Одноразовые биосенсоры в эколого-аналитическом контроле

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра клеточной биологии и биоинженерии растений

Реферат на тему: «Одноразовые биосенсоры в эколого-аналитическом контроле»

Козловской Дарьи Васильевны

студентки 4 курса,

специальность «биология (биотехнология)»

Минск 2017

Введение

Неполная утилизация отходов различного рода производств и прогрессирующее возрастание объема вредных выбросов, применение чрезмерных доз удобрений, а также аварии на химических предприятиях и других объектах превратили охрану окружающей среды в одну из наиболее актуальных проблем человечества. В настоящее время в биосфере находится около 6 млн индивидуальных химических соединений, многие из которых являются чужеродными живым организмам. Только в бывшем СССР ежегодно синтезировалось около 40 000 новых соединений, причем 10 % имело перспективу широкого использования.

Очевидно, что разработка методов аналитической химии значительно отстает от темпов нарастающего включения веществ в биосферу. С другой стороны, биологическое действие смеси веществ, как правило, не является суммой эффектов каждого из них в отдельности. В водном бассейне, в почве присутствует сложная смесь как исходных загрязнителей, так и продуктов их превращений - соединений вторичного происхождения. Комбинация химических соединений может либо усилить (синергизм), либо ослабить (антагонизм) их биологическое действие.

Экологический мониторинг - таким образом организованный мониторинг окружающей природной среды, при котором: во-первых, обеспечивается постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов), а также оценка состояния и функциональной целостности экосистем; во-вторых, создаются условия для определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются.

Существующая система экологического мониторинга природной среды, базирующаяся на определении химического состава и сопоставления его с ПДК индивидуальных веществ и гидрохимическими показателями, не дает возможности в полной мере оценить создавшуюся ситуацию по следующим причинам:

· дороговизна, трудоемкость и продолжительность проведения анализа;

· ограниченное количество установленных ПДК в окружающей среде и практическое отсутствие таковых для почв.

Существующие предельно допустимые концентрации (ПДК) (например, для водоемов установлены ПДК всего лишь приблизительно для 800 веществ) не отражают действительную опасность биологического загрязнения, причем на практике, как правило, определяются всего лишь около 10 комплексных показателей таких как:

· химическое потребление кислорода, биологическое потребление кислорода, мутность и другие;

· увеличение токсичности веществ в процессах их метаболического превращения живыми системами (биотрансформация) и биоаккумуляция;

· проявление синергизма действия при наличии двух и более поллютантов;

· отсутствие, в связи с отмеченными явлениями оценки биологической полноценности среды обитания.

Более того, аналитический контроль загрязнения индивидуальными веществами не может обеспечить необходимой информацией для предсказания возможных сдвигов на ранних этапах их появления, и особенно, в чрезвычайных ситуациях (залповый сброс, нарушение технологического режима очистки сточных вод и т. д.). Новизна, сложность и многогранность проблемы определяют поиск нетрадиционных путей, новых подходов, позволяющих осуществить постоянный контроль за компонентным составом среды [1]. Биосенсоры, которые не могут быть воспроизводимо и быстро восстановлены, должны называться одноразовыми, к их числу относятся биотесты и биоиндикаторы [2]. Среди биологических методов контроля выделяют биоиндикацию и биотестирование.

1. Биоиндикация и её место в экологическом мониторинге

Биоиндикация - оценка качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию биоты в природных условиях. Для учета изменения среды под действием антропогенного фактора составляются списки индикаторных организмов.

Биоиндикатор - группа особей одного вида или сообщества, по наличию или по состоянию которых, а также по их поведению судят о естественных и антропогенных изменениях в среде. Поскольку изменения биологических систем довольно часто могут быть обусловлены антропогенными факторами, то само понятие «биоиндикация» можно сформулировать следующим образом: Биоиндикация - это обнаружение и определение биологически и экологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ.

С помощью биоиндикаторов можно обнаруживать места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений; по ним можно проследить скорость происходящих в окружающей среде изменений; только по биоиндикаторам можно судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы.

Живые биоиндикаторы имеют ряд преимуществ перед химическими методами оценки состояния окружающей среды, широко применяемыми в настоящее время:

· они суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом,

· в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы,

· исключают необходимость регистрации физических и химических параметров среды,

· делают необязательным применение дорогостоящих и трудоемких физических и химических методов для измерения биологических параметров;

· живые организмы постоянно присутствуют в окружающей человека среде и реагируют на кратковременные и залповые выбросы токсикантов, которые можно не зарегистрировать при помощи автоматической системы контроля с периодичным отбором проб на анализы,

· фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений,

· указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в пищу человека,

· позволяют судить о степени вредности синтезированных человеком веществ для природы и человека и позволяют контролировать действие этих веществ,

· помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся по своей устойчивости к антропогенному воздействию, так как одинаковый состав и объем загрязнений может привести к различным реакциям природных систем в разных географических зонах. Наконец, биоиндикаторы вскрывают тенденции развития окружающей среды.

