Полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) называют большую группу органических соединений, содержащих два или более бензольных кольца (рис. 2.3). Они вызывают повышенный интерес экологов в связи с их высокой биологической (канцерогенной и мутагенной) активностью . Образование и поступление ПАУ в окружающую среду связано с микробиологическими и высокотемпературными процессами, протекающими в природе (лесные пожары, вулканическая деятельность), и антропогенными факторами (работа промышленности, сжигание топлива, транспортные выхлопы и т.п.) . Наряду с незамещенными полициклическими ароматическими углеводородами в окружающую среду поступают и их гетероциклические аналоги, иногда более
Рис. 2.3.
I - нафталин; 2 - аценафтилен; 3 - аценафтен; 4 - флуорен; 5 - фенантрен; 6 - антрацен; 7 - флуорантен; 8 - пирен; 9 - бенз(а)антрацен; 10 - хризен;
II - бенз(Ь)флуорантен; 12 - бенз(к)флуорантен; 13 - бенз(а)пирен; 14 - дибенз- (аф)антрацен; 15 - бенз^,1у)перилен; 16 - индено(1,2,3-с
токсичные, чем исходные соединения. Их присутствие в смеси с ПАУ может вызвать синергетический эффект.
Помимо незамещенных ПАУ, существует большое число полициклических соединений, содержащих различные функциональные группы в кольцах или в боковых цепях (нитро-, амино-, суль- фопроизводные, спирты, альдегиды, эфиры, кетоны и др.). Боль-
|
Углеводород |
Температура, °С |
Растворимость, мкг/л |
||
|
плавления |
в пресной воде |
в соленой воде |
||
|
Нафталин |
||||
|
Аценафтилен |
||||
|
Аценафтен |
||||
|
Фенантрен |
||||
|
Антрацен |
||||
|
Флуорантен |
||||
|
Бенз(а)пирен |
||||
|
Бенз(§,Ьд)перилен |
||||
|
Дибенз(а,Ь)антрацен |
||||
шинство ПАУ - кристаллические вещества (за исключением некоторых производных нафталина) с высокими температурами плавления (табл. 2.6). Из таблицы видно, что в воде ПАУ растворяются плохо. Растворимость ПАУ в органических растворителях возрастает и зависит от молекулярной массы. Как правило, с увеличением числа ароматических колец и алкильных радикалов растворимость ПАУ в воде уменьшается.
ПАУ интенсивно поглощают УФ-излучение (320 - 420 нм) и быстро окисляются под действием света в атмосфере с образованием хинонов и карбонильных соединений. Так, при 20-минутном облучении в УФ-диапазоне разлагается до 85 % антрацена, 70 % тетрафена, 52 % бенз(а)пирена, 51 % хризена, 34 % пирена . В городском воздухе ПАУ в основном адсорбированы на частицах сажи или пыли. Такие частицы могут существовать в атмосфере в виде аэрозолей или взвесей несколько недель и переноситься с воздушными потоками на значительные расстояния.
В присутствии оксидов азота ПАУ образуют нитропроизводные, многие из которых являются канцерогенами. Скорость образования нитросоединений зависит от концентрации NO* в атмосфере и температуры. Кроме того, большинство полициклических ароматических углеводородов участвуют в реакциях с сильными окислителями с образованием различных продуктов.
Установлен следующий ряд относительной стабильности ПАУ в городской атмосфере :
- лето: бенз(а)пирен
- зима: бенз(а)пирен
В отличие от превращений ПАУ в атмосфере из воды они удаляются в основном за счет биологической деградации. Так, микрофлора сточных вод способна разрушать до 40 % ПАУ, причем деструкция под действием микроорганизмов протекает не только в воде, но и в донных отложениях. Заметим, что многие ПАУ не являются канцерогенами, но под действием ультрафиолетового излучения переходят в воде в соединения, токсичные для водных организмов.
Микроорганизмы способны разрушать ПАУ и в почве. Наиболее эффективно такое разложение протекает в кислых пористых почвах. Так, в почве с pH 4,5 в первые 10 суток разлагается от 95 до 99 % бенз(а)пирена, тогда как при pH 7,2 - только от 18 до 80 % . В процессах самоочищения почв от ПАУ существенную роль играют и другие факторы, например метаболизм в растениях, ферментативная активность микроорганизмов, температура, влажность. В южных районах этот процесс протекает быстрее, чем в северных.
Одним из основных показателей токсичности полициклических ароматических углеводородов является их канцерогенность. Из обычного набора ароматических углеводородов, содержащихся в воздухе и других средах, наибольшую канцерогенную активность имеют бенз(а)пирен и дибенз(а,11)антрацен. Несмотря на то, что МАИР относит бенз(а)пирен к группе 2А, т.е. к веществам, канцерогенность которых для человека имеет ограниченные доказательства, концентрации бенз(а)пирена в воздухе на уровне 3-6 нг/м 3 при длительном воздействии могут привести к увеличению частоты рака легкого у населения. Канцерогенными являются многие нитропроизводные ПАУ. Например, 1-нитропирен проявляет мутагенные и канцерогенные свойства. Он поступает в окружающую среду при сжигании каменного угля в топках ТЭЦ, а также с выхлопами дизельных двигателей. Мутагенные нитропроизводные ПАУ обнаруживают в пробах сточных вод на бензозаправочных станциях, в отработанных автомобильных маслах. В последних содержание 1-нитропирена может достигать более 100 нг/л. В табл. 2.7 приведены коэффициенты токсичности ПАУ относительно бензапирена.
Токсичность отдельных представителей ПАУ зависит как от индивидуальных особенностей живых организмов, так и от экологической обстановки в целом. Она определяется также физико-
географическими, климатическими и погодными условиями. При этом для ПАУ кумулятивный эффект более выражен по сравнению с кратковременным воздействием высоких доз токсикантов. На основании исследований гигиенистов в России установлены следующие значения ПДК для бенз(а)пирена: 1 нг/м 3 (среднесуточная) - для воздуха населенных мест; 5 нг/л - для поверхностных вод; 20 мкг/кг - для сухой почвы .
Однако обоснованность применения бенз(а)пирена в качестве индикатора загрязнения окружающей среды полициклическими ароматическими углеводородами весьма проблематична. Его обнаружение свидетельствует лишь о факте загрязнения природной среды этими соединениями. Для получения реальной картины необходимо знать концентрацию 16 приоритетных веществ, которые формируют фоновое содержание ПАУ в атмосферном воздухе (см. рис. 2.3) .
В группу приоритетных ПАУ для поверхностных вод входят шесть представителей из этого списка: бенз(а)пирен и бенз(Ь)- флуорантен (сильные канцерогены), 6eH3(g,h,i)nepimeH и индено- (1,2,3-сс1)пирен (слабые канцерогены), а также неканцерогенные, но токсичные флуорантен и бенз(к)флуорантен. Присутствие ПАУ в поверхностных водах свидетельствует об угрозе здоровью населения. Согласно рекомендациям ВОЗ, общая концентрация приоритетных полициклических ароматических углеводородов в питьевой воде не должна превышать 0,2 мкг/л.
Индикаторами промышленных выбросов являются пирен, флуорантен, 6eH3(g,h,i)nepRJieH, бенз(Ь)флуорантен и индено(1,2,3- сфпирен; индикаторами выбросов двигателей внутреннего сгорания - 6eH3(g,h,i)nepRJieH, бенз(Ь)флуорантен и индено(1,2,3-сс1)- пирен (первый обычно преобладает).
По имеющимся данным глобальная эмиссия бензапирена в природную среду в конце 80-х годов XX века составляла около 5000 тонн в год, причем 61 % приходился на сжигание угля, 20 % - на производство кокса, 4 % - на сжигание древесины, 8 % - на лесные пожары, 1 % - на выбросы транспорта и лишь 0,09 % и 0,06 % - на сжигание нефти и газа соответственно. При этом фоновое загрязнение воздуха в Западной Европе составляло 0,05 - 0,15 нг/м 3 , в Восточной Европе - 0,04 - 5,0 нг/м 3 (в среднем 0,5 нг/м 3), в Арктике и Антарктике - КГ 4 - 1(Г 3 нг/м 3 .
