Глава 11. Группа пестицидов

Токсикологическая химия Вергейчик Т.Х.

11.1. Общая характеристика пестицидов

11.2. Химико-токсикологическое значение и анализ хлорорганических пестицидов

• 11.2.1. Гексахлорциклогексан (ГХЦГ)
• 11.2.2. Гептахлор
• 11.2.3. Токсикологическое значение других хлорорганических пестицидов

11.3. Химико-токсикологическое значение и анализ фосфорсодержащих пестицидов

• 11.3.1. Характеристика некоторых фосфорсодержащих пестицидов
• 11.3.2. Методы изолирования и обнаружения фосфорсодержащих пестицидов
• 11.3.3. Методы количественного определения фосфорорганических пестицидов

11.4. Химико-токсикологическое значение и анализ эфиров карбаминовой кислоты

11.5. Химико-токсикологическое значение и анализ пиретроидов

11.6. Неорганические ядохимикаты и органические препараты ртути

• 11.6.1. Гранозан (этилмеркурхлорид)
• 11.6.2. Фториды и кремнефториды
• 11.6.3. Фосфид цинка

11.1 Общая характеристика пестицидов

Пестициды (от лат. pestis — «зараза» и caedo — «убивать») или ядохимикаты состав­ляют большую группу соединений, являющихся главной причиной профессиональных отравлений в сельской местности. Чаще всего подвергаются токсическому воздействию лица, непосредственно соприкасающиеся с ними — работники сельского хозяйства, спе­циалисты в области химической промышленности, производящей данные вещества. Пестициды являются одной из причин «токсической ситуации» в мире, так как они наряду с непосредственным воздействием на живой организм проникают в растения, в почву, в воду и т.п. Поэтому источниками отравления людей и животных могут быть не только сами пестициды, но и различные объекты внешней среды, растения, пище­вые продукты и т.п. Отдельные пестициды длительное время сохраняются во внешней среде, в организме теплокровных животных, поедающих обработанные ядохимикатами растения, и могут попадать в организм человека с молоком, мясом указанных живот­ных.

В организме человека и теплокровных животных пестициды подвергаются различ­ным превращениям. Продукты их превращения — метаболиты — выводятся из организма с мочой, калом. Образующиеся метаболиты в некоторых случаях являются более токсич­ными, чем сами пестициды.

Внимание пестицидам как группе токсикологически важных объектов стало уделять­ся в 1950-е годы, особенно с началом войны во Вьетнаме, когда массированное исполь­зование хлорорганических гербицидов привело к массовым заболеваниям людей. В этот период начались активные исследования по изучению токсичности различных классов пестицидов и разработке методов их анализа в биологических объектах.

В настоящее время ситуация не смягчается, а обостряется. Для повышения урожайности и сохранения сельскохозяйственных продуктов требуются все более эффективные пестициды. Это означает, что их токсичность для людей и опасность для окружающей среды будут постоянно возрастать. Следует отметить, что в настоящее время действую­щим органом, осуществляющим контроль за качеством применяемых и разрабатываемых пестицидов, является санэпиднадзор, который работает в тесном контакте с химиками и токсикологами. Благодаря деятельности санэпиднадзора к пестицидам предъявляются требования по ограничению длительности сохранения в окружающей среде (персистент­ность). Для большинства пестицидов установлены нормы предельно допустимых кон­центраций (ПДК) в окружающей среде, пищевых продуктах, Зерновых, плодовых, ово­щных культурах и др., а также правила техники безопасности при работе с ними. Однако химико-токсикологический анализ биологических объектов — это задача химиков.

Принципы классификации пестицидов

Классификация имеет прикладное значение для каждого специалиста. С точки зрения специалиста-аграрника, классификация пестицидов проводится по принципу воздей­ствия на вредные растения, грибы, насекомые, грызунов и т.д. С точки зрения хими­ка классификация проводится по принципу химического строения, который позволяет унифицировать методы изолирования и анализа пестицидов. Для токсикологов, меди­цинских работников важна классификация по токсичности используемых соединений. Ознакомимся с принятыми классификациями пестицидов.

