Химико-токсикологический анализ пестицидов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Фармацевтический факультет

Кафедра аналитической химии

Реферат

Химико-токсикологический анализ пестицидов

Обучающаяся:

Мариненко В. И.

4 курс 5 группа

Руководитель: Иванова Н. А.

Воронеж 2018



Содержание

Введение

1. История открытия пестицидов

2. Токсикологическое значение

3. Классификация

4. Токсическое действие

5. Токсикокинетика

6. Изолирование из биологических объектов

7. Анализ фосфорорганических соединений

8. Анализ хлорорганических соединений

Заключение

Список литературы



Введение

Пестициды - химические средства, применяемые в сельском хозяйстве для защиты растений от различных видов вредных организмов и сорняков, а также в гигиене людей и животных.

Потенциальная опасность для живой природы и людей, непредотвратимость циркуляции пестицидов в биосфере и в связи с этим контакт большого количества людей с ним отличают пестициды от прочих химических веществ, используемых человеком. Доступны и широко используются тысячи пестицидов. Большие запасы устаревших пестицидов, которые перестали выпускаться в промышленном масштабе, хранятся на складах и их продолжают применять. Для окружающей среды, человека и животных пестициды, несомненно, представляют опасность.

Актуальность работы заключается в том, что на сегодняшний день возрастает доступность сильнодействующих препаратов, в результате которых возможны отравления, не редко заканчивающиеся летальным исходом. Сегодня практически каждый человек ежедневно сталкивается с ядовитыми и отравляющими веществами, не осознавая порой той опасности, которую они представляют для его жизни.

Цель работы: на основе теоретического анализа раскрыть токсикологические характеристики пестицидов и особенности их химико-токсикологического анализа.

Задачи:

1. Изучить характеристики пестицидов, их токсическое действие на живые организмы;

2. Подобрать способ изолирования веществ из биологических объектов и методики проведения предварительного и подтверждающего анализа на пестициды.



1. История открытия пестицидов

Пестициды - общее название всех химических соединений, которые применяются в сельском хозяйстве для защиты культурных растений от вредных организмов (англ pestis - паразиты, cide - уничтожать). Главной их сферой применения является растениеводство.

Потребность в веществах, которые могут быть использованы для отпугивания вредных насекомых и уничтожения возбудителей болезней растений, появилась вместе с зарождением сельского хозяйства. Уже в трудах древнегреческих философов можно найти первые упоминания о применении и эффективности подобных средств.

В конце 18 века появились труды, в которых содержится более подробная информация об использовании химических веществ в сельском хозяйстве. В основном рекомендации касаются применения препаратов, полученных из ядовитых растений. В это время для протравливания семян стали использовать такие вещества, как медь, а также такие ядохимикаты как ртуть, мышьяк. Эти препараты есть ни что иное как пестициды первого поколения.

В 1939 году химик из Швейцарии П. Мюллер впервые вывел хлорорганические пестициды, основное назначение которого состояло в уничтожении насекомых, являющихся переносчиками таких заболеваний, как малярия, тиф и других, опасных для здоровья человека. За свое открытие ученый получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.

Второе поколение пестицидов - это хлорорганические, фосфорорганические соединения, карбаматы. С одной стороны, применение этих пестицидов и их эффективность для защиты растений была не раз доказана на практике. Но со временем обнаружилось и негативное воздействие хлорорганических пестицидов на окружающую среду. На их полное разложение могут уйти десятилетия, они не растворяются в воде. В некоторых странах использование данных препаратов в настоящее время запрещено.

Химические вещества и пестициды нового поколения начали получать из природного материала или заменять его синтетическим аналогом. Их основным преимуществом является то, что у вредителей медленнее вырабатывается устойчивость к используемым препаратам. Также они менее вредны для окружающей среды. В третье поколение пестицидов вошли синтетические пиретроиды (вещества, входящие в состав пиретрума и ромашки), комбинированные препараты и пр. Кроме того, появились химические средства защиты, направленные на борьбу с клещами, грызунами и другими вредителями.