Эмиссия бенз(а)пирена с территории СССР составляла 985 т/год, тогда как для США эта величина была равна 1280 т/год. В последнее время наблюдается уменьшение поступления ПАУ в окружающую среду. Это связано как с уменьшением объемов промышленного производства в 90-е годы, так и с совершенствованием технологий сжигания органического топлива и очистки дымовых газов, а также с повышением требований к качеству выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания автомобилей. В частности, выброс бенз(а)пирена от промышленных источников в России уменьшился с 90 тонн в 1992 г. до 23 тонн в 1995 г. Заметное уменьшение объема выбросов объясняется не только сокращением производства, но и несовершенством системы мониторинга выбросов ПАУ, поскольку по многим областям отсутствуют официальные статистические данные о выбросах бенз(а)пирена. Более точные сведения можно получить при использовании данных о выбросах бенз(а)пирена на единицу сжигаемого топлива.
На фоне других загрязняющих веществ в воздухе крупных городов ПАУ присутствуют в незначительных количествах. Однако они вносят заметный вклад в загрязнение атмосферы промышленных центров наиболее опасными для здоровья человека веществами. В воздухе крупных городов концентрация бенз(а)пирена составляет от 0,1 до 100 нг/м 3 . В частности, во многих городах США среднее содержание бенз(а)пирена в атмосферном воздухе на наиболее оживленных автомагистралях достигает 6 нг/м 3 . В атмосферном воздухе большинства промышленных центров России бенз(а)- пирен содержится на уровне 2-3 нг/м 3 . Так, в пробах воздуха, отобранных во Владимире, концентрация бенз(а)пирена почти в три раза превышала ПДК для воздуха населенных мест - 2,9 нг/м 3 .
Высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха (6-15 нг/м 3) отмечен в городах, где размещены заводы по производству алюминия и металлургические комбинаты (Новокузнецк, Братск, Магнитогорск, Нижний Тагил, Красноярск, Челябинск, Липецк), а также в районах размещения крупнейших тепловых электростанций (Губаха, Канск, Назарово, Новочеркасск, Черемхово). В целом по России примерно в 25 городах среднегодовая концентрация бенз(а)пирена в атмосферном воздухе превышает 3 нг/м 3 . В частности, в Магнитогорске среднегодовые концентрации бенз(а)пирена
ТАБЛИЦА 2.8. Средние данные многолетних измерений концентраций бенз(а)пирена в атмосферных осадках, поверхностных водах и донных отложениях
|
Район наблюдения |
Атмосферные осадки, нг/л |
Поверхностные воды, нг/л |
отложения, |
|
Астраханский заповедник |
|||
|
Березинский заповедник |
|||
|
Кавказский заповедник |
|||
|
Приокско-Т еррасный заповедник |
|||
|
Центрально-Лесной заповедник |
|||
|
Баргузинский заповедник |
|||
|
Сихотэ-Алиньский заповедник |
|||
|
Чаткальский заповедник |
|||
|
Болгария (Рожен, Ропотамо) |
|||
|
Венгрия (Сарваш) |
|||
|
Германия (Нойглобзов) |
превышают ПДК в 9,4-12,1 раза. При этом показатели заболеваемости раком легкого у мужчин в наиболее загрязненных районах города в 1,5 раза выше по сравнению с менее загрязненными районами . Хотя в последние годы содержание бенз(а)пирена в атмосферном воздухе несколько снизилось, учитывая эффект отдаленного воздействия канцерогенных веществ, можно ожидать, что на протяжении 15-20 лет в городах с повышенным уровнем загрязнения воздуха будет регистрироваться более высокая частота рака легкого.
В осадках наиболее высокие концентрации бенз(а)пирена обнаружены вблизи крупных промышленных центров, что связано с общим содержанием ПАУ в воздухе районов, где выпали осадки. В табл. 2.8 приведены средние данные многолетних измерений концентраций бенз(а)пирена в дождевой воде на фоновых станциях.
В поверхностных водоемах концентрация ПАУ часто имеет довольно большие значения. Так, в ряде водоемов США содержание бенз(а)пирена доходило до 80 нг/л, а в озерах Германии - до 25 нг/л . Установлено, что если концентрация шести приоритетных ПАУ в воде не выше 40 нг/л, то данный водоем мало загрязнен.
Фоновая концентрация бенз(а)пирена в поверхностных водах России не превышает 10-11 нг/л. Самые низкие значения характерны для азиатской части и горных районов. В частности, в реках и озерах Камчатки и Курильских островов содержание бенз(а)пирена не превышает 0,1-1 нг/л. Расчеты показывают, что на 1 м 2 земной поверхности в европейской части России в течение года осаждается 110-170 мкг бенз(а)пирена.
Согласно представленным в табл. 2.8 данным, в донных отложениях фоновых районов средние концентрации бенз(а)пирена находятся на уровне 1-5 нг/г. Содержание ПАУ в верхних слоях отложений пресноводных водоемов сильно зависит от близости водоемов к индустриальным центрам. Так, в донном иле Великих озер США концентрация бенз(а)пирена изменяется от 10 до 1000 нг/г, в озерных отложениях стран Европы - от 100 до 700 нг/г (Швейцария) и от 200 до 300 нг/г (Германия), причем 2/3 его адсорбировано на взвешенных частицах, которые играют основную роль в процессах переноса бенз(а)пирена в водных системах .
Аналогично донным отложениям, почва также является местом накопления ПАУ в результате глобального переноса и поступления из антропогенных источников. Фоновые концентрации ПАУ в почвах зависят от их типа и характера использования. Обычно содержание бенз(а)пирена в поверхностном слое почв сельских районов России, находящихся вдали от индустриальных центров, не превышает 5-8 нг/г . Считается, что почва умеренно загрязнена ПАУ при содержании 20-30 нг/г, значительно - при 31- 100 нг/г и сильно - свыше 100 нг/г. При этом максимальное содержание ПАУ наблюдается в поверхностных слоях почв и связано с тем, что гумусовые горизонты, содержащие наибольшее количество органических веществ, имеют более высокую сорбционную способность, благодаря чему ПАУ накапливаются в почвах.
Фоновые концентрации полициклических ароматических углеводородов в растениях зависят в основном от их способности сорбироваться листьями при осаждении из воздуха и накапливаться в них. Повышенные концентрации бенз(а)пирена наблюдаются в мхах и лишайниках (до 50 нг/г и более). В траве содержание бенз(а)пирена довольно низкое (менее 1 нг/г), хотя в отдельных видах растений оно может достигать 20-30 нг/г. При этом через корни растений проникает меньшая часть ПАУ. Так, в капусте содержание бенз(а)пирена заметно выше, чем в помидорах - соответственно 15,6 и 0,22 мкг/кг. В зернах пшеницы бенз(а)пирен обнаружен на уровне 0,68-1,44 мкг/кг, в сушеных фруктах и черносливе - 16-23,9 мкг/кг .
ПАУ содержатся также в мясных и молочных продуктах. В колбасе твердого копчения содержание бенз(а)пирена составляет 0,2-3,7 мкг/кг, в вареной колбасе - 0,4-0,6 мкг/кг, в окороке и корейке - 16,5-29,5 мкг/кг, в сельди холодного копчения - 6,8-11,2 мкг/кг, в молоке и масле - 3,2-9,4 мкг/кг . Средняя концентрация бенз(а)пирена в морской рыбе находится в диапазоне 0,1- 0,2 мкг/кг. Исключение составляют угорь (1,1 мкг/кг) и лосось (5,9 мкг/кг). В речной рыбе содержание ПАУ зависит от загрязнения водоема. Заметим, что коэффициент биоконцентрирования ПАУ в рыбе меньше, чем в водных растениях и донных отложениях. В среднем за год с продуктами питания в организм жителя России поступает 1-2 мг бенз(а)пирена. При этом доза поступления бенз(а)пирена в организм человека за 70 лет жизни с продуктами растительного происхождения составляет только 3^1 мг.
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) относятся к наиболее сильным канцерогенным веществам. Достаточно 0,1 мг таких ПАУ, как бенз(а)пирен, чтобы вызвать опухоли у различных видов животных.
В настоящее время известно более 200 представителей данной группы, соединений, образующихся, как правило, при термическом воздействии на пищевые продукты. К наиболее активным канцерогенам относят: бенз(а)пирен, дибенз(а,h)антрацен, дибенз(а,i)пирен; к умеренно активным - бенз(h)флуорантен; к менее активным - бенз(е)пирен, бенз(а)антрацен, дибенз(а,с)антрацен, хризен и др. Наиболее известным представителем ПАУ является бенз(а)пирен.
