Содержание к диссертации
Введение
1 Загрязнение водных объектов химическими веществами (обзор литературы)
1.1 Нормативный механизм регулирования качества воды в водоемах 7
1.2 Методы оценки воздействия химических веществ на водные объекты
1.2.1 Экспресс-экспериментальные методы прогнозирования допустимых концентраций содержания химических веществ в воде
1.2.2 Расчетные методы определения токсичности и вредности химических веществ в водоемах 1.2.3 Прогнозирование токсичности и опасности органических соединений в исследованиях закономерности связи «структура - свойство» .
1.3 Применение компьютерной системы «SARD-21» 23
2 Разработка базы данных для предварительной оценки уровней воздействия органических веществ в водных объектах (обсуждение результатов расчета)
2.1 Обоснование выбора и характеристика объектов и методов расчетного исследования
2.2 Формирование банков структур органических соединений 32
2.2.1 Анализ влияния химических фрагментов на токсичность органи ческих соединений в воде
2.2.1.1 Влияние структурных признаков на токсичность соединений в воде хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водоема (массив 1).
2.2.2.1 Влияние структурных признаков на токсичность соединений в воде рыбохозяйственного водоема (массив 2) .
2.2.2 Формирование моделей для интервальной оценки уровней воз действия органических веществ 44
47 53
2.3.1 Модели для оценки интервальных значений ОДУ органических соединений в воде хозяйственно - питьевого и культурно-бытового водопользования .
2.3.2 Модели для оценки интервальных значений ОБУВ органических соединений в воде рыбохозяйственного значения
2.4 Апробация моделей для оценки интервалов значений ОДУ и ОБУВ органических соединений
2.5 Прогнозирование интервалов значений ОБУВ органических соединений
3 Синтез и исследование экотоксичности некоторых органических соединений (обсуждение результатов лабораторных исследований) 56
3.1 Объекты исследования 55
3.1.1 Синтез 2-гуанидинобензимидазола, 2-аминобензимидазола и изобутилнафталинсульфокислоты
3.2 Исследование экотоксичности химических веществ
3.2.1 Методы исследования 61
3.2.1.1 Методы биологического тестирования 61
3.2.1.2 Метод определения биологического потребления кислорода 63
3.2.2 Результаты биотестирования химических веществ в составе пе стицидов 3.2.3 Результаты биотестирование химических веществ в составе при садок к дизельному топливу
3.2.4 Исследование влияния химических веществ на процессы само очищения водоемов
Выводы 73
Список литературы
- Экспресс-экспериментальные методы прогнозирования допустимых концентраций содержания химических веществ в воде
- Формирование банков структур органических соединений
- Синтез 2-гуанидинобензимидазола, 2-аминобензимидазола и изобутилнафталинсульфокислоты
- Результаты биотестирования химических веществ в составе пе стицидов
Введение к работе
Актуальность темы. В условиях техногенного воздействия на окружающую среду, в водоемы поступает большое количество разнообразных по химическому строению веществ. В России согласно нормативным и справочным данным только около 3000 химических соединений имеют установленные допустимые значения концентраций – ПДК (предельно допустимая концентрация) и ОДУ (ориентировочно допустимый уровень воздействия) для воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования; около 1000 соединений имеют установленные ПДК и ОБУВ (ориентировочно безопасный уровень воздействия) для воды рыбохозяйственного значения. Однако, с каждым годом растет количество веществ с неизвестными допустимыми концентрациями, которые так же попадают в водные объекты. По разным литературным источникам ежегодно синтезируется от 2000 до 50000 новых химических веществ.
Установление предельно допустимых концентраций (ПДК) органических веществ, требуют весьма значительных затрат. Поэтому актуальными становятся экологические исследования по разработке теоретических подходов к прогнозированию опасности химических соединений для окружающей среды на основе изучения связи «структура-свойство»: методов предварительной оценки уровней воздействия новых и малоизученных органических веществ, выражаемые в допустимых и безопасных концентрациях. Согласно методическим указаниям по разработке ПДК (МУ 2.1.5.720-98), прогнозные методы оценки уровней воздействия веществ являются основой при планировании дальнейших экспериментов (установление ПДК, ОДУ, ОБУВ) и внедрения этих веществ в практику хозяйственной деятельности.