По воздействую на живой организм и растения пестициды делят на следующие группы:

• препараты, действующие на траву, кустарники, водоросли, — гербициды, арбори- циды, альгициды;
• препараты, действующие на грызунов, диких животных, хищников, — зооциды, родентициды;
• препараты, действующие на насекомых, — инсектициды, акарициды;
• препараты для борьбы с червями, моллюсками — нематоциды, лимациды;
• препараты для борьбы с заболеваниями растений — фунгициды, бактерициды. Имеется группа препаратов, используемых для стимулирования роста растений, для под­сушивания или удаления листвы и т.д.

По химическому строению пестициды делят на следующие основные группы:

• хлорорганические соединения;
• фосфорсодержащие пестициды;
• производные карбаминовой кислоты;
• синтетические пирегроиды;
• неорганические пестициды;
• органические соединения ртути и др.

По токсичности пестициды делятся на четыре группы:

• высокотоксические пестициды, LD_S0 составляет до 50 мг/кг веса животного;
• сильнодействующие (токсичные) пестициды, LD_S0 находится в пределах 50-200 мг/кг;
• пестициды средней токсичности, LD₅₀ составляет 200-1000 мг/кг;
• малотоксичные соединения, LD₅₀ выше 1000 мг/кг.

В организм насекомых инсектициды могут проникать несколькими путями. В зависи­мости от этого они подразделяются на 4 основные группы: контактные, проявляющие действие при соприкосновении с любой частью тела насекомого; кишечные, оказываю­щие вредное воздействие после попадания их через органы пищеварения и кишечник; системные, попадающие в организм насекомого после поедания обработанных ими рас­тений; фумиганты, попадающие в организм через дыхательные пути.

Гербициды по избирательности действия на растения подразделяют на гербициды сплошные, пагубно действующие на все виды растений, и избирательные (селективные), действующие только на один или ограниченное число видов растений. Гербициды по ха­рактеру действия подразделяются на гербициды контактного действия, поражающие растения при непосредственном контакте с листьями и стеблями растений, гербициды системного действия, которые проникают в сосудистую систему растений и вызывают их гибель, и гербициды, действующие на корневую систему растений или на прорастаю­щие семена. Основными формами применения пестицидов являются порошки (дусты), концентраты эмульсий, гранулы, аэрозоли.

В токсикологической химии при исследовании пестицидов используется химическая классификация.

11.4 Химико-токсикологическое значение и анализ эфиров карбаминовой кислоты

В настоящее время синтезировано большое количество эфиров карбаминовой кислоты (карбаматов). В сельском хозяйстве нашли применение немногие из них. Токсикологическое значение из этой группы веществ имеет севин или карбарт.

Севин — это белое кристаллическое вещество, малорастворимое в воде, растворимо в большинстве органических растворителей. Он выпускается в виде 50-85% порошка (дуста) или гранул. Применяется как высокоэффективный инсектицид широкого спектра действия для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур и деревьев.

Токсическое действие севина выражено слабо. Он обладает умеренной токсичностью и медленно накапливается в организме. В основе токсического действия лежит торможе­ние активности холинэстеразы, нарушение синтеза биогенных аминов. Севин оказывает неблагоприятное действие на паренхиматозные органы, эндокринную систему, генера­тивную функцию организма, обладает эмбриотоксическим, тератогенным и мутагенным действием. Описаны отравления средней тяжести при приеме внутрь 250 мг препарата. Смертельные отравления наблюдались в случае приема внутрь 0,5 л 80% суспензии. При смертельных отравлениях наблюдается отек легких.

Метаболизм севина. При пероральном поступлении севин быстро проникает в раз­личные органы. В результате ферментативного гидролиза эфирной связи (преимуще­ственно в крови и печени) образуются 1-нафтол и N-метилкарбаминовая кислота, которая затем распадается на метиламин и оксид углерода(1У). Метиламин подвергается окислительному деметилированию.