Канцерогенная активность реальных сочетаний ПАУ на 70-80 % обусловлена наличием бенз(а)пирена. Поэтому по присутствию бенз(а)пирена в пищевых продуктах можно судить об уровне их загрязнения ПАУ и степени онкогенной опасности для человека.
Ежегодно в биосферу поступают тысячи тонн бенз(а)пирена природного происхождения, еще больше - за счет техногенных источников (промышленные предприятия, транспорт). ПАУ образуются в природе и попадают в объекты пищевых цепей прежде всего как результат сжигания при низких температурах углеводородного сырья, древесины, полимеров, пищи и др. Развитие неконтролируемых процессов неполного окисления приводит к тому, что в копченых продуктах (мясо, рыба) содержание бенз(а)пирена может превышать безопасные нормы. В частности, ПАУ образуются при пиролизе жира, капающего на древесный уголь и попадающего в мясо с дымом при копчении.
Условия термической обработки пищевых продуктов оказывают большое влияние на накопление бенз(а)пирена. В подгоревшей корке хлеба Обнаружено, до 0,5 мкг/кг бенз(а)пирена, в подгоревшем бисквите - до 0,75 мкг/кг, а в продуктах домашнего копчения - свыше 50 мкг/кг.
В свежих говядине и свинине бенз(а)пирен отсутствует, содержание
бенз(а)пирена в вареной колбасе составляет 0,2-0,5 мкг/кг, колбасе сырокопченой - 0-2, колбасе полукопченой - 0-7, рыбе - 0-2, рыбе копченой - 0,1-12,0, масле подсолнечном - 1-30, масле подсолнечном рафинированном - отсутствует, кокосовом масле - 15--45, овощах - 1-25, сухофруктах - 1-35 мкг/кг. ПДК бенз(а)пирена в воздухе составляет 0,001 мкг/м 3 , в воде - 0,005 мкг/л, в почве - 0,2 мг/кг.
Немало важную роль в загрязнении пищевых продуктов ПАУ могут играть полимерные упаковочные материалы. Некоторые компоненты пищевых продуктов являются элюентами, т. е. экстрагируют ПАУ из полимерной упаковки. Например, эффективным элюентом ПАУ является жир молока, который экстрагирует до 95 % бенз(а)пирена из парафинобумажных пакетов и стаканчиков.
Все это свидетельствует о необходимости соблюдения технологических регламентов и санитарно-гигиенических требований при производстве пищевых продуктов.
Наиболее эффективными путями снижения содержания ПАУ в пищевых продуктах являются совершенствование способов технологической и кулинарной обработки продуктов, удаление ПАУ путем рафинирования растительных масел, применение для производства копченых мясных продуктов коптильных жидкостей, стандартизованных по содержанию ПАУ.
Методы определения бенз(а)пирена в пищевых продуктах
Как отмечалось выше, бенз(а)пирен является индикатором присутствия в продуктах канцерогенных ПАУ. Обладая липофильными свойствами, бенз(а)пирен накапливается в основном в жировой фракции пищевых продуктов для того чтобы извлечь бенз(а)пирен из образца, необходимо провести щелочное омыление липидов анализируемого продукта, воздействуя на образец спиртовым раствором щелочи. При этом происходит щелочной гидролиз жиров с образованием глицерина и солей жирных кислот, а также остается неомыляемая фракция липидов, содержащая бенз(а)пирен.
Из неомыляемой фракции липидов бенз(а)пирен выделяют экстракцией гексаном. Полученный экстракт подвергают очистке от мешающих примесей методами колоночной хроматографии или твердофазной экстракции. Идентификацию и количественное определение бенз(а)пирена проводят методами спектрофлуориметрии, тонкослойной или высокоэффективной жидкостной хроматографии.
ПАУ представляют собой обширный класс химических соединений, насчитывающий более 200 представителей. Они широко распространены в объектах окружающей среды и стабильны в течение длительного времени. ПАУ обладают канцерогенной и мутагенной активностью.
ПАУ не производятся промышленностью. Канцерогенные ПАУ образуются в природе путем абиогенных процессов. Ежегодно в биосферу поступают тысячи тонн бенз(а)пирена природного происхождения (выделяются из гуминовых компонентов почвы). Большая же часть ПАУ поступает в биосферу за счет техногенных источников (сгорание нефтепродуктов, угля, дерева, мусора, пищи, табака, причем, чем ниже температура, тем больше образуется ПАУ).
Нафталин Антрацен Фенантрацен
Флуорен 3,4-Бензпирен Пирен
Хризен 1,2,5,6-Дибензантрацен Тетрафен
Согласно принятой классификации, ПАУ представляют собой органические соединения, основным элементом структуры которых является бензольное кольцо. Помимо незамещенных ПАУ, существует большое число полициклических соединений, содержащих различные функциональные группы в кольце или в боковой цепи (нитро-, амино,- сульфопроизводные, спирты, альдегиды, эфиры, кетоны и др.) Все соединения имеют углубление в структуре молекулы, так называемую «Вау»-область, характерную для многих канцерогенных веществ (рис. 2.2.).
«углубление» в структуре
Бенз(а)пирен
Большинство ПАУ – кристаллические соединения (за исключением некоторых производных нафталина) с высокой температурой плавления. В воде ПАУ плохо растворимы. При переходе к органическим растворителям растворимость ПАУ возрастает и зависит от их молекулярной массы. Как правило, с увеличением числа ароматических колец и алкильных радикалов растворимость ПАУ уменьшается. Следует отметить, что многие хорошо растворяющиеся в воде ПАУ не являются канцерогенами, но под действием УФ-излучения переходят в соединения, остротоксичные для водных организмов.
Большинство ПАУ интенсивно поглощают УФ-излучение (300–420 нм) и быстро фотоокисляются в атмосфере с образованием хинонов и карбонильных соединений. Так, в результате 20-минутного УФ-облучения происходит разложение 84,5% антрацена; 70,7% тетрафена; 52,0% 3,4-бензпирена; 51,5 хризена; 33,6% пирена.
Один из главных показателей токсичности ПАУ – их канцерогенность. Из обычного набора ПАУ, содержащихся в окружающей среде, наибольшую канцерогенную активность имеют бенз(а)пирен и 1,2,5,6-дибензантрацен. Канцерогенной активностью обладают и многие нитропроизводные ПАУ. Например, 1-нитропирен является токсичным мутагенным и канцерогенным веществом. Он попадает в окружающую среду при сжигании каменного угля, а также содержится в выхлопах дизельных двигателей. В результате развития высокочувствительных методов анализа в последнее время наряду с незамещенными ПАУ в окружающей среде и продуктах питания обнаружены их гетероциклические аналоги, иногда более канцерогенные, чем исходные соединения. Их присутствие в смеси с ПАУ может вызвать синергетический эффект.
Канцерогенная активность реальных сочетаний ПАУ на 70–80% обусловлена бенз(а)пиреном. Поэтому по присутствию бенз(а)пирена в пищевых продуктах и других объектах можно судить об уровне их загрязнения ПАУ и степени онкогенной опасности для человека.
Бенз(а)пирен используется в качестве индикатора ПАУ. Его обнаружение свидельствует лишь о факте загрязнения окружающей среды этими соединениями. Для получения реальной картины необходимо знать концентрацию 16 приоритетных веществ, которые формируют фоновое содержание ПАУ в атмосферном воздухе: нафталина, аценафталина, аценафтена, флуорена, фенантрена, антрацена, флуорантена, пирена, хризена, тетрафена, 3,4-бензфлуорантена, 11,12-бензфлуорантена, 3,4-бензпирена, 1,12-бензперилена, 2,3-о -фениленпирена, 1,2,5,6-дибензантрацена.
В группу приоритетных ПАУ для природных поверхностных вод входят шесть представителей данного списка: 3,4-бензпирен и 3,4-бензфлуорантен (сильные канцерогены), 1,12-бензперилен и 2,3-о -фениленпирен (слабые канцерогены), а также неканцерогенные, но токсичные флуорантен и 11,12-бензфлуорантен. Общая концентрация шести приоритеных ПАУ в питьевой воде не должна превышать 0,2 мкг/л.