Повышение эффективности предварительной оценки безопасных концентраций содержания веществ в водоемах возможно с применением современных компьютерных систем, основанных на математическом представлении и анализе данных, одной из таких систем является «SARD-21» (Structure Activity Relationship & Design).
Цель исследования: разработка подхода к прогнозированию безопасных концентраций (ОДУ и ОБУВ) органических веществ в воде водных объектов на основе закономерностей связи «структура-свойство».
В соответствии с целью поставлены следующие задачи:
-
Разработка комплекса моделей для предварительной оценки интервалов значений ориентировочно допустимых уровней воздействия (ОДУ) органических веществ в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
-
Разработка комплекса моделей для предварительной оценки интервалов значений ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) органических веществ в воде водоемов рыбохозяйственного значения.
-
Исследование влияния химических фрагментов на токсичность органических соединений в воде.
-
Прогнозирование интервалов значений безопасных концентраций (ОБУВ) органических соединений в воде водоемов рыбохозяйственного значения.
-
Синтез и исследование экотоксичности химических веществ в составе пестицидов и компонентов присадок к дизельным топливам с помощью расчетных и экспериментальных методов.
Научная новизна: впервые на основании связи «структура-свойство» в рамках компьютерной системы SARD-21: разработаны и апробированы 2 комплекса моделей, позволяющие прогнозировать интервалы значений безопасных концентраций органических веществ в воде водоемов; выявлены наименее токсичные фрагменты структур органических соединений, и их модификации, присутствие которых в молекуле предпочтительны для моделирования и целенаправленного синтеза органических веществ; осуществлен прогноз интервалов значений ОБУВ для ряда практически значимых веществ, экспериментально подтверждены прогнозные значения безопасных концентраций исследуемых веществ на двух тест-объектах методом биотестирования.
Практическая значимость.
-
Определены интервалы значений ОДУ и ОБУВ для новых и малоизученных органических веществ, с использованием разработанного комплекса моделей.
-
Предложенный метод прогнозирования безопасных концентраций позволил ГБУ «НИТИГ АН РБ» использовать полученные данные для доэкспериментальной и досинтетической оценки токсичности новых компонентов препаративных форм пестицидов.
-
Результаты исследований нашли применение в учебном процессе на кафедре «Прикладная экология» ФГБОУ ВПО УГНТУ при подготовке лекционных материалов по дисциплине «Экологический мониторинг», «Промышленная экология», «Методы математического моделирования в экологии».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены на XXV Юбилейной международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии», 2011 год, изд. «Реактив» г. Уфа; XII Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела», 2012 год, «Реактив», г. Уфа; Международной научно-практической конференции «Радиоэкология» (УГНТУ, г. Уфа-2012); I Международной научно-практической конференции «Проблемы и тенденции развития инновационной экономики: международный опыт и российская практика» (УГНТУ, г. Уфа – 2013).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы (160 наименований) и двух приложений. Материал диссертации изложен на 119 страницах, содержит 3 схемы, 11 таблиц и 13 рисунков.
Экспресс-экспериментальные методы прогнозирования допустимых концентраций содержания химических веществ в воде
Нормативы ПДС устанавливаются для каждого выпуска сточных вод предприятий, исходя из условий недопустимости превышения ПДК веществ в контрольном створе или на участке водного объекта с учетом целевого использования вещества при превышении ПДК в контрольном створе - исходя из условия сохранения состава и свойств водных объектов, сформировавшихся под влиянием природных факторов [42];
Исследования, проведенные в представленной работе, выполнены в рамках первого этапа обоснования ПДК веществ в воде, который должен включать сведения о результатах расчетов допустимых и безопасных концентраций химических веществ на основании моделей для оценки связей «структура-токсичность». Кроме того, одним из важнейших критериев разработки ПДК веществ в воде водных объектов является обязательное использование методов прогноза токсичности и опасности веществ для планирования экспериментов и верификации полученных результатов [59].
