Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Характеристика потенциальной экологической опасности низших алкильных производных элементоорганических соединений для окружающей среды

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Силкин, Александр Александрович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. Современные проблемы экологической опасности элементо органических соединений.

1.1. Физико-химические свойства элементоорганических соединений.

1.2. Биологическая активность элементоорганических соединений.

1.3. Экотоксикологическая характеристика элементоорганических соединений.

СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2. Материалы и методы исследований.

2.1.Условия эксперимента.

2.2.Методы токсикометрии изучаемых элементоорганических соединений.

2.3.Методы изучения биологической активности элементоорганических соединений.

2.4.Алгоритмы расчетных методов предельно допустимых нагрузок элементоорганических соединений на объекты окружающей и производственной среды.

ГЛАВА З.Сравнительная оценка экологической опасности для грызунов (К.ос1епйа) и зайцеобразных (Х^отогрЬа) низших алкильных производных элементоорганических соединений на основе параметров токсикометрии.

3.1.Сравнительная характеристика опасности элементоорганических соединений при внутрижелудочном поступлении в организм.

3.2.Сравнительная характеристика опасности элементоорганических соединений при ингаляционном поступлении в организм.

3.3.Сравнительная характеристика опасности элементоорганических соединений при чрезкожном поступлении в организм.

3.4.Сравнительная характеристика кумулятивной опасности элементоорганических соединений.

ГЛАВА 4. Обоснование пороговых уровней воздействия низших алкильных производных элементоорганических соединений для гидробионтов на примере (Daphnia magna Straus).

4.1.Острое действие элементоорганических соединений.

4.2.Порог хронического действия элементоорганических соединений.

ГЛАВА 5. Обоснование пороговых уровней воздействия низших алкильных производных элементоорганических соединений при ингаляционном поступлении в организм грызунов (Rodentia).

5.1.Порог острого действия элементоорганических соединений.

5.2. Порог хронического действия элементоорганических соединений.

ГЛАВА 6. Математический прогноз потенциальной экологической опасности низших алкильных производных элементоорганических соединений и обоснование их предельно допустимых нагрузок на объекты окружающей и производственной среды.

6.1.Математический анализ зависимости токсичности элементоорганических соединений от их физико-химических свойств.

6.2.Прогнозные оценки экологической опасности элементоорганических соединений для объектов окружающей и производственной среды.

ГЛАВА 7. Обсуждение результатов.

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Характеристика потенциальной экологической опасности низших алкильных производных элементоорганических соединений для окружающей среды"

Актуальность проблемы

Химическая нагрузка на окружающую природную среду, как следствие научно-технического прогресса в химической индустрии, достигла критического уровня. Информационные банки данных хранят сведения о 10 - 12 миллионах химических веществ, синтезированных человеком, и каждый год к этому списку добавляются тысячи новых наименований [2]. В массовых масштабах сейчас производится около 5 тыс. веществ, а в масштабах более 500 т в год - около 13 тыс. веществ. Если в 1980 году число веществ, предлагаемых на рынке, составляло « 50 тыс. наименований, то к концу 90-х годов оно выросло до 100 тыс. наименований. По данным Д.Х. Медоуза и соавт. (1994) [51] из 65 тыс. химических веществ, находящихся в коммерческом обороте, менее 1% имеют токсикологические характеристики. В целом, около 80% используемых человеком веществ не оценены с точки зрения их токсикологической опасности. Если учесть, что по данным [115], для получения токсикологической характеристики одного вещества требуется 64 месяца и 575 тыс. долларов, а изучение хронической токсичности и канцерогенности требует дополнительно 1,3 млн. долларов, то становится ясно, что для полной оценки всех веществ с экологических позиций требуется фантастическая сумма, равная примерно годовому валовому мировому продукту. Нереальность подобных затрат приводит к тому, что человек живет и вынужден жить в мире химических бомб замедленного действия [79].

Все вышесказанное в полной мере относится к элементоорганическим соединениям (ЭОС), находящим широкое применение в высоких технологиях, в том числе и двойного назначения, например, в микроэлектронике, а также в качестве биологически активных веществ в медицине, биологии и сельском хозяйстве [5-8]. К сожалению, изучение токсических свойств ЭОС, являющееся неотъемлемым атрибутом их практического применения, страдает известной фрагментарностью. Традиционно внимание уделялось токсикологии ЭОС, являющихся продукцией крупнотоннажной химии: органическим соединениям ртути (ВД, свинца (РЬ), олова (8п) [63, 69, 75, 81, 84, 96, 97, 119].

В то же время токсичность и экологическая опасность ряда низших алкильных производных селена (Бе), теллура (Те), мышьяка (Аэ) и некоторых других элементов IV - VI групп периодической системы, интенсивно используемых в наукоемких малотоннажных производствах и научных исследованиях, остаются практически неизученными. Следует подчеркнуть, что именно низшие алкильные производные ЭОС (метальные, этильные и т.д.) являются потенциальными экотоксикантами, о чем свидетельствуют отравления, вызванные метилртутью в Японии [41]. В России, в последние годы отмечены отравления диметилкадмием (г.Саров) и тетраэтилсвинцом (г. Дзержинск) [66, 88].

Таким образом, изучение экотоксикологических параметров низших алкильных производных ЭОС IV - VI групп периодической системы, выявление механизмов их токсического действия и прогнозирование потенциальной опасности для объектов производственной и окружающей среды является актуальной задачей.

Цель исследования

Целью исследования является оценка потенциальной экологической опасности низших алкильных производных непереходных элементов ГУ^1 групп периодической системы на основе экспериментально установленных параметров токсикометрии и математического прогноза токсичности и опасности для объектов окружающей и производственной среды.