ПАУ могут переходить из почвы в растения, корма для животных и затем в пищу человека. Фоновые концентрации бенз(а)пирена в растениях зависят от их способности накапливать ПАУ. В траве концентрации бенз(а)пирена довольно низкие (менее 1 нг/г), хотя в отдельных видах растений они могут достигать 20–30 нг/г. При этом растения усваивают бенз(а)пирен как через корневые системы, так и непосредственно из воздуха – загрязнение листьев и плодов. Так, в капусте содержание бенз(а)пирена заметно выше, чем в помидорах – соответственно 15,6 и 0,22 мкг/кг. В зернах пшеницы бенз(а)пирен обнаружен в количествах от 0,68 до 1,44 мкг/кг. В сушеных фруктах его содержание достигает 23,9 мкг/кг.
Среднее содержание бенз(а)пирена в морской рыбе находится в диапазоне 0,1–0,2 мкг/кг. Исключение составляют угорь (1,1 мкг/кг) и лосось (5,96 мкг/кг). В речной рыбе содержание ПАУ зависит от степени загрязнения водоема. Так, при концентрации бенз(а)пирена в донном иле 2,1–4,3 мкг/кг в плотве было найдено 0,03–0,04 мкг/кг, а в окуне 0,05–1,9 мкг/кг. Фактор биоконцентрированиия ПАУ в рыбе меньше, чем в водных растениях и донных отложениях.
В пищевом сырье, полученном из экологически чистых растений, концентрация бенз(а)пирена 0,03–1,0 мкг/кг. Условия термической обработки значительно увеличивают его содержание до 50 мкг/кг и более. Полимерные упаковочные материалы могут играть немаловажную роль в загрязнении пищевых продуктов ПАУ, например, жир молока экстрагирует до 95% бенз(а)пирена из парафинобумажных пакетов или стаканчиков.
С пищей взрослый человек получает бенз(а)пиренаа 0,006 мг/год; в России, только с продуктами питания – 1–2 мг. В интенсивно загрязненных районах эта доза возрастает в 5 и более раз. По другим сведениям, доза поступления бенз(а)пирена в организм человека за 70 лет только с продуктами растительного происхождения с учетом их кулинарной обработки составляет 3–4 мг.
Бенз(а)пирен попадает в организм человека с такими пищевыми продуктами, в которых до настоящего времени существование канцерогенных веществ не предполагалось. Он обнаружен в хлебе, овощах, фруктах, маргарине, в обжаренных зернах кофе, копченостях, жаренных мясных продуктах. Причем его содержание значительно колеблется в зависимости от способа технологической и кулинарной обработки или от степени загрязнения окружающей среды. В литературе имеются следующие данные о содержании бенз(а)пирена в продуктах питания (табл. 3.5).
О предельных концентрациях, оказывающих на человека канцерогенное действие, нет точных данных, так как локальное действие этих веществ проявляется только при непосредственном контакте. Опыты с животными показали, что при нанесении вещества кисточкой на отдельные участки тела активность проявляют уже количества порядка 10–
Таблица 3.5. – Содержание бенз(а)пирена в различных пищевых продуктах
| Наименование продукта | Наименование продукта | Содержание бенз(а)пирена, мкг/кг | |
| Свинина свежая | Не обнаружено | Сахар | 0,23 |
| Говядина свежая | Не обнаружено | Мука | 0,2–1,6 |
| Телятина свежая | Не обнаружено | Ржаной хлеб | 0,08–1,63 |
| Колбаса вареная | 0,26–0,50 | Помидоры | 0,22 |
| Колбаса копченая | 0–2,1 | Цветная капуста | |
| Жареная телятина | 0,18–0,63 | Картофель | 1–16,6 |
| Камбала свежая (сухая масса) | Кофе умеренно пожареный | 0,3–0,5 | |
| Красная рыба | 0,7–1,7 | Кофе пережареный | 5,6–6,1 |
| Сельдь холодного копчения | до11,2 | Сушеные фрукты: | |
| Молоко | 0,01–0,02 | сливы | 23,9 |
| Сливочное масло | 0–0,13 | яблоки | 0,3 |
| Подсолнечное масло | 0,93–30,0 | груша | 5,7 |
100 мкг. При попадании в организм ПАУ под действием ферментов образуют эпоксисоединение, реагирующее с гуанином, что препятствует синтезу ДНК, вызывает нарушения или приводит к возникновению мутаций, несомненно, способствующих развитию раковых заболеваний.
Житель больших городов вынужден вдыхать до 200 мг бенз(а)пирена в год (ПДК для бенз(а)пирена в воздухе населенных мест – 1 нг/м 3 (среднесуточная). Следует отметить, что ежегодная дополнительная доза курильщика, выкуривающего до 40 сигарет в день, составляет около 150 мг. Для горожан-курильщиков опасность состоит в том, что удвоенное поступление канцерогенов может привести к возникновению рака легких. Это подтверждается многочисленными медицинскими обследованиями курящих и некурящих людей в городах и сельской местности.
Определение бенз(а)пиренаа в пробах продуктов питания, воздуха и почвы проводят флуоресцентным методом. Методика основана на экстракции ПАУ из проб, фракционировании экстрактов методом ТСХ с последующей идентификацией и количественным определением бенз(а)пирена по спектрам флуоресценции при температуре жидкого азота. Предел обнаружения 10 –5 мг/кг.
Контрольные вопросы:
1. Каковы источники и пути попадания ПАУ в организм человека?
2. Характеризуйте воздействие ПАУ на организм человека.
3. Какие продукты питания содержат наибольшие количества ПАУ и почему?
4. Какие аналитические методы используются для определения содержания ПАУ?
§ 3.7. Пестициды
Таблица 3.6. – Структурные формулы некоторых пестицидов
| Алахлор | Атразин | Банвел Д | |
| Бендиокарб | Бенефин | Бентазон | |
| Гексахлорбензол | Гептахлор | Гутион | |
| Структурные формулы пестицидов | |||
| 2,4-Д | 2,4-Д Метиловый эфир | 2,4-Д изо Октиловый эфир | |
| Дактал | 2,4-ДБ | 2,4-ДБ Метиловый эфир | |
| ДДД | ДДЕ | Димилин | |
| Диурон | Дихлобенил | ДДТ | |
| Линдан | Тиофос | Амбуш (перметрин) | |
| Карбофуран | Метоксихлор | Метомил | |
| Парадихлорбензол | Пентахлорфенол | Прометон | |
| Прометрин | Пропазин | Пропанил | |
| Структурные формулы пестицидов | |||
| Рамрод | Ридомил | Симазин | |
| Суми-8 | Суми-Альфа | 2,4,5-Т | |
| 2,4,5-Т Метиловый эфир | 2,4,5-Т изоОктиловый эфир | ||
| Тебутиурон | Темик | ||
| NN-Триаллат | Трифлюралин | ||
| Фузилад | Хлорпрофам | ||
| Циперметрин | |||
Мировой рынок пестицидов оценивается в сумму около 30 миллиардов долларов ежегодно. Используется более миллиона тонн пестицидов, причем 60% из них – в сельском хозяйстве. Сегодня предлагается выбор из 5000 видов пестицидов и 700 химических ингредиентов. По сравнению с началом 40-х гг., когда были впервые использованы пестициды, их потребление в сельском хозяйстве возросло в десятки раз, а потери урожая из-за насекомых за последние 50 лет увеличились вдвое. Эта статистика ставит под сомнение «эффективность» пестицидов. Интересно, что применение пестицидов привело к развитию 650 видов вредителей, устойчивых к некоторым из этих ядов.
Пестициды подразделяются на два основных класса: хлорорганические и фосфорорганические.
Хлорорганические пестициды (ХОП) представляют собой хлорпроизводные многоядерных углеводородов (ДДТ), циклопарафинов (гексахлорциклогексан), соединения диенового ряда (гептахлор), алифатических карбоновых кислот (пропанид) и др. Отличительная особенность ХОП – присутствие в молекулах бензольных колец.
