Методы и практика контроля анализа содержания тяжелых металлов в биологических средах

Методы и практика контроля анализа содержания тяжелых металлов в биологических средах

В статье приведен обзор научной литературы, анализирующей новые методы обнаружения тяжелых металлов в биологических жидкостях. Исследователи столкнулись с задачами необходимости развития простых, дешевых, эффективных методов анализа биологических материалов. Для оценки уровня содержания и неблагоприятного воздействия тяжелых металлов на организм нужны точные количественные показатели фонового содержания элементов в биосредах, учитывающие также особенности микроэлементного состава окружающей среды обитания для исследуемого региона. Сделан вывод о том, что необходимо разработать методические подходы и установить фоновые региональные уровни содержания металлов в биологических средах.

При решении вопроса разработки контроля содержания тяжелых металлов в биологических средах, для предупреждения отрицательного влияния факторов среды обитания, связанных с загрязнением окружающей среды, приходится рассматривать большое число разнообразных проблем. Одна из основных — объективная оценка реального загрязнения объектов окружающей среды, тесным образом связанная со здоровьем населения, проживающего на территории крупных промышленных комплексов [1, 2]. Анализ эко-гигиенических исследований, затрагивающий вопросы комплексной оценки состояния среды обитания, показал, что в работах, посвященных данной проблеме, недостаточно освещены вопросы взаимодействия человека со средой обитания в экосистеме «человек-доза», где на человека действует комплекс антропогенных факторов [1−4].

Многочисленные промышленные выбросы крупных производственных предприятий, выхлопы автомобильного транспорта создали весьма сложную экологическую обстановку в регионах, где они расположены. Химические соединения, поступающие ежедневно в среду обитания, перераспределяются и мигрируют в результате ветрового переноса, а также переноса поверхностными и подземными водами на довольно большие расстояния [5]. Перераспределение «техногенной нагрузки» происходит повседневно и по сей день [6]. Таким образом, создана необходимость уделить трансформации химических элементов в объектах окружающей среды референтных пределов содержания химических элементов в организме человека, проживающего в промышленном регионе, где особенно часто возникают проблемные ситуации экологического характера.

Для расчета экологической оценки безопасности необходимо учитывать не только значительный вклад тяжелых металлов в техногенную нагрузку на окружающую среду, но и состояние здоровья населения, проживающего в исследуемой местности [2, 4, 7, 8]. Так, например, соотношение содержания тяжелых металлов в волосах было положено в основу нового способа прогнозирования влияния атмосферных загрязнений на состояние здоровья [9].

В этом плане главной задачей является совершенствование методического обеспечения диагностики при наличии токсического воздействия экологических факторов малой интенсивности, так как, попадая через органы пищеварения и дыхания в организм человека, тяжелые металлы аккумулируются в различных тканях с последующим токсическим воздействием на организм. Они оказывают неспецифическое воздействие, которое осуществляется через бессимптомное накопление в тканях и органах, далее проявляется учащением и осложнением соматической патологии. Клинически идентифицировать такое воздействие сложно и не всегда представляется возможным [2, 8, 10−12]. Информативным диагностическим показателем при этом является исследование содержания химических элементов в биологических средах [1, 3, 9, 11, 13−15].

На современном этапе в данном направлении работает ряд ученых, которые используют различные химико-аналитические методы [1, 3, 12, 13, 15].

Так, в практике при исследовании биологических объектов находят применение современные методы спектрографии, отличающиеся, наряду с высокой избирательностью и достаточной чувствительностью, возможностью одновременного определения в одной пробе ряда элементов [16]. Однако количественный спектрографический анализ материалов биологического происхождения затруднен, с одной стороны, малым содержанием элементов, с другой — неоднородностью структурного и элементарного состава. Точность таких результатов анализа определяется в основном качеством применяемых эталонов и их соответствием анализируемых пробам. Одно из основных требований, предъявляемых к эталонам, — соответствие матричных основ эталонов и анализируемых проб. Несоблюдение этого требования может привести к искажению результатов анализа в 2−3 раза. В спектрографии биологических материалов применяют два способа приготовления эталонов — на искусственной и естественной основах. Эталоны на искусственной основе не достигают полного соответствия матричных основ проб и эталонов и требуют использования реагентов особой чистоты и сложной технологии приготовления, влияние же матричных эффектов позволяет применение метода добавок, но ограниченность массы исследуемых органов лабораторных животных не позволяет использовать этот метод [16].

