CC BY
5
ОБЗОРЫ
УДК 613-073
ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
В ГИГИЕНЕ
Канд. мед. наук Ю. В. Новиков Московский научно-исследовательский институт гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана
В гигиенических исследованиях все шире применяются физические методы. В связи с этим нам хочется привлечь внимание гигиенистов к возможности использования некоторых новых физических методов, таких, как спектрографический, рентгеноструктурный анализ, метод меченых атомов, инфракрасная спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс и масс-спектрометрия.
Спектральный анализ как один из физических способов определения химического состава вещества основан на изучении спектра испускаемого света (эмиссионный, атомный спектральный анализ). Следовательно, по спектру анализируемого вещества можно установить атомный состав исследуемого материала. Атомные спектры, сфотографированные на фотопластинку, являются одной из самых фундаментальных характеристик химических элементов. Каждый химический элемент периодической системы Менделеева имеет свой спектр, отличный от спектров других элементов. Поэтому эмиссионный спектральный анализ основан на установлении в спектре анализируемой пробы спектральных линий тех или иных химических элементов и измерении интенсивности спектральных линий для установления количественного содержания определяемых элементов. Метод эмиссионного спектрального анализа на спектрографах имеет ряд преимуществ перед химическими методами. Сюда относятся прежде всего его высокая чувствительность и скорость анализа, объективность, документальность, большая точность при анализе малых концентраций вещества и, наконец, возможность одновременного определения нескольких элементов в одной пробе, что позволяет изучать соотношения ряда микроэлементов в биологическом материале при воздействии различных факторов внешней среды на животный организм. Так, П. Е. Тихомиров и Е. Ф. Колокольцев, используя этот метод, показали, что облучение взрослых белых крыс длинноволновыми ультрафиолетовыми лучами вызывает определенные сдвиги в микроэлементном составе костей скелета, в частности большеберцовой кости, отражая тем самым процесс перестройки костной ткани под действием указанного фактора. В наиболее ярко выраженной форме эти изменения касаются таких биологически активных и имеющих важное физиологическое значение элементов, как калий, кальций, марганец, медь, свинец, фосфор и кремний.
Вопрос о биологической роли микроэлементов и процессов их обмена является одним из актуальных в современной гигиене. Изучение связей микроэлементов с белковыми фракциями плазмы, а также распределение их между составными частями эритроцитов важно не только для понимания физиологической роли микроэлементов, но и для оценки тех изменений в их обмене, которые возникают в организме под воздействием различных факторов. Спектрографический метод позволяет определять состав микроэлементов в таких частях плазмы, как фибриноген, глобулины, альбумины и минеральная часть. Аналогичным образом можно изучить микроэлементы в таких частях эритроцитов, как строма, негемоглобиновые белки, минеральная часть и гемоглобин (В. М. Лифшиц).
Так, рассматриваемый метод дает возможность более детально изучить обмен микроэлементов, оценить в какой-то степени причины и механизм его нарушений.
Метод спектрографии может быть с успехом использован в гигиене питания при изучении биологической роли микроэлементов и их содержания в различных пищевых продуктах. Г. К- Осипов и М. Д. Яцюк применяли его для одновременного количественного определения таких мик-кроэлементов, как железо, марганец, медь, молибден, цинк и никель, в суточном пищевом рационе. При этом авторы отметили, что они не встретили в литературе описания методики количественного определения нескольких микроэлементов в пробах пищевых рационов. Средняя квад-ратическая ошибка среднеарифметического из 50 измерений для отдельных элементов колебалась в пределах 2,3—6,6% по разности почернений.
Эмиссионный спектральный анализ не нашел еще широкого распространения в нашей промышленно-санитарной практике, хотя его преимущества перед химическим методом в отношении быстроты и универсальности очевидны; им можно определять свинец и ртуть в воздухе производственных помещений и некоторых биоматериалах (В. А. Разумов и Т. К. Айдаров, 1962, 1964), свинец в крови (М. В. Нифонтова и Л. Н. Терновская).
