Оценка взаимосвязи свойств химических соединений и их токсичности для единого гигиенического нормирования химических веществ

параметром для оценки структурно-энергетических состояний воды и ее биологической активности.

Вода, подвергнутая физической обработке, приобретает новые свойства, оказывающие влияние на происходящие в ней кооперативные процессы, включая конденсацию электронов и образование АФК, распад данных соединений с переконденсацией электронов, изменение макрофизических свойств воды и связанную с этими процессами биологическую активность воды.

Таким образом, электрон-донорная способность воды и, соответственно, ее биокаталитическая активность определяются концентрацией супероксидного и перок-сидного ион-радикалов. Однако основным соединением, отражающим электрон-донорную способность воды, предназначенной для питьевых целей и подлежащей хранению, является пероксид ион-радикал, максимальная концентрация которого в отсутствие свободномолекулярной перекиси водорода не превышает 48 мкг/л.

Литер атура

1. Бауэр Э. Теоретическая биология. М.; 2004.

2. Вода - космическое явление: кооперативные свойства и биологическая активность / Под ред. Ю.А. Рахманина, В.К. Кондратова. М.: РАЕН; 2002.

3. Стехин А.А., Яковлева Г.В. Структурированная вода: нелинейные эффекты. М.: Изд. ЛКИ; 2008.

4. Фаращук Н.Ф., Рахманин Ю.А. Вода - структурная основа адаптации. М.-Смоленск: РАМН; 2004.

5. DelGiudiceE., Preparata G. Coherent dynamics of water as possible explanation of membrane formation. J. Biol. Phys. 1994; 20: 105-16.

6. Del Giudice E., Fleischmann M., Preparata G. On the unreasonable effects of ELF magnetic field upon a systems of ions. Bioelectromagnetics. 2002; 23: 522-30.

References

1. Baujer Je. Theoretical biology. Moscow; 2004. (in Russian).

2. Water - a cosmic phenomenon: cooperative properties and biological activity / Eds. Yu.A. Rakhmanin, V.K. Kondratov. Moscow: Academy of Natural Sciences; 2002. (in Russian).

3. StekhinA.A., Yakovleva G.V. Structured water: nonlinear effects. Moscow: Ed. LCI; 2008. (in Russian).

4. Farashhuk N.F., Rakhmanin Ju.A. Water - the structural basis of adaptation. Moscow-Smolensk: RAMC; 2004. (in Russian).

5. Del Giudice E., Preparata G. Coherent dynamics of water as possible explanation of membrane formation. J. Biol. Phys. 1994; 20. 105-16.

6. Del Giudice E., Fleischmann M, Preparata G. On the unreasonable effects of ELF magnetic field upon a systems of ions. Bioelectromagnetics. 2002; 23: 522-30.

Поступила 06.09.11

© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2013 УДК 613.63-092.9:519.24

В.Ф. Трушков, К.А. Перминов, В.В. Сапожникова, О.Л. Игнатова

ОЦЕНКА ВЗАИМОСВЯЗИ СВОЙСТВ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И ИХ

токсичности для единого гигиенического нормирования химических веществ

ГБОУ ВПО Кировская ГМА Минздрава России, 610027, Киров

При выполнении исследований определена связь термодинамических свойств и параметров токсичности химических веществ. Полученные данные использованы для оценки токсичности и гигиенического нормирования химических соединений. Установлена связь энтальпии и токсичности химических соединений. При выполнении исследований проводилось ортогональное планирование эксперимента. Представлено уравнение единого гигиенического нормирования химических веществ при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм. Представлены перспективы определения токсичности и методология единого гигиенического нормирования химических веществ при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм.

