Экологическая опасность хризотил-асбеста как функция физико-химических свойств поверхности его волокон
На правах рукописи
ГУДКОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА Экологическая опасность хризотил-асбеста как функция физико-химических свойств поверхности его волокон 03.00.16. – Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Москва 2008
Работа выполнена на кафедре физической, коллоидной и органической химии ГОУ ВПО Белгородский государственный университет Научный руководитель доктор технических наук, профессор Везенцев Александр Иванович
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Михаленко Ирина Ивановна кандидат технических наук, доцент Кузнецов Владимир Алексеевич Ведущая организация Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской Академии Наук
Защита состоится 4 декабря 2008 г. в 1100 на заседании диссертационного совета Д 212.204.14 в РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047 Москва, Миусская пл., д. 9) в конференц зале университета.
С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ имени Д.И. Менделеева.
Автореферат диссертации разослан 3 ноября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204. д.х.н., профессор Сметанников Ю.В.
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. Асбест является минералом, по поводу которого в мире проводится большое количество научных исследований на предмет его влияния на организм человека и окружающую среду. Экспериментально доказано, что асбестовые минералы, попадая в организм человека, способны инициировать рост злокачественных новообразований. В природе встречаются два типа асбестов:
серпентиновые – слоистые силикаты, и амфиболовые – ленточные силикаты. На сегодняшний день добыча и применение всех амфиболовых асбестов полностью запрещены, поскольку они обладают крайне высокой онкоопасностью.
Наиболее часто встречающимся и широко используемым является хризотил-асбест, представитель группы серпентина. Уникальное сочетание высокой механической прочности волокна, значительной адсорбционной емкости, огне- и теплоустойчивости, тепло-, звуко- и электроизоляционных свойств, щелочеустойчивости и способности образовывать устойчивые композиции с различными неорганическими и органическими вяжущими материалами сделали его незаменимым при производстве более 3000 видов промышленных изделий. Заменителей, обладающих уникальными свойствами хризотила, в мире пока не найдено, а предлагаемые альтернативные материалы нередко обладают равной, а в некоторых случаях даже более высокой канцерогенной активностью.
В настоящее время в мире предпринимаются попытки полностью запретить использование хризотил-асбеста. Поскольку Российская Федерация является обладательницей самых больших месторождений данного минерала и занимает ведущее место среди асбестодобывающих стран по объемам его производства и потребления, под угрозой закрытия оказались две развитых отрасли Российской промышленности – асбестодобывающая и асбестоперабатывающая.
Необходимо отметить, что организм человека регулярно контактирует с волокнами хризотила, постоянно присутствующими в воздухе окружающей среды, поскольку серпентиновые минералы являются почвообразующими и повсеместно обнаружены в экосистемах, частью которых является человек. Дополнительным источником загрязнения окружающей среды волокнами хризотила являются также промышленные разработки его месторождений и использование продукции на его основе. Это способствует увеличению содержания волокон данного минерала в во вдыхаемом человеком воздухе.
Поэтому, одной из актуальных проблем экологии человека является проблема исследования физико-химических свойств хризотил-асбеста, отвечающих за его экологическую опасность. Выявление основных причин воздействия волокон хризотил асбеста на организм человека позволит обосновать решение о целесообразности либо запрета, либо продолжения его использования в промышленном производстве.
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в выявлении зависимости экологической опасности волокнистых материалов от физико-химических свойств их поверхности и в разработке модельной системы экспресс-тестирования экологической опасности волокнистых материалов для биологических объектов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– определение изменения химического состава, кристаллической структуры, морфологии поверхности и физико-химических свойств волокон хризотил-асбеста при воздействии на них различных факторов окружающей среды и промышленного производства;
– установление связи между изменением основных физико-химических свойств и экологической опасностью исследуемых образцов;
– разработка системы оценки изменения экологической опасности волокнистых материалов на основе их способности стимулировать радикальное окисление органических субстратов.
Научная новизна. Доказано, что в основе проявления отрицательного воздействия волокнистых минералов, в частности хризотил-асбеста, на биологические объекты лежит их способность инициировать образование свободных радикалов и процессов окисления с их участием, которые, как известно способны повреждать клеточные структуры и нарушать жизненно важные биохимические процессы в организмах человека и животных Установлено, что генерирование радикалов протекает на поверхности волокон, а окисление субстратов этими радикалами – в объеме. Показана корреляция между глубиной окислительной деструкции субстрата, массовым содержанием железа и удельной поверхностью исследуемых образцов.
Экспериментально доказано, что под воздействием матрицы портландцементного камня у волокон хризотил-асбеста происходят настолько глубокие изменения химического состава и физико-химических свойств, что это приводит к значительному снижению опасности данного минерала для живых организмов, включая человека.