Существует несколько разных форм биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то это будет неспецифическая биоиндикация. Если же те или иные изменения можно связать с влиянием какого-либо одного фактора, то биоиндикация такого типа называется специфической. Биоиндикаторы по ответным реакциям на внешние воздействия также могут быть отнесены к нескольким типам. Во-первых, у ряда видов животных существенно меняется численность популяций в условиях нарушения среды. Это будут количественные биоиндикаторы. Наряду с ними есть качественные биоиндикаторы, по присутствию или отсутствию которых также можно дать характеристику биоценоза.

Использование живых организмов в качестве биологических индикаторов на изменение среды вызывает необходимость разработки ряда критериев, на основе которых можно подбирать индикаторные виды. По отношению к животным такими критериями могут быть: доступность в большом спектре местообитаний в течение сезона, невысокая миграционная способность, питание в загрязняемых экосистемах, высокий метаболизм, быстрое чередование генераций. Этим требованиям, а также ряду других в высокой степени удовлетворяют почвообитающие беспозвоночные, составляющие 90-99% биомассы или 95 % видового состава наземных биоценозов. Они реагируют на антропогенное воздействие более чутко и раньше, чем это можно обнаружить на основе анализов почвы и физических измерений. В сельском хозяйстве по почвенным беспозвоночным можно оценивать влияние пестицидов, минеральных удобрений, агротехники. На урбанизированных территориях они являются биоиндикаторами распространения тяжелых металлов, радионуклидов, кислых осадков, загрязнения воздуха, свидетельствуют об изменениии водного режима почв при мелиорации земель.

Почвообитающие беспозвоночные, подходящие для биоиндикации, имеют следующие достоинства: достаточную многочисленность во всех биотопах, ведут оседлый образ жизни, являются накопителями некоторых элементов, имеют широкий ареал распространения, методы их сбора достаточно хорошо разработаны. Очень важной особенностью этой группы животных является тот факт, что циклы развития многих из них длятся по 3-4 года и в результате даже при малых концентрациях животные получают высокую суммарную дозу загрязняющего вещества.

Наряду с беспозвоночными для целей биоиндикации могут быть использованы и животные иных групп, в частности, некоторые позвоночные. Требования, предъявляемые к данной группе организмов, несколько отличаются от таковых для беспозвоночных. Это связано с рядом причин, ограничивающих биоиндикационную роль наземных позвоночных животных.

В отечественной литературе предлагаются следующие критерии для позвоночных-биоиндикаторов:

· принадлежность к разным трофическим звеньям (поскольку степень концентрации веществ растет от автотрофов к гетеротрофам и крупным хищникам, целесообразно при индикации какого-либо загрязнения среды брать представителей разных звеньев);

· оседлость;

· широкий ареал распространения; сравнительно высокая эвритопность;

· принадлежность к естественным сообществам (синантропные виды часто весьма существенно отличаются по микроэлементному составу от степени загрязнения региона);

· простые методы добычи животных. Учитывается также и тот факт, что численность вида должна обеспечивать достаточное количество материала для химических анализов.

Считается также, что число видов-индикаторов для каждого региона должно быть ограничено. В связи с этим в лесной зоне для целей биоиндикации предлагались следующие виды животных - европейский и алтайский крот, обыкновенная бурозубка, рыжая и красная полевки, бурый медведь, а также лось [3].

2. Биотестирование и его роль в мониторинге окружающей среды

Биологическое тестирование предполагает эксперимент. Организм, выращенный в заведомо чистой среде, помещается в испытуемую пробу, и о присутствии загрязнителей судят по реакции данного организма, называемого тест-объектом.

Основное преимущество биотестирования заключается в том, что исключается влияние неоднородности экологических факторов. За счет этого можно сопоставить оценки токсичности среды в разных точках контролируемой территории, так как воздействие загрязнителя осуществляется в строго идентичных условиях.

Большинство приемов биотестирования не требует трудоемких методик, дорогостоящего оборудования и дает интегральную оценку биологической полноценности среды, обеспечивая учет действия всех компонентов, включая возможные реакции синергизма и антагонизма.

За рубежом биологические тесты включены в качестве нормативных документов в систему оперативного контроля загрязнения окружающей среды, причем уже есть определенные достижения и в области их стандартизации (Англия, Франция, Германия, Япония, Польша и др.)

