Учебно-методическое пособие для студентов естественных специальностей Павлодар
| Вид материала | Учебно-методическое пособие |
- Учебно-методическое пособие для студентов естественных специальностей Павлодар, 1215.72kb.
- Учебное пособие для студентов естественных специальностей Павлодар, 2290.94kb.
- Методика обучения техники легкоатлетических прыжков учебно-методическое пособие для, 695.99kb.
- Методика проведения круговой тренировки учебно-методическое пособие для студентов всех, 493.53kb.
- История зарубежной социологии Учебно-методическое пособие для студентов всех специальностей, 725.22kb.
- Республики казахстан, 1486.93kb.
- Учебно-методическое пособие для учителей и студентов Павлодар, 666.39kb.
- Учебно-методическое пособие по дипломному проектированию для студентов специальности, 532.3kb.
- Учебно-методическое пособие для студентов филологических специальностей Павлодар, 1306.55kb.
- Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией финансового факультета, 556.98kb.
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
А.П.Бондаренко, А.А.Калиева
Биогеохимический потенциал и здоровье
Учебно-методическое пособие для студентов естественных специальностей
Павлодар
УДК 550.47 (075.8)
ББК 28.080.3я73
Б81
Рекомендовано заседанием кафедры «Экология» Биолого_химического факультета ПГУ им. С. Торайгырова
Рецензенты:
доктор биологических наук, профессор Базарбеков К.У.
Б81 Бондаренко А.П., Калиева А.А.
Биогеохимический потенциал и здоровье: учебно-методическое пособие. — Павлодар, 2008. — 125 с. — Ч.3.
В данном пособии первой из них мы обозначили проблему, кратко показаны значение различных концентраций химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева на здоровье человека.
Учебное пособие рекомендуется студентам естественных специальностей.
УДК 550.47 (075.8)
ББК 28.080.3я73
ÓБондаренко А.П., Калиева А.А. 2008
ÓПавлодарский государственный университет им С. Торайгырова, 2008
Введение
В предыдущих главах было рассмотрено происхождение химических элементов, их распространению в космических объектах и различных элементах биосферы, уделено внимание их химическим свойствам и влиянию на живые объекты. Третья часть посвящена действию химических элементов на здоровье человека. Рассматривается влияние недостатка или избытка поступления того или иного элемента в организм, способы реабилитации в случае негативного влияния химического элемента.
К сожалению, мы в недостаточной степени способны учитывать потоки большинства простых, но биологически важных, химических элементов в организме. Зачастую мы просто констатируем, что нарушен обмен веществ, однако далеки от полной картины, происходящего. Относительно простые химические элементы выполняют в организме различные функции, обеспечивая постоянство внутренней среды, в том числе – кислотно-щелочной баланс, осмотической давление, буферные функции, участвуют в работе многих ферментов, в процессах секреции, кровообразования, скелетообразования. Без них были бы невозможны сокращения мышц, проведение нервного импульса, внутриклеточное дыхание и многие другие функции живого организма.
Здоровье человека напрямую зависит от свойств вмещающего ландшафта, его особенностей, способностью обеспечить организм необходимым: элементами структуры, энергией и условиями среды. Для нормальной жизнедеятельности человеку необходимо более 90 биологически активных веществ, в числе которых 8 незаменимых аминокислот, 16 витаминов, три полиненасыщенные жирные кислоты и около 60 минералов, которые должен включать в себя рацион питания.
Рассмотрение химических элементов в данном пособии соответствует их расположению в таблице периодической системы элементов Д. Менделеева. Вначале рассматриваются элементы, расположенные в главных подгруппах системы, а затем, в том же порядке, элементы побочных подгрупп.
1 Химические элементы. Жизнь и здоровье
Важнейшее свойство сельскохозяйственной продукции -способность удовлетворять потребностям организма в энергии и элементах питания. В первую очередь это аминокислоты, особенно незаменимые, жирные кислоты, углеводы, витамины, макро, микро и ультрамикро элементы. Количественный и качественный состав белков и липидов определяются на уровне товарного производства, но содержание в продуктах сельскохозяйственного производства элементов минерального питания определяется только в условиях их общего дефицита. Биотехнологии, разрабатываемые в настоящее время, должны способствовать изменениям к подходу в этом вопросе.
Особенностью современных исследований в области биогеохимической экологии является их комплексный характер, направленный на решение экологических проблем, обусловленных преимущественно техногенными факторами. Наряду с этим проводятся исследования состояния природных объектов (почвы, воды, воздуха), естественно обогащенных различными химическими элементами и потому представляющих опасность для роста и развития растений, животных, человека. Их итогом стали биогеохимическое районирование территорий и выделение провинций с неблагоприятным содержанием (соотношением) химических элементов в звеньях пищевых цепочек, предложения по устранению или уменьшению негативного влияния природной обстановки на живые организмы.
