PENTRU OBȚINEREA GRADULUI DIDACTIC I COORDONATOR ȘTIINȚIFIC : Prof./Conf./Lect.univ.dr…………………….. CANDIDAT : Prof./Inst./Înv./Ed……………………………….. [309463]

Licență

PENTRU OBȚINEREA GRADULUI DIDACTIC I COORDONATOR ȘTIINȚIFIC : Prof./Conf./Lect.univ.dr…………………….. CANDIDAT : Prof./Inst./Înv./Ed……………………………….. [309463]

Byadmin ianuarie 1, 2024

[anonimizat] I

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC :

Prof./Conf./Lect.univ.dr……………………..

CANDIDAT: [anonimizat]./Inst./Înv./Ed……………………………..

SPECIALIZAREA:

………………………………………….

BACĂU 2017

EDUCAȚIA PENTRU SĂNĂTATE ȘI STUDIUL EFECTELOR UNOR METALELOR GRELE ASUPRA DIVIZIUNII CELULARE

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC :

Prof./Conf./Lect.univ.dr……………………..

CANDIDAT: [anonimizat]./Inst./Înv./Ed………………….

BACĂU 2017

CUPRINS

PARTEA I – Fundamentarea teoretică și practică

Argument

I. Poluare – considerații generale;

I.1. Principalele surse de poluare cu metale grele și impactul asupra ecosistemelor;

I.2. [anonimizat];

I.2.1. Poluarea globală cu mercur;

I.2.2. [anonimizat];

I.3. Surse de poluare cu mercur și proprietățile acestuia;

I.3.1. Formele chimice ale mercurului;

I.3.2. Absorbția și răspândirea mercurului;

I.4. Toxicitatea mercurului la plante;

I.4.1. [anonimizat];

I.5. Poluarea cu mercur în România

I.5.1. Utilizarea pesticidelor și chimizarea mediului;

I.5.2. Circuitul pesticidelor și al mercurului în natură;

II. Diviziunea celulară și impactul factorilor mutageni asupra acestui proces.

II.1. Ciclul celular la plante;

II.2. Factori mutageni ce influențează diviziunea celulară;

II.2.1. Factori chimici;

II.2.2. Factori fizici;

II.2.3. Factori biologici;

II.3. Mutații genetice

II.3.1. Mutații genice

II.3.2. Mutații cromozomiale

II.3.3. Mutații genomice

III. Activitate experimentală

Influența HgCl2 asupra diviziunii celulare la ceapă și la grâu.

III.1. Materiale folosite. Descriere.

III.2. Teorie. Descriere.

III.3. Descrierea activității practice și rezultatele obținute.

PARTEA a II-a – [anonimizat] (experimental)

IV. [anonimizat].

IV.1. Ipoteze, scopul și obiectivele studiului realizat

IV.2. Organizarea activităților cu elevii

IV.2.1. Curriculum școlar

IV.2.2. Activități extracurriculare cu rol de îmbogățire și extindere a ofertei educaționale pentru mediu. Cercul de biologie.

IV.2.3. Metode de studiu a efectelor poluării asupra plantelor și impactul asupra sănătății.

[anonimizat] a ecosistemelor (organismele vii și mediul înconjurător în care acestea trăiesc).

[anonimizat] o anumita formă de poluare. Conștientizarea acestor acțiuni de către populație ar putea atrage după sine o reducerea a acestui proces care periclitează din ce în ce mai mult fragilul echilibru al ecosistemelor. [anonimizat] a [anonimizat] a acțiunilor sale. [anonimizat].

[anonimizat] o modificare a [anonimizat].

Apa reprezintă sursa vieții pentru toate organismele din toate mediile. Poluarea acesteia afectează calitatea vieții la scară planetară.

Pentru limitarea poluării s-a încercat introducerea de legi – mai ales pentru marii poluanți, industriali – legi, care de cele mai multe ori sunt evazive, permisive și ignorate cu ajutorul corupției din sistem. Astfel, factorul individual, prin comportamentul sau poate ameliora sau poate înrăutăți situația într-o proporție remarcabilă. Elaborarea de Programe Naționale de Educație Ecologică pentru toate vârstele e o necesitatea pentru trezirea acestei națiuni. Este necesară dezvoltarea conștiinței colective și a responsabilității sociale pe care o avem cu toții fată de mediul care ne înconjoară. Un comportament ecologic responsabil poate fi învățat de la vârste fragede, dacă este explicat cât mai bine necesitatea păstrării unui mediu curat și sănătos. Astfel de comportamente pot fi dobândite folosindu-ne de puterea exemplului. Atunci când un copil vede la adulți și cei mai mari decât el modele de comportamente menite să protejeze mediul înconjurător, el va copia acele comportamente în mod instinctiv. Dacă aceste comportamente sunt întărite si de explicarea necesității protejării mediului de viață, putem crește copii care vor deveni adulți mult mai responsabili în această direcție, adulți care vor fi capabili să păstreze zestrea lăsată de înaintași.

În alegerea lucrării am plecat de la ideea că în regiunea unde se află Școala Gimnazială Parava, majoritatea locuitorilor se ocupă cu grădinăritul la care folosesc diferiți fertilizanți și pesticide. Plecând de la o activitate pe care părinții elevilor o realizează an de an și în fiecare campanie de semănat și îngrijire și creștere a plantelor, am hotărât să încerc să evidențiez necesitatea cunoașterii mai detaliate a produselor fertilizante si pesticidelor care se folosesc în zona respectivă și a impactului acestora asupra sănătății.

PARTEA I – Fundamentarea teoretică și practică

Capitolul I – Poluarea – considerații generale

Mediul înconjurător constituie un sistem alcătuit din elemente ale cadrului natural și antropic, elemente aflate în strânse și multiple relații care îi asigură însușirile, calitățile și evoluția. Astfel, mediul reprezintă cadrul natural și social în care se desfășoară existența, viața în general.

În studiile de specialitate, poluarea este definită ca fiind o contaminare a mediului înconjurător cu materiale care interferează cu sănătatea umană, calitatea vieții sau funcția naturală a ecosistemelor (organismele vii și mediul în care trăiesc). Deși uneori, poluarea rezultă din cauze naturale, erupții vulcanice, de exemplu, cea mai mare parte a substanțelor poluante sunt rezultat al activității umane.

În definirea termenului de poluare există unele controverse, astfel că unele definiții consideră că termenul poluant reprezintă orice concentrație a unei substanțe potențial dăunătoare (fapt ce se suprapune sensului termenului contaminat) fie că efectele sunt sau nu observabile; alte concepții consideră că poluantul reprezintă doar concentrația dăunătoare în situația în care toxicitatea a apărut. A doua concepție este criticată, deoarece efectele poluantului nu pot fi înțelese pe deplin la un moment dat (Alloway 1994), și în situații rare poluantul nu ar avea efecte dăunătoare (Postolache și Postolache, 2000). În practică, însă, ambii termeni, poluant și contaminant sunt utilizați cu același înțeles, cu toate că uneori poluarea, spre deosebire de contaminare, are rezonanță negativă mai puternică. (”Modelarea bioacumulării metralelor grele în plantele de cultură din zona Copșa Mică” – Emilia Cojoc)

O clasificarea a poluării, ca proces nociv asupra mediului, cuprinde următoarele tipuri:

poluarea fizică (incluzând poluarea fonică și radioactivă);

poluarea chimică (produsă de diverse substanțe eliberate din mediu sub formă gazoasă, lichidă sau de particule solide);

poluarea biologică (cu germeni patogeni, substanțe organice putrescibile).

Poluanții reprezintă acei factori produși de om sau fenomene naturale care provoacă disconfort sau au acțiune toxică asupra organismelor, uneori degradează componentele nevii ale mediului ducând la dezechilibre ecologice.

Criteriile de clasificare a poluanților sunt următoarele:

după natura chimică;

după proprietăți: solubilitate, biodegrabilitate;

după compartimentul contaminat: atmosferă, hidrosferă, litosferă;

după mediul afectat: compuși care afectează mediul acvatic, procesele din atmosferă sau care afectează solul.

Demersul de clasificare a poluării si poluanților este dificil (Postolache și Postolache, 2000) și se face ținându-se cont de mai multe criterii de clasificare, asemeni criteriilor din Tabelul nr.1 unde este prezentată acțiunea poluanților conform naturii chimice și acțiunea acestora asupra componentelor sistemelor ecologice. (”Modelarea bioacumulării metalelor grele în plantele de cultură din zona Copșa Mică” – Emilia Cojoc)

Unul și același compus poate avea modalități diferite de acțiune, astfel nici una dintre clasificări nu este satisfăcătoare. Fără cunoașterea surselor și agenților poluanți produse de acestea, a efectelor nocive asupra viețuitoarelor, nu se pot stabili măsuri eficiente de protecție. Din punctul de vedere al nocivității e nevoie de o ierarhizare a surselor și agenților de poluare. În funcție de sursa de proveniență, aceștia se împart în trei mari categorii:

poluanți industriali;

poluanți agricoli;

poluanți menajeri

Dintre aceste categorii de surse de poluanți industria chimică este, fără îndoială, responsabilă în ce mai mare măsură de contaminarea ecosferei cu o mare varietate de compuși organici și anorganici cu potențial toxic foarte ridicat. Chimia organică modernă poate sintetiza si comercializa în jur de 1000 de compuși noi anual, dintre care unii pot fi foarte toxici. Numeroși compuși emiși în atmosferă, hidrosferă și litosferă: aldehide, fenoli, fluoruri, amine, solvenți clorurați, pesticide, detergenți, materiale plastice, metale, compuși anorganici utilizați în prelucrarea minereurilor (cianurile); contribuie la contaminarea tuturor tipurilor de ecosisteme.

Poluarea (polluo – polluere = a murdări, a degrada) este un fenomen de apariție a factorilor amintiți mai sus de producere a dezechilibrelor ecologice.

Conform Regulilor de la Montreal (1982), prin poluare se înțelege ”orice introducere de către om în mediu, direct sau indirect, a unor substanțe sau energii cu efecte vătămătoare de natură să pună în pericol sănătatea omului, să prejudicieze resursele biologice, ecosistemele și proprietatea materială, să diminueze binefacerile sau să împiedice alte utilizări legitime ale mediului.”

I.1. Principalele surse de poluare cu metale grele și impactul asupra ecosistemelor

Poluanții de tipul metalelor grele acționează asupra organelor și țesuturilor, sistemelor de organe ale organismului uman, efectele fiind diferite în funcție de substanța în cauză. Răspândirea acestor metale grele în mediu este din ce în ce mai mare, important fiind faptul că se acumulează în mediu și în organismul uman putând cauza alterări patologice grave. (ECOS 22 – 2010 – Revista de ecologie – ”Poluarea cu metale grele – Factor major în deteriorarea ecosistemelor” – Camelia Popescu)

Industria metalelor neferoase produce substanțe toxice sub formă de aerosoli fini ce impurifică aerul pe întinderi masive si au o acțiune nocivă asupra organismului. Se ajunge astfel la impurificarea directă și indirectă a solului și apei care afectează flora, fauna și în final omul. Ramura cu cel mai mare impact nociv al acestei industrii este industria metalelor grele (plumb, mercur, cadmiu, cupru, zinc, staniu).

Metalele grele sunt elemente chimice care aparțin în mod natural sistemelor ecologice (Greger, 2004), dar au devenit poluante odată exploatarea (Postolache și Postolache, 2000), fenomen care a condus la concentrarea acestora din surse antropice cu mult față de sursele naturale (Nriagu 1984 citat de Adriano, 2001). Fiecare metal poate si caracterizat de un factor de îmbogățire antropogenă care reprezintă procentul asociat din sursele antropice din totalul emisiilor anuale ale unui metal. Acest factor e de 97% pentru Pb, 89% pentru Cd, 72% pentru Zn, 66% pentru Hg și 12% pentru Mg (Postolache și Postolache, 2000). Împreună cu potențialul de toxicitate al metalelor, factorul de îmbogățire antropogenă, indică prioritatea ce trebuie acordată în alegerea metalelor care trebuie să fie luată în lucru (Iordache, 2009).

Tabelul 1. Clasificarea poluanților (adaptat după Ranade 1989, citat de Postolache și Postolache, 2000)

Metalele grele sunt elemente chimice care au un mare potențial toxic, nu sunt biodegradabile sub acțiunea factorilor biotici sau abiotici. Sub formă de compuși, acțiunea toxică este potențată, astfel că, limitele maxime stabilite de normele oficiale de sănătate pentru alimente, furaje și apă se stabilesc din domeniul ppm (mg/kg) sau fracțiuni de ppm (părți per milion).

Sursele de proveniență a metalelor în mediu sunt atât naturale cât și antropologice. Principalele surse naturale sunt reprezentate de roci și soluri (Bradl, 2005), în timp ce sursele antropice derivă din activități socio-economice, așa cum e ilustrat în Tabelul 2.

Definirea termenului de metal greu a întâmpinat și el unele dificultăți, întrucât părerile sunt diverse și nu sunt satisfăcătoare din punct de vedere chimic. Prima definiție a termenului de în literatură este realizată de Bjerrum care considera ”metalele grele” acele metale care au densitatea în formă elementară mai mare de 7g.cm-3. De-a lungul timpului această definire a suferit modificări, astfel că unii autori au considerat metalele grele fiind cele cu densitatea mai mare de 4g.cm-3, în timp ce alții atribuie o densitate mai mare de 5g. cm-3 (Parker, 1989, Lozet și Mathieu, 1991, Morris, 1992) sau 4,5g.cm-3 (Streit, 1994) sau 6g.cm-3 (Thoronton, 1995). Din cauza multitudinii de păreri s-a ajuns la concluzia eliminării în scopul definirii a criteriului densității. Astăzi, clasificarea se realizează în funcție de proprietățile chimice ale metalelor (Nieboer și Richardson, 1980, citați de Iordache, 2009), în timp ce termenul de ”metal greu” rămâne încă neclarificat în științele naturii (Appenroth, 2010).

Tabelul 2. Surse din sistemul socio-economic care generează metale grele (după Agarwal, 2009)

Plumbul – Pb – face parte din grupa metalelor grele cu un ridicat potențial toxic și foarte răspândit în mediile planetare. Prima sursă de contaminare e reprezentată de industria extracției din minereuri de unde rezultă microparticule răspândite în atmosferă, apă și sol care se acumulează în timp. Microparticulele de la nivelul solului pot fi preluate de plante prin procese de absorbție radiculară sau pot fi antrenate în profunzime până la nivelul pânzei freatice. În aceiași măsură plumbul poate ajunge la mari distanțe de zona inițială de poluare prin apele de șiroire care ajung în râuri.

Plumbul se află în carburanți (carburi, hidrocarburi diverse), deșeuri sau resturi menajere, iar în procesul de ardere este antrenat de fum și purtat de vânt la mari distante.

Plumbul e folosit la scară larga în diferite industrii sau domenii de activitate, industrii generatoare de reziduuri. Este vorba de industria acumulatorilor pentru mijloace de transport auto, industria de lacuri și vopsele, industria unor medicamente de uz extern(acetat de plumb).

În industrial alimentară, conservele (sterilizate) si semiconservele (pasteurizate) sunt ambalate în cutii metalice închise ermetic. La confecționarea acestor cutii se utilizează tabla de fier care poate fi corodata de aciditatea alimentelor ambalate. Pentru eliminarea acestui neajuns, tabla este dublată de un strat protector de staniu (cositor). Cositorul nu poate fi folosit decât sub formă de aliaj cu plumb în proporție de 98,5% – 99,0% staniu și 1,0% – 1,5% plumb. Alimentele din conserve conțin proteine care la rândul lor conțin aminoacizi cu sulf (cisteină, cistină, metionină) și unii compuși ai sulfului (acid condrotin sau mucotin sulfuric). Pe parcursul tratamentului termic și dup acesta, din compușii enumerați se eliberează mici cantități de hidrogen sulfurat care se combină cu staniul formând sulfură de staniu, dar se combină și cu plumbul din aliajul de cositor formând sulfura de plumb. Rezultă astfel un conținut al conservelor contaminat cu sulfură de plumb și staniu care este acceptată de normele sanitare.

O altă sursă de impurificare a mediului cu plumb e reprezentată de gazele de eșapament ale mijloacelor de transport auto. În urma arderii din motor plumbul se regăsește în gazele de eșapament rezultând un grad ridicat de poluare pe șoselele cu trafic auto intens. Cercetări efectuate pe vegetația de pe marginea șoselelor intens circulate au un conținut foarte ridicat de plumb care poate ajunge la 200-300ppm, pe o adâncime de câteva sute de metri de șosea. Tetraetilul de plumb este folosit la tratarea benzinei și motorinei pentru mijloacele de transport naval, astfel că gazele de ardere ajung direct în apele curgătoare ducând la contaminarea peștelui și a celorlalte viețuitoare acvatice.

Surse de poluare cu plumb sunt și vopselele și lacurile folosite la acoperirea suprafețelor metalice, aceste surse prezentând un minimum de concentrație de plumb.

Intoxicațiile cu plumb provoacă boala numită saturnism, având simptome ca: paloarea feței, lizierul negru (linie neagră la marginea liberă a gingiilor), dureri abdominale însoțite de rigidizarea peretelui abdominal, constipație determinată de afectarea mușchilor netezi ai tractusului intestinal. În stadiile avansate ale bolii se instalează paralizia saturniană.

Mercurul – Hg – este metalul cu cel mai mare potențial toxic, chiar dacă accidentele de îmbolnăvire sunt mai rare decât în cazul altor metale grele. Sursele de poluare cu mercur sunt de origine industrială, deoarece mercurul și compușii săi sunt utilizați în diverse ramuri industriale: celuloză, mase plastice pe bază de cloruri de vinil, sticla, oglinzi, etc. Compuși organomercurici se folosesc, de asemenea în practica agricolă ca fungicide cunoscute sub diferite denumiri: criptodin, granodin, ceresan, etc.

În practica medicală se utilizează cantități mici de mercur ca substanțe purgative, diuretice, antisifilitice, unguente precum oxidul galben de mercur (HgO), mercul amoniacal (HgNH2Cl) sau mercur metalic și multe sortimente de substanțe antiseptice.

Cadmiul – Cd – e un metal foarte toxic folosit la acoperirea suprafețelor din fier si oțel ca strat anticoroziv, la o gama variată de obiecte și utilaje, fiind parte componentă în diverse aliaje folosite in alte scopuri industriale. E considerat un poluant important al mediului, găsindu-se în pulberile care rezultă în urma procesului de extracție și purificarea a minereurilor și pe întreg circuitul de utilizare industrială. Este metalul incriminat ca agent cauzal al unor intoxicații industriale sau menajere la om.

Intoxicațiile la animale au de obicei o evoluție cronică, deoarece pătrunderea în organism se face pe cale furajelor și/sau a apei contaminate, caz în care cadmiul e puternic fixat în țesuturi și se va regăsi în carne o lungă perioadă de timp. Pornind de la cunoașterea potențialului toxic al cadmiului, normele oficiale sunt foarte severe, astfel că pentru carnea provenită de la toate speciile de animale, limita maximă e de 0,075 mg Cd/kg (ppm).

Zincul – Zn – intră în compoziția chimică a alimentelor și e benefic pentru creșterea și dezvoltare atât la plante cât și la animale. Excesul de zinc poare duce, însă la anemii grave sau la afectarea capacității de reproducere până la sterilitate. În organism e fixat sub formă de compuși relativi stabili în hematii, mușchi scheletici și piele.

Intoxicarea cu zinc se poate produce prin consumul de alimente sau bauturi acide păstrate mai mult timp în recipiente galvanizate, dar și prin inhalarea pulberilor de către cei care lucrează în unități de prelucrează zincul. Ca și simptome se pot enumera febra însoțită de leucocitpză, simptome care sunt trecătoare după o scurtă perioadă de timp.

Potențialul toxic este redus, limita maximă acceptată pentru alimente situându-se intre 50 – 70 mg Zn/kg (ppm).

Cuprul – Cu – este prezent peste tot, în apă, în sol, în țesutul plantelor și animalelor fiind indispensabil pentru sinteza hemoglobinei, de asemenea fiind componentă structurală a hemocianinei, pigment albastru la moluște, crustacee și cefalopode care îndeplinește aceeași funcție ca hemoglobina.

Sărurile de cupru sunt utilizate în practica agricolă ca și fungicide și germicide. Aceste săruri reprezintă, de altfel, sursa principală de risc pentru om și animale, care se pot intoxica prin utilizarea neglijentă a acestora.

