Химический анализ животных тканей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тувинский Государственный Университет

Естественно-географический факультет

Кафедра химии

Координационный школьный урок физический

Химический анализ животных тканей

Кызыл 2016



Содержание

Введение

Глава I. Теоретическая часть

1.1 Методы мониторинга состояние окружающей среды

1.2 Основные понятия и определения биогеохимии

1.3 Химическое загрязнение экосистем

1.4 Основные загрязняющие вещества

1.4.1 Тяжелые металлы и нахождение их в природе

1.5 Тяжелые металлы в живых организмов

1.6 Основы рентгенофлуоресцентного анализа (РФА)

1.7 Характеристика объекта исследования

Глава II. Экспериментальная часть

2.1 Подготовка проб к анализу

2.2 Градуирование методики РФА

2.3 Аппаратура рентгенофлуоресцентного анализа

2.4 Результаты РФА животных тканей

Выводы

Литература

Приложение



Введение

Прииртышская южная лесостепь издавна освоена, 74% ее земель распахано [23]. В последние десятилетия темпы антропогенного воздействия на ее природу еще более возрастают. Наряду с сельскохозяйственной деятельностью увеличивается техногенная нагрузка на природную среду в городах и их окрестностях. По загрязнению атмосферного воздуха Омск устойчиво входит в список городов России с повышенными уровнями загрязнения. В городе ежегодно отмечается от 120 до 350 случаев, когда концентрации загрязнений воздуха превышают предельно допустимые концентрации в пять и более раз по ацетальдегиду, аммиаку, этилбензолу, синтетическим кислотам, хлористому водороду, фенолу, саже, бензолу, толуолу, ксилолу и формальдегиду[16].

При рассмотрении динамики загрязнения воздушного бассейна Омска за последние десять лет установлено, что по шести вредным веществам загрязнение возросло. В Омскую область вода Иртыша из Казахстана поступает загрязненной и перед Омском загрязнение воды нефтепродуктами превышает 5-11, фенолом 2-7, медью 5-13, пестицидами 3-7 ПДК [21]. Дальнейшее воздействие на природу прииртышской южной лесостепи повлечет за собой изменения орнитокомплексов в надпойменных лесополевых, лугово-болотных и пойменных лесолуговых ландшафтах [11].

Оценить состояние населения птиц, его динамику и предстоящие изменения особенно актуально в таких напряженных в экологическом отношении районах. Этому призван служить мониторинг состояния популяций животных, в частности птиц, которые, обладая способностью к полету, чутко реагируют на состояние экосистем. Необходимость слежения за состоянием животного мира определяется не только научным и гражданским долгом зоологов, но и юридически закреплено в ряде документов, посвященных охране и рациональному использованию животного мира России [9].

Индустриальный город, к каким относится Омск, оказывает существенное влияние на климат. Уменьшается прозрачность и чистота воздуха, повышается его температура в сравнении с удаленными районами зоны, особенно в зимнее время. Смягчающее воздействие на микроклимат прибрежных частей города в теплое время оказывает река. Город Омск окружают различные агроценозы с полезащитными полосами из березы бородавчатой и пушистой, тополя белого, клена ясенелистного и осиново-березовые колки (с восточной и юго-восточной стороны). В самом городе большое количество интродуцированных деревьев и кустарников. Вдендросаду в порядке испытания каждый год высаживают и высеивают 100-200 видов различных деревьев и кустарников. Сейчас Омск занимает площадь 494 км І и его населяет 1 138 000 человек[16].

Актуальность исследования - мониторинг состояния популяций животных, в частности птиц, которые, обладая способностью к полету, чутко реагируют на состояние экосистем.

Целью нашей работы явилось: изучение рентгенофлуоресцетного анализа животных тканей на примере: сизого голубя Columdalivia.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ методической литературы по теме исследования.

2. Отобрать пробы органов птиц и подготовить их к анализу.

3. Анализ проб животных материалов рентегофлуоресцентным методом анализа.

4. Сравнить результаты анализа животных материалов в литературными данными.

Объект исследования - Сизый голубь ColumbaliviaFeralRockPigeon в окрестностях прибрежной части города Омска.

Предмет исследования - содержания минеральных веществ в тканях Сизого голубя.

Методы исследования: рентгенофлуоресцентный метод анализа.

В литературном обзоре рассмотрены: методы мониторинга окружающей среды, основные понятия и определения биогеохимии, а также химическое загрязнение окружающей среды и основы рентгенофлуоресцетного анализа (РФА).

В экспериментальной части описаны методики отбора и подготовки проб к химическому анализу, градуированиеметодики РФА животных материалов, результаты химического анализа макро- и микрокомпонентов проб животных материалов.

