XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние ксенобиотиков синтетического происхождения на психофизиологические характеристики организма

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гостева Е.Е. 1

---

1МОАУ «СОШ 79»

Кван О.В. 1Бочкарева Е.П. 2

---

1Оренбургский государственный университет

2Муниципальное общеобразовательное автономное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №79»

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Ксенобиотики – это чужеродные организму вещества, оказывающие токсическое воздействие на органы и системы и пагубно влияющие на метаболические процессы. Так, ксенобиотики препаратов тяжелых металлов могут разрушать функционально важные белки, дестабилизировать плазмалемму и клеточную стенку, останавливать работу мембранных каналов и тем самым вызывать аллергические реакции.

Препараты тяжелых металлов, такие как свинец, хром, железо, кобальт, медь, ртуть, таллий, сурьма, способны накапливаться в организме, проникая через пищеварительную систему. Многие из этих препаратов, например, железо или кобальт, очень необходимы организму для его нормального функционирования, однако их содержание не должно превышать тысячной доли процента, а повышенное содержание их в результате высокой дозы поступления или постепенного накопления приводит к негативным последствиям.

На сегодняшний день, в связи с высокими темпами развития промышленной деятельности, очень велико наличие разнообразных удобрений для сельскохозяйственной деятельности, химических веществ, фармацевтических препаратов, а также промышленных отходов, загрязняющих окружающую среду, поэтому ксенобиотики встречаются практически везде, а значит, вероятность их попадания в организм всегда высокая.

Цель. В соответствии с вышесказанным, проектом предполагаются комплексные исследования по оценке влияния препаратов ксенобиотиков на поведение животных.

Задачи:

1 Провести теоретический анализ материала по теме исследования

Провести экспериментальный эксперимент

Оценить влияние ксенобиотиков на поведение животных

Предмет: влияние ксенобиотиков на поведение животных

Объект: лабораторные животные – крысы линии Wistar

Период исследования: январь 2023 года

Объем и структура работы: работа состоит из введения, двух глав: теоретическая и экспериментальня часть, списка литературы и приложения

Методы исследования:

наблюдение, описание, сравнение, эксперимент, сравнительный метод.

Проблема: ксенобиотики препаратов тяжелых металлов могут разрушать функционально важные белки, дестабилизировать плазмалемму и клеточную стенку, останавливать работу мембранных каналов и тем самым вызывать аллергические реакции.

Гипотеза: ксенобиотики не оказывают негативного влияния на поведение животных

Обзор литературы

В современном обществе развитие технического прогресса приводит к появлению новых факторов, оказывающих вредное воздействие на организм человека и животных. Помимо традиционных токсических веществ, таких как промышленные и сельскохозяйственные яды, все большее значение приобретают синтетические вещества, чуждые естественному окружению или метаболизму человека и животных. Чужеродные для живого организма химические вещества, циркулирующие в окружающей среде, при контакте с человеком или животными не могут во всех случаях приводить к одинаковым последствиям. Это обусловлено не только большой динамичностью уровня загрязнений, особенно атмосферного воздуха, но и гетерогенностью популяции, различными видовыми особенностями, биологическим ритмом живых систем [1].

Синтетические ксенобиотики поступают из окружающей среды, в которую они попадают в основном от промышленных предприятий, автотранспорта, при использовании пестицидов и химикатов в сельскохозяйственном производстве, при применении полимерных и иных материалов, из которых изготавливается посуда, упаковочные и другие изделия, контактирующие с пищевыми продуктами. За последние 100 лет в биосферу было внесено огромное число химических веществ, большинство из которых не встречались в экосистемах. И в силу этого либо крайне медленно окисляются и метаболизируются, либо недоступны деятельности редуцентов. Около 4 млн. химических веществ признаны потенциально опасными для окружающей среды особенно вследствие их длительного потенцирования свыше 180 000 – обладают выраженным токсическим и мутагенным эффектами. В настоящее время в мире производится и используется не менее 40 тыс. особо опасных для человека химических веществ. При этом следует отметить, что с начала 90-х годов несмотря на заметное снижение объемов производства в России, экологическая ситуация в стране ухудшилась. Около 300 ареалов территории страны характеризуется сложной экологической обстановкой и почти в 200 городах, где проживает 64,5 млн. человек, средняя концентрация загрязняющих веществ в атмосферном воздухе по-прежнему превышает ПДК вредных химических веществ и пыли. В среднем по России валовые выбросы наиболее вредных для здоровья веществ составляют около 1 кг/сутки на человека. При этом в стране насчитывается около 100 тысяч производств, выделяющих вредные вещества в окружающую среду. Все это не может не сказаться на уровне загрязнения пищевых продуктов различными ксенобиотиками.