За сравнительно небольшой срок рентгеноструктурный анализ в физике, химии, биологии и технике стал столь же обычным, как и пользование микроскопом. К сожалению, в гигиенических исследованиях применение этого метода является уникальным. Без данных, полученных на основании наблюдения дифракционной картины, создаваемой рентгеновыми лучами, не существовало бы стройного учения о строении кристаллов из молекул, молекул из атомов и полимеров из молекул. В первые 20—25 лет существования рентгеноструктурного анализа использование его ограничилось относительно простыми случаями. За последние 10—45 лет были приняты методы исследования, позволяющие включить в качестве объектов молекулы, содержащие многие десятки атомов, начать изучение строения белковой молекулы и т. д. С помощью рентгеноструктурного анализа чаще всего решаются такие основные задачи, как выявление и изучение дифракционного спектра вещества, определение фазового состава образца, в том числе и выявление веществ, присутствующих в небольших количествах, и т. д. Наиболее часто возникает необходимость в фазовом анализе. При фазовом рентгеновском анализе состав вещества устанавливают путем сопоставления дифракционного спектра образца с заранее известными дифракционными спектрами различных веществ, наличие которых предполагают в образце. При таком анализе рентгеносъемку производят с помощью характеристического излучения.
Если эмиссионный спектральный анализ дает возможность определить элементарный состав анализируемой пробы, то фазовый рентгеновский анализ позволяет установить вид соединения. Так, исследование с помощью фазового рентгеновского анализа пыли, выделяющейся из
электросталеплавильных печей (Р. А. Нищий), показали, что в ее составе преобладают довольно сложные соединения. Простыми структурными соединениями оказались MgO, А1203, Si02, Fe2C>4, TiN, Cr2N. Большая часть обнаруженных соединений представляла сложные твердые растворы 2 и более простых окислов: алюмомагниевая шпинель (СаО • MgO ■ Si02), мервинит, монтичеллит, железомагниевая шпинель (Mg0-Fe203), оливин [2(MgFe)2 • Si02], алюмосиликат с примесью кальция (2СаО • А1203 • Si62) и др. Сложные силикатные соединения найдены во всех пробах пыли. Таким образом, с помощью рентгеноструктурного качественного фазового анализа в пробах пыли выявлен ряд сложных структурных соединений, которые не удалось обнаружить другими известными методами. Гигиеническую оценку такой пыли необходимо давать с учетом этих сложных структурных соединений.
В последние годы в различных областях химии и некоторых других областях знаний широкое распространение получила инфракрасная спектроскопия как ценный аналитический метод и плодотворный способ исследования строения молекул. Химики, в особенности органики, осознали громадные возможности этого метода и успешно применяют его для решения широкого круга вопросов. М. Т. Голубева впервые применила инфракрасную спектроскопию для определения нефти и отдельных ее компонентов в воде, Н. А. Крылова — для определения фенола, а В. И. Бугрова и В. И. Гриднев — для дифференциации Eschirichia coli и Aerobacter aerogenes.
Сейчас проводят исследования с целью внутривидовой дифференциации стафилококка и энтерококка. При этом инфракрасной спектроскопии подвергаются не сами микробы, а их экстракты. Этот метод может быть применен при гигиенической оценке полимерных материалов.
Метод меченых атомов в большей или меньшей степени проник во все научные дисциплины — от археологии до эпидемиологии. Поэтому было бы безнадежно пытаться даже бегло перечислить все его «заслуги». Важно обратить внимание гигиенистов и санитарных врачей на некоторые аспекты применения этого метода в гигиенических исследованиях. В. Н. Шихов и соавторы с помощью его проводили гигиенические анализы на содержание производственных вредностей; в частности, они использовали радиоактивную серу для проверки полноты поглощения сернистого газа при отборе проб воздуха в условиях производства. Л. Е. Корш и соавторы разработали быстрый метод обнаружения фекального загрязнения воды при помощи радиоизотопа С14 на модели кишечной палочки.
