МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПOЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

АННОТАЦИЯ

Обзорная статья посвящена исследованиям полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), их влиянию на здоровье человека и окружающую среду, а также методам их экстракции. В статье рассматриваются основные источники образования ПАУ, их токсичность, механизмы действия и пути метаболизма. Особое внимание уделено методам экстракции ПАУ, таким как EPA 550, EPA 550.1, EPA 8310. Важность продолжения исследований в этой области для предотвращения загрязнения окружающей среды ПАУ подчеркивается в статье.

ABSTRACT

The review article is devoted to the research of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), their impact on human health and the environment, as well as methods of their extraction. The article discusses the main sources of PAH formation, their toxicity, mechanisms of action and metabolic pathways. Special attention is paid to PAH extraction methods such as EPA 550, EPA 550.1, EPA 8310. The importance of continuing research in this area to prevent PAH pollution is emphasized in the article. 

Ключевые слова: полициклические ароматические углеводороды, газовая хроматография,  высокоэффективная жидкостная хроматография, EPA 550, EPA 550.1, EPA 8310, метод анализа EPA.

Keywords: polycyclic aromatic hydrocarbons, gas chromatography, high performance liquid chromatography, EPA 550, EPA 550.1, EPA 8310, EPA analysis method.

Загрязнение окружающей среды представляет серьезную угрозу для экосистем и здоровья человека. Основными источниками полициклических ароматических углеводородов являются нефть, уголь и природный газ, а также процессы сгорания топлива, промышленного производства и нефтепереработки.

Основными источниками полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) являются различные предприятия металлургической и коксохимической отраслей, а также отходы производства химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Другие значимые источники ПАУ включают выхлопные газы тепловых электростанций и двигателей внутреннего сгорания. В процессах получения, транспортировки и использования нефтепродуктов, в результате нефтяных разливов, выбросов автомобильного транспорта, промышленности и других источников загрязнения, эти соединения попадают в атмосферу, почву и водные объекты, что приводит к загрязнению и оказывает значительное негативное влияние на окружающую среду. Согласно исследованию [1], ежегодно в окружающую среду попадает около 5000 тонн бенз[a]пирена. Большая часть этого количества (61%) образуется при сжигании угля, 20% - при производстве кокса, 8% - при открытом сжигании леса и сельскохозяйственных культур, 4% - при сжигании древесины, 1% - при выбросах выхлопных газов автомобилей, 0,09% - при сжигании нефти и 0,06% - при сжигании газа. Эти данные подтверждают значительное влияние различных промышленных и технологических процессов на загрязнение окружающей среды ПАУ.

Для уменьшения выбросов ПАУ в окружающую среду необходимо отказываться от сжигания ископаемого топлива в пользу альтернативных источников энергии, устанавливать фильтры на заводах и предприятиях, использовать растительные и биологические фильтры для очистки выбросов от ПАУ (биофильтры и фиторемедиация), перевод бензиново-дизельных автомобилей на электро- или водородные двигатели, использование катализаторов для очистки выбросов от ПАУ, применять технологии сжигания с низким содержанием оксидов азота и серы, внедрять системы рециркуляции газов.

Для выявления и мониторинга такого загрязнения используются различные методы, включая анализ полициклических ароматических углеводородов. Разработан список из 16 ПАУ, которые признаны приоритетными загрязнителями. Полициклические ароматические углеводороды представляют собой органические соединения, характеризующиеся наличием в их химической структуре двух или более соединенных бензольных колец. Они устойчивы и обладают способностью оказывать канцерогенное, мутагенное, тератогенное и биостимулирующее действие на организм. Выделяются при чрезвычайно высоких температурах, в основном в диапазоне от 300 до 500 °C, полиароматические углеводороды образуются при сжигании органических материалов (нефти, угля и древесины).  Изомеры ПАУ с молекулярной массой 302, которые не входят в список 16 приоритетных загрязнителей, такие как дибенз(a,l)пирен, дибенз(a,i)пирен, дибенз(a,h)пирен, дибенз(a,e)пирен, являются мощными канцерогенными веществами, которые не уступают по активности бенз[а]пирену .