Intoxicațiile cu cupru produc afecțiuni hepatice precum ciroza hepatică însoțită de icter, deoarece ficatul este locul unde cuprul se acumulează și se concentrează. Acest fenomen e mai frecvent la animale decât la om, la acesta din urmă fiind mai rar datorită promptitudinii reflexului de vomă care determină aproape instantaneu evacuarea conținutului gastric. Carnea nu poate fi valorificată dacă depășește limitele maxime stabilite de norme: 3 mgCu/kg pentru carne și 5 mg Cu/kg pentru organe.

Staniul – Sn – e un metal relativ inofensiv pentru om și animale pentru ca absorbția la nivelul tractului intestinal e foarte redusă, motiv pentru care în normele oficiale pentru alimente nu sunt specificate condiții pentru acest metal. Excepții fac conservele alimentare în cutii metalice, limitele fiind: 100 – 150mg Sn /kg.

I.2. Poluarea cu mercur – considerații ecologice

Agricultura a avut un impact major asupra oamenilor, fiind forța principală a procesului de trecere de la tipul vânător – culegător/ cultivator de furaje la tipul sedentar, devenind o unealtă esențială a sustenabilității și dezvoltării speciei umane la nivel mondial. Însă trecerea la o societare sedentară și în curs de dezvoltare s-a produs cu schimbări drastice ale mediului și expunerea inerentă la noi riscuri cauzate direct sau indirect de aceste transformări.

Unul din numeroșii factori de risc la care a fost expus omul în cadrul acestei societăți în continuă transformare a fost expunerea la poluanți, în special metalele grele. Primele cazuri de expunere a omului la metale grele, în afară de cauzele naturale precum erupții vulcanice și rocile care conțin acest tip de metale, au fost înregistrate atunci când au fost deversate inadecvat în mediu elemente rezultate din activitatea umană (minerit sau metalurgie). Odată cu revoluția industrială, contaminarea cu metale grele a devenit o problemă foarte gravă. În plus, datorită stabilității lor și a faptului ca nu pot fi biodegradate, aceste metale tind să se acumuleze și să se răspândească cu ușurință în cadrul ecosistemelor. Pentru majoritatea metalelor grele sursele de poluare sunt anumite procese industriale, mineritul, metalurgia, arderea combustibililor și produse secundare. De la aceste surse poluarea poate afecta aerul, apa și solul, poluanții găsindu-se sub formă de vapori, particule, ape reziduale și nămol. Ce e mai grav e că poluarea afectează nu doar locurile unde se produc acești poluanți, ci ”călătorește” la mii de kilometri depărtare.

Dintre toate accidentele produse de poluarea cu metale grele, primul care ne vine în minte este dezastrul de la Minamata din 1950 care a surprins o lume inconștientă de distrugerea pe care o poate provoca expunerea pe termen lung la poluanții cu metale grele asupra organismului. În acest caz, mercurul a fost principalul poluant și vinovat de bolile apăruta la 2265 de oameni care au fost expuși direct la acțiunea acestui metal.

Deversările necontrolate a unor substanțe cu un ridicat potențial poluant, rezultate din extracțiile miniere (cianuri, arseni, Hg și sulfuri) din regiunea Oruro (Bolivia) au transformat un ecosistem unic, într-un deșert. În jur de 53.000 de locuitori au suferit din cauza poluării apei, salinizării și deșertificării a mii de acri de pământ, pe lângă bolile si decesele survenite în rândul oamenilor și animalelor domestice, toate acestea fiind asociate cu expunerea la poluanți.

La jumătatea anilor 80, apa folosită la stingerea unui incendiu major a determinat poluarea cu 30 de tone de fungicid contaminat cu Hg a zonei superioare a Rinului. Acest metal greu a suferit o creștere substanțială a concentrației fapt ce a determinat moartea masivă a peștilor de pe o zona de 100 de km.

În 1998, o rezervație naturală din Spania a fost poluată după ce a avut loc ruperea unui baraj și eliberarea nămolului și apelor reziduale contaminate. Apele reziduale au ajuns în râul Guadiamar si l-au poluat cu metale grele precum cadmiu, grafit, zinc și cupru. Zona afectată a fost de 4.634 ha, în timp ce 2.703 ha au fost contaminate cu nămol și 1.931 cu apă acidă. Experții au estimat că întreg cel mai mare adăpost pentru păsări al Europei va suferi pentru totdeauna din cauza acumulării poluanților în acest ecosistem.

Datorită faptului că toxicitatea metalelor este asociată cu multe riscuri asupra sănătății populației și mediului, oamenii de știință au studiat efectele acestor metale grele punând un mai mare accent pe bioremediere și modul în care ionii metalelor se leagă în organisme, studiint și efectele masive și severe pe care le au aceste metale asupra organismului uman.

Dintre diferitele modalități în care poate fi studiată toxicitatea acestor metale, studierea impactului lor asupra plantelor este un subiect foarte interesant de studiat, datorită faptului că, în primul rând, plantele sunt producătorii primari din lanțul trofic. Studiile au ca scop înțelegerea efectului toxic a acestor metale asupra plantelor cât si riscul pe care-l prezintă procesele de bioacumulare a acestor metale asupra consumatorilor. În al doilea rând, plantelor le lipsește capacitatea de a pleca din locurile poluate și unele au dezvoltat mecanisme care le ajută să supraviețuiască la expunerea cu poluanți. De exemplu, unele specii pot controla cantitatea de poluanți pe care o absorb din mediu, pot recurge la reținerea sau inactivarea componentelor celulare sau pot tolera efectele dăunătoare ale metalelor grele.

În 1981, Barker a propus clasificarea plantelor în trei mari categorii, în funcție de capacitatea acestora de a acumula poluanți: plante eliminatoare, plante acumulatoare și plante indicatoare.

Plantele eliminatoare – sunt acelea care pot crește pe soluri contaminate în timp ce își mențin o concentrație scăzută a poluanților în corpul lor, chiar dacă în mediu concentrația acestora e mai mare decât în plante.

Plantele acumulatoare – sunt acele plante care pot supraviețui în ciuda dozei ridicate de poluanți din corpul lor.

Plante indicatoare – pot regla absorbția și transportul poluanților spre părțile aeriene ale plantei, pentru că de multe ori concentrația internă a poluanților e similară cu cea din sol.

Dintre metalele grele care au îngrijorat Uniunea Europeană, unele, precum cadmiul, au fost îndelung studiate, în timp ce pentru altele (de exemplu mercurul), mecanismele de acțiune și nivelul de risc al toxicității sunt încă insuficient cunoscute.

Toxicitatea metalelor și a compușilor acestora depinde foarte mult de biodisponibilitatea lor, mai exact, de mecanismele de absorbție până la nivelul membranelor celulare, distribuirea intracelulară și de legăturile pe care le realizează cu macromoleculele din interiorul celulelor. Din datele care există în literatura de specialitate concluzia generală este că toxicitatea acestor metale grele își are originea în tipul de complecși care se formează în urma interacțiunii dintre ionii metalelor grele și macromoleculele celulare. Intrarea metalelor în celule poate mobiliza câteva căi metabolice, poate induce anumite semnale de transducție sau poate activa anumite mecanisme genetice care duc la neutralizarea sursei toxice. Cu toate ca toxicitatea relativă a metalelor grele poate fi diferită în funcție de genotip și de condițiile experimentale, s-a dovedit că majoritatea metalelor grele acționează prin următoarele căi: schimbarea permeabilității membranei celulare, reacția cationilor cu grupările sulfhidril (- SH), afinitatea pentru reacționarea cu grupările fosfat, activarea grupărilor ATP și ADP, reînlocuirea ionilor esențiali și stresul oxidativ.

În cazul mercurului se cunoaște faptul ca acest metal suferă cu ușurință câteva oxidări și poate și răspândit cu ușurință în numeroase ecosisteme. Aceste modificări pot fi simplificate prin reprezentarea a două cicluri majore: unul care are loc la nivel global și implică circulația mercurului în forma sa elementară (Hg0) în atmosferă; iar al doilea ciclu, cu o rata mai mică, depinde de intervenția organismelor care pot metila mercurul anorganic și-l transformă în mercur organic, această formă fiind cea mai toxică pentru organismele vii.

Datorită recurenței poluării cu Hg și datorită insuficientelor date referitoare la efectele acestui metal greu asupra plantelor, este necesară o evaluare și înțelegere urgentă a procesului de fitotoxicitate indusă de mercur. (Azevedo & Rodriguez, 2012)

I.2.1. Poluarea globală cu mercur

Caracterul toxic al mercurului e cunoscut încă de la începuturile civilizației, când se folosea ca otravă, fapt înregistrat și în literatura romană (Li, 1948). Utilizarea în scop medical a mercurului a început în urmă cu mai bine de 300 de ani, când era folosit în tratamentul sifilisului sau a unor boli ale pielii (Farler, 1952) și a continuat cu folosirea clorurii de mercur (HgCl2) ca antiseptic sau folosirea altor forme de mercur ca diuretice sau în tratamente chimioterapeutice (Weeb, 1966). Conștientizarea efectului toxic al mercurului a determinat încetarea folosirii lui, în zilele noastre, în scopuri farmaceutice sau de orice alt tip. Însă, folosirea mercurului în industria modernă a dus la o creștere progresivă a poluării mediului și la apariția de cazuri de intoxicație cu mercur (Kazantzis, 1980). Un caz bine cunoscut este moartea datorită intoxicării cu mercur a sute de oameni din Centrul si Sudul Asiei datorită consumului accidental de semințe de cereale care fuseseră tratate cu fungicide pe bază de mercur. Dezastrul de la Minamata, Japonia este de asemenea un caz care demonstrează efectul toxic al mercurului. În cazul acest accident ecologic, considerat ca fiind cel mai mare din istoria omenirii, implicând și victime umane, apa râurilor si zona Minamata a fost plouată cu metilmercur provenit de la o fabrică de fertilizanți din apropiere.

Metalele grele au o importanță atât industrială cât și biologică și ecologică. Multe dintre ele interesează datorită potențialului lor toxic sau datorită faptului că sunt esențiale pentru supraviețuirea și sănătatea organismelor animale și vegetale (Sarkar, 2002), însă adesea accentul e îndreptat asupra poluării și toxicității (Alloway, 1994). Metalele care sunt implicate în fiziologia organismelor vii și se afla în cantități mari în acestea sunt: Ca, K, Mg, Na, dar sunt și unele aflate în urme (sub 1 mg.kg-1): Fe, Cu, Mn, Zn, Co, Mb, Se, Cr, Ni, V, Si, As (Postolache și Postolache, 2000).

În cazul metalelor grele există două situații:

o situație legată de excesul în anumite compartimente ale ecosistemelor ce cauzează perturbarea funcționării acestora și implicit daune asupra sănătății populației umane;

o a doua situație legată de deficiența cantitativă a unor metale în sistemele agricole, fapt ce determină limitarea productivității (Agarwal, 2009).

Metalele grele sunt poluanți toxici stabili (Ramade, 1992, citata de Iordache, 2009),și spre deosebire de poluanții organici, metalele nu sunt biodegradabile, având un caracter puțin mobil, motiv pentru care persistă în compartimentele de stocare (sol, sedimente) mult timp (Adriano, 2001). Metalele nu sunt nici create și nici distruse în procesele chimice sau biologice. În urma acestor procese metalele pot suferi doar schimbări de valențe sau se pot transforma din forme anorganice în forme organice (Fairbrother și colab., 2007).

Din 1990 pana 2010, emisiile de mercur care rezultă în urma activităților umane au scăzut cu 30%; sunt concluziile la care au ajuns cercetători din cadrul U.S. Geological Suvery (USGS), Univ. Harvard, Univ. Peking din China și alții. Principalul motiv al reducerii cantității de mercur este scăderea exploatărilor de cărbune, ca urmare, fie a reducerii cantității de mercur folosită în procesele industriale (în Europa și America de Nord) sau concentrarea pe neutralizarea emisiilor (în Asia). (Figura nr. 1)

Mercurul este încadrat de Organizația Mondială a Sănătății în topul celor mai periculoase substanțe chimice. Organizațiile de mediu și cele de protecție a consumatorilor au avertizat de multe ori populația și autoritățile asupra impactului pe care îl are poluarea cu mercur asupra peștilor și a altor viețuitoare marine.

Figura nr.1 – Repartizarea globală a emisiilor de mercur antropologic în anul 2010

Figura nr. 2. – Graficul concentrație de mercur atmosferic depusă în Ghețarul de pe Muntele Fremont din Wyoming în ultimii 270 de ani.

I.2.2. Fenomene de bioacumulare, bioconcentrare și bioamplificare

Bioacumularea – este gradul în care un organism preia și reține prin toate căile pe care le dispune, un poluant. Acest proces de analizează din cauza faptului că organismele pot acumula poluanții prin mai multe căi de expunere și deoarece acumularea totală depinde de rată de intrare raportat la rata cu care organismul este capabil să elimine sau să descompună poluanții de-a lungul proceselor metabolice. În cazul bioacumulării, procesul implică sechestrarea biologică a substanței care a pătruns în organism pe cale digestivă, respiratorie, cutanată sau în alt mod. Nivelul la care se bioacumulează substanța depinde de:

rata de preluare;

modul de preluare;

rapiditatea cu care este eliminată din organism;

transformările pe care le suferă poluantul în cadrul proceselor metabolice;

conținutul adipos al organismului;

caracterul hidrofob al substanței;

factorii de mediu, biologici și fizici.

Bioconcetrarea – este procesul prin care un poluant prezintă o concentrație mai mare în corpul unui organism decât în mediul din care a fost preluat. Se folosește termenul de bioconcentrare în cazul creșterii concentrației xenobioticelor (organisme chimice străine care nu sunt produse de corpul organismului animal) în corpul organismelor acvatice față de concentrația din apă. Trecerea acestor substanțe din apă în corpul organismelor se face direct prin piele și branhii.

Termenul poate fi extins și la organismele terestre dacă este vorba de trecerea compușilor chimici direct din aer sau din sol, prin intermediul frunzelor sau rădăcinilor (în cazul organismelor vegetale) și prin inhalare (in cazul organismelor animale).

Bioconcentrarea unei substanțe este strâns legată de coeficientul său de partiție octanol-apă (Ko/a). Acest coeficient reprezintă raportul dintre concentrația unei substanțe chimice în octanol și în apă la echilibru și la o anumită temperatură. Octanolul este un solvent organic care se folosește ca surogat pentru material organic natural. Acest parametru se folosește pentru numeroase studii, la determinarea rolului substanțelor chimice în mediu.

Un criteriu de diferențiere a bioconcentrării și bioacumularii este valoarea factorului de bioconcentrare (BCF) care reprezintă raportul dintre concentrația unui poluant în organismul contaminat și concentrația acestuia in mediul din care a fost preluat. O valoare subunitară a acestui factor (0 < BCF < 1) indică un proces de bioacumulare a poluantului, în timp ce o valoare supraunitară (BCF > 1) indică un proces de bioconcentrarea a sa. Factorul de bioconcentrare se referă în mod obișnuit la organismele acvatice, diferă pentru diferiți compuși chimici, dar și în funcție de specie, pentru același poluant si aceleași condiții de mediu.

Bioamplificarea – reprezintă tendința unei substanțe chimice de a se concentra în mod succesiv de-a lungul verigilor trofice ale lanțului trofic sau rețelei trofice. Prin comparație cu bioacumularea, care se referă la concentrarea unui poluant în corpul primei verigi trofice, bioamplificarea se referă la creșterea concentrației poluantului de-al lungul lanțului trofic. Pentru ca procesul de bioamplificare să aibă loc, trebuie îndeplinite unele condiții:

poluantul trebuie să aibă persiste în ecosistem, să fie solubil în grăsimi, mobil și activ din punct de vedere biologic;

dacă poluantul nu persistă în ecosistem, el va dispărea înainte de a deveni nociv;

dacă poluantul nu este mobil, nu va putea fi preluat de organism;

dacă poluantul este solubil în apă, el va fi excretat de organism;

poluanții care dizolvă în grăsimi sunt reținuți în organism mai mult timp, substanțele lipofile nu pot fi excretate prin urnă, în soluții apoase, acumulându-se astfel, în țesuturile adipoase ale organismului, dacă acesta nu deține enzime care să le degradeze.

Bioamplificarea este, deci, un proces de transfer si amplificare biologică a poluării în interiorul ecosistemelor contaminate; prin sinteza moleculelor necesare proceselor metabolice, producătorii pot prelua din mediu o cantitate mai mare decât necesarul imediat și-l depozitează pentru viitoare utilizări. Poluanții asemănători din punct de vedere chimic cu nutrimentele anorganice sunt preluați din mediu și depozitați în țesuturile plantelor. Prima etapă a bioamplificării este când poluanții sunt depozitați în țesuturile producătorilor în concentrații mai mari decât se găsesc în mediu. A doua etapă este atunci când consumatorii primari se hrănesc cu acești producători, însă trecerea de la un nivel trofic la altul furnizează o cantitate mică de energie, ceea ce înseamnă că un consumator, de la orice nivel trofic, trebuie să consume o cantitate mare de hrană ce aparține nivelului trofic anterior. Dacă această biomasă are o cantitate mare de poluant, atunci acesta va fi preluat în cantitate mare de către consumator. Substanțele poluante nu sunt doar preluate de consumatori, ci sunt si depozitate în corpul consumatorilor care sunt plini de depozite de grăsime. Dacă acest consumator care are depozite de grăsime constituie hrana altui consumator, atunci țesutul adipos al acestuia e digerat și poluantul va fi depozitat în țesuturile noului consumator. Astfel concentrația poluantului devine tot mai mare odată cu trecerea de la un nivel trofic la altul. De obicei, poluanții care sunt solubili în apă nu prezintă acest mod de bioamplificare pentru că ei se dizolvă în fluidele corpului consumatorului și vor si excretați odată cu eliminarea apei în mediu.

Două grupe de substanțe toxice sunt subiectul procesului de bioamplificare, metalele toxice și compușii organic halogenați persistenți. Ambele tipuri de substanțe sunt lipofile și greu degradabile. Substanțele organice care apar nou în celule nu pot fi degradate ușor, deoarece organismele nu au trecut printr-o expunere anterioară la aceste substanțe și nu au, prin urmare, mecanisme specifice de detoxifiere și eliminare pentru aceste substanțe noi; nu dispun de o presiune selectivă pentru aceste substanțe. Aceste substanțe sunt cunoscute sub denumirea de poluanți organic persistenți și includ compușii sintetici organo-clorurați care au un potențial ridicat de bioamplificare și de afectare a mediului.

Metalele grele sunt stabile din punct de vedere chimic și nu pot fi distruse sau transformate în forme non-toxice. Organismele care sunt expuse unor în mod natural unor doze ridicate de metale prezintă mecanisme de izolare și eliminare a acestora. Problemele apar atunci când are loc expunerea la o doză mai mare decât cea uzuală, astfel că poluanții nu mai pot fi excretați suficient de repede pentru a preveni efectele dăunătoare. Metalele sunt transformate în forme organice. Un exemplu clasic de metal greu este mercurul, care poate forma compuși organici, metil mercurul, solubili în lipide si care pot fi ușor bioamplificați în ecosisteme.

Din punct de vedere al diferențelor care există în preluarea, eliminarea și bioconcentrarea lor, compușii chimici au fost împărțiți în mai multe clase, cu proprietăți fizico-chimice diferite:

compuși organici

metale

compuși organo-metalici.

Metalele, la rândul lor, pot fi împărțite în două subcategorii:

compuși esențiali

compuși neesențiali.

Dintre microelementele esențiale fac parte: cuprul, fierul, cromul, manganul, cobaltul, nichelul, seleniul, molibdenul și zincul. Aceste metale au un rol foarte important în metabolismul organismelor vegetale și animale, dar atunci când concentrația lor depășește valorile normale, apar dezechilibre ce afectează sănătatea, creșterea și repreoducerea organismelor respective, putând surveni chiar și moartea.

În procesul de intoxicație al organismelor se pot deosebi trei faze (schema nr. 1):

faza de expunere;

faza toxicocinetică;

faza toxicodinamică.

Schema nr. 1: Relația dintre toxic și organism.