Т. А. Быстрова предпринимала попытку изучить влияние сернистого газа, меченного S3,\ на организм подопытных животных при ингаляционном поступлении. Установлено, что при вдыхании сернистого газа продукты его превращения быстро разносятся кровью по всему организму, задерживаются в органах и остаются в них длительное время. Т. А. Быстрова показала, что сера распределяется по органам неравномерно, с преимущественной локализацией в легких. При повторном вдыхании сернистого ангидрида в крови и органах происходит накопление продуктов его превращения, содержащих серу. Большой интерес представляет применение метода меченых атомов при ингаляционной затравке экспериментальных животных.
При токсикологической и гигиенической оценке новых химических веществ важно получить представление о его распределении с использованием радиоактивной метки. Это возможно путем специального синтеза новых меченых веществ, внедряемых в производство. Необходимость расширения синтеза меченых соединений подчеркивается в Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР о дальнейшем развитии биологической науки.
Нужно подчеркнуть, что метод меченых атомов еще не нашел широкого использования в исследованиях по гигиеническому нормированию, хотя большинство химически вредных веществ вызывает изменения в обменных процессах организма, которые можно регистрировать при помощи радиоактивных изотопов. Г. А. Малов в экспериментах по нормированию тиофоса в водоеме изучал включение серы-35 и фосфо-ра-32 в кровь, печень, почки, селезенку, белковую и фосфолипидную фракцию печени и почек. Действующая концентрация тиофоса была на уровне 0,5 мг на 1 кг веса животных. При такой концентрации у подопытных животных не отмечено изменений в весе, крови и активности холинэстеразы.
Таким образом, метод радиоактивных индикаторов оказался одним из наиболее чувствительных.
Известно, что кальций, являясь важным для жизни организма элементом, принимает активное участие в разнообразных функциях организма (регуляция обмена веществ, уплотнение стенок сосудов и уменьшение проницаемости клеток, построение скелета и т. д.). В связи с этим изучение распределения и выведения радиоактивного кальция из организма подопытных животных можно рекомендовать при химических и физических воздействиях, влекущих за собой указанные выше изменения. Большой интерес представляет также исследование распределения некоторых меченых аминокислот, витаминов и др., например С14-аспарагиновой кислоты, по органам и тканям крыс (В. Ф. Марке-лова), распределения и выведения С14-никотиновой кислоты у крыс (В. К. Модестов и А. Б. Соколов), влияния селена на включение 535-ме-тионина и 535-цистеина в ткани животных и выделение с мочой продуктов обмена этих аминокислот (Н. М. Фильчагин), воздействия свинца, бензола и а-метилстирола на скорость включения радиоактивного метионина в белки различных отделов желудочно-кишечного тракта (Л. Л. Брагинская и В. А. Суханова). При изменении температуры внешней среды в сторону как ее повышения (30—32°), так и понижения (5—6°) включение метионина, меченного Б35, в белки плазмы, печени и мышц крыс значительно увеличивается (Р. И. Салганик).
Использование радиоактивных изотопов для изучения проницаемости кровеносных капилляров—наиболее объективный, простой и физиологический метод. Функция проницаемости капилляров обычно нарушается до развития явной клинической картины поражения вредными веществами. Т. А. Попов и В. Ф. Жевертеева предлагают изучать проницаемость сосудисто-тканевых барьеров при помощи радиоизотопа фосфора-32. Сами они проводили эти исследования в условиях дини-трофенольной интоксикации.
С помощью метода меченых атомов можно изучать функциональное состояние щитовидной железы, печени и почек. Р. Д. Габович и Н. В. Вержиковская определяли влияние фтористых соединений на поглощение радиоактивного йода щитовидной железы, М. Е. Зельцер исследовал распределение йода-131 в щитовидной железе, плазме крови и слюнной железе при экспериментальном свинцовом отравлении. И. Н. Аксюк показала, что повышенное содержание марганца при избыточном количестве жира в пищевом рационе (55% по калорийности) и обеспеченности его йодом приводит к угнетению функциональной способности щитовидной железы, определяемой при помощи йода-131. Аналогичные изменения в щитовидной железе отмечены А. И. Штен-бергом и соавторами, изучавшими влияние кобальта на фоне недостаточной йодной обеспеченности. При гигиеническом нормировании вредных веществ в водоеме применялись бенгальский розовый, меченный йодом-131, для изучения функционального состояния печени (Г. Н. Красовский и И. А. Будеев) и проба с Л13,-гиппураном для изучения функции почек (Г. Н. Красовский и соавторы).
