БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 4, с. 673-680
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 577.32
ДЛИТЕЛЬНАЯ ГЕНЕР АЦИЯ ПЕР ЕКИ СИ ВО ДО Р ОДА В ВОДЕ В ПРИСУТСТВИИ СВЕРХМАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ НЕСИММЕТР ИЧНОГО ДИМЕТИЛГИДРАЗИНА
© 2015 г. В.И. Брусков*, Л.С. Ягужинский**, Ж.К. Масалимов*, А.В. Черников*,
В.И. Емельяненко*, С.В. Гудков* *** ****
*Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290, Пущино Московской области, Институтская ул., 3;
**Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1;
***Институт общей физики им. А .М. Прохорова РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38;
****Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского,
603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 E-mail: bruskov_vi@rambler.ru Поступила в p едакцию 20.05.15 г.
Методом усиленной хемилюминесценции в системе люминол-пара-иодофенол-пероксидаза показана длительная генерация перекиси водорода, катализируемая низкими концентрациями 1,1-диметилгидразина (гептила) - компонента ракетного топлива - в воде, насыщенной воздухом. И сследованы концентрационная зависимость и влияние тепла и света на образование перекиси водорода в воде под воздействием гептила в концентрациях, значительно ниже предельно допустимых концентраций, и рассмотрен возможный физико-химический механизм этого процесса. Предполагается, что в сверхнизких концентрациях гептил связан с нанопу-зырьками воздуха и представляет собой долгоживущий комплекс, осуществляющий катализ образования перекиси водорода под влиянием тепловых и световых воздействий. П редложена новая концепция токсичности гептила в сверхнизких концентрациях, обусловленная нарушением гомеостаза активных форм кислорода в водных растворах, поступающих в организмы человека и животных.
Ключевые слова: несимметричный диметилгидразин (гептил), вода, тепло, свет, молекулярный кислород, активные формы кислорода, перекись водорода.
Несимметр ичный 1,1 -диметилгидр азин
(НДМГ), или гептил, является компонентом топлива, котор ое шир око используется в российской и мировой ракетной технике. П р и запуске ракет происходит неполная выработка НДМГ, что приводит к последующему попаданию его в атмосфер у в виде аэрозолей. Постепенно о седая, аэрозоли распространяются в направлении движения воздушных масс на значительные ра с-стояния [1]. НДМГ является высокотоксичным веществом 1-го класса опасности. Всемирной организацией здравоохранения НДМГ внесен в список особо опасных химических соединений [2,3]. П р облема загр язнения окружающей ср еды компонентами ракетного топлива и безопасности жизнедеятельности населения вблизи космодромов и мест падения отделяющихся частей ракет-носителей является весьма актуальной. В
Сокращения: НДМГ - несимметричный 1,1-диметилгидразин, ПДК - предельно допустимая концентрация.
районах запуска ракет количество НДМГ, попадающее в окружающую среду за счет случайных проливов, оценивается в 300 т/год, общая территория с локальными местами загрязнений достигает 1 млн га [4]. Причем, согласно опубликованным данным [5], в некоторых воронках, обр азовавшихся пр и падении ступеней ракет, концентрация НДМГ даже через год достигает значений, многократно превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК). Медико-социальные и экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей ср еды токсическими компонентами ракетного топлива, рассмотрены в обзоре [2]. Самая большая проблема - это повышение заболеваемости населения, проживающего на обширных территориях, пр илегающих к районам падения отработавших ступеней ракет с о статками топлива. Выявлено существенное превышение различных видов заболеваний у детей разных возрастных групп, по сравнению с контрольным
районом [6]. У взрослых людей наблюдаются нар ушения билирубинового обмена, анемия беременны х, рождение «желтых детей», развитие иммунодефицита и др. Экспериментальные исследования на животных доказывают, что такие патологии связаны с токсическим действием НДМГ [7,8].
Для содержания НДМГ в воде принято значение ПДК, равное 0,3 мкМ [9]. В настоящее время установлен ориентировочно допустимый уровень содержания НДМГ в воде, равный 0,06 мкг/л, т.е. в 300 раз меньшая величина [10]. НДМГ обладает высокой растворимостью в воде, около 1 г/мл [11]. Однако в водных р а створах происходит довольно быстрое окисление НДМГ под действием кислорода воздуха, перекиси водорода с образованием различных продуктов [12,13]. Время полужизни НДМГ при концентрациях в несколько ПДК без каталитического разложения составляет более 24 ч при окислении воздухом и около 10 ч при окислении перекисью водорода [14]. Эффективность окисления НДМГ увеличивается с ростом температуры и при увеличении рН. Среди про -дуктов его деградации содержится супермутаген и канцероген нитрозодиметиламин и ряд других токсичных продуктов [12]. Максимально допустимая концентрация нитрозодиметиламина в воде намного меньше, чем НДМГ, и составляет 1,4-10-9 г/л [15]. Нитрозодиметиламин является устойчивым соединением, способным накапливаться в окружающей среде [16].
В основе токсических свойств НДМГ на молекулярном ур овне лежит его способность к ингибир ованию глутаматдекар боксилазы и ряда других ферментов [17]. Также предполагается, что токсичность НДМГ связана с образованием активных форм кислорода [18]. Образование активных форм кислорода под воздействием НДМГ в биологических системах может приводить к развитию окислительного стресса с отдаленными патологическими последствиями [1,4,19].
