CC BY
15Вестник Томского государственного университета. Химия. 2018. № 11. С. 23-31
УДК 543.423.1
DOI 10.17223/24135542/11/2
В.И. Отмахов, Е.С. Рабцевич, Д.А. Горст, Е.В Петрова, Д.Е. Бабенков
Национальный исследовательский Томский государственный университет
(г. Томск, Россия)
Создание методики определения элементного состава клещей для оценки их восприимчивости к возбудителям клещевых инфекций
Создана методика атомно-эмиссионного спектрального анализа клещей, позволяющая по содержанию в них эссенциальных, условно эссенциальных, токсичных и потенциально токсичных химических элементов оценивать уровень природно-очаговых инфекций. На основании результатов анализа установлено, что повышенное содержание ряда металлов в клещах влияет на их биологию и морфологию, приводя к снижению их иммунитета и повышению восприимчивости к возбудителям природно-очаговых инфекций.
Ключевые слова: тяжелые металлы; клещи; спектральный анализ; методика выполнения измерений; малый скрининг.
Введение
В последние годы возросло внимание экологов и эпидемиологов к новому направлению исследований природно-очаговых инфекций - прогнозированию их распространения в условиях глобального потепления климата, ведущего к расширению ареала иксодовых клещей, и техногенного загрязнения окружающей среды [1]. К настоящему времени получено достаточно данных, свидетельствующих о том, что выбросы от автотранспорта, содержащие ионы токсичных металлов (ТМ) - Cd, Zn, Pb, №, Mn Fe, ^ и др., -приводят к деградации экосистем в результате загрязнения атмосферного воздуха, воды и почвы, особенно вдоль автотрасс. Выбросы автотранспорта составляют до 79% от общего количества выбросов в окружающую среду. Установлено, что загрязнение почв токсичными металлами влияет на биологию и морфологию клещей (рис. 1), приводя к снижению иммунитета кровососущих и, как следствие, повышению восприимчивости клещей к патогенным агентам [2]. Наиболее пагубное влияние на флору и фауну оказывают ТМ. Согласно литературным данным [3], в организме самок иксодовых клещей, собранных вдоль автострад, обнаружено аномальное содержание ТМ, в 1,5-2 раза превышающее содержание ТМ в клещах, обитающих вдали от дорог. Высказывается предположение, что существует причинно-следственная связь между силой давления антропогенного пресса и ростом опасности активизации природных очагов клещевых инфек-
ций. Ранее для оценки зараженности клещей определяли содержание токсичных металлов в образцах почв, взятых в местах их обитания [4].
Рис. 1. Внешний вид иксодовых клещей с разными формами патологии экзоскелета за счет превышенного содержания ТМ [4]
Актуальность работы заключается в том, что впервые создана методика спектрального анализа индивидуальных особей клещей для установления их элементного статуса, позволяющая оценить возможность снижения иммунитета кровососов к патогенным агентам.
Цель исследования - создание методики спектрального анализа для установления элементного статуса индивидуальных особей клещей с последующей оценкой влияния ТМ на экзоскелет и зараженность иксодовых клещей, собранных на загрязненных территориях.
Для изучения влияния ТМ на зараженность и состояние экзоскелета были собраны образцы клещей в разных районах г. Томска. Их элементный состав исследовали методом дуговой атомно-эмиссионной спектроскопии с многоканальным анализатором эмиссионных спектров (ДАЭС с МАЭС) с использованием спектроаналитического комплекса «Гранд» [5, 6]. Для оценки возможности метода ДАЭС в части чувствительности при анализе одной особи клеща был поставлен специальный эксперимент. В кратер угольного электрода вводили навеску угольного порошка массой 0,008 г, на которую помещали одну особь клеща. Далее по процедуре пробоподго-товки проводили обугливание пробы одной каплей концентрированной серной кислоты с последующим введением второй навески угольного порошка массой 0,007 г, которая полностью накрывала исследуемый объект. Графитовый электрод с пробой прокаливали при температуре 450 °С в течение одного часа. Суммарная масса угольного порошка в электроде (коллектор контролируемых элементов) соответствовала массе каждого из стандартных образцов (СОГ-37) [7], используемых для построения градуи-ровочных графиков. Приготовленную таким образом пробу испаряли из канала (анод) электрода (глубина, диаметр кратера - 0,004, 0,0045 м). Катодом служил электрод, заточенный в форме конуса (в работе использовали
Экспериментальная часть
графитовые электроды для спектрального анализа ОСЧ-7-4). Условия регистрации спектров: постоянный ток 13 А; расстояние между электродами -0,003 м; ширина щели - 3,0 • 10—5 м; диафрагма - 0,005 м; накоплений — 160; длительность накоплений — 125 мс; полная экспозиция — 20 с. В табл. 1 приведены результаты определения элементов в одной особи клеща и в двух клещевых особях с учетом поправки контрольного опыта.