Таким образом, метод меченых атомов расширяет наши методические возможности при экспериментальных гигиенических исследованиях. Жизнь требует более активного внедрения его в практику гигиенических работ.
Одним из новых физических методов, нашедших применение не только в физике, но и в химии и биологии, является метод магнитного резонанса. С его помощью определялось строение сложных молекул, жидкостей, кристаллов, исследуют химические реакции и радикалы, структуру полимеров и биологических объектов. Круг вопросов, решаемых методом магнитного резонанса, с каждым годом расширяется; ширится техническое использование его. Японская фирма, выпускающая приборы для магнитного резонанса, в качестве своей эмблемы избрала ключ, вокруг которого по орбите движется электрон. И действительно, для многих исследователей метод магнитного резонанса стал тем «ключом», с помощью которого открываются двери в такие области, куда еще совсем недавно ученые не могли проникнуть.
Известно, что основными физическими характеристиками элементарных частиц являются их масса, электрический заряд, магнетизм и наличие собственного момента количества движения. Метод парамагнитного резонанса позволяет определить величину магнитного момента частицы. Эта величина векторная, так как взаимодействие магнитного момента с внешним магнитным полем или другим магнитным моментом зависит от его ориентации. Происхождение магнитных свойств элементарных частиц современная наука связывает с наличием у элементарных частиц собственного момента количества движения, или спина. Под понятием резонанса, как правило, подразумевается совпадение собственной частоты колебаний какой-либо системы с частотой внешних вынуждающих колебаний. Поэтому при помещении частицы, обладающей собственным магнитным моментом, в магнитном поле можно определить величину магнитного момента с помощью соответствующего уравнения. В связи с этим в приборе для определения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР-спектрометра) одним из главных узлов является электромагнит для создания магнитного поля.
М. М. Петяев и соавторы установили, что под воздействием фенолов в условиях производства на людей обнаружены изменения интенсивности сигнала ЭПР. Однозначные результаты были получены в эксперименте на животных. Механизм подобных изменений обусловлен тем, что фенолы и некоторые производные служат ингибиторами, способными подавлять активность свободно-радикальных процессов, имеющих место при окислительно-восстановительных реакциях в живой клетке. Действие этих ингибиторов может отчетливо проявляться при содержании их в крови в очень малых, нетоксических концентрациях. Вместе с тем фенолы и их производные сами способны к образованию свободных радикалов, которые адсорбируясь на белковую подложку, например эритроциты, могут давать эффект увеличения интенсивности сигнала ЭПР от этих объектов. При поликлиническом обследовании рабочих наблюдаемых групп признаки интоксикации фенолами у них не были обнаружены. Следовательно, применение электронного парамагнитного резонанса позволяет вскрыть ранние изменения в организме. В заключение авторы подчеркивают, что одной из перспективных форм применения указанного метода в профпатологии и токсикологии является изучение коэффициентов содержания свободных радикалов в тканях внутренних органов, а это очень важно для понимания молекулярных механизмов патогенеза. Таким образом, использование метода помогает проводить исследования на молекулярном уровне.
