CC BY
10
Сравнительное изучение различных методик определения свободног о активного хлора в питьевой воде
Методика Введено хлора в пробу. мгС1,/л Определено хлора в пробе, мгСТг/л Относительная ошибка, % Чувствительность метода, мкг е объеме пробь: Трудоемкость метода, ч Число необходимых рсакшвов и их квалификация
приготовление реактивов собственно анализ
ГОСТ 18190—72: 1,2 1,2 0 50 в 0,5 л 7 0,25 10. ч. д. а.
йодометрическое 0.96 0.93 3,1
титрование 0,72 0.7 2,8
0,48 0,49 2,1
0,24 0,23 4.2
ГОСТ 18190—72: 1.2 1,17 2,5 100 в 0,5 л 1 0,25 3, ч. д. а.
титрование метиловым 0.96 0,93 3,1
оранжевым 0,72 0.75 4,2
0,48 0,46 4,2
0,24 0,23 4,2
Стандарт 180-7393/1—85: 1,2 1,24 3,3 40 в 0,1 л 10 0,25 14, ч. д. а.
титрование Ы^-диэтил- 0.96 0.99 3,1
1,4-фенилен-диамином 0,48 0,46 4,2
0.24 0,25 4,2
МВи-03—93: 1,2 1,2 0 3 - 104 в 0,2 мл — 0,1 2, ч. д. а.
люминесцентный 0,96 0,94 2,1
метод 0.72 0,7 2,8
0,48 0,5 4.2
0,24 0,23 4,2
Примечание, ч д. а.— чистый для анализа.
ходимо отнесги быстроту (3—5 мин) анализа, малое количество реагентов, возможность проведения исследований непосредственно на объектах контроля, объективность получаемых результатов, поскольку анализ проб проводится на приборе (см. патент России № 2009466 от 12.09.91), принцип действия которого основан на автоматической регистрации люминесценции реакционной смеси в момент смешения реактива и пробы.
Л итература
1. Бабко А. К., Дубовенко Л. И., Луковская Н. М. Хемилюми-несцентный анализ.— Киев, 1966.
2. Водная Н. Ф. Химия воды и микробиология.— М., 1979.— С. 151 — 156.
3. Воробьева Т. П., Козлов Ю. Н. и др.//Изв. АН СССР. Сер. хим.— 1978,— ,\г 3—6,—С. 552—555.
4. Ишутин В. А., Карзанов Г. С. и др. Анализатор жидких проб: Пат. 2009466 Россия.
5. Русин Б. А.. Рощин А. Л., Моисеев Г. П.//Кинетика и катализ.— 1979.—Т. 20, № 2,—С. 302—307.
6. А1Ьгес!и Н. О.ЦЪ. рЬув. СЬет,—1928.—Вс1 136, № 5,— Б. 321—330.
Поступила 29.06.94
допустимых концентраций, согласно проекту СанПиН «Требования к качеству воды централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения», а также значительно выше этих границ.
В результате метрологической аттестации установлена высокая точность определений свободного активного хлора в питьевой воде люминесцентным методом, что подтверждено сравнительной оценкой разработанной методики с методиками по ГОСТу 18190—72 и стандарту 150-7393/1—85. Результаты сравнительной оценки приведены в таблице. Рассчитанные в ходе метрологической аттестации нормы погрешности составляют 2—4%, минимально определяемая концентрация в воде 0,03 мг/л, диапазон измеряемых концентраций от 0,03 до 1,2 мг/л.
Таким образом, разработанная методика количественного экспресс-определения свободного активного хлора в питьевой воде по показателям селективности, точности и чувствительности определения не уступает традиционно применяемым. Вместе с тем к ее преимуществам необ-
© В. Н. ПАВЛОВ. 1994 УДК 615.2/.3.015.3.07
В. Н. Павлов
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАВИСИМОСТЕЙ КОНЦЕНТРАЦИЯ (ДОЗА) — ВРЕМЯ —ЭФФЕКТ ОБЩЕТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ КСЕНОБИОТИКОВ НА ОРГАНИЗМ С ПОЗИЦИЙ ХИМИЧЕСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ
НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН, Москва
Первоочередной задачей, стоящей перед медицинской наукой и перед гигиеной в частности, является всемерное развитие фундаментальных теоретических и прикладных научных исследований [13].
Разработка методологических основ получения зависимости концентрация (доза) — время—эффект общетоксического действия ксенобиотиков решается нами на базе фундаментальных положений химической и биологической кинетики.
Закономерности кинетики давно уже используются в фармакологии. В настоящее время в молекулярной фармакологии считается доказанным, что фармакологический эффект определяется скоростью образования комплекса вещество — рецептор [15] и подчиняется закономерностям химической кинетики [1—3, 11, 12, 14].
