CC BY
29
А. И. Мухамадеева (асп.)1, Е. А. Кантор (д.х.н., проф., зав. каф.)1,
Г. Г. Ягафарова (д.т.н., проф., зав. каф.)2, С. А. Кирлан (д.х.н., зав. лаб.)3
Прогнозирование безопасных уровней воздействия органических веществ в водоемах рыбохозяйственного значения
Уфимский государственный нефтяной технический университет 1 кафедра физики, 2кафедра прикладной экологии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431737, e-mail: [email protected] 3Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 65; тел. (347) 2433614, e-mail: [email protected]
A. I. Mukhamadeeva1, Е. А. Kantor1, G. G. Yagafarova2, S. A. Kirlan3
Prediction of safe exposure levels of organic substances in reservoirs fish industry
1,2Ufa State Petroleum Technological University
1, Kosmonavtov Str, 450062 Ufa, Russia; ph. (347) 2431737, e-mail: [email protected] 3The Scientific-Research Technological Institute of Herbicides and Plant Growth Regulators 65, Ulyanovyih Str, 450029, Ufa, Russia; ph. (347) 2433614, e-mail: [email protected]
Предложен теоретический подход к определению классов опасности новых органических веществ, с применением компьютерной системы «БАКО-21». Сформирован прогнозный комплекс моделей для интервальной оценки ориентировочно безопасных уровней воздействия органических соединений в воде водоемов рыбохозяйственного значения. Комплекс моделей апробирован на ряде органических соединений с известными значениями предельно допустимых концентраций. Достоверные результаты прогноза (более 70%) подтверждают возможность применения предложенного комплекса на стадии предварительной оценки токсичности органических веществ.
Ключевые слова: водоем; класс опасности; комплекс моделей; органическое соединение; предельно допустимая концентрация; прогнозирование; уровень воздействия.
A theoretical approach to definition of hazard classes of new organic substances using computer system «SARD-21» are proposed. Predictive models for complex formed of interval estimation of the safe exposure levels of organic compounds in the water of reservoirs fish industry are announced. Complex of models tested at a number of organic compounds with known values of maximum allowable concentrations. Reliable results forecast (70% more) confirm the applicability of the proposed complex at the stage of preliminary toxicity assessment of organic substances.
Key words: complex models; forecasting; hazard class; level of exposure; the organic compound; the maximum permissible concentration; water.
В результате активной деятельности промышленных предприятий и сельского хозяйства в водоемы поступает большое количество разнообразных по химическому составу загрязняющих органических веществ, которые необходимо рассматривать как постоянно действующий и нарастающий негативный фактор для водной экосистемы.
Большинство из этих веществ имеют установленные гигиенические нормативы содержания в водоемах — предельно допустимую концентрацию (ПДК) химического вещества 1,2. Однако для многих веществ нормативные значения не определены, при этом с каждым го-
Дата поступления 27.04.13
дом растет количество новых синтезированных химических соединений с полезными свойствами, но с неизвестными характеристиками негативного воздействия.
Существуют определенные сложности установления экологических нормативов: большая стоимость и трудоемкость определения токсикологических параметров химических соединений и значений предельно допустимых концентраций. В этой связи все более актуальными являются подходы к доэксперименталь-ной оценке опасности вредного воздействия химических соединений на окружающую среду. Согласно нормативным документам в области гигиенического нормирования 1,2 для ве-
ществ, не имеющих установленного значения ПДК, допустимо использование временного гигиенического норматива — ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ), разрабатываемого на основе расчетных и эксп-ресс-экспериментальных методов прогноза токсичности.
Материалы и методы исследования
Предлагается теоретический подход на основе теории распознавания образов с применением комплекса математических моделей для оценки интервалов значений безопасных концентраций органических веществ, не оказывающих вредного воздействия на водную экосистему. Для создания моделей и формирования комплекса применена компьютерная система SARD-21 (Structure Activity Relationship&Design) 3,4.
В качестве исходной информации использованы фрагменты структур молекул органических соединений и экспериментально установленные значения их ПДК (мг/л). Исследуемый массив состоял из 180 структур с известными значениями ПДК в воде рыбохозяйственного значения, установленными по токсикологическому лимитирующему показателю вредности (ЛПВ) 1. Массив представлен различными классами органических соединений: производные триоксанов, триазинов, бензотиазолы, пиперидины, пиридины, индолы, дитианы, нафталин, гидантаин, оксолан, пиразин, антра-хинон, ароматические соединения, ациклические углеводороды.
Формирование моделей для оценки интервалов ОБУВ производилось на основе разделения исследуемого массива на две альтернативные группы. К активным соединениям (группа А) отнесены соединения с меньшим значением ПДК, проявляющие более высокую токсичность; к группе неактивных (группа В) — соединения с большим значением ПДК, проявляющие меньшую токсичность. Границы разделения соединений на группы выбраны с учетом распределения соединений по классам опасности, согласно Приказу Росрыболовства
от 04.08.2009 N 695 «Об утверждении Методических указаний по разработке нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения».
Определены следующие интервалы для теоретической оценки значений ОБУВ органических соединений (мг/л): < 0.0001 — 1 и 2 класс опасности (чрезвычайно опасные и высокоопасные вещества соответственно); 0.00011<0БУВ<0.001 — 3 класс опасности (опасные соединения); 0.0011<0БУВ<0.01; 0.011<0БУВ<0.1; более 0.11 (4 класс — умеренно опасные вещества).
При формировании моделей с границей разделения по значению ПДК 0.0001 и 0.01 мг/л в альтернативные группы включены различные по количественному и структурному составу органические соединения, подбираемые с целью получения моделей с оптимальным уровнем распознавания (>70%). Так, в группу А (интервал ПДК<0.0001) не включены ациклические структуры (табл. 1). При формировании моделей с интервалом 0.011<ПДК<0.1 из всех альтернативных групп исключены ациклические структуры.
