Кудринский Константин Евгеньевич МБОУ СОШ № 116, МБОУДОД ЭБЦ Орджоникидзевского района го город Уфа

Научный руководитель: Абдульманова И.В.

ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ

Всем известно о вреде, наносимом никотином, алкоголем и кофеином на здоровье человека. Тем не менее, мировое потребление табака и алкоголя не снижается. Во всем мире злоупотребление алкоголем представляет серьезную проблему, приводящую к гибели миллионов людей. По оценкам экспертов от злоупотребления алкоголем ежегодно умирают 2,5 миллиона человек, что составляет 6,2% от всех смертей мужчин и 1,1% от всех смертей женщин. В 2010 году зарегистрировано более 2 миллионов больных алкоголизмом (1478,14 но 100 тысяч населения), из них более 100 тысяч (70,9 на 100 тысяч населения) – с алкогольными психозами.

По данным ВОЗ, в мире в среднем каждые шесть секунд умирает один человек от заболеваний, связанных с курением табака, а ежегодно по этой причине умирают пять миллионов человек. «Если тенденции нарастания распространѐнности курения не будут снижаться, то, по прогнозам к 2020 году, ежегодно будут преждевременно умирать 10 млн человек, а к 2030 году курение табака станет одним из самых сильных факторов, приводящих к преждевременной смерти».

По данным первого замглавы комитета Госдумы РФ по охране здоровья, академика РАМН Николая Герасименко. «От причин, связанных с курением, в России каждый год умирает до полумиллиона человек». Пассивное курение увеличивает статистику смертности от табакокурения. Глава Минсоцздравразвития РФ Татьяна Голикова в мае 2009 года заявила, что более 17 % смертей в России связано с табакокурением.

Актуальность. Возможность увидеть результаты воздействия этих веществ на живой организм (дафнию) может предостеречь в будущем от злоупотребления алкоголем и курением. Важно то, что в процессе простого и доступного эксперимента, есть возможность доказать, насколько токсичными являются такие вещества как аспирин, димедрол, кофеин, табак, алкоголь.. В настоящее время подростки пытаются изготовить наркотик сами, используя различные лекарственные препараты, в том числе аспирин и димедрол. Поэтому эта работа важна и актуальна на сегодняшний день.

Цель работы: выявить действие токсичных веществ (табака,аспирина, алкоголя и кофеина) на живой организм.

Гипотеза: если негативное влияние происходит на организм дафнии, то и организм человека подвержен неблагоприятному влиянию токсичных веществ. Объект исследования: биотестирование.

Предмет исследования: организм дафнии, как пример живого организма.

Задачи исследования:

1) Обосновать роль биотестирования в экологических исследованиях

2) Определить методику исследования.

3) Экспериментально доказать опасность токсического воздействия таких веществ, как кофеин, табак, алкоголь на живые организмы.

4)Сделать выводы и рекомендации. Обоснование выбора тест-объекта Для оценки качества вод с начала 1930-х годов используют дафнию (Daphnia magna). Дафнии – мелкие рачки (размеры тела взрослых особей от 0,6 до 6 мм). Они населяют все типы стоячих континентальныx водоемов, встречаются также во многих реках с медленным течением. В лужах, прудах и озѐрах часто имеют высокую численность и биомассу. Различные виды населяют мелкие временные водоемы, литораль и пелагиаль озѐр. Довольно многие виды, особенно населяющие засушливые районы – галофилы, обитающие в солоноватых, соленых и гипергалинных континентальных водоемах. К настоящему времени выполнено множество работ по определению действия на дафнию большинства обнаруживаемых в водных объектах ксенобиотиков. Дафния является представителем организмов, традиционно причисляемых к «живой пыли». Это преимущественно небольшие ракообразные, относящиеся к семейству Daphniidae. Данное семейство, в свою очередь, входит в Cladocera, к которому также относятся гаммарусы, артемии и другие. За своеобразные резкие движения еѐ часто называют «водяной блохой». Особенности фенотипа, размер и форма тела зависят от области происхождения и конкретных условий окружающей среды. Значительным сходством с дафнией обладают представители рода Moina.

Дафнии – один из стандартных объектов для тестирования токсичности водных растворов химических соединений, применяемых в исследовании загрязнений водной среды [1]. Дафнии чувствительны даже к небольшим концентрациям некоторых солей, например, добавление солей меди в концентрации 0,01 мг/л вызывает замедление движений рачков, они либо опускаются на дно, либо замирают у поверхностной плѐнки воды [1] В законодательном порядке этот веслоногий рачок включен в число тест-объектов для оценки качества воды во многих странах мира. Широко используют для биотестирования воды и медицинскую пиявку.