Практическое значение работы. Полученные результаты указывают на то, что определение физико-химических свойств волокнистых материалов, в сочетании с выявлением их способности вызывать окислительную деструкцию органических субстратов, позволяет с высокой степенью достоверности устанавливать уровень экологической опасности асбестов не прибегая к долгосрочным и дорогостоящим медико биологическим исследованиям.
На основании результатов исследования разработана система для экспресс-тестирования экологической опасности асбестовых минералов. Данная тестовая система позволяет прогнозировать влияние на живые организмы различных волокнистых материалов, что особенно важно при выборе образцов для долгосрочных и дорогостоящих биологических экспериментов на выявление канцерогенной активности.
Широкое внедрение вышеуказанной модельной системы в практику позволит не только отказаться от использования длительных и дорогостоящих экспериментов с животными, предшествующих исследованию канцерогенной активности волокнистых минералов, но и минимизировать время для организации мер по предотвращению загрязнения природной среды онкоопасными волокнистыми компонентами. С другой стороны, это также сократит время для установления снижения либо полного отсутствия экологической опасности ряда волокон, что будет способствовать принятию решения об их рациональном использовании с минимальным воздействием на живые организмы экосистем.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, БГТУ, 2003 г.;
II Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье», г. Белгород, БГТУ 2004 г.;
Двустороннем немецко-российском семинаре «Свойства и применение ионообменных материалов», Университет им. Карла Фон Осьетски, г. Ольденбург, Германия, 2006 г.;
II Всероссийской научной конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий», Москва-Тула, 2006 г.;
II Всероссийской научной конференции с международным участием «Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья», г. Белгород, БелГУ 2006 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, 3 из которых в изданиях перечня ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников, включающего 143 наименования, приложений. Работа изложена на 121 странице, включает 8 таблиц и 55 рисунков.
Содержание работы Во Введении обосновывается актуальность исследования, сформулированы цель и задачи работы.
В главе 1 представлен обзор литературы о современном состоянии проблемы изучения экологических свойств хризотил-асбеста и возможности его использования в промышленном производстве. Представлена и проанализирована информация о роли хризотил-асбеста в промышленности Российской Федерации, его химическом составе и основных свойствах. Проведен анализ современных представлений о процессах, вызывающих повреждение живых клеток, рассмотрены данные о биологической, в том числе канцерогенной активности хризотил-асбеста. Обоснованы положения и направления исследования данной проблемы. Показано, что наряду с большим количеством многолетних медико-биологических исследований, проведено ничтожно малое количество экспериментов по определению физико-химических свойств собственно хризотил-асбеста, отвечающих за его канцерогенную активность. До сих пор не определен механизм непосредственного воздействия самих волокон на клетки и ткани живых организмов, в том числе и человека, ведущих к возникновению злокачественных новообразований, что определяет актуальность исследований в данном направлении.
Экспериментальные исследования В главе 2 описаны подготовка и получение исследуемых образцов. Представлена информация о предварительной подготовке к исследованиям товарного хризотил-асбеста марки А-5-65 Баженовского месторождения, лизардита Баженовского месторождения и крокидолит-асбеста ЮАР, заключавшаяся в их предварительном измельчении, которое осуществляли с целью получения близких по размеру частиц. Описаны различные способы получения образцов сравнения для определения причин экологической опасности волокон хризотил-асбеста: обработка дистиллированной водой, гидроксидом кальция, термокислотная обработка. Кроме того, в работе были исследованы образцы волокон хризотил-асбеста, выделенные из продуктов механической деструкции асбестоцемента.
Глава 3 представляет экспериментальные исследования в результате которых была выявлена взаимосвязь между изменением основных физико-химических свойств и отрицательным воздействием исследуемых образцов на живые организмы, в том числе и человека.
Определение химического состава исследуемых образцов осуществляли методом микроренгеноспектрального анилиза в центре коллективного пользования БелГУ на сканирующем электронном микроскопе Quanta 200-3D с интегрированной системой для микроанализа. Данные анализа представлены в таблице 1.
Таблица Химический состав дегидратированных образцов Содержание оксидов, % масс.* Образец № Cr2O Fe2O Al2O Na2O MnO MgO CaO CoO SiO K2O NiO SO Cl– п/п Хризотил 43,3 46,7 1,0 0,3 0,5 0,2 7,6 0,4 – – – – – асбест Волокна 33,7 43,3 1,7 14,7 – – 3,1 0,6 – 0,2 0,8 1,1 0, из а.ц.
Хризотил 41,0 43,5 1,0 1,3 – 0,4 12,8 – – – – – – + Н2О Хризотил 36,7 37,3 1,3 20,5 – – 4,2 – – – – – – + Са(ОН) Волокна 27,8 69,0 1,5 – – – 1,7 – – – – – – сивола Изом. ч.
– 100 – – – – – – – – – – – сивола Изом.ч.
