Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ксенобнотнчсскос загрязнение вод и принципы выбора контролируемых водных объектов (литературный обзор) 6
1.1. Ксенобиотический профиль водных объектов: 6
1.1.1. Ксенобиотики: определение, классификация, массив 6
1.1.1.1. Некоторые аспекты 6
1.1.1.2. Основные сведения о ксенобиотиках
1.1.1.2.1. Основные определения 8
1.1.1.2.2. Классификация ксенобиотиков 9
1.1.2. Некоторые сведения о лекарствах как о компонентах ксенобиотического загрязнения вод 13
1.2. Оценка нормативной базы ПДК и ОДУ для органических ксенобиотиков в России и в некоторых других странах 18
1.3. Оценка ксенобиотического загрязнения водных объектов - источников водоснабжения г. Москвы 22
1.3.1. Обоснование выбора водных объектов - источников водоснабжения Москвы 22
1.3.1.1. Общие замечания 22
1.3.1.2. Общая характеристика Волжского и Москворецкого источников водоснабжения г. Москвы 24
1.3.2. Возможные источники антропогенной ксенобиотической нагрузки на источники водоснабжения Москвы 27
1.3.2.1. Общие замечания 27
1.3.2.2. Территории Волжского источника водоснабжения 29
1.3.2.3 Территория Москворецкого источника водоснабжения 31
1.3.3. Существующие сведения о содержании ксенобиотиков в воде источников водоснабжения Москвы 37
1.3.4. Поиск некоторых источников антропогенной ксенобиотической нагрузки на водные объекты - источники водоснабжения Москвы 41
1.4 Цельи задачи работы 47
Глава 2. Методы и результаты выявления органических соединений в водных объектах на основе экспериментальных аналитических исследований 49
2.1. Выбор методов определения и идентификации ксенобиотиков 49
2.1.1. Общие аспекты 49
2.1.2 Выбор оптимальных методов идентификации и определения содержания в воде органических соединений 51
2.1.3. Некоторые методы идентификации и количественного определения органических ксенобиотиков, включая лекарства и их метаболиты 52
2.1.3.1. Общие аспекты 52
2.1.3.2. Тотальный поиск: разработка методики 52
2.1.3.3. Анализ методов идентификации лекарств (определение оптимальной стратегии) 2.1.3.3.1. Общие аспекты 54
2.1.3.3.2. Анализы лекарственных препаратов на подлинность и качество, клинические анализы 55
2.1.3.3.3. Выбор оптимальной технологии обнаружения лекарств и других ксенобиотиков с фармакологической активностью в окружающей среде
2.1.3.3.3.1. Общие замечания 55
2.1.3.3.3.2. Интегральные методики обнаружения ксенобиотиков с фармакологической активностью, включая лекарства 56
2.1.3.3.3.3. Методики одновременного обнаружения групп органических ксенобиотиков, включая лекарства 56
2.1.3.3.3.4. Методы обнаружения конкретных препаратов или отдельных фармакологических групп лекарств
2.1.4. Выбор оптимальных методик и программных средств для идентификации органических ксенобиотиков, включая лекарства и их метаболиты 66
2.1.5. Выбор оптимального оборудования для проведения анализа 68
2.1.6. Методы определения и идентификации ксенобиотиков, использованные в работе..70
2.1.7. Формирование библиотеки перспективных методик 71
2.2. Выбор створов на конролируемых водных объектах, проведение пробоотбора 71
2.2.1. Выбор мест отбора проб 71
2.2.2. Особенности пробоотбора 73
2.3. Результаты экспериментальных аналитических исследований 74
2.3.1. Обнаруженные органические ксенобиотики 74
2.3.2. Определение содержания химических элементов в контролируемых водных объектах 76
Глава 3. Методы и результаты оценки видов потенциальной опасности органических ксенобиотиков на основе информационных технологий 87
3.1. Выбор информационных технологий 87
3.2. Результаты использования информационных материалов (специализированных баз данных) для оценки опасности обнаруженных соединений
3.3.1. Общие принципы расчета 95
3.3.2. Компьютерная программа PASS: принцип расчета, достоинства и недостатки
3.4. Создание единой поисковой и расчетной информационной системы (ПРИС) 101
3.5. Результаты расчетного прогноза биологической активности обнаруженных соединений 102
3.6. Сводные результаты, выявление органических ксенобиотиков с наиболее опасными видами биологической активности, выявление ксенобиотиков с лекарственной активностью 104
3.7. Разработка экотоксикологических карт ксенобиотического профиля водных объектов 111
Глава 4. Разработка рекомендации по снижению ксенобиотического, включая лекарственное, загрязнения водных объектов 117
4.1. Общие замечания 117
4.2. Каталогизация и картографирования основных источников антропогенной ксенобиотнческой нагрузки 117
4.3. Мониторинг водных объектов - источников водоснабжения г. Москвы применительно к оценке содержания и биологической опасности ксенобиотиков 118
4.4. Совершенствование технологий водоподготовки применительно к лекарственному загрязнению питьевых вод
4.4.1. Общие замечания 120
4.4.2. Оценка возможности использования методов очистки воды на основе эффективных окислительных процессов (Advanced Oxidation Processes-AOP) от лекарственного загрязнения 120
4.5. Меры нормотивно-правового характера по уменьшению лекарственного загрязнения природных вод 124
Заключение 128
Благодарности
- Некоторые сведения о лекарствах как о компонентах ксенобиотического загрязнения вод
- Выбор оптимальных методов идентификации и определения содержания в воде органических соединений
- Выбор оптимальной технологии обнаружения лекарств и других ксенобиотиков с фармакологической активностью в окружающей среде
- Совершенствование технологий водоподготовки применительно к лекарственному загрязнению питьевых вод
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одним из определяющих факторов экологической безопасности окружающей среды для человека и биоты является качество вод.
