Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1. Гигиенические аспекты охраны окружающей среды в условиях синтеза и использования синтетических аналогов полиолов 12
1.2. Токсиколога-гигиеническая характеристика структурных аналогов полиолов 19
Глава 2. Объекты, материалы и методы исследования 31
2.1. Обоснование выбора объектов и направления исследования 31
2.2. Методы исследования, используемые в работе 35
Глава 3. Влияние полиолов на органолептические показатели воды и процессы естественного самоочищения водоемов 52
3.1. Органолептические показатели воды 52
3.2. Санитарный режим водоемов 56
Глава 4. Гигиеническая характеристика метаболитов гидролитического разложения и термического окисления полиолов 63
4.1. Качественная и количественная гидролитическая деструкция в модельных водоемах 63
4.2. Термическая деструкция 68
4.3. Гигиеническая характеристика продуктов деструкции и разложения полиолов 72
Глава 5. Токсикологическая характеристика полиолов в условиях острого и подострого экспериментов 77
5.1. Параметры острой токсичности и кумулятивные свойства 77
5.2. Подострый токсикологический эксперимент
5.2.1. Динамика массы тела экспериментальных животных 83
5.2.2. Клиническая картина крови 84
5.2.3. Окислительно-восстановительные процессы 86
5.2.4. Отдаленные последствия влияния полиолов
5.2.5. Аллергенные свойства и состояние иммунобиологической реактивности организма 107
5.2.6. Патоморфологические и гистохимические изменения во внутренних органах 117
Глава 6. Экспериментально-гигиеническое обоснование особенностей механизмов биологического действия полиолов 122
6.1. фосфолипидный состав мембран эритроцитов и гепатоцитов 122
6.2. Активность системы микросомального окисления 124
6.3. Состояние антиоксидантной системы и окислительно-восстановительных процессов 128
6.4. Состояние микроэлементного гомеостаза в органах и тканях 133
6.5. Состояние гормонального статуса 135
Глава 7. Анализ и обобщение результатов исследований 140
Выводы 156
Список использованных источников 160
Приложение 1
- Токсиколога-гигиеническая характеристика структурных аналогов полиолов
- Методы исследования, используемые в работе
- Санитарный режим водоемов
- Термическая деструкция
Токсиколога-гигиеническая характеристика структурных аналогов полиолов
После обработки твердая фаза отделяется на автоматическом камерном фильтре с механической разгрузкой осадка, и далее из продукта на роторно-пленочном испарителе окончательно удаляются летучие соединения. В готовый олигоэфир перед отправкой на склад могут быть внесены необходимые добавки.
В соответствии с техническим регламентом при получении одной тонны готовой продукции образуется 36-38 тонн сточных вод, причем непосредственно на этапе технологического процесса их количество составляет 18-19 тонн. Такое же количество получается в результате промывки оборудования, аппаратуры и тары. Образование сточных вод происходит на стадии приготовления катализатора, сорбционной очистки и сушки олигоэфиров, мойки и ополаскивания возвратной тары и оборудования, работы вакуум-насосов и полотен фильтр-прессов. В зависимости от стадии образования характер сточных вод имеет существенные различия в физико-химических свойствах.
Следует отметить, что сточные воды на стадии приготовления катализатора, сорбционной очистки и сушки олигоэфиров имеют температуру более 80С, рН колеблется от 8,5 до 12,0; биохимическая и химическая потребность в кислороде составляет от 200 000 до 480 000 мг/л. Вместе с этим, в сточных водах содержатся продукты термоокисления: углеводороды, альдегиды, кетоны, спирты, летучие вещества. На следующих этапах в составе стоков содержатся простые олигоэфиры. Содержание их порой достигает до 10,0 г/л.
