Химиялық экология пәні

Соңғы жылдарда әлемдік жаһандану үрдісінде  табиғатта тепе-теңдік жағдайында сақталып  тұрған кейбір химиялық элементтердің адам ағзасында бірден көбейе түсуі және ағза үшін маңызы бар элементтер мөлшерінің кеміп кетуі байқалуда. Химиялық элементтердің барлығы да тиісті мөлшерден артық болса немесе азайып кетсе адам ағзасына кері әсер ететіні анықталған. Химиялық элементтердің табиғатта таралу жағдайларына жасалған зерттеулер бойынша жердің массасының шамамен 50%-ын оттек, 25%-дан астамын кремний құрайды. Он сегіз элемент - оттек, кремний, алюминий, темір, кальций, калий, натрий, магний, сутек, титан, көміртек, хлор, фосфор, күкірт, азот, марганец, фтор, барий – жер массасының 99,8%-ын құраса, ал қалған 0,2%-ы барлық басқа элементтердің үлесіне тиеді.

Элементтердің ағза мен қоршаған ортада әркелкі  таралуы олардың сіңірілуіне, табиғи қосылыстардың судағы ерігіштігіне байланысты. Суармалы жерлерден жылына 6 млн.т. тұздар шайылып, жер бетіне таралып отырады. Бұл көрсеткіш жылдар өткен сайын 12 млн.тоннаға дейін артатындығы жайлы ғылыми болжамдар бар.

Кремнийдің, алюминийдің табиғи қосылыстары  суда ерімейді, сондықтан олар тірі ағзаларға сіңірілмейді. Тірі жүйелер  негізін, ағзаның 97,4%-ын  құрайтын элементтер - органогендер: көміртек, сутек, оттек, азот, күкірт, фосфор (көміртек негізгі органоген). Оттек пен сутекті көміртектің органикалық қосылыстарының тотығу және тотықсыздындыру қасиеттерін реттеуші ретінде қарастыруға болады. Қалған үш органоген – азот, фосфор, күкірт ферменттердің белсенді ортасын түзушілер. Элементтерді тірі ағзалардағы орташа мөлшеріне қарай үш топқа бөледі :

1.Макроэлементтер  (оттек, сутек, көміртек, азот, фосфор, күкірт, кальциий, магний, натрий және  хлор);  ағзадағы мөлшері 10% - дан жоғары болады.

2. Микроэлементтердің (йод, мыс, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт) ағзадағы мөлшері  10%-15%.

3. Ультрамикроэлементтер  - сынап, алтын, уран, торий, радий  және т.б. Олардың ағзадағы  мөлшері 15% - дан төмен. 

Әр түрлі  жасушалар мен ағзалардың түзілуі  мен өмір сүруі үшін қажетті элементтер биогенді элементтер болып табылады.Тіршілік үшін маңыздылығына қарай химиялық элементтерді үш топқа бөледі:

1.Тіршілікке  қажетті элементтер. Олар адам  ағзасында үнемі болады және  ферменттер, гормондар, дәрумендер  құрамына кіреді:

H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V. Олардың жетіспеушілігі  адамның қалыпты өмір сүруін  бұзады.

2.Қосымша  элементтер. Бұл элементтер жануар  мен адам ағзасында болады:

Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Cl, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, V, Se. Олардың биологиялық маңызы  осы уақытқа дейін толық  зерттелмеген.

3.Өте аз  элементтер. Адам және жануар  ағзаларынан табылған, мөлшері және  биологиялық маңызы белгісіз.

Адамның ағзалары химиялық элементтерді әр түрлі концентрлейді, яғни микро-және макроэлементтер мүшелер  мен ұлпаларда әркелкі таралады. Микроэлементтердің көпшілігі бауырда, сүйек және бұлшық ет ұлпаларында  жиналады. Бұл ұлпалар көптеген микроэлементтердің негізгі қоры. Элементтер кейбір мүшелерге тән болып табылады және онда концентрациясы жоғары болады. Мысалы, мырыш – қарын асты безінде, йод – қалқанша безінде, фтор – тіс кіреукесінде, алюминий, мышьяк, ванадий – шашта, кадмий, сынап, молибден – бүйректе, қалайы – ішек ұлпаларында, стронций – қуық безінде, сүйек ұлпасында, барий – көздің пигментті қабатында, бром, марганец, хром – гипофизде және тағы басқаларда жиналады.