Качество вод в значительной степени определяется присутствием в водных объектах химических веществ антропогенного происхождения, значительную часть которых составляют органические соединения, в том числе те, которые являются чуждыми для человека и биоты (органические ксенобиотики). Перечень органических ксенобиотиков, которые могут оказаться в природных водах многократно превышает перечень веществ, для которых определены нормативные значения предельно допустимых концентраций (ПДК). Хотя в воде присутствуют и неорганические ксенобиотики, именно органические составили предмет нашего внимания и такие вещества в дальнейшем будут пониматься под термином «ксенобиотики».
Каждое такое соединение способно проявлять свою биологическую активность: оказывать воздействие на живые организмы (в принципе, все вещества биологически активны в зависимости от биологической мишени и дозы воздействия на нее). Таким образом, совокупность видов биологической активности, которые могут быть проявлены ксенобиотиками, находящимися в водном объекте, представляет собой его ксенобиотический профиль. Аналогичная совокупность, проявляемая ксенобиотиками, фактически обнаруженными в водном объекте, может быть названа зарегистрированным ксенобиотическим профилем этого объекта.
Среди ксенобиотиков отдельно следует выделить лекарства и их метаболиты, которые могут оказаться в водных объектах как загрязнения. Для некоторых лекарственных веществ, выступающих как компоненты загрязнения вод, доказано (как следует из литературных данных) их негативное влияние на гидробиоту, но этим исследованиям не угнаться за всеми возможными ситуациями вредоносного действия компонентов лекарственных средств на гидробиоту и, тем более, на человека, особенно с учетом интенсивного возрастания ассортимента новых лекарственных средств.
Таким образом, актуальными задачами при оценке ксенобиотического загрязнения вод являются обнаружение органических ксенобиотиков, их классификация и оценка или прогноз опасности для живых организмов
(определение регистрируемого ксенобиотического профиля водного объекта). Это требует также развития и усовершенствования современных методов пробоподготовки и анализа, которые позволили бы определять более широкий массив соединений с более высокой чувствительностью.
Для оценки опасности ксенобиотиков ввиду трудоемкости и затратности традиционных методов, а в ряде случаев и необходимости проведения сложных научных исследований, актуально создание альтернативного метода оценки, что может быть достигнуто путем использования информационных технологий, в частности, различных международных и национальных баз данных по опасности химических элементов и соединений, а также соответствующих расчетных подходов для прогностических оценок. Подобные технологии в применении к ксенобиотическому загрязнению водных объектов, к определению видов их биологической активности ранее практически не использовались.
Цель работ - обнаружение в водных объектах ксенобиотиков, включая лекарственные вещества, и определение их потенциального влияния на человека и гидробиоту при оценке качества вод (на примере источников питьевого водоснабжения г. Москвы).
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
обзор основных сведений о ксенобиотиках применительно к поставленной цели, включая обзор по лекарственному загрязнению водных объектов;
анализ существующих методик идентификации и определения содержания ксенобиотиков, включая лекарства, в водных объектах и оптимизация избранных методик применительно к цели работы;
выбор контролируемых водных объектов среди источников водоснабжения Москвы и формирование (применительно к ним) первичного перечня источников возможного ксенобиотического загрязнения;
отбор проб воды, донных отложений и снегового покрова на выбранных водных объектах и определение состава и содержания ксенобиотиков, включая вещества лекарственного происхождения (определение химической структуры, концентрации);
классификация обнаруженных ксенобиотиков по видам биологической активности, включая фармакологическую;
- разработка методов регистрации ксено биотического профиля водных
объектов, как одного из этапов определения качества вод;
разработка принципов картографирования зон отбора проб на выбранных водных объектах по видам биологической опасности обнаруженных соединений (создание нового вида тематических карт);
разработка комплекса взаимосвязанных рекомендаций по снижению содержания ксенобиотиков в природной и питьевой водах.
Объектом исследования являются некоторые водные объекты, входящие в Москворецкую и Волжскую системы водоснабжения г. Москвы: Иваньковское, Истинское, Клязьминское, Можайское, Озернинское, Рузское, Учинское водохранилища, реки Москва, Истра и Руза, а также водозаборы предприятий водоподготовки г. Москвы.
Предмет исследования - определение содержания и биологической опасности ксенобиотиков, обнаруживаемых при исследовании водных объектов - источников водоснабжения г. Москвы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые обнаружен ряд потенциально опасных ксенобиотиков, не выявленных ранее; определен ксенобиотический профиль (применительно к обнаруженным соединениям) водных объектов - источников водоснабжения г. Москвы.