I.3. Sursele de poluare cu mercur și

proprietățile acestuia

Mercurul e un element rar, reprezentând al șaisprezecelea element dintre cele care abundă pe Pământ. Este prezent peste tot, în litosferă, hidrosferă, atmosferă, biosferă cât și în rocile vulcanice de orice tip (Goldwather, 1971). Solul normal contaminat conține 20-150 ppb mercur, dar se cunosc zone unde concentrația acestuia atinge valori de 80% (WHO, 1976). In mod normal, mercurul formează legături stabile cu compuși organici din sol, astfel ca mobilitatea lui este redusă și contaminarea solului cu mercur e puțin probabilă dacă acesta nu provine dintr-o sursă externă (USEPA, 1984).

Sursa naturală de mercur care rezultă independent de acțiunea umană are același ciclu ca și celelalte elemente din natura (figura nr.3). E transportat de apele de suprafață prin eroziunea solului si este introdus în atmosferă prin emanații de gaze ale scoarței terestre si oceanului. Emisiile naturale de mercur pot acoperi doua treimi din cantitatea totală de mercur, activitatea omului reprezintă o treime din total (Berlin, 1986; Burg & Greenwood, 1991; Korringa & Hagel, 1974; NRC, 1978). Cantitatea globală de mercur produsă în mod natural, era in 1900 de 3×106 kg mercur și a crescut de trei ori până în anul 1970. O cantitate considerabilă este emisă în aer (45%), 7% în apă și 48% în sol.

Cele mai importante forme de mercur la care sunt expuse formele de viață pot fi clasificate in trei categorii, având diferite proprietăți farmacokinetice. Elementul mercur se referă în mod uzual la vaporii de mercur prezenți în atmosferă sau la mercurul metalic sun formă lichidă. Are o importanță destul de mare datorită presiunii relativ mare a vaporilor și a unui grad relativ ridicat de solubilitate în apă (aprox. 20 µg/l) sau în lichde (5-50mg/l) (Berlin, 1986). Mercurul se găsește și sub formă ionică Hg2+ (forma mercurică) și Hg+ (forma mercuroasă). Forma mercurică formează complexe chimice cu liganți organici, în special cu grupările sulfhidril. HgCl2 este foarte solubil în apă și extrem de toxic, iar HgCl are o solubilitate mai scăzută și un grad mai scăzut de toxicitate.

În compușii organici, mercurul formează legături covalente cu carbonul, principalii compuși pe care îi formează fiind alchilmercurul (metil- și etilmercurul), arilmercurul (fenilmercrul) și diureticele alcoolalchilmercur. Cationii organici de mercur formează săruri cu acizii organici și anorganici, reacționând în principal cu liganții de importanță biologică, precum radicalii sulfhidril. E posibil, de ademenea, ca aceștia să traverseze cu ușurință membranele biologice. Diferența majoră între aceste tipuri de cationi de mercur este reprezentată de stabilitatea legăturilor carbon-mercur, stabilitate care variază în limite largi. Astfel, compușii alchimercurici sunt mai rezistenți la biodegradare decât compușii arilmercurici sau alcoolmercurici (Clarkson, 1977)

Figura nr. 3 – Ciclul biochimic al mercurului.

(sursa – http://www.mercury.utah.gov/atmospheric transport.htm)

I.3.1 Formele chimice ale mercurului

Mercurul (Hg) face parte din grupa II B a metalelor împreună cu zincul (Zn) și cadmiul (Cd). Datorită distribuție electronilor pe ultimul strat de electroni, aceste metale nu pot participa la combinații care ar mări starea lor de oxidare (II) caracteristică. Din acest motiv, aceste trei metale nu pot fi considerate metale tranziționale propriu-zise deși au tendința de a forma combinații complexe.

Dintre aceste trei elemente ale grupei, Zn este cel mai răspândit, în timp ce Cd și Hg sunt mai rare, găsindu-se in proporție de 3 x 10-5 % și respectiv de 4 x 10-5%. Mercurul se izolează aproape exclusiv din minereuri de sulfură de mercur (HgS) sau cinabru, găsindu-se adesea în stare nativă, sub formă de picături de lichid împrăștiat în rocile de cinabru sau amestecat cu Ag și Au.

Mercurul se extrage in special din cinabru pe cale pirometalurgică sau hidrometalurigică. În primul caz, concentratul care are conținut de mercur se prăjește în cuptoare speciale în timp ce are loc și oxidarea sulfurii și disocierea oxidului rezultat, cu separarea mercurului metalic, care al 356,9°C se evapora și se condensează în vase speciale. Hidrometalurgic, mercurul din reziduurile care-l conțin se tratează cu cianuri alcaline, iar din soluția rezultată, mercurul se precipită cu pulbere de zinc.

Mercurul este singurul metal lichid la temperatură obișnuită, având punctul de topire – 38.84°C, iar punctul de fierbere de 357°C, fiind volatil la temperatură obișnuită. El formează amalgame cu majoritatea metalelor, lichide la temperatura obișnuită sau care se topesc ușor la încălzire. Exemple: aliajul 53.5% Bi, 17% Pb, 19% Sn și 10,5% Hg se topește la 60°C. Există aliaje antifricțiune pe bază de plumb care conțin 0,2 – 0,3% Hg. Vaporii de mercur produc sub acțiunea descărcărilor electrice lumină bogată în radiații ultraviolete, fenomen utilizat la fabricarea lămpilor cu cuarț.

Potențialul de electrod am mercurului este pozitiv, are o reactivitate scăzută, dar o afinitate mai mare fată de oxigen comparativ cu metalele alcalino-pământoase.

Prin încâlzire la 350°C, mercurul trece in HgO (oxid de mercur) roșu, care la 500°C discociază în elementele componente.(formula nr. 1)

Hg + 1/2O2 HgO (formula nr. 1)

Oxidul de mercur este roșu sau galben, este greu solubil în apă și puternic solubil în acizi.

În combinație cu halogenii, mercurul formează mai întâi halogenuri de tipul Hg2X2 și apoi HgX2. Mercurul de dizolvă în HCl gazos, H2SO4 concentrat și HNO3 diluat și concentrat cu formare de săruri de mercur bivalent.

Halogenurile mercurice au caracter de combinații covalente, nu ionizează chiar dacă sunt relativ solubile. Clorura de mercur (HgCl2) este o substanță albă, toxică, sublimează fără descompunere, este solubilă în apă rece și are mare tendință de a hidroliza trecând în săruri bazice (hidroxiclorură de magneziu). (formula nr.2)

HgCl2 + H2O Hg(OH)Cl + HCl (formula nr. 2)

Combinațiile mercuroase

Acestea sunt alb-incolore, sunt greu solubile în apă cu excepția fluorurii, azotatului, cloratului și percloratului, sublimează la 380°C fără topire și în apă disociază puțin. Având formulă dublă, în cristale structura este liniară X-Hg-Hg-X în care cei doi atomi de Hg sunt legați covalent.

În soluție apoasă, ionii de Hg22+ există numai în prezență de mercur metalic, la pH < 2,5, conform echilibrului: (formula nr. 3)

Hg2+ + Hg Hg22+ (formula nr. 3)

Mercurul și compușii săi sunt foarte toxici pentru organismul uman și animal, vaporii fiind de asemenea toxici. Mercurul se folosește pe scară largă sub formă de catod în celulele de electroliză de la fabricarea NaOH, în procesele de amalgamare (prepararea Au), la fabricarea termometrelor, a fulminatului, catalizator, agent de răcire în reactoare nucleare și unele săruri ale mercurului sunt folosite în farmacie. (Marcu G. – „Chimia metalelor”, 1979)

Dintre metale, Hg e special, deoarece se găsește în mediu sub diverse forme fizice și chimice; de exemplu mercurul elementar (Hg0), anorganic (Hg2+), asociat cu diferiți ioni (SHg, HgCl), clorură mercuroasă (Hg2Cl2) și sub formă organică (CH3-Hg). Este un metal special pentru că la temperatura camerei se află sub formă lichidă, este ușor solubil în apă, iar rapiditatea cu care sublimează conferă acestui metal caracteristici ce-l diferă de alte metale. Aceste proprietăți explică capacitatea și eficacitatea mercurului de a circula în cadrul ecosistemelor și de a rămâne în atmosferă pentru o perioadă lungă de timp, fiind mai târziu depozitat în apa și sol.

Forma anorganica a mercurului include și starea sa sub formă de vapori cât și starea lichidă. Lichidul este volatil și eliberează gaz monoatomic, care de obicei este sub formă de vapori de Hg. Această formă joacă un rol vital în circuitul global al mercurului pentru ca poate exista sub forma a doi cationi cu stare diferită de oxidare: +1 (forma mercuroasă) sau +2 (forma mercurică). Prima formă de oxidare Hg+ este forma mercuroasă si se găsește sub formă de calomel sau clorură mercuroasă (Hg2Cl2). Forma bivalentă a mercurului Hg2+ intră în natură și e responsabilă de constituirea tuturor compușilor organici și anorganici din organisme și mediu. Această formă bivalentă poate rezulta și în urma metabolizării cât și în urma evaporării mercurului din compuși organici. Concentrațiile ridicate ale acestui metal sunt foarte toxice pentru plante și pot induce afecțiuni grave, vizibile și perturbații fiziologice în celulele plantelor, declanșând producția de ROS (rective oxygen species = compuși oxigenați ractivi) care provoacă distrugeri celulare. Hg2+ are o mare afinitate pentru grupările tiol, în special pentru ionii R-S-. Ușurința cu care are loc mișcare între grupările tiol și membrana celulară este dată de rapiditatea cu care au loc reacțiile reversibile dintre ionii de mercur și aceste grupări. Atunci când mercurul se află în forma sa mercurică, ca și clorură de mercur (HgCl2) este ușor solubil în apă și are un ridicat potențial toxic. Legenda spune ca împăratul chinez, Qin Shi Hunag, primul care a unificat China, a murit după ce a ingerat mercur sub forma unor pastile procurate de medicul personal, în încercarea de a dobândi imortalitatea.

Studiile referitoare la toxicitatea mercurului au fost făcute, în cea mai mare parte pentru oameni și animale, cunoscându-se faptul că această toxicitate e legată de anumite boli autoimune. Toxicitatea formelor anorganice (HgCl2) a fost parțial studiată și explicată de afinitatea ridicată a metalului pentru biomoleculele care conțin grupări sulfhidril (SH) și de afinitatea scăzută pentru radicalii carboxil, grupările amide și amine. Forma anorganică ajunge în mediu din ciclul mercurului în ecosistem, iar în prezența unor condiții favorabile Hg2+ poate fi transformat în Hg organic.

Unele organisme precum bacteriile sau ciupercile pot modifica în mod natural mercurul prezent în mediu sub formă de Hg2+ prin metilarea acestui ion, transformându-l într-un compus final mai toxic și mai periculos decât forma ionică. Cei mai cunoscuți compși organici cu mercur este metil mercurul (CH3-Hg) și etil mercurul (C2H5-Hg), care au proprietăți asemănătoare, în ciuda diferențelor chimice. Metil mercurul este cel mai toxic compus organomercuric și este produs prin biometilare, putând fi încorporat în lanțul trofic, în special în cel acvatic. Cationii întregi de compuși organomercurici sunt agenții toxici responsabili de degradările produse la nivelul celulelor, de exemplu, la oameni, Hg poate fi transformat în metil mercur și poate provoca leziuni la nivelul sistemului nervos, ficatului și poate duce în final la moarte prin cedarea tuturor organelor. (Azevedo & Rodriguez, 2012)

I.3.2. Absorbția și răspândirea mercurului

S-a dovedit că mercurul este eliberat din sedimente și se acumulează în plante precum Ceratophyllum demersum și Anodonta grandis (Hammer et al., 1988). Atât aurul cât și mercurul au fost identificate la nivelul sedimentelor planctonice și în plantele acvatice, lichenii acvatici și în mestecenii pitici și zada situați lângă un râu care primea efluenți proveniți de la o instalație ce recupera aurul din minereuri de mercur (Taisaev, 1991). De-a lungul râului Medeira, bazinului Amazonian, plantele cu cel mai ridicat conținut de mercur (0,91 și 1,04 µg/g) au fost identificate în 1986 ca fiind Victoria amazonica și respectiv Eichornia crassipes (Martinelli et al., 1988).

O sursă majora de deșeuri de mercur o reprezintă acumulatorii cu mercur folosite în industria clorurilor alcaline și din nămolurile depozitate ca deșeuri sau deversate pe căi navigabile, în țările industrializate. O cantitate maximă de mercur acumulat, de 1,5µg/lună, a fost identificată la două fabrici industriale în Harjavatta, Finlanda, în apropierea cărora se aflau numeroase zone acoperite de mușchi Sphagnum girgensohii (Hynninen & Londenius, 1986). Nivelul de mercur in Aveiro Lagoon, Portugalia a fost de 766 ppm în sedimente si de 4 ppm în corpul Convolvulus sp. (De Koe et al., 1988).

a. Solul

O cantitate considerabilă de mercur poate fi adăugată în agricultură prin utilizarea fertilizantilor, pietrei de var sau a varului nestins și a gunoiului de grajd, dejecțiilor (vezi Andersson, 1979). Folosirea de sedimente sau reziduuri lichide contaminate cu metale, a reziduurilor solide sau a feritilizanților pentru modificarea solului poate produce contaminări grave ale solului sau culturilor. Cantitatea de metale prezente în nămolurile de epurare care poate fi absorbită de plante depinde de variabile precum capacitatea de schimb a cationilor, de pH-ul solului, de cantitatea de nămol aplicat și de speciile de plante cultivate. Plantele de cultura cultivate pe soluri la care as-a adăugat nămol de epurare au avut un conținut ridicat de metale în țesuturi și uneori au prezentat simptome de toxicitate metalica (Page, 1974).

S-a observat ca acumularea mercurului adăugat solului scade după recoltare în următoarea ordine: Oriza sativa > Brassica oleracea var. capitate >Brasica rapa > Zea mays > Sorghum vulgare > Triticum aestivum. Valorile permisibile ale cantității de mercur din sol au fost de 17mg/kg de sol calcaros și 6 mg la sol acid (Wang et al., 1982). Valorile critice de mercur au fost de 0,5ppm. Nivelul ridicat la pH-ului, cantitatea crescută de var nestins și acumularea sării în sol reduce absorbția mercurului de către plante (Xuexun & Linhai, 1991).

Principala sursă de contaminare a solului cu mercur a fost folosirea de semințe tratate cu mercur organic pentru prevenire bolilor fungice, a sulfatului mercuric ca adjutant în creșterea radiculară și a acetatului fenil mercuric (PMA – phenyl mercuric acetate) pentru tratarea ruginii frunzelor (Frank et al., 1976a, 1976b). Compușii cu mercur au fost folosiți și la tratarea gazonului și prevenirea dezvoltării plantei Digitaria sanguinalis (MacLean et al., 1973) fapt ce a dus la contaminarea solului terenurilor de golf (Mathews et al., 1995).

În multe țări, semințele sunt tratate cu succes înainte de a fi importate pentru a preveni introducerea de boli fungice în țară. Principalele tipuri de culturi care necesită tratament sunt grâul și orzul, urmate de ovăz, secară, porumb, orez și cartofi de sămânță, precum și o varietate de culturi furajere. Compușii organomercurici sunt foarte eficienți dar poluează direct solul formând complexe mercurice cu componente organice ale acidului humic. In general, efectul tratamentului germinării are rezultate favorabile atunci când se folosește doza recomandată, întrucât daunele la nivelul semințelor cresc direct proporțional cu rata de aplicare (Hsi, 1956; Kaohler & Beaver, 1954; Purdy, 1956).

Folosirea compușilor pe bază de mercur la tratarea semințelor a dus la acumularea mercurului în corpul păsărilor și mamiferelor care consumă semințe și la păsăsrile prădătoare ale erbivorelor (Fimreite, 1970; Fimreite et al., 1970; Johnels et al., 1979; Tejning, 1976). Astfel că folosirea semințelor tratate cu compuși alchimercurici a fost interzisă în toate țările începând din anii 1960.

În Polonia cel mai ridicat conținut de mercur din corpul plantelor a fost identificat la legumele de seră și în corpul plantelor din zonele industrializate. Salata și pătrunjelul au avut cea mai mare concentrație, în timp ce roșiile, cartofii și castraveții au avut cele mai scăzute concentrații de mercur. Fructele și cerealele bioacumulează mercurul mai puțin decât legumele. Nu s-a dovedit nici o legătură între concentrația de mercur din sol și capacitatea plantelor de a se dezvolta pe acesta (Szymczack & Grajeta, 1992). Se pare ca solurile organice au o cantitate mai mare de mercur spre deosebire de cele minerale (Frank et al., 1976a; John et al., 1975). S-a dovedit o strânsă legătură între conținutul de mercur si materia organică existentă la suprafața solului din păduri (Lag & Steinnes, 1978). Însă, concentrația de mercur dintr-un sol contaminat nu oferă indicii despre proporția de mercur absorbită de plante; de exemplu, în solurile puternic contaminate, ierburile absorb mai mult mercur decât legumele (Lucena et al., 1993).

Ionii metalelor toxice intră în celule pe aceleași canale pe care intră și ionii metalelor din categoria micronutrienților esențiali. Mercurul, metal din clasa B, preferă legăturile cu compuși bogați în radicali cu sulf și azot (de exemplu – aminoacizii).

Absorbția mercurului la nivelul plantelor terestre a fost un subiect pentru numeroase cercetări de specialitate, majoritatea vizând plantele de cultură care au fost cercetate în condiții controlate de laborator și de cele mai multe ori cu doze ridicate de mercur. În general disponibilitatea mercurului din sol pentru plante e scăzută și există o tendință a acestui metal de a se acumula în rădăcini, fapt ce indică rolul de barieră împotriva circulării mercurului pe care o are rădăcina (Gracey & Stuart, 1974). Procentul de mercur care este reținut de rădăcini este de 20 de ori mai mare decât procentul de mercur identificat în lăstari acest lucru fiind legat de cantitatea de oxiacetat de amoniu care extrage mercurul din sol (Lindberg et al., 1979). Concentrația mercurului în organele aeriene ale plantelor pare să depindă de cantitatea de mercur evaporată din sol. Compușii cu mercur care sunt aplicați pe organele aeriene ale plantelor pot fi ușor translocați în alte organe (Adriano, 1986). La cereale s-a observat că procentul de mercur din spic e de trei până la zece ori mai mare decât în pai. Alte cercetări au relevat faptul că în spicele de grâu și orz concentrația mercurului era scăzută, de 1-2ng/g. Chiar și o asemenea concentrație scăzută este cauzată de absorbția foliară a mercurului.

Rata de absorbție a plantelor, a ionilor metalici din soluțiile din sol este în mare parte determinată de cantitatea acestor ioni în sol, dar în cazul ionilor puternici absorbiți, acest proces depinde foarte mult de masa radiculară (Wild, 1988). Rădăcinile au un rol foarte important în schimbul cationic datorită grupărilor carboxil care sunt implicate în transportul membranar al ionilor, la nivelul plasmalemei, acolo unde transportul activ are loc. Absorbția metalelor din sol e mai mare la plantele de seră decât la cele care cresc pe câmp, fapt datorat probabil, diferențelor de microclimat și umidității diferite a solului și pentru că rădăcinile plantelor de seră cresc numai în sol contaminat în timp ce la plantele crescute pe câmp, rădăcinile ajung și în porțiuni mai puțin contaminate de sol. Translocația mercurului în plante are o rata mai scăzută comparativ cu alte metale (De Vries &Tiller, 1978; Page & Chang, 1978).

Procese de acumularea a mercurului au fost observate la ciuperci, plante acvatice morcovi și cartofi. Planta oceanică Posidonia oceanica pare a fi un indicator al sedimentelor cu mercur (Ferrera et al., 1989). Lichenii și mușchii pot concentra mercurul la suprafața plantei.

Expunerea la clorură de 2-metoxi etil mercur (Aretan) și la HgCl2 nu afectează materia uscată și numărul de boabe la Triticum aestivum, dar împiedică germinarea la Phaseolus vulgaris. Translocația până la nivelul boabelor e scăzută, iar la Lycoperscium esculentum rata de absorbție a mercurului e direct proporțională cu nivelul de poluare cu mercur (Zhou & Zhao, 1992).

b. Apa

Plantele acvatice au demonstrat prezența unui proces de bioacumulare a mercurului. Macrofitele acvatice care cresc în apele din Varșovia, Polonia, zonă afectata de poluare atmosferică, care primește efluenți ai fabricilor chimice, unde apele subterane sunt poluate cu zgură, se înregistrează valori ale concentrației de mercur peste limita legal stabilită. Un experiment realizat cu planta Scapania undulata, plantă specifică cursurilor de apa montane, curate; planta a fost cultivată în apă provenită de la canalizarea unei uzine chimice cu un conținut de apa de canalizare de 70-100%. S-a observat o creștere a conținutului de mercur de 40 de ori în apa de 100% si de 20 de ori în apa de 70% (Samecka & Kempers, 1996).