Для максимально полного соответствия анализируемых проб стандартным образцам на основе угольного порошка СОГ-37 по содержанию и химической форме макроэлементов проведено исследование анионного состава зольного остатка клещей. Исследование проводили методом ИК-спектрометрии с применением Фурье спектрометра «Nicolet 6700» (Termo Scientific, USA).
Метрологическую аттестацию предлагаемой методики анализа клещей на содержание макро- и микроэлементов проводили по алгоритму «метод оценки показателей качества методики анализа с применением метода варьирования навески» РМГ 61-2010 [8].
& =
& =
(x - * )2
L -1
Zti(*- x )2
2
01
L -1
(1)
(2)
t = -г===, (3)
L L
0 = x - x, (4)
Дс = 1,96^ + ^ = 1,96а (Дс ) = 1,96стс, (5)
Дв = |ДЯ| = Д = 1,96^а2я + а2я = 1,96а (Д) . (6)
С целью оценки показателей качества измерений количество одновременно анализируемых особей клещей было увеличено до 10 штук. В соответствие с этим масса угольного порошка, являющегося коллектором их зольного остатка, была также увеличена в 10 раз (0,1500 г). Для набора статистических данных в чистую прокаленную до постоянной массы кварцевую чашку помещали 0,075 г угольного порошка, на поверхности которого равномерно размещали 10 особей клещей общей массой 0,0329 г. После их предварительного обугливания несколькими каплями концентрированной серной кислоты (ОСЧ) и высушивания под ИК-лампой при температуре (100 ± 5)°С добавляли еще 0,0750 г угольного порошка, так что общая его масса без учета массы клещей составляла 0,1500 г. Полученную смесь озоляли в муфельной печи при температуре (450 ± 10)°С до постоянной массы. После озоления масса полученного минерализата составила (145 ± 5) мг. Это указывало на то, что органическая составляю-
щая клещей полностью минерализована, а неорганическая распределилась в графитовой матрице. Некоторое уменьшение массы минерализата обусловлено потерями, которые полностью устранить при осуществлении процедуры пробоподготовки невозможно, но они учтены при расчетах показателей качества измерений.
После тщательной гомогенизации полученной пробы 5 навесок по 0,0150 г помещали в графитовые электроды и проводили регистрацию спектров в условиях, указанных выше. Результаты параллельных определений, полученные в условиях внутрилабораторной прецизионности, представлены в табл. 2. Из оставшейся пробы брали навеску массой 0,0500 г, добавляли к ней 0,0250 г угольного порошка, что соответствовало ее 1,5-кратному разбавлению, и снова гомогенизировали. Затем так же, как и в предыдущем опыте, пять навесок по 0,0150 г помещали в кратер графитовых электродов и осуществляли регистрацию спектров. Результаты параллельных определений, полученных в условиях внутрилабораторной прецизионности, представлены в табл. 3. Параллельно по всей процедуре пробоподготовки проводили контрольный опыт.
Результаты и их обсуждение
Из табл. 1 видно, что методом ДАЭС с МАЭС можно определять элементный состав отдельных особей клещей при их индивидуальном рассмотрении; чувствительность метода позволяет проводить аналитический контроль 17 элементов, 4 из которых являются макрокомпонентами (Р, Na, Ca, К).
Таблица 1
Элементный состав отдельных особей клещей, установленный методом ДАЭС с МАЭС (малый скрининг)
№ п/п Элемент Содержание в клеще, мкг/г
1 клещевая особь 2 клещевые особи
1 Фосфор (Р) 9 260 13 300
2 Натрий (№) 4 210 6 350
3 Кальций (Са) 3 160 5 110
4 Калий(К) 2 490 4 450
5 Магний (М8) 730 810
6 Железо (Ее) 560 1 730
7 Кремний (Б1) 340 1 180
8 Алюминий (А1) 150 680
9 Цинк (7п) 105 435
10 Никель (N1) 27 33
11 Медь (Си) 16 26
12 Марганец (Мп) 6,4 27
13 Титан ("Л) 49 90
14 Барий (Ва) 2,0 6,3
15 Олово (Бп) 1,6 4,7
16 Кадмий (С(1) 1,1 2,6
17 Кобальт (Со) 0,9 1,2
На ИК-спектре поглощения зольного остатка клещей (рис. 2) видно, что основная полоса поглощения, лежащая в области 1 100-1 000 см-1, принадлежит фосфат ионам - РО43- (VI - деформационные колебания). Полосы поглощения 1 500-1 400 см-1 ^ - валентные колебания) и 873 см-1 принадлежат карбонат ионам - СО32- [9]. На основании исследования катион-ного и анионного состава зольного остатка клещей следует предположить, что он представлен главным образом фосфатами и карбонатами калия, кальция и натрия, что необходимо учитывать при определении микропримесей на стадии пробоподготовки и аттестации методики.