1.1 Распространенность в окружающей среде ксенобиотиков синтетического происхождения

Чужеродные организму человека соединения могут быть обнаружены повсеместно в окружающей среде, а также присутствовать в пище, воде, биологически активных добавках к пище.

Однако интерес представляют только те соединения, которые обладают биодоступностью, т.е. способны взаимодействовать немеханическим путем с живыми организмами. В основном, это соединения, находящиеся в газообразном или жидком состоянии, в форме водных растворов, адсорбированные на частицах почвы и различных поверхностях, твердые вещества, но в виде мелкодисперсной пыли (размер частиц менее 50 мкм), а также соединения, которые поступают в организм с пищей.

Часть биодоступных соединений утилизируется организмами, участвуя в процессах их пластического и энергетического обмена с окружающей средой, т.е. выступают в качестве ресурсов среды обитания. Ксенобиотики же, поступая в организм животных и растений, не используются как источники энергии или пластический материал, но, действуя в достаточных дозах и концентрациях, способны существенно модифицировать течение нормальных физиологических процессов.

Совокупность чужеродных веществ, содержащихся в окружающей среде (воде, почве, воздухе и живых организмах) в форме (агрегатном состоянии), позволяющей им вступать в химические и физико-химические взаимодействия с биологическими объектами экосистемы составляют ксенобиотический профиль биогеоценоза. Ксенобиотический профиль следует рассматривать как один из важнейших факторов внешней среды (наряду с температурой, освещенностью, влажностью, трофическими условиями и т.д.), который может быть описан качественными и количественными характеристиками [2,3].

1.2. Общая характеристика ксенобиотиков синтетического происхождения (в том числе БАД)

Существует достаточно много видов классификаций ксенобиотиков. Никакая единая классификация не применима для всего спектра токсичных агентов, и для обеспечения наилучшего представления о свойствах того или иного вещества может потребоваться сочетание систем классификации, основанных на разных факторах. Приведем наиболее распространенные способы классификации.

На основании источника токсикантов:

1. Растительные токсические вещества (морфин, кураре, стрихнин).

2. Токсические вещества животного происхождения (токсины, яды).

3. Минеральные токсиканты (медь, свинец, селен, железо).

4. Синтетические токсиканты (органофосфаты, карбаматы, фосфид алюминия)

На основании физического состояния токсикантов:

1. Газообразные токсические вещества, например. (HCN), диоксид серы, монооксид углерода, фосфин.

2. Жидкие токсические вещества, например, серная кислота, дисульфид углерода, никотин.

3. Твердые токсичные вещества, например, стрихнин, опиум, атропин.

4. Пылевые токсиканты, например, асбестовая пыль, кремниевая пыль, металлическая пыль.

Основываясь на физических характеристиках:

1. Воспламеняющиеся / негорючие,

2. Взрывчатые / невзрывоопасные

Основываясь на физических последствиях:

1. Раздражающий / Не раздражающий

2. Коррозионные / неагрессивные

На основе органа-мишени:

1. Гепатотоксины, например, тетрахлорметан, афлатоксины, фенол.

2. Нейротоксины, например, фосфорорганические инсектициды, пиретроиды, анестетики, никотин.

3. Нефротоксины, например, тяжелые металлы (свинец, мышьяк, кадмий), оксалаты.

4. Пульмонотоксиканты, например, альфа-нафтилтиомочевина, сероводород, газообразный аммиак.

5. Гематотоксины, например, варфарин, цианид, фенотиазин, змеиный яд.

6. Дерматотоксиканты, например, каменноугольные смолы (нефтяные масла), тяжелые металлы (мышьяк, ртуть), п-трет-бутилфенол.

Основываясь на токсических эффектах:

1. Канцерогены, например, тиоурацил, винилхлорид, никель.

2. Мутагенные агенты

а. Мутагены, например, этилметансульфонат, ультрафиолетовый свет, азотные горчицы, нитрозосоединения.