Ағзада микроэлементтер  байланысқан және бос ионды түрінде де кездеседі. Кремний, алюминий, мыс және титан бас миы ұлпаларында нәруыздармен комплекс түрінде, ал марганец ион түрінде кездеседі. Сутек және оттек – макроэлементтері су молекуласын түзетіні белгілі, ал, ересек адам ағзасының шамамен 65%-ы су болып келеді. Су-маңызды еріткіш және ол адамның мүшелерінде, ұлпаларында және биологиялық сұйықтықтарда әркелкі таралған, асқазан сұйығының, сілекейдің, қан плазмасының, лимфаның 99,5% - дан 90% - ға дейінгі аралығын құрайды. Ендеше су ресурстарының құрамын зерттеу, үнемі бақылау және мемлекет тарапынан қорғау іс-шараларын жүргізудің тіршілік үшін маңызы бар деуге болады. 

Макроэлементтер – көміртек, сутек, оттек, азот, күкірт, фосфор – нәруыздың, нуклеин қышқылдарының  және ағзаның басқа да биологиялық   белсенді қосылыстарының құрамына кіреді.

Нәруыздардың  құрамында көміртек 51 - 55%, оттек 22 - 24%, азот 15 - 20%, сутек 6,5 - 7%, күкірт 0,3 – 2,5%, фосфор шамамен 0,5%. Көміртек, сутек және оттек  көмірсулардың және липидтердің (майлар), ал, фосфор, фосфолипидтердің құрамында  фосфатты топтар түрінде болады. Көп  мөлшерде липидтер бас миында, бауырда, сүтте, және қан сұйықтығында концентрленеді. Сүйек ұлпасындағы фосфордың  негізгі мөлшері–600 г. Ол адам ағзасындағы  барлық фосфордың 85% - ын құрайды. Фосфор тістің қатты ұлпаларында концентрленеді ал табиғатта  кальций, хлор, фтор элементтерімен қосылыстар түрінде, фторапатиттер құрамында кездесетіндігі белгілі. Кальций де негізінен сүйек және тіс ұлпаларында концентрленеді. Натрий және хлор жасуша аралық, ал калий және магний жасуша ішіндегі сұйықтықтарда кездеседі. Натрий және калий фторид түрінде сүйек және тіс ұлпаларында болады. Магний фосфат түрінде тістің қатты ұлпаларында болады.

Тірі ағзаға қажетті тіршілік металдары деп  аталатын металдардың жалпы сипаты бойынша шамамен салмағы 70 кг адам ағзасында тіршілік металдарының мөлшері төмендегідей болады : кальций – 1700 г, калий – 250г, натрий – 250 г, магний – 42 г, темір – 5 г, мырыш – 3 г, мыс – 0,2 г, марганец, молибден, кобальт – барлығы шамамен 0,1 г. Ересек адамның денесінде 3 килограммға дейін минералды тұздар бар, бұл мөлшердің 5/6 бөлігі сүйек ұлпаларына тиесілі. Кейбір макроэлементтер (магний, кальций) және көптеген микроэлементтер ағзада биолиганд – аминқышқылдармен, нәруыздармен, нуклеин қышқылдарымен, гормондармен, дәрумендермен және тағы басқалармен комплекс түрінде кездеседі. Мысалы, темір  ионы комплекс түзуші ретінде- гемоглобин, кобальт-В 12 дәруменінің, магний- хлорофилл құрамына кіреді. Сонымен қатар, ағзада биологиялық маңызы жоғары басқа да  элементтердің көптеген биокомплекстері бар.

Химиялық  элементтердің ағзадағы мөлшерінің өзгеруіне әр түрлі аурулар әсер етеді. Мысалы, рахитпен ауырғанда фосфорлы – кальцийлі алмасу бұзылады да ағзадағы кальцийдің мөлшері төмендейді. Нефритпен ауырғанда электролитті алмасудың бұзылуының әсерінен ағзадағы кальцийдің, натрийдің, хлордың мөлшері  азаяды да магний мен калий көбейеді.           Ағзадағы макро- және микроэлементтердің мөлшерін гормондар реттеп отырады. Химиялық элементтердің адам ағзасындағы биологиялық орны әр түрлі болып келеді.   Макроэлементтер - ұлпаның құрылысын, осмос қысымының тұрақтылығын, иондық және қышқыл– негіздік құрамын реттеушілер. Микроэлементтер қан жасалу, тотығу – тотықсыздану, тамырлар мен ұлпалардың өткізгіштігіне белсенді әсер етушілер. Макро – және микроэлемент-тер – кальций, фосфор, фтор, йод, алюминий және кремний, сүйек және тіс ұлпаларының түзілуін қамтамасыз етушілер. Микроэлементер ферменттер, гормондар, дәрумендер, биологиялық белсенді заттар құрамына комплекс түзушілер немесе активаторлар түрінде кіреді де зат алмасу, көбею, ұлпаның тыныс алу, улы заттарды залалсыздандыру үрдістеріне қатысады. Кейбір элементтердің мөлшері адам ағзасында жасы ұлғайған сайын өзгеріп отырады. Мысалы, кадмийдің бүйректегі және молибденнің бауырдағы мөлшері қартайғанда жоғарылайды. Жас ұлғайған сайын кейбір мырыш, ванадий және хром сияқты  микроэлементтердің мөлшерлері кемиді. Әр түрлі микроэлементтердің жетіспеушілігіне немесе артуына байланысты көптеген аурулар белгілі. Фтордың жетіспеушілігінен тіс жегісі, йодтың жетіспеушілігінен зоб, молибденнің артық мөлшерінен  подагра пайда болады. Адам ағзасын-дағы биогенді элементтер концентрациясы өмір сүрудің тепе-теңдігін сақтайды   (химиялық гомеостаз). Бұл баланс элементтің жетіспеушілігіне немесе артық болуына байланысты бұзылады және әр түрлі аурулар туады.