Например, в США есть несколько официальных стандартных показателей токсичности, основанных на различных биологических тестах. Так, если в исследуемой пробе воды в течение 48 ч погибает 50 % или более дафний, считается, что допустимый уровень токсичности превышен. Попытки подобного рода предпринимались и в бывшем СССР. В 1991 г. было издано «Методическое руководство по биотестированию», в котором предлагались обязательные элементы системы оценки и контроля качества воды: биотесты на дафниях, водорослях (сценедесмус, хлорелла), рыбах (гуппи). Однако все эти приемы основывались на визуальном контроле гибели тех или иных тест-объектов.

Настоятельным требованием времени является введение в систему биотестирования инструментальных методов оценки состояния тест-объекта по объективным показателям. Такие аналитические системы принципиально не отличаются от классических биосенсорных устройств, только круг задач, решаемых с применением этих биодатчиков, несколько иной. Если традиционные биосенсоры определяют содержание лишь одного вещества или ограниченного круга веществ, то с помощью биотестирующих устройств удается сделать интегральную оценку степени биологической полноценности среды и степени ее биологической безопасности (опасности). Одна из основных задач биотестирования - выбор тест-объекта. При этом отмечаются следующие его достоинства: биоиндикация природный экологический

1. Нет необходимости получать очищенные ферменты или другие компоненты клеток, можно непосредственно использовать целые клетки или срезы тканей без выделения и очистки белков. Это в конечном итоге приводит к значительному снижению стоимости.

2. Ферменты и другие биомолекулы находятся в их естественном окружении.

3. Активность ферментов стабилизирована.

4. Биосенсор можно регенерировать погружением в питательную среду. Микроорганизмы сохраняют жизнеспособность довольно долго.

5. Целые клетки могут содержать несколько кофакторов и ферментов, катализирующих реакции, которые трудно, если вообще возможно, осуществить с помощью одного иммобилизованного фермента. Кроме того, кофакторы, необходимые для ферментативных реакций, находятся в естественно иммобилизованном состоянии.

Однако у таких биосенсоров есть и недостатки, среди которых обычно отмечают:

1. Низкую селективность, обусловленную присутствием в клетке микроорганизма ряда ферментов, которые могут катализировать побочные реакции.

2. Часто наблюдаемый медленный отклик биосенсора, поскольку в диффузионные барьеры в данном случае включается и плазматическая мембрана.

Однако в данном случае предпочтение отдается не биомолекулам, а целым организмам (как одноклеточным, так и более высокоорганизованным), поскольку в биотестирующем устройстве тест-объект должен реагировать не на какое-либо одно вещество, а на ряд негативных воздействий, связанных не только с повышенным содержанием поллютантов, но и с их сочетанным действием. Кроме того, для организма характерна более сложная система реакций в ответ на различные химические раздражители, что, в свою очередь, иногда позволяет дать дифференцированную оценку как степени, так и качественных характеристик загрязнения среды.

Хотя, с другой стороны, для всех тест-объектов существует общая тенденция: чем более сложно устроен организм, тем сложнее его реакция, тем труднее интерпретировать полученные результаты, а следовательно, провести раннюю диагностику загрязнения среды.

В Англии создана автоматизированная система биологического контроля качества воды с помощью рыб. В проточный аквариум помещается форель. При подаче загрязненной воды под влиянием поллютантов рыба ослабевает и сносится в задний отсек, где ее присутствие фиксируется фотоэлементом. Возникает сигнал опасности.

В ФРГ для контроля используется нильский сомик. Эта рыба имеет свойства испускать слабые электрические импульсы. В нормальных условиях их частота около 800 импульсов/мин; при отравлениях рыбы они подаются значительно реже. Разработан и автоматизированный индикатор контроля загрязнения водной среды на основе регистрации электрофизиологических параметров клеток харовых водорослей. В последнем случае о воздействии поллютантов на тест-объект судят, измеряя два независимых параметра тест-объекта. Биологическая реакция тест-объекта при таком методе ее регистрации позволяет сделать определенные суждения о типах воздействия. В этом случае возможны 8 типов реакций, при большем количестве независимых параметров возможна более детальная характеристика биологической полноценности среды [2].

Список литературы

1. Кудряшов, А.П. Биосенсорные устройства: Курс лекций / А.П. Кудряшов - Мн: БГУ, 2003. - 113 с.

2. Биосенсорные системы в медицине и экологии: Учеб. пособие / И. С. Захаров, А. В. Пожаров, Т. В. Гурская, А. Д. Финогенов // С.-Петерб. гос. ун-т телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича. - СПб: СПбГУТ, 2003. - 119.

3. Климентова Е.Г. Биодиагностика и биоиндикация почв / Е.Г. Климентова, Л.М. Громов. - Ульяновск: УлГУ, 2004.

Размещено на Allbest.ru