции с высоким содержанием бора и бериллия (Южный Урал).

Из природных и природно-техногенных биогеохимических провинций с избытком в среде и организмах животных меди, никеля и кобальта следует отметить ряд локальных территорий Урала. Эти провинции привлекали внимание ученых еще в 50-е годы 20-го столетия. Позднее Южно-Уральский субрегион биосферы был изучен более детально. Он выделен в самостоятельный биогеохимический таксон на основании следующих факторов: наличия разнородных металлогенных поясов - меднорудных и смешанно-меднорудных, обогащающих почвы такими микроэлементами, как Cu, Zn, Cd, Ni, Co, Mn, что приводит к различным реакциям организма на избыток этих элементов, и географического положения субрегиона биосферы, характеризующегося климатическим единством. Эксплуатация Cu-Zn и Ni-Co месторождений субрегиона биосферы на протяжении почти столетия привела к образованию техногенных провинций, которые выделяются на уровне современного геохимического состояния биосферы.

В данном субрегионе выделены Баймакская медно-цинковая биогеохимическая провинция (Баймак, Сибай), а также Юльдыбаевская и Халиловская Ni-Co-Cu-провинции. В пастбищных растениях первой провинции концентрация меди и цинка в растениях пастбищ варьирует в пределах 14-51 (медь) и 36-91 (цинк) мг/кг сухого вещества. Содержание металлов в растениях других провинций составляет: 10-92 (никель), 0,6-2,4 (кобальт), 10-43 (медь) мг/кг. В южных районах Челябинской области содержание селена в почвах и растениях

очень низкое (0,01-0,02 мг/кг), поэтому в этих районах отмечено заболевание животных беломышечной болезнью.

В районах Челябинской области (Нагайбакском, Аргаяшском, окрестностях городов Пласта, Кыштыма, Карабаша) в почве, воде и кормах содержание селена высокое - до 0,4 мг/кг и более (Ермаков В.В., 1999). Концентрации металлов в растениях, произрастающих в зоне металлургических предприятий (Медногорск), по-видимому, более значительны. Учитывая частые случаи среди животных медных и никелевых токсикозов (медная желтуха, гиперкупроз, никелевый экзематозный дерматоз, никелевый кератоз, некроз конечностей) и биогеохимические критерии по никелю, рассмотренные биогеохимические провинции можно отнести к зонам риска и кризиса (Ермаков В.В., 1999; Грибовский Г.П., 1995).

На Урале имеются геохимические аномалии Золоторудных зон, характеризующихся естественным выходом солей тяжелых металлов в почву и воду. В этих зонах природное содержание мышьяка достигает 250 ПДК, свинца 50 ПДК, повышено содержание ртути, хрома в почвах. Зона Соймановской долины от г. Миасса до г. Кыштыма, включая г. Карабаш, богата выходами на поверхность почвенного слоя меди, цинка, свинца, достигающими свыше 100 ПДК. Вдоль всей области тянутся выходы кобальта, никеля, хрома, создавая порой до 200 ПДК для почв сельскохозяйственных угодий. Особенности природных и техногенных аномалий на Южном Урале формируют на его территории геохимические провинции, элементный состав которых способен оказывать выраженное воздействие на элементный состав питьевой воды, животных, растений и человека.

Изучение техногенных провинций - новая исключительно сложная научная задача, решение которой необходимо для общей экологической оценке функционирования биосферы в современную эпоху и поиска более рациональных технологий. Сложность проблемы состоит в необходимости дифференциации техногенных и природных потоков и форм миграции химических элементов, взаимодействия техногенных факторов, проявления у организмов непредвиденных биологических реакций. Следует напомнить, что именно это научное направление наряду с геохимической экологией способствовало в нашей стране развитию учения о микро- и макроэлементном гомео-стазе и их коррекции. По В.И. Вернадскому, ведущим фактором биосферы является химический - «Подходя геохимически и к изучению геологических явлений, мы охватываем всю окружающую нас природу в одном и том же атомном аспекте». Под его влиянием сформиро-

валась новая область знания - «геохимическая среда и здоровье»

(Ковальский В. В., 1991).

