Влияние низких концентраций несимметричного диметилгидразина на активные формы кислорода в объектах окружающей среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат химических наук Кондратьев, Андрей Дмитриевич

• Кондратьев, Андрей Дмитриевич
• кандидат химических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат химических наук Кондратьев, Андрей Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Гидразины и активные формы кислорода (АФК) -биологические свойства.

1.2 Гидразины - онкология - мутагенез.

1.3 Канцерогенные продукты, образующиеся при распаде (окислении) гидразинов.

1.4 Компоненты клетки, являющиеся объектами атаки гидразинов и продуктов их окисления.

1.5 Образование АФК в клетке.

1.6 Участие АФК в процессах митоза и апоптоза.

1.7 ДНК - вторая очевидная мишень АФК в клетке.

1.8 Активные формы кислорода (АФК) - экологически значимые составляющие окружающей среды.

2. ВЫБОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОРУДОВАНИЯ

И РЕАКТИВОВ.

2.1 Выбор методов и средств аналитического контроля для проведения исследований.

2.2 Методики.

2.3 Оборудование и приборы.

2.4 Реактивы и материалы.

3. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Гептил, как фактор, изменяющий нормальный уровень АФК в водных системах.

3.2 Проблема «внешней» токсичности.

3.3 Конкретная задача работы.

3.4 Роль гомеостаза АФК.

3.5 Базовая реакция. Образование АФК в воде.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Качественная характеристика водных систем, как генераторов Н

4.1.1 Особенности процесса образования Н в чистой воде.

4.1.2 Влияние органических добавок на процессы генерации Н202 в воде.

4.1.3 Влияние света на уровень Н202 в системе «вода - растение».

4.2 Генерация Н202 в водных системах, содержащих гептил.

4.2.1 Влияние низких концентраций гептила на генерацию Н202 в дистиллированной воде.

4.2.2 Исследование влияния света на генерацию Н в системе «гептил — вода».

4.2.3 Совместное влияние гептила и углеродсодержащих органических примесей на генерацию АФК в водных системах на свету и в темноте.

4.2.4 Изучение влияния гептила на образование Н202 в системе «вода -растение - гептил».

4.2.5 Поиск соединений, снижающих эффект гептила на уровень АФК в водных средах.

5. БИОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ВОДНЫХ СРЕД ЗАГРЯЗНЕННЫХ ГЕПТИЛОМ.

5.1 Использования метода биолюминесцентного анализа при экологическом мониторинге территорий загрязненных гептилом

5.2 Результаты экспериментальной отработки метода в полевых условиях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние низких концентраций несимметричного диметилгидразина на активные формы кислорода в объектах окружающей среды»

Как известно [18, 28, 34, 35] на многих отечественных и зарубежных ракетах-носителях (РН), разгонных блоках (РБ), космических аппаратах (КА), межконтинентальных баллистических ракетах (МБР) в качестве одного из компонентов ракетного топлива (КРТ) десятки лет используется и будет продолжать использоваться еще длительный период несимметричный диметилгидразин (НДМГ), другое название - гептил.

НДМГ относится к первому классу опасности. Токсичен при любых путях поступления в организм — через желудочно-кишечный тракт, органы дыхания, кожу и слизистые [11, 111, 120, 130]. Обладает отдаленными эффектами воздействия. Потенциальная опасность при попадании в объекты окружающей среды определяется высокой летучестью, неограниченной растворимостью в воде, способностью к миграции, накоплению, высокой стабильностью в глубоких слоях почвы, образованием при разложении не менее опасного вещества — нитрозодиметиламина (НДМА) и ряда других менее опасных.