Работа была выполнена в лаборатории физико-химических методов исследований научно-образовательного центра комплексного пользования Тувинского государственного университета (НОЦ КП).



Глава ?. Теоретическая часть

1.1 Методы мониторинга состояния окружающей среды

Важным условием эффективности мер по преодолению экологического кризиса на глобальном, региональном и местном уровнях является создание системы экологического мониторинга[1].

Термин «мониторинг» образован от лат. Monitor- напоминающий, надзирающий. Термином обозначают постоянное наблюдение за каким-либо объектом для выявления его динамики и соответствия ожидаемому результату или первоначальным предположениям [1].

Определения мониторинга было предложено академиком СБН Ю. А. Израэлем в 1974 г.: мониторинг состояния природной среды, и в первую очередь загрязнений и эффектов, вызываемых ими в биосфере, - комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биосферы или ее отдельных элементов под влиянием антропогенных воздействий[12].

В 1974 в программе ЮНЕСКО экологический мониторинг определен как система регулярных длительных наблюдений в пространстве и во времени, дающая информацию о прошлом и настоящем состояниях окружающей среды, позволяющая прогнозировать на будущее изменение ее параметров, имеющих особенное значение для человечества [12].

Экологический мониторинг - контроль за изменением состояния окружающей среды под влиянием как природных, так и антропогенных факторов [12].

Экологический мониторинг призван решать следующие основные задачи:

а) o контроле за состоянием окружающей среды и факторами, воздействующими на нее;

б) o оценку фактического состояния окружающей среды и уровня ее загрязнения;

в) o прогноз состояния окружающей среды в результате возможных загрязнений и оценку этого состояния.

Мониторинг антропогенных воздействий предусматривает:

- контроль за источниками антропогенного воздействия;

- контоль за факторами антропогенного воздействия;

- контоль за состоянием природной среды и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия;

- оценку физического состояния природной среды;

- прогнозирование изменений природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды [12].

По объектам контроля различают: атмосферный, воздушный, водный, почвенный, климатический мониторинг, мониторинг растительности, животного мира, здоровья населения и т.д. [16].

Различают и экологический мониторинг факторов и источников загрязнений.

Мониторинг факторов воздействия - мониторинг различных химических загрязнителей (ингредиентный мониторинг) и разнообразных природных и физических факторов воздействия (электромагнитное излучение, радиоактивные излучения, солнечная радиация, акустические шумы и шумовые вибрации) [16].

Мониторинг источников загрязнений - мониторинг точечных стационарных источников (заводские трубы), точечных подвижных (транспорт), пространственных (города, поля с внесенными химическими веществами) источников [1].

Классификация систем мониторинга может основан и на методах контроля[16].

Химический мониторинг - это система наблюдений за химическим составом (природного и антропогенного происхождения) атмосферы, осадков, поверхностных и подземных вод, вод океанов и морей, почв, донных отложений, растительности, животных и контроль за динамикой распространения химических загрязняющих веществ. Главной задачей химического мониторинга является определение фактического уровня загрязнения окружающей среды приоритетными высокотоксичными ингредиентами [6].

Физический мониторинг - система контроля за влиянием физических процессов и явлений на окружающую среду (электромагнитные излучения, радиация, акустические шумы и т.д.) [16].

Биологический мониторинг - мониторинг, осуществляется с помощью биоиндикаторов (т.е. таких организмов, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде) [1].

Экобиохимический мониторинг- мониторинг, основан на оценке двух составляющих окружающей среды (химической и биологической) [1].

Дистанционный мониторинг - в основном авиационный, космический мониторинг с применением летательных аппаратов, оснащенных радиометрической аппаратурой, способной осуществлять активное зондирование изучаемых объектов и регистрацию опытных данных [1]. Наиболее информативным и достоверным является комплексный экологический мониторинг окружающей среды.

Комплексный экологический мониторинг окружающей среды - это система наблюдений за состоянием объектов окружающей природной среды для оценки их фактического уровня загрязнения и предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных для здоровья живых организмов [16].

При проведении комплексного экологического мониторинга окружающей среды:

- проводится постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и т.д.), а также оценка состояния и функциональной целостности экосистем;

- создаются условия для определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются [22].

Система комплексного экологического мониторинга предусматривает:

- выделение объекта наблюдения;

- обследование выделенного объекта наблюдения;

- составление для объекта наблюдения информационной модели;

- планирование измерений;

- оценку состояния объекта наблюдения и идентификацию его информационной модели;

- прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;

- предоставление информации в удобной для использования форме и доведение ее до потребителя [16].

