Экологическая криминалистика
Молекулярные маркеры как доказательная база в расследовании загрязнений
Индустриализация и урбанизация неразрывно связаны с экологическими рисками. Загрязнение почв, воды и воздуха нарастает, а экологическая обстановка в мире ухудшается. В этих условиях большое значение приобретает экологическая криминалистика — междисциплинарное направление на стыке химии, биологии, почвоведения, юриспруденции и приборостроения. Она расследует преступления против природы, работая со следами токсикантов, измененным ландшафтом и погибшей биотой.
Расследовать экологические преступления сложно. Природа не умеет жаловаться, а потерпевшие иногда годами не догадываются, что их здоровью причинен вред. Вещества-токсиканты мигрируют и трансформируются. Следы поражения зарастают. Часто неизвестно, что является маркером загрязнения, который надо искать. Нужен метод, способный выявлять следовые концентрации веществ; идентифицировать новые, еще не описанные в научной литературе соединения; определять их структуру и химические свойства; предсказывать их превращения и на основе этих данных создавать доказательную базу и обосновывать причину загрязнения. Один из таких методов — хромато-масс-спектрометрия.
«Хромато-масс-спектрометрия (особенно ГХ-МС/МС, ВЭЖХ-МС/МС) в сочетании с методами машинного обучения является мощным инструментом экологической криминалистики. Она позволяет не только идентифицировать неизвестные загрязнители и их персистентные маркеры, но также реконструировать пути миграции токсикантов в экосистеме (включая пищевые цепи) и оценивать токсикологические риски, включая синергетические эффекты, возникающие при смешивании разных веществ. Ключевым требованием к доказательной базе является наличие воспроизводимых и аттестованных методик анализа и пробоподготовки и обязательное подтверждение структуры обнаруженных соединений независимыми методами»,— рассказал директор ИФХЭ РАН, член-корреспондент РАН Алексей Буряк.
Фото: Ольга Макарова / ИФХЭ РАН
Фото: ИФХЭ РАН
Фото: ИФХЭ РАН
Как по хроматограмме определить возраст и происхождение нефтяного пятна
В работе, опубликованной в Science of The Total Environment, которую ученые ИФХЭ РАН выполнили совместно с РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии был определен состав загрязнителя в образцах почвы, взятых с территории заброшенной нефтебазы на полуострове Ямал, недалеко от заповедника «Ямальский». Концентрация нефтепродуктов в верхнем слое почвы достигала 107 ± 27 г/кг, что является крайне высоким показателем. В арктических условиях миграция нефтепродуктов происходит быстрее, чем их разложение. Нефтепродукты проникли вглубь почвы до слоя многолетней мерзлоты (глубина — 85 см). В почве обнаружено превышение концентраций тяжелых металлов V, Cr, Cd, Pb, Ni, и Zn по сравнению с фоновыми значениями в 2,3–9,7 раза.
«Нефть — это смесь различных углеводородов. Их соотношение — молекулярный штрихкод, по которому можно многое узнать о нефтепродуктах: условия, в которых образовалась нефть, факт ее переработки, фракцию, возраст загрязнения,— рассказала первый автор работы, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии ИФХЭ РАН Анастасия Карнаева.— Хроматограмма показала ряд пиков, соответствующих нормальным алканам — неразветвленным углеводородным цепочкам с числом атомов углерода от 12 до 23. Это признак дизельного топлива — среднедистиллятной фракции нефти. Также были обнаружены специфические маркерные соединения, обычно присутствующие в дизельном топливе. Поэтому мы можем быть твердо уверены: это не нефть, не мазут, не бензин, а дизель».
Различные углеводородные цепи разрушаются микробами с разной скоростью. Сравнивая соотношения интенсивности пиков хроматограммы для образцов с полуострова Ямал и для свежего дизеля, ученые сделали вывод, что загрязнение старое.
«Когда дизель стареет в арктических условиях,— объяснила Анастасия Карнаева,— легкие алканы испаряются, средние алканы остаются. Отсутствие легких углеводородов — признак старого пролива. Но есть и другие способы понять, когда произошло загрязнение. Неразветвленные углеродные цепочки разрушаются микробами быстрее, чем разветвленные, поэтому пики разветвленных алканов на хроматограмме стали заметнее. Именно данные ГХ-МС легли в основу вывода о том, что источником является старое дизельное топливо, а не свежий разлив».
Чем опасно и как выявляется ракетное топливо
Большинство загрязнителей, таких как нефтепродукты, несимметричный диметилгидразин (НДМГ), пестициды — активные и высокореакционные вещества. В настоящее время мало изучено их воздействие на растения: метаболизация в тканях, вымывание при устранении источника загрязнения, влияние на рост и прорастание семян. Эти знания очень важны, потому что от того, как быстро и надежно растения впитают токсиканты, зависит перспектива их последующего попадания в пищевые цепи и отравления людей.