2. Токсикологическое значение пестицидов

Пестициды проявляют высокую физиологическую активность не только в отношении вредных организмов, но многие из них обладают высокой токсичностью для людей и животных.

По сравнению с химическими веществами другого назначения пестициды имеют ряд особенностей, определяющих их опасность для человека и живой природы. Это преднамеренность их внесения в окружающую среду, непредотвратимость циркуляции в ней, возможность контакта с ними больших масс населения, высокая биологическая активность, направленная на уничтожение вредных живых объектов.

Критериями токсичности пестицидов являются величины токсических и смертельных доз при разных путях поступления в организм - через кожу, легкие или желудочно-кишечный тракт. Помимо острой токсичности пестицидов особенно большие требования предъявляются к возможным отдаленным последствиям для человека, животных и прочей биоты, так как при обработке растений 99, 0-99, 9% вносимых пестицидов попадают в почву, водоемы, атмосферу и в конечном результате - в сельскохозяйственное сырье. Многие вещества, будучи малотоксичными, опасны в связи с возможностью мутагенного, тератогенного и канцерогенного действия при влиянии на организм в небольших количествах, близких к реально встречающимся. Они могут оказывать токсическое действие на плод, не принося вреда организму матери и, выделяясь с молоком, затем отрицательно влиять на рост и развитие младенца. Опасность пестицидов для человека определяют рядом критериев, характеризующих возможность поступления в организм и способность оказывать неблагоприятное воздействие. К критериям опасности относят их устойчивость в окружающей среде, стойкость к химическим, физическим и прочим факторам.

Степень опасности при работе с пестицидами определяется величинами среднесмертельной (ЛД50) и пороговой - вызывающей минимальные нарушения - доз и концентраций при разных путях поступления в организм; зоной токсического действия (отношением ЛД50 к пороговой дозе; чем эта зона уже, тем больше опасность острого отравления), способностью проникать через неповрежденные кожные покровы и оказывать токсическое действие, наличием и выраженностью кумулятивных свойств.

3. Классификация пестицидов

В соответствии с химической классификацией пестициды делят на 3 класса.

I. Неорганические соединения - соединения меди, мышьяка (арсениты и арсенаты);

II. Органические соединения (синтезированные и природного происхождения);

III. Металлоорганические соединения (органические соединения ртути и олова).

Представители одного и того же класса, имея сходное химическое строение, могут иметь разнонаправленное действие, обладать иными токсическими свойствами.

На заре применения химических веществ для защиты растений (20-е годы XIX столетия) в число пестицидов входили главным образом вещества неорганической природы, такие, как хлорид двухвалентной ртути, так называемая швейнфуртская зелень, соли меди, сера, серная кислота и ее производные, соли хлорноватой кислоты и многие другие.

Таблица 1 Некоторые представители неорганических пестицидов

Соединения меди	§ медный купорос - СuS04 * 5Н2О § бордосcкая жидкость - ЗСа(ОН)2 * СuSО4
Соединения мышьяка	§ мышьяковистый ангидрид - Аs2Oз § кальция арсенит - Са(АsO2)2 § парижская (швейнфуртская) зелень - Сu(СН3СОО)2 * ЗСu(AsO2)2
Соединения фосфора	§ цинка фосфид - Zn3Р2
Соли галогенсодержащих кислот	§ натрия и калия хлораты - NаСlOз, КСlOз § магния и кальция хлораты - Мg(СlOз)2, Са(СlOз)2 § натрия фторид и кислота кремнефтороводородная - NaF, Н2SiF6

Крупными недостатками почти всех неорганических пестицидов являются высокая дозировка, отсутствие избирательности действия, стойкость во внешней среде (природе) и потенциальная опасность отравления ими человека, полезных насекомых и животных. Поэтому, начиная с 40-50-х годов текущего столетия, пестициды неорганической природы начинают постепенно вытесняться высокоактивными органическими соединениями (ДДТ, гексахлоран, тиофос и др.)