9,4 24,9 4,0 54,7 1,9 – – – – – 0,9 4,2 – из а.ц.
40,9 51,5 1,5 – – – 6,1 – – – – – – 8 Лизардит Волокна сле 18,5 59,5 0,7 0,9 – 12,5 – 0,2 7,3 0,4 – – 9 крокидо ды лита Изом. ч.
– 5,1 – – – – 94,9 – – – – – – 10 крокидо лита ± 0,5 % * Анализ показал, что химический состав волокон хризотил-асбеста, крокидолита и лизардита полностью соответствует составу их природных разновидностей. Химический состав изометрических частиц в образце хризотил-асбеста был аналогичен составу волокон и соответствовал составу породообразующего серпентина. В образце крокидолита изометрические частицы отличались по химическому составу от волокон крокидолит асбеста. У лизардита наблюдались незначительные различия в количестве некоторых элементов, по сравнению с хризотил-асбестом, но в целом состав этих двух минералов был идентичен. Данные микроренгеноспектрального анализа волокон из асбестоцемента, позволили отметить значительные отличия их химического состава от химического состава волокон хризотил-асбеста. Наблюдается уменьшение количества магния, кремния, железа и значительное увеличение количества кальция по сравнению с природным хризотилом.
Присутствующие в образце изометрические частицы отличаются по химическому составу от волокон. Волокна, присутствующие в сиволе содержат значительно меньшее количество магния, алюминия и кремния, а содержание кремния в них значительно возрастает по сравнению с исходным хризотил-асбестом. Изометрические частицы образца практически полностью состоят из кремнезема.
Оценка энергодисперсионного спектра образца хризотил-асбеста, обработанного дистиллированной водой выявила изменения в химическом составе по сравнению с исходным хризотил-асбестом. Установлено уменьшение структурообразующих элементов – магния и кремния.
Это указывает на то, что при обработке дистиллированной водой происходила диссоциация как элементов из бруситоподобного октаэдрического слоя, так и тетраэдрического кремнекислородного.
Следует отметить, что при наличии признаков изменения кристаллической структуры при обработке хризотил-асбеста дистиллированной водой выявлено увеличение процентного содержания железа в пересчете на оксид, по сравнению с количеством, определенным в составе исходного хризотил-асбеста. Это может быть связано с тем, что ионы железа находятся в виде соединений, которые подвергаются диссоциации в значительно меньшей степени, чем соединения, содержащие ионы магния. Поэтому на фоне разрушения волокон, при уменьшении количества структурообразующих элементов, количество железа на единицу массы полученного образца увеличивалось, т.е. происходило его концентрирование.
Анализ энергодисперсионного спектра образца хризотил-асбеста после обработки гидроксидом кальция также показал изменение химического состава, по сравнению с исходным хризотил-асбестом, количество CaO увеличилось в 22,5 раза. В процессе обработки количество как структурообразующих элементов, так и примесей, входящих в состав исходного хризотил-асбеста, уменьшилось.
Необходимо отметить, что воздействие концентрированной хлористоводородной кислоты, а также длительное пребывание в цементной матрице вызывают настолько значительные изменения химического состава хризотил-асбеста, что полученные волокна не возможно отнести к этому минералу.
Рентгеноструктурный и ренгенофазовый анализ проводили на рентгеновском дифрактометре общего назначения ДРОН-3.0. Рентгенофазовый анализ подтвердил как соответствие исходных образцов природным минералам, так и принадлежность образцов хризотила и лизардита к слоистым силикатам серпентиновой группы. При обработке дистиллированной водой и гидроксидом кальция образования новых фаз в хризотил-асбесте не наблюдалось, а обработка концентрированной соляной кислотой способствовала полной аморфизации волокон хризотил-асбеста. На основе данных рентгеноструктурного анализа были рассчитаны параметры элементарных ячеек кристаллических решеток исследуемых образцов, таблица 2.
Анализ полученных результатов указал на некоторое изменение параметра с элементарной ячейки кристаллической решетки у образцов хризотил-асбеста после обработки дистиллированной водой и гидроксидом кальция в сравнении с этим параметром элементарной ячейки кристаллической решетки исходного образца.
Таблица Параметры кристаллической решетки исследуемых образцов при = 93о Параметры кристаллической решетки, * Образцы a b с Хризотил-асбест 5,35 9,25 7, Хризотил 5,34 9,25 7, модиф. дист. водой Хризотил модиф.
5,33 9,23 7, Са (ОН) Лизардит 5,34 9,25 7, ± 0, * Это, в свою очередь, указывает на уменьшение расстояния между слоями кристаллической решетки. Происходит вымывание как поверхностных, так и межслоевых катионов, что характеризуется появлением на дифрактограмме рефлекса с d (001) = 7,38 у хризотил асбеста обработанного гидроксидом кальция, и d (001) = 7,33 у хризотила, обработанного дистиллированной водой, по сравнению с исходным хризотил-асбестом, у которого d (001) = 7,42.