За последние 10 лет зарубежными авторами выполнен ряд работ по газовой хроматографии металлов. Так, Ross и Sivers разработали быстрый способ определения следов хрома, алюминия и бериллия в виде трифторацетилацетонатов, а Maer анализировал смесь трифторацетилацетонатов бериллия, меди, хрома с использованием масс-спектрометра для их идентификации [17]. Российские работы, посвященные газохроматографическому определению микроколичеств металлов, публикуются с 1970 г. В то время алюминий, хром, железо определяли газоадсорбционной хроматографией, где в качестве сигнализирующего устройства был использован детектор захвата электронов. Это был более доступный и быстрый способ определения микроколичеств металла [18−20]. В литературе [21] описаны методы определения кремния в крови, основанные на минерализации пробы и последующем выявлении с молибдатами по окраске гетерополикислот. Описанные условия анализа, способы устранения «мешающих» веществ (в первую очередь фосфатов и пигментов), рекомендации по конечному определению весьма разноречивы, а в некоторых случаях и противоречивы [22]. О.М.Гули-на [23] рекомендовала визуально определять кремний дотитровыванием холостой пробы раствором хромата калия до окраски пробы. Ранее В. И. Иванов ввел фотометрическое определение кремния в водной пробе [24]. Это позволило определить фоновое содержание кремния в крови и отдифференцировать роль «водного» кремния. биологический трифторацетилацетонат хром Существуют методические разработки определения металлов в биологических средах методом атомно-абсорбционной спектрометрии, являющимся достаточно экспрессным, чувствительным и селективным в современной аналитической практике [16, 18, 20, 25]. Так, в работах М. М. Чубирко установлены оптимальные параметры анализа исследуемых элементов с атомизацией в пламени (ток лампы, соотношение горючее/окислитель, область фотометрирования пламени, скорость подачи пробы), позволяющие обосновать оптимальную величину характеристической концентрации для исследуемых металлов на уровне 10^-1 — 10^-3 мкг/мл^-1, с максимальной погрешностью анализа 17,9% [26]. Для определения содержания марганца, свинца, меди, хрома, железа, никеля в биологических объектах (волосах, плаценте, крови) разработан способ перевода биопроб без термического разложения и кислотной минерализации, что снизило потерю элементов, неизбежную как при сухом озолении, так и при кислотной минерализации биопроб, и одновременно расширить спектр определяемых ингредиентов. Такой подход позволил определять тяжелые металлы в биологических средах на уровне 10^-1 — 10^-3 мкг/мл^-1 с погрешностью определения до 20% [26].

Известно, что металлы являются обязательными структурными компонентами биологических макромолекул, обеспечивая их нормальное функционирование [27]. Вместе с тем такие металлы, как молибден, никель, медь, хром, кобальт, марганец и цинк, воздействуя на живые организмы, обнаруживают мутагенную и канцерогенную активность [28]. Для выявления механизмов такого неблагоприятного действия металлов были проведены многочисленные исследования действия металлов на свойства нуклеиновых кислот. Так, спектроскопическим методом было изучено взаимодействие ди-зорибонуклеиновых кислот с соединениями хрома и калия. Получены инфракрасные спектры пленок дизорибонуклеиновых кислот, содержащих сульфат хрома, хлорид хрома и бихромат калия [29].

В экспериментальных исследованиях, при использовании метода инверсионной вольтамперо-метрии, в качестве альтернативного существующему способу кислотной минерализации проб был предложен метод твердофазной экстракции, включающий очистку и концентрирование определяемых компонентов при малых затратах времени и реактивов. Применялись серийно выпускаемые фторопластовые патрончики, внутри которых находился комплексообразующий сорбент. При этом процесс пробоподготовки сводился к разбавлению раствором КС1 1−2 мл биосубстрата, затем его пропускали через концентрирующий патрон. Тогда каждый металл количественно сорбируется на комплексообразователе [30].