Органические синтетические пестициды - самый многочисленный класс, которые подразделяются на классы и подклассы [3].



Таблица 2 Классы и подклассы некоторых органических пестицидов

Классы	Подклассы
Галогенсодержащие углеводороды	ДДТ и его аналоги, ГХЦГ, гептахлор.
Амины и соли четвертичных амминиевых оснований	Дикват, паракват.
Органические соединения фосфора (фосфорорганические препараты - ФОП или фосфорорганические соединения - ФОС)	Метафос, хлорофос, карбафос, фоксим.
Кетоны, спирты, нитрофенолы	Динитрокрезол - ДНОК, нитрофен.
Алифатические, ароматические, ациклические кислоты и их производные	Перметрин, дельтаметриф, фенвалерат.
Арилоксиалканкарбоновые кислоты и их производные	2, 4-дихлорфеноксиуксусная кислота.
Производные карбаминовой, тио- и дитиокарбаминовых кислот	Карбарил.

Обладая выраженной биологической активностью, пестициды могут оказывать токсическое действие на организм животных и человека, что приводит к нарушению работоспособности человека, заболеванию и даже смерти.

Различные классы пестицидов обладают в большей или меньшей степени иммунотоксичностью, эмбриотоксичностью, гепатотоксичностью и другими видами токсичности.

Токсичность пестицидов при введении в желудок крысам позволяет разделить их на 4 группы.

Таблица 3. Классификация пестицидов по токсичности

Класс	DL50, мг/кг
Особо токсичные	До 50
Высокотоксичные	50-200
Средней токсичности	200-1000
Малотоксичные	> 1000

Эта классификация носит условный характер. При оценке токсичности того или иного вещества, в том числе и пестицида, необходимо, кроме дозы вещества, учитывать его физико-химические свойства, например, способность вещества растворяться в жирах, летучесть и др. физико-химические свойства веществ. С токсичностью тесно связана персистентность вещества, его кумулятивные свойства, способность выделяться организмом (например, ДДТ с молоком), метаболизм.

Классификация пестицидов по способу воздействия на живой организм и растения

· Контактные, которые непосредственно оказывают влияние при соприкосновении с поверхностью объекта.

· Кишечные, оказывают губительное воздействие при попадании внутрь организма вместе с пищевыми продуктами.

· Системные, способны проникать в растения, перемещаться в их тканях и вызывать гибель вредного организма (сорного растения, возбудителя болезни, вредителя) в результате питания.

· Фумигативного воздействия, оказывает губительное воздействие проникая в организм через дыхательные пути.

Причинами острых отравлений пестицидами являются небрежное хранение и транспортировка их с нарушением инструкций, неправильное разбрасывание химических средств борьбы с грызунами, несоблюдение сроков обработки пестицидами [4].

4. Токсическое действие

Токсическое действие ФОС является следствием угнетения активности фермента ацетилхолинэстеразы, который отвечает за разрушение и прекращение биологической активности медиатора ацетилхолина. Реакция между фософрорганическим эфиром и активным центром фермента ацетилхолинэстеразы (гидроксильная группа серина) приводит к формированию устойчивого и нереакционноспособного ингибированного фермента ФОС-ацетилхолинэстеразы, происходит блокирование передачи нервных импульсов вследствие недоступности фермента для молекул эндогенного нейромедиатора. Органические эфиры фосфорной кислоты конкурируют с истинным субстратом за активный центр благодаря сходству их химической и пространственной структур.

При ингибировании ацетилхолинэсгеразы определенными веществами ацетилхолин не может расщепляться, мышечные клетки остаются в состоянии сокращения, а нервные клетки - в состоянии возбуждения. Однако последующие нервные импульсы продолжают высвобождать ацетилхолин, в результате чего наступают смертельные судороги и паралич.

Наблюдается стойкий нейротоксический эффект, нарушаются нервно-психические и нервно-мышечные функции, что может вызывать желудочно-кишечные расстройства, заболевания сердечно-сосудистой системы и др. Эти нарушения могут сохраняться и развиваться 5-10 лет.