Продукты метаболизма оксид углерода, формальдегид и 1-нафтол из организма вы­водятся различными путями.

1-нафтол образует конъюгаты с серной и глюкуроновой кислотами и выделяется с мочой.

Кроме того, севин может в организме присоединять в параположении гидроксильную группу, а затем конъюгироваться с глюкуроновой кислотой.

Предварительное исследование объекта на карбаматы

Реакция с фурфуролом. К 1 мл исследуемого объекта (содержимого желудка) добавля­ют 0,5 мл разбавленной хлороводородной кислоты и экстрагируют 4 мл хлороформа. Хлороформный экстракт выпаривают досуха. Остаток растворяют в 0,1 мл метилового спирта и раствор наносят на фильтровальную бумагу. После подсушивания на пятно на­носят 0,1 мл фурфурола и снова подсушивают. Фильтровальную бумагу выдерживают в течение 5 мин над концентрированной хлороводородной кислотой. При наличии про­изводных карбаминовой кислоты пятно окрашивается в черный цвет.

Изолирование севина и его основного метаболита 1-нафтола проводится бензо­лом. Навеску биоматериала массой 100 г заливают 100 мл бензола, периодически поме­шивают в течение часа. Затем бензол сливают и экстрагирование повторяют еще дважды (по 100 мл). Бензольные вытяжки объединяют, фильтруют и отгоняют бензол на водяной бане до небольшого объема. Остаток выпаривают под вытяжным шкафом при комнат­ной температуре досуха. Полученный остаток растворяют в 10 мл спирта. При полу­чении окрашенного в желто-бурый цвет остатка его подвергают очистке. С этой целью к сухому остатку добавляют смесь из 20% раствора аммиака, концентрированной фос­форной кислоты и ацетона 3:2:5. Для удаления ацетона жидкость нагревают на водяной бане при 40°С. Затем охлажденный раствор экстрагируют трижды 20 мл хлороформа. Хлороформные вытяжки объединяют, выпаривают на водяной бане досуха, остаток рас­творяют в 5 мл этилового спирта. В полученном растворе будут находиться севин и 1-на­фтол.

Обнаружение севина. Севин гидролизуют до 1-нафтола и проводят реакции с 4-аминофеназоном, хлоридом меди и бромидом калия, с хлоридом железа(Ш), с нитритом натрия. Для обнаружения севина используют также хроматографию в тонком слое сорбента и микрокристаллоскопические реакции.

Реакция с 4-аминофеназоном. В пробирку вносят 1 мл спиртового раствора, полу­ченного после изолирования, и 0,5 мл аммиачной буферной смеси (растворяют 10 г хло­рида аммония в 50 мл 25% раствора аммиака). Пробирку нагревают на водяной бане при температуре 55-60°С (с воздушным холодильником) в течение 15 мин. После охлаждения добавляют три капли 0,5% водного раствора 4-аминофеназона и 6 капель 10% водного раствора гексацианоферрата(Ш) калия — появляется оранжево-красное окрашивание

Реакция с хлоридом меди и бромидом калия. В пробирку вносят 1 мл спиртового раствора полученного после изолирования, 0,4 мл 0,5 М раствора гидроксида натрия и на­гревают на водяной бане в течение 10 мин при 55°С (с воздушным холодильником). После охлаждения добавляют 0,5 М хлороводородную кислоту до рН=5-6 и 1 мл свежеприготов­ленной смеси, содержащей 0,1 г хлорида меди(П), 4 г бромида натрия и 5,9 мл воды очи­щенной. При нагревании смеси до 60°С раствор окрашивается в красно-фиолетовый цвет. При взбалтывании с хлороформом окрашенное соединение переходит в слой хлороформа.

Реакция с хлоридом железа(Ш). При добавлении к спиртовому раствору капли 1% раствора хлорида железа(ПГ) появляется розовое окрашивание.

