РОЗДІЛ 2
НАКОПИЧЕННЯ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ В ОРГАНІЗМІ ГІДРОБІОНТІВ
Проблема дослідження механізмів проникнення та трансформації важких металів в організм гідробіонтів на даний час залишається досить актуальною, що обумовлюється, насамперед, складністю та багатовекторністю процесів біологічного проникнення, недостатнім вивченням ролі перехідних металів в адаптаційних процесах, модуляцією процесів сорбції екологічними, фізіологічними та низкою інших факторів.
2.1. Шляхи проникнення та особливості процесів сорбції важких металів в біологічних тканинах
Поглинання речовин згідно законів сорбції залежить не лише від фізико-хімічних умов середовища, а і від ступеня розвитку поверхні адсорбента. Надзвичайна варіабельність складу, структури водних організмів та умов їх існування ставить під сумнів виявлення загальних рис сорбційних процесів. Однак, в найбільш загальному випадку такий показник, як питома поверхня водних організмів, тобто, відношення поверхні до одиниці маси чи об'єму, робить можливим порівняльний аналіз вивчення біологічної трансформації елементів. Цей показник, виходячи з його абстрактності має ряд переваг і недоліків. Якщо розмістити водні організми за зменшенням питомої поверхні, то буде отримано такий ряд: бактерії - одноклітинні - ракоподібні - риби -ссавці [71].
Існує точка зору, що при ускладненні морфофізіологічної будови і збільшення розмірів гідробіонтів їх сорбційна здатність віднесена до одиниці маси знижується, а значення ланцюгів живлення в накопиченні всіх речовин зростає [52].
Разом з тим, процеси сорбції залежать не лише від природи твердої фази, але і від властивостей самого елемента. В цілому, для металів зі збільшенням атомної маси зростають гідролітичні та адсорбційні процеси, збільшується схильність до гідролізу та накопичення в твердій фазі. При збільшенні порядкового номера для елемента буде більшою мірою прослідковуватися зв'язок між ступенем акумулювання металу і розмірами гідробіонтів. Тобто, із зменшенням питомої поверхні, коефіцієнти накопичення будуть знижуватися, і навпаки. Так, при дослідженні процесів накопичення стронцію та цезію виявлено, що їх інтенсивність мало залежать від розмірів гідробіонтів. Тобто в даному випадку ступінь розвитку поверхні не відіграє ключової ролі в процесах проникнення. Цей висновок розповсюджується, очевидно, і на решту найбільш поширених металів перших двох груп. [52].
Аналогічна ситуація спостерігається для рачків Idotea metallica, в яких прослідковується чітка обернена залежність між їх масою та коефіцієнтами накопичення заліза, марганцю, кобальту [36]. Отже, біосорбція, як початковий етап біологічного концентрування металів, визначається не лише складом і ступенем розвитку поверхневих оболонок і структур, а й від ряду параметрів водного середовища та природи металу.
Оскільки гідробіонти своєю зовнішньою частиною і такими важливими органами як зябра повністю занурені у воду, то дія розчинених речовин на мембранну проникність є показником початкового ступеня дії речовин. Крім токсикантів в природних водах присутні розчинні нетоксичні речовини, що можуть зменшувати або збільшувати токсичність інших речовин шляхом зміни мембранної проникності [121,164].
Основна кількість іонів, які потрапляють до організму гідробіонтів, проникає через зябра (до 70%), дещо менше через шкіру (до 20%) і решту через органи травлення [224]. В той же час для свинцю було відмічено, що його акумуляція більш активно проходила, коли метал надходив через кишково-шлунковий тракт [171]. Так вивчення всмоктування свинцю в травному тракті деяких видів риб показало наявність високої швидкості цього процесу вже при концентрації 1,8·10-4 - 1,8·10-3 М [2]. Характер всмоктування при цьому має лінійну залежність і максимальний у середньому, найбільш активному в процесах перетравлення, відділі кишечника. У зв'язку з цим важкі метали особливо інтенсивно накопичуються бентосними рибами [96].
Вивчаючи транспорт речовин через біомембрани, було встановлено декілька видів подолання мембранного бар'єру. Найпростіший і не специфічний механізм переносу - звичайна дифузія. Таким шляхом клітина обмінюється з навколишнім середовищем киснем, вуглекислим газом, водою. Особливо легко проникають у цитоплазму гідрофобні молекули, вони досить легко входять у фосфоліпідний матрикс мембрани. Механізм надходження металів є швидким і ефективним. Відомо, що співвідношення концентрацій металу в організмі і в зовнішньому середовищі (концентраційний фактор) становить 103-104 [108].
Механізм дифузії полярних гідрофільних груп через гідрофобний бар'єр бішару в даний час пояснюють з позиції динамічної структури біомембран. Фосфоліпіди організовані в мембранах у динамічні утворення - кластери, що відрізняються орієнтацією молекул і більш щільною їх упаковкою. Кластери постійно розпадаються і знову утворюються, рухаючись у бішарі. Невеликі гідрофільні молекули можуть дифундувати через ці лабільні структури.
Швидкість дифузії різних молекул через бішар визначається двома чинниками:
1) різницею концентрацій речовини, що переноситися, по обидва боки мембрани;
2) її здатністю розчинятись у сполуках, що складають бішар.
При переміщенні йонів значний вплив на процес дифузії має різниця електричних потенціалів, що виникає при надлишковому накопиченні заряджених частинок [44].
В той же час, у більшості досліджень з вивчення проникності йонів металів в організм риб зябровим шляхом автори базуються на припущенні, що йонний транспорт металів у гідробіонтів здійснюється активним шляхом через йонні канали, бо висока схильність до гідратації обумовлює низьку проникну здатність через гідрофобні структури мембран. Про функціонування класичного механізму активного транспорту йонів у риб говориться в дослідженнях [121,164]. Базуючись на цьому, в літературі описано достатньо токсикокінетичних моделей, які меншою чи більшою мірою враховують можливі фактори, що можуть впливати на процеси накопичення і виведення токсик