Рисунок 1Производные фосфорорганических соединений



Рисунок 2 Производные фосфорорганических соединений

ХОП - яды политропного действия с преимущественным поражением

ЦНС и паренхиматозных органов, в частности, печени. Наряду с этим имеет место нарушение эндокринной системы, крови, почек. Острое отравление про является следующей картиной: повышенная возбудимость, слюноотделение, нарушение координации движений и ритма дыхания, тремор, судороги клонического и тонического типов. Смерть наступает от паралича дыхательного центра. При поступлении через дыхательные пути вызывают раздражение конъюнктивы, слизистых оболочек носа, бронхов [4].

Рисунок 3.Производные хлорорганических производных



5. Токсикокинетика

Всасывание инсектицидов, происходит через пищеварительный тракт и дыхательные пути, а также возможно через кожу (ГХГ и родственные препараты всасываются в большей степени, чем ДДТ и аналоги). Всасывание ускоряется растворителями, поверхностно-активными добавками или липоидами (например, после обильного приема жирной пищи, молока, касторового масла).

Выведение из организма (отчасти после накопления в подкожном жировом слое) осуществляется очень медленно посредством разложения, а также главным образом через почки и кишечник (остатки яда удаляются только через месяцы). Имеется опасность кумуляции.

Пиретрум и ротенон вызывают главным образом местное раздражение, для хлористых углеводородов характерно резорбтивное действие, которое проявляется в основном судорогами центрального происхождения и повреждением клеток ЦНС, печени, почек, а также эндокринных желез.

ФОП легко всасываются через кожу, попадают в организм через желудочно-кишечный тракт и дыхательную систему. Плохо проникают через гематоэнцефалический барьер, поэтому концентрация в мозге меньше, чем в других тканях. Биотрансформация ФОП происходит путем окисления и гидролиза при действии эстераз, что приводит к образованию продуктов различной токсичности. ФОП и их метаболиты выводятся в виде глюкуронидов с мочой и калом. Степень и время эффекта зависят от природы ФОП. Нейротоксичная активность ряда ФОП может изменяться в результате биотрансформации.

На всасывание и воздействие оказывают значительное влияние растворители, токсическое действие которых может превалировать.



6. Изолирование из биологических объектов

Изолирование пестицидов из биологических материалов различными органическими растворителями без подщелачивания и подкисления: пентан, н-гексан, гептан, эфир, хлороформ, четыреххлористый углерод и др.

Методы очистки пестицидов, выделенных из биологических объектов, чрезвычайно разнообразны. Имеет место очистка перегонкой с водяным паром, экстракцией, кристаллизацией, окислением - восстановлением и т. п. В настоящее время все шире и шире применяются в целях очистки и разделения хроматографические методы, в частности тонкослойная хроматография и газовая хроматография [7].

Методика изолирования из биологического материала

Биологический материал в количестве 15 г измельчают, помещают в колбу емкостью 250--300 мл с притертой пробкой, заливают трехкратным количеством (40 мл) смеси ацетона, этанола, воды (в соотношении 2:2:1), перемешивают, подкисляют кристаллической щавелевой кислотой до рН 4, 5 по универсальному индикатору (~ 0, 5 г щавелевой кислоты) и однократно настаивают при комнатной температуре 4 часа при периодическом взбалтывании через 15--20 мин или 2 часа при непрерывном перемешивании. После настаивания надосадочную жидкость отфильтровывают через бумажный фильтр в фарфоровую чашку и упаривают на водяной бане вдвое. Остаток переносят в делительную воронку, добавляют 15 мл хлороформа, 30 мл 25 % раствора хлорида натрия, содержимое воронки встряхивают 5 мин. После отстаивания хлороформный слой сливают в колбу емкостью 100--150 мл, а оставшуюся в делительной воронке жидкость еще дважды экстрагируют, добавляя по 10 мл хлороформа. Объединенные хлороформные извлечения обесцвечивают активированным углем и фильтруют через бумажный фильтр с безводным сульфатом натрия в сухую фарфоровую чашку, упаривают до объема 2 мл и исследуют.