Вследствие уменьшения количества октаэдрических катионов уменьшается их отталкивание в плоскости слоя при сочленении октаэдрической сетки с сеткой кремнекислородных тетраэдров.
Уменьшение параметра с кристаллической решетки позволяет отметить разрушение не только бруситоподобного октаэдрического слоя, но и слоя кремнекислородных тетраэдров за счет выхода в раствор кремнекислоты, а также ионов НsiO3- и SiO32-.
Была проведена трансмиссионная электронная микроскопия исследуемых образцов. Полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения Jeol JEM-2100 LaB-6 изображения волокон хризотил-асбеста после различных видов обработки позволили визуально наблюдать изменения, происходящие с поверхностью волокон при воздействии различных факторов, рис. 1.
а) б) в) Рис. 1. Изображение влокон: а – хризотил-асбеста;
б – выделенных из продуктов механической деструкции асбестоцемента;
в – сивола.
Так, при сравнении изображений волокон исходного хризотил-асбеста, рис. 1а, и волокон, выделенных из асбестоцемента, рис. 1б, заметна начальная стадия аморфизации поверхности после пребывания хризотил-асбеста в цементной матрице. Волокна хризотил-асбеста представлены кристаллами трубчатой формы, с четкими внешними границами и явно выраженной полостью в середине трубки. Также визуализируется упорядоченная кристаллическая решетка. После пребывания в цементной матрице морфология волокон меняется. Несмотря на то, что контур волокна остается достаточно четким, внешняя поверхность выглядит несколько размытой. Полость у волокон практически не просматривается, волокно выглядит как бы окруженным светлым ореолом снаружи, и заполненным аморфным веществом внутри. Ближе к середине волокна еще можно увидеть некоторую упорядоченность кристаллической решетки, а по краям хорошо видны следы начинающейся коррозии поверхности.
При получении сивола волокна хризотил-асбеста претерпевают наиболее сильные изменения, рис. 1в. Поверхность волокон в значительной степени корродирует, волокно как бы покрывается мелкими чешуйками, его кристаллическая структура выглядит полностью разрушенной.
Обработка образцов дистиллированной водой и гидроксидом кальция также привела к видимым изменениям поверхности волокон хризотил-асбеста, рис. 2.
Так, после обработки насыщенным раствором гидроксида кальция, рис. 2а, полость нанотрубок хризотила становится практически незаметной, лишь кое-где можно отметить ее контуры. Кристаллическая решетка по краям нанотрубок становится менее четкой, хотя по большей части ее упорядоченность сохраняется. Кроме того, на поверхности волокна появляются чешуйки, представляющие собой пленочные кристаллы гидроксида кальция.
Обработка хризотил-асбеста дистиллированной водой привела к менее заметным последствиям, чем обработка гидроксидом кальция, рис. 2б.
а) б) Рис. 2. Волокна хризотил-асбеста после обработки а – раствором гидроксида кальция;
б – дистиллированной водой У волокон все еще можно выделить центральную полость, хотя ее края выглядят сильно размытыми, неровными. Просвет гораздо уже чем у волокон исходного хризотил асбеста. Кристаллическая решетка при обработке дистиллированной водой также начинает разрушаться. Большую часть аморфизированных участков можно заметить у границ волокна.
Таким образом методом трансмиссионной электронной микроскопии высокого разрешения зафиксировано, что в результате различного рода воздействий кристаллическая решетка волокон хризиотил-асбеста претерпевает определенные изменения.
Определение электрокинетического потенциала образцов находящихся во взвешенном состоянии в дистиллированной воде проводили на анализаторе Zetasizer Nano ZS, Malvern Instruments.
Известно, что электрические свойства поверхности волокнистых частиц обусловливают их электрокинетическое взаимодействие с живыми клетками также обладающими поверхностным зарядом. Анализ значений величины и знака электрокинетического потенциала показал, что частицы хризотил-асбеста, лизардита, волокон из продуктов деструкции асбестоцемента, а также волокна образцов, обработанных в условиях эксперимента имеют положительный заряд на поверхности, величина которого для каждого образца индивидуальна: хризотил-асбест «+» 18,2;
крокидолит «–» 18,3;
лизардит «+» 30,0;
сивол «–» 28,0;
хризотил-асбест + Н2О «+» 15,0;
хризотил-асбест + Са(ОН) «+» 19,3;
волокна из асбестоцемента «+» 17,2. Исходя из полученных данных можно отметить, что частицы лизардита в наименьшей степени способны взаимодействовать с поверхностью живых клеток, а степень взаимодействия волокнистых частиц с мембранами увеличивается с понижением значения электрокинетического потенциала. Следует также отметить, что крокидолит-асбест и сивол имеют значения -потенциала равные «–»18,2 и «–»28,0, соответственно. Учитывая эти данные можно предположить, что их волокна не взаимодействуют с живыми клетками благодаря электростатическим силам отталкивания, поскольку имеют одинаковый знак заряда с поверхностью биомембран.