Микроэлементтердің  адам ағзасындағы мөлшері және қатынасы жайындағы мәліметтерді сот –  медициналық сараптама жасау  істеріне пайдаланады. Мысалы, этил спиртінің  қатынасында алкогольді улану жағдайында бауырда кальцийдің мөлшері көбейіп, натрий мен калий азаяды. Тағам құрамында темір, мыс, мырыш, йод, кальций, фосфор, магний және т.б. элементтері жетіспесе, адам денсаулығына үлкен зардап келуі мүмкін. Сонымен қатар, ағзаға биогенді элементтердің тек қана жетіспеушілігі емес, артық мөлшері де зиян, өйткені бұл кезде химиялық гомеостаз бұзылады. Мысалы, тағамда марганец артық мөлшерде болса, плазмада мыстың мөлшері көбейеді, ал, бүйректе азаяды. Тағам құрамында молибденнің мөлшері көбейсе, бауырда мыстың мөлшері көбейеді. Тағамда мырыш көбейсе темірі бар фермент-тердің белсенділігі төмендейді. Сондықтан да тіршілікте маңызды болып саналатын минералды компоненттердің концентрациясы сәл ғана көбейсе олардың аз мөлшерінің өзі де улы болып табылады деуге негіз бар.  

Магний жүйке  ұлпаларының жұмысын жақсартады, сүйек түзуге қатысады. Адамға күніне шамамен 400 мг магний керек. Қаңқаның мықтылығы  оның құрамындағы элементтер фосфор мен кальцийдің мөлшеріне тығыз  байланысты. Фосфордың мөлшері кальцийден бір жарым есе көп болуы  керек. Ондай болмаған жағдайда тепе-тендік мөлшерін белгілі бір деңгейде ұстап  тұру үшін жеткіліксіз мөлшерін сүйектегі  қордан алады. Бірақ Д витамині оның арақатынасын реттеп отырады. Фосфор нерв клеткаларының қызметі үшін де керек, сондай-ақ ол — күш-қуат көзі. Сондықтан оның мөлшері барлық уақытта біркелкі болуы керек. Фтор, стронций адам тісінің мықты болуына әсер етеді. Адам ағзасында 250 – 300 г NaCl болады, тамақпен 10 – 15 г күнделікті қайта толықтырылып отырады. Натрий хлоридінің артық мөлшері ішкі ағзаларға (бауыр, бүйрек) әсер ететіндігі зерттелген. Ал, Жамбыл облысындағы тұз бассейндері кендерінің (Ресей ғалымдарының зерттеулері бойынша барлығы 54 тұз бассейндері бар екендігі келтірілген) осы уақытқа дейін ашық болуы, желдің әсерінен тозаң түрінде аймаққа таралуы экологиялық ахуалының нашарлығын көрсетеді деуге болады.