Patru macrofite cu rădăcini (Elodea densa, Ludwigia natans, Lysimachia nummularia și Hygorphila onogaria) au fost folosite pentru a cuantifica și compara capacitatea de bioacumulare a mercurului. Rezultatele au demonstrat o foarte mare diferență de acumulare după 18 sau 21 de zile de la expunere. S-a observat, de asemenea o concentrație mai mare a mercurului în plante (frunze și tulpini) atunci când sursa de poluare era reprezentată de mercur sub formă organică, iar diferențele au fost și mai mari dacă se foloseau ca sursă de poluare sedimentele. Acest fapt a dus la formularea concluziei că bioacumularea într-o sursă de apă contaminată este de 10 ori mai mare decât dacă se folosește ca sursă de poluare sedimentul (Ribeyre & Boudou, 1994).

La plantele vasculare de apă dulce s-a observat că absorbția mercurului depinde de specie, de modificările ontogenetice determinate de alternanța anotimpurilor, de ionii metalici care au fost absorbiți. Astfel, concentrații ridicate de mercur în apă au determinat creșterea concentrației de mercur din plante (Mortimer, 1985).

Acumularea de mercur a fost maximă la Hydrilla verticillata, urmată de Oedogonium areolatum și Eichhornia crassipes. Acumularea în rădăcinile de Eichhornia a fost de proximativ doua ori mai mare decât în lăstari (Jana, 1988). Nivelul mercurului din E. crassipes, după o săptămână de expunere la concentrații de 20, 50 și 75 ppm, a fost de 70-75%. Concentrația totală de aminoacizi liberi, de enzime precum alanin aminotransferaza și aspartat aminotransferaza a crescut odată cu creșterea concentrației de mercur (Hussian & Jamil, 1990).

În zonele mlăștinoase de apă dulce din Quebec s-a găsit de 11,2 ori mai mult mercur în plante decât în sedimente. Scirpus amercanus conținea cea mai mare cantitate de mercur dintre speciile studiate (Gilbert, 1990), pH-ul având un rol esențial în absorbția mercurului de către plante (Lodenius & Maim, 1990).

Rădăcinile macrofitei acvatice Eriocaulon septangulare care a fost cultivată timp de 31 de zile în sedimente contaminate cu o concentrație netoxică de mercur, au prezentat un conținut semnificativ mai ridicat și o concentrație mult mai mare decât plantele de cultura cultivate pe teren fără adaos de mercur. N-a existat nicio dovadă a transportului mercurului de la rădăcini la lăstari, dar s-a observat ca transportul se face totuși în sens invers (Coquery & Welborne, 1994). Astfel, părțile hidrofilice ale rădăcinilor acumulează mult mai mult mercur decât cele hidrofobe (Robichaud et al., 1995).

c. Atmosfera

O parte din mercurul emis de diferite surse în atmosferă e absorbit de frunzele plantelor și migrează în humus prin intermediul frunzelor care cad pe sol. Frunzele plantelor pot fi folosite ca indicatori ai prezenței mercurului în aer. Humusul este folosit pentru a evalua evoluția poluării aerului cu mercur din trecut până azi (Tamura et al., 1985).

Observații atente asupra a 400 probe au arătat că proporția mercurului n-a variat foarte mult de-a lungul a 8 săptămâni dintr-o vară, dar s-au înregistrat diferențe mari între primul și al doilea an de creștere la frunzele aciculare ale unor conifere. La trei specii de conifere, concentrația de mercur din ace și frunze a fost de doua până la trei ori mai mare decât în țesuturile crengilor (Rasmussen et al., 1991).

Comparația făcută la șase specii de graminee a arătat ca vaporii de mercur sunt absorbiți de cinci ori mai mult de către frunzele plantelor C3 (Avena byzanlina, Hordeum vulgare și Triticum aestivum) comparativ cu plantele C4 (porumb, sorg, Digitaria). Această diferență de absorbție la plantele C3 și C4 a fost pusă pe seama rezistenței interne la absorbția vaporilor de mercur (Browne & Fang, 1983).

În Danemarca, poluarea aerului cu mercur a dus la contaminarea a peste 90% din părțile verzi ale plantelor, metalul fiind absorbit și introdus în circulație, în întreaga plantă. Chiar și pentru părțile subterane, contribuția aerului contaminat a fost de 50%. Astfel, se pare că poluarea aerului cu mercur afectează semnificativ concentrația de mercur din culturi și mai departe ingerarea acestuia prin intermediul hranei (Mosbaek et al., 1988).

Experimentele care au fost făcute pentru a studia procesul de absorbție, fitotoxicitatea și distribuția internă a mercurului în plantele de tabac care au fost expuse la vapori de mercur elementar (Hg) prin intermediul lăstarilor sau la ioni bivalenți de mercur (Hg2+) prin intermediul rădăcinilor. Acumularea, răspunsul toxic și distribuția mercurului au fost diferite în cele două cazuri, chiar și atunci când plantele au fost tratate cu aceiași concentrație de mercur. Plantele expuse la vaporii de mercur elementar au acumulat mercur în lăstari, fără a se observa o deplasare a acestuia în rădăcini. Plantele care au fost tratate prin intermediul rădăcinilor au evidențiat o acumulare a mercurului care s-a deplasat spre lăstari până în a zecea zi. Procese de inhibare a creșterii rădăcinilor și lăstarilor au apărut la concentrații de 1,0µg/ml si mai sus, cu limitări de distrugere a țesuturilor chiar și la concentrații superioare (Suszcynsky & Shann, 1995).

d. Alte căi de răspândire a mercurului

Apa de ploaie care ajunge la nivelul solului și cea din litieră joacă un rol important în circuitul depozitelor de mercur din bazinul Lacului Champlain (Rea et al., 1996).

Variațiile concentrației de mercur din extractul balsamic al acelor de Abies balsamea și de a celor de molid alb (Picea galuca), monitorizate într-un parc din sudul Canadei, au evidențiat o creștere a concentrației de mercur pe parcursul unui sezon de creștere, cât și de la un an la altul. Chiar și așa variațiile sezoniere sunt irelevante atunci când apare o variație spațială a mercurului (Rasmussen et al., 1995).

Date experimentale referitoare la acumularea de mercur în frunzele de Rhododendron sp. care au fost expuse la vapori cu mercur au indicat că acumulare de mercur pare a fi ireversibilă, probabil datorită transformărilor chimice pe care le suferă acesta în corpul plantelor (Gaggi et al., 1991). Concentrația de mercur din verificată la frunzele diferiților arbori au relevat diferite nivele de poluare în păduri ale Slovaciei. Astfel, în frunzele de doi ani ale coniferului Pices abies, concentrația de mercur a fost de 1,249 – 4,405 mg/kg (în zona minelor de fier Rudnany), 0,013 – 0,749 mg/kg (în nouă regiuni industriale), 0,021 – 0,737 mg/kg (patru păduri din munți) și 0,053 – 0,538 mg/kg (în zone militare) în timp ce în mușchiul Pleurozium schirberi a fost găsită o cantitate de mercur de 3,8 – 9,1 mg/kg (Mankovska, 1996).

Valoare medie a conținutului de mercur, verificată la cca. 100 de specii de plante din Insula Hainan, a fost de 0,015 ppm. Conținutul de mercur din frunzele coniferelor, arborilor cu frunze căzătoare și din plantele erbacee a fost de 0,037 ppm, 0,028 ppm respectiv 0,017 ppm; constatându-se de asemenea că frunzele concentrau cea mai mare cantitate de mercur comparativ cu restul părților plantei (Wang et al., 1985).

I.4. Toxicitatea mercurului la plante

Poluarea cu mercur a devenit o problemă de interes actual datorită poluării mediului înconjurător la scară globală. Emisiile naturale de mercur reprezintă cca. 2/3 din cantitatea totală, în timp ce activitatea umană produce 1/3 din cantitatea de emisii de mercur la scara globală. Cantități importante de mercur pot fi adăugate prin intermediul terenurilor agricole cărora li se adaugă reziduuri lichide, sedimente, fertilizanți, var nestins sau piatră de var și gunoi de grajd (solid). Însă, cea mai importantă sursă de poluare a solului folosit în agricultură este reprezentată de semințele tratate cu mercur organic pentru prevenirea bolilor fungice. În mod normal aceste tratamente au un efect favorabil dacă se respectă doza recomandată pentru asemenea tratamente. Astfel, odată cu creșterea dozelor de tratament pot apărea leziuni la nivelul semințelor. Disponibilitatea mercurului din sol pentru plante e mică, astfel că acesta tinde să se acumuleze în rădăcini, fapt ce evidențiază rolul de barieră a rădăcinilor împotriva absorbției mercurului de către plante. Concentrația de mercur existentă în organele aeriene ale plantelor pare a fi dependentă de cantitatea de mercur evaporată din sol și absorbită la nivel foliar (Hg0). Absorbția de mercur s-a dovedit a fi în strânsă legătură cu specia de plante de care vorbim: briofite, licheni, plante acvatice, plante lemnoase sau plante de cultură. Factorii care afectează absorbția mercurului de la nivelul solului sunt: tipul de sol sau cantitatea de sediment organic, rata de schimb a carbonului, conținutul de oxizi sau carbonați, potențialul redox și conținutul total de metale. În general, absorbția mercurului este strâns legată de nivelul de poluare. Dacă la nivelul solului agricol cantitatea de mercur este mică, plantele de cultură vor avea o cantitate de mercur situată în limitele admise de lege.

Plantele acvatice au demonstrat un proces de bioacumulare a mercurului. Concentrația mercurului în plante (tulpini si frunze) e mai mare atunci când metalul e introdus sub forma organică. La plantele vasculare de apă dulce, diferențele care apar în procentul de absorbție depind de specia de plante, de modificările care au loc in timpul ontogenezei și de specia de ioni metalici care este absorbită.

Absorbția mercurului sub formă de vapori la frunzele plantelor C3, ca ovăzul, orz și grâu, de cinci ori mai mare decât absorbția aceluiași metal la nivelul frunzelor plantelor C4, ca porumbul, sorg și buruieni. Aceste diferențe considerabile între aceste două tipuri de plante este atribuită rezistenței interne la procesul de legare a ionilor de mercur sub formă de vapori.

Mercurul din atmosferă pare sa ducă la o creștere considerabilă a concentrației de mercur la nivelul plantelor de cultură care vor ajunge în final hrană pentru populație. Acumularea, răspunsul toxic și distribuția de mercur diferă la diferite plante la care au fost expuse mugurii sau rădăcinile în condițiile în care concentrația de mercur cu care au fost tratate este aceiași. Apa de șiroire sau apa care e încorporată la nivelul litierei are un rol foarte important în ciclul depozitării mercurului.

Mecanismele de acțiune a toxicității mercurului constau în schimbarea permeabilității membranei celulare, reacția grupărilor sulfhidril (–SH) cu grupuri de cationi, creșterea reactivității grupărilor fosfat și activarea grupărilor ADP sau ATP, reînlocuirea ionilor esențiali (Kabata – Pendias & Pendias, 1984). Se pare că formele anorganice de mercur sunt mult mai accesibile plantelor decât cele organice; întrucât plantele pot fi expuse la poluarea cu mercur, fie prin administrate directă, atunci când semințele plantelor de cultură sunt tratate cu agenți antifungici sau se utilizează spray foliar cu aceiași acțiune, fie expunerea poate avea loc accidental.

Obiectivele finale care sunt studiate sunt germinarea semințelor, creșterea puieților, creșterea relativă a rădăcinilor și lăstarilor și în unele cazuri indexul de creștere foliară, dezvoltarea internodurilor sau alte caractere anatomice.

Absorbția formelor organice sau anorganice de mercur din sol de către plante este scăzută și există o barieră naturală a translocării acestui metal din rădăcinile plantelor în părțile aeriene ale acestora. Totuși, o cantitate mare de mercur la nivelul solului poare determina o creștere modestă a acestuia la nivelul plantelor prin absorbție directă din sol. Anomaliile care apar la nivelul semințelor cerealelor care sunt tratate cu mercur anorganic sunt caracterizate prin germinări anormale si hipertrofia rădăcinilor și a epicotilului.

Mercurul afectează atât faza de lumină cât și de întuneric a fotosintezei prin substituirea atomului de magneziu care intră în compoziția clorofilei, fapt care a determinat prăbușirea întregului proces.

S-au realizat numeroase experimente genetice pentru a se determina efectele mercurului asupra componentelor și proceselor care au loc la nivelul nucleului. Cel mai important si vizibil efect a fost inducerea C-mitozei prin anomalii care au apărut la nivelul axului de diviziune, rezultând formațiuni aneuploide si poliploide si tumori. Formele organomercurice s-au dovedit a fi de 200 de ori mai toxice decât cele anorganice. Expunerea la forme anorganice de mercur determină reducerea frecvenței mitotice în celulele rădăcinii si creșterea frecvenței aberațiilor cromozomiale direct proporțional cu durata expunerii si concentrația folosită. Durata de recuperare după îndepărtarea mercurului e invers proporțională cu durata de expunere și concentrația.

Studiile în câmp legate de necesarul de micronutrimente sau legate de efectelul toxic al diferitelor metale asupra microorganismelor din sol sau asupra plantelor native sunt foarte putin. În general, efectele toxice ale metalelor asupra plantelor sunt studiate în laborator, in mediu steril și controlat, în condiții care diferă mult de mediul natural al plantelor (Ross, 1994). Majoritatea cercetărilor sunt îndreptate spre efectul metalelor asupra producției de plante alimentare, dar puține sunt cercetările care urmăresc circuitul acestor metale în cadrul ecosistemelor naturale.

Există două tipuri de efecte toxice determinate de metalele grele:

toxicitatea acută – determinată de o doză mare de chimicale pentru o scurtă durată, care de obicei este letală si

toxicitatea cronică – determinată de expunerea pentru o lungă perioadă de timp la o doză scăzută de chimicale care poate si letală sau subletal (Alderice, 1967).

Sunt trei aspecte care vizează studiul efectelor mercurului asupra plantelor;

bioamplificarea – sau transferul si acumularea metalelor de-a lungul lanțului trofic în timp concentrația lor scade în spațiul abiotic;

dezvoltarea de criterii mai utile, relevante si statistici acceptabile care sa stabilească clar pragul minim de metale care poate exista în sol;

realizarea de studii experimentale care sa evidențieze efectul toxic al altor metale menit să modifice concentrațiile individuale a unor metale.

Sunt unele probleme pe care le ridică aceste studii: nivelul de fitotoxicitate diferă la diferite specii de plante, proprietățile solului pot influența rata de transfer a metalelor la nivelul plantelor, rădăcinile pot reține metalele, preveni sau reduce translocația metalelor la nivelul frunzelor, e posibil să nu apară nici o reacție chimică sau toxică și e posibil ca modificările chimice care apar la nivel foliar sa fie influențate de factorii de mediu precum pH-ul, reacția redox sau salinitatea apei.

Mecanismele prin care efectul toxic al metalelor afectează celula includ:

blocarea grupărilor funcționale a moleculelor cu importanță biologică precum enzimele, polinucleotidele sistemele de transport membranar care implică ionii;

înlăturarea și/sau substituirea ionilor metalici esențiali din compoziția biomoleculelor și unităților celulare funcționale;

denaturarea și inactivarea enzimelor;

distrugerea celulelor și a integrității organitelor celulare (Ochiai, 1987).

Se pare totuși, ca formele anorganice de mercur sunt mai disponibile pentru plante decât cele anorganice (Linester, 1991).

Cercetările privind efectul toxic al mercurului asupra plantelor au loc în laborator, unde se folosesc concentrații diferite și perioade diferite de expunere. Sunt făcute teste, in special, pe plantele acvatice pentru a determina poluarea acvatică si pe plante ce aparțin la specii locale, pentru a se determina gradul local de poluare. Cea mai mare cantitate de informații se referă la germinarea semințelor și la creșterea diferitelor specii de plante, în câmp tratat cu mercur sub formă de fungicide. Alte rezultate sunt cele venite de la experimentele realizate în laborator care evidențiază eficacitatea antifungică a mercurului și efectele pe care acesta le are asupra creșterii plantelor și asupra culturilor de celule.

I.4.1 Efectele asupra germinării semințelor, creșterii și dezvoltării la plante

Efectele toxice ale compușilor cu mercur au fost identificate la câteva plante, inclusiv Triticum aestivum (Mosso, 1979), Oryza sativa (Shimizu et al., 1975) și la alte cereale, observându-se că în general gradul de impact al toxicității depinde de concentrația substanței poluante, de tipul de compus chimic care poluează, de modul de aplicare și de soiul plantei. Afecțiunile provocate de mercurul organic la semințele cerealelor au fost de tipul împiedicării germinării, acest efect fiind caracterizat prin hipertrofia rădăcinilor și coleoptilului semințelor atunci când s-au aplicat doze ridicate de fungicide sau când condițiile de depozitare au fost incorecte (Crosier & Keitt, 1934; Noll, 1938; Prudy, 1956; Weston & Booer, 1935). Țesutul primordial suferă o creștere și dezvoltare exagerată care determină apariția unor lobi neregulați în timp de în plăntuță, diviziunea celulelor este inhibată și apare o hipertrofie a acestor celule (Sass, 1937).

Inițial, mercurul pare să afecteze embrionul, iar efectele asupra endospermului par să fie de ordin secundar. Mercurul reacționează puternic cu radicalii – SH din celulele vii determinând apariția de legături de tipul – S – Hg – S – . Ruperea legăturilor – SH poate afecta atât germinarea cât și creșterea ulterioară a embrionului, deoarece țesuturile embrionare au un conținut ridicat de legături – SH.

La planta Oryza sativa, s-a observat că elongația plantei a fost inhibata la o concentrație de 5 x 10-4 mg HgCl2, în timp ce la o concentrație de 6 x 10-3 mg, germinația s-a oprit. Procesul de creștere a rădăcinilor a fost mult mai afectat decât cel de creștere a lăstarilor. Mercurul afectează și procesul de mobilizare a azotului și fosfatului din rezervele plantelor, în timpul creșterii plantulei la cereale (Varshney, 1991).

Folosirea unei formule diferite pentru tratarea semințelor de Oryza sativa, a emisanului (clorura de 2-metoxietil mercur, 0,01%) + streptociclină (0,01) a fost mai eficientă în controlul putregaiului semințelor și a determinat germinație maximă (Singh et al., 1992). Însă acest compus, emisa, a fost extrem de toxic când a fost aplicat după ploi abundente reducând semnificativ germinarea și vigoarea răsadului (Sharma & Sharma, 1993). În cazul semințelor de Oryza sativa var. Al hassa și Medicago sativa var. Al hassa expuse la HgCl2 procentul de germinare și dezvoltarea răsadurilor a scăzut odată cu creșterea concentrației, efectele observându-se în mod special la creșterea rădăcinilor (Al-Helal, 1995).

La planta Triticum aestivum var. WL 711 s-au observat diferențe esențiale la concentrații de 0,5 – 0,2 µg HgCl2, în timp ce la concentrații mai mari modificările anatomice n-au mai fost compatibile cu viața. Mercurul a determinat secreția de substanțe mucilaginoase la suprafața epidermei și a inhibat diferențierea radiculară, în tulpini, diametrul, legătura dintre celulele țesutului conducător și dimensiunea celulelor a scăzut, iar peretele celulelor epidermului și hipodermului s-au îngroșat (Setia et al., 1994). La Triticum aestivum var. Pak-81, mercurul a inhibat germinarea, creșterea conținutului de clorofilă, a afectat creșterea radiculară și a tulpinilor.

Clorura de mercur aplicată prin picurare la rădăcinile timpurii de Zae mays a determinat reducerea elongației și a inhibat răspunsul determinat de atracția gravitațională. (Pilet & Versel, 1981). Tratarea semințelor cu soluție, timp de 24 h a determinat reducerea germinației, a creșterii plantulelor și a conținutului de proteine și clorofilă crescând în același timp conținutul de caroteni (Kalimuthu & Sivasubramnian, 1990).