Тем не менее, известно, что крокидолит в большой степени оказывает негативное влияние на живые клетки, являясь весьма генотоксичным и вызывая злокачественное перерождение живых клеток и тканей, что вероятно связано с другими свойствами поверхности его волокон стимулировать злокачественные новообразования.
Определение кислотно-основных свойств поверхности исследуемых образцов проводили в связи с тем, что одними из основных факторов, определяющих реакционную способность твердых частиц являются активные центры их поверхности.
Количество, тип и силу активных центров на поверхности исследуемых образцов определяли индикаторным методом в его спектрофотометрической разновидности на спектрофотометре СФ-56. Данные представлены в таблице 3. Наименьшее количество активных центров на единицу удельной поверхности обнаруживается у волокон сивола. В свою очередь, наибольшее количество активных центров приходится на единицу удельной поверхности лизардита, что могло бы указывать на его повышенную активность и в отношении биологических объектов, но, тем не менее, это не соответствует действительности.
Таблица Количество активных № Удельная Образец центров ммоль / м п/п поверхность, м2/г ± 0, 1 Хризотил 29 1, 2 Лизардит 10 7, 3 Крокидолит 25 5, 4 Сивол 240 0, 5 Хризотил-асбест + Н2О 47 2, 6 Хризотил-асбест + Са(ОН)2 43 1, Количество активных центров на поверхности исследуемых образцов Количество активных центров на единицу поверхности крокидолита ниже чем у лизардита в 1,5 раза, но его биологическая активность значительно выше чем у первого.
Поэтому также был проведен расчет соотношения кислотных и основных центров на поверхности исследуемых образцов. Результаты представлены в таблице 4.
Таблица Общее количество Общее количество Отношение количества № Образец кислотных центров, основных центров, кислотных центров к п/п ммоль/м2 ммоль/м2 основным 1 Хризотил 0,9 0,5 1, 2 Крокидолит 4,6 0,8 5, 3 Лизардит 3,3 4,6 0, 4 Сивол 0,4 0,2 Хризотил-асбест 5 0,8 0,6 1, + Са(ОН) Хризотил-асбест 6 2,6 0,3 8, + Н 2О Соотношение кислотных и основных центров на поверхности исследуемых образцов Расчеты показали, что на единицу удельной поверхности в образце лизардита кислотных центров меньше, чем основных в 1,4 раза, тогда как на поверхности остальных образцов преобладают активные центры кислотной природы. Наибольшее их количество отмечено у образцов крокидолита и хризотила, обработанного дистиллированной водой.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что воздействие различных факторов на волокна хризотил-асбеста изменяет их физико-химические свойства, количество, тип и силу поверхностных центров и, как следствие, оказывает влияние на активность их поверхности.
Тем не менее, полученных результатов оказалось недостаточно, для объяснения процессов, лежащих в основе механизма воздействия исследуемых образцов на живые клетки. Необходимо было определить дополнительные параметры, наличие которых помогло бы объяснить биологическую активность исследуемых образцов.
Определение свободных радикалов на поверхности исследуемых образцов проводили методом электронного парамагнитного резонанса. Регистрацию спектров осуществляли на ЭПР-спектрометрах Elexsys и E 500 фирмы Bruker в S и Q – диапазонах.
Исследуемые образцы помещали в кварцевые ампулы, спектры снимали при температуре 20оС на воздухе и при откачке до 0,0013 милибар. Предварительная обработка образцов не проводилась.
Поскольку роль свободнорадикального окисления в стимуляции патогенных процессов в организме весьма велика, возникла необходимость выяснить, являются ли исследуемые образцы носителями свободных радикалов на своей поверхности. При получении ЭПР спектров в S-диапазоне в вакууме симметричные линии соответствующие частицам, обладающим свободным электроном были обнаружены только у крикидолит-асбеста.
Было вычислено значение величины g-фактора, которое составило 2,0023, что соответствует g-фактору свободного электрона. Также, для подтверждения полученных результатов были проведены измерения вакуумированного крокидолита в Q-диапазоне, рис.3. Как и при измерениях в S-диапазоне, на спектре также виден четкий сигнал, рис.
3а. При проведении измерений этого же образца после снятия вакуума, рис. 3б, т.е. на воздухе сигнал пропадает, что характерно для свободных радикалов. Таким образом, полученные результаты позволили утверждать, что поверхность крокидолит-асбеста является носителем частиц, содержащих неспаренный электрон, к которым, прежде всего, относятся свободные радикалы.