Микроэлементтердің  ағза үшін физиологиялық маңызы өте  жоғары. Мыс - денсаулыққа өте пайдалы  микроэлементтердің бірі. Егер ағзада мыс жетіспесе, бауырда қорланған  темір гемоглобинмен байланысқа түсе алмайды. Мыстың мөлшерінің аз немесе көптік шамасының көрсеткіші-адамның  шашы. Мыстың мөлшері төмендеген кезде  немесе жетіспеген жағдайда шаш тез  ағарады. Мыс қанға оттектің өтуін  қамтамасыз етеді. Соның нәтижесінде  жасуша, ұлпалар оттекпен жақсы қамтамасыз етіледі. Мыс көптеген ферменттердің  құрамына кіреді, ұлпалардағы тотығу реакциясын жылдамдатады. Темір элементінің  рөлі денсаулық үшін өте зор. Егер темір жетіспесе, баршамызға белгілі  анемия немесе қан аздық ауруы  пайда болады. Бұл элементтің ағзадағы тәуліктік мөлшері 11-30 мг. Адам қанында  3 г жуық темір бар. Оның мөлшері көрсетілген шамадан төмен болса, қанның қызыл клеткасының, яғни, гемоглобиннің түзілуі нашарлап, тыныс алу функциясы төмендейді. Темір ағзаға сырттан түседі, тамақтың құрамындағы темір ионы он екі елі ішектің жоғарғы бөлігінде қанға сіңеді. Темірдің ағзаға  дүрыс сіңбеуі асқазандагы түз қышқылының жетіспеуінен немесе темірдің белокпен байланысының нашарлауынан болады. Ал, тұз қышқылының жетіспеуінің өзі бауыр мен өт жолдарының дұрыс қызмет атқармауынан деуге болады, яғни, оларда әр түрлі тұздар тастар түрінде жиналады. Тастардың пайда болуы топырақ пен судың және қоректің сапасына байланысты екендігі түсінікті. Демек, облыс көлемінде халықтың денсаулығының төмен көрсеткіштері оларды қоршаған табиғат ортасына, экологиялық сипатына тікелей байланысты деуге болады. Жоғарыда айтылған элементтердің тәуліктік нормасын зерттеудің нәтижесінде мынадай қорытынды жасалады: ересек адамдар үшін микроэлементтердің тәуліктік мөлшері: алюминий — 49,01 мг, бром - 0,821 мг, темір - 1,1-30 мг, йод - 0,2 мг, кобальт — 0,05-0,1 мг, марганец — 5—7 мг, мыс — 2-3 мг, молибден — 0,15—0,3 мг, никель - 0,63 мг, рубидий - 0,35-0,5 мг, фтор - 2-3 мг, мырыш - 10—15 мг. Әрине, бұл көрсеткіштер адамның жас ерекшеліктеріне байланысты өзгеріп отырады. Мысалы, ой еңбегімен айналысатын адамдар үшін марганецтің мөлшері тәулігіне 5-6 мг. Жас балаларға марганецтің мөлшері ересектерге қарағанда көбірек қажет болады. Сондықтан да соңғы жылдары микроэлементтер жайлы зерттеу жұмыстары жүйелі жүргізіліп келеді. Микроэлементтердің негізгі физиологиялық – биохимиялық қасиеттері бойынша Қазақстанда П. Р. Загриценко, Ж. Қалекенов, Қ. Кенжеев, Ж. Мамутов және    К. Сағатов, ал Ресейде Я. В. Пейве, М. Я. Школьник, П. А. Власюк, О. К. Кедров – Зихман сияқты ғалымдар зертеу жұмыстарын жүргізген.

Қоректік  зат, оны пайдалану барлық тірі организмге тән қасиет. Қоректену нәтижесінде   ағзада көптеген биологиялық, химиялық және физикалық үрдістер, яғни, көбею, өсу, даму, еңбек ету, т.б. жағдайлары болады. Адамның денсаулығы дұрыс болып қалыпты өмір сүру үшін ең қажеттісі — қоректік заттың мөлшері, сапасы, ағзаға ену мөлшері міндетті түрде тиісті деңгейде сақталуы керек. Әрбір қоректік заттың энергетикалық балансын сақтау ең басты шарт болып табылады. Қоректік заттың құрамындағы әр түрлі бөліктерінің мөлшері, сапасы (белоктар, майлар, комірсулар, минералды заттар, макро және микроэлементтер, витаминдер) саны белгілі ретпен бір-біріне тығыз байланыста болатындығы анықталған. Төменде ағзаға қажетті кейбір негізгі қоректік заттардың мөлшерлері келтірілген (кесте1)                  

Ағзаға қажетті негізгі қоректік заттар

 Кестеде келтірілген  заттардың арасынан фторидтерге тоқталатын болсақ, оның ағзаға қажетті мөлшері 0,5-1,0мг аралығында. Ал, судың құрамында болуға тиісті шекті мөлшері-0,75мг. Жамбыл облысы аймағындағы фторидтердің мөлшері шектен артық екендігі зерттелді, яғни, Талас-Аса бойындағы мөлшерлік шамасы 1,5-6,25мг/л.  Фторидтердің тотығу-тотықсыздану үрдісінен кейін ағза үшін маңызды иод элементін ағзадан ығыстырып шығару мүмкіндігі жоғары. Сонда, иодты дәрі-дәрмек пен қоректік заттарды қанша пайдалансақ та ағзадағы иодты фторидтердің ығыстырып шығарып жіберуі қазіргі кезде белең алып отырған зоб ауруының көбеюіне  негіз болып отыр.

Жамбыл облысы елді мекендерінің су құрамында тұздардың  тиісті деңгейден   артық болуы облыстың экологиялық жағдайының талапқа сай еместігін көрсетеді. Сондықтан да, кезінде өндіріс орталығы болған Жамбыл облысы аймағының су ресурстары мен топырағының құрамына экологиялық сараптаулар жасап және  солардың негізінде әлеуметтік жағдайды жақсартуға бағытталған іс-шараларын жүргізудің маңызы ерекше.