Рис.2. ИК-спектр поглощения зольного остатка клещей в области 2000-500 см1. По оси абсцисс - частота, см-1, по оси ординат - поглощение, %
В табл. 2, 3 представлены данные для расчета внутрилабораторной прецизионности.
Таблица 2
Концентрации элементов в клещах, установленные методом ДАЭС с МАЭС неразбавленного минерального остатка в условиях внутрилабораторной прецизионности
Элемент Концентрация в клещах, мкг/г
Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 X
Р 2 632 2 955 2 950 2 978 3 138 2 932
Са 1 732 1 735 1 878 1 730 2 024 1 820
Mg 282 318 359 399 422 356
Ее 412 465 486 542 559 492
278 314 318 338 387 321
А1 286 304 319 333 388 326
Окончание табл. 2
Элемент Концентрация в клещах, мкг/г
х1 х2 хз х4 х5 X
7и 246 269 287 313 347 292
N1 19,7 20,1 20,7 21,2 22,7 20,9
Си 16,4 14,6 16,5 15,5 16,4 15,9
Мп 9,8 10,9 11,4 12,8 13,2 11,6
11 156 163 184 207 225 187
Ва 4,4 4,7 4,7 5,1 6,6 5,1
Бп 0,77 0,78 0,82 0,85 0,86 0,80
са 0,93 0,98 1,02 1,17 1,30 1,10
Со 0,95 0,95 1,15 1,21 1,35 1,10
Таблица 3
Концентрации элементов в клещах, установленные методом ДАЭС с МАЭС разбавленного в 1,5 раза минерального остатка в условиях внутрилабораторной прецизионности
Элемент Концентрация в клещах, мкг/г
х1 х2 х3 х4 х5 X
Р 2 449 2 624 2 917 3 092 3 326 2 882
Са 1 831 1 941 2 379 1 557 1 776 1 897
Mg 322 339 375 380 417 367
Ее 434 445 527 529 578 503
Б1 273 280 327 355 375 322
А1 291 302 311 321 341 313
гп 255 286 309 312 331 298
N1 16,7 19,5 21,2 23,3 24,3 21,0
Си 14,9 15,8 15,8 15,3 15,8 15,5
Мп 10,2 11,2 12,6 13,3 13,8 12,2
Т1 154 169 179 188 216 181
Ва 5,05 5,54 5,91 6,72 7,12 6,10
Бп 0,71 0,73 0,79 0,81 0,83 0,80
са 0,95 1,18 1,38 1,40 1,51 1,30
Со 0,99 1,09 1,28 1,35 1,48 1,20
Таблица 4
Диапазоны измерений, относительные значения показателей точности,
правильности и внутрилабораторной прецизионности методики спектрального анализа клещей при доверительной вероятности Р = 0,95
Элемент Диапазон измерений, мкг/г А, % аи, % ас, % Ц %
Эссенциальные жизненно важные химические элементы
Р 2 500-3 500 22 10 6 25
Са 1 500-2 500 29 12 8 33
А1 300-400 22 9 6 26
Mg 300-500 31 13 8 35
Ее 400-600 28 11 8 32
Окончание табл. 4
Элемент Диапазон измерений, мкг/г A, % or, % Oc, % R, %
Si 270-400 30 12 8 34
Zn 200-400 27 11 7 30
Ti 100-200 33 14 9 37
Токсичные, потенциально токсичные и условно эссенциальные химические элементы
Ni 10-20 25 10 7 29
Cu 10-20 10 4 3 11
Ba 1-10 39 17 1 47
Mn 10-20 28 12 8 32
Cd 1-5 40 18 10 49
Co 0,5-2,0 37 16 10 43
Sn 0, 5-2,0 38 6 18 14
Расчет показателей качества измерений проводили по формулам (1-6) в соответствии с требованиями РМГ 61-2010 с применением программы MS Excel. Результаты представлены в табл. 4. На основании проведенных расчетов составлена объединенная таблица показателей качества измерений и установлены соответствующие диапазоны для проведения спектрального анализа.
