Материал: Биомолекулы. свойства, роль в биохимии человека, технологии получения. Хорохордина Е.А., Рудаков О.Б

Со временем природа обнаружила как исчерпаемость своих богатств, так и ограниченность способности восстанавливать нарушаемые связи. В конечном итоге это стало отражаться и на самом человеке. В последние десятилетия антропогенное воздействие достигло беспрецедентного уровня и распространилось на весь мир. Стали возникать глобальные проблемы, такие, как парниковый эффект, озоновые дыры и др.

В заключение следует отметить, что основное отличие изменений в окружающей среде за счет естественных процессов и за счет антропогенных воздействий заключается в их скорости. Например, изменение концентрации кислорода в атмосфере до современных 21 % длилось около 1,5 миллиардов лет, то есть изменение на 0,004 % длилось в среднем около 200 тысяч лет. Тогда как изменение содержания СО₂ в атмосфере на 0,004 % за счет деятельности человека произошло за несколько последних десятилетий. В таких условиях организмы, особенно высшие, просто не успевают приспособиться.

Следовательно, изучая экологические проблемы, необходимо уметь выделять те изменения, которые происходят в природе по вине человека. Нужно понимать, что решить эти проблемы может только человек, иначе человечество просто погибнет.

Источники загрязнения окружающей среды

Энергетика и транспорт, а также связанные с ними производство и транспортировка энергоносителей дают основную массу загрязнителей в окружающую среду. Интенсивное загрязнение природы началось в XVIII в. Широкое распространение паровых машин в XIX в. резко увеличило потребление топлива. С появлением двигателей внутреннего сгорания и крупных тепловых электростанций в ХХ в. загрязнения стали поступать в прогрессирующем количестве, что привело к проблемам нехватки чистой воды и воздуха, к изменениям глобального характера: парниковому эффекту, кислотным дождям, фотохимическому смогу, радиоактивным осадкам, разрушению озонового слоя.

Промышленность вносит немалый вклад в загрязнение окружающей среды. В отличие от энергетики и транспорта, которые поставляют загрязнители практически повсеместно в огромных количествах, но в небольшом ассортименте, каждая отрасль промышленности дает свои специфические загрязнения. Среди них экологически наиболее опасными являются предприятия черной и цветной металлургии, химическая промышленность.

Сельское хозяйство. Необходимость внесения в почву удобрений неизбежна, так как из почвы вместе с урожаем удаляется огромная масса питательных веществ. Но если внести избыток удобрений, то произойдет засоление почв, а продукция будет содержать избыток нитратов. Однако эти средства могут оказаться затраченными впустую, если не защитить урожай от возбудителей болезней, насекомых-вредителей и сорняков. Например, потомство только одной самки колорадского жука за один сезон (30 млн особей) уничтожает 30 т картофельных листьев. Использование пестицидов позволило в значительной степени решить эту проблему, но породило новую. Пестициды стали обнаруживать везде, даже в Антарктиде.

Бытовые отходы. Когда человек перешел от охоты к сельскому хозяйству, созданию постоянных поселений, стала появляться проблема удаления бытовых отходов. Она особенно обострилась в последнее столетие, когда появились многомилионные города, ставшие крупномасштабными предприятиями по производству бытового мусора и сточных вод.

Мониторинг окружающей среды и классификация загрязнителей. Чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных, предупредить наступление возможных критических ситуаций, возникла необходимость в организации специальных наблюдений за состоянием биосферы. Такую систему постоянных наблюдений называют мониторингом антропогенных изменений природной среды. Его основные задачи: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогнозирование ее состояния, определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников такого воздействия.

Первая схема организации мониторинга антропогенных загрязнителей разработана на межправительственном уровне в 1974 г. в Найроби. Тогда же был уточнен список наиболее опасных загрязнителей для учета их при организации мониторинга. Загрязнители оценивались по воздействию на здоровье человека; влиянию на климат; склонности к разрушению в природной среде; способности накапливаться в пищевых цепях; возможности превращаться во вторичные токсические или мутагенные вещества; мобильности; тенденции концентрирования в окружающей среде; силе воздействия; возможности определения и др. Ряд загрязняющих веществ оценен в баллах по каждому критерию и по наибольшей сумме баллов определены приоритеты.