Бенз[а]пирен - это одно из самых опасных веществ, и он считается приоритетным вредным веществом для окружающей среды. Это связано с тем, что он очень стойкий в окружающей среде и обладает высокой способностью вызывать мутации и рак. Он накапливается в почве, а также в воде, но в меньшей степени.

В России строго контролируется содержание бенз[а]пирена в почве, воде, воздухе, пищевых продуктах и сырье. Максимально допустимая концентрация бенз[а]пирена составляет 0,02 мг/кг в почве, 0,00001 мг/л в воде и 0,001 мкг/м3 в воздухе (согласно Федеральному закону "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" № 52-ФЗ от 30 марта 1999 года).Согласно Гигиеническим нормативам ГН 2.1.6.3492-17 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений» предельно допустимое среднесуточное количество бенз(а)пирена в воздухе— 1х10^-6 мг/ м³, а ПДК его в почве по ГН 2.1.7.2041-06 — 0.02 мг/кг (с учетом фонового уровня). В воздухе на рабочих местах, согласно ГН 2.2.5.3532-18, среднесменная ПДК не более 0,00015 мг / м³. ПДК бенз(а)пирена в питьевой воде централизованных систем водоснабжения согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»  — не более 0,000005 мг / дм³. Согласно требованиям Технического регламента Евразийского экономического союза ТР ЕАЭС 044/2017 «О безопасности упакованной питьевой воды, включая природную минеральную воду» — в питьевой воде для детского питания бен(а)пирен не допускается, в купажированной и искусственно минерализованной питьевая вода допускается не более 0,005 мкг/ дм³.

В РФ установлена методика измерений массовой концентрации полициклических ароматических углеводородов в пробах воды поверхностных водных объектов и очищенных сточных вод методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) в РД Руководящий документ 52.18.800 – 2013. Массовая концентрация полициклических ароматических углеводородов в пробах воды. Методика измерений методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Для использования в лабораториях, осуществляющих анализ природных и очищенных сточных вод разработан РД 52.24.539-2022 Руководящий документ массовая концентрация полициклических ароматических углеводородов в воде. Методика измерений методом высокоэффективной жидкостной хроматографии со спектрофлуориметрическим детектированием.

В данной работе рассматриваются методы для определения содержания полициклических ароматических углеводородов, которые разработанны Агентством по охране окружающей среды США (United States Environmental Protection Agency EPA), EPA 550, EPA 550.1, EPA 8310 [4,5,6,7]. Методы серии EPA 500 Analysis of Finished Drinking Water and Raw Source Water предназначены для идентификации и количественного определения органических соединений в питьевой и сырой воде. Так как растворимость ПАУ в водных образцах резко уменьшается с увеличением молекулярной массы и их концентрации могут быть чрезвычайно низки, то при определении полиаренов в воде требуется предварительная пробоподготовка с применением жидкостной экстракции, микроэкстракции или твердофазной экстракции.

Методы 550, 550.1 применяются для определения полиядерных ароматических углеводородов. Метод 550 Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in drinking water by liquid-liquid extraction and HPLC with coupled ultraviolet and fluorescence detection [5,6]- метод жидкостной экстракции с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и связанных флуоресцентных и УФ-детекторов. В методе EPA 550.1 Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in drinking water by liquid-solid extraction and HPLC with coupled ultraviolet and fluorescence detection используется твердофазная экстракция.

Для данных методов используются следующие реактивы и оборудование:

Реактивы:

1. Гексан, дихлорметан или другие органические растворители для экстракции.

2. Натриевая гидроксидная или серная кислота для регулирования pH.

3. Анионные или катионные обменники для очистки экстрактов.