Рисунок 4. Схема изолирования из биологического материала

7. Анализ фосфорорганических соединений

Тонкослойная хроматография в анализе ФОП

Метод ТСХ используется для очистки и разделения ФОП, идентификации и ориентировочного количественного определения.

Для хроматографирования используют пластины «Silufol», либо стеклянные пластины с силикагелем, фиксированным гипсом. Хроматограммы развивают в одной из систем растворителей: 1. гексан-ацетон 4:1; 2. бензол.

Предварительные исследования на фосфорорганические соединения:

a) обнаружение фосфора. Чтобы определить наличие фосфора в соединениях, их подвергают минерализации, т. е. переводят органически связанный фосфор в фосфат-ион. Для этой цели используют различные окислители: бром, персульфат аммония, перекись водорода, смесь хлорной и хлористоводородной кислот, смесь серной и азотной кислот и др. Затем в минерализате фосфат-ион обнаруживают с помощью соответствующих реакций;

б) обнаружение фосфат-иона. В пробирку вносят 3--5 капель минерализата и прибавляют 5 капель раствора молибдата аммония. Смесь подкисляют 10 % раствором азотной кислоты. Появляется желтое окрашивание. К полученному раствору прибавляют 3--5 капель насыщенного водного раствора гидрохлорида бензидина, затем прибавляют 10 % раствор гидроксида аммония до щелочной реакции (по лакмусу). Появляется синее окрашивание.

в) холинэстеразная проба. Является общей для обнаружения большинства фосфорсодержащих органических ядохимикатов, которые понижают активность ацетилхолинэстеразы.



Рисунок 5 Холинэстеразная проба

Берут две фарфоровые чашки. В одну вносят 1 каплю исследуемого хлороформного извлечения, выпаривают досуха. К сухому остатку прибавляют 2-3 капли воды, 1 каплю индикаторной смеси и через 10 мин 1 каплю 0, 4 % раствора ацетилхолина. Окраска раствора не изменяется. Во вторую чашку (контроль) вносят 1 каплю индикаторной смеси и 1 каплю раствора ацетилхолина. Через несколько минут синяя окраска раствора переходит в желтую. Изменение окраски жидкости во второй чашке и отсутствие изменения окраски в первой чашке указывает на наличие ФОС в исследуемом объекте.

Индикаторная смесь: к 5 мл лошадиной сыворотки прибавляют 15 мл воды, 0, 5 мл 0, 1 моль/л раствора гидроксида натрия и 1, 25 мл 0, 6 % раствора бромтимолового синего в 0, 1 моль/л растворе гидроксида натрия [8].

Подтверждающий анализ фосфорорганических пестицидов

1. Метод ГЖХ. Анализ проводится по высоте или площади пика. Метод обладает высокой чувствительностью, поэтому широко и успешно применяется для обнаружения и количественного определения микро количеств пестицидов. Применение метода может ограничиваться низкой летучестью и термической нестабильностью некоторых пестицидов.

Исследование проводят на капиллярных колонках с различающимися по полярности неподвижными жидкими фазами. Выбор неподвижной жидкой фазы требует индивидуального подхода для решения конкретной задачи.

2. Фотоколориметрический метод. Основан на минерализации ФОС с помощью серной и азотной кислот. Определенный объем извлечения из объекта помещают в колбу, добавляя 3 мл конц. HCl, 10 мл конц. HNO_3. Смесь нагревают до просветления жидкости и появления белых паров. Минерализат охлаждают и доводят до определенного объема водой. К части раствора прибавляют молибдат аммония и бензидин. Регистрируют величину оптической плотности окрашенного раствора. Расфет ФОС ведут по калибровочному графику [10].