Главные цели комплексного экологического мониторинга состоят в том, чтобы на основании полученной информации:

1) оценить показатели состояния и функциональной целостности экосистем и среды обитания человека (т.е. провести оценку соблюдения экологических нормативов);

2) выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений, а также определить корректирующие меры в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются (т.е. провести диагностику состояния экосистем и среды обитания);

3) создать предпосылки для определения мер по исправлению возникающих негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб, т.е. обеспечить заблаговременное предупреждение негативных ситуаций.

По характеру обобщения информации различают следующие виды (уровни) мониторинга (Табл 1.)



Таблица 1. Основные виды мониторинга

Виды мониторинга	Основные характеристики мониторинга
1.Глобальный мониторинг	слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере, включая все ее экологические компоненты.
2. Базовый мониторинг	это слежение за общими биобиосферными в основном природными, явлениями без наложения на них региональных антропогенных влияний.
3.Локальный мониторинг	мониторинг воздействия конкретного антропогенного источника.
4.Импактный мониторинг	мониторинг регионального и локального антропогенного воздействия в особо опасных зонах и местах
5.Национальный мониторинг	Мониторинг в масштабах страны
6.Региональный мониторинг	слежение за процессами и явлениями в пределах какого - то региона, где эти процессы и явления могут различаться и по природным и по антропогенным воздействиям от базового фона, характерного для всей биосферы.

При мониторинге качественно и количественно характеризуют состояние воздуха, а также поверхностных вод, климатические изменения, свойства почвенного покрова, состояние растительности и животного мира. К каждому из перечисленных компонентов биосферы предъявляются особые требования и разрабатываются специфические методы анализа [22].

1.2 Основные понятия и определения биогеохимии

Биогеохимия -- наука, изучающая жизнедеятельность организмов в качестве ведущего фактора миграции и распределения масс химических элементов на Земле. Основоположником биогеохимии является -- выдающийся естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель XX в. В. И. Вернадский -- созданием этой науки открыл совершенно новый и важный аспект познания сложного феномена жизни. Предметом изучения биогеохимии служат процессы миграции и массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой [2].

Живое вещество. При великом разнообразии размеров, морфологии и физиологии живых организмов общим условием их существования является обмен веществ со средой обитания. Несмотря на то, что живые организмы составляют ничтожную часть массы наружных оболочек Земли, суммарный эффект их геохимической деятельности с учетом фактора времени имеет важное планетарное значение. Организмы, поглощая химические элементы селективно, в соответствии с физиологическими потребностями, вызывают в окружающей среде биогенную дифференциацию элементов. Не менее существенное значение имеет геохимия метаболизма. Газообразные метаболиты, поступая в газовую оболочку, постепенно изменяют ее состав. Жидкие метаболиты и продукты отмирания влияют на кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия природных вод, которые закономерно преобразуют верхнюю часть литосферы: извлекают из нее определенные химические элементы, вовлекают их в водную миграцию и в итоге способствуют формированию химического состава Мирового океана и осадочных горных пород [4].

Индивидуальный организм смертен, но жизнь в форме продолжающихся поколений бесконечна. Воздействие организмов на окружающую среду, не прерываясь ни на мгновение, продолжалось около 4 млрд лет, на протяжении всей геологической истории. Поэтому постоянно существующая планетарная совокупность организмов с позиций геохимии может рассматриваться как особая форма материи -- живое вещество. Его главное свойство -- постоянный и непрерывный массообмен химических элементов с окружающей средой. По этой причине живое вещество играет роль ведущего фактора геохимической эволюции наружной части Земли [11].

Учение о живом веществе -- одна из областей соприкосновения естествознания и философии. В феномене живого вещества много неясного и загадочного. Образование живого только из живого не получило пока научного объяснения и дает основание рассматривать жизнь не только как земное, но и как космическое явление.

Опираясь на труды Л.Пастера и П.Кюри, В.И.Вернадский считал, что живое вещество существует в особом пространстве. Не углубляясь в эти проблемы, можно уверенно констатировать весьма важное значение живого вещества для существующего химического состава наружных оболочек нашей планеты [12].

Термин биосферабыл введен в научный лексикон австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1831 -- 1914) в 1875 г. ТерминомЭ.Зюсспредставил сферу обитания организмов.

В.И.Вернадский разработал представление о биосфере как о наружной оболочке Земли, охваченной геохимической деятельностью живого вещества. В современном понимании биосфера не среда жизни, а глобальная система, где в неразрывной связи существуют, с одной стороны, инертное вещество в твердой, жидкой и газовой фазах, а с другой -- разнообразные формы жизни и их метаболиты. Биосфера представляет собой единство живого вещества и пронизанной им наружной части земного шара. Живое вещество так же немыслимо без биосферы, какпоследняя без живого вещества. Биогеохимические процессы [13].