Ключевые слова: производство; излучение; воздействие; токсичность; опасность; норма

V.F. Trushkov, K.A. Perminov, VVSapozhnikova, O.L. Ignatova. — ASSESSMENT OF THE RELATIONSHIP OF PROPERTIES OF CHEMICAL COMPOUNDS AND THEIR TOXICITY TO A UNIFIED HYGIENIC STANDARDIZATION FOR CHEMICALS

State Educational Institution of Higher Professional Education "Kirov State Medical Academy" of the Ministry of Health, 640976, Kirov, Russian Federation

The connection of thermodynamic properties and parameters of toxicity of chemical substances was determined. Obtained data are usedfor the evaluation of toxicity and hygienic rate setting of chemical compounds. The relationship between enthalpy and toxicity of chemical compounds has been established. Orthogonal planning of the experiment was carried out in the course of the investigations. Equation of unified hygienic rate setting in combined, complex, conjunct influence on the organism is presented. Prospects of determination of toxicity and methodology of unified hygienic rate setting in combined, complex, conjunct influence on the organism are presented.

Key words: enterprise, irradiation, influence, toxicity, danger, norm.

Трушков Виктор Федорович (Trushkov Viktor Fedorovich), e-mail: trushkov@kirovgma.ru.

87

[гиена и санитария 2/2013

В настоящее время немногочисленными исследованиями отмечена зависимость биологической активности химических соединений от строения и состава их молекул, наличия и вида заместителей, типа и кратности химической связи. Представлен расчетный способ установления предельно допустимых концентраций органических веществ в воздухе рабочей зоны [2]. Изложены методические подходы определения некоторых параметров токсикометрии расчетным путем [3]. Излагаются расчетные методы определения ориентировочных гигиенических нормативов в объектах окружающей среды [4, 5]. Проведен учет ряда физико-химических свойств в характеристике токсичности углеводородов [6]. Имеется ряд работ, характеризующих экспрессное определение токсичности и гигиенических нормативов химических веществ на основе термодинамических свойств [7, 10]. В настоящей работе на основе анализа результатов среднесмертельных доз (ЛД50), среднесмертельных концентраций (ЛК50), порогов острого действия (Limac) и сопоставления их с данными энтальпии делается вывод о возможности корреляции между биологической активностью веществ и их термодинамическими характеристиками. При этом данные токсикологических исследований на животных, пороги острого действия, показатели термодинамических свойств веществ, материалы исследований у работающих в условиях производства положены в основу единого гигиенического нормирования химических соединений при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм [9]. Задачей исследований явилось определение связи энтальпии и гигиенического нормирования химических веществ.

Материалы и методы

С целью единого гигиенического нормирования проведены многочисленные серии токсикологических исследований на лабораторных животных разнообразных химических веществ, их парных сочетаний (А+В) в остром, подостром экспериментах ингаляционно, пер-кутанно в условиях дополнительного влияния физического фактора - ультрафиолетового излучения, проведен учет биологического эффекта при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм.

При постановке экспериментальных исследований и оценке полученных результатов в проводимой работе наряду с использованием метода ортогонального планирования факторного эксперимента вводились дробные реплики, насыщенные факторные планы, учитывались материалы планирования эксперимента на диаграммах «состав - свойство» [1, 8]; использовались метод Гаусса, а также методики его усовершенствования - импульсный, полиномиальный методы [11].

В проводимой работе при анализе 108 веществ для определения взаимосвязи токсичности веществ и термодинамических свойств (энтальпии) использовался метод токсикологических поправок, включающий строгую последовательность: определение исходных веществ в гомологических рядах соединений; введение поправок на замещение атомов водорода группами СН3 с учетом типовых чисел атомов углерода; введение поправок на двойные и тройные связи; введение поправок на группы-заместители.

Результаты и обсуждение

В ходе исследований определены:

Зависимость № 1 - особо ядовитые вещества - описывает свойства веществ в которых, в качестве конце-

вых групп содержатся группы NH2, N02, С1 (одна или несколько), амины жирного ряда с небольшим числом углеродных атомов. Кроме того описываются свойства веществ, в которых гидроксильная группа присоединена непосредственно к радикалу - углеводородному, фенильному и др. Высокая токсичность этих соединений определяется высоким полярным эффектом указанных групп.

Зависимость № 2 - сильноядовитые вещества - описывает свойства амидов, кетонов, спиртов, нафталинпроизводных, а также сложных эфиров, аминов и эфиров с большими радикалами и веществ, у которых кислотная, альдегидная, органическая полярная (актриловая или иная подобная) группа присоединена непосредственно к метильному, фенильному или иному подобному радикалу. Полярный эффект в этой группе выражен слабее, чем в первой.