-
Впервые в водных объектах - источниках водоснабжения г. Москвы в массиве ксенобиотиков обнаружены лекарственные вещества, их метаболиты и другие компоненты лекарственных средств, а также рассмотрено их пространственное распределение в изучаемых водных объектах.
-
Разработан комплекс методов определения, оценки и прогноза биологической опасности органических ксенобиотиков, включая лекарственные вещества и их метаболиты, в том числе модифицированный метод пробоподготовки, метод информационной обработки данных применительно к задачам выявления видов биологической опасности, реализованный в виде частично автоматизированной системы, метод картографирования водных объектов по зонам видов биологической опасности.
-
Предложены некоторые научные, научно-технологические и научно-организационные принципы рекомендаций по снижению содержания ксенобиотиков в природной и питьевой воде.
Практическая ценность диссертации заключается в получении результатов, способствующих решению задач оценки и, соответственно, улучшения качества природных вод. Разработанный комплекс методов прогноза опасности обнаруживаемых органических ксенобиотиков может быть применен для оценки ксенобиотического профиля любого водного объекта. Обнаруженная ксенобиотическая, включая лекарственную, загрязненность источников питьевого водоснабжения г. Москвы позволяет определить меры по снижению возможных негативных последствий этого загрязнения.
Основные результаты работы приняты ОАО «Мосводоканал» в рамках договора между ИВП РАН и ОАО «Мосводоканал» (2009-2011 гг.), а также вошли в работу, выполненную в интересах Минприроды РФ в рамках государственного контракта между ИВП РАН и ФГБУ «Центр развития водохозяйственного комплекса» (2013 г.).
Защищаемые положения
-
Разработан комплекс методов экспериментального определения и идентификации органических соединений, в том числе лекарственных веществ, в воде и донных отложениях, оценки их биологической опасности, основанный на использовании специализированных баз данных и прогнозных моделях, связывающих структуру и биологическую активность химического соединения.
-
Впервые показано, что водные объекты - источники водоснабжения г. Москвы содержат ранее не выявленные потенциально опасные органические ксенобиотики, включая лекарственные вещества, их метаболиты и компоненты лекарственных форм, обладающие различными видами биологической, в том числе токсической, опасности.
-
Впервые введен новый вид тематических карт - экотоксикологические карты водного объекта: отражение на карте видов опасного биологического действия ксенобиотиков, обнаруженных в соответствующих точках отбора проб, что способствует экологическому зонированию водных объектов и поиску источников загрязнения.
-
Разработаны научные и технологические основы взаимосвязанных рекомендаций по снижению ксенобиотического загрязнения, включая лекарственное, в водных объектах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Научно-практической конференции «Устойчивое развитие регионов: ситуации и перспективы» (Переславль-Залесский, 2010, 2012),
Международной научной конференции молодых ученых и талантливых студентов «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, 2010, 2011, 2012), Всероссийской научной конференции «Устойчивость водных объектов, водосборных и прибрежных территорий; риски их использования» (Калининград, 2011), Международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем (MLSD'2012)» (Москва, 2012), V Всероссийском симпозиуме с международным участием Органическое вещество и биогенные элементы во внутренних водоемах и морских водах» (Петрозаводск, 2012), Международном конгрессе ЭКВАТЕК-2012 в рамках конференции «Методы анализа и контроля качества воды» (Москва, 2012), XX Конгрессе « Человек и лекарство» (Москва, 2012), Всероссийской научной конференции «Водная стихия: опасности, возможности прогнозирования, управления и предотвращения угроз» (г. Краснодар, 2013). Работа получила вторую премию на конкурсе 2013 г. на соискание медалей Российской академии наук с премиями для молодых ученых РАН, других учреждений, организаций России и для студентов высших учебных заведений России за лучшие научные работы.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 22 печатных работы, из них 4 в изданиях по перечню ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 4-х приложений. Список использованной литературы содержит 123 наименования. Основной текст диссертации содержит 139 страниц машинописного текста, включая 28 рисунков, 22 таблицы.
Некоторые сведения о лекарствах как о компонентах ксенобиотического загрязнения вод
К радиоксенобиотикам относятся радионуклиды искусственного происхождения, поступившие в биосферу в результате испытаний ядерного оружия, а также в результате аварий на предприятиях ядерного топливного цикла, миграции из захоронений, из зон мирных ядерных взрывов или использования техногенных радионуклидов в различных областях науки и практики. В принципе, этот тип можно считать подтипом химиоксенобиотиков
Среди биоксенобиотиков выделяют микоксенобиотики - токсины, продуцируемые плесенями (микроскопическими низшими грибами), а также содержащиеся в ядовитых видах высших грибов. К биоксенобиотикам относят токсины некоторых растений (фитоксенобиотики), ядовитые вещества, присутствующие в органах и тканях отдельных видов рыб и других водных организмов (зооксенобиотики), а также эндо- и экзотоксины, вырабатываемые рядом микроорганизмов.
В принципе, в источниках водоснабжения могут быть представлены все три названных типа ксенобиотиков, однако в данной работе приоритет отдается химиоксенобиотикам, к которым, в дальнейшем, и будет относиться термин «ксенобиотики».