По чувствительности и степени изученности среди других тест-объектов кроме дафний (D. magna, D. pulex) выделяются несколько видов микроскопических одноклеточных зеленых водорослей из класса протококковых (сценедесмус Scenedesmus quadricauda, хлорелла Chlorella sp.) и пять-шесть видов рыб, как аквариумных, так и мелких аборигенных (голец, гольян). Опыт токсикологического нормирования показывает, что при использовании этих видов биотестированием может быть охвачено более 80 % подлежащих контролю загрязняющих воду химикатов.

Токсичные вещества, их характеристика

Кофеи ́ н – алкалоид пуринового ряда, бесцветные горькие кристаллы. Является психостимулятором, содержится в кофе, чае и многих прохладительных напитках.

Кофеин содержится в растениях, таких как кофейное дерево, чай, мате, гуарана, кола, и некоторых других. Он синтезируется растениями для защиты от насекомых, поедающих листья, стебли и зѐрна, а также для поощрения опылителей.

У животных и человека он стимулирует центральную нервную систему, усиливает сердечную деятельность, ускоряет пульс, вызывает расширение кровеносных сосудов, усиливает мочеотделение.

В медицине кофеин применяется в составе средств от головной боли, при мигрени, как стимулятор дыхания и сердечной деятельности при простудных заболеваниях, для повышения умственной и физической работоспособности, для устранения сонливости.

В малых дозах оказывает стимулирующее воздействие на нервную систему. При длительном применении может вызывать слабую зависимость – теизм (заболевание). Под воздействием кофеина ускоряется сердечная деятельность, поднимается кровяное давление, примерно на 40 минут слегка улучшается настроение за счѐт высвобождения дофамина, но через 3-6 часов действие кофеина проходит: появляется усталость, вялость, снижение трудоспособности.

Табак (лат. Nicotiána) – род многолетних и однолетних растений семейства Паслѐновые (Solanaceae). Культивируется как наркотическое средство, вызывающее кратковременную эйфорию. Употребление табака в различных видах и различными способами (курение, жевание, нюхание) вызывает зависимость. Табачный дым содержит психоактивные вещества – алкалоид никотин, который является аддитивным стимулятором, а также вызывают слабую эйфорию. Эффекты воздействия никотина включают временное снятие чувства беспокойства, раздражительности, неспособности сосредоточиться, которые возникают при отказе от его употребления даже на короткий период времени после периода систематического и регулярного употребления. При этом никотин не снимает чувства тревоги, раздражительности у людей, не употреблявших его ранее, то есть у некурящих.

Алкоголь – спирт, чаще всего подразумевается этанол (этиловый спирт или просто спирт), получаемый при ферментации сахаров (брожение). Этиловый спирт – согласно ГОСТам 5964-72, 5964-82 и 18300-72 – «…относится к сильнодействующим наркотикам, вызывающим сначала возбуждение, а затем паралич нервной системы». Наркотическая зависимость от таких напитков называется алкоголизмом. В химии, алкоголями называют любое органическое соединение, в котором группа OH связана с молекулой углеводорода. Общая формула CnH2n+1OH (например, метиловый, этиловый, и т. д. спирт).

 Ацетилсалициловая кислота является необратимым ингибитором циклооксигеназы (PTGS) – фермента, участвующего в их синтезе. Ацетилсалициловая кислота действует как ацетилирующий агент и присоединяет ацетильную группу к остатку серина в активном центре циклооксигеназы. Это отличает еѐ от прочих нестероидных противовоспалительных препаратов (в частности, диклофенака и ибупрофена), которые являются обратимыми ингибиторами. Передозировка приводит к тяжѐлым патологиям почек, мозга, лѐгких и печени. Историки медицины считают, что массовое применение аспирина (по 10-30 г.) значительно увеличило смертность во время пандемии гриппа 1918 г. [19]. При применении препарата может также развиться профузное потоотделение, могут появиться шум в ушах и ослабление слуха, ангионевротический отѐк, кожные и другие аллергические реакции.

Методика

Существует несколько разнообразных методик по определению токсичности воды. Одна их них: «Методика по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов» устанавливает процедуру определения острой летальной токсичности сточных, поверхностных и подземных вод, донных отложений (водных вытяжек), буровых растворов, водных растворов отдельных веществ и их смесей.

Поскольку в задачу эксперимента входит изготовление водных растворов и вытяжек, то данная методика подходит для доказательства гипотезы. Рассмотрим ее.

Методика основана на установлении различия между количеством погибших дафний в анализируемой пробе (опыт) и контрольной пробе.

Критерием острой летальной токсичности является гибель 50% дафний и более в опыте по сравнению с контролем за 96 ч. биотестирования.

Границы, в которых находится относительная погрешность определения токсичности по данной методике с заданной доверительной вероятностью Р=0,95, составляют ±66%.

При биотестировании выполняют следующие операции.

– Пробу воды (водную вытяжку), а также растворы различных концентраций вещества (смеси веществ) наливают в стеклянные сосуды по 100 см3 (опыт). Другие сосуды наполняют таким же объемом отфильтрованной воды из емкостей, где культивируются дафнии (контроль). Повторность в опыте и контроле трехкратная.

