Выявление влияния свойств поверхности различных волокнистых материалов на активность в отношении биологических объектов

Е.А. Гудкова, Н.В. Рыжих, А.И. Везенцев

Белгородский государственный университет

Вопросы применения в строительстве и технике асбестсодержащих материалов продолжают оставаться актуальными, т.к. в ряде зарубежных стран эти материалы запрещены, а в других - наблюдается тенденция к сокращению их применения.

Термин «асбест» объединяет большую группу природных волокнистых минералов, отличающихся друг от друга составом, кристаллическим строением, некоторыми химическими и технологическими свойствами, а также особенностями действия на организм человека.

Данные медицинских исследований подтверждают, что из всех известных видов асбестовых волокон хризотил наименее опасен, т.к. быстрее выводится из легочной ткани, отличается меньшей стойкостью к растворению в тканевых средах, нетоксичен и при соблюдении элементарных требований не оказывает отрицательного влияния на окружающую среду.

Согласно современным и общепризнанным научным данным, асбесты амфиболовой группы в сравнении с хризотил-асбестом обладают более высокой биологической активностью [1].

Известно, что многие минеральные вещества, в особенности волокнистые материалы, способны вызывать патологические состояния в организме человека и животных. Часто следствием таких состояний является накопление продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), в частности перекисных соединений, что, в свою очередь, сопровождается нарушением функций целого ряда ферментных систем [2]. Задача данного исследования заключалась в определении устойчивости эритроцитарных мембран под действием волокнистых материалов (на примере осмотической резистентности эритроцитов) по известной методике [3] и определении уровня гидроперекисей, что является показателем разрушения мембран в результате процессов ПОЛ.

Для выявления влияния на осмотическую стойкость эритроцитов крови использовали два волокнистых материала: хризотил-асбест и крокидолит.

Результаты показали, что в крови без образцов начало гемолиза отмечалось при концентрации 0,42 масс. % хлорида натрия; в крови с хризотил-асбестом наблюдалось начало гемолиза при 0,50% хлорида натрия; в крови с крокидолитом - при 0,60 масс. % хлорида натрия.

Полученные данные позволили установить, что при взаимодействии клеток крови с хризотил-асбестом и крокидолитом происходит более активное разрушение мембран эритроцитов, чем в контроле. Из результатов также следует, что крокидолит обладает большим разрушающим действием по сравнению с хризотилом.

Определение уровня гидроперекисей липидов также позволяет отметить степень патологического воздействия исследованных материалов на биологические объекты. Для моделирования стимуляции процессов перекисного окисления липидов конкретным минеральным веществом определяли гидроперекиси, образующиеся в результате воздействия изучаемого вещества на биологический материал, в качестве которого был взят куриный желток, богатый фосфолипидами, аналогичными фосфолипидам мембран живых клеток [4].

Метод определения основан на свойстве гидроперекисей липидов окислять в разбавленных водных растворах Fe 2+ до Fe 3+. Последний обнаруживали с помощью цветной реакции с роданидом аммония при максимуме поглощения 480 нм [5]. Об относительном уровне гидроперекисей судили по величине оптической плотности при установленной длине волны.

В этом опыте учитывали как естественный уровень гидроперекисей в использованном биологическом материале, так и уровень гидроперекисей, образуемых в результате воздействия исследованных образцов на биологический материал.

Опыт проводили в течение 20 минут. Замеры производили через каждые 5 минут.

Результаты эксперимента показали, что максимальное выделение гидроперекисей наблюдается через 10 минут у крокидолита, у хризотил-асбеста только через 15 минут и их общее количество ниже, чем в случае с крокидолитом. В контрольной пробе всплеск количества гидроперекисей наблюдается также через 15 минут, но их общее количество заметно ниже, чем в образце с хризотилом и тем более с крокидолитом.

Данные проведенного эксперимента показывают, что наибольшее отрицательное воздействие на биологические объекты оказывает крокидолит-асбест, а хризотил-асбест обладает более низкой биологической активностью.