Ксенобиотики классифицируются также по химическим классам (номенклатуре химических соединений). Для классификации может использоваться номенклатура UP АС. Частично она представлена в действующих Санитарных нормах и правилах (например, СанГТиН 2.1.4.1074-01. «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»). В рамках классификации по химической структуре следует выделить хлорорганические соединения, среди которых находится подавляющее количество супертоксикантов, некоторые высокотоксичные мсталлоорганические соединения и нефтегенные углеводороды в силу их повсеместной распространенности.
Другой важный критерий классификации - функциональное назначение ксенобиотиков. По этому критерию можно выделить: лекарственные препараты для человека и для животных, а также биологически активные добавки; пестициды (инсектициды, акарициды, альпщлды, арборициды и др.); агрохимикаты кроме пестицидов (органические удобрения; ростовые вещества и др.) пищевые добавки синтетического происхождения, не дублирующие структуру естественных добавок;вещества исключительно или преимущественно промышленного назначения (синтетические красители, буровые растворы, пенообразователи, эмульгаторы и др.) вещества исключительно или преимущественно бытового назначения (моющие средства, пленочные материалы, органические клеи, средства парфюмерии и косметики и др.); ядовитые вещества, целенаправленно созданные для уничтожения человека, животных, растений; химические энергоносители (нефть, газ, газовый конденсат); химические вещества, получаемые в научных целях или используемые исключительно как реактивы в процессе исследовательских работ и не относящиеся ни к одному из названных выше классов; вещества с другими функциональными назначениями.
Ксенобиотики также можно классифицировать по их мишеням в организме, в качестве которых - основные системы организма: нервная, кроветворная и кровеносная, пищеварительная, дыхательная и т.д. Каждая из таких системных мишеней может быть разделена на мишени нижележащих иерархических порядков - органы, ткани, клетки, субклеточные структуры, молекулярные структуры.
Такая классификация практически весьма полезна, так как при отсутствии данных о ПДК или ОДК для определенного ксенобиотика (подробнее см. в разделе 1.2), весьма существенной будет информация о мишени, позволяющая оценить вид негативной биологической активности (например, нейротропные или кардиотропные или нефротоксичные ксенобиотики). Это позволит предсказать некоторые возможные последствия их действия, а также предложить меры по снижению рисков.
Важной является классификация по механизмам опасного биологического действия ксенобиотиков: общего токсического действия, нервно-паралитического действия, мутагенного, канцерогенного и т.д.
Для оценки рисков воздействия ксенобиотиков важна также их классификация по механизмам их метаболизма в организме и выведения или депонирования (с учетом скорости этих процессов).
Важным классификационным критерием является также скорость деградации ксенобиотиков в окружающей природной среде. По этому критерию вьщелягот, в частности, стойкие органические загрязнители (СОЗ).
По степени общей токсичности ксенобиотики можно относить к одному из 4-х классов токсичности всех веществ в окружающей среде, принятому в гигиене [Майстренко, Клюев, 2004]: I класс опасности - чрезвычайно опасные вещества (чрезвычайно токсичные); II класс опасности - высокоопасные вещества (высокотоксичные); III класс опасности - умеренно опасные вещества (среднетоксичные); IV класс опасности - малоопасные вещества (малотоксичные). В последнее десятилетие в отечественной литературе активно используется термин «супертоксиканты» или «суперэкотоксиканты», выделяющий из класса чрезвычайно опасных веществ действующие в пределах очень низких концентраций (на 3-6 порядков ниже обычных СОЗ) [Майстренко, Клюев, 2004].
Выбор оптимальных методов идентификации и определения содержания в воде органических соединений
Активно работают научные предприятия района в области электромеханики, космоса и медицины (ОАО НИИЭМ); электротехники (ФГУП ВЭИ); высоковольтных технологий (ЗАО «Зевс-технологии»); электротермического оборудования (ИЭЦ «ВНИИЭТО»), В области военных технологий работают такие предприятия района, как ЗАО «Новатор» и ЗАО «НПП «Эра». Успешно работает предприятие - лидер на рынке электрических контактов и контактных материалов - научно-производственное объединение «Благовест» [Экономика района].
Сельское хозяйство района специализируется на выращивании картофеля, овощей, зерновых и молочном животноводстве. Ситуация в агропромышленном комплексе района характеризуется теми же тенденциями, что и в целом по Московской области: сокращаются посевные площади, уменьшается урожайность и поголовье.
Экологическая ситуация. В Истринском районе неудовлетворительно решаются проблемы экологической безопасности. Из 2187 не контролируемых Мособлкомприродой стационарных источников загрязнения только 273 оснащены газоочистными установками. Количество загрязняющих веществ, отходящих от всех стационарных источников загрязнения, составляют 24,6 тыс. т/год, из них 5,7 тыс. т не очищаются, а 18 тыс. т улавливаются. В составе выбрасываемых загрязняющих веществ: сернистый ангидрид -822 т, окись углерода-2500 т, окислы азота-738 т, углеводороды - 133 т, аммиак- 160 т, прочие газообразные и жидкие загрязняющие вещества - 496 т, твердые - 1415 т. Из особо опасных загрязнителей в атмосферу попадает хром шестивалентный, но в весьма незначительных количествах (0,001 т) [Решение проблем устойчивого развития].
Фермы и птицефабрики сбрасывают значительное количество сточных вод, не всегда нормативно очищенных. Принимают для очистки сточные воды 13 очистных сооружений района.