Отмечается все возрастающее применение физических методов исследования в гигиене. И это не случайно, так как они позволяют санитарному врачу и химику решать задачи, которые раньше считались не-
разрешимыми. Кроме того, появилась возможность находить ответы на интересующие вопросы в течение более короткого времени, чем прежде. Поскольку время — самая большая ценность, в лаборатории химиков-органиков используются даже самые дорогие приборы, обеспечивающие экономию времени. Масс-спектрометрия стала использоваться в органической химии с недавнего времени— 1960 г., а до этого ею занимались физики и некоторые группы химиков, работающие в специальных областях. Но в последние годы масс-спектрометрия развивалась чрезвычайно бурно, и можно утверждать, что через несколько лет лаборатория органической химии не сможет обойтись без масс-спектрометра, так же как сейчас трудно найти лабораторию без фото-электроколориметра и спектрофотометра.
Масс-спектрометрия — метод исследования вещества по спектру масс атомов и молекул, входящих в ее состав. Сущность метода состоит в том, что ионизированные атомы и молекулы вещества разделяют по величине отношения гп/е (ш — масса, е — заряд тока). Из полученного масс-спектра определяют величины масс и относительное содержание компонентов в исследуемом веществе. Первоначальными задачами масс-спектрометрии было исследование изотопного состава элементов и прецизионное определение масс атомов. В дальнейшем она стала универсальным аналитическим методом, широко применяющимся в экспериментальной физике, химии, биологии, геологии и технике. Следует подчеркнуть высокую чувствительность масс-спектрометрического метода— она находится на уровне Ю-8 мкг. Он более чем в 105—10б раз выше чувствительности фотоколориметрических, полярографических и спектральных и более чем в 1010 раз выше чувствительности химических методов весового и объемного анализа.
Известно, что минимальная из разработанных советскими гигиенистами предельно допустимых концентраций атмосферных загрязнений близка к Ю-4 мг/м3. Для определения такой концентрации при помощи масс-спектрометрического метода объем пробы воздуха может составлять 1 — 10 см3; иначе говоря, для отбора проб атмосферного воздуха могут быть использованы обычные медицинские шприцы (М. Т. Дмитриев и Н. А. Китросский).
Таким образом, применение новых физических методов позволит гигиенистам и санитарным врачам поднять гигиеническую науку на новую методическую ступень.
ЛИТЕРАТУРА
Аксюк И. Н. Вопр. питания, 1965, № 1, с. 53. — Брагинская Л. Л., Суханова В. А. Гиг. труда, 1966, № 5, с. 26. — Бугрова В. И., Гридне в В. И. Гиг. и сан., 1966, № 7, с. 64. — Б ы с т р о в а Т. А. "Там же, 1957, № 5, с. 30. — Г а-б о в и ч Р. Д., Вержиковская Н. В. Пробл. эндокрин., 1958, № 3, с. 49. — Дмитриев М. Т., Китросский Н. А. Гиг. и сан., 1966, № 7, с. 54. —3 е л ь ц е р М. Е. Изв. АН Казахск. ССР. Серия мед. наук, 1963, в. 1, с. 66. — К р а с о в с к и й Г. Н., Будеев И. А. В кн.: Вопросы гигиены в связи с развитием большой химии. М., 1964, с. 56. — Красовский Г. Н., Давыдова С. Г., Скачкова И. Н. В кн.: Гигиеническая оценка химических факторов внешней среды. М., 1966, с. 50. — Крылова Н. А. Гиг. и сан., 1966, № 9, с. 54. — Лифшиц В. М. Лаб. дело, 1965, № 11, с. 655. — Малов Г. А. Гиг. и сан., 1957, № 7, с. 3.—Маркелова В. Ф. Труды Центрального ин-та усовершенствования врачей. М., 1964, т. 71, с. 163. — Модестов В. К., Соколов А. Б. Труды Центрального ин-та усовершенствования врачей. М., 1964, т. 71, с. 194. — Нифонтова М. В., Тер но век а я Л. Н. Лабор. дело, 1961, № 12, с. 13,—Нищий Р. А. Гиг. труда, 1965, № 11, с. 45. — О с и п о в Г. К., Я цюк М. Д. Вопр. питания, 1965, №6, с. 79. — Петя ев М. М., Хлебникова М. И., Малышева В. В. и др. Гиг. и сан.. 1966, № 10, с. 17. — Разумов В. А., Айдаров Т. К. Там же, 1962, № 8, с. 44.—Они же. Труды по химии и химической технологии. М., 1964, в. 3, с. 397. — Салганик Р. И. В кн.: Опыт применения радиоактивных изотопов в медицине. Киев, 1955, с. 61. — Тихомиров П. Е., Колокольцев Е. Ф. В кн.: Материалы к научной конференции по теме «Вопросы профилактики заболеваемости населения. Горький, 1966, с. 9. — Фильчагин Н. М.—
Вопр. питания, 1965, № 4, с. 78. — Ш и х о в В. Н., М а к у р и н П. И., Долгополо-в а В. 3. В кн.: Научные работы ин-тов охраны труда ВЦСПС, 1965, в. 5, с. 105. — Штенберг А. И.. Кусевицкий И. А., Аболынь Э. Э. Вопр. питания, 1963, № 3, с. 41.