К фосфорорганическим производным относятся оединения общей формулы:
В качестве ФОП применяются сложные эфиры фосфорной (ДДВФ – диметилдихлорвинилфосфат, дибром, гардона), тиофосфорной (тиофос, метафос, метилмеркаптофос, кильваль, роннел и др), дитиофосфорной (карбофос, рогор, фосфамид, фталофосамифос), фосфоновой (хлорофос,) кислот, амиды пирофосфорной кислоты, алкилфосфорной, алкилфосфоновой и фторфосфорной кислоты.
Считается, что в мире сменилось за последнее столетие (эпоху наиболее массового их применения) три поколения пестицидов. Первое из них зародилось почти одновременно с первой мировой войной и составляли его в значительной степени обычные яды, токсичные для человека и позвоночных соединения мышьяка и ртутьорганические соединения, применявшиеся в больших концентрациях.
Другой класс соединений, к которому относятся многие пестициды второго поколения, – фосфорорганические соединения, в том числе эфиры тиофосфорной кислоты. Среди соединений этого класса – инсектициды октаметил, тиофос, меркаптофос. К этому поколению пестицидов относятся так же карбаматные гербициды и инсектициды, производные мочевины гербицидного действия, различные синтетические фунгициды, бактерициды, зооциды, нематоциды.
Отрицательные последствия применения пестицидов второго поколения обнаружились уже в 1950-е гг. Интересна судьба открытого в 1939 г. швейцарцем Паулем Мюллером инсектицида ДДТ. (Препарат токсичен, ЛД 50 – 200 мг/кг, ПДК в воде 0,1 мг/л, допустимые остатки в овощах и фруктах – 0,5 мг/кг, в других продуктах не допускается.) ДДТ сыграл огромную роль в борьбе с малярией, и в 1948 г. Мюллер был удостоин Нобелевской премии в области медицины за свое открытие. Однако, уже начиная с 1950 г., начали поступать сообщения о токсических свойствах ДДТ и реальной угрозе с его стороны для здоровья человека. Благодаря своей стойкости и летучести (период обращения вокруг Земли составлял всего 3–4 недели), ДДТ оказался одним из первых глобальных загрязнителей. Он был обнаружен на всех континентах, в том числе и в Антарктиде. Его способность аккумулироваться и передаваться по пищевым цепям привела к тому, что он был обнаружен в жировом слое пингвинов и в грудном молоке женщин. Все это способствовало тому, что уже в 60-х гг. в большинстве стран препарат был запрещен (в СССР с 1970 г).
По данным американских ученых, 60% всех гербицидов, 90% фунгицидов и 30% инсектицидов вызывают опухоли у животных. Многие из них помимо высокой токсичности обладают ярко выраженными кумулятивными свойствами, последствия которых проявляются в изменении иммунологического статуса организма, мутагенном и тератогенном действии.
Пестициды подразделяются по принятой в России классификации токсичности при введении в желудок экспериментальным животным на:
· особо токсичные – с ЛД 50 до 50 мг/кг,
· высокотоксичные – с ЛД 50 до 50–200 мг/кг,
· среднетоксичные – с ЛД 50 200–1000 мг/кг и
· малотоксичные – с ЛД 50 более 1000 мг/кг.
Отравления людей пестицидами разделяются на острые и хронические, и оценить количественно те и другие чрезвычайно сложно. Хронические отравления вообще пока не поддаются количественной оценке. По оценке американских исследователей, до 40% людей, профессионально связанных с производством и применением пестицидов, судя по биохимическим показателям крови, имеют признаки серьезного отравления. Это, однако, не единственная группа риска, подвергающаяся опасности со стороны пестицидов. К ним относятся также люди, живущие в окрестностях мест применения пестицидов; потребители, получающие пестициды в продуктах питания; те, кто пьет воду из источников, находящихся рядом с захоронениями неиспользованных и запрещенных пестицидов, и другие.
В 1960-е гг. основным источником отравления пестицидами являлись ртутьорганические пестициды, поражающие у человека в первую очередь нервную систему, затем на смену пришли хлорорганические пестициды. До настоящего времени из их числа остался среди используемых гранозан. Наиболее токсичны из этого класса пестицидов альдрин (ЛД 50 40–50 мг/кг), дильдрин (ЛД 50 25–50 мг/кг), ГХЦГ, полихлорпинен, линдан (ЛД 50 25–200 мг/кг), хлориндан и ДДТ. Все это яды разностороннего воздействия, поражающие нервную систему, печень, почки, сердце, органы внутренней секреции.
Механизм токсического воздействия хлорпроизводных углеводородов на организмы еще не ясен. Ряд авторов полагают, что при отравлении ими нарушается тканевое дыхание. Механизм токсического действия ХОП связывают также с изменением ряда ферментных систем, в частности они блокируют SH-группы тканевых белков, нарушают биосинтез белка. Известно, что ХОП растворяются в жировой оболочке, окружающей нервные волокна, и влияют на перенос ионов в волокна и из них. Этот процесс очень важен для передачи нервных импульсов. Нарушения в движении ионов выражаются в появлении содроганий и конвульсий, приводя к смерти. Для млекопитающих ХОП особенно опасны способностью воздействия на репродуктивную функцию. Некоторые ХОП способны нарушать также структуру генетического аппарата. При высокой устойчивости в природе и широком распространении действие ХОП во многом аналогично действию диоксинов и дибензофуранов.
Среди фосфорорганических пестицидов наиболее опасными являются меркаптофос, метилмеркаптофос, октаметил, бутифос, трихлорметафос, метафос (ЛД 50 35 мг кг), тиофос (ЛД 50 6–50 мг/кг). Все эти вещества ныне запрещены, хотя многие из них – лишь недавно, и запреты долгое время нарушались. Продолжает использоваться инсектицид метафос, ставший причиной массовых отравлений в Гватемале и Никарагуа.
Если механизм действия, патогенез и принципы терапии отравлений хлор- и фосфорорганическими соединениями хорошо известны, то про адонис, представитель пиретроидов, мало кто знает, что это высокотоксичный препарат с ЛД 50 для крыс 100 мг/кг. Токсикодинамика и токсикокинетика его в организме сельскохозяйственных животных не изучены, антидоты не известны.
Потенциальную опасность пиретроидов врачи явно недооценивают. Общепризнанно мнение, что это малотоксичные и быстро разлагающиеся в объектах окружающей среды, организме животных и человека соединения. Однако экспериментальные данные свидетельствуют о том, что лишь у насекомых быстро вырабатывается устойчивость к этим препаратам. Для сельскохозяйственных животных и человека они более опасны.
Синтетические пиретроиды – это нейротропные яды. Накопление их в меньшей степени происходит в стволовой части, а больше в ингибиторных синапсах переднего мозга. Мишенью для этих препаратов являются натриевые каналы, которые переходят в пролонгированное открытое состояние, ведущее к возбуждению нервной системы. По мнению ряда авторов, пиретроиды более токсичны, чем фосфорорганические соединения и карбаматы.
Каждый день в мире происходит около 3000 случаев отравления пестицидами. Это более миллиона отравлений в год химическими веществами, загрязняющими воздух, почвы, воду и продукты. В 2005 году страны ЕС начали пытаться ввести единые стандарты в оценке опасности химических веществ, попадающих в продукты питания, и единую маркировку для продуктов питания.
Спектр оказываемого вредного влияния пестицидов, особенно хлорорганических, для здоровья человека очень широк: от острого отравления до мутагенной их активности. Пестициды – одна из причин вымирания видов. Являясь фактором отбора, они обладают способностью повреждать генетический аппарат клетки и вызывать мутации. Даже небольшие эволюционные сдвиги приводят, в конце концов, к изменению в генетической системе организма, а затем и к изменению поведения, что может повлиять на дальнейший ход эволюции. Известно, что ДДТ нарушает численность популяций некоторых микроорганизмов, а это может приводить к изменениям видового разнообразия сообществ и разрывам пищевых цепей.
Организация по защите окружающей среды допускает, что из 320 пестицидов, разрешенных к применению в агрономии, по меньшей мере, 66 – предполагаемые канцерогены. Многие из этих пестицидов смешиваются с 1200 нейтральными ингредиентами, состав которых производители не обязаны разглашать, ссылаясь на «коммерческую тайну». Для 800 из них до сих пор не установлены уровни токсичности, они предположительно являются канцерогенами.
