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.

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 ком-плексообразователе [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].

Список литературы

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 пьезогравимет-рии: 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 51301-99. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). — М., 1999.
35. ГОСТ Р 51962-2002. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания мышьяка. — М., 2002.