Некоторые особенности изучения ксенобиотического загрязнения поверхностных вод

В настоящее время глобальной проблемой является определение, идентификация и оценка воздействия на водную среду органических ксенобиотиков. На основании результатов проведенных исследований и анализа международного опыта разработан комплекс основных взаимосвязанных рекомендаций, направленных на уменьшение ксенобиотического, включая лекарственное, загрязнения водных объектов.

На сегодняшний день одним из определяющих факторов экологической безопасности окружающей среды является качество природных вод, при котором эти воды не наносят ущерба водным экосистемам и населению. Требования к качеству вод периодически повышаются, принимаются целевые программы, ужесточаются меры к охране водных объектов.

Значительную часть загрязнений составляют антропогенные органические соединения, которые являются чуждыми для процессов жизнедеятельности человека и гидробиоты, так называемые органические ксенобиотики.

Именно органические ксенобиотики (в дальнейшем изложении ксенобиотики) составляют основу перечня из более чем 88,2 млн. таких веществ, зарегистрированных в международной системе Chemical Abstract Service (CAS) и именно среди них находится основная доля мутагенов, канцерогенов, эмбриотоксинов и ряда других токсинов. Считается, что одновременно в окружающей среде находится от 500 тыс. до 1200 тыс. ксенобиотиков [1].

В отечественных нормативных документах представле ны значения предельно допустимых концентраций (ПДК) не более чем для 3000 органических ксенобиотиков. Органические ксенобиотики подобно другим веществам обладают биологической активностью: способностью влиять на живую материю при наличии соответствующей биологической мишени, действующей концентрации или дозы, физического и химического состояния самого ксенобиотика.

Сам по себе термин «ксенобиотики» применительно к определению, данному выше, не содержит понятия о вредности ксенобиотиков, как это часто считается. Некоторые из них при определенных концентрациях способны оказывать положительное воздействие на определенные виды организмов, другие действуют негативно только на определенные виды (избирательная токсичность). Однако, обладая определенной биологической активностью и в условиях, способствующих реализации этой активности, в большинстве случаев ксенобиотики, взаимодействуя с живыми организмами, могут вызывать различные нежелательные эффекты непосредственно, либо через продукты физико-химических превращений и биотрансформации.

В перечень негативных реакций организмов на воздействие ксенобиотиков можно, в частности, отнести:
- общие токсические, включая аллергические, реакции;
- генетические и эпигенетические изменения;
- нарушения естественных процессов жизнедеятельности на молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях;
- специфические заболевания (например, рак);
- нарушение естественного хода природных процессов в экосистемах;
- другие.

Прямые эффекты могут приводить и к косвенным, например, снижение иммунитета может повлечь за собой возникновение различных заболеваний.

Следует также отметить, что негативные эффекты могут вызывать не только ксенобиотики антропогенного происхождения, попавшие в водную среду, но и природные (яды сине-зеленых водорослей, некоторые фенолы торфяных вод и др.).

Один из важных критериев классификации антропогенных ксенобиотиков - их функциональное назначение.
По этому критерию можно выделить:
- лекарственные препараты для человека и для животных, а также биологически активные добавки;
- пестициды (инсектициды, акарициды, альгициды, арборициды и др.);
- агрохимикаты кроме пестицидов (органические удобрения, ростовые
вещества и др.);
- пищевые добавки синтетического происхождения, не дублирующие структуру естественных добавок;
- вещества исключительно или преимущественно промышленного назначения (синтетические красители, некоторые компоненты буровых растворов, пенообразователи, эмульгаторы и др.);
- вещества исключительно или преимущественно бытового назначения (моющие средства, пленочные материалы, органические клеи, средства парфюмерии и косметики и др.);
- химические энергоносители (нефть, газ, газовый конденсат);
- химические вещества, получаемые в научных целях или используемые исключительно как реактивы в процессе исследовательских работ и не относящиеся ни к одному из названных выше классов;
- ядовитые вещества, целенаправленно созданные для уничтожения человека, животных, растений;
- вещества с другими функциональными назначениями.