Образующиеся сточные воды на этапах получения олигоэфиров поступают в усреднители. Они имеют неблагоприятные органолептические показатели - резкий эфирный запах, специфический запах нефтепродуктов и синтетических моющих средств. Цвет сточных вод имеет белую окраску, порой желто-зеленоватую, содержание взвешенных веществ колеблется от 100,0 до 8000,0 мг/л. Органолептические и санитарно-химические показатели зависят от стадии образования сточных вод в производстве олигоэфиров.
Наиболее тяжелые сточные воды образуются на стадии приготовления катализатора - они имеют грязно-желтую окраску, резкий эфирный запах, высокий водородный показатель - рН 12. Химическая потребность кислорода (ХПК) составляет около 480 000 мг 02/л, биохимическая потребность кислорода (БПК) - 384 000 мг 02/л. Соотношение БГЖ/ХПК составляет 0,8.
По данным технического регламента производства полиоксипропилен- и полиоксиэтиленполиолов на стадии сорбционной очистки и сушки олигоэфира формируются сточные воды, имеющие неприятный резкий эфирный запах, желтый цвет, содержащие до 300,0 мг/л минеральной взвеси, имеющие высокие уровни ХПК (около 12 000 мг 0:/л) и БПК (около 7 500 мг Ог/л).
Идентичные органолептические и санитарно-химические показатели обнаруживаются и на стадиях мойки возвратной тары и оборудования; ополаскивания оборудования и возвратной тары, работы вакуум насосов. Наиболее высокие уровни содержания минеральной взвеси обнаруживаются на стадии мойки полотен фильтр-прессов. Что касается формирования химически загрязненных вод производства олигоэфиров, то основное их количество получается на стадии приготовления катализатора, сорбционной сушки и очистки олигоэфиров, мойки полотен фильтр-прессов, возвратной тары, оборудования и их ополаскивания, от работы вакуумных насосов.
В состав сточных вод входят сами олигоэфиры и продукты их термического распада: глицерин, глицериновый, уксусный, пропионовый, масляный альдегиды, формальдегид, окись этилена и пропилена, ацетон, изопропиловый, изоаллиловый спирты, метанол, этанол, пропиленгликоль, этиленгликоль, углеводороды (гексан, гептан, октан и др.), диоксан и другие химические низкомолекулярные соединения. Состав стоков, их качественная и количественная характеристика по химическому составу зависит от стадии технологического процесса и вида выпускаемого олигоэфира.
Преобладающее большинство из продуктов гидролитического разложения и термоокисления олигоэфиров составляют в основном низкомолекулярные метаболиты, хорошо изученные в токсиколото-гигиеническом отношении. Многие из выше приведенных представителей нормированы в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения, рабочей зоне промышленных предприятий, атмосферном воздухе населенных мест [48, 242]. Эти соединения в определенных концентрациях изменяют органолептические свойства воды, нарушают процессы естественного самоочищения водоемов, оказывают токсическое влияние на организм теплокровных животных.
Большинство из указанных химических соединений приводят к нарушению функции центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной систем в случае попадания в организм. При длительном поступлении в организм они оказывают политропное действие.
По данным ряда авторов, выше указанные представители являются имиттерами радиотоксинов [68, 115]. Для многих из них обоснованы регламенты безвредных уровней содержания в воде водных объектов хозяйственно-бытового назначения и в других средах по санитарно-токсикологическому признаку вредности. По степени токсичности и классу опасности они являются сильно- и сред нетоксичным и соединениями (2-3 класс опасности) [15, 80].
Практика эксплуатации производства полиокси пропилен- и полиокси-этиленполиолов показывает, что стоки, содержащие низкомолекулярные метаболиты олигоэфиров и сами олигоэфиры, могут вредно влиять на процессы естественного самоочищения водоемов, условия водопользования и здоровье населения. Это требует необходимости регламентации их в объектах окружающей среды, в том числе в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения.
Методы исследования, используемые в работе
Выбор группы полиолов Л-1102-4-80 и Л-3003-2-60 обусловлен необходимостью получения комплексной токсиколого-гигиенической характеристики, обоснования безопасных уровней содержания в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения и составления прогноза потенциальной опасности для водных экосистем и здоровья населения.