Основное место в изложенной системе представлений занимают процессы взаимодействия между живым веществом и инертной материей Земли. Это взаимодействие происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массообмена элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность организмов, благодаря им биосфера имеет и поддерживает определенную, как ее называл В.И.Вернадский, «Геохимическую организованность». Все процессы, геохимические по существу (как закономерные миграции химических элементов), но осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов, были названы Вернадским биогеохимическими [5].

Биогеохимические процессы и их результаты должны служить главным предметом изучения биогеохимии. Цикличность биогеохимических процессов. С момента научного изучения взаимодействия живых организмов с окружающей средой было обнаружено, что процессы биогенного массообмена имеют циклический характер [5].

Неполная обратимость мигрирующих масс и несбалансированность миграционных циклов допускают определенные пределы колебания концентрации мигрирующего элемента, к которым организмы могут адаптироваться, но в то же время обеспечивают вывод избыточного количества элемента из данного цикла [4].

1.3 Химическое загрязнение экосистем

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко повысилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Живому организму, то есть человекуприходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь[4].

Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете. Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере [7].

Последующее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере [6].

1.4 Основные загрязняющие вещества

Существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство [4].

Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов [11].

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония [8].

Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие [6]:

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта [6].

б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серусодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 % от общемирового выброса [6].

в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км. От таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида [6].

г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе вдругими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида [6].

д) Оксилы азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксилов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн.т. в год [6].

е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений -фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами [6].

ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. Передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. Сернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода [6].

1.4.1 Тяжелые металлы и их нахождение в природе

Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу.

Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. При выветривании осадочных и изверженных пород ежегодно выделяется 3,5 тыс.т. ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс.т. ртути, причем значительная часть - антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс.т./год) различными путями попадает в океан.

В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичнуюметилртуть. Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. К 1977 году насчитывалось 2800 жертв болезни Миномата, причиной которой послужили отходы предприятий по производству хлорвинила и ацетальдегида, на которых в качестве катализатора использовалась хлористая ртуть. Недостаточно очищенные сточные воды предриятий поступали в залив Минамата. Свинец- типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах,почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах [10].

Наконец, свинец активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания [8].

1.5 Тяжелые металлы в живых организмах

Большинство биологически активных металлов расположена в средней части первого большого периода таблицы Д.И. Менделеева и относится к так называемым переходным элементам. Исключение составляют четыре металла (натрий, калий, магний, кальций), которые содержатся в организмах в довольно больших количествах. К переходным относят те металлы, у которых в изолированных атомах d- и f-орбитали заполнены электронами не полностью.

Переходные металлы, как правило, содержатся в организмах в очень малых количествах. Из этого можно сделать вывод, что их значение должно быть в основном связано с катализом. Активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества действуя в малых концентрациях [17].

Переходные металлы могут еще выполнять (вместе с органическими соединениями) и другую функцию - переносить с места на место группу атомов или целые молекулы, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать их и т.п. К жизненно важным (эссенциальным) относятся только те катионы металлов, которые присутствуют во всех здоровых тканях человека и диапазон концентраций которых практически постоянен в каждой из тканей. Исключение таких металлов из организма приводит к физиологическим аномалиям [7].

При попадании в живой организм в больших количествах тяжелые металлы начинают накапливаться в почках и печени. Коэффициент концентрации (К_к) их определяется отношением его реального содержания в почве (Ср) к фоновому (Сф):

К_к = Ср / Сф

Важно отметить, что тяжелые металлы играют важную роль в биосфере. Металлы, присутствуя в живых организмах в ничтожно малых количествах, выполняют весьма важные функции, входя в состав биологически активных веществ. Соотношение концентраций металлов в организмах выработалось на протяжении всего хода эволюции органического мира. Значительные отклонения от этих соотношений вызывают отрицательные, а часто губительные, последствия для живых организмов. Находясь преимущественно в рассеянном состоянии, они могут образовывать локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни раз превышает среднепланетарные уровни. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов, непременным условием поддержания и развития современной цивилизации, металлы образуют группу наиболее опасных загрязнителей биосферы [7].

К тяжелым металлам относится более 40 химических элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет от 45 и выше атомарных единиц. Эта группа элементов при содержании в организме в микрофазе активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Поэтому группу «тяжелых металлов» в некоторых случаях можно отнести к понятию «микроэлементы». Для экзогенных повышенных концентраций элементов термин «микроэлементы» непригоден, в таких случаях обычно применяют термин «тяжелые металлы». Таким образом, под термином «тяжелые металлы» понимают такие элементы, как свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий и т.д. [7].