В последние десятилетия особое внимание стали уделять лекарственному загрязнению окружающей среды. Это вызвано, в первую очередь, тем, что лекарства являются непременным спутником и в какой-то степени важным фактором развития человека и формирования всех цивилизационных периодов. От применения лекарств, в отличие, например, от пестицидов невозможно отказаться в повседневной жизни. В настоящее время разработка новых лекарств и их производство превратились в мощную отрасль науки и промышленности. Только в России в 2013 году объем фармрынка составил 32,7 млрд. долларов в ценах конечного потребления (на 13,57% больше, чем в 2012 г.) [2]. По некоторым прогнозам, мировой фармацевтический рынок с учетом текущих тенденций возрастет к 2016 году до 1,2 трлн. долларов [3].

Изначально проблема распространения лекарственных веществ в окружающей среде была поднята в США еще в 1970-е годы и почти десять лет спустя - в Англии. Тем не менее, только в середине 90-х в связи со все увеличивающимся производством и потреблением лекарств и в связи с активным развитием аналитических методов, в частности, высокочувствительной и высокоселективной хроматографии и масс-спектрометрии для анализа лекарственных средств в следовых количествах развернулись масштабные исследования в обсуждаемом направлении [4].

В настоящее время работы по обнаружению лекарств в окружающей среде, в частности, в поверхностных водах суши и в сточных водах, поступающих в природные, были проведены во многих странах [5].

Большинство сообщений о загрязнениях лекарствами посвящено таким группам препаратов как антибиотики, половые гормоны, нестероидные противовоспалительные средства, а также антиэпилептические иантидепрессантные средства (см. таблицу 1) [4]. Эти группы веществ способны при следовых концентрациях и длительном воздействии оказывать негативное влияние на гидробиоту и, возможно, на человека.

Таблица 1. Некоторые классы лекарственных средств, обнаруженных в водных объектах различных стран

При определении ксенобиотического загрязнения вод и опасности этого загрязнения необходимо идентифицировать ксенобиотики, определить их концентрацию, биологическую активность и граничные концентрационные уровни, за которыми начинается опасное воздействие. Кроме того, следует оценить возможный синергизм, как межксенобиотический, так и связанный с синергическим взаимодействием между ксенобиотиками, с одной стороны, и тяжелыми металлами, с другой.

Следует также четко различать задачи, связанные с формированием перечня определяемых веществ. Таких задач может быть, по крайней мере, три: а) выявление ксенобиотиков определенного функционального и (или) химического класса (например, углеводородов при аварийном разливе нефти); б) выявление ксенобиотиков различных классов, перечень которых определяется анализом возможных источников загрязнения (например, перечнем химических веществ, выпускаемых предприятием, загрязняющим анализируемый водный объект); в) выявление всех компонентов ксенобиотического загрязнения; г) выявление только тех ксенобиотиков, для которых известно значение ПДК или значение ориентировочно допустимого уровня (ОДУ).

Методы определения ксенобиотиков в водных объектах

Ксенобиотики, которые могут потенциально встретиться в воде, представляют собой самые разнообразные классы химических соединений. Из анализа литературы [7, 8] следует, что хроматография, масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия в настоящее время являются самыми распространенными и наиболее часто используемыми методами химического анализа для идентификации органических соединений и определения их концентрации. Ни один аналитический метод пока не может конкурировать с хроматографией, масс-спектрометрией и их сочетанием по универсальности применения и эффективности разделения самых сложных многокомпонентных смесей.

Однако при идентификации и определении содержания ксенобиотиков в воде необходимо проводить специфическую пробоподготовку для разных классов веществ. В этом случае наиболее общими являются методы тотального определения, которые позволяют определять весь спектр соединений, ограниченный только чувствительностью прибора и его разрешением. Такие методы, как правило, уступают по чувствительности и разрешению методам, ориентированным на индивидуальное веществоили их определенный класс.

Авторами статьи совместно со специалистами ЗАО «Химбиобезопасность» была разработана интегральная методика обнаружения органических ксенобиотиков, в том числе лекарственных средств, включающая две ветви пробоподготовки в зависимости от полярности обнаруживаемых соединений с целью повышения чувствительности и избирательности метода [9].
Наибольшую проблему при этом представляет анализ веществ с промежуточной полярностью – гидрофильно-гидрофобных, содержание которых надо суммировать по обеим ветвям этой группы методов.