Применение гептила на ракетах носителях типа «Протон», «Циклон», «Космос», «Днепр», «Рокот», разгонных блоках типа «Бриз», «Фрегат» и др., обуславливает необходимость специальных мер защиты персонала при работе на наземных объектах, стендово-испытательной базе, космодромах, хранилищах и т.п. Многолетний опыт эксплуатации токсичных КРТ показывает, что комплекс разработанных и внедренных технологий, а также организационно-технических мероприятий, в основном, обеспечивает их безопасную транспортировку, хранение, заправку и слив из изделий. Несмотря на это в процессе эксплуатации имеют место небольшие проливы и газообразные выбросы при заправках различных типов изделий и испытаниях их двигателей на стендах [ 34, 35].

В последние годы начаты работы по санитарно-гигиенической оценке экологической ситуации и анализу заболеваемости в районах, загрязненных токсичными компонентами ракетных топлив. Однако пока практически не разработаны санитарно-токсикологические критерии комплексной оценки опасности загрязненных объектов окружающей среды. Существенные климато-географические и социально-экономические различия регионов, где расположены загрязненные территории, обуславливают необходимость разработки специфических подходов к проведению эколого-гигиенических обследований с учетом особенностей конкретных районов. Полученные предварительные гигиенические нормативы допустимого содержания загрязненных веществ и продуктов их трансформации в почвах, водоемах, растительности, продуктах питания требуют экспериментального подтверждения и теоретического обоснования [34].

Проливы и выбросы значительных количеств токсичных КРТ могут происходить в районах падения (РП) отработавших ступеней ракет носителей и при авариях РН (на старте, в полете, при транспортировке).

Проведенные в последние годы исследования состояния экосистем в местах проливов токсичных КРТ свидетельствует о серьезности экологической ситуации на территориях РП первых ступеней РН «Протон»,

Космос», «Циклон» [26]. В местах падения ступеней в ряде случаев выявлены геохимические аномалии НДМГ и его метаболитов в растительном покрове, почве и донных отложениях с содержаниями, превышающими нормативные показатели (ПДК, ОБУВ) [8, 9, 10, 15, 16, 25, 27,]. В результате атмосферного переноса паров и аэрозолей КРТ может происходить вторичное загрязнение растительного покрова и почвы низкими концентрациями НДМГ. Имеются случаи обнаружения НДМГ в кормовой растительности, овощах, что может приводить к попаданию его в организм человека.

Таким образом, гептил, как большинство ксенобиотиков, нарушает экологический статус среды [13, 14, 17, 23] и токсичен для человека. Гептил относительно быстро исчезает с поверхности почвы и из водоемов, однако гептил в низких концентрациях в донных отложениях и под поверхностным слоем почвы сохраняется достаточно долго и может оказывать влияние на экологический статус территорий.

Такие свойства гептила требуют выяснения механизмов действия низких концентраций его на живые системы, а также определяют необходимость разработки эффективных методов анализа его токсичности на местности.

Токсикология и фармакология выделяют два типа воздействия физиологически активных соединений на организмы. К первому типу веществ, которые условно можно назвать факторами прямого действия, относятся вещества, непосредственно взаимодействующие с системами основного метаболизма клетки. Соединения второго типа воздействуют на системы регуляции клетки, нарушают или усиливают гормональные сигналы системы передачи информации на уровне клетки и целого организма.

Такая классификация отчасти условна, однако она удобна тем, что отражает различные принципы формирования биологического ответа живой системы на внешнее химическое воздействие.

Примером биологически активных соединений первой группы являются, например, различные электрофильные агенты (аналоги иприта), структурные аналоги субстратов основного метаболизма (препараты сульфамидного ряда, структурные аналоги пуринов и пирамединов и другие типы ксенобитиков). Ко второй группе соединений относятся аналоги гормонов (например, аналоги стероидных гормонов, гормонов растений и т.д.), а также соединения, нарушающие синтез гормонов и прохождение гормональных сигналов.

