Экология СПРАВОЧНИК

Как и любой другой аспект прикладной экологии, эколого-аналити-ческий мониторинг загрязнений находится на стыке различных дисциплин и включает в себя ряд проблем. Применительно к окружающей среде термин мониторинг означает “систему непрерывных наблюдений, измерений и оценки состояния окружающей среды в соответствии с заранее подготовленной научно обоснованной программой” [7] и является как бы составной частью понятия контроль, которое включает в себя не только наблюдение и получение информации, но и элементы принятия решений и управления.

Далее

Заметим, что подход, основанный на санитарно-гигиенических требованиях к качеству окружающей среды, является основным в России и большинстве стран мира [29]. По своему смыслу он отвечает принципу “нулевого ущерба” Однако при регулировании качества природной среды только на основе предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ возможно поступление в окружающую среду значительных количеств ксенобиотиков, что может привести к опасным нагрузкам на биологические системы Спорными являются и величины ПДК, так как при расширении наших знаний о воздействии химических веществ на человека, совершенствовании техники измерений допустимый порог такого воздействия смещается.

Далее

В Волгу, бассейн которой обеспечивает питьевой водой более 60 млн. человек, ежегодно сбрасывается свыше 20 км3 сточных вод, в том числе 2,5 км3 неочищенных и более 7 км3 загрязненных. Особенно высока загрязненность воды реки в районе расположения крупных промышленных предприятий и городов. Так, в Куйбышевском и Саратовском водохранилищах содержание хлорорганических соединений зачастую в десятки раз превышает ПДК. Вода этих водоемов проявляет мутагенную активность, подтвержденную тремя разными биотестами [40].

Далее

Как уже отмечалось выше, опасность суперэкотоксикантов для человека в значительной мере предопределяется способностью последних к кумуляции. При этом различные болезненные состояния могут развиваться спустя длительные сроки после воздействия на организм тех или иных веществ. Отдаленными последствиями интоксикаций являются также различные пороки развития, уродства и наследственные болезни. Такое действие отмечено у многих суперэкотоксикантов [1].

Далее

Следует заметить, что живые организмы имеют механизмы детоксикации в отношении тяжелых металлов. Так, в ответ на токсическое действие РЬ2+, Сс12+ и 1 2+ печень и почки человека увеличивают синтез ме-таллотионинов - низкомолекулярных белков, в состав которых входит цистеин. Высокое содержание в последнем сульфгидрильных 8Н-групп обеспечивает связывание ионов металлов в прочные комплексные соединения.

Далее

Хотя в общем балансе гидросферы Мировой океан занимает ведущее место, существенное значение для биосферы в целом играет ггресная вода. Имеющиеся расчеты показывают, что мировое потребление пресной воды к 2000 г. составит около 16 млрд л. т е 70% всех разведанных запасов. Поэтому обследованию водоемов на загрязненность долгоживущими ксенобиотиками, в том числе и суперэкотоксикантами, в настоящее время уделяется особое внимание.

Далее

Заметим также, что оценка в почве лишь валового содержания загрязняющих веществ корректно отражает ситуацию только для долгоживущих радионуклидов, когда устанавливается превышение фактггческого уровня излучения над фоновым Для других ксенобиотиков, даже с учетом коэффициентов аномальности (отношение концентрации токсичного вещества в верхнем слое почвы к его фоновому содержанию), уровни их валового содержания в почве во многих случаях не позволяют адекватно оценить степень негативного влияния на качество сельскохозяйственной продукции и живые организмы. Необходимо знать концентрацию подвижных форм загрязняющих веществ.

Далее

Фактически все пресноводные организмы вследствие экологической взаимосвязанности природных сред оказываются под прессом токсического действия загрязняющих окружающую среду суперэкотоксикантов. К тому же водоемы депонируют эти вещества, и живущие в них организмы становятся источниками загрязнения других представителей биоты, связанных с ними трофическими цепями.