Зависимость № 3 - среднеядовитые вещества - описывает свойства бензола, толуола, альдегидов, кислот с большими радикалами, производных этиленгликоля, метакриловой кислоты и др. Здесь влияние полярного эффекта еще слабее - в основном за счет больших радикалов.

Зависимость № 4 - малоядовитые вещества - описывает свойства диоксидов, высших спиртов, фреонов, а также производных - себациновой и других тяжелых органических кислот. В этих веществах полярный эффект почти незаметен при наличии больших радикалов. В этих веществах полярный эффект почти отсутствует при наличии больших радикалов.

Зависимость среднесмертельной токсичности при поступлении веществ пероральным путем. ЛД50 = а(ДН)2 + вДН + с

Значение коэффициентов а, в, с.

Зависимость а в с

1 6,8683 • -10-5 4,4738 • -10-3 4,8705 • -10-1

2 2,0990 • -10-4 2,5188 • -10-2 1,7432

3 2,9783 • -10-4 3,5364 • -10-2 4,7830

4 7,3880 • -10-5 -3,5335 • -10-3 8,7014

Зависимость среднесмертельной токсичности при поступлении веществ ингаляционным путем. ЛК = а(ДН)2 + в(ДН) + с

Значение коэффициентов а, в , с.

Зависимость а в с

1 1,7652 • -10-3 2,0971 • -10-2 0,1021

2 6,8509 • -10-3 -6,3052 • -10-1 12,3121

3 1,0732 • -10-3 2,4060 • -10-1 59,8154

Зависимость № 4 отсутствует в силу малой токсичности соединений. Зависимость порогов острого действия от величины энтальпии. Limac = а(ДН)2 + вДН + с

Значение коэффициентов а, в , с.

Зависимость а в с

1 3,1148 • -105 7,6563 • -10-4 8,7814 • -10-3

2 2,0123 • -10-5 3,0035 • -10-3 1,2750- -10-1

3 1,4117 • -10-5 3,0327 • -10-3 1,0344

4 1,3130 • -10-5 8,5323 • -10-4 2,7216

88

Вещество - стирол. Относится ко 2-й группе - сильноядовитые вещества. ДН = +4,10 ккал/моль. Подставляя DH в соответствующие формулы, проводится определение:

ЛД50 = 2,0990-10'4(4,10)2 + 2,5188-10"2-4,10 + 1,7432 = 1,86 г/кг

ЛК = 6,8509-10'3(4,10)2 - 6,3052-10-ЧД0 + 12,3121 = 9,842 мг/л

Для сравнения, экспериментальные величины: ЛД = 1,85 г/кг; ЛК50 = 5-10 мг/л.

Пример расчета № 2

Анализируемое соединение - толуол. Зависимость N° 3 (среднеядовитые вещества). ДН = +15,30 ккал/моль.

По зависимости АН ^ ЛД:

ЛД = 2,9783-10'4-(Н)2 + 3,5364-10'2-(Н) + 4,7830 = 5,393 г/кг

(Для сравнения: ЛДэкспе5р0 = 5,0-7,0 г/кг - по экспериментальным данным, проводимых ранее исследований).

По зависимости ДН - ЛК:

ЛК50 = 1,0732-10'3-(Н)2 + 2,4060-104-(Н) + 59,8154 = 63,147 мг/л

(Для сравнения: ЛКэкспер = 68 мг/л).

По зависимости АН - Пт™™:

Lim™™ = 1,411710-5(Н)2 + 3а,с0327-10'3-(Н) + 1,0344 = 1,084 мг/л

(Для сравнения экспериментально: Lim™™ = 1,005,00 мг/л).

По значению Lim™™ определена величина порога острого действия при перкутанном воздействии:

Lim™^. = 2,4525- Lim™™ + 2,2563 = 4,9148 мг/см2

ас. 7 ас. 7 7

(Для сравнения, экспериментальная величина равняется 5,00 мг/см2).