Во многих странах действует автоматизированный мониторинг, обеспечивающий информацию об уровнях пестицидов и других хлорорганических соединений в продуктах питания. При мониторинге, в большинстве стран, определяются остаточные количества более 150 пестицидов, относящиеся к 45 группам, в более чем 260 видах пищевых продуктов. Результаты продолжительного мониторинга показывают возрастание общего содержания пестицидов в продуктах растительного и животного происхождения. Особенно это касается таких продуктов, как картофель, лук, капуста, помидоры, огурцы, морковь, свекла, яблоки, виноград, пшеница, рыба прудов и водохранилищ, молоко. Причем повышение допустимого уровня содержания пестицидов в 5 и более раз следует понимать как экстремальное загрязнение, а оно наблюдается, к сожалению, в широком ассортименте продуктов питания.
Максимально допустимые уровни содержания пестицидов в некоторых растительных и животных пищевых продуктах приведены в «Медико-биологических требованиях и санитарных нормах качества продовольственного сырья и пищевых продуктах», утвержденных 1.08.89 № 5061-89. Особенно строгий контроль должен быть за содержанием пестицидов в продуктах, предназначенных для детского и диетического питания. В таблице 3.7. приведены предельно допустимые остаточные количества некоторых пестицидов в продуктах питания.
Таблица 3.7. – Предельно допустимые остаточные количества некоторых пестицидов в продуктах питания
| Наименование пестицида | Наименование пищевого продукта | Допустимое остаточное кол-во в мг/кг |
| Гексахлоран (смесь изомеров гексахлорциклогексана) | Молоко, мясо,яйца, масло. Все остальные пищевые продукты. | не допускается 1,0 |
| Гербициды группы 2,4-Д | Все пищевые продукты | не допускается |
| Гептахлор | Все пищевые продукты | не допускается |
| ДДД | Зерно Овощи, фрукты | 3,5 7,0 |
| ДДТ | Овощи, фрукты Все остальные продукты | 0,5 не допускается |
| Карбофос | Овощи, фрукты и др. продукты Зерно | 1,0 3,0 |
| Меркаптофос | Зерно Плоды | 0,35 0,7 |
| Метафос | Все пищевые продукты | не допускается |
Сегодня без применения пестицидов не решить проблем уничтожения ряда насекомых и повышения урожайности, поэтому очень важен контроль за производством и применением пестицидов со стороны различных ведомств и организаций, а также информация населения о неблагоприятном воздействии этих соединений на организм человека. Однако в решении проблемы, связанной с негативным влиянием пестицидов на организм человека, существуют свои объективные трудности. Пестициды, поступающие в организм с пищевыми продуктами, подвергаются биотрансформации, и это затрудняет их обнаружение и осложняет раскрытие механизмов воздействия на человека. Кроме того, промежуточные продукты биотрансформации бывают более токсичны, чем первоначальный пестицид, и, в связи с этим, огромное значение приобретает опасность отдаленных последствий. Особую тревогу специалистов вызывает отсутствие чувствительных и хорошо воспроизводимых в лабораторных условиях методов определения остаточных количеств пестицидов вообще, и синтетических пиретроидов в частности.
В условиях расширяющегося рынка пестицидных препаратов существующие методы определения остаточных количеств пестицидов в объектах окружающей среды, продуктах растительного и животного происхождения распространяются лишь на малую часть применяемых пестицидов.
Используемые в практике методы испытаний, как правило, нуждаются в тщательной экспертизе и стандартизации. Большинство из них разработано на низком техническом уровне, многие методы трудоемки, длительны и не позволяют получать достоверную информацию о массовой концентрации этих веществ в объектах исследования. В результате при использовании официально утвержденных методов определения пестицидов в токсикологических лабораториях станций защиты растений, агрохимических, ветеринарных лабораториях и лабораториях других министерств и ведомств часто получают разноречивые результаты.
Это связано с отсутствием стандартных образцов пестицидов, что обусловливает построение калибровочных кривых на основе технических препаратов, и с низкой воспроизводимостью в условиях наших лабораторий методик, предлагаемых фирмами-производителями, и с несовершенством используемых методов математической обработки полученных результатов.
Методы определения пестицидов. Поиск оптимальных методов анализа пестицидов – одна из важнейших проблем аналитической химии. С современных позиций к ним, в первую очередь, относятся капиллярная газовая хроматография (ГХ), высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), тонкослойная хроматография (ТСХ) и капиллярный электрофорез (КЭ). Эти методы обладают высокой разделяющей способностью, необходимой при анализе многокомпонентных образцов, и высокой чувствительностью, позволяющей определять пестициды на уровне концентраций 1 мкг/дм 3 и ниже.
Выбор конкретного метода анализа во многом определяется самой аналитической задачей. К типичным задачам можно отнести следующие:
−определение пестицидов на разных стадиях их производства, приготовления готовых форм, при их хранении;
−определение остаточных количеств пестицидов в сельскохозяйственной продукции, в почве и в природных водах;
−определение пестицидов в биологических образцах;
−определение пестицидов в продуктах питания, в атмосфере, в питьевой воде.
Две последние задачи являются наиболее сложными, так как они требуют одновременного определения не заведомо известных веществ, а набора соединений из всего списка применяемых на практике пестицидов, количество которых превышает 1000 названий. Задачи такого типа иногда называют скриннинговыми. Их решают, главным образом, с помощью метода ГХ с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС), когда идентификация пестицидов осуществляется по заранее созданной библиотеке масс-спектров.
Учитывая большое разнообразие пестицидов при выборе методов их определения предпочтение, очевидно, надо отдавать «универсальным» методикам. Лаборатория, работающая по принципу «для каждого вещества свой метод анализа», может обеспечить высокую производительность лишь только по отношению к относительно малому количеству веществ. Переход от одной группы пестицидов к другой требует больших затрат времени на перестройку и калибровку приборов, приготовление стандартов и пр.
Рассматривая химико-аналитические методы с точки зрения их «универсальности» по отношению к анализу пестицидов, можно сделать следующие замечания.
Метод ТСХ достаточно чувствительный и простой в исполнении, однако в силу своей относительно невысокой разрешающей способности «универсальным» быть не может.
Метод ГХ обладает очень высокой разрешающей способностью, но его применение ограничивается термической лабильностью ряда пестицидов и необходимостью привлекать различные способы химической дериватизации многих пестицидов для повышения их летучести.
Метод капиллярного электрофореза, имея высокую разрешающую способность, не обеспечивает приемлемую концентрационную чувствительность и требует весьма высокую степень концентрирования образца, что часто нельзя осуществить из-за ограниченной растворимости пестицидов.
Метод ВЭЖХ обеспечивает для решения многих задач достаточное разрешение, не требует, как правило, предварительной дериватизации и пригоден для анализа термолабильных пестицидов. В сочетании с ГХ он позволяет решить практически все задачи, и именно эти два метода нашли наибольшее распространение в современной экологической аналитической химии.
Пестициды, как уже говорилось, отнесены к приоритетным экотоксикантам, и поэтому, должны находиться под постоянным контролем в объектах окружающей среды. Мониторинг пестицидов предусматривает их количественное определение в широком интервале концентраций, включающем уровень фона. Среди методов анализа, которые применимы к определению пестицидов, в первую очередь относятся высокоэффективные варианты газовой и жидкостной хроматографии.
Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) – один из самых информативных аналитических методов. Он широко используется во всех развитых странах, но, по сравнению с другими физико-химическими методами анализа, требует весьма высокой квалификации персонала, а стоимость одного анализа достигает нескольких десятков и даже сотен долларов США. Таким образом, упрощение самой процедуры ВЭЖХ-анализа и снижение ее стоимости предоставляется важной задачей.
Указанные недостатки ВЭЖХ обусловлены тем, что для каждого пестицида (или группы пестицидов) нормативные документы регламентируют свой «уникальный» вариант ВЭЖХ-анализа. Это приводит к необходимости часто перестраивать хроматограф, что занимает много времени и требует определенного опыта. Кроме того, аналитическая лаборатория, выполняющая анализы с привлечением многих разных методик, вынуждена содержать целый склад дорогостоящих колонок, органических растворителей и стандартных образцов пестицидов.
К пестицидам, определяемым в мировой практике методом ВЭЖХ, относятся труднолетучие и термолабильные соединения. К ним относятся атразин, симазин, хлорпрофам, линурон, хлортолурон, алахлор, трифлюоалин.
