Toksičnost i mehanizam toksičnosti

Toksičnost je relativno svojstvo koje se odnosi na potencijal hemijske supstance da izazove negativan efekat na živi organizam i funkcija je koncentracije, sastava/osobina toksične supstance kojoj je organizam izložen i vremena ekspozicije.

Naizgled neškodljive supstance mogu imati neželjene ili različite štetne efekte kada dospeju u organizam u većim količinama tokom kraćeg vremenskog perioda. Suprotno tome, unos malih količina toksičnih supstanci može rezultirati nejasnim štetnim efektom. Što znači, da nijedna hemijska komponenta nije toksična ako je doza dovoljno niska, i sve hemijske komponente su toksične ako je doza dovoljno visoka (čak i naizgled bezazlene supstance kao što su šećer i so mogu biti toksične za životinje pri visokim dozama).

Mehanizam toksičnog dejstva obuhvata tri faze:

1) fazu ekspozicije,

2) fazu toksikokinetike i

3) fazu toksikodinamike.

Na tabeli sumarno su prikazani faktori koji utiču na toksičnost, podeljeni u glavne faze, ukazujući na procese koji se odigravaju unutar i van organizma. Faze povezane sa bioakumulacijom i toksičnošću supstance su označene strelicom na dnu.

Ekspozicija. Da bi supstance, njihovi metaboliti ili produkti imale štetan efekat na akvatične organizme, one moraju doći u kontakt sa organizmima i delovati na odgovarajuće meteorgane ili celokupan organizam pri visokim koncentracijama i u dovoljno dugom vremenskom periodu. Vreme i koncentracija potrebni da izazovu štetni efekat variraju u zavisnosti od hemikalije, vrste organizma i jačine efekta. Ova kontakt-reakcija između organizma i supstance naziva se ekpozicija ili izlaganje. Faza ekspozicije vezana je dakle, za trajanje perioda tokom kojeg je organizam izložen toksičnoj supstanci, ali i za ambijentalnu biodostupnosti toksikanta tokom te ekspozicije.

Akvatični organizmi mogu biti izloženi supstancama prisutnim u vodi, sedimentu, hrani i vazduhu. Supstance rastvorne u vodi (hidrofilne) su više dostupne organizmima nego one koje nisu rasvorne u vodi (hidrofobne), a koje se adsorbuju ili na druge načine vezuju za suspendovane čestice, organske materije ili biološke sisteme. Hidrofilne supstance se mogu uneti u organizam preko površine tela (npr. dermalnim putem) i preko respiratornih tkiva kao što su škrge i pluća. Supstance u hrani se mogu ingestirati i apsorbovati putem gastrodigestivnog trakta.

Sorbovane supstance sa čestica se mogu desorbovati prilikom direktnog kontakta površine tela ili respiratornih tkiva sa česticama i na taj način uneti u organizam. Kao primer, u tabeli navedeni su pojedini mehanizmi usvajanja metala kod nekih akvatičnih organizama.

Toksikokinetička faza. Obuhvata unos polutanta u živi organizam i njegovu translokaciju, nakon koje polutant dalje u organizmu može biti skladišten, metabolisan ili pak izlučen iz organizma u vidu biodostupne količine toksičnog agensa.

Usvajanje polutanta od strane živog organizma započinje interakcijom polutanta sa ćelijama tkiva odnosno, pre nego što polutant biva usvojen, on prvo mora stupiti u interakciju sa odredenom površinom organizma, kao što je površina kože, škrga, pluća ili creva.

Nakon ulaska u biološki sistem, toksične komponente se dalje mogu transportovati putem krvi, limfe ili hemolimfe i distribuirati u druge delove organizma. Kod biljaka transport unutar organizma se vrši tokom vode u ksilemu ili citoplazmatskim vlaknima i strogo je uslovljen faktorima životne sredine, kao što su temperatura, vlažnost vazduha, kvalitet i intenzitet svetlosti i dr.

Jedan od osnovnih odbrambenih mehanizama od toksičnog dejstva nekog polutanta je njegova brza eliminacija iz organizma. Brzina eliminacije toksičnih komponenti iz organizma ima značajnu ulogu u kontroli stepena ispoljene toksičnosti tj., što je duže vreme zadržavanja neke hemijske komponente u organizmu, to je verovatnije da će prouzrokovati značajan toksičan efekat. Ekskretornim organima, kao što su na primer bubrezi i jetra, dominantno se uklanjaju komponente rastvorne u vodi, tako da većina toksičnih supstanci izražene lipofilnosti ne podleže direktno procesu ekskrecije. U cilju prevođenja toksične komponente u oblik rastvorljiviji u vodi, ona u organizmu podleže ranije spomenutim biotransformacionim procesima. Proizvodi ovih biotransformacija su polarnije, hidrofilnije komponente koje se lakše mogu izlučiti iz organizma, što je posebno značajno kada su u pitanju lipofilne toksične supstance. Komponente izražene liposolubilnosti izlučuju se iz organizma preko mleka (kod sisara) i jaja (kod ptica i gmizavaca). Za ribe je karakteristična ekskrecija preko škrga, za vodozemce preko kože.