В работе использованы химически чистые образцы полиолов с регламентированными физико-химическими характеристиками, синтезированные и представленные научно-промышленным объединением «Синтез ПАВ» (г.Шебекино, Россия). Необходимость изучения этих соединений обусловлена большими объемами производства и широким использованием в различных отраслях народного хозяйства.
Основные физико-химические свойства исследуемых веществ: Полиол 1102-4-80 - полиоксипропилентетраметилгликоль: прозрачная вязкая жидкость, хорошо растворимая в воде и органических растворителях; молекулярная масса - 1100; плотность при 25С - 1,005 г/см3; функциональность - 2; содержание гидроксильных групп - 2,5-3,3%; кислотное число (мгКОН/г) - не более 0,1; рН (метанол : вода = 70 : 30) - 6,3-7,2; динамическая вязкость по Хепплеру при 25С - 3-5 Па-с; температура вспышки - 200С. Структурная формула: СН3 I СН2-СН2-0-[ СН2-СН-0-),СН2-СН2-СН2-СН2-0-]уН о СН3 I СН2-СН2-0-[(СН2-СН-0-)чСН2-СН2-СН2СНгО-]уН, где х = 0,3; у = 5,5 Полиол 3003-2-60 - полиоксиэтиленоксипропилентриол: жидкость, хорошо растворимая в воде и органических растворителях; молекулярная масса - 3000; плотность при 25С - 1,002 г/см3; функциональность - 3; содержание гидроксильных групп- 1,55-1,70%; кислотное число (мгКОН/г)-не более 0,05; рН (метанол : вода = 70 : 30) - 6,0-7,5; динамическая вязкость по Хепплеру при 25С - 0,45-0,55 Па-с; температура вспышки - 200С. Структурная формула: СНз I CH2-0-[(CH2-CH2-OX-CH2-CH-0]y-(CH2-CH2-0)zH СНз I CH-0-[(CH2-CH2-0)x-CH2-CH-0]y-(CH2-CHrO)zH СН3 I СН2-0-[(СН2-СН2-0),-СН2-СН-0]у-(СН2-СН2-0)гН гдех = 4,4;у= 1,3; z = 6,7.
Система профилактических мероприятий, направленных на охрану окружающей среды и здоровье населения, тесно связана с обоснованием глубоких механизмов биологического действия, патогенеза интоксикации, токсикокине-тики и токсикодинамики химических соединений [14, 26, 61, 87, 177, 184, 203, 204, 209, 230]. Известно, что полиоксипропилен- и полиоксиэтиленполиолы со сточными водами могут поступать в водные объекты в процессе их производства и использования. Особую важность в этом плане приобретают исследования стабильности и деструкции, трансформации, способности к накоплению в водных объектах, устойчивости к биологическому разложению, влиянию на параметры самоочищения водоемов.
Программа исследований разрабатывалась с использованием описанных выше теоретических обобщений и научных подходов, а также в соответствии с действующими общепринятыми методами относительно гигиенической оценки химических соединений. Программа предусматривала проведение следующих исследований:
I. Изучение влияния исследуемых полиолов на органолептические показатели воды и санитарный режим водоемов (гидролитическая и термическая деструкция в водных растворах; влияние на запах, привкус, цвет, прозрачность воды, пенообразование; влияние на растворенный в воде кислород, биохимическое потребление кислорода, активную реакцию воды, процессы аммонификации, накопления нитратов и нитритов, рост и размножение дафний).