– В каждый опытный и контрольный сосуд помещают по 10 дафний в возрасте до 24 ч. Их быстро переносят стеклянной трубкой диаметром 5-7 мм, погрузив ее в воду.

– Продолжительность биотестирования составляет 96 ч. Во время биотестирования дафний не кормят.

– В конце биотестирования визуально подсчитывают количество живых дафний. Живыми считают дафний, которые свободно передвигаются в толще воды или всплывают со дна сосуда не позже, чем через 15 сек после его легкого встряхивания. Остальных дафний считают погибшими.

Приготовление растворов

1. Кофе – использовался крепкий свежесваренный кофе.

2. Аспирин – растворялась одна таблетка (500 мг) в 10 мл воды.

3. Столовое вино – использовалось неразбавленным.

4. Жевательный табак – смешивался 1 г с 10 мл воды и взбалтывают до тех пор, пока раствор не приобретѐт янтарный оттенок.

По сути, аспирин, кофе, столовое вино и жевательный табак не индивидуальные вещества, а смеси. Мы предположили, что в состав этих смесей входит некий активный компонент, который и оказывает влияние на дафнию. Обычно принято считать активными компонентами те вещества, которые указаны в таблице 1.

В таблице указана концентрация активного компонента в пробирке, куда была помещена лишь одна капля тестируемого вещества. Если необходимо определить концентрацию в других пробирках, достаточно умножить число капель на значение, помещѐнное в таблице для данного вещества.

Обработка и оценка результатов

Используя результаты таблицы 1 , можно рассчитать минимальную токсическую концентрацию МТК, т.е. минимальное содержание активного компонента в растворе, при котором дафния погибает. На основании результатов трех параллельных определений количества живых дафний в контроле и опыте находят средние арифметические количества живых дафний в контроле. Для определения острой токсичности водной вытяжки рассчитывается процент погибших в тестируемой воде дафний (А, %), по сравнению с контролем:

А=( (Хк- XT): Хк)х100%

где Хк – количество выживших дафний в контроле; XT – количество выживших дафний в тестируемой воде.

Вывод о наличии или отсутствии острой летальной токсичности пробы опытного раствора вещества делаем на основании величины А. Если величина А составляет 50% дафний и более, считается, что анализируемая проба проявляет острую летальную токсичность. В этом случае для количественной оценки токсичности анализируемой пробы раствора вещества устанавливают ее среднее летальное разбавление за 96 ч биотестирования (ЛР50 за 96 ч).

Для кофеина А= 0 %

Для никотина А= 70 %

Для алкоголя А= 100 %

Для аспирина А=80 %

В результате наших исследований, построили следующую диаграмму, которая наглядно показывает возрастание токсичности исследуемых веществ. Из диаграммы видно, что исследуемые вещества по возрастанию токсичности располагаются следующим образом: этанол, ацетилсалициловая кислота, никотин. Кофеин нетоксичен для дафнии даже в больших концентрациях.

Можно ли утверждать, что токсичные для дафнии вещества токсичны для человека?

Для ответа на этот вопрос необходимо учесть два факта: во-первых, дафния плавает в растворе исследуемого вещества, а следовательно, соприкасается с ним всей поверхностью своего тела, в то время как в организм человека оно поступает через желудочно-кишечный тракт. Во-вторых, эксперимент над рачками длится короткий период времени, а значит, исключена возможность развития болезней, связанных с длительным употреблением тестируемого вещества.

Принимая во внимание, что физиологическое строение дафнии и человека различно, можно лишь предполагать, что токсичные для дафнии вещества окажутся токсичными и для человека.

Выводы

1. Биотестирование, как метод имеет ряд преимуществ перед физико-химическим анализом, поскольку является более точным и может применяться в разнообразных условиях.

2. Методикой проведенного исследования определена «Методика по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов», которая устанавливает процедуру определения острой летальной токсичности сточных, поверхностных и подземных вод, донных отложений (водных вытяжек), буровых растворов, водных растворов отдельных веществ и их смесей (по ГОСТ).

3. Экспериментально доказана опасность токсического воздействия некоторых бытовых веществ на живые организмы.

4. Поскольку человек – также живой организм, то влияние на него используемых растворов вина, табака, аспирина опасно при более высокой концентрации веществ

Источники информации

1.Исидоров В.А. Введение в химическую экотоксикологию. С-Пб.: Химиздат, 1999. С. 127-129.

2.Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. М.: РЭФИА, НИА-Природа, 2002.

3.Журнал «Химия в школе» №№7,8,9 (2001).

4.Наука и жизнь, № 5 (2010), стр. 67.

5.Фармацевтическая химия. Г.А. Мелентьева. Изд. 2-е перераб. и доп. Т. 2. М., «Медицина», 1976.

6. Табак, растение из семейства пасленовых // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). СПб., 1890-1907.