В ходе выполнения исследований по единому гигиеническому нормированию химических веществ при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм с учетом порогов острого действия, термодинамических свойств проведено изучение системы действующих факторов: триэтиленгликольдиметакри-лата (ТГМ-3), диметакрилат-бис-этиленгликольфталата (МГФ-1) ингаляционно и перкутанно в сочетании с УФ-излучением в условиях производства. Ставится задача: определить допустимую концентрацию в воздухе рабочей зоны (СингМГФ-1). Определение по лимитирующему показателю: «активность щелочной фосфатазы в нейтрофилах крови». Оба вещества относятся к третьей группе. Действует УФ-излучение. Коэффициенты импульсного полинома для веществ третьей группы: а™™

= 9,6, аперкут™. = 8,1. Для УФ-излучения а^ = 6,9

Определяется поправочная функция для активности щелочной фосфатазы нейтрофилов крови. Уравнение полинома приобретает вид:

4,99= 9,6х™™, + 8,1хперкут™, + 9,6х

8 1 хперкутан °’1Л ТГМ-3

8 1 хперкутан +

+ 6,9хМФ-934,23(£х)2 +М2119,63(Ех).

ингал. + ТГМ-1

где Ex = X

ингал. + хперкутан. + хингал. + хперкутан. .

М ГФ-1 М ГФ-1 ТГМ-3 ТГМ-3

4,99 = 9,6

LimZ

("теркутан. ингал.

-+8Д-Г™— + 9,6 Ч™-3

- + 8Д-

г~1перкуп

^ТГМ-З

- + 6,9

dy«.t

ЫпС

-934,23(

LimZ

Ыт“

-)2 + 219,63(

LimZ

ингал. ингал.

+ ^ тгм-г + ^ тгм-2

Т 4^.“*

LimZ

Вводя в уравнение все известные величины по данным острых опытов:

=7,60 мг/см2; L/m^№1= 2,18 мг/л;

и<’’шГъ = 6,25 мг/см2; Ыт^ш_3 = 1,31 мг/л;

LinC. =6,48вт/м2,

с учетом фактических уровней действующих производственных факторов:

Стгмз= 2,91 мг/м3; мг/см2; ^""'=0,012

С^ТИ= 0,015 мг/см2; dy0O=0,009 вт/м2,

проводится определение допустимой концентрации (Смгф-0 в воздухе рабочей зоны путем решения уравнения математического анализа на уровне 11,22 мг/м3. Эта концентрация близка к недействующему уровню, определяемому опытным путем (4,83 мг/м3), она является закономерно более низкой, чем при изолированном воздействии (26,5 мг/м3).

Учитывая, что в ходе проводимых исследований коэффициенты импульсных полиномов по большинству физиологических показателей были определены более низкими для системы веществ, обладающих только общетоксическим действием в сочетании с физическим фактором, и принимая во внимание основной лимитирующий критерий - активность щелочной фосфатазы нейтрофилов крови, для которой значения полиномиальных коэффициентов были наиболее близкими, рекомендовано осуществлять определение допустимых уровней новых химических веществ в бинарных смесях и физических факторов в условиях производства по уравнению единого гигиенического нормирования:

9,6 х

ингал.

вещА

+

О 1 уПеркутан. , q г- ингал °’А ЛвещА Лвещ.Б

+ 8,1*

перку тан., вещ.Б

6 Qx^*113114 воз^е“стбшг_934 23(2хингал+

+ 219,63(2хингал' + 2;стркутан) = 4,99

перкутан.у! ^

В ы в о д ы . 1. Установлена взаимосвязь показателей токсичности веществ, среднесмертельных доз, концентраций, порогов острого действия и данных термодинамических свойств - энтальпии химических соединений.

2. Данные энтальпии химических веществ использованы для определения среднесмертельной токсичности, пороговые уровни острого воздействия химических соединений и физических факторов применены на основе импульсного полиномиального метода для единого гигиенического нормирования действующих факторов производственной среды при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм.

Литер атур а

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М. Наука. 1971.

2. Голубев А.А., Люблина Е.И. Расчетный способ установления ориентировочных ПДК органических веществ в воздухе рабочих помещений. Гигиена труда и профессиональные заболевания. 1962. №4: 26-32.