В Карталинском и Брединском районах Челябинской области у крупного рогатого скота распространена эпидемическая остеоди-строфия, вызванная нарушениями фосфорно-кальциевого обмена. Причиной заболевания является избыток стронция, бария и никеля. Устранение дефицита кальция и фосфора позволяет купировать заболевание. В Сосновском районе Челябинской области у крупного рогатого скота обнаружен дефицит меди, цинка, марганца и йода. Биологические системы многих территорий Челябинской области имеют высокое содержание железа. Соответственно повышается биотическая концентрация меди, марганца и витамина Е в кормовом рационе животных. Следовательно, избыток железа может привести к развитию дефицита указанных элементов в организме с клиническими проявлениями. Например, нарушается репродуктивная функция организма.

Полученные данные показывают актуальность зонального картирования территорий по биогеохимическому принципу с составлением базы данных экологического портрета населения, сельскохозяйственных животных и растений. Накопление статистических знаний позволит перейти к реализации эколого-адаптивного принципа, т.е. к разработке и внедрению комплекса региональных мероприятий по устранению дезадаптации биологических систем на территориях разной степени токсического и прооксидантного прессинга. Подобная информация будет востребована не только медицинскими учреждениями, но и станциями экологического мониторинга, санаторно-курортными учреждениями, демографическими службами, институтами и организациями агропромышленного комплекса.

11.4. ЭНДЕМИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ

Наряду с заболеваниями, обусловленными антропогенными факторами загрязнения окружающей среды (техногенными), существуют заболевания, связанные с особенностями биогеохимических провинций (природно-аномальные).

Заболевания и синдромы, в этиологии которых главную роль играет недостаток биогенных (эссенциальных) элементов или избыток как биогенных, так и токсичных микроэлементов, а также их дисбаланс, в том числе аномальные соотношения микро- и макроэле-

ментов, представлены рабочей классификацией микроэлементозов человека (табл. 11.1).

Установлено, что в некоторых биогеохимических провинциях бывает избыток или недостаток определенных микроэлементов, не обеспечивается сбалансированное минеральное питание организма, что приводит к возникновению заболеваний на данной территории.

Заболевания, вызываемые избытком или недостатком элементов в определенной зоне, называют эндемическими заболеваниями. Они носят характер эндемий. Симптомы заболеваний - гипомикроэлементо-зов - представлены в табл. 11.2.

Таблица 11.1. Микроэлементозы человека

Таблица 11.2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

Как следует из таблицы, при недостатке железа в организме развивается анемия, так как оно входит в состав гемоглобина крови. Суточное поступление в организм этого элемента должно быть 12 мг. Однако избыток железа вызывает сидероз глаз и легких, что связано с отложением соединений железа в тканях этих органов на Урале в горных районах Сатки. В Армении в почвах повышенное содержание молибдена, поэтому 37% населения страдает подагрой. Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительной ткани. Кроме того, дефицит меди способствует раковым заболеваниям у людей пожилого возраста. Избыток меди в органах (гипермикроэлементоз) приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Дефицит меди вызывает заболевание мозга у детей (синдром Мениеса), так как в мозге не хватает цитохромоксидазы. На Урале дефицит йода в пище - от недостатка йода развивается базедова болезнь. В Забайкалье, Китае, Корее население поражается деформирующими артрозами (уровская болезнь). Особенность болезни - размягчение и искривление костей. Почвы этих территорий имеют повышенное

содержание Sr, Ba и пониженное Со, Са, Cu. Установлено существование корреляции между пониженным содержанием Са и повышенным содержанием Sr, аналога кальция, который более химически активен. Поэтому нарушается Са-Sr обмен в костной ткани при уровской болезни. Происходит внутреннее перераспределение элементов, кальций вытесняется стронцием. В результате развивается стронциевый рахит. Замена одних элементов другими обусловлено близостью их физико-химических характеристик (радиус иона, энергия ионизации, координационное число), разностью их концентраций и химической активности. Натрий замещается литием, калий - рубидием, барием, молибден - ванадием. Барий, имея одинаковый радиус с калием, конкурирует в биохимических процессах. В результате такой взаимозамещаемости развивается гипокалиемия. Ионы бария, проникая в костные ткани, вызывают эндемическое заболевание Папинг.

11.5. ВОЗМОЖНЫЕ СЛУЧАИ НАРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОЛИГАНДНОГО ГОМЕОСТАЗА ОРГАНИЗМА

Для организма характерно поддержание на постоянном уровне концентрации ионов металлов и лигандов, т.е. поддержание металло-лигандного равновесия (металлолигандного гомеостаза). Нарушение его возможно по ряду причин.