В работе, опубликованной в Environmental Science and Pollution Research, ученые ИФХЭ РАН предложили использовать вещество класса триазолов — 1-метил-1,2,4-триазол (МТА) — как маркер загрязнения несимметричным диметилгидразином. Эксперименты проводились с кресс-салатом и кабачками, которые выращивались гидропонно.
МТА был выявлен во всех без исключения образцах растений, независимо от условий эксперимента: при проращивании семян в воде с разными концентрациями НДМГ (от 1 г/л до 10 г/л) и при опрыскивании проростков водным раствором НДМГ (имитация попадания только на надземную часть). МТА был зафиксирован даже при самой низкой концентрации загрязнителя (1 г/л), тогда как другие продукты трансформации НДМГ были обнаружены в растительной массе только при более высоких концентрациях (5 и 10 г/л).
При детектировании методом ГХ-МС (газовая хроматография-масс-спектрометрия) интенсивность пика МТА была наивысшей по сравнению с другими продуктами трансформации НДМГ. Этот пик хорошо заметен среди многочисленных растительных экстрактов, поэтому его обнаружение менее зависимо от чувствительности прибора.
«МТА накапливается в тканях растения уже через два часа после опрыскивания,— отметила Анастасия Карнаева.— Это надежный маркер загрязнения несимметричным диметилгидразином».
Производные пестицидов в растениях
В работе, опубликованной в журнале Science of The Total Environment, ученые ИФХЭ РАН совместно с МГУ им. М. В. Ломоносова исследовали воздействие имидазола и триазола — веществ, входящих в состав пестицидов,— на растения. Рапс и люцерна, выращиваемые гидропонно, в течение двух недель обрабатывались токсикантами, затем были промыты и пересажены в чистую среду.
Рапс после переноса в чистую среду развивался интенсивнее, чем люцерна. Он активно усваивал имидазол и при высоких концентрациях (до 500 мкг/мл) cохранял жизнеспособность. Это позволяет использовать рапс для фиторемедиации почв, загрязненных имидазолом.
Имидазол активно вымывался из тканей растений. Если загрязнение произошло давно, следы имидазола, возможно, не будут обнаружены. Триазол накапливался и сохранялся в тканях. Поэтому триазол можно использовать как маркер загрязнения пестицидами. Присутствие триазола в растениях через длительное время после устранения загрязнения указывает на то, что он может накапливаться и попадать в организм животных и человека через пищевые цепи.
Ученые также впервые провели эксперимент по оценке токсичности, использовав для этого широко распространенную зеленую водоросль — ключевой тест-объект в экотоксикологии. Триазол показал токсичность, сходную с токсичностью исходных пестицидов. Имидазол при низких концентрациях был малотоксичен. Но смесь имидазола и триазола в низких концентрациях (2,5–25 мкг/мл каждого) проявляла задержанный, но устойчивый токсический эффект, причем сильнее, чем у каждого вещества в отдельности.
«Сочетание хромато-масс-спектрометрии с биотестами позволяет не только найти вещество, но и оценить его экологическую опасность, включая синергетические эффекты,— отметил Алексей Буряк.— При расследовании случаев комплексного отравления необходимо иметь в виду опасные комбинации загрязнителей и возможность усиления токсического действия в присутствии, казалось бы, малотоксичного вещества».
Триазолы и имидазолы входят в состав фунгицидов, которые широко используют в сельском хозяйстве, садоводстве и частном секторе. Такими фунгицидами обрабатывают поверхность фруктов для длительного хранения. Имидазолы используются при покраске тканей. Триазолы и имидазолы также являются продуктами трансформации несимметричного диметилгидразина и могут попасть в окружающую среду при проливах ракетного топлива. Широкое использование, стойкость и токсичность позволяют отнести имидазол и триазол к «новым загрязнителям». Эти вещества остаются растворенными и плохо связываются почвой, следовательно, они мигрируют за пределы обработанных полей, загрязняя огромные территории.
«Триазол должен учитываться при оценке экологических рисков пестицидов, так как его токсичность сопоставима с исходными пестицидами»,— отметил кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии ИФХЭ РАН Алексей Милюшкин.
«Успех экокриминалистического расследования определяется в первую очередь правильным выбором мишени для анализа — вещества-маркера, устойчивого к трансформации и вымыванию. Триазолы в этом смысле оказываются более надежными свидетелями загрязнения, чем сами исходные токсиканты или их нестабильные метаболиты,— сделала вывод Анастасия Карнаева.— В то же время синергетические эффекты, выявленные для смеси имидазола и триазола, указывают: в реальной экосистеме вещества никогда не действуют поодиночке и малотоксичный компонент в сочетании с другим может стать источником серьезной отсроченной угрозы».