Поступила 31/1 1967 г.
УДК 614.7:546.96.02
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИОРУТЕНИЯ В ОБЪЕКТАХ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
Канд. мед. наук В. К■ Тихомиров, Н. В. Петрухин
Широкое использование ядерной энергии в мирных целях ставит перед санэпидслужбой задачу определения в объектах внешней среды не только наиболее опасных для здоровья человека радиоизотопов строн-ция-90 (Sr90) и цезия-137 (Cs137), но и таких, токсичность которых значительно меньше, например рутения-103 (Ru103) и рутения-106 (Ru106). Значительный выход их (до 20%) при делении ядерного горючего и сравнительно большие периоды полураспада (366,6 дня у Ru106 и 39,8 дня у Ru103) создают определенные трудности при обработке и хранении отходов предприятий атомной промышленности, а изобилие степеней окисления затрудняет процесс очистки радиоактивных сточных вод. В ряде работ (В. И. Спицын с соавторами, А. А. Титлянова и Н. А. Тимофеева; А. С. Белицкий и Е. А. Орлова; Д. И. Ильин с соавторами; Браун с соавторами; Rohlit и Rajewsky) отмечается, что радиоактивные изотопы Ru очень слабо сорбируются почвами и поэтому могут мигрировать на значительные расстояния, загрязняя открытые водоемы, расположенные вблизи предприятий атомной промышленности. По данным Anrand и Behrens, содержание Ru106 в прудах и реках, а также в грунтовых и подземных водах превышает содержание Sr90 в 3—20 раз, а Cs137 — в 30—100 раз. Кроме того, радиорутений может попадать в организм человека с пищей, в особенности корнеплодами, где он способен накапливаться в заметном количестве (И. В. Гулякин и Е. В. Юдинце-ва; Н. В. Куликов с соавторами). Данные Л. Н. Бурыкиной заставляют пересмотреть существующий за рубежом взгляд (Thompson с соавторами; Bruce и Сагг) на радиоизотопы Ru как малотоксичные для организма человека. При изучении хронического действия Ru106 в дозах, близких к предельно допустимым, рекомендованным Морганом для воды, была выявлена его токсичность уже в ранних стадиях эксперимента (Э. Б. Курляндская).
Как правило, все методики выделения радиоизотопов Ru предусматривают использование носителя, который обычно готовят из металлического Ru. Некоторые авторы (В. Гиллебранд с соавторами; Musil и Pietsch) предлагают для растворения металлического порошка проводить сплавление его с едким натром и перекисью натрия в серебряном тигле. Однако более простым и легко осуществимым способом является растворение металлического Ru в 5—8% растворе гипохлорита натрия при избытке щелочи (Howe и Mercer). Из полученного раствора рутена-та натрия добавлением при яагревании спирта осаждают гидроокись рутения черного цвета, легко растворимую в горячем 1 н. растворе HCl (И. Е. Старик и А. В. Косицын).
Подготовка проб почвы заключается в предварительном подсушивании их при 100—110°. Прокаливание почвы, а также растительности и биоматериалов производят при 400—500° (Riley) в течение часа, так