б. Тератогены, например. фенилмеркурический ацетат, триазины, талидомид.

в. Кластогены, например. УФ-свет, кофеин.

Исходя из основных видов использования токсикантов:

1. Инсектициды, например, фосфорорганические инсектициды, карбаматы, пиретроиды.

2. Фунгициды, например, каптан, фолт, пентахлорфенол.

3. Гербициды, например, триазин, паракват, 2,4-D.

4. Родентициды, например, варфарин, фторацетат.

5. Пищевые добавки:

6. Консерванты, например, аскорбиновая кислота, бисульфит натрия.

7. Антиоксиданты, например, аскорбиновая кислота.

8. Эмульгирующие агенты, например, холевая кислота, дезоксихолевая кислота.

Основываясь на потенциале токсичности:

1. Чрезвычайно токсичный <1 мг / кг

2. Высокотоксичные 1-50 мг / кг

3. Умеренно токсичные 50-500 мг / кг

4. Немного токсичен 0,5-5 г / кг

5. Практически нетоксичен 5-15 г / кг

6. Относительно безвредный > 15 г / кг.

К синтетическим ксенобиотикам можно также отнести биологически активные добавки к пище (БАД) различного состава.

До недавнего времени научное исследование пищевых добавок было существенно ограничено. Тем не менее, распространенность применения добавок резко возросла за последние 20 лет, и они стали предметом потребительского интереса. В то же время развитие научных методов для изучения вопросов, связанных с БАДами, быстро продвигалось.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Двигательная активность животных (крыс) при поступлении в организм ксенобиотиков синтетического происхождения

Биомедицинские исследования проводили на 16 белых крысах-самцах линии Wistar массой 110-120 г. До начала эксперимента животные содержались в условиях экспериментально-биологической клиники ФГБОУ ВО Оренбургского государственного университета на стандартной диете для лабораторных животных (ГОСТ Р 50258-92) согласно правилам лабораторной практики при проведении доклинических исследований в РФ (ГОСТ 3 51000.3-96 и 51000.4-96). Эксперименты проводились в соответствии с требованиями гуманного обращения с животными.

Все животные были разделены на 4 группы (n=4), крысы I группы получали аспарагинат цинка, в дозе 100% покрывающей потребность в данном элементе - 3,4 мг/кг; животные II группы получали аспарагинат магния, в дозе 100% покрывающей потребность в данном элементе 26 мг/кг; животные III группы – контрольные, находящиеся на стандартной диете.

Взвешивание ксенобиотиков производили на лабораторных весах MS105DU, заводской номер В 346986489, фирма-изготовитель «Metller Toledo», проверенные в соответствии с методикой проверки весов лабораторных MS.ML (Свидетельство о проверке № МТ-1014).

Ксенобиотики хрома и магния вводили peros в корм, животные находились на стандартной диете. Основные данные, полученные в исследованиях, были обработаны с использованием программ «Excel».

Эмоциональную, двигательную активность и ориентировочно-исследовательское поведение крыс исследовали в тесте «Открытое поле» на 7 сутки.

2.2 Изменение поведенческой активности в тесте «Открытое поле» при введении ксенобиотиков синтетического происхождения

Изменение поведенческой активности животных наглядно иллюстрируют результаты теста «Открытое поле».

Регистрацию результатов теста проводили после ежедневного введения в корм аспарагината Zn и Mg на седьмые сутки (табл. 1).

Таблица 1 – Изменение показателей поведения крыс в открытом поле под действием аспарагината цинка и магния

При оценке количества заглядываний животных в отверстия установлено, что показатели контрольной группы крыс на 7 сутки – 15,6±1,04

были превышены только первой группой крыс и составили - 17,3±2,28.

Акт дефекации наиболее редко регистрировался у животных первой опытной группы, показатель составил 1,5±0,29, что ниже контрольной группы на 11,8 % соответственно, при этом во II опытной группе было зарегистрировано наибольшее количество актов дефекации.

При изучении показателей в тёмном поле показатели всех опытных групп выше контрольной к седьмому дню эксперимента соответственно: I группа выше на 30%, II группа на 3,4 %. При этом в светлом поле камеры в I группе активности отмечено почти не было, II группа проявила максимальную активность, но ниже чем в контроле.