В анализе пестицидов используются особые методы пробоподготовки, которые представляется полезным рассмотреть более подробно.
Жидко-жидкостная экстракция (ЖЖЭ) – классический способ извлечения пестицидов из водных образцов. Обычно проводят повторяющуюся несколько раз экстракцию из 500–1000 мл водного образца в делительной воронке. Наиболее популярным растворителем является дихлорметан. Он способен экстрагировать соединения с различной полярностью и легко упаривается. Методы Агентства по охране окружающей среды США (ЕРА US) 8120 и 8140 используют ЖЖЭ с помощью дихлорметана для определения в воде 15 хлорорганических и 21 фосфорорганических пестицидов. Для извлечения гербицидов – производных карбоновых кислот – исходную воду подкисляют до рН<2 и затем экстрагируют неионизованные молекулы диэтиловым эфиром или дихлорметаном.
Классическая ЖЖЭ трудно автоматизируется, требует больших объемов токсичных растворителей и весьма продолжительна по времени. Разделению слоев растворителей при анализе сильно загрязненных вод часто мешает образование устойчивых эмульсий. В таких случаях рекомендуют одиночную длительную ЖЖЭ делительной воронке объемом 1л c растворителем, тяжелее воды.
Хотя классическая ЖЖЭ имеет много недостатков, она продолжает совершенствоваться. Так появилась микроЖЖЭ, разработаная как альтернативный метод для определения гербицида алахлор и двух его метаболитов. Принцип микроЖЖЭ – экстракция из большого объема воды (400 мл) очень маленьким объемом растворителя (500 мкл толуола) – может быть применена в качестве подготовки пробы для анализа методом ГХ без стадии испарения, что важно для определения высоколетучих соединений. В сравнении с твердофазной экстракцией этот метод подготовки пробы быстрее и дешевле.
Большое число разных гербицидов (фенилмочевины, триазины, динитроанилины, хлорацетамиды и урацилы) экстрагируют из пищевых продуктов механическим встряхиванием или гомогенизацией с органическими растворителями, такими как метанол, ацетонитрил, часто смешанными с водой дихлорметаном или этилацетатом, иногда при кислом значении рН.
Высокополярные гербициды, такие как глифосат, нерастворимы в большинстве органических растворителей и их экстрагируют водой или водой с хлороформом, иногда при кислом значении рН. При этой процедуре другие растворимые в воде компоненты (аминокислоты, аминосахара и др.) экстрагируются также. Их присутствие мешает определению глифосатов и делает необходимой очистку экстрактов, которая чаще всего осуществляется на ионообменных хроматографических колонках.
Бипиридиновые пестициды (дикват и паракват – четвертичные аммониевые соединения) обычно экстрагируют из матриц дефлегмацией или нагреванием с серной или с соляной кислотами, после чего проводят твердо-фазную экстракцию и хроматографию.
Твердофазная экстракция (ТФЭ) как метод подготовки образцов известна уже 50 лет. Ее преимущества: экономия времени и растворителей, исключение опасности образования эмульсий, возможность выделения следовых количеств аналита, возможность автоматизации. Особенно часто ТФЭ применяют при анализе природных вод.
ТФЭ активно применяют для определения триазиновых пестицидов и продуктов их распада – гидрокси-s -триазинов, гербицидов – производных мочевины, N -метилкарбаматов и их полярных метаболитов, хлорорганических и фосфорорганических инсектицидов, полярных пестицидов пиретроидов, триазольных и пиримидиновых пестицидов. Разработаны методы ТФЭ многокомпонентных смесей, включающие большое число пестицидов различных классов. Для повышения эффективности экстракции полярных пестицидов иногда применяют колонки со смесью двух сорбентов, например фаз С18 и Фенил.
При ТФЭ кислот на фазах С18 для уменьшения потерь раствор образца целесообразно подкислить до рН<2. Для ТФЭ неионных соединений иногда применяют графитированные сорбенты и фазы, представляющие собой макросетчатые стирол-дивинилбензольные полимеры. Для пестицидов триазиновой группы, производных мочевины и группы феноксикислот успешно используют картриджи с активированной графитированной сажей Carbopack B , ионообменные смолы в ацетатной форме и фазу пропил-NH 2 . Для ТФЭ фосфорорганических пестицидов применяют мембранные диски из полистирол-дивинилбензола типа «XAD ».
Сверхкритическая жидкостная экстракция (СКЖЭ) является относительно новым методом, применяемым для извлечения веществ с помощью специальных экстрагентов – «сверхкритических» жидкостей. Такими экстрагентами могут быть жидкие СО 2 , NH 3 , пропан, бутан и др. Перечисленные газы переходят в жидкое состояние при высоких давлениях, поэтому СКЭЖ проводят в автоклавах. После окончания экстракции давление в автоклавах сбрасывают до атмосферного, газ-экстрагент улетает, и в автоклаве остаются только экстрагированные вещества. Их растворяют в подходящих растворителях и растворы анализируют.
СКЖЭ используется главным образом для анализа различных классов пестицидов в почвах, тканях животных и растений. Регулируют эффективность экстракции путем добавок к экстрагенту других растворителей. Наиболее распространенный сорастворитель, добавляемый к углекислоте – метанол. Его добавление позволяет преодолеть матричные эффекты, когда пестициды, прочно связанные с матрицей, чистой углекислотой не экстрагируются. Кроме этого, добавка метанола или ацетона повышает растворимость в углекислоте полярных соединений.
Прямая СКЖЭ редко используется для экстракции аналитов из водной матрицы. Ограничение метода связано с проблемой образования льда и с проблемой удаления воды
По окончании пробоподготовки количественное определение пестицидов осуществляют методом ВЭЖХ и часто с УФ-детектором.
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение пониятию «пестициды».
2. Классификации пестицидов по каким признакам вы знаете?
3. Характеризуйте ХОП, ФОП и пиретроиды по их токсическому воздейстию на организм, распространенности и устойчивости в окружающей среде?
4. Каковы механизмы токсического воздействия различных классов пестицидов на организм человека?
5. Какие особые методы пробоподготовки используются при определении пестицидов?
6. Какие аналитические методы используются для определения содержания пестицидов в продуктах питания?
Полициклические ароматические углеводороды - большая группа соединений, в которую входят многие вещества с различной степенью канцерогенной активности. Такие смеси ПАУ, как сажа, каменноугольный деготь, минеральные масла и др, давно признаны в качестве канцерогенов человека, вызывая у работающих с ними опухоли кожи, респираторного тракта н некоторых отдаленных от мест прямого контакта с канцерогеном органов.
В качестве индикатора ПАУ используется бенз(а)пирен (БП), практически всегда обнаруживаемый там, где присутстввуют и другие ПАУ. Однако относительное содержание БП в загрязнениях окружающей среды невелико. Так, в выхлопных газах автомобилей средняя относительная концентрация БП по отношению к сумме всех ПАУ, принятой за 100%, составила 2,8%, флуораитена - 25,3%, хризена - 14,8% Это было подтверждено н изучением состава ПАУ в водах. Каспийского и Балтийского морей, где содержание БП в приводном слое составило 0,7%, а в донных отложениях - 3,7% по отношению к сумме всех ПАУ.
Среди тех ПАУ , которые загрязняют биосферу, БП - сильнейший канцероген (MX и ДМБА в загрязнениях не обнаруживаются), но поскольку человек всегда подвергается действию смесей ПАУ и практически нет случаев, где действующим началом был бы только БП, вопрос о его канцерогенности для человека остается открытым.
Проведенные сотрудниками Л. М. Шабада исследования показали практически повсеместное присутствие БП в биосфере почве, растениях, атмосферном воздухе, воде. В качестве источников ПАУ были определены промышленность, отопительные системы, транспорт. Уровень БП находится в обратной зависимости от расстояния между источниками его образования (заводы и т. д.) и местом, где он исследовался. Современный самолет выбрасывает несколько мг БП в минуту. Хотя эти выбросы представляют меньшую опасность для населения, чем выбросы автомобилей, они способствуют глобальному загрязнению среды канцерогенными ПАУ.