Neki organizmi (ribe i ljuskari), imaju sposobnost da iz organizma izluče višak unetog metala i na taj način izvrše regulaciju njegovog sadržaja (kao na primer u slučaju esencijalnih metala, Cu, Zn i Fe). Osim toga, joni metala lako se mogu vezati za ligande asocirane sa plazmom i postati pogodni za eliminaciju iz organizma bez transformacije. Međutim, postoji ograničenje količine metala koja na ovaj način može biti izlučena iz organizma tako da dolazi do njihove akumulacije u telesnom tkivu. Mikroorganizmi adaptirani na kontaminirane uslove mogu imati sposobnost da izvrše metilovanje ili etilovanje metalnih jona (npr. konverzija jona žive u metil-živu). Metali mogu takođe, biti izolovani od mesta toksičnog dejstva vezivanjem za molekule koje indukuje sam organizam u cilju detoksikacije.

U zavisnosti od hemijskih karakteristika toksičnih komponenti i tipa tkiva, određeni polutanti mogu imati izraženi afinitet ka odredenim tkivima ili organima. Ovakvi hemijski afmiteti dovode do depozicije i lokalizacije toksičnih komponenti u određenim, ciljnim organima, koja ne moraju obavezno da budu i mesta njegovog toksičnog dejstva. Tako na primer, olovo koje se primarno skladišti u kostima, svoje toksično dejstvo ispoljava uglavnom na mekim tkivima u organizmu. U slučaju kada mesto skladištenja (deponovanja) nije ujedno i mesto toksičnog dejstva, selektivna sekvestracija može biti odbrambeni mehanizam, obzirom da štetan efekat prouzrokuju samo oni oblici polutanata ili njihovih metabolita, koji mogu slobodno da cirkulišu organizmom. Skladištenje toksičnih supstanci, naročito kod životinja, vrši se u inertna tkiva kao što su masno tkivo, zubi, kosa i rogovi. Kod biljaka toksične komponente mogu biti deponovane u vakuolama, lišću i dr.

Pojedine skladištene hemijske komponente mogu se zadržati u organizmu više godina bez ispoljavanja merljivog efekat (npr. DDT). S druge strane, selektivni limiti sadržaja strane komponente koji može biti deponovan u organizmu, tokom dugoročne ekspozicije može biti prekoračen i rezultovati ispoljavanjem toksičnosti. Osim toga, imajući u vidu da su vezani ili skladišteni toksikanti u ravnoteži sa njihovim slobodnim oblicima, u situacijama kada je odreden deo komponente u slobodnom obliku metabolisan ili pak, izlučen iz organizma, usled koncentracionog gradijenta može doći do njenog oslobađanja sa mesta deponovanja i dovesti do postepenog ispoljavanja toksičnosti (kao Ito je na primer slučaj kod trovanja olovom i kadmijumom).

Toksikodinamička faza. U većini slučajeva, toksične komponente utiču na specifične komponente biološkog sistema odnosno, mogu ispoljiti svoju toksičnost samo u slučaju vezivanja za specificno mesto toksičnog dejstva tj. receptor. Toksikodinamička faza obuhvata vreme trajanja biološkog odgovora od momenta kada toksična supstanca dospe do mesta toksičnog delovanja u organizmu izazivajući efekat prilikom interakcije sa odgovarajućim receptorima. Efekat može biti manifestovan bilo gde u organizmu, a posledice takvog dejstva mogu se reflektovati kroz inhibiciju oksidativnog metabolizma i centralnog nervnog sistema ili pak, pojavu karcinogeneze ili oštećenja reproduktivnog sistema.

Toksični efekti mogu se manifestovati trenutno tokom ekspozicije ili nakon završetka ekspozicije, ili mogu biti odloženi neko vreme nakon ekspozicije. To zavisi od osobina toksične supstance, vrste toksičnog delovanja i sposobnosti organizma da metaboliše (biotransformiše) toksičnu supstancu. Na primer, toksične supstance koje su podložne biotransformaciji (npr. molekuli ugljovodonika male molekulske težine) imaju kratak poluživot u organizmu i samim tim se brzo ekskretuju iz njega. Toksične supstance sa kratkim poluživotom ne prouzrokuju odložene efekte. U prirodnom akvatičnom okruženju, toksične supstance mogu imati kratak poluživot u vodi i sedimentu jer podležu fizičkim, hemijskim, kao i biološkim procesima transformacije i degradacije.

