Исследовательская работа Влияние антропогенных загрязнений на активность белков (11 класс)

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Городская гимназия №1»

«Влияние антропогенных загрязнений

на активность белков»

Исследовательская работа на IV студенческую

научно-практическую конференцию «Новое поколение - новое мышление»

Автор: Мурзич Маргарита.. Россия,

г. Усть-Илимск гимназия №1, 11 класс «Б».

Руководитель: учитель Громенко Т.В., городской

гимназии №1, г. Усть-Илимск.

г.Усть - Илимск

2014 г

Содержание

Введение………………………………………………………………………….3

Глава 1. Обзор литературных источников …………………………………….5

1.1 Экологические последствия загрязнения атмосферы…………………..5

1.2 Влияние тяжелых металлов на здоровье человека……………………...7

Глава 2. Методика исследования и результаты……………………………….10

Глава 3. Выводы…………………………………………………………………12

Заключение……………………………………………………………................13

Список литературы………………………………………………………….......14

Приложение……………………………………………………………...............15

Введение

Актуальность. В условиях интенсивного антропогенного загрязнения окружающей среды, вопрос о влиянии загрязняющих веществ на живые организмы, является крайне актуальным. К отрицательным относят все виды воздействия на биосферу, создаваемых человеком и угнетающих природу. Небывалые по мощности и разнообразию негативные антропогенные воздействия, особенно резко стали проявляться во второй половине 20 века. Под их влиянием естественная биота экосистем перестала служить гарантом устойчивости биосферы.

Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опасного для популяций любых организмов, являются промышленные предприятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные, строительных материалов и др.), транспорт, теплоэнергетика, сельскохозяйственное производство. Количество загрязнителей (поллютантов) постоянно растёт по мере развития новых технологических процессов. Суммарный выброс в окружающую среду загрязнителей в России составил 41,8млн.т [3]. Специалисты считают, что в локальном и глобальном масштабах «приоритетными» являются следующие загрязнители: диоксид серы, канцерогенные вещества (бензпирен), нефтепродукты, хлорорганические пестициды, оксид углерода, оксиды азота. К особо опасным загрязнителям относят радиоактивные элементы, диоксины и тяжёлые металлы (ртуть, медь, кобальт, свинец, кадмий).

В то же время многие металлы играют важную роль в жизнедеятельности человека. Они участвуют в структурировании белков, нуклеиновых кислот, активных центров ферментов, активизируют биологические реакции, участвуют в ионной проницаемости клеточных мембран. Но при избыточном поступлении в организм, металлы вызывают глубокую денатурацию белков, образуя нерастворимые соли комплексного характера по анионным центрам радикалов аминокислот. При этом подавляется действие большинства ферментов, поскольку именно радикалы аминокислот участвуют в формировании их активных центров.

Цель работы: выявить влияние аналогов антропогенных загрязнителей на активность растительных и животных белков.

Задачи:

1. Ознакомиться по литературным источникам с вопросом о негативном влиянии на организм тяжёлых металлов и органических веществ.

2. Ознакомиться с методикой проведения экологического эксперимента, позволяющего выявить:

а) влияние тяжёлых металлов на активность растительных и животных

белков;

б) влияние органических веществ на структуру белков.

3. Определить концентрацию токсикантов, которая вызывает денатурацию

белков.

4. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Объект исследования: растительные и животные белки;

Предмет исследования: активность белков;

Проблемный вопрос: какие причины вызывают разрушение белков и приводят к потере активности?

Гипотеза: если воздействовать аналогами антропогенных загрязнений на животные и растительные белки, то они теряют активность и разрушаются.

Методы исследования: эксперимент, анализ литературных источников.

Глава 1. Обзор литературных источников

1.1 Экологические последствия загрязнения атмосферы

Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и окружающую природную среду различными способами - от прямой и немедленной угрозы до медленного и постепенного разрушения различных систем жизнеобеспечения организма. Во многих случаях загрязнение воздушной среды нарушает компоненты экосистемы до такой степени, что регуляторные процессы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние.