Далее

Поступающие из различных источников загрязняющие вещества переносятся воздушными и водными потоками и распространяются под влиянием турбулентного перемешивания. В случае атмосферных переносов они перемещаются не только по горизонтали, но и по вертикали вследствие сухих выпадений (осаждения), интенсивность которых во многом определяется турбулентностью, рельефом и характером подстилающей поверхности, а также вымывания с атмосферными осадками. При средней скорости западных воздушных потоков в верхней тропосфере 30-35 м/с, наблюдаемых в умеренных широтах, аэрозольные выбросы успевают обогнуть земной шар за 10-12 сут. Заметим, что трансграничные переносы в меридиональном направлении осуществляются более медленно, чем в широтном. Вследствие этого для северного и южного полушарий характерны свои фоновые уровни загрязнений 24 .

Далее

Следовые компоненты могут быть чисто органическими (ПАУ, ХОС, ПХБ, ПХДД) или неорганическими (радионуклиды, тяжелые металлы), либо иметь смешанный состав (металлоорганические соединения, комплексы металлов с органическими лигандами, белками, ДНК и др.). Заметим, что последние играют важнейшую роль в биологии, но для их определения на уровне следовых количеств обычно применяют специфические биохимические методы.

Далее

Естественно, что обязательным условием скрининга является наличие положительного аналитического сигнала в тех случаях, когда загрязняющее вещество присутствует в пробе на уровне ПДК. Так, в качестве примера скрининга можно привести изучение 419 образцов молока на содержание афлатоксинов [20], из которых 19% дали положительную реакцию Более тщательное исследование с помощью хромато-масс-спектро-метрии подтвердило наличие афлатоксинов в молоке. В этом плане интерес представляют методы иммунохимического анализа [9,21-23], которые имеют высокую чувствительность и дают положительную реакцию в присутствии большинства суперэкотоксикантов на уровне 10 1 - 109 г/л.

Далее

Чтобы достичь сформулированных целей аналитическая информация должна быть достоверной как в качественном, так и в количественном аспектах, т.е. адекватно отражать содержание контролируемого вещества в объекте анализа. Неправильная информация недопустима для веществ, присутствие которых даже на уровне ультрамикроконцентраций должно быть сведено к минимуму. Кроме того, необходимость ответа на вопросы об источниках их поступления накладывает на экоаналитичес-кую информацию дополнительные требования в части ее достоверности и обоснованности. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть наличие загрязнения, необходимо располагать объективными критериями, гарантирующими качество результатов анализа. Такие критерии подробно описаны в литературе [6,19,30,31]. Рассмотрим некоторые из них, могущие оказаться полезными специалистам по анализу суперэкотоксикантов.

Далее

Биологические процессы, протекающие в живых организмах, также обусловливают их переменный состав. Изменение концентрации составных частей матрицы и следовых компонентов происходит и в образцах свежих пищевых продуктов (овощи, рыба, мясо и т.п.). Химические превращения даже одного компонента образца приводят к изменению относительных концентраций загрязняющих веществ и, следовательно, к неправильным результатам анализа. Поэтому на практике представляют интерес данные как аналитического контроля в определенный момент времени, так и определения среднего состава за некоторый временной интервал. Последние необходимы при изучении изменения содержания загрязнителей в природных объектах за значительные промежутки времени, например при оценке загрязнения территорий и их реабилитации.

Далее

Выше отмечалось, что допущенные при отборе проб ошибки могут полностью исказить результаты химического анализа. Поскольку в воздухе индустриальных районов и производственных помещений содержится до нескольких сотен соединений различных классов, в том числе неорганические и органические газы, летучие органические соединения, аэрозоли, мелкодисперсные твердые частицы и др., универсального способа пробоотбора, позволяющего улавливать из воздуха загрязняющие вещества в различных агрегатных состояниях, не существует. Наибольшие методические трудности возникают при отборе проб органических суперэкотоксикантов, так как основная часть их находится в воздухе одновременно в газообразной и аэрозольной фазах и содержится в очень низких концентрациях. Исходя из этого большинство исследователей применяют для отбора проб воздуха одновременно фильтры и сорбенты [6-8]. При этом определяемое вещество вместе с пылью частично осаждается на фильтре, а частично улавливается сорбентом. Благодаря своей простоте этот прием широко применяется в анализе следовых количеств суперэко-гоксикантов.