Faze toksičnostiFaktori koji utiču na toksičnost - biokoncentracija i biomagnifikacija. Toksične supstance usvojene od strane živog organizma iz njihovog okruženja ili izvora hrane, kao što je već istaknuto, bivaju metabolisane u rastvorljivije oblike i ekskretovane iz organizma ili pak, skladištene u različita tkiva u telu i čime je onemogućeno njihovo učešće u aktivnom metabolizmu i narušavanju vitalnih bioloških procesa u organizmu. Stepen bioakumulacije specifične toksične komponente uslovljen je: putem usvajanja, rastvorljivošću i lipofilnošću posmatrane komponente, brzinom metabolizma i brzinom ekskrecije. Drugim rečima, do deponovanja polutanta u organizmu dolazi kada je brzina njegovog prodora u organizam znatno veća od brzine metabolisanja i/ili ekskrecije. Tako na primer, živa kod sisara ima tendenciju depozicije u različitim organima koja opada u sledećem nizu: bubrezi —► jetra —► slezina —► creva —► srce —► mišići —► pluća. Kadmijum ima tendenciju koncentrisanja u bubrezima i kostima, dok olovo ima tendenciju depozicije u moždanom tkivu i kostima. Mnoge toksične komponente, shodno njihovoj lipofilnosti imaju tendenciju akumulacije u masnom tkivu. Fiziološke mete nekih od najzastupljenijih polutanata date su u tabeli.

Pretpostavlja se da toksične komponente najčešće ne izazivaju štetne efekte dokle god su skladištene u nedeljivom tkivu (npr. masnomm tkivu). Bioakumulacija toksičnih supstanci odlaganjem u delovima tela postepeno dovodi do toga da je koncentracija toksične komponente u organizmu znatno veća od koncentracije u okružujućem medijumu. Tako je na primer, utvrdeno da ribe koje žive u vodi zagađenoj sa 0,1 pig/1 DDT-ja, obično u telu sadrže više od 1000 jag/1 ovog pesticida odnosno, 10000 puta veću koncentraciju od one u vodi. Ova pojava rezultat je najmanje dva odvojena procesa, i to:

1. biokoncentracije - usvajanje toksikanta od strane organizma direktno iz medijuma koji ga okružuje (najčešće vode), i

2. biomagnifikacije - usvajanje toksikanta putem hrane (kroz lanac ishrane), pri čemu svaka sledeća karika u lancu ishrane sadrži veće koncentracije akumulirane supstance u odnosu na nižu kariku.

Mehanizmi usvajanja metala ko nekih akvatičnih organizamaČinjenica da se organizam u neku ruku ponaša kao "rastvarač" za određene toksične komponente, posebno one lipofilne (kao što je na primer DDT), rezultuje raspodelom date u vodi rastvorene komponente između vode i masnog tkiva, sve dok se ne uspostavi ravnoteža. Masno tkivo riba koje žive u zagađenoj vodi u kontaktu je sa polutantom preko cirkulisanja krvi kroz škrge (90%) i kožu (10%), te je u odsustvu drugih rastvarača, usvajanje inicijalno brzo ali vremenom postepeno usporava kako se približava ravnoteži. Ako koncentracija polutanta u vodi raste, ravnotežna koncentracija u ribama takođe raste. Međutim, istovremeno je uočeno da odnos koncentracije polutanta u telu ribe prema onoj u vodi (biokoncentracioni faktor), ostaje nepromenjen pri svim nivoima ekspozicije, mada varira u zavisnosti od polutanta, njegovog oblika i sadržaja masti u organizmu. Kada se riba vrati u čistu vodu, proces raspodele je obrnut (poznat kao depuracija) i koncentracija polutanta u tkivu opada usled njenog oslobađanja u vodu preko škrga, sve dok se ne uspostavi nova ravnoteža.

Jedna od mogućih posledica netoksične strane biokoncentracije mogla bi biti biomagnifikacija (prenos i istovremeno povećavanje sadržaja toksične komponente akumulirane u organizmu) putem lanca ishrane. Mehanizmom predacije preneti polutanti mogu se u svakom koraku ugraditi u organizam (bioakumulirati) i na taj način rezultovati porastom koncentracije toksične komponente u predatorskom organizmu, a kao posledica ekspozicije preko sadržaja bioakumuliranog u telu plena.

Glavne grupe supstanci koje podležu biomagnifikaciji, izrazite lipofilnosti i perzistentnosti poznate su pod nazivom perzistentni organski polutanti (eng. persistent organic pollutants, POPs). Pored POPs, metale obzirom da ne podležu procesu degradacije, takođe karakteriše visoka perzistentnost, kao i mogućnost bioakumulacije i u određenim slučajevima biomagnifikacija.

Obzirom da supstance izrazite toksičnosti i bioakimulacionog potencijala, realno mogu biti dobro definisane, jedan od ključnih naučnih izazova današnjice je razvijanje metoda za određivanje perzistentnosti i njeno povezivanje sa eksperimentalno dobijenim kinetičkim parametrima degradacije. Drugi veliki izazov je validacija modela predviđanja ponašanja i dugoročnih štetnih efekata perzistentnih, bioakumulacionih i toksičnih komponenti u životnoj sredini, uz eksperimentalne podatke monitoringa kako na regionalnom, tako i na globalnom nivou.

Tags: ,

Da li ste znali...

da je Biserno ostrvo nastalo prilikom regulisanja reke Tise, to jest završetkom radova na borđoškom proseku 1858. godine?

O gradu