Совершенно очевидно, что воздействие на гормонозависимые, сигнальные системы является мощным фактором, влияющим на функционирование организма и клетки. Сигналы гормонов в живом организме часто имеют системы усиления. Благодаря этому гормоны и их медиаторы вызывают весьма значительный биологический эффект, в очень низких концентрациях они очень эффективны как регуляторы метаболизма.

На протяжении последнего десятилетия происходит качественное изменение наших представлений о гормонах как эндогенных регуляторах метаболических процессов клетки и организма, быстро накапливаются экспериментальные результаты, свидетельствующие о том, что соединения, непрерывно синтезирующиеся во внешней среде - в воде и воздухе, играют в живых системах роль гормонов - клеточных медиаторов самого высокого ранга. Речь идет об активных формах кислорода (АФК), которые по современным данным [44, 66, 82, 83, 88] контролируют процессы деления клеток и апоптоз - так называемую программируемую клеточную смерть, вызываемую специальной программой разборки клетки и присутствующей в эукариотических организмах. При этом АФК включены в каскады многих сигнальных систем клеток [45, 47, 63, 65, 82, 99, 104, 110, 118, 123].

Активными формами кислорода принято называть высокореакционноспособные молекулы, образующиеся в природе из кислорода и воды. К таковым относятся синглетный кислород (02|), гидроксил-радикал (ОН), супероксид-радикал (62Н), который часто г г существует в форме супероксид-иона - ( 02 ), и перекись водорода (Н202) — наиболее устойчивая молекула в ряду этих соединений. Из них могут образовываться все остальные формы АФК. Иногда к группе АФК причисляют озон (03). Известно, что АФК образуются внутри клеток и тканей [76], существуют ферменты, которые их эффективно разлагают. Традиционно считалось, что АФК - это побочный продукт метаболизма, который разрушает биологические структуры, а соответствующие ферменты (каталаза, супероксиддисмутаза и др.), разрушающие АФК, - защищают клетку от окисления.

Эти представления сейчас сохраняют свою силу только в условиях образования очень высоких концентраций АФК, которые иногда имеют место при атаке клетки - мишени лимфоцитами.

В нормальных условиях реакции синтеза и разрушения АФК вполне физиологичны - соответствующие ферменты обеспечивают поддержание необходимого уровня АФК в клетке при различных режимах метаболизма.

Для настоящего исследования наиболее существенным является следующее обстоятельство: по новым данным [12] не только эндогенные АФК, но также АФК, образующиеся вне организма, во внешней среде, оказываются жизненно необходимыми для нормального функционирования организмов теплокровных живых существ.

Эти наблюдения заставляют по-новому рассмотреть характер взаимодействия организма со средой. Настоящий этап развития знаний свидетельствует в пользу того, что среда (в широком смысле) синтезирует гормоны-медиаторы, непосредственно управляющие функционированием стволовых биохимических процессов клетки и гормональными системами высших организмов.

Последнее обстоятельство потребовало нового подхода к оценке токсичности гептила.

Если раньше рассматривался только эффект прямого действия гептила на организм, то новая, более широкая, формулировка, представленная в настоящей работе, акцентирует внимание на возможности воздействия гептила на процессы генерации гормонов-медиаторов (АФК) в окружающей среде, определенный уровень которых стабилизирует нормальное существование организмов.

Таким образом, все вышесказанное свидетельствует об исключительной актуальности задачи всестороннего исследования влияния гептила, включая его низкие концентрации, на различные объекты окружающей среды и, в первую очередь, на воду, присутствующую практически во всех природных средах.