Далее

Процедуры и техника отбора проб природных и поверхностных вод при определении суперэкотоксикантов существенно не отличаются от описанных в литературе для других загрязнителей [51]. Вследствие низкого содержания суперэкотоксикантов в воде для их определения необходима стадия предварительного концентрирования, которую зачастую совмещают со стадией пробоотбора. Иногда вместо отбора отдельных проб можно использовать принцип непрерывного пробоотбора. Хотя во всех случаях во внимание следует принимать возможность изменения состава проб при хранении, основная проблема заключается в отборе такой пробы, которая отражала бы загрязнение водной экосистемы. На состав пробы могут влиять глубина и расположение места ее отбора, температура воды, характер течения и многие другие факторы, которые необходимо учитывать.

Далее

Отбор проб почв, предусматривающий получение характерного для контролируемого объекта (района) статистически усредненного образца, в принципе не представляет сложной задачи и редко является специфичным Программу отбора составляют в зависимости от целей исследования. Точечные пробы отбирают методом конверта по диагонали или другим способом, следя за тем, чтобы каждая проба представляла собой часть г очвы, типичной для исследуемых почвенных горизонтов [76,79]. При Э1 ом представительность пробоотбора определяется в основном правильностью выбора точек отбора и вида проб Ряд особых требований необходимо соблюдать при отборе проб почвы на территории промышленных предприятий. В частности, выбор точек пробоотбора рекомендуется делать с учетом расположения соответствующих производств и мест хранения отходов, метеорологических условий и т.п.

Далее

Пробы тканей могут отбираться отдельно для каждой из особей, как это рекомендуется при обследовании крупных животных и человека, либо усредняться в единый образец, что нередко делают, например, при отборе проб и анализе крови новорожденных на содержание диоксинов. На анализе усредненных образцов тканей птиц одного вида основан, в частности, мониторинг загрязнения природной среды хлорорганическими соединениями в США. Каждый образец включает по 10 тушек скворцов, добываемых в 139 местах 48 штатов страны 85 .

Далее

Развитие аналитической химии суперэкотоксикантов в настоящее время идет по двум направлениям: разработка максимально селективных и чувствительных методов определения индивидуальных веществ (например, масс-спектрометрия высокого разрешения) и сочетание методов разделения и концентрирования с неселективными методами определения в комбинированных методах анализа. Понятие комбинированные находится в полном соответствии со смысловым содержанием этого слова: объединенные вместе для достижения общей цели 1] При этом предварительная подготовка пробы, включающая операции разделения и концентрирования определяемых компонентов, обеспечивает оптимальное измерение аналитического сигнала как функции концентрации или содержания. Следует заметить, что применение комбинированных методов зачастую позволяет получить необходимый результат, отвечающий метрологическим требованиям (предел обнаружения, погрешность, воспроизводимость и т.д.), более быстро и с меньшими материальными затратами, чем при использовании уникального оборудования. Кроме того, некоторые комбинированные методы анализа, как например хролато-масс-спек-трометрия, обладают аналитическими характеристиками, недостижимыми для прямых методов.