Методы оценки воздействия химических веществ на водные объекты Научные основы исследований, связанных с изучением уровней воздействия химических веществ в воде водных объектов, были заложены трудами Э.А. Веселова, Н.С. Строганова, А.М. Гусева и их коллег в 60-хх годах прошлого века. Н.С. Строгановым водная токсикология была определена, как новое научное направление, “исследующее токсичность водной среды любого происхождения для гидробионтов, и все реакции гидробионтов на токсичность водной среды на всех уровнях организации живого” [108]. В этот период начинает вводиться в практику регламентирование загрязнения водоемов и определяется режим охраны водоемов от загрязнений.
Применение расчетных методов для обоснования допустимых и безвредных концентраций химических веществ выполняется с целью уменьшения разрыва между темпами роста числа новых химических соединений, поступающих в окружающую среду, и возможностями установления для них нормативов предельно допустимого и вредного воздействия (ПДК, ОДУ и ОБУВ) на объекты окружающей среды.
Методы прогнозирования допустимых концентраций, уровней воздействия и других показателей токсичности и опасности можно разделить на следующие разновидности:
1) прогнозирование токсикологических параметров, основанных на экспресс-эксперименте;
2) расчетные формулы и уравнения регрессии, основанные на данных о ПДК веществ в других объектах окружающей среды (ПДК в атмосферном воздухе и почве), физико-химических константах;
3) компьютерные системы, основанные на различных математических методах для расчета параметров токсичности и опасности соединений [59].
Экспресс-экспериментальные методы для нормирования содержания химических соединений в водных объектах впервые в СССР были предложены авторами: Г.Н. Красовским, Н.А. Егоровой, З.И. Жолдаковой, А.А. Голубевым и др. [28,28,40,41] в методических указания по применению расчётных и экспериментальных методов при гигиеническом нормировании [55]. Использовались экспресс-экспериментальные методы с целью ускоренного определения хронической токсичности соединений на основе общей количественной оценки процессов развития интоксикации в краткосрочных опытах на животных.
Эксперимент для определения МНД (максимально недействующей дозы, мг/кг) по времени гибели животных основывался на использовании корреляционной связи между одним из показателей кумулятивных свойств веществ - отношение DL50 (среднесмертельная доза, вызывающая при данных условиях опыта летальный эффект у 50% взятых в опыт животных, %) [40] к МНД и вероятностной величине эпсилон T50 (время гибели животных соответствующая DL50). По установленной корреляционной зависимости рассчитывалась величина МНД по формуле:
Также в методических указания [55] описаны ряд экспресс опытов по определению кумулятивных свойств химических веществ и определению хронической токсичности по начальным стадиям интоксикации животных.
В проекте методических указаний по обоснованию нормативов содержания химических веществ в воде водоемом хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования 2010г. [66] приведены экспресс-экспериментальные методы установления параметров токсичности химических веществ в острых опытах на животных (белых мышах, белых крысах, половозрелых морских свинках, кроликах массой). Длительность острых опытов составляет 14 дней. По результатам экспериментов делают предварительные выводы о характере токсического действия вещества. Полученные значения в ходе эксперимента DL50 позволяют рассчитать индекс кумуляции I:
Формирование банков структур органических соединений
Метод прогнозирования уровней воздействия органических веществ в воде, разработанный в предыдущей главе, использован для доэкспериментальной оценки токсичности некоторых новых и малоизученных химических соединений.
Для подтверждения безопасных концентраций органических веществ, прогноз которых осуществлен в численном эксперименте, использовали метод биотестирования с тест-объектами: инфузория-туфелька (Paramecium caudatum Ehrenberg) [75] и цериодафния (Ceriodaphnia affinis Lillijeborg) [116]. Для изучения влияния исследуемых веществ на санитарные показатели водоема проведены опыты по определению показателя качества воды биологического потребления кислорода (БПК) за 20 суток [78].