Исходя из этого, сформулирована цель настоящей работы - исследовать теоретически и экспериментально продемонстрировать эффект влияния гептила на уровень АФК в окружающей среде, прежде всего в водных системах.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- выявлена определяющая роль АФК в протекании биологических процессов в окружающей среде при воздействии малых и сверхмалых концентраций НДМГ;

-показано, что низкие и очень низкие концентрации гептила резко изменяют нормальный уровень АФК в водных системах;

- предложен новый подход к определению токсичности гептила, основанный на его способности к восстановлению кислорода до супероксид-аниона и на изменении гомеостаза АФК в воде;

Практическая значимость проведенных исследований в том, что:

- предложен механизм воздействия НДМГ на биологические формы жизни, оценено влияние гептила на уровень АФК (Н202) в водных системах;

-установлено воздействие НДМГ на биологические формы вплоть до очень низких концентраций (ЮМ); предложена методика оценки интегральной токсичности объектов окружающей среды, загрязненных, в первую очередь, гептилом и продуктами его превращения;

- предложена программа создания «антидотов гептила» для снижения уровня воздействия гептила на обслуживающий персонал и население на объектах и территориях, загрязненных гептилом.

Результаты исследований реализованы:

- при формировании программы НИР и ОКР Росавиакосмоса в части разработки технических заданий на проведение оценок влияния гептила на окружающую среду и обоснования методов и характеристик средств экологического мониторинга загрязненных гептилом территорий (комплексная НИР «Эколог», ОКР «Экое - К» [24 , 33]);

- при определении облика и состава технических средств системы экологического мониторинга, создаваемой в рамках совместной Российско -Казахстанской программы «Оценка влияния запусков ракет-носителей с космодрома «Байконур» на окружающую среду» [1, 30 ].

На защиту представляются:

- новый подход к определению токсичности гептила, заключающийся в том, что гептил нарушает свойства АФК во «внешней» среде, приводящие, в свою очередь, к нарушениям функционирования гормональных систем живых организмов;

- результаты экспериментального подтверждения значимости АФК, образующихся и трансформирующихся во внешней среде под воздействием гидразинов, как «внешних» регуляторов «внутренних» биохимических систем организмов;

- предложения по программе создания «антидотов гептила» для снижения уровня влияния гептила на здоровье персонала, работающего с гептилом, и населения, временно находящегося на загрязненных территориях.

Обзорная и теоретическая части исследования, а также экспериментальная отработка метода определения токсичности объектов окружающей среды в условиях эксплуатации выполнены автором во ФГУП ЦЭНКИ. Экспериментальные исследования по оценке влияния гептила на АФК в различных экологических системах проводились в НТЦ «Экон ЦНИИМаш», с использованием лабораторной базы химфака МГУ им. М.В. Ломоносова. Автор выражает искреннюю благодарность специалистам этих организаций за содействие и помощь в проведении исследований.

Заключение диссертации по теме «Экология», Кондратьев, Андрей Дмитриевич

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.

1. Направление настоящей работы определено недавним открытием новых свойств активных форм кислорода, образующихся в окружающей среде и способных регулировать секрецию гормонов у теплокровных [12] и играть роль клеточных медиаторов [65].

Неожиданным в этом открытии явилось то обстоятельство, что указанной активностью обладает фракция АФК, образующаяся вне организма - в среде обитания: воде, воздухе [12].

Было показано также [65], что АФК, находящиеся вблизи наружной поверхности клеток, могут регулировать их внутренние биохимические реакции

Эффекты «внешних» АФК настолько существенны, что резкое нарушение их уровня, в частности, в воздухе, согласно [12] вызывает гибель животных вследствие нарушения функционирования гормональных систем.

2. В теоретической части данной работы показано, что вышеуказанное свойство АФК выполнять роль «внешних» гормонов заставляет качественно по-новому взглянуть на роль среды обитания для живых систем, которая является генератором ключевых гормонов.

Анализ такой ситуации приводит к заключению, что нормальное существование организмов в экосистемах возможно только при поддержании определенного уровня (гомеостаза) АФК во «внешней» среде. Соответственно, вещества, нарушающие этот уровень, следует рассматривать как «внешние» токсины.

3. В развитие двух важных особенностей реакции «спонтанного» образования АФК в воде (реакция Брускова [5]), в работе экспериментально показана зависимость скорости этой реакции от освещения. Тем самым получено экспериментальное обоснование возможности существования периодического изменения концентрации Н202 (АФК) (в течение суток при смене дня и ночи) в открытых водоемах.