Данная работа посвящена исследованию длительной генерации перекиси водорода, катализируемой низкими концентрациями НДМГ в воде, насыщенной воздухом. Рассмотр ен возможный физико-химический механизм этого процесса. П редложена новая концепция токсичности гептила в сверхнизких концентрациях, обусловленной катализом образования перекиси водорода в микро-нано-пузырьках воздуха в воде, поступающей в организмы человека и животных.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Материалы. В работе использовали перекись водорода, пероксидазу xp ена, трис(гидро -ксиметил)аминометан (Sigma, США), 4-йодофе-нол (Aldrkh, США), люминол (АррНСЬет, Германия), 1,1-диметилгидразин (Экон, Россия). Применяли ранее принятую предельно допустимую концентрацию НДМГ в воде, равную 18 мкг/л (0,3 мкМ) [9]. Была использована насыщенная в течение суток атмосфер ным воздухом бидистиллированная вода с удельной электропроводностью 120 мкСм/м и рН 5,6. Концентрация молекулярного кислор ода в воде со -ставляла 270 мкМ.
Воздействие видимого света и тепла. В качестве источника искусственного света использовали электролампу накаливания Сот1есЬ (Сот1есЬ, Украина) мощностью 100 Вт (световой поток ~1500 лм). Облучение воды (10 мл) проводили в полипропиленовых флаконах (Весктап, С ША) объемом 20 мл в темноте при комнатной температуре (20-22°С). Определение спектр альных характеристик световых потоков осуществляли с помощью автоматизированного спектр ометрического комплекса МДР-41 (ОКБ «Спектр», Россия) в диапазоне от 200 до 1000 нм. Определение энергетических характеристик световых потоков проводили с помощью пир анометра СМР-3 (Клрр & Zonen, Нидерланды), обладающего постоянной спектральной чувствительностью в диапазоне от 310 до 2800 нм.
Образцы нагревали в термостате ВТ20-21 (Тегтех, Россия) пр и р азных температурах (с точностью до ± 0,1 °С) в течение различных промежутков времени.
Определение концентрации перекиси водорода. Концентрацию перекиси водорода в воде определяли методом усиленной хемилюминес-ценции в системе люминол-4-йодофенол-перок-сидаза хрена [20,21]. В качестве хемилюмино-метра использовали жидкостный сцинтилляци-онный счетчик «Бета-1» (МедАппаратура, Украина) для измерения ß-излучения, работающий в режиме счета одиночных фотонов (без схемы совпадений) [22]. Непосредственно перед измерением содержания Н2О2 к образцам добавляли по 0,5 мл «счетного раствора», содержащего 10 мМ трис-HС1-буфера (рН 8,5), 50 мкМ 4-йодфенола, 50 мкМ люминола и пероксидазу хр ена [23]. Н 2О2, образующуюся в растворах с низкими концентрациями НДМГ под влиянием тепловых и световых воздействий, определяли используя калибровочные графики зависимости интенсивности хемилюминесценции образцов от содержания добавленной перекиси водор ода
известной концентр ации [24]. И сходную концентр ацию Н 2О 2, используемую для калибр ов-ки, измер яли спектр офотометр ически пр и длине волны 240 нм с коэффициентом моляр ного поглощения 43,6 М-1см-1 [25]. Чувствительность метода позволяет определять Н2О2 в концентр ации 0,1 нМ [26].
Р ЕЗУЛЬТАТЫ
Влияние НДМГ на генерацию Н202 в дистиллированной воде под действием тепла. Влияние НДМГ в различных концентр ациях на обр азование пер екиси водо р ода в бидистиллир о -ванной воде пр и темпер атур е 40°С пр ед ставлено на рис. 1. Видно, что существует опр еделенный диапазон сверхнизких концентраций гептила, при которых наблюдается максимальная генерация перекиси водорода в воде. Концентрация гептила ~0,3 мкМ (1 ПДК) пр и данных условиях нагревания приводит приблизительно к четы-р ехкр атному увеличению эффективно сти обр а -зования Н2О2 в воде по сравнению с образцами, не содер жащими НДМГ. Наиболее интенсивная генер ация Н 2О 2 наблюдается пр и концентр ациях НДМГ на два-три порядка меньших, чем ПДК. В этом случае пр оисходит пр имер но десятикратное увеличение образования перекиси водор ода по ср авнению с контр олем. Пр и уменьшении концентр ации НДМГ на четыр е порядка относительно ПДК наблюдается дву-кр атное увеличение пр одукции пер екиси водо -р ода. Аналогичные результаты были получены и в случае растворения НДМГ в фосфатном буфер е (р Н 7,4; 1 мМ) и в р аствор ах, содержащих хлор ид, гидр окар бонат или нитр ат натр ия (1 мМ).
Известно, что на воду, находящуюся во всех экосистемах, постоянно действуют два физических фактор а: тепло и свет. Кр оме того, у гомойотермных животных тепло является по-стояннодействующим фактором внутренней ср еды о р ганизма. Поскольку воздействие видимого света, нар яду с теплом, пр иводит к генерации Н2О2 [27], далее была исследова
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.