Все вещества по отношению к живым организмам можно условно разделить

Биологический метод анализа основан на том, что для жизнедеятельности — роста, размножения и вообще нормального функционирования живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например при введении дополнительного (определяемого) соединения, организм через какоето время, иногда практически сразу, подает соответствующий ответный сигнал. Установление характера связи интенсивности ответного сигнала организма с количеством введенного в среду компонента служит для его обнаружения и определения. Аналитическими индикаторами в биологическом методе являются различные живые организмы, их органы, ткани, физиологические функции и т. д. Роль индикаторного организма могут играть микроорганизмы, беспозвоночные, позвоночные, а также растения.
Все вещества по отношению к живым организмам можно условно разделить:
1) на жизненно необходимые; 2) токсичные; 3) физиологически неактивные.
Очевидно, только в двух первых случаях можно ожидать сравнительно быструю ответную реакцию организма (аналитический сигнал). Физиологически неактивные вещества могут дать отдаленный результат либо их можно перевести в активное состояние в результате реакций взаимодействия с ингибиторами или стимуляторами процессов жизнедеятельности организмов.
Ответный сигнал индикаторного организма на изменение химического состава среды может быть разнообразным:
• изменение характера поведения, интенсивности роста, скорости метаморфоза, состава крови, биоэлектрической активности органов и тканей;
• нарушение функций органов пищеварения, дыхания, размножения;
• выживаемость либо летальный исход.
Выбор индикаторного организма зависит от характера определяемого вещества. Механизм взаимодействия определяемого химического соединения и биологического организма сложен; это взаимодействие можно представить следующим образом:
Определяемое соединение → Мембрана → Клетка → Орган →
→ Система органов → Организм → Популяция → Экологическая система
Выбор способа регистрации ответного сигнала на заключительной стадии анализа зависит как от целей анализа, так и от механизма и степени взаимодействия определяемого вещества и индикаторного организма. Чем сложнее организм, тем большее число его жизненных функций можно использовать в качестве аналитических индикаторов, тем выше информативность биологического метода анализа. рситет" Ответный сигнал индикаторного организма на одно и то же вещество зависит от концентрации вещества: малые концентрации обычно стимулируют процессы жизнедеятельности организма, высокие — угнетают. Существенное повышение концентрации биологически активного вещества приводит к летальному исходу.
Диапазон определяемых содержаний, предел обнаружения соединений зависят от направленности и продолжительности воздействия вещества на организм, температуры и рН среды, уровня организации индикаторного организма, его индивидуальных, возрастных, половых особенностей
Микроорганизмы как аналитические индикаторы. При использовании в качестве индикаторов микроорганизмов (бактерий, дрожжей, водорослей, плесневых грибов) наблюдают, сравнивая с контрольным опытом, как с изменением химического состава питательной среды изменяется динамика роста отдельной клетки и популяции в целом. Интенсивность роста (размножения, угнетения) популяций оценивают чаще всего оптическими или электрохимическими методами. К используемым в неорганическом анализе микроорганизмам относятся плесневые грибы. Наибольшим угнетающим действием на эти культуры обладают нитраты ртути(II), кадмия, таллия, токсическое действие которых объясняется блокированием SH-групп молекул белка микроорганизмов (табл. 14.1). Грибы используют при анализе почв на содержание цинка, меди, марганца, железа, молибдена, фосфора, углерода, азота, серы.
Ростовые реакции микроорганизмов применяют в анализе природных и сточных вод. Разработан метод обнаружения в сточных водах фенолов, нефтепродуктов, фосфорорганических соединений с использованием бактерий и дрожжей. Микроорганизмы применяют при контроле технологических процессов производства антибиотиков, витаминов и аминокислот. Следует отметить еще один важный аспект применения микроорганизмов в химическом анализе — концентрирование и выделение микроэлементов из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэлементы в процессе жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом питательные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов.
Использование беспозвоночных в качестве индикаторных организмов. Ответным сигналом беспозвоночных — простейших — на изменение химического состава среды является раздражение, приводящее к изменениям двигательных реакций, скорости размножения, характера питания, другим биохимическим и физиологическим изменениям организма. Наиболее изученными с точки зрения использования в аналитических целях являются инфузории. С их помощью воз можно определение ионов тяжелых металлов (см. табл. 14.1). В то же время эти организмы непригодны для обнаружения и определения анионов. Скорость движения инфузорий повышается при введении в среду их обитания микроколичеств этанола, сахарозы, уксусной кислоты, хлоридов кальция и аммония; добавление хлорида бария замедляет движение клеток. Некоторые элементоорганические соединения при определенных концентрациях могут действовать как стимуляторы их размножения. Поведенческие реакции, скорость размножения инфузорий используют для определения указанных выше соединений.
Водных беспозвоночных — ракообразных (чаще всего рачков, дафний) — широко применяют для оценки санитарногигиенического состояния вод.
В качестве аналитического сигнала в этом случае используют некоторые физио-олитехнический университет" логические показатели: выживаемость, частота движения ножек, период сокращения сердца (у дафний), окраска тел погибших организмов и т.д. Наиболее исследованными и используемыми в качестве индикаторных организмов являются дафнии. Изменение частоты движения их грудных ножек, а также изменение периода сокращения сердца, фиксируемые с помощью специальной аппаратуры, являются критерием оценки чистоты вод.
Регистрацию изменения скорости и траектории движения насекомых, например личинок комаров, выживаемость организмов используют для определения остаточных количеств пестицидов в воде, экстрактах из почв, растительных и животных тканях (см. табл. 14.1). Наблюдения под микроскопом за формой и скоростью движения червей, фиксирование продолжительности их жизни позволяют определять микроколичества ионов металлов. ческий университет"Использование позвоночных для определения микроколичеств элементов.
Классическими индикаторными организмами, используемыми для решения многих медико-биологических проблем, являются амфибии. На изолированных органах и тканях лягушки либо на всем организме проверяют физиологическую активность многих фармацевтических препаратов. Биопотенциал нервной ткани можно использовать в качестве индикатора для определения концентрации кислот и щелочей, некоторых тяжелых металлов (см. табл. 14.1). По повышению либо угнетению биоэлектрической активности седалищного нерва лягушки можно оценить содержание хлорида марганца на уровне 1 · 10−9 моль/л либо 1 · 10−6 моль/л соответственно. Растворы меди концентрацией 10−9—10−8 моль/л снижают возбу-димость нерва вплоть до полного блокирования.
Таким образом, биологический метод анализа, основанный на использовании в качестве аналитического сигнала специфических отклонений индикаторных организмов от нормы, позволяет с высокой чувствительностью определять широкий круг как неорганических, так и органических физиологически активных соединений, что особенно важно при анализе объектов окружающей среды. Он отличается высокой избирательностью, которую можно еще более увеличить, используя обычные способы: разделение, маскирование, изменение физико-химических параметров среды (например, рН). С помощью биологического метода можно значительно упростить анализ и сократить время его проведения, оценивая степень загрязнения объекта и целесообразность его дальнейшего детального химического анализа. Биологический метод позволяет решить ряд задач, не решаемых химическими или физическими методами. Например, можно оценить общую токсичность анализируемого объекта (в частности, природной или сточной воды), что практически нельзя сделать даже при определении очень большого количества токсичных компонентов инструментальными методами. Биологические методы позволяют определять токсичные метаболиты нетоксичных веществ (например, пестицидов).