Кроме того, в воде и в системе «вода — гептил» были обнаружены спонтанные высокоамплитудные колебания уровня АФК в большой шкале времени. Таким образом, была получена новая важная информация о свойствах системы генерации Н202 (АФК) в чистой воде.

4. В экспериментальной части работы проведено также детальное изучение генерации Н202 под действием гептила в водных системах в условиях температурного скачка, при освещении, в присутствии органических примесей и в присутствии растений. Эффект гептила наблюдается практически всегда. Растения, как было показано, обладают способностью разлагать Н202, снижать эффект гептила как стимулятора генерации Н202 в водных системах и могут поэтому выступать в роли протекторов, защищающих среду (водную) от нарушений, вызванных низкими концентрациями гептила.

Впервые показано, что гептил в предельно низких концентрациях

10~3 М) способен в определенных условиях искажать (повышать) «нормальный» фон АФК (Н202) в окружающей среде.

5. Впервые проведен поиск нетоксичных антидотов гептила, блокирующих изменения уровня АФК, вызванных гептилом в водных системах. Полученные результаты показывают принципиальную возможность создания блокираторов внешней токсичности (в частности в системе «гептил-вода») для профилактики заболеваний персонала, работающего с гептилом.

Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы, имеющие важное практическое значение:

1. Обнаружено свойство гептила резко повышать уровень АФК (Н202) в системе «вода - воздух». Реакция реализуется в мягких условиях в температурном диапазоне +20°С - +40°С при очень низких концентрациях гептила (10"8 - Ю~10 М, что составляет 0.1-0.001 ПДК).

2. Путем сопоставления полученных данных по синтезу Н202 в воде с данными литературы по биологической активности АФК (Н202) был выявлен новый потенциально важный канал воздействия на экосистемы сверхнизких концентраций гептила, обусловленный свойством этого соединения резко нарушать нормальный фоновый уровень АФК в водоемах и в атмосферной влаге.

3. Показано, что в системе «вода - гептил - растение» измеряемое количество Н202 существенно снижено по сравнению с системой «чистая вода - гептил». Дано экспериментально подтвержденное объяснение механизма этого явления.

4. Предложена методика определения гептила и токсических продуктов его разложения, основанная на эффекте тушения люминесценции бактерий сильно разбавленными водными растворами гептила. Эффективность методики продемонстрирована в полевых условиях.

5. Обоснована возможность защиты организмов от воздействия низких концентраций НДМГ. Предложен подход для выявления биологически активных веществ, эффективно снижающих воздействие низких доз НДМГ. Показана перспективность использования биологически активных добавок на основе куркумина (в концентрации 0,048 мкг/мл) и на основе сочетания соединений дженерола и куркумина в соотношении 1:1 (по 0,017 мкг/мл) для защиты населения и персонала.

6. Результаты исследований могут служить основой для разработки специфических тактико-технических требований к методам и средствам обнаружения гептила, включая низкие концентрации в объектах окружающей среды, а также к проведению НИОКР, направленных на обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Кондратьев, Андрей Дмитриевич, 2005 год

1. Бекина P.M., Шувалов В.А., Лысенко Г.Г. и др. Исследование механизма фотоокислительных превращений органических кислот в хлоропластах //

2. Физиология растений 1975. - Т. 22, выпуск 4. - С. 680-687.

3. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д. «Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве.». Почвоведение, 1996 г.

4. Брусков В.И., Масалимов Ж.К., Черников А.В. Образование активных форм кислорода под действием тепла при восстановлении растворенного кислорода воздуха //

5. Докл. РАН. 2001. - Т. 381, № 2. - С. 1-3.

6. Большаков Г. Ф. «Химия и технология компонентов жидкого ракетного топлива». Л. Химия 1983 г., 256 с.

