Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ВОЗМОЖНОСТИ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ В ОПРЕДЕЛЕНИИ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Филатов В.В. 1 Кайргалиев Д.В. 1 Васильев Д.В. 1 Мельников И.Н. 2 Пичхидзе С.Я. 2
1 Федеральное государственное казенное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградская академия Министерства внутренних дел Российской Федерации»
2 Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина
В статье рассматриваются вопросы исследования токсичных полициклических ароматических углеводородов, инициирующих, промотирующих и способных приводить к прогрессии опухолевые заболевания человека. Почвы и грунты, содержащие канцерогены, относят к опасным для здоровья человека объектам, они подлежат утилизации. Мониторинг содержания токсикантов проводят согласно методическим указаниям отбора проб из объектов внешней среды и подготовки их для определения. Недостатки имеющихся методик (низкая селективность, несовершенство пробоподготовки, трудности анализа) требуют разработки новой методики определения токсикантов, обеспечивающей полное их извлечение из анализируемых образцов. Цель научного исследования заключается в оптимизации методики определения содержания 3,4-бензо(а)пирена, 7,12-диметилбензантрацена и 20-метилхолантрена в почвах. Авторская методика разделения реализуется за счет различий в межмолекулярных взаимодействиях молекул исследуемых веществ с адсорбентом и неспецифических — с элюентом. Гидрофобность токсикантов обусловливает применение обращено-фазовой жидкостной хроматографии. Полиароматические углеводороды из почв экстрагируют смесью диметилсульфоксид-гептан-метанол при объемном соотношении 5:10:85 в течение 5 мин с применением ультразвука, затем экстракт фильтруют и аликвоту хроматографируют на колонке Zorbax ODS (250 x 4,6 mm) при 25 0С в потоке элюента (смесь диметилсульфоксида, гептана и метанола в соотношении, об. %: 3–8 : 8–12 : метанол остальное). Расход элюента 1 мл/мин. Детектирование компонентов проводят при длине волны 295–298 нм. Время анализа – менее 6 мин, чувствительность определения 1x10–4 мг/мл. Использование в качестве детектора флуориметра или масс-спектрометра повышает чувствительность метода в десятки раз.
полициклические ароматические углеводороды
элюент
колонка
жидкостная хроматография
1. БСТ-МВИ-03-03. Методика выполнения измерений массовой доли бенз(а)пирена в продовольственном сырье, пищевых продуктах и почве методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.
2. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве.
3. Естественно-научные основы экспертных исследований: учеб. пособие / И. Н. Мельников [и др.]. Саратов: СЮИ МВД России, 2004. – 184 с.
4. Котельникова И.М., Сергеева А.Г. Оценка загрязнения почв г. Благовещенска полициклическими ароматическими углеводородами // Проблемы экологии Верхнего Приамурья. 2013. Т. 13. – С. 8–17.
5. МУК 4.1.1274-03. Измерение массовой доли бенз(а)пирена в пробах почв, грунтов, донных отложений и твердых отходов методом ВЭЖХ с использованием флуориметрического детектора.
6. ПНД Ф 16.1:2:2.2.39-03. Методика выполнения измерений массовой доли бенз(а)пирена в пробах почв, грунтов, твердых отходов и донных отложений методом ВЭЖХ с использованием анализатора жидкости ФЛЮОРАТ-02» в качестве флуориметрического детектора.
7. Проблемы загрязнения продукции резиновой промышленности полициклическими ароматическими углеводородами. Ч. 1. / Н. А. Охотина [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 3. – С. 129–131.
8. Терешкина Е.В., Муравьев Е.И. Органические суперэкотоксиканты как факторы антропогенного воздействия на биосферу // Экологический вестник Северного Кавказа. 2007. Т. 3. № 2. – С. 94–103.
9. Формы и факторы накопления полициклических ароматических углеводородов в почвах при техногенном загрязнении (Московская область) / А. Н. Геннадиев [и др.] // Почвоведение. 2004. № 7. – С. 804–818.
10. United States Environmental Protection Agency, Office of Environmental Information, Emergency Planning and Community Right-to-Know Act – Section 313: Guidance for Reporting Toxic Chemicals: Polycyclic Aromatic Compounds Category, EPA 260-B-01-03, Washington, DC, August 2001.