Математический аппарат химической и биологической кинетики позволяет упростить, формализовать описание сложных процессов, однако он
не является формальным в полном смысле этого слова, так как, с одной стороны, отражает механизм реальных процессов, с другой — позволяет правильно описать суть процессов, пренебрегая многими второстепенными, с точки зрения кинетики, процессами (иногда в таких случаях применяют термин «формальная кинетика»).
Проблема кинетического описания сложной биологической системы сводится к построению и анализу математической модели, в которой скорости изменения концентраций различных компонентов системы были бы выражены через скорости отдельных элементарных реакций, принимающих участие в их образовании и исчезновении [1, 12].
В любой биологической системе реализуется принцип «узкого места», согласно которому общая скорость превращения вещества в результате протекания цепи реакций будет определяться наиболее медленной стадией [3, 12, 14]. Этот принцип отражает роль лимитирующей химической реакции при описании сложного химического процесса.
Принцип «узкого места», позволяет существенно упростить исходную модель биологической системы, по существу сведя задачу кинетического описания системы к изучению поведения 1—2 наиболее медленных стадий. В этом смысле самое медленное звено будет управляющим, поскольку воздействие именно на него, а не на более быстрые стадии может повлиять на скорость протекания всего процесса. Это объективное свойство биологических систем существенно облегчает проблему моделирования [1—3, 14].
Таким образом, хотя биологические процессы и включают большое число промежуточных стадий, их кинетическое поведение регулируется сравнительно небольшим числом отдельных звеньев, следовательно, оптимальная математическая модель, адекватно отражающая наиболее существенные свойства изучаемой биологической системы, будет содержать сравнительно небольшое число исходных уравнений, позволяющих получить уравнение зависимости концентрации (доза)— время — эффект [1—3, 14].
Уравнения зависимости эффекта от концентрации и времени непрерывного (например, ингаляционного) воздействия на постоянном уровне для случая необратимого взаимодействия ксено-биотик/ксенорецептор и при условии отсутствия процессов компенсации можно представить в виде [9, 10]:
1п (1 —Ё)= —кР"С"1, (1)
где Е—величина эффекта (в отн. ед.), причем С—концентрация ксенобиотика в окружающей среде (в моль/л); г — продолжительность воздействия (в с); к — константа скорости взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора (в л/ моль-с) при /2=1; п — стехиометрический коэффициент химической (биохимической) реакции; Р—коэффициент распределения организм/среда, в случае ингаляционного воздействия может быть использован в первом приближении более доступный параметр — коэффициент распределения вода/воздух, для гидробионтов — коэффициент распределения октанол/вода.
Уравнение (1) действительно, а зависимость 1п (1 —Е) от концентрации (при п= 1) или от вре-
мени представляет прямую лишь при условии выполнения ряда следующих ограничений, помимо выше указанных [4—6]: скорость такого взаимодействия должна быть медленнее, чем скорость поступления ксенобиотика в организм; наличие одного компартмента; в случае невыполнения одного из условий необходимо применять другое, более сложное по форме уравнение.
В эксперименте получены прямолинейные зависимости величин как альтернативного, так и градированного эффекта в виде функции 1§(1 —Е) от концентрации и от времени воздействия, что является предметом последующих публикаций.
Более сложен случай необратимого взаимодействия организм/ксенобиотик с учетом реакций метаболизма и процесса поступления. Уравнение (1) выполняется при условии, что ксенобиотик поступает в организм чрезвычайно быстро и установление равновесия между концентрациями ксенобиотика в окружающей среде и в критическом органе происходит почти мгновенно. На самом деле накопление ксенобиотика происходит, как правило, сравнительно медленно, если время выполнения эксперимента невелико, например 1 — 2 ч, то равновесие ксенобиотик — ксенорецептор может и не успеть установиться, кроме того, довольно часто параллельно с процессом взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора протекает метаболическая реакция, приводящая к уменьшению концентрации ксенобиотика в критическом органе.
За время выполнения острого эксперимента, проводимого с целью определения величины СЕ 50 (продолжительность которого принята 2 ч для мышей), концентрация ксенобиотика в критическом органе может и не успеть выйти на предел. Кроме того, очевидно, что природа лимитирующей стадии может в течение эксперимента измениться. Если в начале эксперимента, когда градиент концентрации ксенобиотика на границе раздела окружающая среда/организм максимален, скорость диффузии ксенобиотика из окружающей среды достаточно высока и лимитирует весь процесс лишь скорость взаимодействия с рецептором. Однако со временем, по мере уменьшения градиента концентрации на границе раздела организм/среда и насыщения критического органа данным ксенобиотиком, очевидно, лимитировать будет стадия поступления ксенобиотика из окружающей среды.