Заключение
На основании проведенных исследований доказана чувствительность дугового атомно-эмиссионного спектрального анализа при определении элементного состава индивидуальных особей клещей на основные эссен-циальные элементы и тяжелые металлы. Создана методика, позволяющая получать дополнительную информацию для оценки снижения иммунитета кровососов к патогенным агентам.
Литература
1. Малеев В.В. Обзор Европейских рекомендаций по диагностике клещевых бактери-
альных инфекций в Европе // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2005. Т. 7, № 2. С. 130-143.
2. Мишаева Н.П. Зараженность иксодовых клещей белорусской популяции патогенными
для человека микроорганизмами // Достижения медицины Беларуси. 2010. Вып. 15. С. 23.
3. Алексеев А.Н., Дубинина Е.В., Юшкова О.В. Функционирование паразитарной си-
стемы «клещ-взубдители» в условиях усиливающегося антропогенного пресса. СПб. : Сев.-Зап. гос. заоч. техн. ун-т, 2008. 146 с.
4. Мишаева Н.П. Влияние тяжелых металлов на биологию иксодовых клещей и их за-
раженность возбудителями природно-очаговых инфекций // Медико-биологические проблемы жизнедеятельности. 2013. № 1 (9). С. 83-87.
5. Отмахов В.И. Структурно-методическая схема создания методик анализа оксидных
материалов с применением метода атомно-эмиссионной спектроскопии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74, № 8. С. 15-17.
6. Отмахов В.И. Методологические особенности создания методик атомно-эмиссионного
анализа различных объектов // Аналитика и контроль. 2005. Т. 9, № 3. С. 245-249.
7. ГСО 8487-2003. Стандартные образцы состава графитового коллектора микропри-
месей (комплект СОГ-37). Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2003.
8. РМГ 61-2010. Государственная система обеспечения единства измерений. Показате-
ли точности, правильности, прецизионности методик количественного химического анализа. Методы оценки. Взамен РМГ 61-2003; введ. 01.09.2012. М. : Стандартин-форм, 2012. 62 с.
9. Накамото К. ИК спектры и спектры КР неорганических и координационных соеди-
нений. М. : Мир, 1991. 536 с.
Информация об авторах:
Отмахов Владимир Ильич, д-р техн. наук, профессор кафедры аналитической химии химического факультета Национального исследовательского Томского государственного университета (г. Томск, Россия). E-mail: [email protected]
Рабцевич Евгения Сергеевна, аспирант кафедры аналитической химии химического факультета Национального исследовательского Томского государственного университета (г. Томск, Россия). E-mail: [email protected]
Горст Дарья Андреевна, студент кафедры аналитической химии химического факультета Национального исследовательского Томского государственного университета (г. Томск, Россия). E-mail: [email protected]
Петрова Елена Васильевна, канд. хим. наук, доцент кафедры аналитической химии химического факультета Национального исследовательского Томского государственного университета (г. Томск, Россия). E-mail: [email protected]
Бабенков Денис Евгеньевич, ассистент, аспирант кафедры аналитической химии химического факультета Национального исследовательского Томского государственного университета (г. Томск, Россия). E-mail: [email protected]
Tomsk State University Journal of Chemistry, 2018, 11, 23-31. DOI: 10.17223/24135542/11/2 V.I. Otmakhov, E.S. Rabtsevich, D.A. Gorst, E.V Petrova, D.E. Babenkov
National Research Tomsk State University (Tomsk, Russia)
A technique for determining the elemental composition of ticks to assess their susceptibility to pathogens of tick infections
Soil pollution has been found to affect the biology and morphology of ticks and to lead to a decrease in the immunity of these bloodsuckers, which leads to an increase in the susceptibility of ticks to pathogenic agents. Heavy metals (HM) specifically affect ticks. Scientists have noted that increased content of HM and a number of other metals in the body of ticks leads to changes in the exoskeleton. A technique created for atomic emission spectroscopic analysis of ticks that determines the content of essential, conditionally essential, toxic, and potentially toxic chemical elements to estimate the level of tick infections is the topic of this work, which used tick individuals collected in different regions of the city of Tomsk (Russian Federation). The technique was developed using a Grand spectrometer with a multichannel emission spectrum analyzer. Quantitative analysis by arc atomic emission spectroscopy was conducted using the state standard samples (SOG-37). A unique method of sample preparation of an individual tick for spectral analysis was developed and carried out. The analysis modes for atomic-emission spectral analysis with a multichannel emission spectrum analyzer were optimized. To estimate the anionic composition of the sample, an IR spectroscopy analysis was performed using a Fourier spectrometer Nicolet 6700 (Thermo Scientific, USA). The technique was based on the possibility of determining more than 20 elements in one tick
individual. The sensitivity of the method was evaluated. The indicators of the quality of measurements were calculated, and the corresponding ranges for spectral analysis were determined. The technique passed preliminary metro-logical certification according to the algorithm «method of estimating the quality indicators of the analysis technique using the method of variation of the sample mass» in accordance with the requirement of the state standard RMG 61-2010. After an appropriate metrological examination and its introduction into the federal register, the technique can be recommended for use in accredited analytical laboratories for small screening. The analysis obtained by this method established that an increased content of a number of metals in the tick organism led to changes in the exoskeleton that affected the biology and morphology of the ticks, leading to a decrease in immunity and increasing their susceptibility to pathogens of tick infections.