Результаты и их обсуждение
В результате исследования сформированы 52 математических моделей для оценки интервалов ОБУВ органических веществ в воде рыбохозяйственного значения (табл. 1).
Каждой модели соответствует определенный решающий набор признаков (РНП), с помощью которого осуществляется теоретическая оценка интервала ОБУВ и класса опасности органических соединений. Сформированные модели применены для генерации прогнозного комплекса, содержащего соответствующие РНП (табл. 2). При прогнозе по комплексу учитываются результаты оценки интервала по каждой модели.
Таблица 1
Характеристики моделей для оценки интервалов ОБУВ
№ Интервал значений ОБУВ (в мг/л) Кол-во соединений в массиве Кол-во моделей Уровень распознавания, %
А В А В Всего
1 < 0.0001 > 0.0001 30 150 180 9 71-84
30 107 137 7 71-84
2 < 0.001 > 0.001 65 115 180 7 71-84
3 < 0.01 > 0.01 120 74 180 9 75-84
89 38 127 7 71-80
4 < 0.1 > 0.1 138 56 180 13 71-84
РНП для оценки класса опасности органических веществ
№ Фрагментные признаки, входящие в РНП r*
Чрезвычайноопасные и высокоопасные соединения
1 (->P=S)&(-O-)&(>C=C<) 0.43В
2 (>C=O) - (-OH) # (-O-) -(>C=C<) # (>C<)-(>C=C<) 0.203
3 (>C=O) - (>C=C<) ! {(-CH2het-)-(>C=O) ! (>C<)-(F) -0.308
4 (-CH2het-) - (>C=O) # (>CH-)-(>N-) # (>CH-)-((CH2k..1o) -0.206
Опасные соединения
5 (->Р=Э) ! (м-зам.фенил) ! Р 0.350
6 (фенил) # (-Н Ие^# (-СН2ІіеН 0.218
7 (>С=0) - (>С=С<) - (>С=С<) -0.173
В (-Ы=С<) # (-ЫН-) # (-О-) -0.265
9 (>СН-) # (фенил) # (л-зам.оксиран) 0.279
10 (>С=С<)-(>С=С<) # (>С=0)-(>С=С<) # (-СН2-)-(-Ы=С<) 0.359
11 (>С=0) # (Р) # (>N1-) -0.233
12 (-Ы=С<) # (-О-)# (>N1-) -0.218
Умеренноопасные соединения
13 (>C=C<) - (>C=C<) # (>C=O)-(>C=C<) # (-CH2-)-(N=C<) 0.351
14 (-NH-) - (>C=C<) # (-CH3)-(>C=C<) # (>C<)-(>C=C<) 0.253
15 (>C=O) #(-NH-) # (>CH-) -0.219
16 (>C=O) - (>C=C<) - (>C=C<) -0.105
Примечания: г — коэффициент информативности; # — обозначение логической операции «конъюнкция»; ! — обозначение логической операции «строгая дизъюнкция»; & — обозначение логической операции «дизъюнкция».
Апробация полученного прогнозного комплекса моделей проведена на ряде из 24 экзаменационных соединений, не включенных в обучающий массив. Экзаменационный ряд содержал различные ациклические и ароматические соединения, производные пиридина, индазола, триазина с известными значениями ПДК в воде водоемов рыбохозяйственного значения. Модели, имеющие границу разделения на альтернативные группы 0.1 мг/л (группа А-59 соединений, группа В — 50 соединений, табл. 1), применены для оценки ОБУВ по алгоритмам «геометрия» и «голосование»; остальные модели применялись для оценки только по алгоритму «геометрия». В результате апробации комплекса моделей получена
правильная оценка интервалов ПДК органических соединений 1 и 2 классов опасности на уровне 79%; 3 класса опасности — на уровне 71%; 4 класса опасности с границей ПДК 0.1 мг/л - 83%.
Сформированный комплекс моделей может применяться для теоретической оценки интервалов ОБУВ органических соединений в воде водоемов рыбохозяйственного значения, а также для отнесения их к классам опасности на стадии предварительной оценки токсичности, что позволит оптимизировать процесс определения эколого-гигиенических нормативов неисследованных химических соединений и сократить затраты на разработку новых веществ.
Литература
1. Приказ Росрыболовства от 04.08.2009 №695 (За- 1.
регистрировано в Минюсте РФ 03.09.2009 №14702).
2. Приказ Росрыболовства от 18.01.2010 №20 .— 2.
2010.
3. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Кирлан С.А. // Программные модули компьютерной системы БЛКО-21 для прогноза и моделирования биологически активных химических соединений
(Ии).— 2011.— №2011612273.
4. Мухамадеева А. И., Кирлан С. А., Ягафаро-ва Г. Г., Сементеева Л. Ш, Кантор Е. А. //
Баш. хим. ж.— 2012.— Т.19, №3.— С.85.
References
Prikaz Rosrybolovstva ot 04.08.2009 №695 (Zaregistrirovano v Minjuste RF 03.09.2009 № 14702).
Prikaz Rosrybolovstva ot 18.01.2010 №20 .-2010. Svidetel’stvo ob oficial’noj registracii programmy dlja JeVM. Kirlan S.A. //Programmnye moduli komp’juternoj sistemy SARD-21 dlja prognoza i modelirovanija biologicheski aktivnyh himicheskih soedinenij (RU).- 2011.- №2011612273.
4. Muhamadeeva A. I., Kirlan S. A., Jagafaro-va G. G., Sementeeva L. Sh, Kantor E. A.// Bash. him. z.-2012.- T.19, №3.- P.85.