Если при этом выполняются все ограничения, указанные выше, то уравнение зависимости концентрация— время — эффект можно получить с учетом процесса поступления ксенобиотика, который описывается уравнением [2, 15]:
¿|Х]/Л=/(рС-|Ж (2)
где [А']— концентрация ксенобиотика в организме;/— константа поступления.
Кроме того, необходимо также учесть метаболическую реакцию (с константой скорости #), которая при всех условиях приводит к уменьшению концентрации исходного ксенобиотика. Этот процесс может быть весьма сложным, состоящим из нескольких стадий, однако мы будем в данном случае рассматривать его как одностадийный процесс первого порядка [15]:
1, (3)
(В общем случае константа g представляет собой сумму констант скоростей метаболизма и выведения ксенобиотика, не подвергшегося метаболизму.)
Будем считать, что в результате протекания этой метаболической реакции не образуется более токсичного метаболита, наоборот, образуется менее токсичный метаболит, т. е. происходит своего рода «дезактивация» ксенобиотика. Изменение концентрации ксенорецептора со временем в результате взаимодействия ксенорецептора и ксенобиотика можно описать, применяя закон действующих масс, следующим уравнением:
¿[Д]/А--*[*][*], (4)
где [Л] — концентрация ксенорецепторов в критическом органе.
Решая полную систему уравнений, после интегрирования, нахождения буквенного выражения для константы интегрирования (при тех же начальных условиях) получим уравнение зависимости концентрация — время — эффект [4, 7]:
[,-,-</«.■)} (5,
где к— константа скорости взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора; /—константа скорости накопления; °—константа скорости метаболической «дезактивации» ксенобиотика, остальные обозначения те же (смотри выше).
Другой вид имеет уравнение зависимости доза— время — эффект при однократном введении ксенобиотика в организм. Этот случай весьма важен, он может реализоваться как в естественных условиях, когда ксенобиотик попадает в организм перорально с водой или с пищей, гак и в эксперименте, например при определении величины ЬИ 50-
При однократном пероральном (а также внутривенном, подкожном и т. д.) поступлении ксенобиотика в организм необходимо прежде всего учесть изменение концентрации ксенобиотика в критическом органе с течением времени; в отличие от рассмотренного выше случая непрерывного поступления ксенобиотика (когда концентрация его в окружающей среде поддерживается на постоянном уровне) при однократном введении зависимость концентрации ксенобиотика в организме (критическом органе) от времени имеет вид «куполообразной» кривой, причем наклоны восходящей и нисходящей ветвей этой кривой определяются численными значениями констант скоростей поступления ксенобиотика в организм и выведения его из организма. Полное описание процесса поступления ксенобиотика из одного компартмента в другой через множество межклеточных барьеров и, наконец, в критический орган весьма сложно [12, 15], однако и в этом случае возможно феноменологическое описание этого процесса в терминах химической (и диффузинной) кинетики, если пренебречь множеством межклеточных барьеров и представить график зависимости содержания ксенобиотика в организме от времени в виде плавной кривой, отражающей поступление и выведение ксенобиотика.
Приводим уравнение зависимости доза — время— эффект в предположении, что существует один критический орган, представляющий собой однородный компаргмент (одночастевая модель). Очевидно при этом, что рассматривается вещество, которое достаточно хорошо растворимо в тканях организма, т. е. имеет достаточно высокий коэффициент распределения организм/ среда, в противном случае необходимо учитывать предел насыщения по данному ксенобиотику в критическом органе.
Используя закономерности химической и биологической кинетики (в предположении, что не образуется более токсичный метаболит, а также что скорость метаболической реакции «дезактивации», приводящей к образованию менее токсичного метаболита, пренебрежительно мала), получим с учетом концепции рецепторов после интегрирования, нахождения константы интегрирования при начальных условиях ; = 0, = и после последующего логарифмирования уравнение [4, 5, 7]:
М1-£/«)=[6"'(1-*-*')-/-'(1-е"'')]. (6)
где О—доза; Ь — константы скоростей поступления в организм и выведения из организма ксенобиотика соответственно; / — продолжительность воздействия ксенобиотика на организм; к — константа скорости взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора в критическом органе; а—константа, отражающая свойства данного типа ксенорецепторов.
Если время достаточно велико, т. е. если можно, как принято в математике, сказать, что г стремится к бесконечности, то экспоненциальные члены при этом стремятся к нулю. Другими словами, кривая зависимости эффекта, выраженного в виде логарифмической функции (1 —Е/а), от времени будет представлять собой кривую, асимптотически приближающуюся к пределу. Этот предел можно вычислить.
Уравнение (6) преобразуется в уравнение (7):
1п(1 — £/Й) = —кй IЬ (7)
или в более общем виде:
1п(1-£/й)=-ЫД (8)
где А = 1 /Ь. (9)
Эта формула может быть использована для расчета любой величины, если известны остальные, в первую очередь для расчета константы скорости взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора.