В качестве объектов исследований выбраны вещества из двух различных областей промышленного применения. Химические вещества в составе пестицидов и компонентов их препаративных форм: 2-гуанидинбензимидазол (41) - фунгицид, а также один из поверхностно активных веществ в препаративной форме гербицидных композиций; 2-аминобензимидазол (42) - является исходным компонентом для получения бензимидазолов – полупродуктов в синтезе фунгицидов, может быть использован в качестве антигельминтных препаратов и фунгицидов при протравливании семян [73]; о-фенилендиамин - промежуточный химический продукт, используется в синтезе инсектицидов, красителей, фунгицидов, ингибиторов коррозии и пигментов [142]; изобутилнафталинсульфокислота (44) -компонент препаративной формы гербицида 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота [125]. Компоненты присадок к дизельному топливу: 2-метил-1-бутилнитрат (45) - основной компонент цетаноповышающей присадки, разработанной на кафедре «Технология нефти и газа» Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ); 2-этилгексилнитрат (46) - основной компонент товарной полифункциональной присадки к дизельному топливу, на сегодняшний день наиболее применяемый среди производителей цетаноповышающий компонент.
Вещества 41,42,44 в промышленном масштабе не производятся. В связи с потребностью разработки новых перпаративных форм пестицидов совместно с рабочей группой Государственного бюджетного учреждения Республики Башкортостан "Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений с опытно-экспериментальным производством академии наук Республики Башкортостан" вещества 41,42,44 были синтезированы в лабораторных условия по известным методикам [18,70,84,142,73]
На основании результатов исследования влияния фрагментов химических структур осуществлен синтез веществ с прогнозным интервалом значений безопасной концентрации в рыбохозяйственных водоемах и обладающие пестицид-ной активностью: 2-гуанидинобензимидазол, 2-аминобензимидазол, изобутил-нафталинсульфокислота. Соединения имеют в своей структуре сочетания химических фрагментов, входящих в решающий набор химических признаков, полученных на основании разработанного комплекса моделей
Идентификацию синтезированных веществ проводили по совпадению констант полученных веществ с литературными данными, и по ЯМР13С спектрам, полученным на спектрометре «Bruker AМ-300» (75,47 мГц) в CDCl3.
В трехгорлую колбу загружаются 100 мл воды, 11,34 г орто-фенилендиамина, 13,51 г дициандиамина, 14,2 мл 35% соляной кислоты. Реакционную массу перемешивают в течение 5 часов при температуре 100С. В ходе реакции поддерживаем рН=3 с помощью добавления соляной кислоты. После пятичасовой выдержки нейтрализуем реакционную массу щелочью до рН=7-8 и охлаждаем ее. Образовавшийся осадок отфильтровываем и на фильтре промываем охлажденной водой. Выход составил 72%, Тплав=168С (лит. данные: Тплав=170С). Спектр ЯМР13С: 159,2 с (С2); 112,5 т (С4); 120,5 т (С5); 120,5 к (С6); 112,5 к (С7); 119,1 к (С8); 112,1 т (С9); 157,01 с (С11).
В колбе на 10 л готовили следующую реакционную массу: водная суспензия цианамида натрия плюс раствор соляной кислоты, температура комнатная, pH 5. После интенсивного перемешивания реакционной массы добавляли о-фенилендиамина. Полученную реакционную массу перемешивали при температуре 90-95 0С в течении 4,5 часов. В процессе реакции через 1,5 часа добавляли гидрат окиси натрия. В конце синтеза рН реакционной массы близка к 8 единицам. Затем массу охлаждали до 20-250С и образовавшийся 2-аминобензимидазол оставляли кристаллизоваться на ночь. Выпавший осадок отфильтровали и промыли холодной водой [121]. Выход 70%. Тплав.=2330С (лит. данные: Тплав.=2300С). Спектр ЯМР13С: 156,15 с (С2); 140,01 т (С4); 140,01 т (С5); 113,06 т (С6); 119,56 т (С7); 119,56 т (С8); 113,5 т (С9).