Была также апробирована методика определения индивидуальных лекарственных веществ при наличии маркера (имеющегося априорно искомого вещества) на примере ампициллина, флуоксетина и ципрофлоксацина.
Следует отметить, что в настоящее время существуют методы, не требующие пробоподготовки, однако для них необходимы сложные и дорогостоящие технические средства [7].

В природной воде помимо органических соединений содержатся неорганические вещества, в том числе, как правило, тяжелые металлы - потенциальные синергисты органики. Их определение также существенно для оценки опасного действия органических ксенобиотиков и это делается широко известными традиционными методами, останавливаться на которых в данной статье нецелесообразно.

Оценка токсичности ксенобиотиков

Как уже было отмечено выше, для большинства органических ксенобиотиков нет нормативно установленных значений ПДК или ОДУ. Например, среди 170 ксенобиотиков, обнару женных нами в водных объектах источников водоснабжения Москвы, только 25 характеризуются известны ми значениями ПДК. Весьма ограниченным количеством нормативных значений ПДК отличается громадный массив лекарств даже в развитых странах, еще хуже ситуация в России.

Кроме того, у лекарственных веществ в ходе клинического использования довольно часто обнаруживаются неожиданные токсические свойства, которые не были выявлены в доклинических исследованиях. Для метаболитов, генерируемых гидробиотой, а также для вторичных продуктов лекарственных веществ, возникающих в воде под действием физических и химических факторов, вообще не предусмотрено проведение каких-либо токсикологических исследований.

Поэтому возникает задача об оценк всего спектра видов биологической активности выявленных ксенобиотиков, включая их токсическую активность, а также задача определения концентрационных порогов их опасного действия.

Применительно к лекарственной (фармакологической) активности отметим, что в воде может содержаться большое количество органических соединений, которые не используются в медицине, но которые обладают определенными фармакологическими активностями, а также побочной токсичностью.

Экспериментальное определение всех видов биологической активности анализируемого ксенобиотика и концентрационного порога их токсического действия трудоемко, экономически затратно, особенно учитывая их возможное количество в водном объекте, а во многих случаях вообще нецелесообразено, т.к. состав, например, вторичных продуктов трансформации ксенобиотиков может меняться в зависимости от температуры воды, кислых дождей и т. д. Поэтому универсальным подходом к оценке опасности ксенобиотков по отношению к живым организмам является применение информационных технологий, в частности, хемио- и биоинформатики.

Сведения по опасности соединений можно почерпнуть из различных информационных источников. Это: а) нормативные документы зарубежных стран, содержащие значения предельно или ориентировочно допустимых концентраций для различных веществ; б) списки особо опасных веществ; в) сериальные справочники по отдельным токсическим веществам; г) регистры или базы данных, формируемые международнымии национальными организациями.

Одним из эффективных методов прогноза опасных свойств ксенобиотиков являются технологии расчетного прогноза биологической активности веществ на основании знания их химической структуры. Такая технология на основе обучающей выборки и дескрипторного описания химических структур реализована, в частности, в компьютерной программе PASS [10] преимущественно для конструирования новых лекарств. Для прогноза биологической активности органических ксенобиотиков, загрязняющих воду, включая лекарства, впервые программа PASS была использована в наших работах [11].

Используемая в наших работах версия компьютерной программы PASS 11.1 прогнозирует более 4000 видов биологической активности со средней точностью свыше 95% (скользящий контроль с исключением по одному). Обучающая выборка программы PASS 11.1 содержит информацию о более чем 250 тыс. лекарственных препаратов и биологически активных соединений, включая данные о многих химических токсикантах.

Программа позволяет прогнозировать фармакологическую активность даже у тех соединений, которые никогда не использовались в медицине. Проявление такой активности, названной нами квазифармакологической, у соединений, обнаруженных в водной среде, может негативно сказаться на гидробиоте и человеке.

Кроме того, через квазифармакологическую активность можно определять биологическую мишень действия соединения (отдельные системы организма, органы, ткани, клетки, биохимические и молекулярно-биологические процессы).
Для названных выше целей возможно использование и некоторых других расчетных технологий прогноза биологической активности, например, таких как «облачный» расчет, позволяющий определять «ближайших соседей» по химической структуре. Если для «ближайших соседей» известны их токсические свойства, можно дать приближенные качественные характеристики опасности исходного соединения на основе похожести структур.