Далее

При хранении проб органических суперэкотоксикантов резко возрастает (по сравнению с неорганическими) опасность их окисления, гидролиза, фотолиза, ферментативных и бактериальных превращений Эти эффекты часто зависят от концентрации веществ, что еще больше усложняет задачу Так, под влиянием примесей металлов при весьма низких температурах (меньше 10 °С и даже ниже 0 °С) из простейших и цикло-гексановых углеводородов могут образоваться ПАУ с малой, средней и относительно большой молекулярной массой [9). Многие аминокислоты, например фенилаланин, триптофан, тирозин, пиримидиновые и пуриновые основания нуклеотидов, также имеют в своем составе ароматические кольца. Из этого следует, что повышение температуры (даже незначительное) нежелательно при хранении растительных и животных тканей, пищевых продуктов, почв и донных отложений, поскольку возникает реальная опасность получения искаженных результатов. Поэтому, как правило, образцы хранят при низких температурах, уменьшающих скорость указанных выше процессов.

Далее

Как уже отмечалось выше, методы разделения и концентрирования играют особую роль в анализе суперэкотоксикантов. Среди распространенных на сегодняшний день методов разделения и концентрирования, видимо, одним из важнейших является жидкостная экстракция - распределение вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами 1,2,4,29-311. Наиболее часто встречаются системы, в которых одной фазой является вода, а второй - органический растворитель Многочисленный ассортимент известных к настоящему времени экстрагентов позволяет найти удовлетворительное решение практически для любой задачи. Кроме того, жидкостная экстракция не требует сложного оборудования и выполняется достаточно быстро в делительной воронке или автоматически при использовании экстракторов непрерывного действия. Высокая степень извлечения определяемых компонентов достигается также в перегонно-экстракционных устройствах (аппаратах Сокслета) при одновременной конденсации водяного пара и не смешивающегося с водой растворителя. Такие устройства применяют для концентрирования ПХБ и ХОП [32 , ПАУ [33], фенолов и других соединений.

Далее

Для концентрирования и выделения полярных соединений помимо обращенно-фазовой применяется нормально-фазовая экстракция, когда сорбент более полярен, чем раствор, в котором находится определяемый компонент. В качестве растворителей для матриц в этом случае используют гексан, циклогексан, хлороформ, дихлорметан, а в качестве сорбентов - силикагели, которые способны адсорбировать полярные соединения [631.

Далее

Сверхкритическая флюидная экстракция (СФЭ) является методом, в котором для извлечения определяемых веществ используются сверхкри-тические жидкости (флюиды) [76,77]. В основном она применяется для избирательного выделения микрокомпонентов из твердых матриц (растительные и животные ткани, пищевые продукты, почвы), а также для экстракции легучих веществ из сорбционных трубок (картриджей, мембранных дисков), содержащих тенакс, активный уголь или пенополиуретан, при анализе воды и воздуха. По сравнению с обычными жидкостями флюиды имеют более высокие транспортные свойства (примерно в 102 раз выше), низкую плотность и вязкость (промежуточные между жидкостями и газами), что способствует быстрому экстрагированию и разделению фаз. При этом растворяющая способность флюидов может изменяться в широком диапазоне за счет изменения давления или температуры.

Далее

Существенное влияние на эффективность разделения оказывает равномерность заполнения колонки сорбентом. Применение находят два способа: сухой и суспензионный. Последний способ применяют в тех случаях, когда размер частиц сорбента менее 30-50 мкм. Суспензию готовят в подходящем растворителе, контакт с которым не изменяет свойств сорбента, и вводят в колонку под давлением с высокой скоростью. Общие принципы способов заполнения, выбора высоты и диаметра колонок достаточно подробно рассмотрены в литературе! 101-103]. Следует заметить, что в настоящее время наблюдается тенденция к переходу на микроколонки диаметром 1 мм и менее. В частности, развивается капиллярный вариант колоночной хроматографии. В этом случае неподвижную жидкую фазу наносят в виде тонкой пленки на стенки колонки. Толщина пленки равна 1-5 мкм при диаметре капилляра от 20 до 250 мкм ] 104]. Основные ограничения для капиллярных колонок связаны с их малой вместимостью, масса разделяемых веществ не превышает микрограммо-вых количеств, а объем пробы - долей микролитра.