Изучение биологической активности полиолов в организме теплокровных животных в условиях острого и подострого экспериментов: 1) параметры токсичности, видовая и половая чувствительность; 2) клиническая картина острого отравления; 3) кумулятивные свойства; 4) сенсибилизирующие свойства (реакция специфического лизиса лейкоцитов, реакция агломерации лейкоцитов, реакция повреждения базофилов); 5) состояние иммунобиологической реактивности организма (плазмоци-тарная реакция, плазматические клетки селезенки и лимфатических узлов; антителообразующуя способность иммунной системы, гомотрансплац-нтарная активность лимфоидных клеток; функциональная активность Т- и В-лимфо-цитов в реакции бласттрансформации; реакции розеткообразования); 6) кожно-раздражающие и кожно-резорбтивные свойства; 7) динамика массы тела экспериментальных животных. Ш. Изучение особенностей механизмов биологического действия полиолов в условиях острого и подострого перорального пути поступления в организм теплокровных животных: 1) состояние структурно-метаболических процессов, в частности: - системы микросомального окисления (дыхательная активность микро-сом, содержание цитохрома Р-450, цитохрома bs, активность НАДФН-цитохром с-редуктазы, НАДН-цитохром с-редуктазы, деметилазы); - оксидантно-антиоксидантной системы (содержание диеновых конъюга-тов, малонового диальдегида, интенсивность хемилюминесценции крови;
Санитарный режим водоемов
Известно, что в процессе самоочищения водных объектов, водопод-готовки и очистки воды происходит деструкция и трансформация химических соединений, в результате чего образуются новые ксенобиотики, которые могут отличаться по биологической активности от исходных веществ. В этой связи не исключена возможность, что целый ряд продуктов органического синтеза способен к такому превращению при хлорировании питьевой воды и сточных вод, поэтому данная проблема нуждается в глубоких научных исследованиях. Способность к трансформации каждого конкретного соединения зависит от степени устойчивости его форм в водной среде и определяется как свойствами самого вещества, так и водной средой [53, 60, 121, 175, 244]. С одной стороны, процесс снижения концентрации соединений в водной среде имеет положительное значение, а с другой - появление биологически активных веществ в результате деструкции представляет опасность для здоровья населения. Изучение данного вопроса имеет большое значение для обоснования и выбора методов очистки сточных вод, содержащих те или иные химические соединения.
Изучение гидролитической деструкции полиолов не ставило своей целью исследование этих процессов, так как представляет собой чрезвычайно сложную задачу, как в отношении получения корректных экспериментальных данных, так и при нахождении кинетических параметров отдельных элементарных актов. В этом аспекте для решения такого рода задачи потребовалось бы выяснить, можно ли процесс гидролитической деструкции разложить на ряд более простых звеньев с тем, чтобы их исследовать отдельно. Основной задачей исследований явилось уточнение степени стабильности соединений и определение потенциальной опасности продуктов их деструкции и трансформации для здоровья человека.
В водных растворах веществ качественно были обнаружены углеводороды (гексан, гептан, октан), уксусный альдегид, ацетон, метанол, этанол, изобутанол, метилэтилкетон, этилацетат, диоксан и др. Природа выявленных продуктов деструкции полиолов подтверждена совпадением времен их удерживания со временами удерживания известных препаратов тех же веществ на колонках с неподвижными фазами 20% полиэтиленгликольадипината и 20 % р метокси-(3-цианэтокси)-диэтилового эфира на целлите 545 (табл. 4.1-4.3).
Значения коэффициентов распределения анализируемый компонентов в системе вода - воздух при 80С, а также результаты определения содержания летучих продуктов гидролитической деструкции полиолов приведены в таблице 4.4. Таблица 4.3
Время удерживания стандартных препаратов на колонке с неподвижной фазой 20% р-метокеи-(р-цианэтокси)-диэтилового эфира на целлите S Время удерживания препаратов Соединения
Результаты количественной деструкции свидетельствуют о том, что исследуемые полиолы практически не подвергаются гидролитическому окислению. Период их полураспада на протяжении десяти месяцев экспозиции водных растворов установить не удалось. На 10-й месяц эксперимента в водных растворах содержалось большое количество низкомолекулярных соединений -углеводороды, альдегиды, кетоны, спирты. Суммарно в водных растворах наблюдались самые высокие концентрации альдегидов, кетонов и спиртов. Гидролитическая деструкция полиолов, по-видимому, осуществляется свобод-норадикальным путем окисления с образованием перекисей, гидроперекисей и свободных радикалов [64]. Подтверждением этому являлось преимущественное образование альдегидов, кетонов и спиртов в водных растворах.