Одной из программ, основанных на таком принципе, является система Skoal. Граф Skoal Highest Degree Visualizer показывает взаимное подобие по структурным формулам всех известных веществ. Для удобства визуализации показаны 5000 максимально похожих друг на друга веществ. Тонкую структуру подобия можно проследить по ребрам графа диапазон значений метрики подобия, кроме того, показаны распределения степеней вершин графа подобия и величин метрики подобия для всей базы [12].

Кроме того, есть ряд способов оценки того предельно допустимого уровня концентрации или дозы, с которой начнется негативное действие ксенобиотика. В частности, для их расчета широко используются сведения об LDn, где n – соответствующая доля погибших тестобъектов.

Определение LDn может быть произведено экспериментально или по расчетным методам. Так, Институтом биомедицинской химии им. В.Н.Ореховича РАМН была разработана программа GUSAR [13], в которой возможен расчет LD50 для мышей и крыс в зависимости от метода введения соединения в организм.

Программа GUSAR представляет собой инструмент для создания моделей на основе количественных взаимосвязях «структураактивность». Ядро программы состоит из уникального алгоритма самосогласованной регрессии, что позволяет выбрать оптимальный набор дескрипторов для прочной и надежной модели. Химическая структура в GUSAR, как и в программе PASS, представлена дескрипторами, относящимися к химической структуре, и дескрипторами биологической активности, которые основаны на результатах прогнозирования в программе PASS.

Кроме того, некоторые расчетные технологии позволяют прогнозировать синергическое действие соединений, обнаруживаемых в одной пробе. Подобной информационный технологией обладает программа «Микрокосм» [14].

Расчетные методы также играют большую роль при выборе экспериментальных методов оценки опасности ксенобиотиков и определении приоритетов отбора ксенобиотиков (из общего массива выявленных компонентов ксенобиотического загрязнения) для таких экспериментальных исследований.

Результаты изучения содержания ксенобиотиков в водных объектах

Наши собственные исследования были проведены на водных объектах, входящих в Москворецкую и Волжскую системы водоснабжения г. Москвы: Иваньковское, Истринское, Клязьминское, Можайское, Озернинское, Рузское, Учинское водохранилища, реки Москва, Истра и Руза, а также на водозаборах предприятий водоподготовки г. Москвы, входящих в систему ОАО «Мосводоканал».

По результатам исследования с 2009 по 2013 гг. было обнаружено 170 органических соединений, причем для подавляющего количества веществ (более 85%) нормативно не установлены значения ПДК, как уже отмечалось выше. В таблице 2 приведены некоторые опасные свойства ряда обнаруженных соединений, определенные с помощью информационных технологий (поиск по базам данных или/и расчетный прогноз).

Таблица 2. Некоторые опасные свойства обраруженных органических соединений

Результаты расчетов были трансформированы в разработанные авторами экотоксикологические картосхемы. В скобках на картах обозначено количество обнаруженных в данном месте соединений с указанным видом активности.

Кроме того, для ряда ксенобиотиков по программе GUSAR был дан прогноз величины дозы, при которой погибает половина тестируемых организмов LD50 (см. таблицу 3).

Таблица 3. Результаты расчета LD5 по программе GUSAR*

По нашему предложению разработчиками программы «Микрокосм» была проведена расчетная оценка действия на «виртуальное сердце» смеси двух лекарственных веществ, обнаруживаемых в природных водах. В смесь входило пять мольных частей циклотетрадекана (обладает слабой кардиостимулирующей активностью) и четыре части октадеканола (с высокой вероятностью не обладает кардиостимулирующей активностью).

Расчет синергического действия показал, что смесь этих препаратов обладает умеренной кардиостимулирующей активностью, т.е. в данной смеси наблюдается выраженный положительный синергетический эффект - неактивный октадеканол усиливает кардиостимулирующее действие циклотетрадекана.

Результаты оценки фармакологи ческой активности обнаруженных соединений, а также дополнительное обращение к базам данных синонимов и метаболитов лекарственных средств позволили выделить из всего массива обнаруженных соединений лекарственные вещества, их метаболиты и другие соединения, способные проявлять фармакологическую активность (квазилекарства).