Далее

Наличие этих составляющих в той или иной степени характерно для любых мембранных процессов. Однако примеры использования последних в анализе суперэкотоксикантов немногочисленны, хотя мембранное разделение является одним из лучших методов для отделения анализируемых веществ на уровне следовых количеств от связанных с ними белков. Так, с помощью мембран выделяют микотоксины в концентрациях порядка 1-4000 мкг/кг из кормов и печени свиней 1110,111].

Далее

Следует заметить, что при определении суперэкотоксикантов в следовых количествах упариванию должны подвергаться только низкокипя-щие растворители (дихлорэтан, хлористый метилен, метанол, гексан и др.) Иногда к ним добавляют растворители с более высокой температурой кипения (0,5-1%), которые смачивают стенки перегонной колбы и способствуют удерживанию следового компонента в растворе благодаря предотвращению его необратимой сорбции на ее стенках. Так, при упаривании 100 мл метанольного раствора, содержащего от 1 до 50 мг/л ДДТ, до объема 1 мл к нему добавляют 0,5 мл полиэтиленгликоля. В этом случае удается снизить потери до величины менее 1% .

Далее

Вполне очевидно, что цель пробоподготовки при определении высокотоксичных ионов металлов и радионуклидов в природных объектах и биотканях - перевод пробы в физическую и химическую форму, пригодную для выбранного метода определения, удаление мешающих веществ и концентрирование исследуемых элементов. При этом типичными процедурами пробоподготовки являются минерализация, окисление, фильтрация, центрифугирование, экстракция, ионный обмен и др. Выбор операции зависит от природы матрицы, типа и концентрации определяемого элемента, метода его определения. Единственный метод, практически не требующий пробоподготовки (за исключением упаковки пробы в контейнер), - это нейтронно-активационный анализ.

Далее

Таким образом, пробоподготовка при определении суперэкотоксикантов, особенно в следовых количествах, нужна не только для того, чтобы сконцентрировать исследуемые компоненты и отделить их от мешающих веществ, но и для “подстройки” пробы к анализатору, причем таким образом, чтобы аналитический сигнал был достоверен и воспроизводим во времени Если речь идет о функциональном анализе либо об определении различных состояний и форм элементов, то операции пробоподготовки не должны изменять исходные компоненты Последнее обстоятельство особенно важно при идентификации природы загрязнителей Решение подобной задачи возможно лишь при обоснованном выборе схем пробоподготовки самых разнообразных природных объектов. На основании фазового состояния объектов окружающей среды - газы, жидкости и твердые вещества - в работе [28] выделены три основные схемы пробоподготовки при экоаналитическом контроле загрязнений, которые можно распространить и на суперэкотоксиканты.

Далее

Из инструментальных методов определения токсичных микроэлементов в объектах окружающей среды наиболее экспрессным и универсальным является атомно-эмиссионный спектральный анализ [6-8 . В сочетании с предварительным концентрированием он применяется для определения большого числа элементов (до .15) Для возбуждения спектров испускания обычно используют дуговой или искровой разряд. При этом атомы и ионы переходят из возбужденного состояния в более энергетически низкое и излучают свет, что приводит к появлению характерных для каждого элемента спектральных линий.

Далее

Для концентрирования и извлечения ХОС из воды применяют также твердофазную экстракцию [34].Следует заметить, что во многом успех газохроматографического определения суперэкотоксикантов зависит от применяемых детекторов. В частности, надежное газохроматографическое определение ПАУ в природных матрицах на уровне следовых количеств возможно только с применением масс-селективного детектора, который представляет собой настольную модель квадрупольного масс-спектрометра. В табл. 7.6 приведены основные характеристики детекторов, используемых в газовой хроматографии. Наиболее важными из них являются минимально детектируемое количество, диапазон чувствительности и селективность.