Химические соединения, стимулирующие злокачественные образования и общее отрицательное воздействие химических производств на человека, характеризуются высокой канцерогенной опасностью и заслуживают пристального внимания специалистов и широкой общественности. Указанные вещества внесены в перечень Международного агентства по изучению рака (МАИР), их подразделяют на несколько групп. Первая группа включает в себя канцерогенные вещества (технический углерод); вторую группу составляют потенциально опасные вещества по канцерогенности (например, нефтяные смолы, минеральные масла неочищенные, битумы и др.), третья группа - это токсичные вещества, не обладающие выраженным канцерогенным действием на человека [8, с. 96].

В перечне особое место принадлежит полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ - далее), побочным продуктам производств с технологиями, включающими высокотемпературные процессы, сжигание и переработку органического сырья (нефтепродуктов, угля, древесины, мусора и др.) [7, с. 130]. Молекулы ПАУ содержат от двух и более сопряженных бензольных колец, а также нитро-, амино-, сульфо- и иные группы (спирты, альдегиды, эфиры, кетоны) в кольце или боковой цепи. Антропогенными источниками ПАУ являются промышленные предприятия и предприятия  энергетического комплекса (производство кокса, цветных металлов, ТЭЦ, котельные), выбросы автотранспорта, химическая и  нефтеперерабатывающая промышленность. Эксперты насчитывают более 200 видов ПАУ, характеризующихся высокой способностью к биоаккумуляции.

Современные методы индикации ПАУ подтверждают широкое их распространение в окружающей среде, в первую очередь в почве. Почва, поверхностный (гумусный) слой - основной хранитель ПАУ, в то же время и источник вторичного загрязнения воздуха и воды. ПАУ могут переходить из почвы в воду, растения, корма для животных; с пищей, водой, а также с вдыхаемым воздухом попадать в организм человека [9, с. 809].

Ужесточение законодательства, ограничивающего распространение ПАУ, материалов и сырья, содержащих канцерогены и мутагены, требует разработки нового методического обеспечения экомониторинга, позволяющего совершенствовать деятельность сети станций по контролю фона окружающей среды, выявле­нию источников генерации токсикантов, организации мер, направленных на устранение опасных источников (таких как модернизация технологий, очистка зара­женных территорий, ограничение продукции, содержащей опасные соединения, и т.п.).

В крупных мегаполисах ПАУ обнаруживаются в виде химического загрязнения почв, наблюдается постоянный рост площади токсичных почв, требующих обязательного проведения мероприятий по ремедиации или рекультивации территорий.

Из полициклических  ароматических углеводородов особенно выделяется 3,4-бенз(а)пирен - высокомолекулярное органическое соединение, основным элементом структуры которого является бензольное кольцо. В качестве основных источников эмиссии 3,4-бенз(а)пирен в окружающую среду выделяют промышленность.

В нашей стране оценку загрязнения почв ПАУ производят по количественному содержанию 3,4-бенз(а)пирена, предельно допустимая концентрация (далее - ПДК) которого не должна превышать 0,02 мг/кг [2].

Почвы и грунты, концентрация токсиканта в которых в 5 раз выше предельно допустимой концентрации, относят к опасным объектам, подлежащим утилизации и вывозу на специализированные полигоны. Действующую норму ПДК 3,4-бенз(а)пирена в почве разработали в 1981 г. Количественное содержание экотоксиканта в почве проводили согласно требованиям методических указаний отбора проб из объектов внешней среды и подготовки их для определения канцерогенных ПАУ. К недостаткам отмеченных методических указаний можно отнести низкую селективность, несовершенство пробоподготовки, трудности химического анализа высококонцентрированных полициклических ароматических углеводородов.

В странах Европейского союза на ПАУ работают более высокие ПДК, но связано это в первую очередь с огромными финансовыми затратами и масштабностью технических мероприятий, которые активно проводятся по восстановлению исходных свойств почв, снижению общей доли токсикантов в ней, полному исключению негативного воздействия на организм человека.

Канцерогенные ПАУ в объеме прирастают в результате и абиогенных процессов, протекающих в природе.

Ежегодные поступления в биосферу тысяч тонн 3,4-бензо(а)пирена являются результатом их выделения из гуминовых компонентов почвы. Максимум же ПАУ в окружающей среде накапливается за счет антропогенного воздействия на нее человека и его деятельности (замечено, что чем ниже температура техногенных процессов, тем больше количество образования ПАУ [10]).

К наиболее токсичным ПАУ относятся 7,12-диметилбензантрацен (ДМБА) и 20-метилхолантрен (МХА).

ДМБА - полициклический ароматический углеводород, является производным бензантрацена, образующегося при неполном сгорании нефтепродуктов, входит в состав отработанных газов автотранспорта, смога и дыма сигарет. Инициирует и промотирует процессы пролиферации инициированных клеток, способен приводить к прогрессии опухолевые заболевания человека.