[* 10^ 6] - - - 3430 3440 3450 3460 3470 3480 3490 3500 3510 3520 а) [G] б) Рис. 3. ЭПР-спектры крокидолита, Q-диапазон: а) в вакууме, б) на воздухе Этим в определенной мере можно объяснить наиболее высокий уровень экологической опасности данного минерала. С другой стороны, образец хризотил асбеста свободных радикалов на своей поверхности не содержит, но, тем не менее, он способен индуцировать рост злокачественных опухолей в организме.
В настоящее время общепризнано, что ряд патологических процессов в организме вызывается непосредственно действием свободных радикалов. В связи с этим была проведена оценка способности исследуемых материалов вызывать радикальный распад пероксида водорода.
Активно обсуждается гипотеза, согласно которой, по крайней мере, некоторые из этих процессов – фентоновские, т.е. вызванные ионами железа. Так, ряд авторов полагает, что именно такие процессы отвечают за канцерогенность асбестов. Поэтому, представляло интерес выяснить, способны ли исследуемые материалы заменить соль железа, т.е. вызвать радикальный распад пероксида водорода и последующее окисление динитрофенола. Если такой процесс протекает, то имеется принципиальная возможность установить корреляцию между поведением образцов в процессе Фентона и их биологической активностью.
В результате исследования была выявлена способность исследуемых образцов инициировать окислительно-деструктивные процессы в системе содержащей помимо образцов пероксид водорода и 2,4-динитрофенол. Так окислительная деструкция 2, ДНФ, в присутствии хризотила составила 93 % масс., волокон из асбестоцемента – 2,7 % масс., хризотила, обработанного дистиллированной водой – 94,6 % масс., Хризотила, обработанного гидроксидом кальция – 71,5 % масс., сивола – 42,9 % масс., лизардита – 56,2 % масс., крокидолита 97,9 % масс. При анализе полученных данных отмечена зависимость результатов от рН среды. Наиболее кислыми оказались системы с участием лизардита и сивола, поэтому не исключено, что в ходе эксперимента часть 2,4-динитрофенола могла изменить окраску, но не подвергнуться деструкции. Тем не менее, показано, что окисление органических субстратов пероксидом водорода в присутствии исследуемых образцов может служить для определения их радикальной активности.
Глава 4 посвящена анализу изменения экологической опасности волокнистых материалов на основе их способности стимулировать радикальное окисление органических субстратов.
Проведена оценка физико-химических свойств поверхности волокнистых материалов как факторов их экологической опасности. Известно, что соответствие функции кислотности сродству к электрону позволяет провести аналогию между окислительной способностью активных центров поверхности, при этом максимальная кислотность соответствует максимальной окислительной активности. Чем выше показатель кислотности активного центра, в случае если данный активный центр относится к кислотам Льюиса, то с тем большей вероятностью этот центр будет оттягивать на себя электронную плотность биологических молекул, контактирующих с поверхностью изучаемых волокон. Это имеет значение, в частности, при соприкосновении волокон со структурами и веществами, принимающими участие в клеточном дыхании, основой которого является передача электронов по системе субстратов. Если же центры с высоким показателем кислотности являются бренстедовскими, то в результате их диссоциации возникает избыток ионов водорода, что также может отрицательно влиять на гомеостаз живых клеток, поскольку биомембраны являются высокопроницаемыми для протонов и избыток последних, прежде всего, будет повышать кислотность среды внутри клеток, поэтому увеличение их количества сверх физиологической нормы, безусловно, может оказывать отрицательное влияние на гомеостаз. В свою очередь, круг реакций, катализируемых основными активными центрами значительно уже, чем круг реакций в присутствии кислотных центров. В связи с этим, наличие большого числа кислотных активных центров на поверхности волокон отчасти позволяет объяснить их высокую активность в отношении биологических объектов. Так, количество кислотных центров на поверхности крокидолита превышает количество основных центров в раз, а на поверхности хризотила, обработанного дистиллированной водой в 9 раз.
При окислительной деструкции 2,4 динитрофенола именно эти образцы проявили наибольшую активность. Наличие же на поверхности крокидолита свободных радикалов вносит дополнительный вклад в его способность индуцировать злокачественные новообразования.
Хризотил обработанный Волокна из асбестоцемента Хризотил-асбест Ca(OH) Сивол Хризотил обработанный водой Лизардит Крокидолит Рис. 4. Энергодисперсионные карты распределения железа в исследуемых образцах Анализ экспериментальных данных также показывает, что крокидолит вызывает наиболее глубокое окисление динитрофенола пероксидом водорода. Как было представлено выше, в классическом процессе Фентона радикалы генерируются ионами железа. В нашем случае железо присутствует во всех образцах, рис. 4.
