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 ГУ¹ 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 01.9.7 000 224, КИНТП Госкомвуза РФ «Синтез металлоорганических соединений и получение высокочистых веществ» № гос. регистрации 01.9.80 003 886, «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, 1995 г. 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 199 899 г.

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.