Для того, чтобы объяснить полученные результаты, необходимо было выявить наиболее существенные химические и физико-химические свойства изученных материалов, обусловливающие их биологическую активность.

В связи с этим было проведено определение типа и силы активных центров поверхности изученных образцов индикаторным методом в его фотоколориметрической разновидности [6].

Метод основан на адсорбции одноосновных индикаторов на поверхности твердых веществ из водной среды. Ассортимент используемых реактивов позволяет регистрировать кислотно-основные центры в диапазоне кислотности - 4,4 ^ + 17,2. Количественное определение центров адсорбции (qpKax, моль/г) данной кислотной силы проводили фотоколориметрическим методом в видимой области спектра. Растворы фотометрировали в кюветах с l = 1 см относительно растворителя на фотоэлектроколориметре КФК-3 при длине волны, соответствующей максимальному поглощению каждого индикатора (Xmax).

Расчетным путем определяли функции кислотности поверхностей хризотила и крокидолита и количество активных центров.

В результате было определено, что общее количество активных центров на поверхности крокидолита qpKa = 133,76 моль/г; на поверхности волокон хризотила qpKa = 39,38 моль/г. Таким образом, количество активных центров поверхности крокидолита выше по сравнению с хризотилом в 3,4 раза. В случае хризотил-асбеста полосы распределения активных центров находятся в области значений рКа, равных 5; 6,4; 7,3, причем наибольшее их количество приходится на показатель кислотности 6,4 - 17,05 моль/г (рис.).

Распределение активных центров на поверхности изученных образцов

У крокидолита полосы поглощения соответствуют значениям рКа, равным 1,5; 6,4; 7,3; 8,8; 9,55. Очевидно, что характер и сила поверхностных центров у этого материала достаточно разнообразны и соответствуют различным показателям кислотности. К тому же количество активных центров, соответствующих показателю кислотности 6,4, весьма велико - 107,1 моль/г. Таким образом, можно предположить, что характер и количество активных центров напрямую влияют на способность волокон оказывать влияние на биологические объекты. Соответствие показателя кислотности сродству к электрону позволяет также провести аналогию между окислительной способностью активных центров поверхности. Чем выше показатель кислотности, тем с большей вероятностью данный активный центр будет притягивать электроны или электронные пары биологических молекул, контактирующих с поверхностью изучаемых волокон. А это в свою очередь будет способствовать стимуляции процессов перекисного окисления липидов на мембранах живых клеток и нарушение функционирования различных ферментных систем, особенно тех, которые ответственны за дыхание клеток и синтез АТФ. Впоследствии такие нарушения могут привести к нарушению деления клеток и их злокачественному перерождению.

Выводы

Хризотил-асбест и крокидолит обладают биологической активностью.

Крокидолит обладает большим разрушающим действием по сравнению с хризотил- асбестом в отношении мембран живых клеток.

Количество активных центров на поверхности крокидолита в 3,4 раза больше, чем у хризотила, и их распределение по типу и силе значительно более разнообразно.

Список литературы

Иванов В.В. Замена термина «Асбест» на термин «Хризотил» // Сб. докл. и выступлений. Региональный международный семинар «Современное состояние и перспективы развития асбестоцементной промышленности стран СНГ центрально-азиатского региона в условиях контролируемого, безопасного использования асбестосодержащих изделий и материалов» (Ташкент, 1518 сент. 2004 г.). - Ташкент, 2004. - С. 31.

Владимиров Ю.А., Арчаков А.М. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. - М.: Наука, 1972. - 132 с.

Справочник по клиническим функциональным исследованиям / Под ред. А.Гиттера и Л. Хейльмейда. - М.: Медицина, 1966. - 612 с.

Биохимия: учебник / Под ред. Е.С. Северина. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. - 210 с.

Современные методы в биохимии / Под ред. В.Н. Ореховича. - М.: «Медицина», 1977. - 392 с.

Кислотно-основные свойства поверхности твердых веществ / Под ред. А.Н. Нечипоренко. - Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1989. - 23 с.