Физиологическое воздействие на организм человека главных загрязнителей (поллютантов) чревато самыми серьёзными последствиями. Так, диоксид серы, соединяясь с влагой, образует серную кислоту, которая разрушает лёгочную ткань человека и животных.

Пыль, содержащая диоксид кремния, вызывает тяжёлое заболевание лёгких - силикоз. Оксиды азота раздражают и разъедают слизистые оболочки глаз и лёгких, участвуют в образовании ядовитых туманов. Если они содержатся в воздухе совместно с диоксидом серы, то возникает эффект синергизма, т.е. усиление токсичности всей газовой смеси.

Широко известно действие на организм человека оксида углерода: при отравлении возможен летальный исход. Благодаря низкой концентрации СО в атмосфере он не вызывает массовых отравлений, хотя и опасен страдающим сердечно-сосудистыми заболеваниями [1].

Среди взвешенных твёрдых частиц наиболее опасны частицы размером менее 5 мкм, которые способны проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах лёгких, засорять слизистые оболочки.

Весьма неблагоприятные последствия, которые могут сказываться на огромном интервале времени, связаны и с незначительными по объёму выбросами, как свинец, фосфор, кадмий, кобальт. Они угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают иммунитет.

Последствия воздействия на организм человека вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, весьма серьёзны и имеют широкий диапозон действия: от кашля до летального исхода. Тяжёлые последствия в организме живых существ вызывает ядовитая смесь дыма, тумана и пыли - смог. Смог особенно опасен для людей, страдающих лёгочными заболеваниями [1].

Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в больших концентрациях и в течении длительного времени наносят большой вред не только человеку, но и остальной биоте. Известны случаи массового отравления диких животных, особенно птиц и насекомых, при выбросах вредных загрязняющих веществ большой концентрации.

Что касается растений, то выбросы вредных веществ действуют на их зелёные части, попадая через устьица в ткани, разрушая хлорофилл и структуру клеток, а также попадая из почвы через корни. Особенно опасен для растений диоксид серы, под действием которого прекращается фотосинтез и гибнут многие деревья, особенно хвойные: ель, сосна, пихта, кедр [3].

Глобальное загрязнение атмосферы приводит к нарушению озонового слоя и кислотным дождям. «Озоновые дыры» - это значительные пространства в озоновом слое атмосферы на высоте 20-25 км с заметно пониженным содержанием озона (до 50%).

Истощение озонового слоя признано всеми как серьёзная угроза глобальной экологической безопасности. Оно ослабляет способность атмосферы защищать всё живое от жёсткого ультрафиолетового излучения («УФ - радиация»), энергии одного фотона которого достаточно, чтобы разрушить большинство органических молекул. Поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, увеличивается количество заболеваний раком кожи.

Антропогенное происхождение «озоновых дыр» связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применятся в промышленном производстве и в быту (хлорагрегаты, растворители, распылители, аэрозоли.) В атмосфере фреоны распадаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.

Основными поставщиками фреонов являются США(30,85%), Япония (12,42%), Великобритания (8,65%), Россия (8%) (по данным «Гринпис»).

«Кислотные дожди» образуются при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота. Соединяясь с атмосферной влагой, диоксид серы и оксид углерода образуют разбавленную серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (рН ниже 5,6) [2].

Суммарные мировые антропогенные выбросы диоксида серы и оксидов азота ежегодно составляют более 255млн т. Закисление природной среды негативно отражается на состоянии экосистем. Под действие кислотных дождей из почвы выщелачиваются не только питательные вещества, но и токсичные металлы6 свинец, кадмий, алюминий и др. Далее они сами и их токсичные соединения усваиваются растениями и почвенными организмами, что ведёт к весьма негативным последствиям [3].

Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к их деградации как природных экосистем. 50 млн га леса в европейских странах страдают от действия загрязняющих веществ. Гибнут хвойные леса в на Северных Аппалачах, в Баварии. Отмечены случаи поражения хвойных и лиственных лесов в Сибири, Карелии, что свидетельствует о неблагополучном состоянии окружающей среды. В районе г. Норильска и на Северном Урале огромные площади тайги и лесотундры стали почти безжизненными из-за выбросов серы Норильским горно-химическим комбинатом [3].

1.2 Влияние тяжёлых металлов на здоровье человека

Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами, а особенно свинцом, приобрело огромные масштабы в связи с содержанием в бензине антидетонаторной добавки - тетраэтилсвинца. Вместе с выхлопными газами автомобилей он выбрасывается в атмосферу. Ежегодно мировой парк автотранспорта выбрасывает в воздух свыше 0,4 млн.т свинца [3]. Вследствие этого за последние десятилетия уровень свинца в крови людей увеличился в несколько раз. Накопление свинца в организме приводит к раковым заболеваниям, так как, в несколько раз усиливает действие канцерогенных веществ (диоксины, полициклические углеводороды). В этом проявляется взаимодействие различных ксенобиотиков в окружающей среде либо в организме, с образованием ещё более ядовитых веществ. Масштабы отравления медью наиболее опасны в промышленных медедобывающих районах, где на 1т добытой меди приходится 2т пыли, содержащей 15% меди, 60% - оксидов железа, по 4% мышьяка, ртути, свинца. При избытке меди в организме происходит угнетение многих ферментов, разрушаются железосодержащие белки (гемоглобин, ферритин и др.) в результате замещения железа на медь. Вследствие отравления медью возникает глобинонурия, желтуха, накапливается метгемоглобин (потемнение крови). Избыток ионов меди в организме вызывает заболевания нервной системы, печени, гастриты, язвенную болезнь желудка. В то же время, медь, как и железо, играет важную роль в процессе кроветворения и поддержания нормального состава крови. Недостаток меди в почве может привести к заболеванию животных анемией, а у растений вызвать задержку образования хлорофилла, понизить содержание в них витаминов. Токсичность ртути, свинца и других тяжёлых металлов усиливается в результате их преобразования в окружающей среде в алкильные производные [5].

Метил и фенил-ртуть очень легко проникают в организм. Таким образом, тяжёлые металлы, попавшие в окружающую среду, пагубно влияют на здоровье человека, разрушают белки, в том числе и ферменты, вызывая тяжёлые заболевания.

Несмотря на то, что дефицит лития в организме человека приводит к психическим расстройствам, при повышенной концентрации он очень токсичен. Так избыток лития вызывает общую заторможенность, нарушение дыхания и сердечного ритма, слабость, сонливость, потерю аппетита, жажду, расстройство зрения, а также дерматит лица и рук.

Бериллий принадлежит к числу наиболее токсичных металлов. ПДК бериллия составляет 0,001мг/м, а ртути - 0,01. Бериллий и его соединения обладают аллергическим и канцерогенным действием, раздражают кожу и слизистые оболочки, вызывают дерматозы, конъюктивиты, фарингит, заболевания лёгких и бронхов - трахеобронхит, пневмонию и опухоли лёгких. Заболевания могут возникнуть через 10-15 лет после прекращения контакта с бериллием [1].

Цинк менее токсичен, чем другие металлы, но его избыток в организме может привести к понижению кальция в крови и костной ткани. Присутствие цинка в производственных помещениях в виде пыли вызывает заболевания дыхательных путей, называемое «литейной лихорадкой». С другой стороны цинк - важный микроэлемент. Он входит в состав инсулина, (гормон поджелудочной железы), участвует в переносе углекислого газа кровью позвоночных, стимулирует рост растений [1].

Никель относится к металлам с умеренной токсичностью. ПДК никеля в питьевой воде составляет 0,1мг/л. Аллергическое действие металлического никеля проявляется только при продолжительном контакте кожи человека с декоративными никелевыми покрытиями (корпуса и браслеты часов, оправы очков). В то же время, летучий тетракарбонил никеля - одно из самых ядовитых веществ, известных человеку. ПДК никеля в воздухе производственных помещений 0,0005мг/м. В своё время это соединение состояло в списках отравляющих боевых веществ ряда стран [4].