Показателем негативного воздействия многих элементов и соединений на живые организмы является их токсичность.

Токсичность и канцерогенность - это свойства элементов и соединений, отрицательно влияющие на живые организмы и приводящие к уменьшению продолжительности жизни.

Количество, при котором химические ингредиенты становятся опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения ими биосферы, то также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биохимического цикла. Для сравнения степени токсилогического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются молярной токсичностью, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью[19].

Глобальный перенос токсикантов происходит через атмосферу и большие реки, несущие воды в океаны, землю, а ложи рек, морей и океанов служат резервуаром для их накопления. Факторами окружающей среды, влияющими на токсичность, являются температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде. Устойчивость живого организма по отношению к токсикантам может быть достигнута:

1) при уменьшении их поступления;

2) увеличении коэффициента его выделения;

3) переводетоксиканта в неактивную форму в результате его изоляции или осаждения [19].

Токсичность тяжелых металлов для живых организмов определяется как свойствами и уровнем концентраций элементов, так и их миграционной способностью в различных компонентах экосистемы, а также степенью накопления их в органах и тканях. В настоящее время из 92 встречающихся в природе химических элементов 81 обнаружен в организме животных и человека. При этом многие микроэлементы признаны эссенциальными, то есть жизненно необходимыми. В то же время большинство из них относится к тяжелым металлам, а при высоких концентрациях они проявляют сильную токсичность. Практически каждый элемент в зависимости от концентрации может оказывать положительное или отрицательное воздействие на живые организмы, к которым относится и канцерогенез [8].

Канцерогенез - это способность металла проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки. Канцерогенными веществами являются никель, кобальт, хром, мышьяк, бериллий, кадмий. Различие в канцерогенной активности определяется биодоступностью металлопроизводных: наиболее потенциально активные соединения содержат ионы канцерогенных металлов, способные легко внедряться в клетки и воздействовать на молекулу ДНК[19, 3].

Кадмий установлено, что кадмий в ничтожно малых количествах способен стимулировать остроту зрения, активизирует сердечно-сосудистую деятельность, регулирует содержание сахара в крови, но самое незначительное отклонение его от ультрамикродоз отрицательно сказывается на деятельности головного мозга. Он повышает кровяное давление и может быть причиной инсульта и развития онкологических заболеваний[18].

При систематическом потреблении пищи с очень высоким (1 - 2 мг/кг) содержанием кадмия у больных буквально рассыпаются кости от неосторожного резкого движения, иногда даже глубокой вздох может стать причиной перелома ребра. Повышенное содержание кадмия блокирует сульфогидрильные группы ферментов, нарушает обмен железа и кальция, нарушает синтез ДНК. Избыток кадмия в пище вызывает респираторные заболевания и почечную дисфункцию[7].

Цинк обнаруживается во всех тканях организма животного, но больше накапливается в костях. Высокое содержание цинка отмечено в коже, волосяном и шерстяном покровах животных. Он -составная часть ферментов карбоангидразы, участвующей в связывании и выведении из крови диоксида углерода карбоксипептидазы поджелудочной железы и дегидрогеназы глютаминовой кислоты. Клиническими признаками недостатка цинка у детей и подростков является задержка роста и полового созревания, сухая, шерховатая кожа, долго незаживающие раны, повышенная восприимчивость к инфекциям, сонливость, депрессия, жидкий стул.

Пониженное содержание цинка в крови может стать причиной ишемической болезни сердца. Установлено, что потребность в цинке возрастает при беременности, лактации и в подростковый период быстрого роста. Патологии, возникающие при избытке цинка в жизнеобеспечивающих средах, связаны большей частью со вторичным дефицитом кальция и других жизненно необходимых элементов. Избыточное поступление цинка в организм человека и животных сопровождается падением содержания кальция в крови и костях, а также нарушением усвоения фосфора, что приводит к развитию остеопороза. Высокие концентрации цинка могут представлять мутагенную и онкогенную опасность[7].

Медь относится к группе жизненно необходимых для организмов элементов. В организме животного медь необходима для нормальной пигментации, формирования нервной ткани, воспроизводительной функции, а также участвует в синтезе гемоглобина, в процессах кроветворения. Повышает клеточную проницаемость. Входит в состав или является активатором ряда ферментов, оказывает влияние на процессы углеводного обмена, активность половых гормонов. Однако при высоких уровнях содержания обладает широким спектром токсичного действия с многообразными клиническими проявлениями. Решающую роль в механизме токсичного действия меди играет способность ионов блокировать SH-группы белков, в особенности ферментов, вызывает отравления. Острая интоксикация ионами Cu ²⁺ сопровождается выраженным гемолизом эритроцитов. Интоксикации соединениями меди могут сопутствовать аутоиммунные реакции и нарушение метаболизма моноаминов.

