Значение белков. Биологическая оценка сложных природных и искусственных объектов и ее приборная реализация

Каждое из токсических веществ обладает определенным механизмом действия и обуславливает специфический механизм реагирования. Гидробиоиты, их популяции и гидробиоценозы обнаруживают различную чувствительность и устойчивость к токсинам.

Из загрязненных веществ наибольшее значение для водных экосистем имеют нефть и продукты ее переработки, пестициды, соединения тяжелых металлов и т.п. Чрезвычайно опасным стало загрязнение водоемов различными продуктами радиоактивного распада -радионуклидами или радиоизотопами. Все большее беспокойство вызывает загрязнение и осоление пресных водоемов в следствие выпадания "кислотных дождей", когда в атмосферной влаге растворяются газы и некоторые другие вещества, выбрасываемые в воздух промышленными предприятиями. Значительную роль в загрязнении водоемов играют бытовые стоки, лесосплав, отходы деревообрабатывающих предприятий и многие другие виды загрязнения, не относящиеся к токсичным, но ухудшающие среду гидробиоитов.

Вывод.

Как наука экологическая гидробиология исходит из представлений о том, что живое, возникшее из неживого, остается в тесной зависимости с последним, находится с ним в структурно -функциональном единстве. На всех уровнях ореолизации живое существует только как часть противоречивого целого -биологического тела в его взаимосвязях со всей совокупностью окружающих условий. Обитатели того или иного водоема вне зависимости от систематического положения конвергентно приобретают сходные адаптации к существованию в пределах своего места обитания, образуя характерные жизненные формы.

Организмы, популяции, биоценозы -не жесткие системы, разрушающиеся при состояниях среды, отличающихся от оптимальных, они способны адаптироваться к среде.

Оценка степени ухудшения условий в водных экосистемах под влиянием загрязнения или других антропогенных воздействий с той или другой точностью в настоящее время может быть сформулирована только применительно к практическим формам использования водоемов. Показателем экологического благополучия водных экосистем может служить хорошо развитый биокруговорот. Прогноз состояния водных экосистем и влиянии тенденций в их изменении крайне важны для перспективного планирования рациональной эксплуатации водоемов.

Человек должен стабилизировать свой обмен с природой на основе его адекватности, гармонического сочетания интересов общества и возможностей природы.

Оценка безвредности с помощью биотоксикологических испытаний.

Задача оценки безвредности сложных объектов, таких как пищевые и кормовые продукты, природные и сточные воды, почвы и грунты на сегодня решается с помощью аналитических методов. Теоретически с помощью физико-химических методов, возможно определить почти все токсичные компоненты, из которых число известных более 1000, но на практике в лучшем случае определяются концентрации 5-6 тяжелых металлов, до 4 видов микотоксинов, 2-3 бактериальных, нитраты и нитриты.

Такое определение отдельных ядов при общей оценке токсичности сравнимо с измерением линейкой земного шара по трем осям координат: определяя расстояния, делать это придется так долго, что к концу измерения надобность в нем уже отпадет, при этом вряд ли можно получить общую картину геометрии Земли.

Исходя из системных правил, оценить сложную систему может только система, имеющая более высокий уровень сложности. Впрочем, существует еще один подход к оценке качества - биологическое моделирование, если такое моделирование применяется для оценки безвредности, то более уместен термин биотоксикологическое испытание или биотест.

Основной проблемой таких испытаний различных веществ и продуктов, поступающих в организм человека, является проблема адекватности биологической модели. В классической токсикологии используются различные виды высших животных, но и такие модели тоже являются приближенными к моделируемому организму. Например, для получения реальной оценки действия новых фармпрепаратов после всех биологических испытаний на животных производятся обязательные клинические испытания, т.е. для получения таких характеристик, как эффективность лекарственного препарата и его токсичность, новые лекарства испытывают на людях.

Что же касается препаратов нелекарственного назначения, таких как, например, консерванты или красители, в той или иной степени поступающих в организм человека, токсичность их определяется только по биоиспытаниям на животных. Но для прогнозирования действия тех или иных веществ на человека таких данных недостаточно, т.к. нет формализованного описания степени приближения организмов подопытных животных к организму человека. Вполне возможно, что определение этой степени приближения, задача даже не завтрашнего дня.

Существует огромное количество несравниваемых данных биотоксикологических испытаний, систематизация которых, возможно, прояснит пути развития теории таких испытаний, но сейчас уже понятно и то, что для повышения достоверности биомоделирования необходимо увеличивать видовое разнообразие организмов и количество опытов в сериях испытаний. Это может быть достигнуто с помощью методов биоиспытаний на низших организмах и культурах клеток - в этом случае использование высших животных возможно, если не исключить, то свести к минимуму.

При этом целесообразно проводить испытания в несколько этапов, начиная с самого быстрого и технологичного, заканчивая наиболее трудоемким и длительным. Каждый следующий этап оценки должен повышать информативность и точность такой оценки. Для разных целей количество таких этапов может быть разное. При массовой оценке можно ограничиваться одним этапом - быстрым, технологичным и достоверным биологическим методом.