Первая причина. В организм поступают ионы токсиканта (Мт) из окружающей среды (Be, Hg, Со, Те, Pb, Sr и др.). Они образуют более прочные комплексные соединения с биолигандами, чем биометаллы. В результате более высокой химической активности и меньшей растворимости образующихся соединений в узлах кристаллической решетки наряду с гидроксидфосфатом кальция Са 5 (РО 4) 3 ОН и взамен его могут осаждаться соединения и других металлов, близких по свойствам к кальцию (изоморфизм): бериллия, кадмия, бария, стронция. В этом конкурирующем комплексообразовании за фосфат ион они выигрывают у кальция.

Присутствие даже небольших концентраций тяжелых металлов в окружающей среде вызывает патологические изменения в организме. Предельно допустимая концентрация соединений кадмия в питьевой воде равна 0,01 мг/л, бериллия - 0,0002 мг/л, ртути - 0,005 мг/л, свинца - 0,1 мг/л. Ионы бериллия нарушают процесс включения кальция в костную ткань, вызывая ее размягчение, что приводит к бериллиозу (бериллиевому рахиту). Замещение ионов кальция

стронцием приводит к образованию менее растворимого соединения Sr 5 (PO 4) 3 OH. Особенно опасно замещение ионов кальция ионами радионуклида стронция-90. Радионуклид, включаясь в костную ткань, становится внутренним источником облучения, что приводит к развитию лейкемии, саркомы.

Ионы Hg, Pb, Fe являются мягкими кислотами, и с ионами серы образуют более прочные соединения, чем ионы биометаллов, представляющие собой жесткие кислоты. Таким образом, возникает конкуренция за лиганд -S-Н между токсикантом и микроэлементом. Первый выигрывает конкуренцию, блокируя активные центры ферментов и исключая их из управления метаболизмом. Металлы Hg, Pb, Bi, Fe и As называют тиоловыми ядами. Соединения мышьяка (V) и особенно мышьяка (III) очень токсичны. Химизм токсичности можно объяснить способностью мышьяка блокировать сульфгидрильные группы ферментов и других биологически активных соединений.

Вторая причина. В организм поступает микроэлемент, необходимый для жизнедеятельности организма, но в значительно больших концентрациях, что может быть связано с особенностями биогеохимических провинций либо с результатом неразумной деятельности человека. Например, для борьбы с вредителями винограда используются препараты, действующим началом которых являются ионы меди. В результате в почве, воде и винограде повышенное содержание ионов меди. Повышенное содержание меди в организме приводит к поражению ряда органов (воспаление почек, печени, инфаркт миокарда, ревматизм, бронхиальная астма). Заболевания, вызванные повышенным содержанием меди в организме, называют гиперкупремиями. Имеет место и профессиональный гиперкупреоз. Избыточное содержание железа в организме приводит к развитию сидероза.

Третья причина. Нарушение баланса микроэлементов возможно в результате непоступления или недостаточного поступления, что также может быть связано с особенностями биогеохимических провинций либо с производством. Например, почти две трети территории нашей страны характеризуются недостатком йода, в частности, в гористых местностях, по долинам рек, это вызывает эндемическое увеличение щитовидной железы и зоба у людей и животных. Профилактическое йодирование способствует предотвращению эндемий и эпизоотии.

Недостаток фтора приводит к флюорозу. В местах добычи нефти наблюдается дефицит иона кобальта.

Четвертая причина. Повышение концентрации токсичных частиц, содержащих азот, фосфор, кислород и серу, способных образовывать прочные связи с ионами биометаллов (СО, CN - , -SH). В системе несколько лигандов и один ион металла, способный образовывать комплексное соединение с данными лигандами. При этом наблюдаются конкурирующие процессы - конкуренция между лигандами за ион металла. Преобладающим будет процесс образования наиболее прочного комплекса. M6L6 + Lт - MбLт + Lб, где Мб - ион биогенного металла; Lб - биолиганд; Lт - токсичный лиганд.

Комплекс образует лиганд, обладающий большей комплексообра-зующей способностью. Кроме того, имеется возможность образования разнолигандного комплекса, например ион железа (II) в гемоглобине образует с монооксидом углерода СО комплекс, который в 300 раз прочнее, чем комплекс с кислородом:

Токсичность монооксида углерода объясняется с точки зрения конкурирующего комплексообразования, возможности смещения лиган-дообменного равновесия.

Пятая причина. Изменения степени окислении центрального атома микроэлемента или изменения конформационной структуры биокомплекса, изменения его способности к образованию водородных связей. Например, токсичное действие нитратов и нитритов проявляется и в том, что под их воздействием гемоглобин превращается в метгемо-глобин, который не способен транспортировать кислород, что приводит к гипоксии организма.