При малых концентрациях (6-15 мг/кг) меди в почве возможна анемия и заболевание костной системы, а избыток - более 60 мг -поражает печень и вызывает желтуху. Суточное потребление меди человеком должно составлять около 2 мг. Одной из причин гипертонического криза человека является повышенное содержание меди в сыворотке крови, но в то же время медь способствует заживлению ран, помогает при варикозных расширениях вен [7].

Молибден особо важная роль молибдена заключается в том, что он активизирует процессы связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями, живущими на корнях бобовых культур. Усиливает восстановление нитратного азота до аммония, а без последнего невозможен синтез белковых веществ в урожае. Нижним пределом содержания молибдена для большинства растений считается 0, 01 мг/кг сухого вещества, а для бобовых - 0,40 м/кг.

Содержание молибдена ниже этих величин считается недостаточным. При недостатке молибдена в растениях нарушается азотный обмен, в тканях накапливается большое количество нитратов. Он является составной частью фермента ксантинооксидазы, который играет важную роль в обмене пуринов, а также нитратной редуктазы и бактериальной гидрогеназы животного организма. При избытке молибдена в корме у животных наблюдается сильная диарея, ухудшается общее состояние, прекращается рост, снижается молочная продуктивность, а иногда увеличивается ломкость костей. Содержание молибдена в расчете 3-10 мг/кг корма опасно для здоровья животных [7].

Кобальт положительно влияет на азотофиксирующую систему, увеличивает содержание хлорофилла в растениях. Особенно он необходим для бобовых культур и дает больший эффект на окультуренных почвах при содержании этого элемента около 1,0 - 1,1 мг/кг почвы. Очень важно применение кобальта для повышения диетической ценности продукции. Кобальт входит в состав витамина В₁₂.

При недостатке этого витамина снижается формирование гемоглобина крови, белков, нуклеиновых кислот и, как следствие, животные заболевают сухоткой, авитаминозом. При недостатке кобальта у животных появляется тяжелая анемия, потеря аппетита, прогрессирующее истощение. Кобальт долго не задерживается в организме, поэтому отравление этим веществом происходит крайне редко [7].

Марганец исследованиями установлено положительное воздействие марганца на фотосинтез, он увеличивает содержание сахаров и хлорофилла. Марганец усиливает интенсивность дыхания растений, улучшает отток сахаров, способствует передвижению фосфора из старых листьев к молодым, а также к репродуктивным органам. Он повышает водоудерживающую способность тканей, уменьшает транспирацию, влияет на плодоношение растений [14].

Марганец концентрируется в костях, печени, почках, поджелудочной железе, гипофизе животных, реагирует и активизирует ряд ферментативных процессов, связанных с обменом белков, жиров, углеводов. При недостатке и избытке марганца в человеческом организме возникают некоторые заболевания. Так, атеросклерозу сопутствуют повышенное содержание в крови марганца и железа, а сахарный диабет, наоборот, сопровождается падением концентрации марганца в крови. Содержание марганца в природных водах колеблется от сотых долей до 1 - 2 мг/л [7].

Хром и литий - вещества, относящиеся к необходимым микроэлементам для активной жизнедеятельности организма. Ежедневная и достаточная доза хрома обычно для большинства здоровых людей составляет 0,05 - 0,2 мг. Устранение хрома из рациона животных приводит к накоплению глюкозы в крови и моче. Подобная картина свойственна сахарному диабету, когда в организме не вырабатывается инсулин. Клиническим признаком дефицита хрома считается нарушение утилизации глюкозы. Избыток хрома в организме человека вызывает рак легких, злокачественные образования желудочно-кишечного тракта, дерматиты [7].

Литий регулирует психическую деятельность человека, снимает стрессовое состояние и лечит маниакально-психозные нарушения, шизофрению. Этот элемент принимает участие в метаболизме азотсодержащих веществ, белков и нуклеиновых кислот, способствует увеличению содержания общего и белкового азота, важнейших аминокислот, а также значительно влияет на метаболизм биоколлоидов протоплазмы [7].

Ртуть обладает широким спектром и большим разнообразием клинических проявлений токсичного действия в зависимости от количества и свойств соединений, в виде которых она попадает в организм, а также пути поступления. В основе механизма действия ртути лежит блокада биологически активных групп белковой молекулы (сульфгидрильных, аминных, карбоксильных) и низкомолекулярных соединений с образованием обратимых комплексов, характеризующихся нуклеофильными лигандами. По степени токсичности различают следующие формы соединений ртути:

- металлическую (элементарную);

- неорганические соединения;

- органические соединения [7].