7. Ворожейкин А.П., Касимов Н.С., Королева Т.В., Проскуряков Ю.В. «Геохимическое воздействие ракетно-космической техники на окружающую среду». Геохимия ландшафтов и география почв. «Ойкумена», Смоленск, 2002 г., с. 223-242.

8. Горшкова Р.Б., Кушнева B.C. «Современные токсиколого-гигиенические критерии безопасности населения в районах осуществления ракетно-космической деятельности». Космонавтика и ракетостроение, 1999г. №15, с. 80-85

9. Гольдштейн Н.И. Применение газофазного супероксида 02 в клинике // Рос. мед. журн. 2003. - № 4. - С. 49-52.

10. Еронин Ф.Т. «Влияние НДМГ на процессы аммонификации в почве». Бюллетень токсикологии и гигиены ракетных топлив, 1974 г., №20, с. 88-91.

11. Касимов Н.С., Гребенюк В.Б., Королева Т.В., Проскуряков Ю.В. «Поведение ракетного топлива в почвах, водах и растениях». Почвоведение, 1994 г.,№9, с. 110-121

12. Касимов Н.С., Ворожейкин А.П., Королева Т.В., Кречетов П.П., Проскуряков Ю.В. «Ракетно-космическая деятельность как источник воздействия на окружающую среду». География, общество, окружающая среда. Том 4, Москва, 2004 г. с. 467-474.

13. Киселев А. И., Медведев А. А., Меньшиков В. А. "Космонавтика на рубеже тысячелетий. Итоги и перспективы." М., "Машиностроение", 2001, 670 с.

14. Кондратьев А.Д., Шпигун О.А. Новый биотест на содержание несимметричного диметилгидразина./ Тезисы Всероссийской конференции по аналитической химии «Аналитика России-2004». Москва, 2004. с.330.

15. Кондратьев А.Д. «Экологический мониторинг районов, подверженных воздействию ракетно-космической деятельности» Вестник Каз ГУ им.Аль-Фараби. Серия экология. №3 Алма-ата 2005 г.

16. Кондратьев А. Д. "Исследование процессов образования активных форм кислорода под влиянием низких концентраций гептила."

17. НТО, НТЦ "Экон ЦНИИмаш", 2004 г., 83 с.

18. Королева Т. В., Самброс М.В., Кречетов П.П. «Особенности загрязнения бурых пустынно-степных почв несимметричным диметилгидразином на местах падения первых ступеней ракет-носителей (Центральный Казахстан)».

19. Двойные технологии, 2002 г. №2, с. 35-36.

20. Королева Т.В. «Ландшафтно-геохимический анализ загрязнения несимметричным диметилгидразином районов падений первых ступеней космических ракет». Автореферат диссертации кандидата географических наук. Москва, МГУ, 1995 г., 22 с.

21. Королева Т. В., Проскуряков Ю.В., Ворожейкин А.П., Самойлова Г.С. «Загрязнение почв несимметричным диметилгидразином и проблема их детоксикации в районах падения остаточных частей ступеней ракет-носителей».

22. Тезисы докладов 3 Международного совещания «Геохимия биосферы». Ростов-на-Дону. 2001 г., с. 103-105.

23. Кузнецов А. Н., Болысов А. И., Шатров Я. Т. "Обзор итогов десятилетних работ по обеспечению экологической безопасности ракетно-космической деятельности."

24. Материалы научно-практического семинара в 4 ЦНИИ МО, СИП РИА, "Двойные технологии", 2001, №3, с. 5 8.

25. Радилов А.С., Туржова Е. Бю «Биотестирование в решении экологических проблем, связанных с загрязнением окружающей среды жидкими ракетными топливами». Материалы научно-практической конференции 19-22 сентября 1995 г.

26. Экологические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлив на окружающую среду.» Санкт-Петербург 1996г. 57-60 с.30