11.6. ТОКСИЧНЫЕ И НЕТОКСИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ПОЛОЖЕНИЕ ИХ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Условно элементы можно разделить на токсичные и нетоксичные. Токсичные элементы - химические элементы, оказывающие отрицательное действие на живые организмы, которое проявляется только при достижении некоторой концентрации и формы, определяемой природой организма. Наиболее токсичные элементы расположены в периодической системе компактно в 4,5 и 6 периодах (табл. 11.3).

За исключением Be и Ba эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Соли меди, серебра, золота взаимодействуя с сульфидами щелочных металлов с водородсульфидом с образованием нерастворимых соединений. Катионы этих металлов взаимодействуют с веществами, в состав которых входят группы, содержащие серу. Токсичность соединений меди обусловлена тем, что ионы меди взаимодействуют с сульфгидрильными группами -SH (связывание белков) и аминогруппами -NH 2 (блокирование белков). При этом образуются биокластеры хелатного типа. Ртути аминохлорид может взаимодействовать в биологических системах с сульфгидрильными группами белков по реакции:

Таблица 11.3. Положение токсичных элементов в периодической системе Д. И. Менделеева

Существует мнение, что основная причина токсического действия связана с блокированием определенных функциональных групп или же вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например Cu, Zn. Особой токсичностью и распространенностью отличаются Hg, Pb, Be, Co, Cd, Cr, Ni, которые конкурируют в процессе комплексообразования с биометаллами и могут их вытеснять из биокомплексов:

где Мб - ион биогенного металла; Мт - ион токсичного элемента; Lб - биолиганд.

Токсичность определяют как меру любого аномального изменения функции организма под действием химического агента. Токсичность представляет собой сравнительную характеристику, эта величина позволяет сопоставить ядовитые свойства различных веществ (табл. 11.4). Биогенные элементы обеспечивают поддержание динамического равновесия процессов жизнедеятельности организма. Токсичные элементы, а также избыток биогенных элементов могут вызвать необратимые

изменения динамического равновесия в биологических системах, приводящих к развитию патологии.

Таблица 11.4. Сравнительная токсичность ионов металлов

Элементы распространены в органах, тканях и клетках неравномерно. Это зависит от химических свойств элемента, пути его поступления и от длительности действия.

Повреждающее действие вещества проявляется на различных структурных уровнях: молекулярном, клеточном и на уровне организма. Наиболее важные аномальные эффекты происходят на молекулярном уровне: ингибирование ферментов, необратимые конформационные изменения макромолекул и как следствие изменение скорости метаболизма и синтеза, возникновение мутаций. Токсические проявления зависят от концентрации и дозы вещества. Дозы могут быть качественно подразделены на категории по степени возрастания эффекта:

1)без заметных эффектов;

2)стимуляция;

3)терапевтический эффект;

4)токсический или повреждающий эффект;

5)летальный исход.

Стимуляцию и терапевтические эффекты могут вызывать не все вещества. Максимальную токсичность проявляют наиболее химически активные частицы, координационно ненасыщенные ионы, к числу которых следует отнести ионы свободных металлов. Накопленные токсикологией сведения убедительно показывают, что токсичность неорганических соединений металлов - оксидов и солей - является функцией токсичности металлов в элементарной форме. Таким образом, окисление не оказывает решающего влияния на токсичность, а лишь изменяет в той или иной мере ее степень. Все оксиды металлов менее ядовиты, чем их соли, причем с увеличением токсичности элемента различие степени токсичности между оксидами и солями уменьшается. Снижение электрофильных свойств иона соответственно приводит к снижению его токсического действия на организм.

Хелатирование свободных ионов металла полидентатными лигандами превращает их в устойчивые, более координационно насыщенные частицы, неспособные разрушить биокомлексы, а следовательно, малотоксичные. Они мембранопроницаемы, способны к транспортировке и выведению из организма. Итак, токсичность элемента определяется его природой, дозой и молекулярной формой, в составе которой находится элемент. Следовательно, нет токсичных элементов, есть только токсичные концентрации и формы.

Токсическое действие соединений на разных структурных уровнях проявляется неравномерно. Структуры, в которых кумуляция элемента максимальна, подвергаются наибольшему токсическому действию. В связи с этим введены понятия критической концентрации для клетки и органа, критический эффект (Ершов Ю.А., Плетнева Т.В., 1989).