Реакция с нитритом натрия. При добавлении к спиртовому раствору 0,5% рас­твора нитрита натрия и разбавленной серной кислоты образуется желтое окрашивание, которое переходит в оранжевое при добавлении гидроксида натрия.

Реакция с пикриновой кислотой. На предметное стекло наносят 1 каплю исследуе­мого раствора и испаряют досуха. К остатку добавляют 1 каплю раствора пикриновой кислоты. Через 10-15 мин появляются темно-желтые кристаллы, собранные в пучки. При малом содержании севина кристаллы образуются очень медленно (рис. 98).

Реакция перекристаллизации. Из спиртового раствора севин кристаллизуется (рис. 99) при испарении растворителя в виде характерных сростков кристаллов (крестов и дендритов).

Обнаружение севина и 1-нафтола методом ТСХ. На пластинку с закрепленным слоем оксида алюминия наносят каплю спиртового раствора остатка извлечения из объе­кта и — в качестве «стандартов» — растворы севина и 1 -нафтола. Пластинку помещают в систему растворителей хлороформ — бензол — ацетон (7:2:1). После хроматографирова­ния и высушивания пластинки на воздухе ее облучают УФ-лампой. При наличии севина или 1 -нафтола их пятна флуоресцируют. Затем пластинку опрыскивают щелочным рас­твором диазотированной сульфаниловой кислоты. При этом пятна на пластинке приоб­ретают красное окрашивание.

Количественное определение. Для количественного определения севина исполь­зуют фотоколориметрический метод. Он основан на омылении севина до 1-нафтола и получении окрашенного соединения с хлоридом меди и бромидом калия (купробромидом) по описанной в разделе «обнаружение севина» методике. Окрашенный в красно­фиолетовый или сине-фиолетовый цвет слой хлороформа отделяют и в полученном рас­творе регистрируют оптическую плотность с помощью фотоколориметра при 420 нм (синий светофильтр) в кювете с толщиной слоя 1 см. Расчет содержания севина в иссле­дуемом объекте ведут по калибровочному графику.

11.5 Химико-токсикологическое значение и анализ пиретроидов

В этой группе рассматриваются инсектициды, которые являются синтетическими ана­логами природных пиретринов. Эти соединения обладают широким спектром действия, эффективны при очень малых нормах расхода — 16-300 г на один гектар. Их используют для обработки хлопчатника и многих других культур и садов. В настоящее время извест­ны три поколения пиретроидов.

Пиретроиды 2-го поколения — эфиры 3-(2,2-дигалогенвинил)- 2,2-диметилциклопропанкарбоновой кислоты

Недостатком пиретроидов 1-го и 2-го поколения является высокая токсичность для пчел и рыб и непригодность для почвообитающих насекомых.

Предложенные пиретроиды третьего поколения обладают большей активностью в от­ношении клещей и меньшей токсичностью в отношении пчел, птиц и рыб. Кроме указан­ных соединений, применяются в практике еще более 100 синтетических пиретроидов.

Физико-химические свойства синтетических пиретроидов. Синтетические пире­троиды — это кристаллические, жидкие, пасто- и воскообразные вещества. Они летучи в разной степени, являются веществами нейтрального характера, хорошо растворимы в большинстве органических растворителей (ацетоне, гексане, хлороформе, ацетони­триле и др.) и плохо растворимы в воде. Промышленностью синтетические пиретроиды выпускаются в виде смачиваемых порошков или паст. Под действием кислорода, влаги и света разлагаются. Они устойчивы в слабокислой и нейтральной средах, но как эфиры гидролизуются под действием щелочей и сильных кислот. Например, дельтаметрин при перегонке способен гидролизоваться с образованием синильной кислоты, которая может быть обнаружена в дистилляте.

В организм человека пиретроиды могут поступать через легкие и ЖКТ. В организме теплокровных, в частности человека, синтетические пиретроиды подвергаются гидроли­зу, а затем гидроксилированию. При наличии цианогруппы она подвергается трансфор­мированию в тиоцианогруппу. Пиретроиды являются липофильными соединениями.