I.5. Poluarea cu mercur în România

Aproape peste tot în lume, protejarea mediului înconjurător este una dintre cele mai dezbătute probleme, acesta aflându-se nu numai în atenția guvernelor ci și a unor categorii de oameni din cadrul populațiilor care se constituie în diverse partide politice, curente ecologiste și organizații non-guvernamentale.

Poluarea mediului este problemă majoră actuală a planetei noastre, fie că e vorba despre oameni, aer, apă, sol, floră și faună terestră, aeriană sau maritimă. Pericolul îl reprezintă nu doar efectul nociv al diverșilor poluanți, ci și dezechilibrele care se produc la scară națională, regională, continentală, globală, respectiv la scara întregii planete.

În România, timp de patru decenii, în perioada regimului totalitar s-au neglijat aproape în întregime problemele legate de poluarea mediului, a condițiilor de viață, de menținere a echilibrelor ecologice. Superconcentrarea în unități industriale gigant și echiparea acestora cu instalații și echipamente tehnologice puternic poluante, dezvoltarea agriculturii bazate pe principii industriale au condus la deteriorarea gravă e ecosistemelor de pe zone întinse.

În prezent țara noastră se confruntă cu grave probleme de poluare, fără a dispune de posibilități de apărare împotriva efectelor poluării. Date adunate până în anul 1990 au evidențiat că sunt emise în atmosferă cca. 193.000.000 tone de substanțe poluante. Majoritatea acestor poluanți se acumulează în final în sol, care reprezintă acumulatorul principal. Ca efect al acestor emisii, solul e poluat în diferite grade, în special cu metale grele, fluor și bioxid de sulf pe o suprafață de 900.000 ha din care 200.000 ha sunt excesiv poluate, fiind total neproductive.

În jurul termocentralelor pe cărbune și a fabricilor de acid sulfuric și îngrășăminte se constată o acidifiere pronunțată a solurilor ca efect a ploilor acide formate pe seama oxizilor de sulf și azot.

Deși agricultura, prin natura sa biologică ar fi trebuit să contribuie la protecția și îmbunătățirea calității mediului de viată a omului, practicarea unor sisteme de agricultură neraționale au determinat deteriorarea mediului înconjurător, iar agricultura, din victimă, protector și factor ameliorator a devenit agent al poluării propriului său mediu care îi asigură funcționalitatea (Răuță C., Cârstea S., 1983).

Din analiza datelor furnizate de Sistemul Național de Monitoring al Calității Solurilor Agricole din România se poate deduce modul în care agricultura s-a transformat din victimă și protector al mediului într-un agent și sursă de poluare. Cea mai marea problemă o reprezintă eroziunea solurilor, care se manifestă pe cca. 7 milioane de hectare cu folosință agricolă. Anual se pierd prin eroziune aprox. 150 milioane tone de sol, adică 1,5 milioane tone de humus.

Pentru a se reduce pierderile agricole produse de boli, dăunători și buruienile culturilor agricole s-au folosit metode chimice în detrimentul metodelor agrotehnice, biologice, fizice. Aceste metode chimice au determinat în cele din urma poluarea chimică a solului și a altor factori de mediu (Baciu T., 1990)

Mercurul este singurul metal care se găsește în toate cele trei medii majore: sol, apă, atmosferă. Așa cum s-a evidențiat sursele de mercur sunt atât naturale cât și antopice. Mercurul este folosit mai ales în industria chimică la fabricarea vopselelor, a hârtiei, a unor pesticide și fungicide, a produselor farmaceutice, a dezinfectanților. La prepararea sodei caustice, de exemplu, la fiecare tona de sodă se folosesc 200 g mercur. O parte din această cantitate rămâne și în soda care se folosește și în unele ramuri ale industriei alimentare. O altă sursă de poluare cu mercur o reprezintă arderea combustibililor fosili; anual în urma acestui proces sunt degajate în atmosferă cca. 5000t mercur. Contaminarea cu mercur are un caracter global și afectează atât mediul terestru cât și cel acvatic. Mediul natural conține o anumită cantitate de mercur la care organismele s-au adaptat de-a lungul evoluției. Intoxicațiile cu mercur se produc frecvent în urma utilizării fungicidelor organomercurice.

I.5.1 Utilizarea pesticidelor și chimizarea mediului

Pe măsura dezvoltării metodelor de sinteză chimică și a utilizării produselor ei în diferite domenii economice, în fiecare an se mărește numărul de substanțe chimice în mediul omului. Unele dintre aceste substanțe par nedăunătoare, altele trezesc îndoială, iar altele trezesc deja temere.

Rezultatele cercetărilor din ultimii ani, descoperirile referitoare la toxicologia si epidemiologia compușilor chimici au arătat ca aceștia sunt foarte dăunători pentru oameni. Răspândirea acestor compuși la scară largă a impus necesitatea unor cercetări suplimentare pentru a se stabili care dintre aceste substanțe să fie eliminate complet din mediu și care pot fi folosite în continuare, în așa fel încât să se evite pericolul pe care-l constituie pentru oameni, animale, plante și mediu.

Datele indispensabile pentru aprecierea riscului pe care-l ridică acești compuși chimici atunci când sunt introduși în mediu sunt următoarele:

cantitatea de compus care trece în mediu ca rezultat al producției, folosirii și din deșeuri;

proprietățile fizice, chimice și biologice ale compusului;

transformările pe care le suferă în mediu;

probabilitatea bioacumulării.

Fie că sunt folosiți direct sau indirect, compușii chimici pot pătrunde în organismul omului, afectându-i sănătatea. Poluarea mediului cu deșeuri solide și ape uzate industriale depinde de mărimea și felul producției, de tehnologia folosită care determină compoziția lor chimică. Trebuie însă să se aibă în vedere și deșeurile legate de întrebuințarea produsului.

Pesticidele – sunt substanțe sau amestecuri de substanțe care conțin ingrediente biologic active împotriva dăunătorilor, plantelor și a produselor agricole stocate, precum și pentru combaterea vectorilor biologici ai bolilor omului și animalelor. Vectorul biologic reprezintă organismul gazda, în interiorul căruia, organismul patogen își desfășoară total sau parțial ciclul biologic de evoluție, iar contaminarea nu ar fi fost posibilă în absența acestuia, vectorul biologic fiind cel care participă activ la transmiterea agentului infecțios. Ingredientele chimice care intră în alcătuirea pesticidelor sunt, de obicei, substanțe toxice cu potențial de degradare a mediului.

Pesticidele sunt singurii compuși de sinteză creați pentru a fi toxici, fiind singurii compuși, dintre cei toxici care sunt răspândiți intenționat și frecvent în mediu. Pe lângă utilizarea pe care o au în agricultură, ei mai sunt folosiți și în medicina veterinară, diferite industrii (textilă), gospodării și pentru ocrotirea sănătății populației. Scopul folosirii acestei categorii de substanțe chimice este îmbunătățirea calității alimentelor, nutrimentelor și produselor industriale, asigurarea lor în timpul păstrării față de dăunători și boli, protejarea animalelor de paraziți si distrugerea insectelor și altor transmițători de boli la oameni și animale.

Sursa majoră de poluare cu pesticide e reprezintă utilizarea acestora în combaterea dăunătorilor în agricultură.

În funcție de destinația lor, pesticidele sunt împărțite în următoarele categorii:

zoocide – pentru combaterea dăunătorilor animali;

fungicide și fungistatice, bactericide și virocide – pentru combaterea ciupercilor și ciupercostaticelor;

erbicide – pentru combaterea buruienilor;

reglatori de creștere – sunt mijloace care inhibă sau stimulează procesele de creștere la plante;

atractante – sunt mijloace de ademenit;

repelente – mijloace de respingere.

După clasa chimică din care fac parte, pesticidele se clasifică în:

anorganice (compuți cu arsen, compuși cu fluor, compuți cu sulf, etc.)

organice: organoclorurarte (DDTR, HCH, aldrin, dieldrin), organofosforice, carbamice, piretroizi (insecticide de sinteză care acționează asupra insectelor ca toxice ale sistemului nervos).

Cantitatea de substanță care are efect toxic letal asupra unui animal adult poartă denumirea de doză letală. În practică, pentru caracterizarea toxicității unei substanțe se utilizează indicatorul DL50 = doza letală 50%, care reprezintă doza ce provoacă efectul letal la 50% dintre animalele dintr-un lot studiat. Toxicitatea mai poate fi exprimată în moli/kg sau mg/m2 de suprafață corp (pentru expunerea cutanată – prin piele). Pentru substanțele volatile sau gazoase se utilizează și CL50 (concentrația letală pe litru de aer inhalat). După gradul de toxicitate acută (nivelul de risc pentru om) acceptată de Organizația Mondială a Sănătății (OMS1992), pesticidele por fi (tabelul nr. 3). Substanțele solide sau lichide se referă la starea de agregare a produsului sau formulării clasificate.

O altă clasificarea a pesticidelor s-a realizat conform Directivei 91/325/EEC (1991), după cum se observă în tabelul nr.4:

Un alt criteriu de clasificare este după efectele acute acceptat de Environmental Protection Agency / EPA, FIFRA – 1989,1992 (tabelul nr. 5).

În România, clasificarea este făcută după gradul de toxicitate, motiv pentru care ambalajele în care sunt ținute și comercializate pesticidele au diferite culori – tabelul nr. 6.

Tabelul nr. 3 – Clasificare gradului de toxicitate acută a pesticidelor acceptata de OMS

Tabelul nr. 4: Clasificarea pesticidelor conform Directivei 91/325/EEC (1991)

Tabelul nr. 5: Clasificarea pesticidelor după efectele acute (gradul de risc pentru om) acceptat de Environmental Protection Agency / EPA, FIFRA – 1989,1992

Tabelul nr. 6: Clasificare pesticidelor după gradul de toxicitate (în România)

Fungicidele – sunt compuși chimici utilizați pentru combaterea bolilor criptogamice la plante. Acestea au la bază compuși de sulf, cupru, mercur, formaldehidă și au acțiune toxică asupra ciupercilor.

Compușii organo-mercurici cuprind metil mercur cianoguanidina, p-toluensulfoamidă etilo-mercurică, acetat fenil-mercuric. Acestea au o acțiune fungică foarte ridicată, dar si efectul fitotoxic este la fel de ridicat, motiv pentru care se utilizează în mare parte pentru tratarea solului și a semințelor. Au o folosire redusă ca fungicide de sol, în special pulberile umectabile care se aplică în concentrații de 0,5 – 0,6 % . Sunt toxice pentru animale și om – DL50 = 30mg/kg

Clorura de etil mercur C2H5ClHg – este o pulbere de prăfuit cu 1,5 – 1,9 % mercur metalic. Se folosește la tratarea semințelor. Este cunoscută sub diverse denumiri comerciale: Criptodin, Granozan, Mercuran (+lindan), Mercurhexan (+lindan+HCB). La noi în țară se folosește produsul FB-7 care cuprinde un amestec de 1% clorură de etil-mercur și 40% lindan.

Acetatul de fenil mercur este mai puțin fitotoxic. Se folosește mai ales pentru tratarea semințelor, fiind cunoscut sub denumirea de Ceresan, Universal, Germisan, Verdasan.

Fosfatul de etil mercur se folosește pentru tratarea semințelor și este cunoscut sub forma produsului NIUIF – 1.

Sublimatul coroziv sau clorura mercurică are proprietăți fungicide și bactericide puternice. Se folosește rar, din cauza toxicității mari pentru om și mamifere, la dezinfectarea semințelor în concentrație de 0,025% pentru tomate și morcov și de 0,1% pentru alte tipuri de semințe.

Lindanul este un izomer activ al hexacloranului (izomerul gamma). Este inodor și are o eficacitate mai redusă decât a hexacloranului. Ca insecticid de sol este folosit sub formă de pulberi de prăfuit cu 3% substanță activă. În sol are o remanență mai mare decât a hexacloranului. Pentru că nu imprimă miros, se poate aplica drept insecticid de sol, în culturile de plante cu tuberculi, bulbi și rădăcini comestibile. Este relativ toxic pentru om și animale (DL50 = 125mg/kg pentru șoareci). În practică se folosește și amestecat cu hexacloran și DDT, numit Duplitox 5+3 cu un conținut de 5% DDT și 3% izomer gamma.

I.5.2. Circuitul pesticidelor și al mercurului în natură

A. Circuitul pesticidelor în natură depinde în mare măsură de persistența (remanența) pesticidelor, dar și de rețeaua trofică, așa cu este ilustrat în figura nr.4. În timpul tratamentelor chimice pe câmp, anumite cantități de pesticide se pot volatiliza în atmosferă sub formă de cețuri sau gaze. Acesta e modul principal prin care produsele chimice pentru protecția plantelor ajung în atmosferă. Alte căi cuprind: volatilizarea moleculelor de pesticide după ce acestea ating suprafața solului și a plantelor, codistilația cu vapori de apă după contactul cu ape sau alte suprafețe umede, eroziunea eoliană, etc.

Informațiile referitoare la prezența pesticidelor în aer nu sunt foarte multe și detaliate, comparativ cu cele care vorbesc despre prezența pesticidelor în sol sau apă. Numeroase cercetări au confirmat faptul că pe cale aeriană, pesticidele pot fi transportate la distanțe foarte mari de locul aplicării lor. Există o strânsă interdependență între prezența pesticidelor în atmosferă și condițiile climatice, factori foarte importanți fiind: viteza vântului și mișcările aerului, umiditatea și temperatura. Gradul de poluare a atmosferei depinde de lungimea căii parcurse de pesticid de la aparatul de stropit până la locul destinației (suprafața plantei sau a solului). Cu cât această distanță este mai mică, cu atât poluarea va fi mai redusă.

Prezența pesticidelor în sol depinde frecvența și de metodele folosite pentru combaterea nemijlocită a dăunătorilor din sol, de intensitatea executării tratamentelor de protecție a plantelor, de forma și de structura plantelor, de mărimea suprafeței lor, etc.

Indiferent de calea prin care ajung în sol, pesticidele sunt supuse unor procese de oxidare, absorbție prin rădăcini, degradare chimică și biologică precum și deplasare datorită mișcărilor apei sau în unele cazuri datorită eroziunii eoliene.

Figura nr. 4: Circulația pesticidelor în natură (sursă – Nikomorow M., – ”Pesticidele în lumina toxicologiei mediului”, 1981)

Structura chimică a pesticidelor care au pătruns în țesuturile plantelor, este supusă unor transformări datorită proceselor metabolice care au loc și ale căror produși pot fi uneori mai toxici decât produsul inițial. Natura reacțiilor chimice la care este supus pesticidul în timpul transformărilor, nu depinde nici de mecanismul acțiunii pesticidului și nici de perturbările fiziologice legate de activitatea lui. Viteza transformărilor metabolice în plantă depinde de specie și variază odată cu concentrația și timpul de rămânere a pesticidului în țesuturile plantelor.

O condiție pentru absorbția pesticidului de către plante este stabilitatea lui sau proprietățile sistemice. Printre cei mai stabili compuși se numără compușii organo-metalici, în special cei cu mercur, dar și derivați ai hidrocarburilor clorurate. În funcție de concentrația în sol, ei pot fi găsiți, mai ales, în legumele rădăcinoase precum morcovul, ridichea, sfecla, dar și în cartofi și plante oleaginoase.

B. Circuitul mercurului în natură.

Alături de plumb și cadmiu, mercurul e unul dintre poluanții majori ai mediului înconjurător. Din punct de vedere geochimic mercurul e un element sulfofil. Datorită volatilității sale ridicate este prezent în atmosferă, mai ales în zonele vulcanice.

Figura nr. 5 – Circuitul mercurului în natura (după Rankama și Sahama, 1970)

Sedimentele hidrolizate sunt medii favorabile pentru concentrarea mercurului care rezultă în special în urma erupțiilor vulcanice. Astfel, mercurul din apele oceanice e în cantitate redusă. După cum se observă în figura nr. 5, intre mercurul prezent în diferite medii există relații de interferență.

Dintre sursele secundare de poluare cu mercur fac parte activități de irigare cu ape poluate și administrarea de fungicide și pesticide care conțin fenil-, etil- sau metilmercur. Ultima formă de compus organomercuric se acumulează ușor în plante, constituind un pericol grav de intoxicare cu mercur. Acești compuși care au în compoziția lor mercur, afectează negativ și solul prin inhibarea proceselor de descompunere a materiei organice. Însă, indiferent de forma lui, mercurul din apă sau sol, este convertit de microorganisme în metil mercur, care se acumulează în biosferă. Microorganismele anaerobe de pe fundul apelor curgătoare sau la lacurilor pot transforma mercurul anorganic în metil mercur, CH3Hg+, apoi în dimetilmercur, (CH3)2Hg, compus mai volatil care trece în atmosferă.

Metilmercurul rămâne în hidrosferă de unde intră în lanțul trofic, clasic, fiind absorbit mai întâi de fitoplancton, apoi de alți consumatori din mediul acvatic. De aici, prin intermediul peștilor intră în hrana oamenilor și chiar a animalelor. Prin moartea plantelor și animalelor metilmercurul este din nou încorporat în sedimente și ciclul sau biologic se reia (figura nr. 6).

Figura nr. 6 – Circuitul mercurului în biosferă (Grecu și colab, 1982)

Concentrarea în mediul înconjurător al compușilor organici ai mercurului, mai ales a metil-etil-derivaților mai toxici decât însuși mercurul, prezintă cel mai mare pericol al poluării cu mercur. Caracterul covalent al legăturii alchil-Hg și afinitatea mare a mercurului pentru sulf și în special pentru grupările tiolice (-SH) ale proteinelor, pe care le inactivează datorită formării unor mercaptide, explică lezarea celulelor creierului.

CAPITOLUL II

Diviziunea celulară și impactul factorilor mutageni asupra acestui proces

Celula reprezintă unitatea structurală, funcțională și genetică a tuturor organismelor vii, deci și a organismelor vegetale.

Diviziunea celulară (citochineza) reprezintă procesul de înmulțire celulară care decurge concomitent cu transmiterea informației ereditare de la celula parentală spre celulele fiice. Deși acest proces îmbracă diverse forme, el are ca punct de plecare trei tipuri fundamentale: amitoza, haplomitoza și cariochineza. În orice tip de diviziune celulară au loc procese replicative ale materialului ereditar și procese distributive, respectiv repartizarea informației genetice între celulele fiice rezultate. Acest proces de diviziune celulară intervine în înmulțirea organismelor, creșterea lor, repararea organelor afectate.

La plante, procesul de creștere al organismului este indefinit sau nedeterminat, deoarece organismele vegetale cresc prin activitatea meristemelor toată durata vieții.

Amitoza sau diviziunea celulară directă, este un tip primitiv de diviziune celulară ce caracterizează celulele pe cale de degenerare, celulele țesutului tapet din anterele staminale, celulele țesuturilor ce formează gale, țesuturi neoplazice. Într-o amitoză prorpri-zisă, deoarece lipsește fusul de diviziune, cromozomii, nucleul se divid prin strangulare (gâtuire) sau fragmentare (figura nr. 7,8,9). În unele cazuri (în celulele tapetului, în celulele corticale ale unor plante acvatice) la suprafața nucleului apare o fisură cere se accentuează și în final scindează nucleul și celula în două. La unele ciuperci, strangularea nucleului este inegală, formându-se un nucleu și o celulă mai mică decât cea inițială, care prin creștere ajunge la dimensiuni normale. Acest tip de diviziune se numește meroamitoza.

Figura nr. 7 – Amitoza – 1) strangulare; 2) fragmentare

Figura nr.8 – Amitoza prin fragmentare la alege verzi.

Figura nr. 9 – Amitoza prin strangulare la bacterii.

Haplomitoza se aseamănă cu amitoza prin faptul ca nucleul și celula se alungesc, se strangulează formând două celule-fiice, dar și cu diviziunea cariokinetică, prin diferențierea cromozomilor și a fusului de diviziune.

Cariochineza reprezintă cel mai răspândit tip de diviziune celulară și cel mai eficient, deoarece asigură transmiterea fidelă și repartizarea egală a informației ereditare. Este de doua tipuri: mitotică și meiotică.

II.1. Ciclul celular la plante

Ciclul celular reprezintă timpul scurs de la formarea unei celule până la următoarea ei diviziune. Durata ciclului celular variază de la un tip la altul de celule. Ciclul celular include: interfaza – care reprezintă 90% din acesta și diviziunea – care reprezintă 10%.