Keywords: heavy metals; ticks; spectral analysis; measurement techniques; small screening.
References
1. Maleev V.V. Obzor Evropeyskikh rekomendatsiy po diagnostike kleshchevikh bakterial-
nikh infektsiy v Evrope. Klin. Microbial. i antimicrob. Khimioterapiya. 2005;7(2):130-143. (In Russian)
2. Mishaeva N.P. Zarazhennost iksodovikh kleshchey belorusskoy populyatsii patogennymi
dlya cheloveka microorganizmami. Dostizheniya mediciny Belarusi. 2010;15:23. (In Russian)
3. Alekseyev A.N., Dubinina E.V., Yushkova O.V. Funktsionirovaniye parazitarnoy sistemy
«kleshch - vzubditeli» v usloviyakh usilivayushchegosya antropogennogo pressa. Saint-Petersburg : Severo-Zapadnyy gos. zaoch. tekhn. un-t. 2008. 146 p. (In Russian)
4. Mishaeva N.P. Vliyanie tyazhelykh metallov na biologiyu iksodovikh kleshchey i ikh zara-
zhennost vozbuditelyami prirodno-ochagovykh infektsiy. Med.-biol. problemy zhizned-eyatelnosti. 2013;1:83-87. (In Russian)
5. Otmakhov V.I. Strukturno-metodicheskaya skhema sozdaniya metodik analiza oksidnykh
materialov s primeneniyem metoda atomno-emissionnoy spektroskpii. Zavodskaya labor-atoriya. Diagnostika materialov. 2008;74(8):15-17. (In Russian)
6. Otmakhov V.I. Metodologicheskie osobennosti sozdaniya metodik atomno-emissionnogo
analiza razlichnykh obektov. Analitika i control. 2005;9(3):245-249. (In Russian)
7. GSO 8487-2003. Standartnye obraztsy grafitovogo kollektora mikroprimesey. Komplekt
SOG-37. Ekaterinburg: UGTU-UPI, 2003. (In Russian)
8. RMG 61-2010. Gosudarstvennaya Sistema obespecheniya edinstva izmereniy. Pokazateli
tochnosti, pravilnosti, pretsisionnosti metodik kolichestvennogo khimicheskogo analiza. Metody otsenki. - Vzamen RMG 61-2003; vved. 2012-09-01. Moscow : Standartinform, 2012. 62 p. (In Russian)
9. Nakamoto K. IK spektry i spektry KR neorganicheskikh i koordinatsionnykh soedineniy.
Moscow : Mir, 1991. 536 p. (In Russian)
Information about the authors:
Otmakhov Vladimir I., PhD, Professor, Analytical Chemistry Department, Chemistry Faculty, National
Research Tomsk State University (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected]
Rabtsevich Evgeniya S., postgraduate student, Analytical Chemistry Department, Chemistry Faculty,
National Research Tomsk State University (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected]
Gorst Darya A, student, Analytical Chemistry Department, Chemistry Faculty, National Research
Tomsk State University (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected]
Babenkov Denis E., assistant, postgraduate student, Analytical Chemistry Department, Chemistry Faculty, National Research Tomsk State University (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected] Petrova Elena V., PhD, assistant professor, Analytical Chemistry Department, Chemistry Faculty, National Research Tomsk State University (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected]