Для различных типов биологических субстратов в аналитическом плане найдено конкретное решение [8−12, 16, 18, 22, 25, 30]. Так, для цельной крови это применение модификации матрицы путем давления малых количеств аскорбиновой кислоты до пробы, что дало возможность в условиях микроанализа при исследовании 0,1−0,2 мл капиллярной крови получить точные количественные характеристики широкого спектра элементов — Pb, Fe, Zn, Co, Ni, Cu, Cd на уровне фоновых их концентраций, а также повысить чувствительность элементометрии в 1,4 раза. Для химического разложения образцов волос разработан способ гомогенизации материала в органическом растворителе — эмульгирование с гидроксидом тетраметиламмония, что снижает вероятность потерь определяемых элементов. По сравнению с методами озоления проб он является более экономичным и безопасным по сравнению с автоклавным кислотным разложением. Возможные потери определяемых компонентов в случае образования осадка исключаются путем дополнительного кислотного его растворения и последующего анализа. Данный прием пробоподготовки позволил повысить точность элементометрии в волосах на 10−50% [31].

Для оценки уровня содержания и неблагоприятного воздействия тяжелых металлов на организм необходимы точные количественные показатели фонового содержания элементов в биосредах, учитывающие также особенности микроэлементного состава окружающей среды обитания для исследуемого региона. Необходимо разработать методические подходы и установить фоновые региональные уровни содержания металлов в биологических средах.

Для мочи, в которой элементы находятся в связанном состоянии и представляет собой сложную смесь химических компонентов, устранение мешающего влияния органической матрицы и перевода определяемых элементов в электрохимически активную форму применяют различные варианты про-боподготовки, такие как кислотное разложение, щелочное плавление или ультрафиолетовое облучение растворов [32].

В результате анализа доступной нам литературы мы представили картину новых способов анализа содержания тяжелых металлов в биосредах, включающую доступность, высокую чувствительность, точность определения, однако считаем необходимым повториться, что невозможно оценить эффективность профилактических мер без постоянного контроля за поступлением, усвоением и выведением из организма человека этих (а также токсичных) элементов. Поэтому перед химиками-аналитиками встают задачи разработки простых, дешевых, эффективных методик анализа биологических материалов.

Продолжается непрерывная работа над разработками и аттестацией методик выполнения измерений массовых концентраций ряда элементов в биологических пробах вольтамперометрическим методом. Метод вольтамперометрии, в частности инверсионной вольтамперометрии, отличается высокой чувствительностью и в то же время простотой, дешевизной оборудования, находит применение в анализе пищевых продуктов, фармпрепаратов и лекарственного сырья, биологических объектов[33−35].