По числу выглядываний, наибольшая активность была отмечена в I группе, наименьшая – во второй.

При изучении горизонтальной двигательной активности в «открытом поле» на фоне дачи крысам препаратов магния и цинка с кормом было отмечено увеличение суммарной ГДА во II опытной группе, в сравнении с контролем на 11,9 %, в I опытной группе наблюдалось его снижение, в сравнении с контролем на 8,46 %.

При изучении груминга животных, установлено, что на 7 сутки эксперимента максимлаьное значение отмечено в первой группе, что составило 5,9, во II это значение было минимальным и составило 0,5. По результатам длительного грумминга отмечалась схожая картина.

Чаще всего экспериментальные животные обследовали отверстия в первой опытной группе, что на 10,4 %, выше чем в контроле и в 2,06 раз, выше, чем во II опытной группе.

2.3. Оценка влияния ксенобиотиков синтетического происхождения на динамику абсолютной массы тела животных

Нами было установлено, что введение аспаргината магния и цинка в рацион кормления крыс в течение 7 дней способствовало приросту массы тела животных. На 1 сутки наблюдалось незначительное изменение массы тела животных во всех опытных группах по отношению к контрольной, при этом максимальное отклонение в сторону уменьшения массы было зафиксировано на 7 день в I группе на 1,7 % (p≤0,001).

При сравнении массы животных с относительной биотической дозой на 7 сутки в группе II наблюдалось уменьшение массы на 7,20 %. В группе I изменений не зафиксировано.

2.4 Влияние ксенобиотиков на общее состояние животных

Общее состояние животных оценивали путем их клинического осмотра, при этом регистрировали общее состояние животных, температуру тела, состояние шерстного покрова и видимых слизистых оболочек. Поедаемость корма определяли путем взвешивания остатков корма, показатели выражали в % (за 100% принимали количество предлагаемого корма на группу) (таблица 2).

Таблица 2 – Показатели оценки общего состояния животных при введении ксенобиотиков синтетического происхождения

Практические рекомендации для определения токсических и психофизиологических эффектов ксенобиотиков синтетического происхождения

Рост промышленности во всех развитых странах мира приводит к постоянному увеличению частоты контактов человека с химическими соединениями. В силу различных причин вещества поступают в живой организм. Многие из этих веществ ранее в организме не встречающиеся получил название ксенобиотиков, т.е. чужеродных. Чужеродные соединения включают как органические, так и неорганические вещества. Правда, что касается последних, то отнесение их к ксенобиотикам дискутируется. Это связано с тем, что в тканях обычно присутствуют в следовых количествах многие неорганические элементы, биологическая функция которых неизвестна. Поэтому в последние годы появилось мнение, что неорганические вещества можно относить к ксенобиотикам только в том случае, если они не являются необходимыми для метаболических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность клетки, ткани, органа и организма в целом (например, кадмий, редкоземельные металлы и т. д.).

Ксенобиотики могут быть низко- и высокомолекулярными. Ксенобиотики включают такие соединения как пестициды, промышленные яды, отходы производств. Кроме поллютантов к ксенобиотикам относятся многие синтетические и природные лекарственные средства, пищевые добавки, косметические составы и прочие.

Актуальность проблем, рассматриваемых в ксенобиологии, все возрастает. Это обусловлено тем, что ежегодно на Земле синтезируются десятки тысяч новых соединений, значительная часть которых (около 2 тыс.) находит широкое применение в производстве.

Из более чем 100 тыс. используемых человеком соединений, испытаниям на канцерогенность и мутагенность было подвергнуто не более 10% веществ. Ряд из них вовлекаются в круговорот веществ в природе. Чем шире масштабы производства химических соединений, тем большее влияние они оказывают на биологические процессы в почве, водоемах и на суше, тем сильнее проявляются побочные и отдаленные последствия их действия на живые системы.