Таблица 11.5. Биогеохимические свойства техногенных загрязнителей окружающей среды, которые наиболее широко используются в производственной деятельности (по А.Р. Таировой, А.И. Кузнецову, 2006)

Примечание: В - высокая; У- умеренная; Н - низкая.

Критической концентрацией элемента для клетки называется такая минимальная концентрация, при достижении которой в клетке происходят аномальные функциональные изменения - обратимые или необратимые. Существование критической концентрации токсического элемента для клетки связано с наличием в клетке определенного резерва регулирования функций и указывает на существование в организме клеточного гомеостаза токсического действия элемента.

Критической концентрацией элемента для органа называется такая средняя концентрация, при достижении которой наблюдается нарушение его функции. Критическая концентрация для органа может быть значительно больше или меньше критической концентрации для отдельной клетки. Критическим по данному элементу органом называется первый из органов, в котором элемент достиг критической концентрации при данных условиях (Гигиенические критерии ВОЗ, 1981). В ряде случаев более правильно говорить не об органе, а о критической системе (фермент, органелла, клетка, орган, функциональная система).

Установить характер зависимости концентрации элемента от суммарной дозы позволяют токсико-кинетические модели (Филонов А.А., 1973; Соловьев В.Н. и др., 1980).

Рис. 11.1. Общая токсико-кинетическая модель прохождения неорганических веществ через организм (Ершов Ю.А., Плетенева Т.В., 1989)

Такие модели отображают кинетику поступления химических агентов в организм, их превращения, всасывание и выведение из организма

(рис. 11.1).

Токсические эффекты некоторых элементов представлены в табл. 11.6.

Продолжение табл. 11.6 Таблица 11.6. Эффекты токсичности некоторых химических элементов

Окончание табл. 11.6

Примечание. Эффекты токсичности элементов использовать при рассмотрении медико-биологического значения химических элементов.

Микроэлементология изучает два круга проблем. Во-первых, это интервалы концентрации, формы соединений микроэлементов и условия, в которых проявляется биогенный эффект, значение которого сравнимо со значением витаминов, не синтезирующихся в организме, но являющихся незаменимыми нутриентами. При гипомикроэлемен-тозах - заболеваниях, вызванных дефицитом МЭ, возникают болезни недостаточности. Во-вторых, пределы токсичности, кумулятивные эффекты микроэлементов как загрязнителей окружающей среды.

При разнообразных формах контакта организмов с данными элементами возникают болезни и синдромы интоксикации - токсикопа-тии. Сложность проблемы состоит не только в том, что проявления недостаточности и интоксикации крайне разнообразны, но и в том, что сами эссенциальные МЭ при определенных условиях вызывают токсичные реакции, а поллютанты при определенной дозе и экспозиции могут оказаться полезными (реверсивный эффект). Это тесно соприкасается с их взаимовлиянием, которое может быть как синер-гическим, так и антагонистическим. Многое в микроэлементологии, особенно в проблеме дисбаланса МЭ в организме, еще недостаточно исследовано.

11.7. МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА ОТ КСЕНОБИОТИКОВ

Природа проявила большую заботу о поддержании металлоли-гандного гомеостаза организма, о сохранении чистоты внутренней среды организма. Обеспечить удаление отходов порой даже важнее, чем накормить клетку. Питательные вещества доставляет одна система - кровеносная, а отходы удаляют две - кровеносная и лимфатическая. Мелкий «мусор» как бы уходит прямо в кровь, а крупный - в лимфу. В лимфатических узлах лимфа очищается от токсических отходов.

Существуют следующие механизмы защиты внутренней среды организма.

1.Барьеры, мешающие ксенобиотикам войти во внутреннюю среду организма и в особо важные органы (мозг, половую и некоторые другие железы внутренней секреции). Эти барьеры образованы одноили многослойными пластами клеток. Каждая клетка одета мембраной, непроницаемой для многих веществ. Роль барьеров у животных и человека выполняют кожа, внутренняя поверхность желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей. Если ксенобиотик проникает в кровь, то в центральной нервной системе, железах внутренней секреции его встретят гистогематические барьеры, т.е. барьеры между тканью и кровью.