3.Биологические методы с использованием клеток.

Живые организмы, принадлежащие различным иерархическим уровням в системе классификации всего живого на Земле, по-разному реагируют на токсичные вещества, но всех их объединяет одно гениальное изобретение Природы: единица жизни в каждом организме - клетка. Известно также, что все качественные реакции при воздействии тех или иных токсикантов начинаются на клеточном уровне.

Культуры клеток тканей человека и животных, применяемых в качестве тестов при биоиспытаниях, дают результат, имеющий высокую достоверность и сопоставимость с реакцией целого организма, но в силу высокой сложности и трудоемкости таких методов применять эти тесты для массовой оценки пока затруднительно. Поэтому для такой оценки целесообразно применять биотесты на простейших. Критериями этой оценки служат реакции (тест-реакции) подопытных организмов на исследуемые пробы.

Среди простейших организмов на роль спасителей человека от созданной им самим беды - загрязнения среды обитания - имеются два претендента: бактерии и инфузории.

Бактерии - прокариотные организмы, отстоящие от человека в эволюционном ряду дальше, чем эукариоты - инфузории, хороши там, где легко найти регулярный эталон, например при оценке воды. Регулярный эталон - постоянно присутствующий при анализах чистый образец, реакцию на который принимают за точку отсчета при исследовании неизвестного образца.

При использовании инфузорий иметь такой образец необязательно, достаточно один раз найти норму реакции данного вида инфузорий на данный вид продукта и стабилизировать факторы, влияющие на достоверность анализа. Подтверждением этому служит успешное внедрение метода на инфузориях Stylonichia mytilus оценки токсичности зернофуража и комбикормов в сельскохозяйственном производстве. Метод разработан к.б.н. Гроздовым А.О. в 1991году.

В производственных лабораториях более чем 400 сельскохозяйственных предприятий оперативно определяют общую токсичность по данной методике.

Методика биологических испытаний с помощью данного вида инфузорий по ГОСТ 13496.7-97 «Зернофураж и комбикорма на его основе. Методы оценки токсичности.» основана на двукратном подсчете живых инфузорий - до введения пробы и через 1 час после введения и регламентирует культивирование, подготовку проб и проведение испытаний. При этом в качестве тест-реакции используется лизис или разрушение погибших организмов. Культивирование инфузорий осуществляется в чашках Петри, а подсчет их во время анализа - визуально под микроскопом.

Критериями для оценки безвредности служат следующие показатели выживаемости инфузорий при воздействии на них специально подготовленной пробы исследуемого продукта:

- ЛД50 - выжило инфузорий меньше или равно 50% от первоначального количества, при этом показателе исследуемый продукт токсичен;

- ЛД25-выживаемость от 51% до 75% инфузорий- продукт слаботоксичен и его оценка должна быть продолжена в подостром опыте (24 часа);

ЛД0- при выживаемости инфузорий от 76% до 100% - продукт нетоксичен.

Применение инфузорий для биологической оценки.

В пользу подтверждения выбора инфузорий как тест-объекта для биологических испытаний служат следующие соображения:

- инфузории - эукариотные организмы, как и человек, норма их реакций на токсиканты может быть сопоставлена с нормой реакции человека;

накоплен статистический материал, о высокой чувствительности инфузорий к загрязняющим веществам - тяжелым металлам, пестицидам, микотоксинам и дрругим токсикантам; есть положительная корреляция данных сравнительного анализа результатов биотестов на инфузориях Paramecium caudatum и гидрохимических данных оценки природных вод; получены научные результаты, позволяющие увидеть перспективу применения таких тест-объектов для оценки физиологического состояния человека в условиях риска возникновения инфаркта и инсульта; возможность стандартизации биотеста: ГОСТ 13496.7-92 «Зернофураж, продукты его переработки, комбикорма. Методы определения токсичности» регламентирует способ использования Stylonychia mytilus для оценки токсичности кормов” ;

- реальные факты успешного внедрения в практику: широкое использование биотеста на инфузориях Stylonichia mytilus в сельскохозяйственной практике птицефабрик, свинокомплексов России позволяет полностью избежать потерь от токсикоза животных, связанных с использованием недоброкачественных кормов.

Почему такие организмы только сейчас начинают отвоевывать себе нишу использования в токсикологии? Скорее всего, существуют некоторые объективные факторы, в которых инерция мышления занимает не последнее место. Но основной причиной, вероятно является то, что при использовании в биологических методах тест-реакций инфузорий исследователи сталкивались с проблемами трудоемкости оценки и неопределенностью при формализации такой оценки.