Селен в отдельных районах страны кислые почвы содержат избыточное количество селена, на которых растет ядовитая растительность, опасная для животных. В таких кормах селен замещает серу в аминокислотах-метионине и цистине. Последние, не включаясь в белковый обмен животных, способствуют выпадению волос и ногтей, шерсти и копыт. Такое явление наблюдается при избытке этого микроэлемента в растениях, его содержание не должно превышать 5•10-⁶ %. Ежесуточного поступления селена с кормом для животных до 2 мг вполне достаточно, чтобы вызвать признаки хронической интоксикации [20].

Селен - единственный элемент, который при высоком содержании в растениях может вызвать внезапную смерть животных и человека. Известны случаи массовой гибели овец в течение одной ночи, которые паслись в пределах селеновой геохимической аномалии. Из-за высокого содержания селена смертельно ядовитым является гриб бледная поганка, который по уровню своего действия превосходит укус гюрзы. Селен - в высшей степени токсичный элемент и принадлежит к числу биофилов, который обязательно присутствует в любом организме.

У животных, не получивших селена, разрушаются красные кровяные тельца. Значительная концентрация его в сетчатке глаза говорит о том, что он необходим для восприятия света [7].

Мышьяк - ядовитое высокотоксичное вещество, который вызывает у человека рак легких, кожные болезни, заболевание крови (белокровие). Ингибирует различные ферменты, отрицательно действует на метаболизм [7].

Никель способствует респираторным заболеваниям, астме, нарушению дыхательной защитной системы, появлению рака носа, легких, врожденные пороки, ингибитор оксидаз, обладает мутагенным свойством [7].

Ванадий приводит к раздражению дыхательных путей, к астме, нервным расстройствам, а также изменению формулы крови [7].

Таллий. Вызывает нарушение общего обмена веществ, он сильно токсичен по отношению к растениям и животным [7].

1.6 Основы рентгенофлуоресцентного анализа (РФА)

РФА - современный спектроскопический метод исследования вещества с целью получения его элементного состава, то есть его элементного анализа. С помощью РФА могут быть найдены различные элементы от бериллия (Be) до урана (U).

Метод РФА основан на сборе и последующем анализеспектра, возникающего при облучении исследуемого материала рентгеновским излучением. При взаимодействии с высокоэнергетичными фотонами атомы вещества переходят в возбуждённое состояние, что проявляется в виде перехода электронов с нижних орбиталей на более высокие энергетические уровни вплоть до ионизации атома [19].

В повышенном состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии либо испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек. При этом каждый атом испускает фотон с энергией строго определённого значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны Кб = 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества [24].

В качестве источника излучения могут использоваться как рентгеновские трубки, так и изотопы каких-либо элементов. Поскольку каждая страна имеет свои требования к ввозу и вывозу излучающих изотопов, в производстве рентгенофлуоресцентной техники в последнее время стараются использовать, как правило, рентгеновскую трубку. Трубки могут быть как с родиевым, так и с медным, молибденовым, серебряным или другим анодом. Анод трубки, в некоторых случаях, выбирается в зависимости от типа задачи (элементов, требующих анализа), для решения которой будет использоваться данный прибор [23].

Для разных групп элементов используются различные значения силы тока и напряжения на трубке. Для исследования лёгких элементов вполне достаточно установить напряжение 10 кВ, для средних 20-30 кВ, для тяжелых -- 40-50 кВ. Кроме того, при исследовании лёгких элементов большое влияние на спектр оказывает атмосфера, поэтому камеру с образцом либо вакуумируют либо заполняют гелием. После возбуждения спектр регистрируется на специальном детекторе. Чем лучше спектральное разрешение детектора, тем точнее он сможет отделять друг от друга фотоны от разных элементов, что в свою очередь скажется и на точности самого прибора. В настоящее время наилучшей возможной разрешающей способностью детектора является 123 эВ [9][15].

После попадания на детектор фотон преобразовывается в импульс напряжения, который в свою очередь подсчитывается счётной электроникой и наконец передается на компьютер. Ниже приведён пример спектра, полученный при анализе корундовой ступки (содержание Al₂O₃ более 98 %, концентрации Ca, Ti порядка 0,05 %). По пикам полученного спектра можно качественно определить, какие элементы присутствуют в образце. Для получения точного количественного содержания необходимо обработать полученный спектр с помощью специальной программы калибровки (количественной градуировки прибора). Калибровочная программа должна быть предварительно создана с использованием стандартных образцов, чей элементный состав точно известен [21].