4. Стандартные растворы ПАУ для калибровки и контроля качества. Рекомендованные стандарты Calibration Standard: PM-551 Internal Standards, PPS-270 (4х1 мл), PPS-271 (1х1 мл). 100 µg/mL in Acetonitrile, 2000 µg/mL in Acetone.

Оборудование:

1. Экстракторы (например, сохлет, суперкритический экстрактор) для извлечения ПАУ из образцов.

2. Роторные испарители или аппараты для концентрирования экстрактов.

3. Хроматографические системы (ГЖС, ВЭЖХ) для анализа ПАУ.

4. Флуориметры или спектрофотометры для определения концентрации ПАУ.

Метод включает три этапа: извлечение и концентрирование аналита, разделение и детектирование. В методе EPA 550 ПАУ извлекают из водной матрицы с помощью дихлорметана, затем концентрируют и разбавляют для анализа методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с обращенными фазами на колонке (250*4.6 мм; Vydac 201 TP C18; 5 мкм) в режиме градиентного элюирования смесями ацетонитрил (Acetonitrile) - вода (расход 2 мл/мин) с детектированием детектором с диодной матрицей при 254 нм. Продолжительность исследования 45 минут. Коэффициент концентрирования 250 ( 1 л пробы воды, 1 мл концентрата + 4 мл воды). Внутренний стандарт - n-терфенил. Предел обнаружения бенз[а]пирена 0,02 мкг/л (объем пробы в колонке 500 мкл),  benzo[a]pyrene 5 µg/mL in Acetonitrile Methods for the Determination of Organic Compounds in Finished Drinking Water, Supplement I / www.velocityscientific.com.au. Методика EPA 550 обладает высокой чувствительностью и способна обнаруживать низкие концентрации ПАУ и обеспечивает высокую точность. Но, несмотря на это, является не до конца совершенным методом, так как в процессе экстракции с использованием  этой методики есть риск потери части аналитов, также часто требуется использование органических растворителей, что может быть нежелательным из-за их токсичности и вредного воздействия на окружающую среду.

В методе EPA 550.1 используется твердофазная экстракция с помощью картриджа (диска) ENVI-18. В отличие от EPA 550 коэффициент концентрирования  ( 1 л пробы воды, 1 мл концентрата + 1 мл воды). Диски ENVI-18 DSK с пористой стекловолокнистой матрицей, содержащие силикагель, модифицированные октадецильными группами, применяют для экстракции ПАУ, полихлорированных бифенилов, пестицидов, фталатов из больших объемов воды. Диски на основе плотной и жесткой стекловолокнистой матрицы позволяют экстрагировать пробы воды с высокой скоростью и избегать засорения присутствующими в воде твёрдыми частицами. При этом проба подкисляется до pH2 и добавляется метанол. Преимуществом метода является высокая скорость потока раствора пробы (100 мл/мин); экстракция происходит быстрее, чем при использовании картриджа ТФЭ. Вариант подготовки образца ECUNIPAH (ENVIRO-CLEAN® unendcapped C18, 2g/83 mL Universal cartridge) ECSS25K (ACS Grade Anhydrous Sodium Sulfate, Granular 60 Mesh.

Для идентификации и количественного нахождения применяли метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с флуориметрическим детектированием (детектор «RF-20A») и использованием детектора на диодной матрице («SPD-M20A»). Измерения проводили на хроматографе «LC-20 Prominence» (Shimadzu) с колонкой Envirosep PP (125 x 3,2 мм, 5 мкм) и защитным картриджем С18 (4 x 2 мм) производства компании Phenomenex в условиях градиентного элюирования смесью ацетонитрила и воды от 70% до 90%, при скорости потока 0,75 мл/мин и температуре колонки 40о С. Объем вводимой пробы – 10 мкл. Значительных эффектов матрицы не наблюдалось, и средняя степень извлечения различных концентраций ПАУ составляла для 2-3 ядерных от 55 до 70% (включая 1- и 2-метилнафталины), для 4-х ядерных – от 70 до 80%, для 5-7 ядерных (включая дибензпирены и коронен) – от 60 до 85%. Преимущественно невысокое извлечение было определено для антантрена (30%) и дибенз(a,h)пирена (40%).