Токсикологическое значение. Смертельная доза большинства пиретроидов для че­ловека не установлена. Все пиретроиды — яды нервного типа, они поражают центральную и периферическую нервную систему. При контакте с пиретроидами токсическое действие выражается в раздражении кожи в виде зуда, жжения, эритем. Затем появляются головная боль, головокружение, боли в суставах, тошнота, рвота, поражение печени. Позже про­является нейротоксическое действие, тремор, судороги, параличи, мышечная слабость, глубокая депрессия. При высоких концентрациях наблюдается поражение нервных окон­чаний. Синтетические пиретроиды влияют на активность холинэстеразы и окислительно­восстановительные системы организма подобно действию севина. Смертельные случаи проявляются в виде инфаркта. По токсичности синтетические пиретроиды значитель­но отличаются друг от друга: от сильно токсичных (LD_S0=25 мг/кг) до малотоксичных (LD₅₀=10 ООО мг/кг).

При вскрытии погибших наблюдаются отек мозга, дистрофические изменения в па­ренхиматозных органах, кровенаполнение печени.

Методы изолирования пиретроидов

Изолирование из трупного материала. Как вещества органической природы нейтраль­ного характера пиретроиды экстрагируются эфиром или хлороформом из растворов с рН=2-3. Преимущество отдается обычно изолированию спиртом. Из биологического ма­териала спиртом способны извлекаться не только нативные соединения, но и полярные продукты метаболизма пиретроидов.

При направленном анализе в качестве экстрагентов предлагается использовать гексан, петролейный эфир или смесь гексана и ацетона в соотношении 9:1 или 7:3. Эти экстра­генты позволяют извлекать меньшее количество соэкстрактивных веществ.

Для очистки извлечений из трупного материала используют реэкстракцию или коло­ночную хроматографию.

Экстракционный метод очистки. Сухой остаток после испарения экстракта из объекта растворяют в 25-30 мл гексана и несколько раз экстрагируют ацетонитрилом. К ацетонитрильным вытяжкам добавляют 5-10% растворы хлорида натрия или калия и затем вновь проводят экстракцию пиретроидов гексаном.

Колоночная хроматография. Для цели очистки извлечений используют колонки ди­аметром 1 см и длиной 10 см со слоем силикагеля КСК, на который сверху помещают 2 г безводного сульфата натрия. Хлороформный экстракт упаривают до объема 5 мл и про­пускают через колонку со скоростью 40-50 капель в минуту. Синтетические пиретроиды элюируют с колонки 96% этанолом.

Изолирование синтетических пиретроидов из крови и мочи. Для изолирования предложена твердофазная экстракция. 1 мл плазмы крови или мочи разбавляют 10 мл 70% раствора метанола (часть белков плазмы при этом осаждается). В качестве сорбен­та используют ненабухающие модифицированные силикагели, обладающие свойством с высокой скоростью устанавливать сорбционное равновесие. Разбавленную метанолом плазму (мочу) пропускают через патрон с сорбентом. Пиретроиды с колонки элюируют смесью метанол — вода (30:70).

Анализ извлечений. Наиболее эффективными методами обнаружения пиретроидов являются методы ТСХ, ГЖХ, ГХ/МС и иммунохимический анализ.

При проведении хроматографии в тонком слое сорбента используют пластинки «Сорбфил», пластинки со слоем силикагеля или оксида алюминия. В качестве систем рекомендуются 2- и 3-компонентные смеси на основе гексана, хлороформа, толуола с до­бавлением полярных и неполярных растворителей (ацетона, бензола, диэтилового эфира, этилацетата и др.). Чаще всего применяют системы хлороформ — метанол — 25% раствор аммиака (32:7:1) или гексан — ацетон (4:1).

Для обнаружения синтетических пиретроидов на пластинках используют следующие способы:

• Облучение УФ-лампой. Наблюдают флуоресцирующие пятна.