Синтез 2-гуанидинобензимидазола, 2-аминобензимидазола и изобутилнафталинсульфокислоты
Совместно с научной группой ГУ НИТИГ АН РБ проведена серия опытов с целью разработки методики синтеза изобутилнафталинсульфокислоты. В четы-рёхгорлой колбе смешивали нафталин, бутанол-2 и серную кислоту. Смесь нагревали до 60-80оС, непрерывно перемешивая и отбирая пробы через каждые 60 минут. Во всех пробах отобранных в течение 8 часов при растворении в воде оставался непрореагировавший нафталин. Изменили порядок загрузки реагентов: смешали нафталин с серной кислотой. Смесь стала гомогенной при температуре 60оС. Выдержали при температуре 80оС и добавили бутанол-2. Реакционную массу перемешивали в течении 5 часов при температуре 80оС – в пробах, при растворении их в воде, выделяется в виде комочков непрореагировавший нафталин. Выдержка такой реакционной массы при температуре 115оС в течении 8 часов не привела к нужному результату: пробы – тёмная кристаллизующаяся масса, при растворении в воде – мутный раствор с запахом нафталина.
В следующей серии опытов смешали нафталин с бутанолом-2 в соотношении 1:1 (мольные). Смесь гомогенизируется при температуре 53-55оС. Нагрели до 80оС. Через час прикапали серную кислоту. Перемешивали при 80оС в течении 3-х часов с отбором проб через каждый час, после чего подняли температуру до 115оС и выдержали при этой температуре 5 часов с отбором проб через каждый час. Все пробы при растворении в воде – мутные, при стоянии выделяется нафталин. Поскольку изобутилнафталинсульфокислота в одну стадию не получается, разделили процесс на две стадии: получение нафталинсульфокислоты, а затем алкилиро-вание её бутанолом. Из литературных данных следует, что при температуре реакции до 100оС образуется -нафталинсульфокислота. Другие параметры – температура, мольное соотношение, время реакции, в литературе не указаны.
Мы провели серию опытов при температуре 80-85оС при мольном соотношении нафталин: серная кислота: 1:1. Контроль за процессом осуществляли визуально – растворением пробы в воде и по сульфат-иону. Результат анализа проб показал, что за 10 часов серная кислота прореагировала на 94,6% масс. Визуально пробы все мутные с запахом нафталина. Эти опыты показали, что процесс сульфирования в этих условиях не доходит до конца. ЯМР1Н спектры подтверждают, что образуется -нафталинсульфокислота. Аналогичный опыт при температуре 165-170оС показал, что процесс также не доходит до конца – во всех пробах содержится нафталин покрытый смолистыми продуктами.
После этого воспроизвели методику синтеза -нафталинсульфокислоты, описанной в «Практикуме по органической химии» [84]. По этой методике на моль нафталина загружают два моля серной кислоты. Методика полностью воспроизвелась – через 3 часа пробы прозрачные, запах нафталина практически не ощущается. ЯМР1Н спектр показал отсутствие нафталина в продуктах реакции (рисунок 3.1).
Растворитель D2O. Полученную реакционную массу охлаждали до 80оС и тонкой струйкой при перемешивании к реакционной массе добавляли изобутиловый спирт. Перемешивание в течение двух часов при температуре 70-80оС приводит к полному завершению процесса алкилирования нафталинсульфокислоты. О завершении реакции указывает отсутствие изобутилового спирта в реакционной массе. При найденных условиях наработали 5 кг изобутилнафталинсульфокислоты, выход составил 43% (схема 3).
Исследование экотоксичности химических веществ С целью определения достоверности, полученных в результате расчета по разработанному комплексу моделей интервалов ОБУВ для веществ 41-46, в слу чае попадания их в рыбохозяйственный водоем, в рамках исследования выполне ны лабораторные эксперименты по воздействию рассчитанных допустимых кон центраций исследуемых веществ на тест-объекты: инфузория-туфелька (Paramecium caudatum Ehrenberg) и цериодафния (Ceriodaphnia affinis Lillijeborg). А также оценено влияние веществ 41-46 на процессы самоочищения воды.
Результаты биотестирования химических веществ в составе пе стицидов
Сравнив экспериментальные данные определения безопасных концентраций веществ 44-45 в воде (на двух тест-объектах) с расчетами полученными по прогностическому комплексу моделей сделан вывод, что допустимые, безопасные концентрации попадают в прогнозный интервал для предварительной оценки токсичности и опасности новых и малоизученных веществ.