Примечание: содержание продуктов деструкции выражено в мг/л Наличие исследуемых веществ по истечении десяти месяцев экспозиции служит прямым подтверждением высокой стабильности полиолов к гидролитическому окислению в водных растворах. Постоянными спутниками деструкции для всех исследуемых веществ являлись углеводороды, альдегиды, кетоны, спирты. Как показали результаты качественной и количественной гидролитической деструкции данных соединений, спектр продуктов распада представлен большим количеством различных низко молекулярных соединений (табл. 4.4). Среди них обнаруживались серный эфир, третичный бутанол, диатол, аллиловый альдегид, не идентифицированный компонент X и др.
Необходимость проведения такого рода исследований продиктована тем, что в процессе получения и применения полиолы могут подвергаться термическому воздействию. В большинстве случаев технологические процессы синтеза данных соединений происходят при температурах 80-12ОС. Это может в определенной степени способствовать термической деструкции и появлению её продуктов в рабочей зоне промышленных предприятий. Не менее важным фактором является то, что во многих случаях употребление питьевой воды населением осуществляется после ее термической обработки. В этой связи неблагоприятное воздействие на человека могут оказывать не сами вещества, а продукты их деструкции и трансформации.
В теоретическом и практическом аспектах большой интерес представляет уточнение путей распада изучаемых веществ. Это можно использовать при обосновании методов очистки сточных вод, ускорении или замедлении процессов биодеградации полиолов.
Исследуемые вещества в количестве 20,0 мл вносились в пробирки объемом 40,0 мл, которые герметизировали и термостатировали при 110С в течение одного часа. Определение продуктов деструкции проводилось методом распределительной хроматографии на хроматографе «Цвет-560» со стеклянной колонкой 300x0.3 см. заполненной 20% р-метокси-{р-цианэтокси)-диэтиловым эфиром на целлите 545 [158]. Температура испарителя и колонок составляла 90С. скорость газа-носителя - 25 мл/мин.
Термическая деструкция
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что полиол Л-3003-2-60 в дозе 1/100 ДЛ50 приводит к нарушению состояния биоэнергетических и окислительно-восстановительных процессов в организме экспериментальных животных, а также к нарушению функционального состояния печени - органа, играющего ведущую роль в детоксикации ксенобиотиков.
Недействующей да данные показатели была доза 1/1000 ДЛ5о Выраженность нарушений в активности ферментов имеет тесную дозовую зависимость. Действующая доза определена на уровне 1/10 ДЛ5о, пороговая- 1/100 ДЛ5о, недействующая- 1/1000 ДЛ5о Анализ структурно-метаболических нарушений под влиянием полиолов свидетельствует, что вещества в условиях подострого эксперимента в дозах 1/10 и 1/100 ДЛ50 способны снижать содержание в крови эритроцитов, лейкоцитов, гемоглобина, восстановленного глутатиона, SH-rpynn на фоне стимуляции свободнорадикальных процессов и нарушения активности ферментов пероксидазы, каталазы, КФК, ХЭ, МДГ, АсТ, АлТ, ЩФ, а-ГЕДГ, у-ГТ. Исследуемые полиолы оказывали сходное влияние на содержание биогенных моноаминов и их предшественников.
Особенностями биологического действия исследуемых полиолов явились нарушение окислительно-восстановительных процессов, биоэнергетики, окислительного фосфорилирования, что может привести к патологии жизненно важных органов, систем и функций организма.