Оренбургская область, обладая крупным многоотраслевым промышленным и топливно-энергетическим комплексом, занимает одно из первых мест среди регионов России по загрязнению окружающей природной среды. Особенно эта проблема актуальна для восточной части Оренбургской области. Деятельность предприятий электроэнергетики, добычи и переработки минерального сырья, черной и цветной металлургии, нефтепереработки приводит к загрязнению вредными веществами атмосферного воздуха, почвенного покрова, поверхностных водных объектов с образованием геохимических аномалий техногенного характера. Поэтому изучение токсического действия ксенобиотиков на живой организм является актуальной проблемой, как для Оренбургской области, так и для развитых стран мира.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Синтетические ксенобиотики играют несомненно важную роль в жизнедеятельности человека и других живых организмов, они могут оказывать как положительное действие (лекарства, биорегуляторы), так и отрицательное с различными типами активности, и зависит это зачастую от дозы данного вещества. Поэтому очень важным является детальный анализ ксенобиотиков, понятие его попадания в организм, распределение и метаболизм в организме. Необходима комплексная оценка терапевтических доз и токсичности эффектов ксенобиотиков при различных методах введения, экспозиции времени, возможности накопления и хронического токсического влияния на организм.

Некоторые ксенобиотики имеют биологический эффект даже при минимальных дозах, а некоторые химические соединения длительно время накапливаются и не выводятся из организма.

Аспарагинат магния в биотической дозе и превышающей биотическую дозу активизирует двигательную активность и эмоциональность животных, тогда как минимальная доза напротив демонстрировала угнетение поведенческих реакций.

При введении в рацион аспарагинатов Zn ввиду повышенного эмоционального напряжения, крысы более предпочитали закрытую темную часть камеры, с осторожностью и реже чем контроль животные выглядывали из нее. Животные же контрольной группы достаточно активно выглядывали из темной части прибора и охотно находились как в темной, так и в светлой камере, что свидетельствует о спокойном поведении животных.

На основании вышеизложенного следует сделать вывод, что двигательная активность в группах, получавших ксенобиотики, не имела закономерности в сторону угнетения и возбуждения ни в зависимости от аспарагината, его дозировки и экспозиции времени экспериментального исследования, ни относительно контрольных значений, что свидетельствует о дестабилизации функциональной активности нервной системы, вызванной приемом ксенобиотиков.

В своей работе мы отметили, что воздействие изучаемых аспаргинатов на 7 сутки приводило к приросту массы тела крыс во всех группах

В заключении хотелось бы отметить, что в опытах invivo, не отмечено прямого токсического влияния ксенобиотиков.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Дмитриев А. В. Компьютерный прогноз взаимодействия ксенобиотиков с цитохромами Р450 человека дисс канд. биол. наук //Москва. – 2009., 139 с.

2. Куценко, С.А. Основы токсикологии / С.А. Куценко. СПб.: Фолиант, 2004. – 720 с.

3. Юрин В. М. Основы ксенобиологии: учебное пособие/ВМ Юрин. – Минск: БГУ, 2001.

4. Smart, R. C., & Hodgson, E. (Eds.). (2018). Molecular and biochemical toxicology. John Wiley & Sons.

5. de Souza, J. S., Kizys, M. M. L., da Conceição, R. R., Glebocki, G., Romano, R. M., Ortiga-Carvalho, T. M., ... & Chiamolera, M. I. (2017). Perinatal exposure to glyphosate-based herbicide alters the thyrotrophic axis and causes thyroid hormone homeostasis imbalance in male rats. Toxicology, 377, 25-37.

6. Liu, X., & Wu, J. (2018). History, applications, and challenges of immune repertoire research. Cell biology and toxicology, 1-17.

7. Djurišić, A. B., Leung, Y. H., Ng, A. M., Xu, X. Y., Lee, P. K., Degger, N., & Wu, R. S. S. (2015). Toxicity of metal oxide nanoparticles: mechanisms, characterization, and avoiding experimental artefacts. Small, 11(1), 26-44.

8. Lison, D., van den Brule, S., & Van Maele-Fabry, G. (2018). Cobalt and its compounds: update on genotoxic and carcinogenic activities. Critical reviews in toxicology, 1-18.

9. Perni, S., Yang, L., Preedy, E. C., & Prokopovich, P. (2018). Cobalt and Titanium nanoparticles influence on human osteoblast mitochondrial activity and biophysical properties of their cytoskeleton. Journal of colloid and interface science, 531, 410-420.

10. Mahmoud, A., Ezgi, Ö., Merve, A., & Özhan, G. (2016). In vitro toxicological assessment of magnesium oxide nanoparticle exposure in several mammalian cell types. International journal of toxicology, 35(4), 429-437

ПРИЛОЖЕНИЯ