Найденные приоритеты разбиты на восемь классов (чем выше класс, тем выше приоритет, т.е. тем более опасен данный вид загрязнителей). Эти классы загрязняющих веществ с указанием среды и уровня измерений приведены в таблице 19 [47].

Таблица 19

Классификация загрязняющих веществ по классам приоритетности

^* Г - глобальный уровень, Р - региональный, Л - локальный

Особенности органических загрязнителей. До начала ХХ в. сбрасываемые органические вещества не представляли особой опасности для окружающей среды, если сброс был невелик, так как они были природными веществами и легко усваивались в ней. С начала ХХ в загрязнении окружающей среды все большую роль стали играть синтетические органические соединения, которые раньше в природе не встречались. Имея чуждую природе структуру, они не поддаются биохимическому разложению из-за отсутствия соответствующих ферментов и накапливаются в окружающей среде. Некоторые из них по мере продвижения по пищевым цепям концентрируются в живых организмах, накапливаясь в количествах, опасных для здоровья человека, домашних и диких животных. Еще одна особенность заключается в возможности их превращения под действием химических, физических и биохимических факторов в соединения, имеющие еще большую опасность, чем первоначально внесенные.

В количественном отношении органические загрязнители существенно уступают неорганическим, но постепенно это соотношение меняется в сторону органических веществ, да и опасность их для окружающей среды часто выше неорганических. Мировое производство и использование органических веществ, начиная со второй мировой войны, быстро увеличивалось и в основном в результате разработок новых синтетических веществ. Особенно широкое распространение синтетические органические соединения получили в последние 30-40 лет: всевозможные ядохимикаты, синтетические полимеры, СМС. Они выпускаются сотнями миллионов тонн в год и поэтому становятся важным и весьма неприятным экологическим фактором.

Загрязнение органическими веществами может охватывать большие пространства. Например, нефть растекается по поверхности воды до тех пор, пока не образуется тонкая пленка. Пленка проявляет свойства, отличающиеся от свойств нефти в большом объеме, и значительно увеличивает размер зоны, в которой протекают различные реакции.

Важным и часто упускаемым моментом является период существования соединения. Он исчисляется временем, необходимым для полного разложения соединения или для такого изменения его состава, чтобы оно не представляло потенциальной или реальной угрозы. Это время в сильной степени зависит от ряда переменных: характеристик среды и ее биологической активности. Для одного и того же вещества оно может заметно меняться в зависимости от местных условий. Для многих веществ эти периоды существования неизвестны или только более или менее обоснованы.

В заключение следует отметить, что многие экологические проблемы можно было бы исключить, если бы перед сбросом отходов в окружающую среду были получены ответы на три простых вопроса игры «Что? Где? Когда?».

Что произойдет? Что фактически происходит в окружающей среде с отходами определенного типа с химической точки зрения? Это предполагает знание состава и концентрации веществ в сбросном потоке и в окружающей среде, а также реакций, протекающих в загрязненной системе.

Где будут? Где могут оказаться загрязнения, сбрасываемые с отходами в окружающую среду? Так как движение водных и воздушных масс, биологический перенос перемещают загрязнения по достаточно постоянной для данной местности схеме, то важно полностью понимать эти схемы.

Когда исчезнут? Необходимо знать время, которое требуется для достижения равновесного состояния в системе; время, необходимое для максимального рассеяния и биологического концентрирования; а также знать скорость реакций и время распада каждого соединения до безвредных веществ.

Если все это известно, то можно с достаточной точностью предсказать, какие суммарные эффекты следует ожидать от данного сброса в локальной экологической структуре и в биологической сфере в целом. Нынешнее состояние знаний об окружающей среде не позволяет дать исчерпывающего ответа на эти вопросы, но многие ответы могут и должны быть сформулированы. По крайней мере, некоторые ответы должны быть получены до того, как будет разрешен сброс отходов. И делать такие прогнозы будет вашей обязанностью.

Контрольные вопросы

1. Как связаны между собой экология и биотехнология?