2.Транспортные механизмы обеспечивают выведение ксенобиотиков из организма. Они обнаружены во многих органах человека. Наиболее мощные находятся в клетках печени и почечных канальцах. Особые образования обнаружены в желудочках головного мозга, которые перемещают чужеродные вещества из ликвора (жидкость,

омывающая мозг) в кровь. Имеется как бы два вида выведения ксенобиотиков: те, что очищают внутреннюю среду всего организма, и те, что поддерживают чистоту внутренней среды одного органа. Принцип работы системы выведения одинаков: транспортные клетки образуют слой, одна сторона которого граничит с внутренней средой организма, а другая с внешней. Мембрана клеток не пропускает ксенобиотики, но в этой мембране имеется белок-переносчик, который опознает «вредное» вещество и переводит его во внешнюю среду. Анионы выводятся одним видом переносчиков, а катионы - другим. Описано более двухсот переносчиков, комплексонаты s-элементов относятся к их числу. Но транспортные системы не всесильны. При высокой концентрации яда в крови они не успевают утилизировать полностью токсичные частицы и на помощь приходит третий механизм защиты.

3.Ферментативные системы, которые превращают ксенобиотики в соединения, менее токсичны и легче удаляемы из организма. Они катализируют процессы взаимодействия ксенобиотика с молекулами других веществ. Продукты взаимодействия легко удаляются из организма. Наиболее мощные ферментативные системы находятся в клетках печени. В большинстве случаев она может справляться с этой задачей и обезвреживать опасные вещества.

4.Тканевое депо, где как бы под арестом, могут накапливаться нейтрализованные ксенобиотики и сохраняться там длительное время. Но это не является средством полной защиты от ксенобиотиков в экстремальных условиях.

Именно поэтому возникла мысль искусственно создать системы защиты, аналогичные лучшим образцам природных биологических систем.

11.8. ДЕЗИНТОКСИКАЦИОННАЯ ТЕРАПИЯ

Дезинтоксикационная терапия - это комплекс лечебных мер, имеющих целью выведение яда из организма или обезвреживание яда с помощью антидотов. Вещества, устраняющие последствия действия ядов на биологические структуры и инактивирующие яды посредством химических реакций, называют антидотами.

Развитие физико-химической биологии создало возможности разработки и применения разнообразных методов очищения организма от токсичных молекул и ионов. Для дезинтоксикации организма применяют методы диализа, сорбционные и химические реакции. Диализ

относят к почечным методам. При гемодиализе кровь от диализата отделяется полупроницаемой мембраной, и токсичные частицы из крови пассивно переходят через мембрану в жидкость в соответствии с градиентом концентрации. Применяют компенсационный диализ, вивидиализ. Сущность компенсационного диализа заключается в том, что жидкость в диализаторе отмывается не чистым растворителем, а растворами с различными концентрациями веществ. На принципе компенсационной вивидиффузии был сконструирован аппарат, получивший название «искусственная почка», с помощью которой можно очищать кровь от продуктов обмена веществ и, следовательно, временно защищать функцию больной почки. Показанием к применению «искусственной почки» является острая почечная недостаточность при уремии после переливания крови, при ожогах, токсикозе беременности и т.д. Моделирование естественных механизмов детоксикации крови в различных сорбционных устройствах с использованием углеродных сорбентов, иммуносорбентов, ионообменных смол и других называется гемосорбцией. Она так же, как и ее разновидности плазмо- и лимфосорбция, используется для удаления из крови различных токсичных веществ, вирусов, бактерий. Созданы высокоспецифические сорбенты на конкретные метаболиты, ионы, токсины. Они обладают уникальной способностью удалять из организма гидрофобные крупномолекулярные соединения, среди которых много высокотоксичных и балластных веществ (холестерин, билирубин и др.). Сорбционные методы позволяют воздействовать на иммунореактив-ность организма путем удаления иммуноглобулинов, комплемента, комплексов антиген-антитело.

Из сорбционных методов нашла широкое применение энтеросорб-ция. Энтеросорбция - метод, основанный на связывании и выведении из ЖКТ с лечебной или профилактической целью эндогенных и экзогенных веществ, надмолекулярных структур и клеток. Энтеросорбенты - лечебные препараты различной структуры - осуществляют связывание экзо- и эндогенных веществ в ЖКТ путем адсорбции, абсорбции, ионообмена и комплексообразования.

Классифицируются энтеросорбенты по химической структуре: активированные угли, силикагели, цеолиты, алюмогели, алюмосиликаты, оксидные и другие неорганические сорбенты, пищевые волокна, орга-номинеральные и композиционные сорбенты.