Влияние деятельности человека на уровень загрязнения биосферы ПАУ убедительно продемонстрировано сотрудниками Л. М. Шабада изучением БП в воде рек, морей и океанов, куда по различным каналам постоянно поступают биологически активные химические соединения. Содержание БП колеблется в зависимости от интенсивности н характера источника загрязнения ПАУ. В донных отложениях происходит накопление ПАУ, концентрация БП достигает колоссальных величин (7500-8030 мкг/кг).
В почве БП
был обнаружен повсеместно, в том числе и в местах, весьма удаленных от промышленности и автомобильных дорог, в концентрациях 1-5 мкг/кг. В связи с глобальным антропогенным загрязнением ПАУ выяснить происхождение этого уровня в настоящее время трудно А П Ильницкий и соавт (1Э79) предприняли изучение БП в вечномерзлых грунтах, в которых в течение многих столетий и тысячелетий приостановлена деятельность микроорганизмов, сведены к минимуму окислительно-восстановительные процессы. Их результаты показали, что природный фон ПАУ существовал в течение многих тысячелетий.
Еще более интересным
является то, что этот уровень оказался практически одинаковым с современным фоновым уровнем БП в почве, равным 1-5 мкг на 1 кг сухой почвы.
Природными источниками ПАУ являются горючие ископаемые, вулканическая деятельность н, по всей вероятности, биогенный синтез их растениями. По расчетам А. П. Ильннцкого и соавт. (1977), ежегодно с вулканическим пеплом в атмосферу выбрасывается несколько тонн БП. Количество это невелико по сравнению с техногенными загрязнениями БП.
В небольших количествах БП обнаруживают в овощах, хлебе, фруктах, несколько больше - в копченостях. По данным разных авторов, в организм человека с пищей попадает 4-30 мг БП за 70 лет жизни.
На основании результатов многочисленных исследований Л. М Шабадом были разработаны представления о циркуляции канцерогенов в окружающей среде. Канцерогены, поступающие из различных источников в атмосферу, загрязняют почву, переходят в растения и попадают в корм животных и пищу человека. Канцерогены, загрязнившие водоемы, накапливаются в водорослях, моллюсках, рыбе и опять же попадают в пищу человека. Показана способность некоторых морских н речных организмов накапливать БП. Не следует, разумеется, думать, что канцерогены, попавшие в ту или иную среду, не подвергаются в ней никаким изменениям.
Деградация БП в атмосферном воздухе может происходить под действием ультрафиолетовой радиации, в живых организмах - под действием микросомальных ферментов тканей, в почве и воде - в результате жизнедеятельности микробов.
ПАУ являются канцерогенами главным образом местного действия. При нанесении на кожу они вызывают эпителиальные опухоли, возникающие из эпидермиса или из придатков кожи, при введении через желудочный зонд - папилломы и карциномы входного отдела желудка, выстланного плоским эпителием (но не железистого желудка), при интратрахеальном введении - эпителиальные опухоли легких. Во всех этих случаях могут развиваться и саркомы. Саркомы легко индуцируются на месте введения ПАУ под кожу или в мягкие ткани. Опухоли практически любого органа могут быть индуцированы местным воздействием ПАУ.
Пилюли , содержащие ДМБА, могут индуцировать глиомы в ткани мозга; нити, пропитанные ДМБА, вызывают развитие вокруг этих нитей эпителиальных и соединительнотканных опухолей в ткани почки ПАУ вызывают аденокарциномы желудка в искусственно созданном дивертикуле железистой части желудка и т. д. ПАУ, однако, обладают и системным действием, т. е. могут вызывать опухоли в органах, отдаленных от места введения. Наиболее яркий пример - индукция опухолей молочных желез у крыс при внутрижелудочном введении ДМБА
ПАУ способны взаимодействовать со всеми основными макромолекулами клетки РНК, ДНК и белками. В течение длительного времени считалось, что полициклические углеводороды, обладающие сильным канцерогенным действием на месте их нанесения, действуют прямо, а не через их метаболиты. В настоящее время убедительно показано, что и эти соединения являются лишь проканцерогенами, метаболизирующимися как in vivo, так к in vitro многими тканями, в том числе и эпителием и фибробластами кожи.
Существует ряд путей метаболических превращений БП , в результате одних образуются конечные канцерогены (для БП это дигидродиолэпоксиды), в результате других - неканцерогениые фенолы, хиноны н др (ферментативные превращения БП показаны на схеме 3). Образование активных метаболитов ПАУ осуществляется ферментной системой NAPDH-зависнмых монооксигеназ, содержащих цитохром Р-450, ферментом эпоксидгидратазой и ферментной системой, локализованной в мембранах ядерных оболочек.
Полиядерные ароматические углеводороды - большая группа органических соединений, содержащих два бензольных кольца или более. Они относительно мало растворяются в воде, но хорошо - в жирах. Почти все количество ПАУ в атмосфере абсорбировано поверхностью взвешенных частиц. Существует несколько сотен ПАУ; наиболее известен бенз[а]пирен.
Источники. Образуются в основном в результате пиролиза, особенно неполного сгорания органических материалов, а также в природных процессах (карбонизация). Источники включают производство кокса, использование угля для обогрева, автотранспорт, сжигание нефти и угля на ТЭС (незначительный процент).
Атмосфера. В атмосфере идентифицировано более 500 ПАУ. Большинство измерений проводится по бенз[а]пирену. Фоновый уровень бенз[а]пирена (за исключением лесных пожаров) может быть практически нулевым. В настоящее время среднегодовые концентрации бенз[а]пирена в воздухе большинства городов укладываются в диапазон 1-10 нг/м 3 . Очень высокие концентрации бенз[а]пирена возможны в воздухе рабочей зоны. Обоснованность применения бенз [а] пирена в качестве индикатора ПАУ весьма проблематична. Его обнаружение свидетельствует лишь о факте загрязнения окружающей среды этими соединениями. Для получения реальной картины необходимо знать концентрацию 16 приоритетных веществ, которые формируют фоновое содержание П АУ в атмосферном воздухе: нафталина, аценафталина, аценаф- тена, антрацена, флуорена, фенантрена, флуорантена, пирена, хризена, тетрафена, 3,4-бензфлуорантена, 11,12-бензфлуорантена, 3,4-бензпирена, 1,12-бензперилена, 2,3-о-фениленпи- рена, 1,2,5,6-дибензантрацена. Индикаторами промышленных выбросов являются пирен, флуорантен, 1,12-бензперилен, 3,4-бензфлуорантен и 2,3-о-фениленпирен; индикаторами выбросов двигателей внутреннего сгорания - 1,12-бензперилен, 3,4-бензфлуорантен и 2,3-о-фениленпирен (первый обычно преобладает).
Вода. В питьевой воде наблюдались концентрации бензапирена от 0,1 до 23,4 мкг/дм 3 . В группу приоритетных ПАУ для природных поверхностных вод входят сильно канцерогенные 3,4-бензфлуорантена и 3,4-бензпирен, слабые канцерогены 11,12-бензперилен и 2,3-о-фениленпирен, а также неканцерогенные, но токсичные флуорантен и 11,12-бензфлуорантен. Согласно рекомендации ВОЗ, общая концентрация шести приоритетных ПАУ в питьевой воде не должна превышать 0,2 мкг/дм 3 .
Продукты питания. В некоторых продуктах ПАУ были найдены в значительных количествах; содержание зависит от метода обработки, консервирования и хранения.
Влияние на здоровье. Бенз[а]иирен является местным канцерогеном. Исследования в основном отмечают развитие рака легких в результате поступления ПАУ с воздухом; меньше сообщений о канцерогенности ПАУ, поступивших с пищей, хотя абсолютное количество может быть намного большим, чем в случае поступления с воздухом. Содержание бенз[а]пирена может быть использовано для оценки канцерогенного потенциала фракции ПАУ в атмосферном воздухе, но при строгом рассмотрении следует учитывать, что на канце- рогенность смесей ПАУ может влиять синергизм или антагонизм с другими веществами, выбрасываемыми вместе с ПАУ при неполном сгорании. Кроме того, канцерогенность ПАУ зависит от структуры. Так, бенз[а]пирен - сильный канцероген, а его структурный изомер - бенз[е]пирен - не является канцерогеном. Коронен - основной компонент выхлопов автомобильных двигателей, неканцерогенен. Таким образом, чтобы установить, насколько токсична смесь ПАУ, требуется определить не только их суммарное содержание, но и содержание каждого компонента в отдельности.