3. Заева Г.Н. Расчетное определение некоторых параметров токсикометрии. Гигиена и токсикология пестицидов и клиника отравлений. Материалы III Всесоюзной научной конференции по вопросам гигиены и токсикологии в связи с химизацией народного хозяйства. 1965. Киев: 96-103.

4. Кротов Ю.А. Применение расчетных методов для установления ориентировочных максимально разовых ПДК атмосферных загрязнений. Гигиена и санитария. 1971. № 12: 8-12.

5. Кротов Ю.А. Использование среднесмертельных концентраций вредных веществ для ориентировочного нормирования атмосферных загрязнений. Здравоохранение Туркменистана. 1972. №4: 45-46.

89

[гиена и санитария 2/2013

6. Люблина Е.И. О связях физико-химических свойств углеводородов с их токсичностью. Гиг и сан. 1969. №7: 20-25.

7. Перминов К.А. Экспрессное определение гигиенических нормативов по данным энтальпии химических соединений. Ежегодник медицинских инноваций: Конкурс на лучшую русскоязычную публикацию в области медицины 2008 -2009 гг. - Ганновер (Германия). 2009. 138-140.

8. Пулькин С.П., Никольская М.Н., Дъячков Л.С. Вычислительная математика. М.: Просвещение; 1980.

9. Трушков В.Ф. Материалы исследований и уравнение единого гигиенического нормирования химических веществ при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм. Ежегодник медицинских инноваций, Конкурс на лучшую русскоязычную публикацию в области медицины 2008 - 2009 гг. - Ганновер (Германия). 2009. 179-182.

10. ТрушковаВ.В. Материалы по экспрессному определению токсичности химических веществ на основе их термодинамических свойств Ежегодник медицинских инноваций, Конкурс на лучшую русскоязычную публикацию в области медицины 2008 - 2009 гг. - Ганновер (Германия). 2009. 183-185.

11. Эберт К., Эдерер Х. Компьютеры. Применение в химии. М.: Мир; 1978. - 175-8.

References

1. Adler U.P., MarkovaE.V., Granovskiy U.V. Experiment planning by search of optimum conditions. М. Science. 1971. (in Russian).

2. Golubev A.A., Lublina E.I. Calculation method of establishing indicative MACs organic substances in the air of working premises. Hygiene and occupational diseases. Hygiene and occupational diseases. 1962. №4: 26-32. (in Russian).

3. Zaeva G.N. Estimated to define certain parameters taximeters.

Hygiene and toxicology of pesticides and poisoning hospital. Proceedings of III All-Union Scientific Conference on Occupational Health and Toxicology at the chemicalization economy. 1965. Kiev: 96-103. (in Russian).

4. Krotov Yu.A. The use of computational methods to determine approximate maximum single MAC atmospheric pollution. Hygiene and sanitation. 1971. №12: 8-12. (in Russian).

5. Krotov Yu.A. Use srednesmertelnyh pollutant concentrations for an approximate valuation of air pollution. Health Turkmenistan. 1972. №4: 45-46. (in Russian).

6. Lyublina E.I. On the connections of physical and chemical properties of hydrocarbons and their toxicity. Hygiene and sanitation. 1969. №7: 20-25. (in Russian).

7. Perminov K.A. Rapid determination of hygienic standards according to the enthalpy of chemical compounds. Annual Medical Innovation: Competition for the best Russian-language publication in the field of medicine. 2008 - 2009 г.г. Hanover. 2009. 138-140. (in Russian).

8. Pul’kin S.P., Nikol’skaya M.N., D”yachkov L.S. Computational Mathematics. М.: Education; 1980. (in Russian).

9. Trushkov V.F. Rapid determination of hygienic standards according to the enthalpy of chemical compounds. Annual Medical Innovation: Competition for the best Russian-language publication in the field of medicine. 2008 - 2009 г.г. Hanover. 2009. 179-182. (in Russian).

10. Trushkova V.V. Rapid determination of hygienic standards according to the enthalpy of chemical compounds. Annual Medical Innovation: Competition for the best Russian-language publication in the field of medicine. 2008 - 2009 г.г. Hanover. 183-185. (in Russian).

11. Ebert K., Ederer Kh. Computers. Application in chemistry. M.: Mir; 1978. (in Russian).

Поступила 09.11.11

90