Данные методики позволяют проводить анализ ПАУ в различных водных матрицах, что делает их универсальным инструментом для мониторинга загрязнения водных ресурсов, включая питьевую, поверхностную и грунтовую воду.

Метод EPA 8310 Solid Phase Extraction of Polynuclear Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in Water [7], вариант метода EPA 8310A, представляет собой процедуру для экстракции полициклических ароматических углеводородов из загрязненных проб грунта, осадков или твердых отходов и широко используется в области анализа окружающей среды. Для этого из образца почвы извлекают ПАУ с помощью дихлорметана в аппарате Сокслета или ультразвуковой ванне, затем заменяют растворитель на ацетонитрил, концентрируют экстракт в аппарате Кудерна-Даниша и очищают методом твердофазной экстракции (ТФЭ). Для разделения используют колонку HC-ODS Sil-X C18 (250*4.6 мм) с градиентным элюированием смесью ацетонитрила и воды при расходе 0,5 мл/мин в течение 40 минут. Для обнаружения ПАУ применяют флуоресцентный детектор с пределами обнаружения 0,013-0,66 мкг/л, включая 0,023 мкг/л для бенз[а]пирена. Данная методика широко применяется в лабораториях и научных исследованиях.

Вывод. Для определения ПАУ часто применяют методы газовой хроматографии (ГХ) и высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Методы 550, 550.1 и 8310 используются для экстракции полиароматических углеводородов (ПАУ) из различных матриц, таких как почва, вода, воздух и другие образцы. Эти методы могут быть применены в областях анализа окружающей среды, контроля качества продуктов питания, фармацевтической промышленности и других отраслях, где необходимо определить содержание ПАУ в образцах.

Метод 550 (Solid-Phase Extraction) и метод 550.1 (Solid-Phase Extraction with High Performance Liquid Chromatography) используют технику экстракции на твердой фазе для анализа ПАУ. Однако метод 550.1 дополнительно включает высокоэффективную жидкостную хроматографию для анализа образцов. Метод 8310 (Gas Chromatography) использует газовую хроматографию для анализа ПАУ. Этот метод может быть более подходящим для определенных типов ПАУ.

Для обеспечения безопасности человека необходим постоянный аналитический мониторинг содержания ПАУ, особенно канцерогенных и мутагенных агентов, в окружающей среде, пищевых продуктах и готовых продуктах. Таким образом современные научные разработки позволяют создавать более чувствительные, надежные и быстрые методы контроля.

Список литературы:

1. Басова, Е., Современное состояние высокоэффективной жидкостной хроматографии полициклических ароматических углеводородов / Е. Басова, В.М. Иванов // Вестник Московского университета. Серия 2. Химия .— 2011 .— №3 .— С. 163-174 .— URL: https://rucont.ru/efd/341876 (дата обращения: 27.01.2024) 
2. Другов Ю.С., Родин А.А., Кашмет В.В., Пробоподготовка в экологическом анализе. Москва, 2005.
3. Другов Ю.С., Родин А.А., Анализ загрязнений почвы и опасных отходов. Практическое руководство. Москва, 2007. 
4. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К., Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов. Москва, 1996.
5. Bashe W.J. , Baker T.V., Method 550.1 determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in drinking water by liquid-solid extraction and HPLC with coupled ultraviolet and fluorescence detection July 1990.
6. Bashe W.J. , Baker T.V., Method 550 determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in drinking water by liquid-liquid extraction and HPLC with coupled ultraviolet and fluorescence detection July 1990.
7. Method 8310 Polynuclear Aromatic Hydrocarbons, 1986.