2. Перечислите основные биотехнологические методы переработки городских стоков.

3. Охарактеризуйте метод селективной утилизации химических соединений.

4. В чем заключается диагностика степени загрязнения окружающей среды?

5. Перечислите основные источники загрязнения окружающей среды.

Словарь наиболее употребляемых терминов и определений

Биохимия – наука о химическом строении и функциях ве­ществ, входящих в состав живой материн, и их превращениях в процессах жиз­недеятельности.

Клетка – это структурная единица организма.

Аминокислоты – гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно амино- и карбоксильную группы.

Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью α-аминокислот.

Аминокислоты в молекуле белка соединены между собой пептидными связями (–СО–NH–), образуя полипептидные цепи.

Первичная структура белка определяется числом и последовательностью аминокислотных остатков, соединенных между собой при помощи пептидной связи.

Вторичная структура белка возникает за счет образования водородных связей между группами N–H и О=С данной полипептидной цепи, что приводит к упорядоченному расположению гибкой полипетидной цепи в виде спиральной или складчатой структуры.

Третичная структура белка возникает в результате взаимодействия между боковыми цепями аминокислотных остатков полипептидных цепей.

Четвертичной структуры белка возникает в результате межмолекулярных взаимодействий между отдельными полипептидными цепями, обладающими вторичной и третичной структурой.

Биуретовая реакция – качественная реакция на пептидную связь.

Ксантопротеиновая реакция – обнаруживает наличие бензольных колец в белке.

Ферменты – биологические катализаторы белковой природы.

Углеводы – полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны с общей формулой (СН₂О)_n, наиболее распространенный на земле класс органических соединений.

Моносахариды или простые сахара – простейшие углеводы, они не подвергаются гидролизу, т.е. не расщепляются водой на более простые углеводы.

Олигосахариды (дисахариды и трисахариды) – углеводы, содержат в своем составе 2–10 остатков моносахаридов, связанных между собой гликозидными связями. Например, С₁₂Н₂₂0₁₁ – сахароза.

Полисахариды – представляют собой сложные высокомолекулярные соединения, которые под каталитическим влиянием кислот или ферментов подвергаются гидролизу с образованием более простых полисахаридов, затем дисахаридов и, в конечном итоге множество молекул моносахаридов. Например, крахмал (С₆Н₁₀О₅)_п, целлюлоза (С₆Н₁₀0₅)_п.

Липиды – органические вещества, характерные для живых организмов, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях (сероуглероде, хлороформе, эфире, бензоле), дающих при гидролизе высокомолекулярные жирные кислоты.

Жиры – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Жидкие жиры называют маслами.

Воски – сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и одноатомных спиртов с длинной углеродной цепью

Фосфатиды (фосфолипиды) – жиры, содержащие в своем составе фосфорную кислоту, связанную с азотистым основанием или другим соединением.

Гликолипиды – сложные липиды, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами.

Стероиды – сложные жирорастворимые вещества, молекулы которых содержат четыре конденсированных кольца.

Витамины – низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, выполняющие важнейшие биохимические и физиологические функции.

Авитаминоз – это патологическое состояние, обусловленное недостатком витаминов в организме, которое может развиться как вследствие полного отсутствия витаминов в пище, недостаточного поступления или неспособности организма усваивать их, так и в результате быстрого разрушения и выведения витаминов.

При частичной недостаточности или повышенной потребности в ви­таминах наблюдаются функциональные расстройства в сглаженных формах ‒ гиповитаминозы.

Гипервитаминоз – острое расстройство в результате интоксикации сверхвысокой дозой одного или нескольких витаминов (содержащихся в пище или витаминсодержащих лекарствах).

Нормы питания являются рекомендациями величины потребления основных пищевых веществ и энергии для различных контингентов населения нашей страны.

Рациональным питанием называют физиологически полноценное питание, удовлетворяющее потребности организма и обеспечивающее необходимый уровень обмена веществ и превращения энергии.

Пищевые добавки – химические вещества и природные соединения, сами по себе не употребляемые как пищевой продукт или обычный ком­понент пищи.

Биотехнология – уникальная наука, ибо она использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека.

Генная инженерия  совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.