В качестве основы для создания нового технологичного автоматического метода наиболее перспективен метод на инфузориях Stylonychia mytilus. Такой выбор снован на следующих соображениях:

- эта инфузория живет только в чистых водах, т.е. теоретически обладает высокой чувствительностью к токсикантам;

при гибели она лизируется (разушается клетка), поэтому с ее помощью легко дать количественную оценку степени токсичности;

тест-реакция лизиса является наиболее достоверной, что подтверждается практикой внедрения метода по ГОСТ 13496.7-92;

- с помощью данного вида инфузорий возможна оценка токсичности не только водорастворимых соединений, но и соединений, растворимых в ряде органических растворителей. белок аминокислота биологическая оценка

5. Автоматизация биотестов.

Жизненно важная потребность в адекватной и массовой оценке качества сложных природных и искусственных объектов, а также возможности биологической науки, электроники и вычислительной техники, определяют возникновение нового класса приборов - автоматизированных/автоматических биотестов.

Существует несколько вариантов таких приборов. Наиболее известный из них -Микротокс , или его российский аналог - Биотокс, в котором в качестве тест-объекта применяются бактерии. По изменению люминисцентного свечения генетически измененных бактерий определяется уровень токсичности исследуемой пробы по сравнению с параллельно исследуемым эталонным образцом. Существует также пример автоматизации биотеста на сперме быка, данный тест-объект должен храниться при температуре жидкого азота, при проведении исследований в стерильных условиях микробиологической лаборатории производится размораживание и предварительная оценка клеток спермы для применения в опыте. Третий вариант автоматизации - прибор Биотестер, позволяющий оценивать степень опасности по двигательной реакции инфузорий Paramecium caudatum.

6. Прибор БИОЛА - автоматический биотест на инфузориях.

Автоматизация биотеста на инфузориях с использованием инфузориях Stylonichia mytilus, основанная на методе по ГОСТ 13496.7-97 имеет реализацию ввиде прибора Биола. Сейчас существует его макетный вариант.

Прибор является открытой программно-аппаратной системой, позволяющей применять различные алгоритмы проведения биотоксикологических анализов разнообразных веществ и продуктов, а также легко интегрирующейся с иными лабораторными приборами.

Прибор БИОЛА состоит из:

- компьютера с процессором не менее P-166, видеограббером и вторым портом LPT2;

-минибиологической лаборатории (БИОЛА), функциями которой являются автоматическое культивирование инфузорий и проведение анализов;

БИОЛА представляет собой блок размерами 470*370*300 с системой сосудов для культивирования инфузорий, устройства для подсчета инфузорий при анализах и устройства управления. В блоке автоматически поддерживается постоянная температура.

Степень токсичности пробы оценивается на основе сравнения 2х и более подсчетов живых организмов в лунках планшетки. Планшетка представляет собой колесо из оргстекла с 16 лунками. Одновременно на одной планшетке можно разместить 5 проб. Каждая проба повторяется в 3х лунках (рабочий режим) или в заданном количестве лунок (исследовательский режим).

Подсчет живых объектов в системе осуществляется в соответствии со следующим алгоритмом:

- двукратный покадровый ввод изображения лунки с инфузориями в оперативную память компьютера,

- операция вычитания двух кадров,

- распознавание объектов по заданной величине площади.

Далее эти операции повторяются для всех заданных лунок, позиционирование по объектив оптической системы осуществляется автоматически.

Время необходимое для экспрессной оценки составляет 1 час, для проведения исследований хронической токсичности в автоматическом режиме задаются любые временные интервалы - от 2 часов до 1 месяца и больше.

7.Возможности применения метода и прибора.

Для оценки возможностей применения данного прибора в пищевой отрасли проведены предварительные исследования по разработке методик оценки зерновых пищевых продуктов, колбас, спиртов, дезинфектантов, консервантов, сточных вод.

Данный вариант автоматизации биотеста может быть с успехом разработан в мобильном автономном исполнении со встроенным вычислителем, в тех же габаритах (470*370*300)

Данная разработка защищена патентом №2122025 и двумя заявками на изобретение.

Список литературы

1. Большая медицинская энциклопедия. Москва. Медицина. 1986г.

2. Шамин А. Н. “История биологической химии”. Москва. Наука.1990г.

3. Анисимов А. А. “Основы биохимии”. Москва. Высшая школа. 1987г.

4. Диксон М., Уэбб Э. “Ферменты”. Москва. 1982г. Том 1.

5. Северин С. Е. “Липиды. Структура, биосинтез и функции”. М. 1987г.

6. Смирнов М. И. А “Витамины”. Москва. 1987г.

7. Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор - Биология.

8. З.А. Шабарова и А.А. Богданов - Химия нуклеиновых кислот и их полимеров.

9. А.П. Пехов - Биология и общая генетика.

10. 2. А. Микельсон - Химия нуклеозидов и нуклеотидов.

11. З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане - Органическая химия

12. Билич Г. Л., Крыжановский В. А. Биология. Полный курс. М.: Оникс 21 век, 2002.

Размещено на Allbest.ru