Кадмий в организме человека в основном накапливается в почках и печени, причём его повреждающее действие наступает, когда концентрация этого химического элемента в почках достигает 200мкг/г живой массы. Попадая с неочищенными стоками промышленных предприятий в водоёмы, растворённый кадмий осаждается и накапливается в донных отложениях. Особенно аккумулируют в своих организмах кадмий водоросли, моллюски и ракообразные. Употребление в пищу этих организмов приводит к заболеваю «итай - итай». В Японии эта болезнь известна с 1955г, когда сточные воды концерна «Мицуй», содержащие кадмий попали в оросительную систему рисовых полей. Это отравление вызвало у людей апатию, повреждение почек, размягчение костей, отмечалось немало смертельных случаев. У японцев, употребляющих в пищу значительное количество риса, содержание кадмия в почках колеблется от 65 до 115 мкг/г, тогда как у европейцев и американцев - от 10 до 30 мкг/г.Источниками кадмия являются газовые выбросы промышленных предприятий, сжигание угля на ТЭС, производство минеральных удобрений, красителей, катализаторов. Усвоение вводно-пищевого кадмия - на уровне 5%, а воздушного - до 80%. К характерным « кадмиевым» болезням горожан относятся: гипертония, ишемическая болезнь сердца, почечная недостаточность. У курящих (табак сильно аккумулирует соли кадмия из почвы) или занятых на производстве с использованием кадмия к раку лёгких добавляется эмфизема лёгких, а для некурящих - бронхиты, фарингиты [1].

Глава 2. Методика исследования и результаты

Прекрасную модель для исследований представляют белки, выделенные из семян бобовых растений и белок куриных яиц. В определённых условиях они длительное время сохраняют свои биологические свойства. В растворах белки вступают во взаимодействие со многими веществами (металлами, спиртами, фенолами и др.) [4].

Оборудование и реактивы: набор химических стеклянных пробирок, 1-2 куриных яйца, 5%, 2,5%, 1,25% растворы солей: сульфата меди, хлорида меди, сульфата натрия, хлорида калия, ацетата натрия, ацетата свинца (или свинцовая примочка), 40% раствор формалина, этиловый спирт, растительный белок (горох), пипетка, фильтровальная бумага.

Приготовление растворов белков

1. У куриного яйца отделить белок от желтка в мерный стаканчик, размешать его стеклянной палочкой в дистиллированной воде в соотношении 1:10. Затем профильтровать.

2. Зерновой горох перемолоть в муку, развести в соотношении : 10г. гороховой муки на 50мл 10% раствора хлористого натрия или хлористого калия. Профильтровать.

Опыт №1 Воздействие на белки солей металлов

В 6 пробирок наливаем 1,0-1,5мл раствора белка и медленно по каплям из пипетки при встряхивании приливать растворы сульфата меди и сульфата калия (1 и 2 пробирки), хлорида меди и хлорида натрия (3 и 4 пробирки), ацетата свинца и ацетата натрия (5 и 6 пробирки). В 1, 3, 5 пробирках образуются хлопьевидные осадки в результате образования малорастворимых соединений: с солями меди - голубого цвета, с солью свинца - белого цвета. В остальных пробирках изменений не происходит [4].

Воздействие на белки солей тяжёлых металлов

Соли металлов

Животный белок

Растительный

белок

Сульфат меди

синий осадок

синий осадок

Сульфат калия

-

-

Хлорид меди

синий осадок

синий осадок

Хлорид натрия

-

-

Ацетат свинца

белые хлопья

белые хлопья

Ацетат натрия

-

-

Опыт №2 Воздействие на белки органических веществ

В 2 пробирки наливаем по 1,0 - 1,5 мл раствора белка, в одну пробирку добавляем равный объём формалина, а в другую - несколько кристалликов хлорида натрия и затем постепенно приливаем 5 - 6 мл этилового спирта. В обеих пробирках выпадает осадок белого цвета [4].