По окончании подострого эксперимента были определены коэффициенты массы внутренних органов белых крыс. Отмечалось увеличение коэффициентов массы внутренних органов, в основном печени, почек, сердца, селезенки и желудка. Со стороны головного мозга, легких, тонкого кишечника, сердца этот показатель не изменялся. Во всех случаях доза 1/1000 ДЛэд не влияла на коэффициенты массы внутренних органов.
5.2.4. Отдаленные последствия влияния полиолов. Многие химические вещества, загрязняющие внешнюю среду, способны оказывать на организм специфическое воздействие, проявляющееся в отдаленные периоды жизни индивидуумов. Важным этапом при гигиенической регламентации вредных веществ в окружающей среде является изучение влияния их на отдаленные последствия.
Отдаленные последствия влияния исследуемых полиолов изучали на белых крысах популяции Wistar в подостром эксперименте. Животные подвергались пероральной затравке дозами 1/10, 1/ЮОи 1/1000 ДЛ50.
Результаты экспериментов показали, что исследуемые полиолы в зависимости от дозы воздействия способны оказывать гонадотоксический эффект. Вещества в дозе 1/10 ДЛі0 достоверно снижали время подвижности сперматозоидов в среднем на 31%, количество сперматозоидов - 58,5%, осмотическую устойчивость - на 43% и существенно повышали количество мертвых форм - на 102,5%, кислотную резистентность - на 59,5 по сравнению с контрольной группой животных (табл. 5.17, рис. 5.9).
Доза 1/100 ДЛ50 снижала осмотическую устойчивость и повышала кислотную резистентность у групп животных, подвергавшихся пероральному воздействию исследуемых полиолов. По остальным функциональным тестам оценки состояния сперматозоидов изменений сравнительно с контролем в дозе 1/100 ДЛ5о не наблюдалось. Доза 1/1000 ДЛзо не оказывала токсического эффекта на функциональное состояние сперматозоидов.
Повышение времени подвижности половых клеток под влиянием полиолов в дозе 1/100 ДЛ50 следует рассматривать как защитно-приспособительную реакцию организма. Это позволяет принять дозу 1/100 ДЛ;0 за пороговую в отношении токсического действия изучаемых химических веществ.
Морфологическая оценка сперматогенного эпителия обнаружила при воздействии полиолов в дозе 1/10 ДЛ50 на 30-е сутки эксперимента статистически достоверное снижение индекса сперматогенеза в среднем на 40%, числа канальцев с 12-й стадией мейоза - на 43,5%, нормальных форм сперма-тогоний - на 22% и достоверное увеличение канальцев со слущенным эпителием - на 63% по сравнению с контролем. Дозы полиолов 1/100 и 1/1000 ДЛ5о не вызывали изменений со стороны данных показателей (табл. 5.18, рис. 5.10).
Примечание: показатели в контрольной группе животных приняты за 100%. - р 0.05 относительно контроля
Изучение влияния полиолов на гонады белых крыс-самцов показало, что вещества оказывали угнетающее действие на функциональное состояние сперматозоидов и сперматогенез. Обнаруженные функциональные и морфологические нарушения проявились на уровне их общетоксического действия, что исключает у данной группы веществ эффект специфического действия.
Изучение эмбрионального материала, полученного при вскрытии крыс-самок, показало, что полиолы Л-1102-4-80 и Л-3003-2-60 в дозе 1/10 ДЛ50 на 30-е сутки эксперимента достоверно повышали количество резорбций в среднем на 170%, вес плацент - на 77%, гибель до имплантации - 123% и общую эмбриональную гибель - на 125% по сравнению с контрольной группой животных (табл. 5.19, рис. 5.11). Исследуемые вещества не оказывали влияния на количество живых эмбрионов.
Плоды подвергались внешнему осмотру и морфологическому исследованию с целью выявления возможного тератогенного действия исследуемых веществ. Для этого эмбрионы фиксировались в жидкости Боуэна в течение 10-ти суток, после чего определялись возможные аномалии по методу Вильсона.