Реки Малая и Большая Истра и их притоки, а также Истринское водохранилище входят в систему питьевого водоснабжения г. Москвы и требуют особого внимания со стороны возможных загрязнителей. Потенциально наибольшую угрозу загрязнения воды в бассейне р. Истры представляют пометохранилища Глебовской птицефабрики, аварийные сбросы которых загрязняют р. Маглушу.
После использования на территории района сбрасывается 10,3 млн. м сточной воды в год, из них: нормативно чистой 0,5 млн. м , недостаточно очищенной 8,8 млн. м в год [Решение проблем устойчивого развития].
Можайский район имеет многоотраслевую промышленность, выпускающую десятки наименований различной продукции, в том числе можайское молоко (ЗАО ЗСМ «Можайский»), полиграфическая продукция (ОАО «Можайский полиграфический комбинат»), медицинские инструменты (ОАО «Можайский МИЗ»), мужские костюмы (ЗАО «Франт»), безалкогольные и слабоалкогольные напитки (ЗАО «Бородино»), железобетонные изделия (ЗАО «198 КЖИ»), строительные материалы из ячеистого бетона (ЗАО «Кселла-Аэроблок-Центр Можайск»). В целом, это один из самых больших и удаленных от центра и наименее затронутых антропогенным воздействием районов. В районе нет крупных промышленных объектов, плотность населения одна из самых низких [Промышленность района].
В сельскохозяйственном производстве насчитываются 21 сельскохозяйственных предприятия, из них 9 занимаются разведением крупного рогатого скота, производством, реализацией молока и молочной продукции, а также выращиванием и откормом свиней [Сельское хозяйство]. Доля сельскохозяйственного населения - самая высокая в структуре населения.
В экологическом отношении Можайский район относится к числу благополучных. После использования на территории района сбрасывается 2,2 млн. м3 сточной воды в год, из них: нормативно чистой 200 тыс. м3, недостаточно очищенной - 1,9 млн. м [Решение проблем устойчивого развития].
Рузский район. Население района - 68,2 тыс. чел. Центр района г. Руза. В Рузском районе численность ПОСТОЯЕШОГО населения в последние годы имеет явно выраженную тенденцию к увеличению.
Производственный комплекс. Рузский район - сельскохозяйственно-индустриальный с промышленностью, ориентированной на переработку местного сырья. Промышленный потенциал района несколько выше, чем у всех его западных соседей, в основном за счет горнодобывающей промышленности и промышленности стройматериалов. На основе лесных ресурсов района развита лесная и деревообрабатывающая промышленность.
В районе 92 промышленных предприятия лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, промышленности строительных материалов, легкой, пищевой и полиграфической; 222 предприятия сельского хозяйства, 87 строительных [Решение проблем устойчивого развития].
Более половины общего объема валовой продукции промышленности производится на пищевых предприятиях 55%, в лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности - 39%, в легкой - 5%, полиграфической - 1,2% и промышленности строительных материалов - 0,4%.
Крупнейшие предприятия района АОЗТ "Рузская мебельная фабрика", АООТ "Мясокомбинат "Рузский", АО "Молочный завод "Рузский". В экологическом ситуация в районе, в основном, связана с загрязнением атмосферы. Количество загрязняющих веществ, отходящих от 622 стационарных источников загрязнения, выделяют в атмосферу Рузского района 7,2 тыс. т вредных веществ. Это составляет 1,2 % от всех выбросов по Московской области.
После использования на территории района сбрасывается 7,3 млн. м3 сточной воды в год, из них: нормативно очищенной 0,2 млн., недостаточно очищенной 6 млн. м3/год [Решение проблем устойчивого развития].
Земли Рузского района незначительно загрязнены, в основном, излишними дозами органических и минеральных удобрений, способных попадать в водные объекты. Большая часть земель занята лесами, меньшая землями сельхозпредприятий. Некоторое негативное влияние оказывают постоянно расширяющиеся участки дачно-садовых коллективов, увеличение интенсивности движения автотранспорта, изъятие земель водоохранных зон, вырубка лесов и захламление территории, неправильное применение химикатов.
В Одинцовском районе промышленную деятельность осуществляют 303 предприятия, из них 25 средних и 278 малых предприятий. В районе работают предприятия по производству строительных материалов, машиностроительного комплекса, черной металлургии, химической, деревообрабатывающей, легкой и пищевой промышленности. В структуре промышленного производства наибольший удельный вес приходится на промышленность стройматериалов- 31%, пищевую- 23%, машиностроение -16% [Промышленность (краткая справка)].
В структуре производственно-хозяйственного комплекса преобладают промышленные предприятия, предприятия науки, научного обслуживания и строительного комплекса, транспортные объекты. Промышленность представлена объектами стройиндустрии (ОАО «Стройиндустрия», «Голицынский керамический завод», «Стройполимер», «Часцовский завод железобетонных изделий»), легкой промышленности (ОАО «Кубинка», ЗАО «Светлячок»), пищевой промышленности (ООО «Одинцовская кондитерская фабрика», ЗАО «Золотые купола»), мебельными предприятиями (ООО «Одекс», ЗАО ПО «Одинцово») и др. [Решение проблем устойчивого развития].