Воздействие на белки органических веществ

Органическое вещество

Животный белок

Растительный

белок

формалин

осадок

осадок

этиловый спирт

осадок

осадок

Опыт №3 Определение токсического эффекта ионов меди и свинца

Приготовить серию растворов сульфата меди и нитрата свинца разной концентрации из исходного 5% раствора (2,5 %; 1,25%; 0,62%). В 8 пробирок пипеткой внести по 1мл животного белка, а в другие 8 - по 1мл растительного белка. В пробирки 1, 2, 3, 4 вносим по 2 капли сульфата меди. В пробирки 5, 6, 7, 8 вносим по 2 капли нитрата свинца. Рассмотреть характер коагуляции. Результаты заносим в таблицу (приложение 2). Коагуляция произошла в пробирках 1, 2 (сульфат меди 5%, 2,5%) и в пробирках 1, 2, 3 (сульфат свинца 5%, 2,5%, 1,25% [4].

Токсический эффект ионов меди и ионов свинца

Название соли

Концентрация раствора

5%

2,5%

1,25%

0,6%

сульфат меди

синий осадок

синий осадок

-

-

ацетат свинца

белые хлопья

белые хлопья

белые хлопья

-

Выводы

В результате проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1. Белки осаждаются под действием тяжёлых металлов (свинца и меди) и необратимо теряют биологическую активность. Ионы тяжёлых металлов образуют с белками нерастворимые комплексные соединения. Они связываются с анионными центрами радикалов аминокислот. В результате внедрения ионов металлов глубоко в структуру белков происходит их необратимая денатурация и выпадение в осадок.

2. Многие органические вещества спирты, формалин) способны образовывать водородные связи и при взаимодействии с белками вызывают их денатурацию, конкурируя за образование водородных связей, участвующих в поддержании структуры нативного белка:

Заключение

На рубеже 21 века человечество в полной мере ощутило глобальный экологический кризис, который однозначно указывает на антропогенную токсикацию нашей планеты. Вероятно, человек перешёл допустимые экологические пределы воздействия на все компоненты биосферы, что в конечном итоге поставило под угрозу существование современной цивилизации.

В связи с этим академик Н.Н. Моисеев отмечал: «…Антропогенная нагрузка на биосферу возрастает стремительно и, вероятно, близка к критической. Человек подошёл к пределу, который нельзя переступить ни при каких обстоятельствах. Один неосторожный шаг - и человечество сорвётся в пропасть. Одно необдуманное движение - и биологический вид Homo sapiens может исчезнуть с лика Земли».

Реализация стратегии выхода их экологического кризиса и перехода к устойчивому развитию всего мирового сообщества возможна лишь на основе единства природоохранных действий всех государств. Природа не знает государственных границ, она всеобща и едина. Для человеческой популяции среда обитания - вся биосфера, которая представляет собой единую и целостную систему. Все слагаемые глобального экологического кризиса становятся экологическими императивами всех государств.

Важнейший вклад в становление принципов и норм в области охраны окружающей среды внесла Международная конференция ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро,1992г.). Подводя итоги конференции, генеральный секретарь оргкомитета М.Стронг заявил: «Мир после конференции должен стать другим. Другими должны стать дипломатия и система международных отношений ООН. Мы выживем вместе, в противном случае - не выживет никто».

Литература

1. Вронский В.А. «Экологические болезни». География в школе №3. 2002г.

2. Ковалевская Н.И. Экологическая биохимия: живые организмы и антропо генное загрязнение биосферы. Биология в школе. №3 1993г.

3. Коробкин В.И. Передельский Л.В. Экология. 2004г

4. Ковалевская Н.И. Изучение белков в связи с охраной среды. Биология в школе № 4 2003г.

5. Николаев Л.А. Металлы в живых организмах. Просвещение. 1986г

График «Токсический эффект ионов свинца и меди»

2 мл

1мл

СuSO₄

Рb (NO₃)₂

0

1 мин 2 мин 3 мин