• При обработке 0,3% раствором перманганата калия и при последующем нагревании образуются пятна светло-желтого цвета.
• При обработке пластинки аммиачным раствором нитрата серебра в ацетоне и облу­чении в течение 10-15 мин УФ-лучами наблюдают серо-черные пятна пиретроидов Обнаруживаются все соединения данной группы веществ, содержащие галоген.
• При обработке пластинки фосфорномолибденовой кислотой и этиловым спиртом с последующим нагреванием пиретроиды образуют серо-желтые пятна.
• При обработке пластинки реактивом Драгендорфа (в модификации Мунье) пире­троиды обнаруживаются в виде оранжевых пятен (на пластинках «Сорбфил»).
• При обработке пластинки парами брома, а затем о-толидином в ацетоне образуют­ся синие пятна галогенсодержащих пиретроидов.
• При обработке пластинки модифицированным реактивом Дениже (оксид ртути(П), вода и концентрированная серная кислота) производные хризантемовой кислоты образуют пятна розового цвета.
• Пиретроиды, содержащие группу CN, при обработке пластинки 20% раствором ги­дроксида натрия, 1% раствором ацетата меди(Н) и 1% раствором о-толидина в 10% растворе уксусной кислоты образуют пятна синего цвета.

Для некоторых пиретроидов, содержащих атомы серы, кислорода, азота, пластинку обрабатывают бромфеноловым синим в присутствии ацетона и серебра. Общий фон на пластинке обесцвечивают обработкой 2% раствором лимонной кислоты. Пиретроиды проявляются в виде синих пятен.

Более эффективным является метод ГЖХ, так как многие пиретроиды являются ле­тучими соединениями. Идентификацию пиретроидов проводят по времени или объему удерживания. Газожидкостная хроматография используется после очистки экстрактов из биологических объектов. Иногда, чтобы увеличить летучесть препаратов перед обна­ружением, их дериватизируют. Часто рекомендуется проводить гидролиз препаратов с последующим получением метиловых эфиров продуктов гидролиза, которые и подвер­гают анализу. Используют приборы с детекторами ПИД, ДЭЗ. Колонки обычно набивные или капиллярные кварцевые. Неподвижные жидкие фазы неполярные или слабополяр­ные. Режим работы прибора чаще всего изотермический с программированной темпера­турой.

Единой методики анализа с помощью ГЖХ для синтетических пиретроидов нет. Имеющиеся разработки касаются отдельных производных. Делаются попытки разработ­ки скрининговых методов для анализа пиретроидов.

Метод хроматомасс-спектрометрии используется в качестве арбитражного и тре­бует тщательной очистки извлечений. Он включает использование высокоселективного детектора. Наибольшее распространение при анализе синтетических пиретроидов полу­чил метод ионизации молекул электронным ударом и реже — метод химической иониза­ции. Основной путь фрагментации молекул пиретроидов заключается в разрыве сложно­эфирной связи. Например, для идентификации пиретроидов при проведении анализа ме­тодом ГХ-МС с помощью электронного удара выделены следующие ионы:

• соответствующие кислой части молекулы (остатки хризантемовой или циклопро- панкарбоновой кислот) -m/z 97, 123, 163, 167, 251;
• соответствующие спиртовой части молекулы — m/z 164, 171, 183, 208, 209, 181;
• альдегид хризантемовой кислоты — m/z 151;
• анион хризантемовой кислоты — m/z 167 и т.д.

Полученные масс-спектры сравниваются с результатами анализа стандартных образцов или с библиотекой масс-спектров.

Количественное определение синтетических пиретроидов

Для количественного определения пиретроидов предложены различные методы, но чаще всего используют:

Метод ГЖХ по высоте или площади пика с использованием внутреннего стандарта Метод денситометрии. Проводится на хроматографических пластинках после получения окрашенных пятен. С помощью специальных сканирующих устройств определяют площадь пятна и рассчитывают концентрацию пиретроида, используя стандартные образцы.