Выбор оптимальной технологии обнаружения лекарств и других ксенобиотиков с фармакологической активностью в окружающей среде
В работе [Johnson et al., 2004] использовалась распространенная методика, где соединения, адсорбированные на твердофазных патронах, элгоировались метанолом. Экстракт концентрировался почти до сухости под азотом и доводился до конечного объема 1 мл в ацетонитриле. Применялся метод ВЭЖХ-МС в режиме положительного иона. По результатам анализа были обнаружены лекарства в сточных водах от станций очистки вод с трехступенчатой очисткой, среди которых парацетамол, кодеин, метформин (препарат при диабете), сульфаметоксазол (антибиотик), сальбутамол (бронхолитическое), карбамазепин (противосудорожное), ранитидин (противоязвенное), эстрон (гормональная терапия), триметоприм (антибиотик) и кетопрофен (нестероидный противовоспалительный препарат). Метформин был также найден в грунтовых водах и колодцах.
В статье [Diwan et al., 2009] определялись в больничных стоках 13 заранее выбранных антибиотиков (метронидазол, тинидазол, сульфаметоксазол, эритромицин, норфлоксацин, ципрофлоксацин, офлоксацин, левофлоксацин, доксициклин, амикацин, цефоперазон, амоксициллин и цефтриаксон). Перед SPE 50 мл каждой водной пробы отфильтровывали через 0,45 мкм и подкисляли до рН 3,0 серной кислотой. Затем пробу подвергали экстракции в колонке с расходом 8 капель в минуту. Пробу пропускали через активированный С-18 картридж с 5 мл метилового спирта, 5 мл метанола / воды (50/50 об/об) и 5 мл воды при рН 3,0. Патрон промывали 5 мл подкисленной водой при рН 3,0. Затем картридж элюировали 5 мл триэтиламина (5% об/об) в метаноле. Элюированный раствор упаривали до 20 мкл азотом при температуре 50 С. Объем пробы доводили до 1 мл путем добавления воды/ацетонитрила 95/5 (об/об) и необходимую часть вводили в ЖХ-МС/МС системы. По результатам анализа были обнаружены 8 из 13 искомых антибиотиков (метронидазол, норфлоксацин, сульфометоксазол, цефтриаксон, офлоксацин, ципрофлоксацин, левофлоксацин и тинидазол) в диапазоне концентраций 1.4-236.6 мкг/л в больничных стоках.
В статье [Xu et al., 2007] анализировалось содержание заранее выбранных антибиотиков в морской и речной воде (офлоксацин, норфлоксацин, рокситромицин, эритромицин, сульфадназин, сульфадимидии, сульфаметоксазол, амоксициллин и хлорамфеникол). Пробы воды фильтровались через фильтры из стекловолокна 0,45 мм. Пробу в 1 л подкисляли до рН 3.0, добавляя 3,0 М fySQt, с последующим добавлением 0,2 г натрия этилендиамина тетраацетат (Na2EDTA). В каждый образец перед экстракцией в качестве суррогата для контроля восстановления добавляли 100 нг Сз-кофеин. Oasis HLB картриджи, используемые для SPE, предварительно обрабатывались последовательно 6,0 мл метанола, 6,0 мл особо чистой водой и 6,0 мл буфером (рН 3,0) 10 ммоль/л Na2EDTA. После этого пробы пропускались через SPE колонку при расходе около 10 мл / мин, которая затем промывалась 10 мл особо чистой воды (рН 3,0), и сушилась под азотом в течение 1 ч. После высыхания каждый картридж элюировали 2 мл (хЗ) метанолом. Аналиты были собраны в 10 мл флаконе коричневого стекла, их объем уменьшался при продувки азотом, после чего аналиты растворяли в 40% водном растворе метанола до конечном объема 1,0 мл.
Использовался жидкостной хроматограф HP 1100 LC с контролируемой градиентной системой. Хроматограф оснащеи автоматическим заборником, насосом и термостатирующей колонкой. Была использована хроматографическая колонка ODS-P, работающая при 35 С. Оптимальное разделение было достигнуто при использовании градиентного элюирования. Подвижная фаза состояла из А: ацетонитрил; В: вода с 0,2% (об/об) муравьиной кислотой. Градиент был создан следующим образом: 0-8 мин 40% А, 8-Ю мин линейный градиент до 60% А, 10-25 менее 60% А, 25-30 мин линейный градиент до 40% А, и выдерживали при 40% в течение 5 мин. Объем впрыска составлял 20 мл, а расход - 0,4 мл / мин. Все соединения элюировали из колонны в течение 22 мин. Масс-спектрометрические измерения проводились на приборе Sciex API 4000, оснащенном ESI. Анализ проводился в отрицательном режиме для амоксициллина и хлорамфеникола, в положительном режиме для других соединений (офлоксацин, норфлоксацин, рокситромицин, эритромицин, сульфадиазин, сульфадимидин, сульфаметоксазол).