Diviziunea celulară poate fi mitotică sau meiotică, in funcție de tipul de celulă în care are loc diviziunea.

Mitoza reprezintă tipul general de diviziune al celulelor somatice, într-un cât prin acest tip de diviziune se păstrează constant numărul cromozomilor. Procesele care au loc in timpul acestei diviziuni au fost grupate în două etape fundamentale: etapa pregătitoare și diviziunea propriu-zisă.

A fost descoperită pentru prima dată de Fleming în 1879. Are loc în celulele-mamă diploide (2n).

Pregătirea celulei are loc în interfază, care mai este numită și perioada metabolică, deoarece au loc procese biochimice, un schimb activ de material și energie între nucleu și citoplasmă, replicarea materialului genetic și a unor structuri celulare; crește volumul celular, inclusiv al nucleului, se dublează cantitatea de informație genetică. În cadrul interfazei se deosebesc trei perioade:

perioada presintetică G1 – în această perioadă nu au loc procese de sinteză și în nucleu există o cantitate de ADN corespunzătoare stadiului de două cromoneme – 2C;

perioada sintetică S – în această perioadă are loc reproducerea ADN-ului, a histonelor, a altor compuși nucleari și citoplasmatici: ARN, proteine, etc. Cantitatea de informație ereditară se dublează, de la 2C la 4C. Această perioadă are o durată constantă și reprezintă circa 35-40% din timpul repartizat interfazei.

perioada postsintetică G2 – în această perioadă cantitatea de ADN rămâne constantă, apărând procese de sinteză de ARN și a proteinelor implicate în organizarea aparatului cromatic.

Mitoza este alcătuită din patru faze succesive:

Profaza – în această fază, nucleul este pregătit de diviziune, la microscop apare bine individualizat, înconjurat de înveliș nuclear. În același timp are loc spiralizarea cromozomilor care au o dispoziție periferică și aderând intim la învelișul nuclear. Fiecare cromozom se clivează longitudinal în două subunități, numite cromatide. Acestea sunt spiralate și se răsucesc una în jurul celeilalte, fiind unite la nivelul unui punct numit centromer. Urmează dezintegrarea învelișului nuclear, dividerea centrozomului în doi diplozomi care se deplasează la cei doi poli ai celulei și împreună cu structuri filamentoase constituite din asocierea mai multor microtubuli, vor forma fusul de diviziune. Fusul de diviziune e alcătuit sin fibre continui, de schelet, necontractile și cromozomale contractile care unesc cromozomii cu polii celulei. Fusul de diviziune, centrozomii și cromozomii alcătuiesc aparatul mitotic. Tot în această etapă are loc o primă aranjare a cromozomilor în zona ecuatorială a celulei.

Metafaza – în această etapă, cromozomii condensați și divizați în două cromatide se poziționează la mijlocul celulei pentru a forma placa ecuatorială. Pe fiecare filament al fusului de diviziune de poziționează câte un cromozom bicromatidic atașat prin centromer. Acest aranjament al cromozomilor se numește placă metafazică. În acest stadiu cromozomii sunt condensați la maximum.

Anafaza – în timpul anafazei, cromozomii, care sunt încă puternic condensați, sunt atrași spre polii celulei. Astfel, centromerul se clivează, cele două cromatide se despart și migrează fiecare spre unul din cei doi poli ai celulei. Funcția precisă a fusului de diviziune nu este încă bine cunoscută. Cromatidele (cromozomi unicromatidici) migrează spre poli păstrând formația aliniată, apărând astfel ca două plăci anafazice.

Telofaza – în această etapă, cromozomii unicromatidic considerați ci fiind cromozomi-fii, se despiralizează treptat pe măsură ce se apropie de polii celulei. Din reticulul endoplasmatic, se formează în jurul cromozomilor, un nou înveliș nuclear.

La centrul celulei începe formarea unui perete celular, numit fragmoplast. Acesta ia naștere din veziculele golgiene care migrează în zona ecuatorială, se aliniază la centru și fuzionează. Membranele fuzionează material pentru extinderea plasmalemei celulelor fiice, iar conținutul lor servește șa formarea unei noi lamele pectice, care se alungește de la centru spre periferie, divizând, în final celula mamă în două celule-fiice.

Meioza – este un proces complementar sexualității. Prin fecundație, doi gameți se unesc și rezultă un zigot cu nucleu haploid. Meioza este un proces invers, reducțional, în urma căruia o celulă diploidă se divide rezultând două celule haploide. Cele două procese se succed obligatoriu în cadrul unui ciclu vital al organismelor, împărțindu-l în două etape:

cea diploidă care începe cu fecundația și se termină cu meioza si;

cea haploidă care începe cu meioza și se finalizează cu fecundația.

În timpul meiozei acționează mecanisme care asigură distribuția materialului genetic de la o generație la alta și o mare diversitate genetică, prin reorganizarea complementului cromozomial, generând în acest fel un potențial evolutiv sporit pentru populație sau specie.

Nu se cunosc suficient mecanismele biochimice care declanșează meioza. Se presupune că țesutul somatic adiacent produce substanțe inițiatoare care se aseamănă cu hormonii, dar de asemenea dacă raportul ARN/ADN este mic, celulele se divid reducțional. Indiferent de condițiile fiziologice necesare diviziunii reducționale , anumite celule ale embrionului se dezvoltă către oogonii și spermatozoizi si, respectiv către celule-mame ale megasporilor și microsporilor.

Din punct de vedere citologic meioza este constituită din două diviziuni:

una reducțională – prin care celule diploidă generează două celule haploide si;

una ecvațională (ca o mitoză obișnuită) – în urma căreia cele două celule haploide se divid fiecare, rezultând în final patru celule haploide.

Meioza I (reducțională) – cuprinde și ea același subetape ca si mitoza.

Profaza I a meiozei durează mai mult și se caracterizează prin procese complexe care se derulează de-a lungul a 6 stadii succesive:

proleptoten – se caracterizează prin condensarea cromozomilor prin spiralozare;

leptoten – crește volumul nucleului;

– cromozomii sunt despiralizați, alungiți, subțiri, neclivați longitudinal și atașați învelișului nuclear;

– cromozomii se atașează de învelișul nuclear cu un capăt sau cu ambele, uneori cu centromerii; dacă se atașează cu ambele capete formează în interiorul nucleului o configurație de buchet;

– pe parcursul leptotenului cromozomii se spiralizează, la început cu spire mai mici care cresc pe măsură ce profaza avansează;

– zigoten – se caracterizează prin conjugarea cromozomilor perechi pe baza omologiei genelor;

– cromozomii omologi paterni și materni se apropie unul de altul și formează cromozomi bivalenți, fenomen numit sinapsis;

– împerecherea poate începe de la capetele cromozomilor, din regiunea centrală sau poate acea loc la întâmplare;

– pachiten – formarea perechilor de cromozomi este completă, fiecare cromozom înfășurându-se în jurul celuilalt;

– ca rezultat al creșterii diametrului spirelor și al apariției unui alt nivel de spiralizarea, cromozomii sunt mai scurți și mai groși;

– în interiorul spirelor principale și în unghi drept cu ele, apar spire mai mici;

– cromozomii se clivează longitudinal, astfel că fiecare bivalent este format din patru cromatide paralele și unite câte două prin centromer;

– în acest stadiu, cel mai lung al profazei poate avea loc fenomenul de crossing-over între cromozomii omologi;

– stadiul difuz – cromozomii sub forma de bivalenți, formează sinapsă și între ei poate avea loc crossing-over-ul;

– în acest stadiu, cromozomii se alungesc și sunt asemănători cu cei din zigoten;

– diploten – cromozomii suferă în continuare un proces de condensare prin accentuarea spiralizării;

– se evidențiază o tendință de separare a cromozomilor, ei rămânând uniți doar în câteva puncte numite chiasme (în regiunea dintre chiasme, cromozomii suferă un proces de “repulsie”);

– prin creșterea spirelor și scurtarea cromozomilor, chiasmele se deplasează spre periferia cromozomilor , proces numit terminalizare;

– cromozomii sunt clivați longitudinal, bivalenții sunt formați din 4 cromatide;

– cu cât cromozomii sunt mai lungi, cu atât numărul de chiasme care se formează este mai mare;

– la nivelul chiasmelor au loc fenomene de crossing-over;

– diachimeza – se caracterizează prin continuarea scurtării și îngroșării cromozomilor;

– cromozomii pereche migrează spre periferia nucleului, se separă unii de alții, rămânând uniți numai la nivelul chiasmelor periferice puține la număr;

– nulceolii dispar;

– membrana nucleară se dezorganizează;

– se diferențiază fusul acromatic;

– sunt posibile schimbări reciproce de segmente între două dintre cele patru cromatide ale unui bivalent;

Prometafaza I. Unii autori consideră că acesta este un stadiu distinct, în care cromozomii sub formă de bivalenți migrează spre centrul celulei pentru a forma placa metafazică.

Metafaza I. Cromozomii se dispun în placa metafazică, la ecuatorul celulei. Pe fiecare filament al fusului de diviziune se așează câte un bivalent. Centromerii sunt orientați spre polii fusului de diviziune, iar brațele în plan ecuatorial. Regiunile centromerice se resping reciproc și determină orientarea lor spre poli. Unii bivalneți mai păstrează chiasmele terminale.

Anafaza I. Centromerii celor doi cromozomi ai bivalenților se deplasează fiecare spre alt pol, indiferent de rezistența chiasmelor care se opun, unele păstrându-se chiar și în anafază. În final, cromozomii bivalentului se despart și migrează fiecare spre un pol al fusului de diviziune. Cromozomul are forma literei X sau Y cu centromerul orientat spre pol.

Prin faptul că spre poli migrează cromozomi întregi și nu jumătăți, ca în cazul mitozei, cele două tipuri de diviziune se deosebesc esențial.

Telofaza I. Cromozomii ajunși la polii celulei se alungesc, se despiralizează, dar își păstrează individualitatea. Se reorganizează învelișul nuclear și reapare nucleolul. Cromozomii se prezintă sub forma a două cromatide unite printr-un centromer. Citochineza poare avea loc sau nu, astfel încât în urma diviziunii meiotice se formează două celule haploide sau doar doi nuclei separați sau nu printr-o membrană plasmatică.

Urmează o interfază scurtă în care au loc procese replicative de ADN.

Meioza II (ecvațională). Este o diviziune care decurge ca orice mitoză obișnuită, doar că are loc simultan în cele două celule rezultate din meioza I. Finalitatea este formarea a patru celule haploide.

Atât mitoza cât și meioza asigură o repartizare echilibrată a materialului genetic între cele două celule fiice. În cazul în care în timpul meiozei, dintr-o cauză sau alta (ex. tratarea celulelor cu colchicină, substanță care blochează cromozomii în metafază) cromozomii constituenți ai bivalenților nu se despart, ei rămân toți într-o singură celulă. UN astfel de gamet care fecundează un altul normal sau similar lui, induce apariția de celule triploide, tretraploide, etc.

II.2. Factori mutageni ce influențează diviziunea celulară

Factorii mutageni sunt factori care induc modificări în structura și funcția materialului genetic, modificări care sunt cunoscute sub denumirea de mutații.

După descoperirea, în 1895 a razelor X de către Röntgen, urmată în 1896 de descoperirea radioactivității naturale a uraniului de către Bequerel și apoi de izolarea, de către soții Curie, a plutoniului și radiului se realizează primele experiențe pentru evidențierea efectelor radiațiilor asupra organismelor vii. H.J. Muller a demonstrat fără urmă de îndoială că tratamentele cu raze X au determinat creșterea evidentă a frecvenței mutațiilor induse la Drosophila melanogaster. Capacitatea razelor X de a induce mutații a fost confirmață și în urma cercetărilor întreprinse de către Stadler la orz și porumb, de Blakeslee la Datura stramonium, de Goodspeed la Nicotiana tabacum. Se puneau astfel bazele radiogeneticii.

Mai târziu, în anii 40 s-au constatat că și o serie de factori chimici pot provoca creșterea frecvenței mutațiilor șa diverse organisme. Cercetările întreprinse de Auerbach și Robson (1940), de Oehlkers (1943) au evidențiat efectul mutagen al iperitei (gazului muștar) la Drosophila, a uretanului la Oenothera. Numărul substanțelor mutagene avea să crească considerabil, iar efectul lor mutagen va fi demonstrat la plantele superioare, ciuperci și microorganisme.

După natura lor, agenții mutageni au fost clasificați în: agenți fizici, chimici și biologici.

II.2.1. Factorii fizici

Din această categorie fac parte radiațiile și șocurile de temperatură. Radiațiile determină inducerea de mutații cu o frecvență mare (de circa 150 de ori mai mare decât în natură).

Radiațiile se împart, după modul de acțiune în:

radiații ionizante – generează reacții radiochimice (raze Röntgen, raze gamma, raze beta, protonii, raze alfa, neutronii, etc);

radiații neionizante – produc reacții fotochimice (radiații ultraviolete, razele laser emanate de generatorul cuantic optic, câmpul electric cu frecvență industrială, câmpul electromagnetic).

Razele X, Röntgen sunt radiații electromagnetice cu acțiune asemănătoare razelor gamma, având o lungime de undă cuprinsă între 0,06 Å și 100 Å (1 Å = 10-8 cm) și o putere de penetrație mai mică decât radiațiile gamma, dar suficient de mare pentru a provoca o ionizare puternică. Aceste radiații se folosesc larg în mutageneza experimentală, deoarece aparatele sunt accesibile și au o densitate de ionizare de 8 – 200 ionizări / 1µ3.

Radiațiile corpusculare, din care fac parte razele beta (fascicule de electroni), protonii (nuclee de hidrogen), neutronii, razele alfa (nuclee de heliu), diferite particule grele – au masă, au sau nu sarcină electrică, o capacitate de pătrundere mai redusă, dar o densitatea mai mare de ionizare. Mai frecvent sunt folosiți neutronii, particule elementare emise în special în reacțiile de dezintegrare a uraniului și plutoniului care în funcție de energia pe care o capătă în reactoare pot fi rapizi, lenți și termici.

Există două sisteme de măsurare a radiațiilor: sistemul roentgenologic și sistemul radiobiologic. În primul sistem, doza de iradiere se exprimă în roentgeni (R), 1R – reprezentând cantitatea de radiații capabilă să producă 2,08 x 109 perechi de ioni într-un cm3 de aer, la 0°C și presiune atmosferică normală. Sistemul radiobiologic măsoară energia absorbită în țesuturi, având ca unitate de măsură rad-ul, care reprezintă energia de 100 erg/gr substanță. În prezent se folosește mai frecvent ca unitate de măsură Grey-ul (Gy), 1Gy fiind egal cu doza de radiații care disipă energia de 1J/1kg de substanță. Pentru doza echivalentă se folosește ca unitate de măsură Sievert-ul (Sv), care este energia absorbită de 1J/kg substanță.

În lumea vie există specii foarte sensibile la aceste radiații, la care doza letală sau subletală are valori foarte mici (la câine DL50 = 325 R, pentru brad 600-900 R) și specii radiorezistente care rezistă la doze de zeci și chiar mii de R (Paramecium DL50 = 350kR, unele crucifere, cca. 100-150kR).

Efectele acestor factori fizici asupra organismelor, la plante de exemplu, depind de dozele de iradiere. Astfel, dozele mici pot stimula procesele de creștere, în timp ce doze mari de iradiere au un impact negativ asupra plantelor, ajungând până la inhibarea completă a germinării și creșterii plantelor. Stimularea creșterii plantelor la doze mici de iradiere se explică prin faptul că are loc o accelerare a declanșării diviziunii celulare datorită creșterii permeabilității pentru apă a tegumentelor, este intensificat accesul apei în embrioni, crește capacitatea de inhibiție a biocoloizilor, etc. Atunci când dozele de iradiere cresc, au loc perturbări ale acestor procese, ajungând uneori până la sistarea completă s diviziunii celulare, inhibarea germinării semințelor și creșterii plantelor, reducerea procentului lor de supraviețuire, întârzierea dezvoltării, sporirea gradului de sterilitate a polenului, diminuarea taliei și a masei lor vegetale (Ghiorghiță, 1987).

O sensibilitate deosebită la radiații o prezintă nucleul, cromozomii și acizii nucleici. Efectele genetice ale radiațiilor ionizante determină restructurări cromozomiale datorită inducerii de rupturi simple sau duble care determină deleții, inversii, translocații, etc. În timpul meiozei se pot observa numeroase aberații cromozomiale de tipul fragmentelor centrice sau acentrice, cromozomilor retardați (întârziați), punților anafazice, inelelor, lacunelor cromozomiale, micronucleilor. La nivelul ADN-ului, radiațiile ionizante pot determina ruperea catenelor de ADN, blocarea sintezei lui cât și a fenomenelor de replicație și transcripție, pot induce depirimidinizarea macromoleculelor de ADN și formarea de împerecheri greșite ale bazelor din componența acestora, ionizarea bazelor, etc. Deci, nu diviziunea celulară este sensibilă la radiații, ci procesele de diferențiere celulară, care sunt determinate de cantitatea de acizi nucleici și stadiul în care se află aceștia (presintetic sau postsintetic).

Din categoria radiațiilor neionizante fac parte radiațiile ultraviolete (UV), care intră în compoziția spectrului solar invizibil și reprezintă fotoni de energie scăzută și lungime de undă relativ mare (136 – 1400 Å). Efectul lor mutagen a fost evidențiat la Drosophila de către E. Altenburg (1934). Cea mai mare capacitate mutagenă o au radiațiile UV din jurul lungimii de undă de 2580 Å, care coincide cu maximul de absorbție a lor de către ADN.

Aceste radiații au capacitate scăzută de penetrare în țesuturi și sunt adesea folosite la producerea de mutații la microorganisme și polen, inducând mutații de tipul mutațiilor genice și mai rar restructurări cromozomiale. Sensibile la acțiunea lor par să fie bazele pirimidinice, care sub acțiunea radiațiilor UV adiționează o moleculă de apă și se transformă intr-un fotoprodus, care poate reveni la forma inițială prin încălzire și sub acțiunea unui acid. Uneori însă, acest fotoprodus devine stabil si poate determina o separare locală a celor două catene de ADN.

În general microorganismele sunt sensibile la iradierea cu UV, acest tip de radiații determinând o reducere a capacității de transformare a ADN-ului în bacterii, deci a activității lor biologice.

II.2.2. Factorii chimici

În perioada celui de-al doilea război mondial (Ch. Auerbach, Robson și Oelkers), în Anglia au semnalat capacitatea unor substanțe chimice de a produce modificări ale materialului genetic. Pe măsura acumulării observațiilor asupra mutagenezei chimice s-a format ideea ca unele substanțe chimice pot si importanți factori mutageni și pentru om. Unele substanțe chimice produse de industrie, îngrășăminte chimice, erbicide, fungicide, insecticide, unii aditivi alimentari, medicamente cu care omul vine în contact direct sau indirect, pot afecta aparatul genetic celular.

Se aproximează că în mediul înconjurător, cel al civilizației industriale, există cca 4.000.000 de substanțe diferite, dintre care cel puțin 60.000 sunt de uz comun. Pe plan mondial aproximativ 1000 de substanțe noi sunt create și introduse în mediul ambiant, în fiecare an.

Printre agenții chimici care acționează direct asupra acizilor nucleici se numără agenții alkilați, peroxizii organici, care produc modificări ale bazelor, fragmentări ale lanțurilor fosfo-glucidice, induc legături neobișnuite între acestea. Acidul azotos, hidroxilamina, valori scăzute ale pH-ului, antibioticele acționează asupra bazelor purinice și pirimidinice.

Agenții alkilați care poartă acest nume de la radicalii alkil (-CH3, -C2H5, etc) produc perturbări asemănătoare celor produse de radiații și din acest motiv se mai numesc și substanțe radiomimetice sau antimitotice (pentru că inhibă mitoza). EI pot alkila grupările fosfat sau bazele purinice și pirimidinice, fragmentarea lanțurilor foso-glucidice, depurinizarea moleculei de ADN, formarea de legături transversale între catenele de ADN.

Acidul azotos (HNO2) determină dezaminarea adeninei, guaninei și citozinei din acizii nucleici, trensformându-le în hipoxantină, xantină și respectiv uracil.

La valori scăzute ale pH-ului, de exemplu 4, are loc separarea catenelor de ADN și depurinizarea puternică a acestuia. Această depurinizare poate crea goluri în catena de ADN care duc în final la deleții. Ocuparea lor de către alte baze determină fenomene de tranziție și transversie.