Приведенные выше уравнения могут иметь очень широкое применение. Они позволяют получить данные о механизмах вредного действия загрязнений окружающей среды на организм, раскрыть физический и биологический смысл эмпирических констант целого ряда уравнений, полученных из экспериментальных данных.
В описанном в данном разделе случае взаимодействия ксенобиотика и рецептора основным фактором, определяющим форму -зависимости эффекта от времени, является режим поступления ксенобиотика в организм. Что касается конкретно величины эффекта, то она определяется в пер-
вую очередь дозой, далее скоростью взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора. Кроме того, чем сильнее яд, тем больше величина константы скорости взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора.
Приведенные уравнения могут быть использованы для расчета параметров токсикометрии, ко-' гда отсутствуют экспериментальные величины (например, при экспериментальном определении параметров острой токсичности), чтобы сократить время эксперимента и сразу выйти на величину ЬСзо или ЬОбо-
Если токсическое действие обусловлено продуктом биотрансформации, то, используя описанные ранее методические приемы [4—10], получим уравнение:
кк'й П-е-2*'' 1-в-(*'+*")П
---(,0)
где к', к" — константы скоростей образования продукта биотрансформации из ксенобиотика и его дальнейшего превращения (например, цианид-иона, образовавшегося в результате биотрансформации органических нитрилов, в роданид, или конъюгация фенолов и других оксипроизводных ароматических углеводородов). Если I стремится к бесконечности, то уравнение (10) упрощается, переходит в уравнение (8), в котором, однако:
Л = 1/[2 (*'+*")]. (11)
Возможен вариант, когда только часть вещества подвергается биотрансформации, образовавшийся метаболит оказывает токсическое действие на организм, предположим часть введенного в организм ксенобиотика образует другой, нетоксичный продукт биотрансформации (например, подвергается реакции конъюгации с глю-куроновой кислотой) и выводится из организма, не причиняя токсического действия; обозначим константу скорости этого процесса кл. Тогда уравнение зависимости доза — время — эффект будет иметь вид:
кк'й /1-<>-<*'+**)' 1 —е~к"'\
при /, стремящемся к бесконечности, получим уравнение (8), в котором:
А=к' I к"(к'+к"). (13)
Как видим из уравнения (12), чем выше скорость процесса биотрансформации ксенобиотика, приводящего к появлению менее токсичного или нетоксичного продукта (т. е. минуя стадию образования продукта, ответственного за проявление общетоксического эффекта), тем меньше токсическое действие такого ксенобиотика, что логично и подтверждает правильность формулы.
Таким образом, на основе закономерностей химической и биологической кинетики получена серия уравнений зависимости концентрация(доза)— время — эффект общетоксического действия ксенобиотиков на организм, которые позволяют определить один из параметров, например LCso, если известны остальные параметры уравнения.
Л итература
1. Березин И. В., Варфоломеев С. Д. Биокинетика.— М.. 1979.
2. Голубев A.A., Люблина Е. И., Толоконцев H.A., Филов В. А. Количественная токсикология.—Л., 1973.
3. Денисов Е. Т. Кинетика гомогенных химических реакций,—М„ 1978.
4. Павлов В. Я.//Гиг. и сан. № 1990,—№ 1,—С. 10—12.
5. Павлов В. Н. //Там же,—1985,—№ 10.—С. 83—84.
6. Павлов В. Н.//Проблемы охраны здоровья населения и защиты окружающей среды от химических вредных факторов.—Ростов н/Д„ 1986.—С. 103—104.
7. Павлов В. Н. /I Международный симпозиум «За экологическое возрождение России»: Тезисы докладов.— М., 1992,—С. 51—53.
8. Павлов В. Н. //Проблемы токсикологии и прикладной экологии (Тезисы докладов международного симпозиума).— Л., 1991,—С. 146.
9. Павлов В. Н. //Гиг. и сан,—1989.—№ 2,—С. 7—8.
10. Павлов В. Н„ Караваев В. Б.Ц Там же,—№ 6,—С. 18—20.
11. Пиотровски Е. Использование кинетики метаболизма и выведения токсичных веществ в решении проблем промышленной токсикологии.— М., 1976.
12. Рубин А. Б., Пытьева Н. Ф., Ризниченко Г. Ю. Кинетика биологических процессов.— М., 1987.
13. Сидоренко Г. И.Ц Гиг. и сан,—1989,—№ 3—С. 4.
14. Современные проблемы биокинетики / Под ред. С. Д. Варфоломеева.— М., 1987.
15. Соловьев В. Н., Фирсов А. А., Филов В. А. Фармакокинети-ка,—М„ 1980.
Поступила 10.06.94
