Chemia/Związki chemiczne w środowisku – wpływ na organizmy żywe

Zagrożenia

• Wzrastające stężenie związków chemicznych w środowisku stanowi bezpośrednie zagrożenie dla organizmów żywych.
• Najbardziej toksyczne zanieczyszczenia:
  • metale ciężkie,
  • policykliczne węglowodory aromatyczne,
  • chlorowcopochodne węglowodorów,
  • związki fosforoorganiczne.

Toksyczne właściwości metali

• Do uznanych kancerogenów wobec organizmów ludzkich zalicza się związki chromu(VI), niklu, arsenu i kadmu.
• Najsilniejsze właściwości toksyczne wykazują nieorganiczne związki metali, łatwo rozpuszczalne w wodzie, dzięki czemu przedostają się do różnych struktur komórkowych.
• Metale wykazują szkodliwe działanie w stosunku do tkanki nerwowej, prowadzą do zaburzeń gospodarką wapniową, wiążą się z grupami tiolowymi i karboksylowymi białek powodując zmiany w ich funkcjonowaniu.
• Obecność jonów metali ciężkich w komórkach prowadzi do uszkodzeń DNA (podwyższony poziom utlenionych zasad nukleinowych, jedno i dwuniciowe pęknięcia DNA) oraz tworzenia dodatkowych wiązań między fragmentami DNA oraz wiązań białko-DNA (sieciowanie).

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne

• Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne są to związki mało lotne, o właściwościach hydrofobowych, bardzo słabo rozpuszczalne w wodzie. Kumulują się w osadach dennych i organizmach wodnych. Do organizmu ludzkiego dostają się drogą pokarmową , oddechową oraz przez skórę.
• W komórkach organizmów żywych węglowodory aromatyczne ulegają procesom hydroksylacji . Elektrofilowe produkty są bardzo reaktywne względem cząsteczek biologicznych, tworzą addukty z DNA i białkami.
• 16 wielopierścieniowych węglowodorów zostało uznanych jako rakotwórcze, zaleca się oznaczanie ich stężeń w analizach środowiskowych.

Związki fosforoorganiczne

• Związki fosforoorganiczne są estrami lub amidoestrami kwasów fosforowych. Są to silne czynniki alkilujące. Za ich biologiczną aktywność na poziomie molekularnym odpowiada reakcja z miejscami nukleofilowymi w kwasach nukleinowych i białkach.
• Związki fosforoorganiczne powodują uszkodzenia materiału genetycznego poprzez uszkodzenia struktury pierwszo, drugo i trzeciorzędowej DNA, jak również kompleksu chromatynowego
• Zaburzają syntezę DNA i RNA. Są inhibitorami polimeraz RNA.

Bio-detekcja w środowisku

• Zastosowanie materiału biologicznego w badaniach środowiska pozwala wyciągać bezpośrednie wnioski na temat wpływu zanieczyszczeń na organizmy żywe.
• Wyróżnia się 3 typy biologicznych detektorów:
  • bioindykatory,
  • biomarkery,
  • biosensory.

Bioindykatory

• Bioindykatory (najczęściej organizmy roślinne) dzieli się na 3 grupy:
  • organizmy wskaźnikowe, które informują o całkowitym stanie ekosystemu,
  • organizmy testowe, które są używane w wysoko standaryzowanych badaniach laboratoryjnych,
  • organizmy monitoringowe używane do określania szkodliwego wpływu związków chemicznych w środowisku.
• Projekt badawczy EuroBionet realizowany od 1999 r przez 11 miast UE wykorzystuje rośliny bioindykacyjne wrażliwe na związki siarki, metali ciężkich, węglowodory aromatyczne.

Biomarkery

• Wyróżnia się 3 rodzaje biomarkerów: ekspozycji, efektu, wrażliwości.
• Biomarkery ekspozycji stosuje się w celu określenia zaabsorbowanej dawki przez różne tkanki.
• Biomarkery efektu są to zmiany powstałe w wyniku zaabsorbowania szkodliwej substancji, które w sposób jakościowy lub ilościowy pozwalają przewidzieć wystąpienie choroby.
• Biomarkery wrażliwości pozwalają ocenić podatność różnych organizmów na działanie szkodliwych czynników.
• Jako biomarkery wykorzystuje się cząsteczki DNA i białek (albumina, hemoglobina). Ich analiza wymaga bardzo czułych metod detekcji.

Biosensory

• Biosensorem nazywa się element pomiarowy, który zawiera biologicznie aktywny materiał w bezpośrednim kontakcie z odpowiednio dobranym elementem przetwornikowym w celu oznaczania stężeń określonych typów związków chemicznych.
• Materiałem biologicznym są enzymy, preparaty komórkowe z bakterii, roślin i zwierząt oraz mikroorganizmy.
• Metody detekcji najczęściej stosowane w biosensorach:
  • potencjometryczna (zmiana potencjału elektrody),
  • spektrofotometryczna ( zmiana intensywności pasma absorpcyjnego lub emisyjnego),
  • kalorymetryczna (wykorzystująca efekty cieplne).
• Zaletą stosowania biosensorów w analizie środowiska jest możliwość nie tylko detekcji, ale również określanie toksyczności związków chemicznych.