Далее

Основной недостаток магнитных масс-спектрометров - высокая стоимость и сложность из-за высококачественной ионной оптики Поэтому в последнее время широкое распространение получили квадрупольные масс-спектрометры, в которых разделение ионов осуществляется в канале, образованном четырьмя параллельными электродами Между ними создается постоянное электрическое поле, на которое накладывается высокочастотное переменное напряжение. В этих условиях движущиеся в канале ионы осциллируют, причем амплитуда осцилляций зависит от массы ионов и длины пробега. При достижении определенной величины амплитуды осцилляций ионы контактируют с электродами, образующими стенки канала, и уничтожаются. Таким образом, анализатор выполняет роль масс-фильтра, пройти который могут только те ионы, амплигуда которых при данной частоте не превышает определенную величину. Однако квадрупольные масс-спектрометры имеют сравнительно низкое разрешение, а область детектируемых масс ограничена 1000, редко 2000. Их сильной стороной является возможность быстрого сканирования масс-спектра (за доли секунды). Для квадрупольных масс-спектрометров не требуется высокое качество ионной огггики и они сравнительно дешевы.

Далее

Для эффективного хроматографического разделения определяемых компонентов наиболее часто применяют колонки длиной 25 см и внутренним диаметром 4-5 мм, заполненные сферическими частицами силикагеля размером от 5 до 10 мкм с привитыми октадецильными группами 54] Появление в последние годы колонок меньшего диаметра, заполненных более мелкими частицами силикагеля, привело к уменьшению расхода растворителей и продолжительности анализа, увеличению эффективности разделения. К идеальному варианту приближаются колонки с внутренним диаметром 1-2 мм, позволяющие разделять 100 пг пробы, содержащейся в 1 мкл раствора (т е. при концентрации 0,1 мкг/г), на неподвижной фазе с диаметром частиц 10 мкм.

Далее

Среди методов и средств, кошрмми располагает современная аналитическая химия, электрохимические мешды анализа (вольтамперометрия, потенциометрия, кулонометрия и др.). или электроанализ, по частоте применения в решении проблем окружающей среды занимают одно из первых мест [4,64 . Особенность этой группы методов состоит в том, что аналитический сигнал возникает за счет протекания процессов, связанных с переносом электрических зарядов и определяется одним или несколькими параметрами: равновесным или неравновесным электродным потенциалом, потенциалом разложения (восстановления или окисления), током собственно электролиза, емкостью двойного электрического слоя и т.д.

Далее

Холинэстеразы с высокой скоростью гидролизуют холиновые и тиохолиновые эфиры. Возможность аналитического применения холинэстераз обусловлена тем, что их активность в заметной мере зависит от присутствия в растворе токсичных веществ (ингибиторов) [83,84], причем некоторые из них действуют необратимо, а другие - обратимо. К необратимым ингибиторам холинэстераз относятся эфиры фосфорной, фосфо-новой и пирофосфорной кислот, в том числе и фосфорорганические пестициды, многие из которых являются суперэкотоксикантами. Действие этих соединений на холинэстеразы специфично: они ковалентно связываются с активным центром фермента и дезактивируют его. Из обратимых ингибиторов интерес представляют ионы ртути, свинца и других тяжелых металлов. Высокая чувствительность холинэстераз к присутствию токсичных веществ обусловливает и область их применения: сельское хозяйство, экология, токсикология и др.

Далее

Известно, что в ответ на попадание в живой организм чужеродных веществ (ими могут быть и суперэкотоксиканты) в нем вырабатываются антитела, как отклик иммунной системы организма. Последние в высшей степени специфично взаимодействуют с этими веществами с образованием соответствуюецих комплексов, что в итоге приводит к их “нейтрализации” и выводу из организма Именно на использовании данных взаимодействий и возможности получения необходимых антител и базируются иммунохимические методы анализа. Стремление создать специфичные и эффективные методы определения в воде, воздухе и почве остаточных количеств токсичных веществ и снизить их стоимость во многом явилось стимулом к разработке указанных методов. Многие иммунохимические методы имеют высокую чувствительность и специфичность, а в ряде случаев позволяют определять высокотоксичные соединения даже без выделения из матрицы или после минимальной очистки.

Далее