ДМБА индуцирует злокачественные опухоли в месте аппликации, инъецированный подкожно вызывает саркому, при введении в органы - местный рак.

20-метилхолантрен также отнесен к самым распространенным этиологическим факторам онкологических заболеваний человека.

Целью научного исследования является оптимизация высокочувствительной методики экспрессного определения 3,4-бензо(а)пирена (БП), 7,12-диметилбензантрацена (ДМБА) и 20-метилхолантрена (МХА).

Наиболее часто для определения ПАУ используют метод жидкостной хроматографии (ЖХ) [4]. Для их определения пригодны два метода жидкостной хроматографии: обращено-фазовый и нормально-фазовый варианты.

В обращено-фазовой жидкостной хроматографии используют колонки с неполярным носителем и полярный элюент. В нормально-фазовом варианте, как правило,  применяются полярный адсорбент и неполярный элюент. Разделение веществ происходит за счет различий в специфических межмолекулярных взаимодействиях молекул исследуемых веществ с адсорбентом и неспецифических - с элюентом.

Следует отметить, что ПАУ обладают высокой гидрофобностью, что обусловливает возможность предпочтительного использования обращено-фазовой жидкостной хроматографии для их эффективного обнаружения.

Определяемые полиароматические углеводороды из анализируемого объекта экстрагируют смесью диметилсульфоксид-гептан-метанол при объемном соотношении компонентов (мл), равном 5:10:85.

Экстракцию проводят 5 мин с применением ультразвука.

Экстракт отфильтровывают, и аликвотную часть хроматографируют на колонке Zorbax ODS (250x4,6 mm) при 250С в потоке элюента, представляющего собой смесь диметилсульфоксида, гептана и метанола при следующем соотношении ингредиентов, об. %: 3-8 : 8-12 : метанол остальное.

Расход элюента 1 мл/мин.

Детектирование разделяемых компонентов проводят при длине волны 295-298 нм. Время анализа составляет не более 6 мин, чувствительность определения 1x10-4 мг/мл. При использовании в качестве детектора флуориметра или масс-спектрометра чувствительность метода повышается  в несколько десятков раз [5-6].

В таблице 1 представлены результаты экстракции ПАУ.

Таблица 1

Результаты экстракции ПАУ из почвы

Соединение

Содержание вещества в пробах, мг

внесено

найдено

внесено

найдено

внесено

найдено

БП

1,0

0,90

0,1

0,093

0,05

0,047

ДМБА

1,0

0,95

0,1

0,095

0,05

0,049

МХА

1,0

0,93

0,1

0,091

0,05

0,045

Результаты, представленные в таблице 1, свидетельствуют о высокой эффективности экстрагента. Полнота извлечения ПАУ из образцов почвы составляет около 90 %.

В таблице 2 представлены результаты жидкостно-хроматографического определения ПАУ (БП-1, ДМБА-2, МХА-3).

Таблица 2

Хроматографические параметры элюэнтов

Состав

Соотношение

ингредиентов, об. %

Время удерживания, мин

 

Коэффициент емкости

Селектив-ность разделения

Чувстви-тель-

ность,

 мг/мл

tR1

tR2

tR3

K1

K2

K3

Q1-2

Q2-3

1

ДМСО - 3

Гептан - 8

Метанол -остальное

4,2

4,6

5,2

0,75

0,92

1,38

1,23

1,41

1 х 10-4

2

ДМСО - 8

Гептан - 12

Метанол -остальное

3,9

4,2

4,9

0,63

0,75

1,04

1,19

1,39

1 х 10-4

3

метанол

10,0

10,0

15,6

3,17

3,17

5,5

1,0

1,74

3 х 10-4

 

Результаты, представленные в таблице 2, свидетельствуют, что использование многокомпонентного элюента существенно сокращает время анализа и приводит к повышению точности и чувствительности определения ПАУ.

Рецензенты:

Лобачева Г.К., д.х.н., профессор, Президент Волгоградского отделения Международной академии авторов научных открытий и изобретений, г. Волгоград;

Аширбекова М.Т., д.ю.н., доцент, профессор кафедры уголовно-правовых дисциплин Волгоградского филиала РАНХ и ГС при Президенте РФ, г. Волгоград.


Библиографическая ссылка

Филатов В.В., Кайргалиев Д.В., Васильев Д.В., Мельников И.Н., Пичхидзе С.Я. ВОЗМОЖНОСТИ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ В ОПРЕДЕЛЕНИИ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=19108 (дата обращения: 20.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074