В ходе исследования была установлена корреляция между глубиной окислительной деструкции субстрата, массовым содержанием железа и удельной поверхностью исследуемых образцов. Известно, что, железо в образцах присутствует в различных состояниях: входит в химический состав волокон и находится в качестве акцессорных минералов, и от этого соотношения зависит способность образца генерировать радикальные частицы в присутствии пероксида водорода. По данным мессбауэровской спектроскопии хризотил-асбест содержит в своем составе железо как в двух-, так и в трехвалентном состоянии. Установлено, что двухвалентное железо находится только в октаэдрическом бруситоподобном слое, изоморфно замещая магний. Трехвалентное железо способно замещать как магний в октаэдрах, так и кремний в кремнекислородных тетраэдрах, т.е. его можно обнаружить во всех слоях, образующих волокно. Анализ экспериментальных данных показал зависимость интенсивности образования свободных радикалов от соотношения общей массы железа и удельной поверхности.
Чем больше величина удельной поверхности, тем большее количество железа находится на поверхности образцов и тем интенсивнее идет процесс образования свободных радикалов. Вследствие этого происходит более глубокая окислительная деструкция субстрата.
Следует отметить, что не смотря на наличие железа в каждом из исследуемых образцов, в ходе эксперимента выхода железа в раствор не наблюдалось. На это указывает и увеличение количества железа в образцах после проведения эксперимента, таблица 5.
Таблица Содержание железа в исследуемых образцах Количество железа Количество железа в в образце после Образец исходном образце, % масс., протекания процесса, в пересчете на оксид % масс., в пересчете на оксид Крокидолит Более 8,4* 12, Хризотил 3,92 4, Лизардит 4,27 5, Сивол менее 1 менее Хризотил, обработанный водой 6,72 5, Хризотил, обработанный Са(ОН)2 4,55 5, Волокна асбоцемента менее 1 6, *В различных точках образца значения колебались от 8,4 до 46,9 % масс.
Поэтому, процесс образования свободных радикалов в присутствии исследуемых образцов отличается от классического процесса Фентона, в котором радикалы генерируются ионами железа, находящимися в растворе. В результате исследований показано, что в присутствии волокнистых материалов в генерирование радикалов протекает на их поверхности, а окисление субстратов этими радикалами – в объеме.
Итогом анализа результатов экспериментальной работы стала разработка системы экспресс-тестирования исследуемых образцов и ее испытание.
В ходе эксперимента было установлено, что процесс окисление 2,4-динитрофенола пероксидом водорода в присутствии исследуемых образцов может служить для определения их радикальной активности, однако зависимость результатов от рН осложняет корректное сравнение образцов между собой. Поэтому, для использования процессов окисления органических субстратов в качестве тестовых реакций на радикальную активность асбестов было необходимо свести к минимуму влияние рН среды. Для этого следовало выбрать еще одну независимую реакцию. Поскольку влияние рН на оценку степени разложения 2,4-динитрофенола пероксидом водорода в присутствии исследуемых образцов не позволило остановиться на том, чтобы использовать ДНФ в качестве субстрата в тестовой реакции, был проведен поиск вещества, образующего раствор, поглощающий свет в видимой области спектра, но не изменяющего свою окраску в диапазоне рН, который соответствует показателю рН растворов исследуемых образцов в равновесном состоянии. Кроме того, было необходимо, чтобы сорбция этого вещества каждым из образцов оказалась пренебрежительно малой. В процессе подбора индикаторов для определения типа и силы активных центров поверхности было отмечено, что среди имеющихся индикаторов один из них таким требованиям соответствовал. При проведении предварительных экспериментов ни один из исследуемых образцов этот индикатор практически не сорбировал, поэтому для определения типа и силы активных центров он не был использован. Но полученные данные о низкой сорбционной способности исследуемых образцов по отношению к этому веществу оказались весьма полезны при подборе субстрата для тестовой реакции определения способности асбестовых минералов стимулировать свободнорадикальный процесс.
В дальнейшем, эксперимент проводился согласно методу окисления 2,4 динитрофенола пероксидом водорода, изложенному выше. Брали определенную навеску минералов, затем подбирали оптимальную концентрацию пероксида водорода и раствора субстрата, т.е. соотвествующего индикатора, которые уже на следующие сутки позволили получить достоверные данные о различии в способности исследуемых образцов стимулировать процесс образования свободных радикалов.
Как и при окислении динитрофенола, был выстроен ряд по способности исследуемых материалов поддерживать радикальный процесс в системе, аналогичной системе Фентона. Он оказался следующим, по мере уменьшения этой способности: крокидолит асбест, хризотил-асбест обработанный водой, хризотил-асбест исходный, хризотил асбест, обработанный гидроксидом кальция, лизардит, сивол, волокна из асбестоцемента.