Бактериальные токсины, биоактивные кишечные пептиды, токсичные метаболиты, радионуклиды удаляются из организма методом энтеросорб-ции с помощью угольных сорбентов или углерод-минеральных сорбентов с положительно заряженной поверхностью. Используется в комплексной

терапии ряда заболеваний: псориаза, бронхиальной астмы, желудочно-кишечных заболеваний. Хорошие результаты дала плазмосорбция, сочетающая два способа детоксикации: гемосорбцию и плазмаферез.

Одно из важнейших направлений решения проблемы детоксикации организма - разработка и применение искусственных органов очистки: «искусственная почка» и «вспомогательная печень». Аппарат «вспомогательная печень», разработанный профессором В.Е. Рябининым, берет на себя большую часть работы по детоксикации организма и улучшению обмена веществ. Им создан препарат, изготовленный из свиной печени, который взаимодействует с кровью пациента через полупроницаемую мембрану. Действие препарата основано на принципах функционирования цитохрома Р 450 . Он сохраняет свою функциональную активность при непрерывной работе в печени 6-8 ч. Уже через час после начала эксперимента из крови удаляется до 84% аммиака, а через два часа - 91%. Данный метод может применяться при острых и хронических заболеваниях печени, инфекционных заболеваниях, при травмах и ожогах.

Одним из наиболее широко применяемым, доступным и простым методом детоксикации является химический метод. Химические методы биотрансформации «вредных» для организма частиц весьма разнообразны:

1)обезвреживание токсиканта путем химического взаимодействия с ним, т.е. непосредственного действия на токсичную частицу;

2)устранение токсического эффекта путем влияния на ферменты, рецепторы организма, которые управляют физиологическими процессами утилизации токсикантов в организме, т.е. опосредованное воздействие на токсикант.

Вещества, используемые в качестве детоксикантов, позволяют изменить состав, размер, знак заряда, свойства, растворимость токсичной частицы, превратить ее в малотоксичную, купировать ее токсическое действие на организм, вывести ее из организма.

Из химических методов детоксикации широко используется хелато-терапия, основанная на хелатировании токсичных частиц комплексона-тами s-элементов. Хелатирующие агенты обеспечивают детоксикацию организма путем их непосредственного взаимодействия с токсикантом, образования связанной, прочной формы, подходящей для транспортировки и выведения из организма. Таков механизм детоксикации ионов тяжелых металлов тетацином, тримефацином.

Для детоксикации используются и реакции осаждения. Простейшим противоядием ионов бария, стронция является водный раствор сульфата натрия. Окислительно-восстановительные реакции также при-

меняют для детоксикации. С солями тяжелых металлов тиосульфат натрия дает плохо растворимые сульфиды, и его применяют в качестве антидота при отравлениях тяжелыми металлами:

Тиосульфат-ион отдает атом серы цианид-иону, тем самым превращая его в нетоксичный роданид-ион:

В качестве противоядия соединений тяжелых металлов применяют и водные растворы сульфида натрия, так называемое щелочное сероводородное питье. В результате образования малорастворимых соединений токсичные ионы изолируются и выводятся из желудочно-кишечного тракта. При отравлении сероводородом пострадавшему дают подышать увлажненной хлорной известью, из которой выделяется небольшое количество хлора. При отравлении бромом дают вдыхать пары аммиака.

Разрушительными для белков являются биотрансформации, связанные с действием сильных окислителей, которые переводят соединения серы до степени окисления +6. Такие окислители, как, например, пероксид водорода, окисляют дисульфидные мостики и сульфгидриль-ные группы белков в сульфогруппы R-SO 3 H, что означает их денатурацию. При лучевом поражении клеток изменяется их окислительно-восстановительный потенциал. Для сохранения потенциала в качестве радиопротектора - препарата, предохраняющего организм от лучевого поражения, - применяют р-меркаптоэтиламин (меркамин), окисление которого активными формами кислорода при радиолизе воды приводит к образованию цистамина:

Сульфидная группа может участвовать в гемолитических процессах с образованием малореакционноспособных радикалов R-S. Это свойство меркамина также служит защитой от действия свободнорадикаль-ных частиц - продуктов радиолиза воды. Следовательно, равновесие тиол дисульфид связано с регуляцией активности ферментов и гормонов, приспособлением тканей к действию окислителей, восстановителей и радикальных частиц.

В интенсивной терапии эндотоксикозов используются совместно химические методы (протекторы, антидоты) и эфферентные методы

детоксикации - плазмаферез с непрямым электрохимическим окислением крови и плазмы. Данный комплекс методов лежит в основе конструкции аппарата «печень-почка», который уже находит применение в клинике.