8. Анализ хлорорганических соединений

Изолирование ХОС из биологических тканей проводят неполярными или малополярными растворителями - бензол, гексан, ацетон и др. Особенностью очистки при извлечении ХОС является то, что гексановое извлечение или сухой остаток после упаривания извлекателя обрабатывают концентрированной серной кислотой для разрушения эндогенных веществ (липидов и др. неполярных компонентов). При этом ХОС не разрушаются и после нейтрализации извлечения их определяют методами ТСХ и ГЖХ.

Разделение ХОС в тонких слоях силикагеля проводят с использованием малополярных элюентов (гексан-ацетон (4:1), гексан-бензол и другие). Проявление пятен проводят аммиачным раствором AgNO3.

Наиболее чувствительным и селективным методом определения ХОС является ГЖХ с ДЭЗ. Разделение проводится на малополярных силиконовых фазах - OV-17, режеSE-30, причем как на насадочных колонках (длина 1-2 метра), так и на более эффективных капиллярных колонках длиной до 50 метров. Поскольку ХОС имеют различные свойства (летучесть, число атомов галогена), то чаще всего при их разделении используется режим программирования температуры (от 150 до 250С). Высокая чувствительность ГЖХ с ДЭЗ, однако, может приводить к появлению ложноположительных результатов (т.е. могут обнаруживаться пики-артефакты из-за недостаточной чистоты реактивов, посуды, хроматографического шприца и т.д.) [11].



Заключение

В целях предупреждения отравлений пестицидами врачами-гигиенистами при участии врачей-токсикологов, химиков и других специалистов разрабатываются инструкции по применению, хранению и транспортировке пестицидов; устанавливаются допустимые нормы содержания пестицидов в различных пищевых продуктах; регламентируются сроки обработки пестицидами сельскохозяйственных культур.

В профилактике отравлений пестицидами большое значение приобретает разработка методов химико-токсикологического анализа различного рода пищевых продуктов, различных других биологических материалов (моча, кровь и др.) для обнаружения и определения в них пестицидов, определения остаточных количеств пестицидов.

Достаточно изучены фармако-токсикокинетические характеристики,

токсикология, физико-химические свойства наиболее распространенных пестицидов из различных групп и их метаболитов. Такая информация может позволять методологически правильно построить проведение химико-токсикологического анализа на всех его стадиях, сделать научно обоснованный выбор объекта анализа, его размерности, соответствующей пробоподготовки, выбрать предварительные и подтверждающие методы анализа и правильно интерпретировать полученные данные.

пестицид токсикологический биологический



Список литературы

1. Малковой Т.Л., Кокшарова Н.В., Метелева Е.В. Учебное пособие для студентов очного и заочного факультетов, факультета иностранных граждан и практических работников. - Перьм. - 2005, 99 -117 с.

2. Швайкова М. Д. Токсикологическая химия. - М.: Медицина, 1975. - 376 с.

3. Артамонова В.Г. Неотложная помощь при профессиональных интоксикациях, 1981 г. - 192 с.

4. Плетенева Т.В., Саломатин Е.М., Сыроешкин А.В., Бархударов P.M. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2005. - 512 с.

5. Туркевич Б.М. Анализ ядохимикатов. - М.: Химия, 1978. - 263 с.

6. Мельников Н.Н., Новожилов К.В., Пылова Т.Н. Химические средства защиты растений (пестициды). Справочник: - М.: Химия, 1980. -288 с.

7. Калетина Н.И. Токсикологическая химия. Метаболизм и анализ токсикантов. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. -1008 с.

8. Серко С.А. Наличие остаточных количеств фосфорорганических пестицидов. Л., 1987. - 35 с.

9. Белова А.В. Руководство к практическим занятиям по токсикологической химии. - М.: Медицина, 1976. - 232 с.

10. Крамаренко В.Ф. Токсикологическая химия. - Киев: Вища школа, 1989. -447 с.

11. Крамаренко В.Ф., Туркевич Б.М. Анализ ядохимикатов. - М.: Химия, 1978. - 264 с.

Размещено на Allbest.ru

...