Рентгенофлуоресцентный метод широко используется в промышленности, научных лабораториях. Благодаря простоте, возможности экспресс-анализа, точности, отсутствию сложной пробоподготовки, сферы его применения продолжают расширяться [21].

1.7 Характеристика объекта исследования

Сбор материалов к исследованию накопления химических элементов в сизых голубях проведен нами в массивах старой кирпичной 2-5-этажной застройки правобережной части города Омска на северо-восточной окраине в городке Нефняников близ Омского нефтеперерабатывающего комбината летом 2015 года. Постройки преимущественно кирпичные, реже панельные, разнообразной архитектуры. Чердачные помещения теплые, высокие и с раскрытыми окнами. Внутри кварталов сохранились старые сараи, часть которых заменены кирпичными и железными гаражами. Растительность представлена тополями и ясенелистными кленами, сибирской яблоней, в отдаленных местах имеются заросли кустарников и палисадники, засаженные огородными культурами и цветами. На территории массивов разбиты бульвары с декоративными кустарниками и газонами. Зданиями занято 30-60% территории, асфальтом покрыта незначительная часть площади [20].

Рис.1 Сизый голубь Columba livia Feral Rock Pigeon

Статус: гнездящийся круглогодично пребывающий вид лесной, лесостепной и степной зон Омской области.

Внешний вид: длина тела 29-36 см. Оперение густое, плотное, но при этом перья слабо закреплены в коже. Надхвостье беловатое. Ноги короткие.

Окрас самца: окраска темно-сизая, крылья светло-серые с двумя поперечными темными полосами, по краю хвоста темная полоса.

Окрас самки: почти не отличается от самца.

Окрас молодых птиц: выглядят более тускло, без глянца.

Голос: воркование, раскатистое глухое урчание.

Гнездование: гнездится сообществами по скалистым или глинистым обрывам, в пещерах, заброшенных зданиях, в городах и других населенных пунктах - на чердаках и карнизах домов. Гнезда располагаются либо открыто на уступе или карнизе, либо в норах, расщелинах, нишах. Гнездо плоское, построено небрежно из прутиков и перьев. Кладка состоит из двух белых блестящих яиц, каждая пара за сезон выводит птенцов 3-4 раза. Можно наблюдать на всей территории городов России [13].



Глава II. Экспериментальная часть

2.1 Подготовка проб к анализу

В лабораторию физико-химических методов исследований научно-образовательного центра комплексного пользования Тувинского государственного университета (НОЦ КП) было доставлено 18 проб из города Омска. Из них 4 печени и 14 желудков Сизого голубя. На всех проб имелись маркировки, о том какой орган птиц представлен.

Все пробы были взвешены на аналитических весах. В среднем невысушенные пробы имели массу примерно по 7-9 г голубиного печени и по 12-15 г желудка (Табл.2). После взвешивания пробы были измельчены с помощью скальпеля на кусочки размером менее 1 см. Затем пробы высушивали в течение четырех часов в сушильном шкафу при температуре t°=120-140C°, поместив их в чашки Петри. После высушивания пробы были еще раз взвешены на аналитических весах. Масса сухих образцов животных материалов оказалась примерно на 25-30 % меньше массы невысушенных проб. (Табл.2).

Для ренгенофлуоресцентного анализа животных материалов в лаборатории физико-химических методов исследования на настоящее время отсутствует адекватные образцы сравнения. Можно было поступить двумя способами: анализировать животные материалы по методике РФА растений, или озолить пробы органов птиц и анализировать их уже по методике РФА почв. Был выбран второй вариант, так как высушенные пробы животных материалов трудно поддаются доизмельчению, чтобы из них можно было приготовить излучатели.

Для озоления проб использовали методику приготовления золы из пищевых продуктов, которая предполагает постепенное увеличение температуры в муфельной печи, что позволяет свести к минимуму потери определяемых компонентов. Вначале тигли ставили в холодную муфельную печь и поднимали температуру до 50 С° и выдерживали 30 минут. После чего температуру в печи поднимали еще на 50 С° и т.д. Когда температура в муфельной печи достигла 400 С° пробы при данной температуре выдержали 2 часа. После охлаждения пробы взвесили. Но оказалось, что в пробах желудочков голубей очень иного камушков (Рис.3), поэтому озоленные пробы перебрали, удалили камни, снова взвесили (Табл.2) и приступили к измельчению. В ренгенофлуоресцентном анализе качество поверхности излучателя влияет на результаты, и с целью получения идеальной ровной поверхности необходимо измельчит пробы до размеров частиц менее 40 мкм.