Dintre metalele grele, câteva, Co, Mn, Fe, Cu, Se, Mo, Ni sunt elemente esențiale, iar altele, Al, Cd, Cr, Hg, Pb nu sunt esențiale. Elementele esențiale au efecte metabolice pozitive în anumite concentrații; astfel că o concentrație scăzută a acestor elemente determină anumite deficiențe, în timp ce concentrații ridicate pot avea efecte toxice.

Dintre elementele neesențiale, Cd, Hg și Pb au cel mai mare potențial toxic asupra sănătății umane. O acumulare a acestor metale de-a lungul lanțului trofic poate avea loc datorită deversării unei cantități mari a acestor metale în mediu. Dintre toate efectele toxice pe care aceste metale le au asupra mediului înconjurător, caracterul mutagen este cel care îngrijorează cercetătorii datorită pagubelor care le produc asupra genomului sau ADN-ului. Efectele genotoxice majore pe care le produc aceste metale sunt: mutageneza – mutație apărută la nivelul unei gene sau situs, modificarea a unei gene din secvența ADN-ului; modificări ale structurii cromozomilor traduse prin pierderea sau adăugarea unor fragmente cromozomiale în cadrul genomului; adăugarea sau pierderea unuia sau mai multor cromozomi (aneuploidie) sau a unui set de cromozomi haploizi (euploidie); recombinări cromozomiale intre cromozomii omologi sau neomologi și realizarea se schimburi de segmente între cromatide sau cromozomi.

II.2.3. Factori biologici

În această categorie a agenților mutageni intră o serie de antibiotice cu acțiune directă asupra acizilor nucleici (streptomicina, cloramfenicolul, tetraciclinele) care inhibă sinteza proteinelor; penicilina împiedică sinteza peretelui celular, dar fără efect mutagen.

Antibioticele cu efect mutagen, unele ca actinomicina, olivomicina, nogalamicina, cinerubina, cromomicina, inhibă preferențial sinteza ARN-ului, iar altele ca mitomicina, porfiromicina, streptonigrina, edeina acționează preferențial asupra sintezei ADN-ului dar si a ARN-ului.

Primele observații privind influența mutagenă a unor factori biologici, manifestată prin apariția unor defecte congenitale la om, au fost ale lui M. Gregg. Astfel în 1941 s-a descoperit ca virusul rubeolei (Rubella virus) cauzează și embriopatii umane. Virușii cunoscuți ca fiind periculoși în inducerea anomaliilor cromozomiale sunt Cytomegalovirus, virusul herpetic (herpes virus II). Virusul varicelei poate determina malformații congenitale severe. Toxoplasmoza provocată de protozoarul Toxoplasma gondii poate determina malformații la embrionii umani.

Afecțiunile virale influențează și modifică evoluția embrionului, care în multe situații își măresc brusc volumul și se contractă în timpul mitozei. Această manifestare aberantă tulbură procesul de ovogeneză și poate determina apariția de gameți aneuploizi.

Au existat numeroase ipoteze cu privire la modul în care virușii induc malformații: Se pare că virușii au o afinitate specială pentru celulele aflate în multiplicare rapidă, în perioade de embriogeneză, ceea ce face ca tipul de malformație de fie legată de momentul de infectare. Virușii acționează asupra materialului genetic provocând anomalii cromozomiale, apariția de lacune singulare în structura cromozomilor celulelor infectate. În zona acestor lacune apar rupturi cromatidice care nu se mai refac.

II.3. Mutații genetice

Noțiunea de mutație a fost introdusă în anul 1901 de creatorul teoriei mutaționiste, Hugo de Vries, care a definit-o ca fiind o modificare a însușirilor ereditare, un fenomen prin care se produc modificări în materialul genetic, modificări care nu sunt provocate de recombinarea genetică sau de segregare. Aceste modificări pot apărea în mod spontan, caz în care se numesc mutații naturale sau pot fi induse artificial, caz în care este vorba de mutații artificiale.

În teoria sa, de Vries acredita ideea că evoluția are la bază doar mutații, iar în lucrarea sa, ”Die Mutationstheorie” el susținea următoarele idei:

mutațiile pot apărea brusc și nu prezintă forme intermediare;

formele mutante care apar sunt stabile;

anumite mutații pot apărea în mod repetat;

mutațiile pot fi utile sau dăunătoare.

În timp afirmațiile lui de Vries si-au pierdut veridicitatea întrucât el a exagerat rolul mutațiilor în evoluția speciilor.

Astfel, mutațiile pot fi definite ca schimbări ce afectează calitatea și cantitatea materialului genetic, schimbări care nu provin din recombinări genetice sau hibridări. Pe lângă recombinările genetice, mutațiile constituie principala sursă de variații pe baza cărora are loc evoluția speciilor.

După definiția lui E. Mayer – 1963, mutațiile pot fi definite și ca ”modificări discontinue cu efect genetic”. Mutațiile pot afecta segmente diferite ale materialului genetic, astfel pot fi clasificate după cum urmează:

mutații genice – afectează genele;

mutații cromozomiale – afectează cromozomii;

mutații genomice – afectează întreg genomul.

II.3.1. Mutațiile genice

După descoperirea structurii macromoleculei de ADN de către Watson și Crick, aceștia si-au imaginat modul în care pot apărea și se pot produce mutațiile, considerând că acestea sunt ”erori” care se produc în succesiunea nucleotidelor din moleculele de acizi nucleici. Aceste erori pot apărea atât în molecula de ADN cât și în cea de ARN (în cazul ribovirusurilor) și pot fi cauzate de patru evenimente posibile:

Deleția – pierderea uneia sau mai multor perechi de nucleotide dintr-o secvență normală de ADN (figura nr. 10). Se pot pierde de la fragmente foarte mici până la mii de perechi de nucleotide.

Figura nr. 10 – Mutația genică – deleția

Adiția – adăugarea uneia sau mai multor perechi de nucleotide (figura nr. 11 a, b);

Figura nr. 11 – Mutația genică – adiția

Substituția – înlocuirea uneia sau mai multor perechi de nucleotide cu altele (figura nr. 12). Substituția poate fi la rândul ei, de două feluri:

tranziție: aceasta constă în înlocuirea unei baze purinice sau pirimidinice, cu o altă bază de același fel (purinică sau pirimidinică): AT GC; CG TA; GC AT; TA CG.

transversie: constă în înlocuirea unei baze purinice cu o bază pirimidinică și invers: AT CG; AT TA; GC TA; GC CG; TA GC; TA AT;

CG AT; CG GC.

Figura nr. 12 – Mutația genică – substituția

Inversia – inversarea unei porțiuni (secvențe) din macromolecula acidului nucleic. Aceasta induce modificări locale în secvența de nucleotide afectate.

Figura nr. 13 – Mutația genică – inversia

Mutațiile genice afectează secvența nucleotidelor sau a codonilor din structura genelor, putând afecta gena în totalitatea ei sau doar anumite perechi de nucleotide. Aceste mutații determină sinteza de noi proteine, diferite structural și funcțional de proteinele a căror sinteză e determinată de genele normale. Genele mutate pot fi transmise la descendenți și pot duce la apariția diferitelor maladii. Acest tip de mutații pot apărea oriunde pe genă, dar există totuși, anumite puncte, zone, situsuri pe gene care au susceptibilitate ridicată la mutații, zone care se numesc ”puncte calde”. Prezența acestor ”puncte calde” poate fi determinată de tipul de bază azotată prezentă în acel loc. Baza care determină modificarea comună a acestor situsuri este 5-metilincitozina, care este produsă prin acțiunea metilazei, o enzimă care determină adăugarea grupării metil la baza pirimidinică numită citozină. Procesul de metilare poate determina ca un cuplu G-C să fie înlocuit cu un cuplu A-T.

Mutațiile care se produc la nivelul unei gene pot fi:

mutații genice silențioase (de același sens) – apar atunci când se schimbă poziția unui nucleotid, iar acest lucru nu determină schimbarea mesajului genetic. Acest lucru e posibil datorită caracterului codului genetic, prin care mai mulți codoni codifică poziția aceluiași aminoacid în catena polipeptidică. Dacă se modifică poziția celui de-al treilea nucleotid din codon, nu este afectată poziția aminoacidului determinat. Exemplu: mutația AGG CGG e o mutație silențioasă, deoarece ambii codoni codifică arginina.

mutații neutre – în cadrul acestei mutații are loc schimbarea poziției unui nuclotid, care determină apariția unui alt codon ce codifică un aminoacid care e echivalent din punct de vedere funcțional. În cele mai multe cazuri, funcția proteinei nu e afectată.

Exemplu: AAA AGA

Lys Arg

mutații genice de sens greșit – acestea determină includerea altui aminoacid în catena polipeptidică. Aceste tipuri de mutații sunt frecvente când are loc adiția sau deleția nucleotidelor, dar pot apărea și în cazul mutaților punctiforme în cazul în care e afectat primul sau al doilea nucleotid din codon.

mutații genice non-sens (mutații stop) – sunt prezente la apariția unui codon stop în mijlocul catenei de ADN sau ARN-m. Apariția acestui tip de mutație determină terminarea sintezei proteice și eliberarea catenei polipeptidice de pe suprafața ribosomului, înainte de a se traduce întreg mesajul genetic în secvența de aminoacizi a catenei polipeptidice.

mutații înapoi (retromutații) – constau în revenirea de la tipul mutant la cel sălbatic. Aceste mutații sunt de trei tipuri:

propriu-zise

echivalente

sistemul bypass SOS

Efectele fenotipice ale mutațiilor genice pot fi:

apariția anomaliilor morfologice la individul purtător;

afectarea sintezei proteice care produce tulburări ale activității celulare în celulele unde apar;

boli metabolice ereditare;

Mutațiile genice sunt autozomale (sindactilia, polidactilia, prognatismul, albinismul, anemia falciformă) sau hetereozomale (hemofilia, daltonismul, distrofia musculară Duchenne) si metabolice ereditare (hemoglobinopatiile, enzimopatii, fenilcetonurie, albinism).

II.3.2. Mutații cromozomiale

Aceste mutații sunt reprezentate de anomalii de structură ale cromozomilor, fiind modificări morfologice. Schimbările care pot avea loc la nivelul cromozomilor sau cromatidelor sunt următoarele:

Delețiile sau deficiențele – reprezintă pierderea unui fragment dintr-un cromozom, ca

urmare a ruperii unui braț cromozomial de mărime diferită. Delețiile pot fi la rândul lor de mai multe tipuri:

deleții terminale – atunci când pierderea materialului genetic are loc de la extremitățile cromozomului, indiferent dacă e pe brațul p sau q. Dintr-o deleție terminală poate rezulta un cromozom mai scurt (cu centromer) și un fragment acentric. Delețiile cromozomiale pot determina apariția unor aberații cromozomiale în cadrul celulei, de forma: fragmentelor centrice – fig. 14 (se pierd din cauză ca nu sunt incluse in nucleii nou formați), inele acentrice – fig. 15 (rezultate din unirea fragmentelor acentrice cromozomiale și cromatidice), cromozomi în inel – fig. 14 (formați prin unirea fragmentelor centrice), lacune (gaps) cromozomiale și cromatidice ( sunt zone lipsite de ADN), izocromozomii – fig. 16 (apar prin fisiunea transversală a centromerului la un cromozom cu două brațe, urmată de replicarea cromozomilor rezultați, care vor avea două brațe egale, micronucleii (sunt nuclei mici ce apar alături de nucleul propriu-zis în celule interfazică și rezultă din fragmente centrice sau acentrice care nu au migrat pe fusul de diviziune), punțile anafazice (apar datorită apariției cromozomilor dicentrici – fig. 17, care vor migra câte unul la fiecare pol al celulei)

Figura nr. 14 – Deleții comozomiale –

deleție terminală, cromozom în inel

Figura nr. 15 – Deleția cromozomială – fragment acentric

Figura nr. 16 – Deleții cromozomiale – izocromozomi

Figura nr. 17 – Deleții cromozomiale – cromozom dicentric

deleții intercalare – când segmentul deletat provine din interiorul cromozomului. Acest tip de deleție presupune existența a două rupturi în interiorul cromozomului. În acest caz pot apărea deleții intercalare paracentrice – dacă segmentul deletat implică doar unul din brațele cromozomului și deleții intercalare pericentrice – dacă segmentul deletat implică centromerul.

Inversiile – reprezintă inversarea cu 180° a unui segment de pe lungimea unui cromozom în urma unei rupturi duble. Acest tip de mutație nu poate apărea la nivelul porțiunii terminale a unui cromozom pentru ca această porțiune nu are capacitatea de a se reuni, după ce are loc inversia, la nivelul rupturii. Aceasta poate afecta sau nu centromerii. Există inversii paracentrice (fig. 18) – când zona inversată se află în interiorul unuia dintre brațele cromozomului și inversii pericentrice (fig. 19) – când segmentul inversat include și centromerul. De asemenea, inversiile pot fi homozogotice – dacă inversia afectează ambele cromatide ale cromozomului sau heterozigote – dacă doar o cromatidă a cromozomului suferă inversia.

Figura nr. 18 – Inversii paracentrice și pericentrice

Duplicațiile (fig. 19) – reprezintă dublarea unei porțiuni de cromozom pe lungimea uneia sau a mai multor gene, astfel că vor apărea gene identice în cadrul cromozomului. Dacă segmentul dublat are centromer, atunci va apărea un cromozom dicentric. Duplicațiile pot fi:

în tandem direct – dacă succesiunea genelor în porțiunea dublată se păstrează;

în tandem invers – dacă succesiunea genelor in porțiunea dublată e inversă;

terminale – dacă zona duplicată este capătul cromozomului;

intercalare – dacă zona duplicat este în interiorul cromozomului. Și în acest caz,

duplicațiile intercalare pot fi: paracentrice sau pericentrice.

Figura nr. 19 – Duplicație

Translocații (fig. 20)– reprezintă acel tip de mutație în care are loc schimbul de segmente de cromozomi între cromozomi neomologi. Translocația poate fi simplă (directă) – atunci când are loc trecerea unui fragment de un cromozom pe altul (cazul cromozomului Philadelphia la om – fig. 21) și reciprocă – când doi cromozomi neomologi schimbă între ei anumite segmente. Și în cazul translocațiilor, segmentele care pot fi implicate în acest proces pot fi paracentrice sau pericentrice. Un alt tip de translocație este cea complexă – când mai mulți cromozomi neomologi fac schimb de segmente între ei și translocații de tip robertossonian sau fuziunea centrică (fig. 22) – caz în care cromozomii neomologi acrocentrici fuzionează.

Figura nr. 20 – Translocații

Figura nr. 21 – Translocația cromozomului Philadelphia la om

Figura nr. 22 – Translocație robertssoniană

Mecanismele de reparare a aberațiilor cromozomiale sunt numeroase, dar pălesc în prezența agenților mutageni puternici (radiații ionizante, substanțe chimice toxice, toxine virale puternice). Dacă aberația cromozomială de structură nu afectează expresia materialului genetic, nu se vor observa modificări fenotipice, purtătorii anomaliei fiind normali. Acești purtători, însă, produc gameți modificați genetic ceea ce va determina aberații fenotipice la descendenți. Aceste aberații pot fi foarte variate, de la trăsături faciale schimbate, creștere întârziată până la retard mintal și malformații congenitale grave. Anomaliile autozomale sunt mai grave decât cele gonozomale, monosomiile sunt mai severe decât trisomiile, delețiile sunt mai severe decât duplicațiile. Anomaliile autozomale produc frecvent retard mintal, multiple malformații ale organelor interne, trăsături dismorfice și retard al creșterii pre- și postnatală, în timp ce anomaliile gonozomale sunt asociate cu tulburări ale caracterelor sexuale primare si secundare.

II.3.3. Mutații genomice

Aceste mutații afectează genomul sau complementul cromozomial uman și reprezintă modificarea numărului de cromozomi. Numărul caracteristic de cromozomi al speciei umane e de 2n = 46 pentru celula somatică (diploidă) și n = 23 pentru celula gametică (haploidă – ovule sau spermatozoizi). Orice abatere de la acest număr se numește anomalie cromozomială de număr.

Variațiile numărului de cromozomi pot fi euploide – când celulele somatice conțin unul sau mai multe seturi complete ale numărului de bază (x) specific (genomice) și aneuploide – caz în care din celulele somatice lipsesc sau sunt în plus unul sau doi cromozomi față de garnitura de bază. Clasificare acestor mutații e redata în figura nr. 23.

Figura nr. 23 – Clasificarea mutațiilor numeric cromozomiale – după ”Bazele geneticii – Gogu I. Gheorghiță.

Euploidia – este starea celulară în care numărul de cromozomi corespunde cu numărul de bază sau cu un multiplu al acestuia. Indivizii afectați de acest tip de mutație se numesc euploizi. După numărul de seturi cromozomiale, euploidia poate fi:

monoploidie și haploide – când numărul de cromozomi din celulele somatice este egal cu numărul de bază (x), respectiv cu cel gametic (n);

poliploidia – când numprul de cromozomi din celulele somatice cuprinde mai mult de două genomuri, fie triploizi (3x) (fig. nr. 24), tetraploizi (4x)(fig. nr. 24), pentaploizi (5x), hexaploizi (6x), etc.

Haploidia – constă în prezența în celulele somatice ale unui organism, a unui număr de cromozomi înjumătățiți față de cel caracteristic speciei. Prezența unui singur set de cromozomi la organismele haploide, comparativ cu diploizii din care au derivat, determină o serie de anomalii asupra acestora: reducerea volumului nuclear și celular, deci o talie mai mică a lor (nanism), perturbări ale meiozei care pot determina o repartiție inegală a cromozomilor în celulele sexuate ceea ce poate determina sterilitatea lor totală sau parțială, etc.

Poliploidia – termenul a fost introdus de G. Winkler (1916) pentru a desemna creșterea numărului de genomuri la plante. Este, deci, prezența supranumerară a unor seturi complete de cromozomi într-o celulă, multiplicându-se astfel numărul de seturi de cromozomi. Autoploidia rezultă în urma multiplicării setului cromozomal de bază propriu sau în urma hibridării unor indivizi poliploizi care aparțin aceleiași specii. La autoploizi, seturile cromozomale sunt omoloage. Aceștia pot fi artioploizi (cu nunărul de bază multiplicat într-un număr impar: 3x, 5x, 7x, etc.) sau perisoploizi (4x, 6x, etc.)

Figura nr. 24 – Schema autopoliploidiei

Triploidia (fig. nr. 24) – 3n = 69 de cromozomi, adică un set haploid de cromozomi (n) în plus, într-o celulă somatică umană (2n). Celulele triploide au cariotip 69 XXX, 69 XXY sau 69 XXY, în funcție de originea maternă sau paternă pe care o are setul cromozomial în plus. Această mutație are o incidență de 1/10.000 printre nou-născuții vii și 15% printre produșii de concepție avortați spontan. Anomaliile generate de surplusul de informație genetică, afectează în mare parte cordul și sistemul nervos central. Astfel feții triploizi sunt avortați frecvent, ajungând să supraviețuiască la termen doar în mod excepțional, dar viabilitatea lor este redusă. Cauzele triploidiei pot fi:

dispermia – fertilizarea ovulului de către doi spermatozoizi;

fuziunea ovulului cu un globul polar și fertilizarea de către un spermatozoid;

defecte ale meiozei – formarea unui gamet diploid (matern sau patern) care împreună cu gametul normal haploid formează un zigot triploid.

Tetraploidia (fig. nr. 24) – 4n = 92 de cromozomi, constă în prezența a patru seturi haploide de cromozomi într-o celulă somatică. Celulele tetraploide pot avea cariotip 92 XXXX, 92 XXYY, 92 XXXY, 92 XYYY. E vorba de o mutație observată foarte rar la om, comparativ cu triploidia, fiind incompatibilă cu viața postnatală. Viabili sunt doar indivizii cu mozaicuri 2n/4n. Cauzele acestei mutații sunt defectele primei diviziuni mitotice a zigotului sau fuziunea a doi zigoți diploizi.

Amfiploidia (alopoliploidia) – la aceste forme, multiplicarea seturilor de cromozomi provine prin hibridare interspecifică sau intergenetică. Aceste forme pot apărea prin:

încrucișarea dintre specii diploide cu specii poliploide, care au cel puțin câte un genom omolog, formând hibrizi îndepărtați cu grad foarte diferit de fertilitate;

încrucișarea între specii îndepărtate genetic, urmată de dublarea numărului de cromozomi la hibrizi F1, rezultă amfidiploizi sau amfiploizi.

