Биоаккумулирование ксенобиотиков. Коэффициент накопления. Одно- и многоразовые дозы.

Способность накапливать различные элементы даже при очень низком содержании их в среде называется аккумулированием вещества организмом (кумулятивный эффект).

Способность организмов к накоплению веществ характеризуется таким параметром, как коэффициент накопления.

содержание (концентрация) вещества в организме

                N = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

содержание (концентрация) в окружающей среде 

Разовая доза и период полувыведения из организма. Введение в организм разовой дозы вещества приводит к появлению определенного количества этого вещества в тканях. В процессах метаболизма и экскреции это вещество выводится из организма с определенной скоростью.

Многократное дозирование. В природной среде воздействие вещества на организм редко ограничивается разовой дозой. Если в окружающей среде вещество распределено повсеместно, организм подвергается его воздействию непрерывно.

Важно отметить, что со временем содержание вещества в организме достигает некоторого предельного максимального значения, так как при повышении концентрации в тканях ежедневное его выведение увеличивается и становится равным дозе, вводимой ежедневно.

При увеличении первоначальной вводимой дозы повышается количество выводимого вещества и его содержание в организме, т.е. устанавливается новое равновесие.

Максимальная концентрация вещества в тканях зависит от размера дозы (повышается при ее увеличении) и от периода полувыведения или скорости выведения. Вещества с большим периодом полувыведения накапливаются в больших концентрациях, чем вещества с меньшим периодом полувыведения. Другим важным фактором является время, необходимое для достижения состояния равновесия.

Следует отметить, что организмы, таким образом, накапливают вещество в своих тканях в соответствии со скоростями его введения и выведения. Причем степень накопления вещества в организме изменяется в широких пределах и во многих случаях коррелирует с коэффициентом распределения вещества.

Характеристика факторов, влияющих на биоаккумулирование ксенобиотиков. Трофические цепи и экологические пирамиды.

Поскольку явление аккумулирования включает взаимодействие вещества с организмом, то факторы, определяющие степень его накопления, должны включать характеристики как самого ксенобиотика, так и организма. Одной из характеристик самого вещества является устойчивость. Для того чтобы ксенобиотик мог накапливаться в организме, его воздействие на организм должно быть достаточно длительным, особенно когда оно осуществляется через цепь питания. Следовательно, любое аккумулирующееся вещество должно быть устойчивым к возможным в данной среде процессам разрушения.

Площадь поверхности. Если процесс аккумулирования включает физические стадии (адсорбция, диффузия), степень накопления чужеродного вещества в большей мере зависит от площади поверхности контакта организма с окружающей средой (адсорбция растениями пестицида из воздуха после опрыскивания).

Величина поверхности на единицу массы или объема повышается при уменьшении размера частицы. Следовательно, если адсорбция в процессе аккумулирования играет значительную роль, то можно ожидать, что более мелкие организмы будут накапливать в единице объема большее количество вещества, чем более крупные.

Распределение. Большинство организмов содержит значительные жировые отложения; в этих тканях накапливаются ксенобиотики с большими значениями коэффициента распределения.

Способность ксенобиотика распределяться в жировых депо организма также может влиять на его период полувыведения. Жировые ткани в процессах метаболического преобразования являются не самыми активными. Следовательно, если вещество распределилось в таких тканях, оно может сохраняться там до тех пор, пока организм не израсходует весь жир.

Устойчивые в окружающей среде ксенобиотики очень плохо растворяются в воде. Следовательно, среда обитания конкретного организма может существенно влиять на его способность аккумулировать ксенобиотики. Организмы, обитающие на дне среди осадков, подвергаются воздействию более высоких концентраций ксенобиотика, чем находящиеся в верхних слоях того же самого участка водоема.

На процесс аккумулирования может влиять и размер частиц, проглатываемых организмами. Поскольку на более мелких частицах, как уже отмечалось, адсорбированное на их поверхности чужеродное вещество содержится в более высоких концентрациях, организмы, проглатывающие такие частицы, будут подвергаться воздействию более высокого содержания ксенобиотика.

Важным фактором является и количество потребляемой пищи. Организмы, нуждающиеся в относительно большом количестве пищи, могут аккумулировать чужеродное вещество из окружающей среды в большей степени при условии, что процесс накопления ксенобиотика не компенсируется более активным процессом его выведения.

Цепь питания. Ксенобиотики в массовых количествах поступают в неорганические элементы биосферы (воздух, воду, почву). Находясь во внешней среде, чужеродные соединения взаимодействуют с различными органическими элементами биогеоценозов – микроорганизмами, растениями, животными, поступая в конечном итоге по трофическим цепям в организм человека.

Установлено, что по мере движения ксенобиотика по пищевой цепи к следующему консументу, в организме которого он метаболизируется в незначительной степени, происходит существенное увеличение концентрации чужеродного вещества.

Для лучшего понимания закономерностей движения по пищевым цепям продуктов питания, а также попавших в биоценозы ксенобиотиков строятся так называемые экологические пирамиды. В экологических пирамидах схематически учитывают плотности популяций (число особей на 1 м²), биомассы (грамм сухого или влажного вещества на 1 м²) или продуктивность в энергетических эквивалентах (джоулей на 1 м² в год) для всех членов каждого трофического уровня в данном биоценозе.

В условиях поступления в организм чужеродных химических веществ, которые не могут быстро метаболизироваться и полностью экскретироваться во внешнюю среду, начинается накопление этих веществ по ходу пищевой цепи. При этом, поскольку организмы-потребители, стоящие на более высоких уровнях экологической пирамиды, обладают меньшей суммарной биомассой по сравнению с организмами предыдущего уровня, происходит последовательная биоконцентрация токсикантов, достигающая максимальных значений у конечных консументов, которыми могут являться люди.

Итак, в результате процессов абсорбции, распределения и биоконцентрации, зависящих как от физико-химических свойств ксенобиотиков, так и от экологических взаимоотношений в пищевых цепях, в организмах человека, животных и растений происходит аккумулирование ксенобиотиков, сопровождающееся в ряде случаев их специфическим токсическим действием.