Для каждого типа изверженных горных пород, для каждой осадочной формации характерно преимущественное содержание определенных элементов. даже в условиях однородного климата содержание элементов в почвах, водах и растительности будет различаться в зависимости от состава горных пород, распространенных в ландшафте.
Менее очевидна в ландшафте роль редких и рассеянных элементов, не образующих, как правило, собственных минералов и не выявляемых в организмах, почвах и водах обычными химическими анализами. Лишь в последнее время (20-30лет) было установлено, что многие из них в том или ином количестве всегда содержатся в растениях и животных, на развитие которых они оказывают большое влияние.
В процессе длительной эволюции в условиях конкретной географической среды организмы приспособились к определенным концентрациям химических элементов в почвах и поверхностных водах и атмосфере, в связи с чем, значительные отклонения от этих величин оказывают существенное влияние на биохимические процессы.
По микроэлементному составу различают 3 вида почв: почвы с оптимальным для большинства живых организмов микроэлементным составом, с избыточным и с недостаточным содержанием необходимых элементов. Такие территории, характеризующие нормальным, избыточным или недостаточным микроэлементным составом называют (см. первую главу) биогеохимическими провинциями. Существуют провинции с недостаточным содержанием фтора, такие территории эндемичны по кариесу. Провинции с избыточным содержанием фтора эндемичны по флюорозу. В провинциях с недостаточным содержанием иода - регистрируется эндемический зоб и базедова болезнь. Существуют также природные территории на которых отмечается различные другие болезни, связанные с несбалансированностью элементов минерального питания.
Микроэлементы содержатся в почвах, породах, природных водах, живых организмах в очень малых количествах, но выполняют важнейшие функции инициаторов и активаторов биохимических процессов. Карты биогеохимического районирования позволяют оптимизировать экологическую ситуацию путем использования микроудобрений, подкормок и медицинских препаратов. К микроэлементам обычно относят Li, B, F, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Rb, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn, I, Cs, W, Au, Bi. Многие другие элементы, также содержащиеся в малых количествах в организме, нередко относят к токсичным элементам, таковы ртуть, свинец, кадмий. Несмотря на это, стоит подчеркнуть, что и необходимые микроэлементы, когда их содержание превышает оптимум, могут стать токсичными (так же, между прочим, как и макроэлементы), а токсичные элементы при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на живые организмы, то есть негативное влияние оказывают не элементы, а их концентрации.
Преобладающая часть содержащихся в почве микроэлементов растениям недоступна. Подвижные соединения Cu, Co, Mn (то есть доступные растениям) составляют только 10-25% общего количества, для Zn и Mo их доля еще меньше, иногда до 1%. Одна из причин заключается в том, что значительная часть их входит в состав почвенных минералов, а они медленно подвергаются выветриванию, что препятствует усваиванию элементов питания растениями. Экспериментально доказано, что микроэлементы необходимы для многих важнейших биохимических процессов, недостаток элементов замедляет эти процессы и даже останавливает их. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co, W, B, Mn, Zn, в синтезе белков участвуют Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, в кроветворении - Co, Cu, Mn, Ni, Zn, в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co.
Поэтому микроэлементы нашли широкое практическое применение в качестве микроудобрений для полевых культур, подкормок в животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве. Борные удобрения применяют больше всего под сахарную свеклу, кормовые культуры, лен, хлопчатник. Молибден важен при выращивании бобовых культур, поскольку он необходим для деятельности клубеньковых бактерий, связывающих атмосферный азот. В медных удобрениях чаще всего нуждаются многие сельскохозяйственные культуры, выращиваемые на осушенных торфяно-болотных почвах, где мало меди или она прочно связана, а также на супесчаных и песчаных почвах. Цинковые удобрения полезны во многих регионах они могут быть эффективны при выращивании кукурузы, сахарной свеклы, хлопчатника, овощных культур. На почвах с нейтральной или слабощелочной реакцией нередко вносят марганцовые удобрения, так как в этих почвах мало усвояемого растениями марганца, который при такой реакции почв легко превращается в трудно растворимый пиролюзит MnO2 , в карбонаты или фосфаты. Разработаны также кобальтовые удобрения, иодные, а также комплексные микроудобрения, содержащие наборы нескольких элементов.
По-видимому, наиболее оправдано, с биологической точки зрения, использование человеком элементов минерального питания прошедших биологическую трансформацию в растительных и животных организмах, однако в критических случаях, если этого невозможно добиться, следует использовать эти элементы, прошедшие переработку микроорганизмами или принимать их в дисперсном состоянии.