Таким образом, исследование токсичности присадок к дизельному топливу методом биотестирования является практически важной задачей в изучении их ориентировочно допустимого уровня воздействия на окружающую среду с целью определения класса опасности, прогнозирования гигиенических нормативов содержания отдельных компонентов, информация о которых отсутствует. Полученные результаты рекомендованы к использованию при составлении паспортов безопасности как на импортные так и на отечественные присадки, что станет гарантом их безопасного и уверенного использования потребителями. 3.2.4 Исследование влияния химических веществ на процессы самоочищения водоемов
В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. В водоемах с большим содержанием органических веществ большая часть растворенного кислорода потребляется на биохимическое окисление, лишая таким образом кислорода другие организмы. При этом увеличивается количество организмов , более устойчивых к низкому содержанию растворенного кислорода, исчезают кислородолюбивые виды и появляются виды, терпимые к дефициту кислорода. Таким образом в процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации растворенного кислорода. Поэтому важно на стадии прогнозирования поведения вновь синтезированных и малоизученных органических веществ в воде водоемов изучить их устойчивость к биохимическому окислению в водной среде [25,114].
Все образцы воды с содержанием исследуемых веществ при их концентрации равной Сдоп. в воде имеют значение БПКполн в пределах нормы (менее 3 мг О2/л) [83]. Выводы
1. Разработан комплекс из 42 моделей для интервальной оценки значений ОДУ органических веществ в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, который позволяет прогнозировать следующие интервалы: [0;0,01] и ]0,01;100];[0;0,1] и ]0,1; 100]; [0;0,2] и ]0,2; 100]; [0;0,5] и ]0,5; 100]. Уровень правильного распознавания в рамках комплекса - 75%.
2. Разработан комплекс из 46 моделей для интервальной оценки значений ОБУВ органических веществ в воде водоемов рыбохозяйственного значения, который позволяет прогнозировать следующие интервалы: [0;0,0001] и ]0,0001; 0,001]; ]0,001;0.01] и ]0,01; 0.1]; ]0,1.100]. Уровень правильного распознавания в рамках комплекса - 71%.
3. Определены наиболее и наименее токсичные фрагменты структур органических соединений и их модификации, которые возможно применять для моделирования и целенаправленного синтеза безопасных для водных объектов органических веществ. Наиболее токсичные фрагменты соединений из массива 1: -CH2het-; -СH3; наименее токсичные: -NH-, N-. Наиболее токсичные фрагменты соединений из массива 2: - P=S; -O-; наименее токсичные: -NH-, С=O.
4. Спрогнозированы интервалы значений ОБУВ для органических веществ, не имеющих нормативов их содержания в рыбохозяйственных водоемах: 2-гуанидинобензимидазол - ]0,01;0,1]; 2-аминобензимидазол - ]0,01;0,1]; о-фнилендиамин - ]0,0001;0,001]; иобутилнафталинсульфокислота - ]0,001;0,01]; 2-метил-1-бутилнитрат - ]0,01;0,1]; 2-этилгексилнитрат - ]0,001;0,01].
5. Синтезированы вещества с заведомо известным интервалом значений безопасной концентрации в рыбохозяйственных водоемах, имеющие в своей структуре некоторые сочетания химических фрагментов решающего набора признаков моделей: 2-гуанидинобензимидазол, 2-аминобензимидазол, изобутилнафталинсуль-фокислота, обладающие пестицидной активностью.
6. Определены показатели БПК, острая токсичность, индекс токсичность на двух тест-объектах (инфузория, цериодафния) для веществ: 2-гуанидино-бензимидазол, 2-аминобензимидазол, о-фенилендиамин, изобутилнафталинсульфокислота, 2 74 метил-1-бутилнитрат, 2-этилгексилнитрат. Значение допустимой концентрации (Cдоп.), установленной лабораторным путем, для веществ 41-46 попадает в прогнозный интервал, рассчитанный с применением разработанного комплекса моделей.