11.9. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПОДГОТОВЛЕННОСТИ К ЗАНЯТИЯМ И ЭКЗАМЕНАМ

1.Дать понятие о биогеохимических провинциях.

2.На чем основано применение комплексонатов s-элементов как лечебных препаратов при отравлении соединениями тяжелых металлов?

3.Физико-химические основы биотоксического действия (Pb, Hg, Cd, нитритов и нитрозаминов).

4.Механизм токсического действия ионов тяжелых металлов на основе теории жестких и мягких кислот и оснований.

5.Принципы хелатотерапии.

6.Детоксикационные препараты для хелатотерапии.

7.Какие свойства соединений азота определяют их токсическое действие на организм?

8.Какие свойства перекиси водорода определяют ее токсическое действие?

9.Почему тиолсодержащие ферменты необратимо «отравляются» ионами Cu 2+ , Ag + ?

10.Какой возможен химизм противотоксического действия Na 2 S 2 O 3 5H 2 O при отравлении соединениями ртути, свинца, синильной кислотой?

11.Дайте определение геохимической экологии, экологического портрета человека.

11.10. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1. При отравлении тяжелыми металлами используют методы:

а)энтеросорбции;

б)хелатотерапии;

в)осаждения;

2. Вещество может проявлять свою токсическую природу благодаря:

а)форме поступления;

б)концентрации;

в)присутствия в организме других веществ;

г)все выше перечисленные ответы верны.

3. Средняя концентрация, при достижении которой наблюдается нарушение функции органа, называется:

а)предельно допустимая концентрацией;

б)индексом летальности;

в)критической концентрацией;

г)биотической концентрацией.

4. Вещества, вызывающие развитие раковых опухолей, называются:

а)струмогены;

б)мутагены;

в)канцерогены;

г)тератогены.

5. Соединения молибдена относятся к веществам:

а)с высокой токсичностью;

б)умеренной токсичностью;

в)низкой токсичностью;

г)не проявляют токсических свойств.

6. Базедова болезнь является:

а)гипермакроэлементозом;

б)гипермикроэлементозом;

в)гипомакроэлементозом;

г)гипомикроэлементозом.

7. Перекись водорода превращают серу аминокислот в серу:

а)-1;

б)0;

Общая химия: учебник / А. В. Жолнин; под ред. В. А. Попкова, А. В. Жолнина. - 2012. - 400 с.: ил.

АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДА НИЖНЕГО НОВГОРОДА

Департамент образования

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Школа № 63 с углубленным изучением отдельных предметов»

Рабочая программа

элективного курса

«Химические аспекты экологии»

Составитель:

учитель О.В. Рогова

г. Нижний Новгород

2016-2017 учебный год

I . Пояснительная записка

Нормативной базой для составления данной рабочей программы являются:

Федеральный закон №273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации»;

Требования к оснащению образовательного процесса в соответствии с содержательным наполнением учебных предметов федерального компонента государственного образовательного стандарта.

Рабочая программа составлена на основе Программы курса по выбору «Химические аспекты эколо­гии»: для учащихся старших классов общеобразовательных организаций / С.Б. Шустов, Л.В. Шустова, Н.В. Горбенко. - М.: ООО «Русское слово - учебник 2015. - 32 с

Программа ориентирована на использование учебных пособий:

Шустов С.Б., Шустова Л.В., Горбенко Н.В. Химические ас­пекты экологии: учебное пособие для учащихся старших классов общеобразовательных организаций. Курс по выбору. М.: Русское слово - учебник, 2015.

Шустов С.В., Шустова Л.В., Горбенко Н.В. Рабочая тетрадь к учебному пособию С.Б. Шустова, JI .B . Шустовой, Н.В. Горбенко «Химические аспекты экологии» для учащихся старших классов общеобразовательных организаций. Курс по выбору. М.: Русское слово - учебник, 2015

Предлагаемая программа элективногой курса «Химические ас­пекты экологии» ориентирована на интеграцию хи­мических знаний со знаниями смежных естественно-научных дисциплин: экологии, биологии, географии, физики.

В этом курсе реализуются межпредметные связи выше-перечисленных дисциплин, что позволяет учащимся осуществить интеграцию имеющихся знаний об окружающем мире в целостную картину и способствует формированию и развитию межпредметных компетенций старших школьников.