Aneuploidia – este fenomenul prin care modificarea numerică afectează numai anunite perechi de cromozomi, adică în nucleul celulelor există în plus sau în minus, unul sau mai mulți cromozomi. Dacă într-un cariotip pe lângă numărul diploid de cromozomi (2n) se află unul sau mai mulți cromozomi, atunci aven de-a face cu aneuploidie de tip hiperploid (polisomie). Dacă din garnitura diploidă de pierde unul sau mai mulți cromozomi, aneuploidia este de tip hipoploid (oligosomie).

Variantele aneuploidiei sunt:

Nulisomia – reprezintă absența ambilor cromozomi din perechea respectivă (2n-2), iar la om este incompatibilă cu viața și dezvoltarea normală.

Monosomia – reprezintă absența unui singur cromozom dintr-o pereche (2n-1). Toate monosomiile umane, exceptându-le pe cele care implică acei cromozomi sexuali, sunt letale. Exemplu: sindromul Turner (monosomia X).

Trisomia – reprezintă prezența unui cromozom în plus într-o pereche (2n+1). Acest tip de mutație este una din cauzele avortului spontan, dar există și trisomii compatibile cu viața postnatală. Sunt și cazuri de trisomii multiple (2n+1+1+1). Cele mai frecvente trisomii autozomale sunt: sindromul Down, Patau, Edwards, iar cele mai frecvente trisomii gonozomale sunt: sindromul triplo-X și sindromul Klinefelter.

Aneuploidia poate fi:

completă – când lipsește un întreg cromozom sau există un întreg cromozom supranumerar în cariotipul uman.

parțială – când doar anumite segmente cromozomiale variabile ca mărime, lipsesc sau sunt în exces, într-o pereche de cromozomi omologi.

omogenă – când toate celulele organismului au același tip de aneuploidie.

în mozaic – când în același organism coexistă linii celulare normale cu linii celulare aneuploide, fie autozomale fie gonozomale.

Cauza cea mi frecventă a aneuploidiei o reprezintă nesepararea cromozomilor omologi în timpul mitozei sau meiozei sau nesepararea cromatidelor surori în timpul anafazei.

PARTEA A II-A – Demersul metodico-didactic (experimental)

IV. Demersul didactic

Școala – cadrul general pentru învățarea ecologiei și principiilor acesteia în cadrul modulului de educație pentru sănătate.

Obiectivele și ipoteza cercetării

Pornind de la argumentul expus în prima parte a lucrării și din dorința de a ajuta elevii să dobândească un stil de viață sănătos care să coexiste cu grija lor față de mediul înconjurător, în încercarea de-ai face să conștientizeze că un mediu de viață sănătos înseamnă de fapt un organism sănătos, mi-am propus realizarea în anul școlar 2017-2018 a Cecului de biologie, intitulat ”Mediu sănătos = organism sănătos”, cu elevii clasei a VII-a.

S-a constatat că elevii sunt bombardați zi de zi, cu informații și opinii nesănătoase, care nefiind suficient aprofundate si cercetate și pornind de la faptul că programa școlară nu cuprinde (pentru acest nivel de școlarizare) în conținutul ei toate datele necesare dezvoltării la elevi a unui comportament responsabil față de mediu si fată de propria lor sănătate, e nevoie de o serie de elemente suplimentare care să facă lumină în marea de informații cu care elevii vin în contact, informații care să-i ajute să ia cele mai bune decizii referitoare la sănătatea lor și a mediului înconjurător.

IV.1.1. Rolul educației ecologice și a educației pentru sănătate în formarea personalității umane.

După secole de evoluție în domeniul tehnologiei și științei, omul a înțeles în final că acest progres s-a transformat ușor, la început, și din ce în ce mai rapid, în zilele noastre, într-o arma de distrugere cu efecte devastatoare asupra sa și asupra naturii. Încă de la primele civilizații urbane, intervenția asupra mediului a fost brutală, omul exploatând irațional terenurile și alterând mediul înconjurător prin folosirea de poluanți proveniți din activitatea umană.

În anul 1971, în Nevada (SUA), la conferința IUCN (Uniunea Internațională pentru Conservarea Naturii), specialiștii cercetători au definit ”educația ecologică” ca fiind:”… procesul prin care sunt recunoscute valori și clarificate concepte pentru a se putea dezvolta abilități și atitudini necesare înțelegerii și aprecierii relațiilor dintre om, cultura din care face parte și mediul biofizic. Educația ecologică include de asemenea, exersarea luării unei decizii și formularea unui cod propriu de conduită privind calitatea mediului.”

La baza conceptului de educație ecologică se află, deci, două noțiuni fundamentale: mediul natural, calitatea și degradarea mediului.

Mediul natural e o noțiune fundamentală care stă la baza ecologiei ca știință. În Legea protecției mediului nr. 137/1995, mediul e definit ca: ”ansamblul de condiții și elemente naturale ale Terrei: aerul, apa, solul, subsolul, aspecte caracteristice ale peisajului, toate substraturile atmosferice, toate materiile organice și anorganice, precum și ființele vii, sistemele naturale în interacțiune, cuprinzând elemente enumerate anterior, inclusiv valorile materiale și spirituale, calitatea vieții și condițiile care pot influența bunăstarea și sănătatea omului.” Această definiție a fost preluată și în art.1, alin. 2 din Ordonanța de Urgență a Guvernului nr. 195/2005 privind protecția mediului.

Educația pentru mediu nu e doar o formă de educație, un instrument în rezolvarea unor probleme de mediu sau în gestionarea resurselor naturale, este un proces de o importanță esențială în recunoașterea valorilor mediului înconjurător și definirea conceptelor privind mediul, având ca scop îmbunătățirea calității vieții. Acest tip de educație urmărește introducerea în unitățile de învățământ a dinamicii sociale cu privire la educație (cunoștințe, deprinderi, motivații, valori), care să stimuleze dezvoltarea personală, abordarea colaborativă și critică, dar și asumarea responsabilităților cu privire la deciziile luate pentru menținerea calității mediului.

În procesul de învățare, educația ecologică poate fi abordată în trei moduri:

din punct de vedere al teoriei – Educație despre mediu – care asigură înțelegerea modului de funcționarea a sistemelor naturale, a impactului activităților umane asupra sistemelor naturale, dezvoltă capacitățile investigative și gândirea critică. Acest tip de educație stă la baza formării unui suport cognitiv care permite apoi participarea la luarea deciziilor de mediu.

din punct de vedere al aplicației – Educației în mediu – asigură experiența practică a învățării prin contactul direct cu componentele mediului, dezvoltând abilități de culegere a datelor și de investigație pe teren stimulând preocuparea fată de mediu.

din punct de vedere a concluziilor – Educația pentru mediu – finalizează educația în și despre mediu, dezvoltând sensul responsabilității față de mediu, motivația și abilitățile de a participa la îmbunătățirea calității mediului. Promovează dorința și capacitatea de a aborda un stil de viață compatibil cu conceptele dezvoltării durabile. Oferă posibilitatea de a contribui împreună cu elevii la buna gospodărire a resurselor naturale abordând astfel componente ale educației morale, estetice și politice.

Educația ecologică este un proces educațional care are la bază cinci elemente bazate pe concepte individuale:

Conștientizarea – să ajuți oamenii sa devină conștienți de faptul că sunt alegeri pe care ei le pot face în calitate de consumatori, alegeri care pot avea multiple implicații asupra mediului înconjurător.

Cunoștințele – ajută la înțelegerea interrelațiilor din lumea vie, astfel încât oamenii să înțeleagă cum interacționează cu mediul, ce probleme pot apărea și cum pot fi rezolvate.

Atitudinile – sunt tendințe consistente de selectare a preferențială a unor alternative de răspuns în situații specifice, pornind de la valori sau caracteristici persoanele stabilite.

Aptitudinile – sunt abilități, talente cu caracter individual ce asigură eficiență și competențe în efectuarea sau rezolvarea cu succes a unor sarcini sau activități specifice.

Implicarea – încurajează elevii să-și aplice cunoștințele dobândite, să participe activ la luarea deciziilor, să-și susțină propria opinie. Acest proces poate duce la schimbarea comportamentului individual și creșterea încrederii în sine.

În ceea ce privește educația pentru sănătatea, aceasta face parte din viața culturală a fiecărei țări, deci organizarea și propagarea noțiunilor de ocrotire a sănătății nu revine exclusiv sectorului sanitar ci, în egală măsură și învățământului, organizațiilor civice, bisericii, diverselor asociații, unități productive sau de stat sau particulare, toate având o oarecare responsabilitate în acest sens. Includerea în sistemul de învățământ de toate gradel și pofilele a unor noțiuni referitoare la menținerea stării de sănătatea a organismului, corespunzătoare vârstei, trebuie să constituie o preocuparea majoră a tuturor factorilor responsabili.

Organizația Mondială a Sănătății consideră ca la temelia promovării sănătății stau cinci principii care au in vedere, printre altele:

implicarea populației, ca întreg, în contextul vieții de zi cu zi, concentrându-se mai ales asupra populației cu risc crescut de îmbolnăvire și informarea adecvată în vederea luării celor mai bune decizii;

orientarea asupra determinaților sănătății: factori de mediu, comportamente, servicii de sănătate, biologie umană, promovarea sănătății fiind îndreptată spre acțiune.

Pentru implementarea obiectivelor de promovare a sănătății sunt necesare o serie de strategii preventive care trebuie elaborate la nivel național și internațional, fiind adecvate nevoilor de moment, dar și de perspectivă, sa zonelor respective. În cadrul acestor strategii se pot diferenția două tipuri: strategia populațională și cea bazată pe demersul individual.

În strategia populațională pot fi descrise două tipuri de abordări: strategia ecologică și cea a riscului înalt. În această strategie, frecvența bolilor poate fi explicată prin intervenția factorilor ambientali (mediu fizic, psihic, social, etc). Strategia ecologică se adresează întregului grup de populațional și încearcă să modifice cauzele ce determină incidența bolilor și scăderea expunerii populației la acești factori. ( https://cyd.ro/educatie-pentru-sanatate-si-comunicarea-in-educatia-pt-sanatate/ )

IV.2.2. Activități extracurriculare cu rol de îmbogățire și extindere a ofertei educaționale pentru mediu. Cercul de biologie.

Dezvoltarea socio-economică a impulsionat de-a lungul anilor ca biologia ca știință sa diversifice gama sa de cunoștințe, apărând astfel noi discipline, unele dintre ele fiind la granița mai multor discipline și determinând o explozie informațională fără precedent. Multe dintre ramurile biologiei moderne dobândesc treptat o importanță din ce în ce mai mare. În aceste condiții, școala se vede nevoită să țină pasul cu evoluția din domeniul științelor biologice și poate urma mai multe căi. Una dintre aceste căi presupune utilizarea corectă și adecvată a activităților educative extracurriculare, activități care au dobândit de-a lungul anilor o structură psihologică proprie și un rol deosebit de important în dezvoltarea unor aspecte ale personalității elevilor și dezvoltarea de abilități în anumite aspecte ale vieții.

Cercul de biologie, atunci când este corect integrat în activitatea instructiv – educativă a elevilor, este o formă foarte importantă de activitate extrașcolară, pentru că informațiile științifice vehiculate în cadrul activităților din cadrul cercului de biologie sunt atractive, variate, oferă o gamă largă de posibilități de dezvoltare a inițiativei creatoare, trezesc dragostea pentru natură în inima elevilor, dezvoltă spiritul de observație, trezesc dorința de a cerceta și de a descifra tanele viului. Activitățile instructiv-educative, de timpul cercurilor de biologie, au de asemenea, menirea de-a îmbina armonios activitățile colective cu cele individuale și permit manifestarea liberă și nestânjenită a capacităților și înclinațiilor de investigare și de creație ale elevilor.

Modul său de organizare – prin acord liber și neconstrâns – cercul de biologie influențează capacitatea de gândire și formează și dezvoltă capacitatea de a-și perfecționa deprinderile, lărgindu-le elevilor aria de cunoștințe, ajutându-i să realizeze conexiuni intercurriculare. Cunoștințele și informațiile vehiculate în cadrul cercului de biologie pot proveni din diferite arii curriculare, fapt ce facilitează dezvoltarea capacității de realizarea mai rapidă a conexiunilor dintre noțiuni ce aparțin din domenii diferite. Astfel, elevul ajunge să înțeleagă mai bine complexitatea viului și importanța înțelegerii fenomenelor și proceselor complexe care se petrec în natură.

Modul de organizare și de participare la acestui tip de activitate extracurriculară – pe baza liberei alegeri, permite elevilor să-și exercite liberul arbitru și să fie parte decisivă în activități menite să le lărgească orizontul de informații, cunoștințe și să le dezvolte noi abilități și comportamente.

Avantajele pe care le prezintă cercul de biologie, comparativ cu activitățile realizate la clasă sunt:

permite lucrul cu un număr relativ restrâns de elevi (15- 20), grupați după interese, înclinații și aptitudini;

permite respectarea dorințelor individuale ale elevilor;

facilitează îmbinarea activităților teoretice cu cele practice;

permite adaptarea conținutului științific la particularitățile de vârstă ale elevilor;

permite abordarea unui număr mare de procedee didactice;

ajută la lărgirea sferei cognitive prin noțiunile științifice abordate, dar permite dezvoltarea laturii vocaționale și afective a elevilor;

În cadrul cercului de biologie, elevii lucrează în grupuri, descoperă singuri noi informații, care-i oferă posibilitatea de a se cunoaște mai bine pe el însuși, de a-și verifica anumite opinii, aptitudini, înclinații, de a-și confrunta ideile cu ale celorlalți colegi, de a se afirma și de a lua inițiativă.

Organizarea activităților în cadrul cercului de biologie

Activitățile în cadrul cercului de biologie trebuie să se realizeze astfel încât să dezvolte la elevi încrederea în forțele proprii, dorința de a persevera în căutarea răspunsului și în rezolvarea situațiilor problemă cu care se înfruntă, spiritul creator, deprinderea de a munci independent și nu în ultimă instanță, dragostea pentru natură.

Activitățile din cadrul cercului de biologie se consemnează într-un caiet/dosar, care va cuprinde descrierea tipului de activitate întreprinsă și modul în care s-a realizat activitatea. Activitățile se vor realiza pe baza unui proiect realizat la începutul constituirii cercului de biologie, plecând-se de la tema de baza a acestuia.

Activitățile întreprinse de elevi în cadrul cercului și gradul de participare a acestora la activități se consemnează într-un tabel de tipul celui de mai jos (tabel nr……)

Completarea acestui tip de tabel oferă informații asupra gradului de participare și de antrenare a elevilor în cadrul activităților, asupra popularității temei in cadrul cercului de biologie și permite urmărirea dinamicii fiecărui elev.

Tematica cercului de biologie

Alegerea tematicii cercului de biologie se face antrenând elevii și ținându-se cont de alegerea subiectelor pe care le doresc ei dezbătute. Totuși, e nevoie și de o îndrumare din parte profesorului coordonator de cerc. Alegerea succesiunii temelor ce vor fi abordate se va face astfel încât să se respecte și să se atingă scopurile finale ale temei cadru alese. Atunci când se alege tema cercului de biologie trebuie să se țină cont de unele cerințe, precum:

cunoașterea nivelul de cunoștințe ale elevilor;

să corespundă intereselor grupului;

să abordeze o temă din afara sferei școlii;

să țină cont de baza didactică a școlii și de perspective;

să îmbunătățească baza teoretică și practică a școlii;

să facă posibilă colaborarea cu unități corespunzătoare din localități învecinate (organizarea de excursii, vizite de studiu și de documentare).

să țină cont de pasiunile si predilecțiile majorității grupului.

După stabilirea temei și a competențelor cadru ce se doresc a fi atinse, se realizează o planificare calendaristică a activităților din cadrul cercului, planificare care va sigura caracterul sistematic al informației științifice care urmează să fie transmisă elevilor.

Sursele de documentare a activității pentru cerc

Pentru activitatea de documentare, membrii cercului vor fi îndrumați corect și concret cu privire la modul în care vor realiza activitatea de cercetare, cum vor selecta materialele de unde trebuie să se documenteze. Vor fi îndrumați să completeze o fișa care va conține cât mai multe date cu privire la sursa de informație, la subiectul cercetării sau tema de cercetarea abordată. Fișa de cercetare (fișa bibliografică) poate fi întocmită după modelul de mai jos:

Fișă de cercetarea (fisă bibliografică):

Tema pentru care se face cercetarea:…………………………………………………………………….

Titlul lucrării ( de unde se extrag datele):…………………………………………………………….

Autorul lucrării (de mai sus):………………………………………………………………………………

Datele importante sunt luate din capitolul………………….., pag……………….

Desfășurarea formelor de activitate din cadrul cercului de biologie

În cadrul cercului de biologie se deosebesc două tipuri de activități:

periodice – vizite de documentare, întâlniri cu oameni de știință, sesiune de comunicări, ședințe de lucru;

permanente – se desfășoară în laborator și in perimetrul biobazei școlii.

Formele de activitate sunt și ele de diferite tipuri:

activități în teren, la muzee, la expoziții, excursii, etc

activități de confecționare a materialului didactic în cadrul laboratorului școlii;

lucrări de laborator cu caracter experimental executat în grupe de elevi.

Pentru a asigura o bună fixare și generalizare a operațiilor mentale ale elevilor pentru a le ușura realizarea experimentelor realizare în grup sau individual, se vor distribui elevilor fișe de lucru elaborate de profesorul coordonator al activității din cadrul cercului. O fiță de lucru trebuie să conțină informații esențiale si indicații și trebuie să respecte unele cerințe:

să cuprindă probleme noi ce pot fi soluționate treptat pe parcursul ședințelor de lucru în cadrul cercului;

să conțină tabele individuale în care elevii să-și poată notă precis și rapid, informațiile și observațiile asupra fenomenelor și interpretarea acestora;

tabelele realizate trebuie să aibă o mare aplicabilitate practică a informațiilor obținute de elevi.

După consemnarea datelor în tabele, acestea trebuie discutate și corectate eventualele greșeli de către profesor, astfel încăt să se ajungă la un adevăr comun.

Specificul cercului de biologie de la Școala Gimnazială Parava

Cercul de biologie de la Școala Gimnazială Parava se numește ”De ce ne trebuie un mediu sănătos?” și cu prinde elevi din cadrul ciclului gimnazial, având un plan de lucru cu o tematică variată și activități de informare, documentare și cercetare.

Tematica cercului de biologie are ca scop conștientizarea importanței păstrării unui mediu curat și a impactului pe care îl are poluarea asupra sănătății mediului, omului, animalelor și plantelor. De asemenea își propune ca prin activitățile desfășurate, să îmbogățească bagajul de cunoștințe ale elevilor cu informații referitoare la modul de acțiune a unor factori poluanți la nivel celular, evidențiind astfel faptul că efectul nociv al poluării e de multe ori invizibili la exterior, dar la interior poate fi devastator.

Copyright Notice

© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.

Acest articol: PENTRU OBȚINEREA GRADULUI DIDACTIC I COORDONATOR ȘTIINȚIFIC : Prof./Conf./Lect.univ.dr…………………….. CANDIDAT : Prof./Inst./Înv./Ed……………………………….. [309463] (ID: 309463)

Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.

PENTRU OBȚINEREA GRADULUI DIDACTIC I COORDONATOR ȘTIINȚIFIC : Prof./Conf./Lect.univ.dr…………………….. CANDIDAT : Prof./Inst./Înv./Ed……………………………….. [309463]

Copyright Notice

Specializarea T.D.R. [310740]

Borderou facturi: perioada 01-04-2017 – 29-06-2017Pagina 1 Nr. Crt. Beneficiar Document DatăValoare – RON -TVA – RON -Total – RON -Achitat – RON – 1… [628340]

Periodizarea epocii [304199]

Conținutul tehnico-tactic al jocului de handbal [311691]

GHID PENTRU ELABORAREA ȘI SUSȚINEREA LUCRĂRII DE FINALIZARE A STUDIILOR [628546]

VALORILE FORMATIVE ALE EDUCAȚIEI ARTISTICO -PLASTICE ÎN CONTEXTUL EDUCAȚIEI TIMPURII ȘI ÎNVĂȚĂMÂNTULUI PRIMAR Rezumat : Rezumat: Politica națională… [603024]

Copyright Notice

Similar Posts