В статье [Spongberg et al., 2008] описано исследование сточных вод на трех станциях очитки на разных этапах на содержание 20 лекарственных препаратов и средств личной гигиены, в том числе нескольких антибиотиков, анальгетик, регулятор липидпого обмена (гемфиброзол) и др. После фильтрации проб проводилась SPE на гидрофильных-липофильных картриджах Oasis. Были применены 3 отдельных метода извлечения. Заключительные экстракты были отфильтрованы с помощью 0,45-цтТеПоп фильтров, и хранились при -5 С до анализа. Метод A; SPE картриджи были подготовлены 6-мл ацетона и метанол, соответственно, и 6 мл 50 мМ Na2EDTA. Аликвоту пробы доводили до рН 3 H2SO4, после чего добавлялся 0,5 г / л NajEDTA. Скорость потока 10 мл / мин. После вакуумной сушки патрон элюировали 3 х 2 мл метанола, затем выпаривали до 300 мкл под азотом її восстанавливали в 1 мл ацетонитрила. Метод В: картриджи подготавливали 6 мл ацетона и метанол, соответственно, и уравнивали 6 мл суперчнстой водой с рН 6. Аликвоту пробы доводили до рН б, используя H2SO4, и пропускали через картридж со скоростью 10 мл / мин. После вакуумной сушки картридж элюировали 3 2 мл метанола, затем выпаривали до 300 мкл под азотом и восстанавливали 1 мл ацетонитрила. Метод С: картриджи подготавливали 5 мл метанола и уравновешивали 2 х 5 мл суперчистой водой. Аликвоту пробы доводили до рН 2, используя H2SO4, и пропускали через картридж со скоростью 10 мл / мин. После вакуумной сушки картридж элюировали 3 х 2 мл 1% уксусной кислоты в метаноле, затем выпаривали до 300 мкл под азотом и восстанавливали в 1 мл ацетонитрила. Анализ ЖХ-МС/МС с ESI был проведен на хроматографе Varian 1200 L Triple Quad Mass Spectrometer, оборудованном электрораспылительным источником ионизации ESI. Азот был использован в качестве распылительного газа в как отрицательном, так и в положительном режимах ESI. Были использованы 6 хроматографнческих методов разделения в сочетании с тремя методами элюирования.
В работе [Kolpin et al., 2002] для определения 95 лекарственных соединений в сточных водах, были использованы 5 различных методов, в том числе использовалась SPE с ЖХ-МС с ESI, непрерывная жидкостная экстракция с капиллярной газовой хроматографией/масс-спектрометрией. Все 5 методов подробно описаны. Наиболее часто были обнаружены такие соединения как копростанол, холестерин, N, N-диэтилтолуамид, кофеин, триклозан.
В статье [Li et al., 2008] анализировалось содержание Пенициллина G в природных и сточных водах. 0,1 л пробы фильтровали через 0,45-мм полиэфирсульфонный фильтр, после чего экстрагировали через колонку Oasis HLB SPE. Аналиты элюировали 6 мл 40% ацетонитрила в воде и выпаривали потоком азота, после чего добавляли 2 мл аммиачно ацетатного буфера (рН 6,7 1А) для предотвращения деградации Пенициллина G. Система ВЭЖХ состояла из жидкостного хроматографа Alliance 2695 и колонки Waters SymmetryShieldTM RP18 (150x2,1 мм, размер частиц 5 мм), который работал при 25 С со скоростью потока 0,2 мл / мин. Подвижные фазы состояли из 0,1% муравьиной кислоты в воде с ацетат аммонием ImM (растворител А, рН 2,7) и из ацетонитрила (растворитель В). Объем впрыска составлял 20 мл для каждого образца. Масс-спектрометрия проводилась на спектрометре ZQ 4000. Электрораспылительная ионизация (ESI) была проведена в отрицательном ионном режиме. Капиллярной напряжение составляло 3,5 кВ, конус напряжения был установлен на уровне 20 и 60 В в многоканальном режиме. Источник и десольватация температуры были установлены в размере 105 и 250 С, соответственно. Азот использовался в качестве газа десольватации с расходом 300 л /ч.
Совершенствование технологий водоподготовки применительно к лекарственному загрязнению питьевых вод
Для всех обнаруженных соединений был проведен поиск информации об их свойствах в указанных в разделе 3.1. информационных источниках. Всего было использовано 27 баз данных.
Почти для ста соединений удалось найти сведения об их свойствах, однако эти сведения в основном касались их физико-химических свойств. Для 30% соединений удалось обнаружить данные об их токсических свойствах. Однако эти данные носили общий характер и не основывались на глубоком исследовании токсических свойств соединений. В редких случаях (не более чем для 20 соединений) были найдены подробные сведения об их токсических свойствах, с указанием проведения экспериментов на подопытных животных, с указанием дозных концентраций и т.д.
Наиболее полная информация содержится в двух базах - Chemistry WebBook of the National Institute of Standards and Technology (Электронный химический справочник Национального института стандартов и технологий США) и в ChemExper Chemical Directory (Химический каталог ChemExper). Однако, как уже было отмечено, в данных базах представлена, в основном, информация только по физико-химическим свойствам соединений и очень редко (только во второй из них) приведены некоторые сведения о токсичности. В использованных базах данных, применительно к исследованным веществам сведения по ПДК или ОДУ отсутствуют.
Таким образом, информационные источники не позволяют в полной мете оценить степень опасности всех обнаруживаемых соединений. В этой связи встает вопрос о другом подходе к оценке опасности веществ, который позволил бы определять токсичность вне зависимости от изученности соединения.