Содержание, миграция и аккумуляция химических элементов в биосфере обусловлены всем комплексом природных факторов. Разрабатывая идеи биогеохимического районирования, В.В. Ковальский, рассматривал в единстве как геохимическую среду (породы, природные воды, почвы), так и физиологические и биохимические особенности организмов. При таком анализе выявляются связи между недостатком или избытком микроэлементов, их количественными соотношениями и состоянием живых организмов вплоть до появления эндемических (местных) заболеваний, а результаты исследований служат основанием для биогеохимического районирования. Он выделил четыре зоны на территории бывшего СССР, которые характеризуются единством зональности почвообразования, климата, миграции элементов и типом биологических реакций организмов на геохимические факторы среды.
Несмотря на довольно длительную историю изучения проблемы микроэлементов в биосфере, современное состояние знаний приходится характеризовать только как поверхностное. Накоплено много фактических данных по уровням содержания микроэлементов в различных компонентах биосферы, по реакции живых организмов на их недостаток или избыток, разработаны специальные методы анализа малых количеств элементов, составлены карты биогеохимического районирования и биогеохимических провинций. Несмотря на это, общей теории, рассматривающей функции, механизмы воздействия и роль микроэлементов в биосфере, пока нет. Можно только утверждать, что микроэлементы необходимы всем без исключения живым организмам, они резко реагируют на недостаток, избыток или неблагоприятное соотношение элементов. Найдены некоторые эмпирические приемы регулирования жизненных процессов, если они осложнены несбалансированностью микроэлементного питания.
Но значительно больше остается нерешенных вопросов, которые охватывают как крупные теоретические проблемы, имеющие общее значение, так и конкретные, часто прикладные задачи, понимание которых необходимо для экологической оптимизации природной среды. Глобальное значение имеют проблемы одновременного действия совокупности элементов, их роль в становлении и эволюции жизненных форм, связь потребностей в микроэлементах с геохимией Земли и космического пространства. Частные задачи связаны с разработкой методов и показателей мониторинга в отношении микроэлементов, создания условий для сельскохозяйственной деятельности по производству продуктов питания с оптимальным содержанием необходимых элементов, а также производство медицинских препаратов, подкормок и удобрений, содержащих микроэлементы, технологии их использования, с разработкой методов учета одновременного влияния нескольких микроэлементов на живые организмы.
Основные вопросы, которые необходимо для этого разрешить:
- закономерности миграции химических элементов в биогеоценозах;
- динамика миграции химических элементов в биогеоценозах;
- оценка величин биогеохимических циклов химических элементов в ландшафтах;
- тенденции изменения глобальных и локальных циклов химических элементов в настоящее время;
- биогеохимия и биологическая роль малоизученных химических элементов;
- биогеохимическая роль почвенных организмов, и, в первую очередь, микроорганизмов;
- биогеохимические характеристики организмов;
- мониторинг и моделирование биогеохимических потенциалов.
В основе функционирования организма как биохимической машины лежит постоянство внутренней среды. Гомеостаз имеет динамический характер и поддерживается непрерывным притоком необходимых организму веществ различной степени организации от аминокислот и витаминов до элементов минерального питания.
В процессе длительной эволюции в условиях конкретной географической среды организмы приспособились к определенным динамическим равновесиям элементов минерального питания, которые связаны с концентрациями химических элементов в почвах, поверхностных водах и атмосфере, в связи с чем значительные отклонения от этих концентраций оказывают часто очень существенное влияние на биохимические процессы.
Важным является вопрос условий перехода почвенных элементов минерального питания в состояние доступное, для включения в биогеохимический цикл. Особую роль в этом играют почвенные микроорганизмы, роль которых неоднократно постулировалась, но практически не изучена. Это особенно важно на фоне повышенного поступления в окружающую среду многих элементов благодаря техногенным процессам. Как отмечает Д. Уильямс, уровень загрязнения окружающей среды соединениями металлов растет. Возможно, благодаря эволюции, живой мир со временем адаптируется к новому химическому окружению, причем некоторые элементы станут полезными или, даже, необходимыми.
Парадоксальность ситуации в том, что в ветеринарии, где лечение экономически невыгодно, сбалансированности пищи по элементам минерального питания уделяется значительно больше внимания, чем в медицине. Интересны в этом отношении лекции доктора Уоллока, который был практикующим ветеринаром, а затем стал практикующим доктором. Он замечает по этому поводу: "Пришлось вернуться к учебе и стать врачом, а это позволило мне использовать все те знания о питании, которые я получил в ветеринарной школе".
Содержание многих элементов минерального питания в почвах низко, особенно это касается доступной формы, и поэтому снимаемый с полей урожай, содержит их недостаточно. Люди, употребляющие эти продукты, автоматически приобретают заболевания, связанные с дефицитом минералов и единственный способ предотвратить связанные с этим болезни – употреблять в пищу минеральные добавки или получать необходимые элементы, оптимизируя питание растений и животных по необходимым параметрам.