• 1. Агбалян Е. В. Содержание тяжелых металлов и риск для здоровья населения на Ямальском Севере // Гигиена и санитария. — 2012. — № 1.— С. 14−16.
• 2. Мамырбаев А. А., Сакебаева Л. Д., Сатыбалдиева У. А., Куянбаева Г. Е. Роль антропотехногенной нагрузки в формировании аллергической заболеваемости // Гигиена и санитария. — 2012. — № 3. — С. 25−29.
• 3. Еремейшвили А. В., Фираго А. Л., Бакаева Е. А. Особенности содержания микроэлементов в биосубстратах детей в возрасте 1−3 лет в условиях антропогенной нагрузки // Гигиена и санитария. — 2012. — № 2. — С. 20−23.
• 4. Засорин Б. В., Ермуханова Л. С. Влияние факторов окружающей среды на иммунологическую резистентность организма // Гигиена и санитария. — 2012. — № 3. — С. 8−9.
• 5. Панин М. С. Химическая экология. — Семипалатинск, 2004. — 852 с.
• 6. Панин М. С. Экология Казахстана. — Алматы, 2002. — 500 с.
• 7. Карпова Е. Г., Архиреева В. А. Здоровье детей дошкольного возраста в городах с разным уровнем загрязнения окружающей среды // Гигиена и санитария. — 1998. — № 6. — С. 35−37.
• 8. Михайлова И. В., Смолягин А. И., Боев В. М. Влияние бензола и хрома на микроэлементный состав биосубстратов крыс «Вистар» // Гигиена и санитария. — 2012. — № — С. 63−65.
• 9. Чеснокова Л. А., Михайлова И. В., Красиков С. И., Боев В. М., Смолягин А. И. Влияние хрома на микроэлементный го-меостаз биосубстратов лабораторных животных // Гигиена и санитария. — 2012. — № — С. 65−69.
• 10. Ларионова Т. К. Биосубстраты человека в эколого-аналитическом мониторинге тяжелых металлов // Медицина труда и пром. экология. — 2000. — № 4. — С. 30−33.
• 11. Текуцкая Е. Е., Софьина Л. И., Бендер Л. В., Онищенко Н. П. Методы и практика контроля содержания тяжелых металлов в биосредах // Гигиена и санитария. — 1999. — № 3. — С. 72−74.
• 12. Бакулина Л. А., Шустов Д. А. Определение микроколичеств ртути в биоматериале со сложным элементарным составом (нейтронно-активационный анализ) // Гигиена и санитария. — 1990. — № 3. — С. 49−52.
• 13. Слепченко Г. Б., Пикула Н. П., Захарова Э. А. и др. Вольтамперометрическое определение химических элементов в пробах мочи // Гигиена и санитария. — 2005. — № 3. — С. 64−66.
• 14. Гильденскиольд Р. С. Тяжелые металлы в окружающей среде и их влияние на организм (обзор) // Гигиена и санитария. — 1992. — № 5−6. — С. 34−37.
• 15. Засорин Б. В., Курмангалиев О. М., Ермуханова Л. С. Особенности иммунного статуса у населения урбанизированных территорий с повышенным содержанием тяжелых металлов // Гигиена и санитария. — 2 — № 3. — С. 17−19.
• 16. Кустанович И. М. Спектральный анализ. — М.: Высш. шк., 1972. — 352 с.
• 17. Бингам Ф. Т., Коста М., Эйхенбергер Э. и др. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. Пер. с англ. / Под ред. Х. Зигеля, А.Зигель. — М.: Мир, 1993. — 368 с.
• 18. ЛьвовБ.В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. — М.: Наука, 1966. — 392 с.
• 19. Гадаскина И. Д., Гадаскина Н. Д., Филов В. А. Определение промышленных неорганических ядов в организме. — Л., 1975. — С. 100−110.
• 20. Ковальский В. В., Гололобов А. Д. Методы определения микроэлементов в органах и тканях животных, растениях и почвах. — М., 1969. — С. 82—91.
• 21. Ласточкина К. О., Плитман С. И., Метельская Г. Н. К вопросу определения кремния в сыворотке крови // Гигиена и санитария. — 1986. — № 11. — С. 45.
• 22. Бок Р. Методы разложения в аналитической химии. — М., 1984.
• 23. Гулина О. М. Материалы по вопросам промышленной токсикологии и клиники профессиональных болезней. — Горький, 1957. — Сб. 8. — С. 109−123.
• 24. Иванов В. И., Розенберг П. А. Новое в области санитарно-химического анализа. — М., 1962. — С. 35.
• 25. Макаренко Н. П., Ганебных Е. В. Пробоподготовка биологического материала для атомно-абсорбционного анализа // Гигиена и санитария. — 2007. — № 3. — С. 71, 72.
• 26. Чубирко М. И., Басова Г. М., Степанова Н. Н. и др. Биомониторинг тяжелых металлов в слюне // Гигиена и санитария. — 2005. — № 2. — С. 66−67.
• 27. Мамырбаев А. А., Бекмухамбетов Е. Ж., Засорин Б. В. Содержание металлов в волосах и крови детского населения городов Актюбинской области // Гигиена и санитария. — 2012. — № 3. — С. 61−63.
• 28. Зайцева Н. В., Уланова Т. С. Плахова Л.В., Суетина Г. Н. Влияние полиметаллических загрязнений объектов окружающей среды на изменение микроэлементного состава биосред у детей // Гигиена и санитария. — № 4. — С. 11−15.
• 29. Боев В. М., Куксанов В. Ф., Быстрых В. В. Химические канцерогены среды обитания и злокачественные новообразования. — М.: Медицина, 2002. — 343 с.
• 30. Больбух Т. В. Гидратация нуклеиновых кислот в пленках по данным инфракрасной спектроскопии и пьезогравиметрии: Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. — Харьков, 1998. — 32 с.
• 31. Монтрель М. М., Шабарчина Л. И., Плетнева Т. В., Ершов Ю. А. ИК-спектроскопическое изучение взаимодействия солей хрома с природной ДНК // Биофизика. — 1993. — Т. 38, Вып. 4. — С. 636−642.
• 32. Юдина Т. В., Федорова Н. Е., Егоров М. В. и др. Оптимизация системы лабораторного контроля, гигиенического биомониторинга и ранней неинвазивной диагностики // Гигиена и санитария. — 1997. — № 6. — С. 45−48.
• 33. Вредные химические вещества. Неорганические соединения 5−8 групп / Под. ред. В. Л. Филова. — 1989. — С. 257—284.
• 34. ГОСТ Р 51 301−99. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). — М., 1999.
• 35. ГОСТ Р 51 962;2002. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания мышьяка. — М., 2002.