В настоящее время для оценки биологической активности органических соединений, в основном, используются следующие методы: 1) экспертные оценки (по структурной аналогии с учетом физико-химических свойств и др.); 2) использование моделей SAR (structure-activity relationships), полученных на основе анализа обучающей выборки; 3) применение эмпирических, полуэмпирических и иных расчетных формул, основанных на физико-химических свойствах химических соединений; 4) квантово-химические расчеты; 5) молекулярное моделирование взаимодействия ХС с биологическими макромолекулами-мишенями. В данной работе использована расчетная технология определения биологической активности на основе взаимосвязей химической структуры и свойств молекулы со спектром ее биологической активности.
Среди методов, использующих эти подходы, в настоящее время доминируют два методических подхода из всех разнообразных методов «структура - активность» (см. обзор в [Баренбойм, Маленков, 1986]): первый - это методы по похожести структур веществ с неизвестной и известной биологической активностью или с совокупностью известных органических соединений и статистической оценкой сходства путем описания анализируемой молекулы и веществ из обучаемой выборки дескрипторами, представляющими описание отдельных частей молекулы на формализованном языке с перекрытием этих частей (см., например, изложение принципов кодирования [Стыопер и др., 1982; Баренбойм, Маленков, 1986; Плетнева, 2008; Хёльтье и др., 2010],
Другой важный подход - квантово-химический [Пульман, Пульман, 1965; Соколов, 2008]. При определении биологической активности сольватированной молекулы в воде расчет по этому методу представляет определенные технические трудности, но главное, получаемый при таких расчетах набор параметров (порядок связи, потенциал ионизации, реакционная способность, энергия резонанса и др.) описывают потенциальные, а не реальные проявления биологической активности.
Реализация биологической активности химических соединений связана с типом биологической мишени, условий воздействия с ней н т.д. Для проявления рассчитанной биологической активности, например, лекарственного соединения такой макромишеныо служит человек, при этом имеют значение пол, возраст и даже национальность [Суханов, Пирузян, 2010]. В более общем плане вообще следует учитывать, что токсичность часто бывает избирательной по отношению к видовой принадлежности организма, определенному организму и биохимическому процессу при одинаковых структурных характеристиках токсиканта [Альберт, 1971]. Всё это означает, что для оценки реальной биологической активности при квантово-химических расчетах необходимо построение достаточно сложных моделеіі «структура - активность» с привлечением широкой базы знаний.
Обучающая выборка в дескрипторном анализе по схожести содержит экспериментальные данные о биологической активности входящих в нее соединений, включая фармакологические и токсические виды биологической активности, с указанием мишени, концентрации и ряда других особенностей проявления этой биологической активности. Поэтому для прогноза спектра биологической активности целесообразно использовать системы, основанные на применении обучающей выборки. В то же время квантово-химические расчеты целесообразно использовать для прогноза изменений анализируемой молекулы в окружающей среде и, в частности, в водной.
В данной работе использован метод оценки на основе обучающей выборки. Такой метод, разработанный в Институте биомедицинской химии им. В.Н.Ореховича РАМН, преимущественно для конструирования новых лекарств, реализован в компьютерной программе PASS [Филимонов, Поройков, 2006], и впервые в работах с нашим участием применен для оценки биологической активности органических ксенобиотиков, загрязняющих воду [Данилов-Данильян и др., 2012].
Компьютерная система PASS (Prediction of Activity Spectra for Substances) позволяет прогнозировать одновременно множество различных видов биологической активности органических соединений по их структурной формуле на основе анализа взаимосвязей «структура - активность» с использованием обучающей выборки, содержащей большое количество разнородных ОХС с различными видами биологической активности. Список прогнозируемых PASS видов биологической активности включает в себя основные и побочные фармакологические эффекты, биохимические механизмы действия, специфическую токсичность, нежелательные мишени, и эффекты, связанные с метаболизмом, транспортом и влиянием на экспрессию генов. Можно добавлять информацию о новых видах биологической активности и новых соединений. Детальное описание того, как представляется в программе информация о биологической активности и структурной формуле соединения, алгоритм оценки спектра биологической активности, подготовке обучающей и тестовых выборок, оценка точности прогноза и интерпретация полученных результатов прогноза можно найти в публикациях [Филимонов, Поройков, 2006; Filimonov, Poroikov, 2008; Poroikov, Filimonov, 2006].
Опишем некоторые особенности этой программы с тем, чтобы оценить ее возможности применительно к нашим задачам.
Современная версия компьютерной программы PASS 11.1 прогнозирует более 4000 видов биологической активности со средней точностью свыше 95% (скользящий контроль с исключением по одному). Обучающая выборка программы PASS 11.1 содержит информацию о более чем 250000 лекарственных препаратов и биологически активных соединений, включая данные о многих химических токсикантах. Биологическая активность описывается в PASS качественно ("активное" или "неактивное") в виде спектра биологической активности органического соединения -множества различных видов биологической активности, описывающих результат взаимодействия соединений с различными биологическими объектами. Спектр биологической активности отражает "внутренние", присущие данному соединению свойства, зависящие только от его химического строения. В PASS принимается, что химическое соединение не обладает теми видами биологической активности, которые не указаны в его спектре, хотя и нельзя исключить ситуации, когда информация о какой-либо биологической активности химического соединения не была найдена в доступных источниках.