Необходимо отметить, что при использовании в качестве субстрата данного индикатора образцы сивола и волокон из асбестоцемента не проявили способности поддерживать радикальный процесс. В их присутствии окисления субстрата пероксидом водорода не происходило. Это подтвердило предположение о негативном влиянии рН среды на достоверность результатов окисления 2,4 динитрофенола пероксидом водорода в присутствии сивола.
Таким образом, выбор указанного вещества в качестве субстрата окисления пероксидом водрода в присутствии исследуемых образцов позволил разработать систему для определения свободнорадикальной активности асбестовых минералов, которая не предполагает использование для тестирования биологических объектов. Благодаря этому такая система может быть использована в любой лаборатории занимающейся экологическим мониторингом и не имеющей возможности содержать и работать с животными или другим биологическим материалом, который, требует специальных дорогостоящих условий. Фотоколориметрическое определение концентрации субстрата также является простым и общедоступным методом, и не требует сколько-нибудь значительных материальных затрат.
Проведенные испытания данной тестовой системы показало возможность экспресс определения способности волокнистых материалов оказывать отрицательное влияние на биологические объекты. Результаты экспериментов на образцах с известной биологической активностью оказались адекватны ранее полученным медико биологическим характеристикам данных образцов.
Выводы 1. Выявлена взаимосвязь между физико-химическими характеристиками поверхности волокон хризотил-асбеста и образцов, полученных на его основе и их способностью оказывать отрицательное воздействие на биологические объекты.
2. Установлено, что основной вклад в отрицательное воздействие волокнистых минералов на биологические объекты вносит их способность инициировать образование свободных радикалов. Показано, что генерирование радикалов протекает на поверхности волокон, а окисление субстратов этими радикалами – в объеме. Установлена зависимость интенсивности образования свободных радикалов от отношения массы железа к удельной поверхности исследуемых образцов.
3. Доказано, что воздействие определенных факторов окружающей среды и промышленного производства на волокна хризотил-асбеста приводит к изменению их химического состава, морфологических и структурных характеристик, а также физико-химических параметров их поверхности и изменяет их способность оказывать отрицательное влияние на биологические объекты.
4. Установлено, что под воздействием матрицы портландцементного камня у волокон хризотил-асбеста происходят настолько глубокие изменения химического состава и физико-химических свойств, что это приводит к значительному снижению их способности оказывать отрицательное воздействие на живые организмы и человека.
5. Разработана система экспресс-тестирования волокнистых минералов, в основе которой лежит оценка их способности инициировать образование свободных радикалов.
6. Испытания данной тест-системы подтвердили возможность проводить оценку отрицательного воздействия волокнистых материалов без использования длительных и дорогостоящих экспериментов с подопытными животными.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
1. Везенцев А.И., Гудкова Е.А. О связи биологической активности хризотил-асбеста с физико-химическими свойствами поверхности его волокон// Вестник БГТУ, Белгород.– 2004.– № 8.– Ч. 5.– С. 181 – 183.
2. Пылев Л.Н., Везенцев А.И., Гудкова Е.А. и др. Характеристика биологических свойств волокон хризотил – асбеста, обработанных кислотой// Гигиена и санитария.
–2006.–№4.– С.70 – 73.
3. Гудкова Е.А., Везенцев А.И., Пылев Л.Н., Смирнова О.В. Активные центры сорбции как фактор изменения биологической активности хризотила при модификации поверхности его волокон// Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья», Белгород.– 2006.– С. 73 – 76.
4. Гудкова Е.А. Снижение экологической опасности волокон хризотил-асбеста при изменении физико-химических свойств их поверхности// Доклады Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий», Москва – Тула.–2006.–Ч.2.– С.22 – 23.
5. Пылев Л.Н., Везенцев А.И., Гудкова Е.А. и др. Влияние модификации поверхности волокон хризотила на его биологическую активность// Гигиена и санитария.– 2007.–№2.– С. 77 – 80.
6. Везенцев А.И., Гудкова Е.А., Пылев Л.Н., Смирнова О.В. К вопросу об изменении поверхностных и биологических свойств хризотила в асбестоцементе// Строительные материалы. 2008.–№9. – С. 26 – 27.
Автор выражает искреннюю благодарность: профессору, д.х.н. Лебедевой Ольге Евгеньевне, Белгородский государственный университет;
профессору, д.м.н. Пылеву Льву Николаевичу, НИИ Канцерогенеза РОНЦ им Н.Н. Блохина РАМН;
члену-корреспонденту Российской Академии Медицинских Наук, профессору, д.м.н., Саноцкому Игорю Владимировичу, НИИ Медицины труда РАМН;
доценту, к.х.н. Фионову Александру Викторовичу;
Шамшурову Владимиру Михайловичу.
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук Подписано в печать Объем 1 п.л.
Заказ № Тираж 100 экз.
_ Отпечатано в БелГУ 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85.