Задачи исследования:

1. Установить параметры токсикометрии низших алкильных производных непереходных элементов IV - VI групп периодической системы при различных путях поступления в организм экспериментальных животных (грызунов и гидробионтов) и оценить класс опасности по ГОСТ 12.1.007 -76.

2. Изучить особенности видовых различий и половой чувствительности грызунов к исследуемым соединениям.

3. Определить уровни порогового воздействия низших алкильных производных селена (Бе), теллура (Те), олова (Бп) на организм экспериментальных животных (грызунов и гидробионтов).

4. Установить характер зависимости между токсичностью алкильных ЭОС и их физико-химическими свойствами с целью математического прогнозирования экологической опасности этих соединений.

5. На основе экспериментально установленных параметров токсикометрии получить расчетные значения предельно допустимых нагрузок (предельно допустимых концентраций - ПДК, ориентировочных безопасных уровней воздействия - ОБУВ) низших алкильных ЭОС для воды поверхностных водоемов, воздуха рабочей зоны и атмосферы, а также почв (по токсичности отходов ЭОС).

Научная новизна

Впервые экспериментально установлены параметры токсикометрии метальных и этильных производных селена (Бе), теллура (Те), олова (Бп) и мышьяка (Аб) при различных путях поступления в организм. Выявлены особенности видовых различий и половой чувствительности к изучаемым соединениям. Установлены пороговые уровни воздействия алкильных производных 8е, Те, Бп при ингаляционном поступлении в организм. На основе изучения закономерностей связи между токсичностью алкильных

ЭОС и их физико-химическими свойствами получены уравнения регрессии, позволяющие прогнозировать потенциальную опасность алкильных ЭОС. Впервые установлена связь между токсичностью алкильных ЭОС и средней энергией диссоциации химических связей ( Э) элемент - радикал, позволившая сформулировать правило возрастания токсичности алкильных производных непереходных элементов IV - VI групп по мере уменьшения Б вдоль группы периодической системы.

Научно - практическая значимость

Работа выполнялась в рамках ЦКП «Высокочистые вещества», МНТИП «Синтез металлоорганических соединений и высокочистых веществ», ФЦКНТП «Экологическая безопасность России» и госбюджетных тематик: «Исследование механизмов токсической и биологической активности элементоорганических соединений с целью эколого-гигиенического регламентирования их содержания в объектах окружающей среды» № гос. регистрации 01.9.7000224, КИНТП Госкомвуза РФ «Синтез металлоорганических соединений и получение высокочистых веществ» № гос. регистрации 01.9.80003886, «Теоретические основы экотоксикологии элементоорганических соединений и механизмов биодеградации полимерных материалов с целью обеспечения экологической безопасности окружающей среды». Полученные результаты явились основой для разработки принципов экологической безопасности синтеза высокочистых веществ и их применения в НИР и на производстве.

Внедрение

Установленные параметры токсикометрии и классы опасности по ГОСТ 12.1.007-76 диметилселена (Ме28е), диметилтеллура (Ме2Те), триэтилмышьяка ^зАб) и тетраэтилолова (Е^п) явились составной

частью нормативно-технической документации и технологических регламентов при получении и применении в наукоемких технологиях и промышленности высокочистых ЭОС. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс кафедры экологии Нижегородского университета. Теоретические основы токсикометрии изложены в главе 8 «Методы токсикометрии в биомониторинге» учебного пособия «Экологический мониторинг», часть II, 1995г. и используются в курсовых и дипломных работах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. По параметрам острой токсичности диметилтеллур, тетраэтилолово относятся к 1 классу опасности (чрезвычайно опасные вещества), а триэтилмышьяк, диметилселен относятся к 3 классу опасности (умеренно опасные вещества) по ГОСТ 12.1.007-76.

2. Действие тетраэтилолова, диметилтеллура и триэтилмышьяка характеризуются наличием видовой чувствительности, а действие диметилселена - половой чувствительности в отношении грызунов.

3. Потенциальная опасность алкильных ЭОС для объектов производственной и окружающей среды, оцененная на основе экспериментальных данных и расчетных процедур, может быть представлена следующими рядами активности (по убыванию опасности): для воздуха рабочей зоны: Е^Бп = Ме2Те > Ме28е для воздуха атмосферы: Е148п = Ме2Те > Ме28е для воды водоемов: Е148п > Ме2Те > Ме28е > Е13Аз для отходов (почвы): Е148п > Ме2Те > Е1зАз > Ме2Бе

4. Для элементоорганических соединений (Е1ЛТ-Я) непереходных тчНПч с элементов (Е ) одной и той же группы периодическои системы с одинаковыми алкильными радикалами (Я) при их одинаковом числе (п)

10 токсичность (ЛД50,моль/кг) возрастает с уменьшением средней энергии диссоциации ( Б, ккал/моль) химических связей Е^-Я вдоль группы.

Апробация

По теме диссертации опубликовано 18 научных работ. Основные положения диссертации доложены на II Всесоюзной конференции по синтезу и использованию мышьякорганических соединений в народном хозяйстве (Казань, 1989), Всесоюзной конференции «Теория и практика газовой хроматографии» (Горький, 1990), Всероссийской X конференции по химии высокочистых веществ (Н.Новгород, 1995),VII Всероссийской конференции по металлоорганической химии (Москва, 1999), Итоговой научной конференции сотрудников биологического факультета за 199899г.

Структура и объем работы

Материалы диссертации изложены на 144 страницах машинописного текста, иллюстрированы 24 таблицами, 3 рисунками. Работа состоит из введения, обзора литературы, характеристики методов исследования, четырех глав собственных исследований, обсуждения результатов, выводов, списка литературы, содержащего 125 источников, из которых 105 на русском языке и 20 на иностранных языках, и приложения.