В период 2009-2013 гг. на контролируемых водных объектах-источниках водоснабжения Москвы было выявлено 50 лекарственных препаратов (действующих веществ), 11 вспомогательных веществ лекформ, 43 метаболита известных лекарственных веществ и 5 соединений, входящих в состав витаминных комплексов и биологически активных добавок. В таблице 4 показаны некоторые обнаруженные лекарства и их фармакологическое действие.

Таблица 4. Некоторые обнаруженные лекарства

Выводы:
На основании результатов работы и анализа международного опыта был разработан комплекс основных взаимосвязанных рекомендаций, направленных на уменьшение ксенобиотического, включая лекарственное, загрязнения водных объектов, к которым можно отнести следующие:
- применение разработанной комплексной технологии, включая ее информационные аспекты (поиск по базам данных, расчетный прогноз типа «структураактивность») для идентификации и определения содержания опасных ксенобиотиков в водных объектах;
- организация мониторинга водных объектов источников водоснабжения г. Москвы на базе разработанной комплексной технологии применительно к оценке содержания и биологической опасности ксенобиотиков;
- совершенствование технологий водоподготовки применительно к ксенобиотическому, включая лекарственное, загрязнению питьевых вод;
- принятие мер нормотворческого и административного характера по уменьшению ксенобиотического, в том числе лекарственного, загрязнения природных вод, включая разработку нормативноправовых актов в направлении снижения поступления ксенобиотиков в водные объекты, введение нормативов ПДК для наиболее опасных веществ лекарственного происхождения и др.

 Литература:
1. Домашняя страница US EPA http://www.epa.gov (цит. по Моисеенко Т.И. Водная экотоксикология. М.: Наука, 2009, с.79).
2. Аналитические отчеты маркетингового агентства DSM Group http://www.dsm.ru/
3. The Global Use of Medicines: Outlook Through 2016 // IMS Institute for Healthcare Informatics, July 2012, 34 р. http://www.imshealth.com/deployedfiles/im s/Global/Content/Insights/IMS%20Institute %20for%20Healthcare%20Informatics/Global%20Use%20of%20Meds%202011/Medicines_Outlook_Through_2016_Report.pdf.
4. Santos L., Araujo A., Fachini A. et al. Ecotoxicological aspects related to the presence of pharmaceuticals in theaquatic environment // Journal of Hazardous Materials. 175, 2010, pp. 45-95.
5. Ternes T., Joss A. Human Pharmaceuticals, Hormones and Fragrances: The Challenge of Micropollutants in Urban Water Management. IWA Publishing; London, UK, 2007, 468 p.
6. Snyder S., LueHing C., Cotruvo J. etal. Pharmaceuticals in the water environment. NACWA. p.34
7. Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия для анализа объектов окружающей среды. М.: Техносфера, 2013. 632 с.
8. Яшин Я., Яшин А. Наукометрическое исследование материалов Питтсбургской конференции по аналитической химии и прикладной спектроскопии (PITTCON 2012) // Аналитика, 2012 (4). №3. с. 48-52.
9. Баренбойм Г.М., Чиганова М.А., Аксенов А.В. Оценка биологической опасности органических ксенобиотиков // Методы оценки соответствия. №7, 2011. с. 2833.
10. Филимонов Д.А., Поройков В.В. Прогноз спектра биологической активности органических соединений // Российский химический журнал, т. L, №2, 2006, с. 66-75.
11. Данилов-Данильян В.И., Храменков С.В., Поройков В.В. и др. Новые методы оценки биологической активности ксенобиотиков в водных объектах // Методы анализа и контроля качества воды: Материалы конференции. М.: Научный совет РАН по аналитической химии, Экологоаналитическая организация «Экоаналитика», Институт геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН, 2012, с.5.
12. Skoal. МераЛабс http://www.meralabs.com/skoalru/
13. Lagunin A., Zakharov A., Filimonov D., Poroikov V. QSAR Modelling of Rat Acute Toxicity on the Basis of PASS Prediction //Molecular informatics. 2011. 30. p. 241-250.
14. Васильев П.М., Спасов А.А. Языки фрагментарного кодирования структуры соединений для компьютерного прогноза биологической активности // Российский химический журнал. Том L, № 2, 2006, с.108-127.

Журнал «Вода Magazine», №8 (84), 2014 г.