Пестициды
группы хлорфеноксикарбоновых кислот.
Анализ в
водных объектах методом капиллярного электрофореза.
Н.В. Комарова*
, А.А. Карцова* *
Применение
пестицидов было и остается одним из основных путей интенсификации
сельскохозяйственного производства. Однако, будучи чужеродными химическими
веществами, вносимыми в окружающую среду, пестициды могут представлять собой
известную опасность для природы и человека. Многие пестициды способны длительно
сохраняться в среде обитания людей, попадая из одного объекта среды в другой и
превращаясь в более токсичные соединения. Согласно мировой экологической
статистике пестициды входят в группу экотоксикантов, составляющих так называемую
"грязную дюжину" [1].
В качестве
гербицидов наибольшее распространение получили хлорфеноксикарбоновые кислоты
(ФКК) и их производные. Ввиду отсутствия приемлемых альтернативных способов
борьбы с сорняками производство и потребление пестицидов этой группы продолжает
возрастать. Общая формула для соединений группы хлорфеноксикарбоновых кислот
Известно
влияние заместителей R1 и R2 на гербицидную активность этих соединений. В общем
случае возрастание активности происходит при R=Hal, причем максимум гербицидной
активности наблюдается при наличии в бензольном кольце двух атомов хлора, при
дальнейшем росте числа атомов Hal гербицидная активность снижается. Таким
образом, соединения группы 2,4-дихлорфеноксикарбоновых кислот являются самыми
активными гербицидами и, следовательно, наиболее широко используются. Активному
распространению соединений группы 2,4-Д способствует также наличие у отдельных
ее представителей (2,4-Д, 2,4-ДМ, 2М-4ХП) гормональных свойств: применение
препаратов, содержащих указанные гербициды, ведет к интенсификации биосинтеза
белка, стимулированию корнеобразования и ускорению дозревания плодов [2].
Наиболее
распространенные пестициды группы ФКК и их ПДК в водных объектах представлены в
табл.1.
Таблица 1.
Перечень наиболее распространенных пестицидов группы ФКК и их ПДК в объектах
окружающей среды.
Название
Синоним или краткое обозначение
ПДК, мг/л
Кислота феноксиуксусная
ФУК
1 (питьевая вода)
Кислота 2,4-дихлорфеноксиуксусная
2,4-Д
0,03 (питьевая вода)
1 (природная)
Кислота 2-метил-4 хлорфеноксиуксусная
2М-4Х, МСРА
0,02 (воды рыбохоз. водоемов)
0,04 (сан-быт.)
Кислота 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная
2,4,5-Т
Запрещена к применению!
Кислота 2,4-дихлорфенокси-a-пропионовая
Дихлорпроп, 2,4-ДР
0,5 (питьевая)
0,62 (природная)
Кислота
2-метил-4-хлорфенокси-a-пропионовая
Мекопроп, 2М-4ХП, МСРР
----
Кислота
2,4,5-трихлорфенокси-a-пропионовая
2,4,5-ТР, Silvex
----
Кислота 2,4-дихлорфенокси-a-масляная
2,4-ДВ
0,01 (питьевая)
В народном
хозяйстве представители ФКК применяются в качестве гербицидов (для борьбы с
сорняками), арборицидов (для уничтожения малоценных пород кустарников),
альгицидов (для уничтожения водных растений при зарастании водоемов). Попадая в
различные объекты окружающей среды, пестициды накапливаются в них либо
включаются в различные миграционные цепи (рис. 1). При этом в каждом из
объектов окружающей среды пестициды подвергаются всевозможным процессам
разложения. ФКК характеризуются сравнительно низкой персистентностью-
способностью сохраняться какое-либо время в окружающей среде, не теряя своей
биологической активности, и, например, в почве подвержены каталитическим
процессам разложения с участием микроорганизмов и ферментов: деалкилированию,
дегалогенированию, гидролизу, разрыву кольца и т.д. с образованием в конечном
итоге 2,4-Д и 2,4-ДХФ (2,4-дихлорфенола), более стабильных, чем исходные
соединения. Обладая хорошей растворимостью в воде, продукты разложения
вымываются из почвы и поступают в грунтовые воды, а затем в открытые водные
объекты.
Рис.1
Накопление и миграция остаточных количеств пестицидов в окружающей среде.
Кроме того, в
водные объекты ФКК могут поступать как при непосредственном внесении
ядохимикатов в водоемы (в качестве альгицидов), так и со стоками химических и
родственных производств. В водных объектах ФКК также претерпевают разложение до
2,4-Д и 2,4-ДХФ [3].
Стабильность
2,4-Д в различных объектах отражена в табл.2 и зависит как от физико-химических
свойств вещества, так и биологической природы среды, температуры, влажности,
УФ-радиации и т.д.
Таблица 2.
Стабильность 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты в объектах окружающей среды.
Объект среды
Максимальная стабильность препарата,
сутки
Почва
300-500
Растительные материалы
120-180
Водные организмы
100-150
Водная среда
120
О распределении
2,4-Д в водных объектах имеются противоречивые данные. Учитывая коэффициенты
распределения пестицида между отдельными компонентами биосферы, в [4] было
показано, что наибольшая доля 2,4-Д накапливается в воде (93,8 %), а в [3]
продемонстрировано распределение 2,4-Д при поступлении в воду: основная доля
(60%) метаболизируется в растительном материале в виде конъюгатов, незначительная
часть (5-10%) адсорбируется донными осадками, песком и 30% остается в воде.
Экологическая
безопасность пестицидов связана с их избирательностью, а также большей или
меньшей персистентностью. Класс ФКК относится к среднетоксичным соединениям,
значительно уступая по токсичности, например, группе хлорорганических
пестицидов. Тем не менее ряд представителей ФКК обладают отдаленным токсическим
действием: так у 2,4,5-Т выражено эмбриотропное действие и этот препарат
запрещен к применению в России.
Будучи
ксенобиотиками, вносимыми в окружающую среду, пестициды представляют собой
несомненную опасность для природы и человека. Важную роль в предотвращении
негативных последствий применения пестицидов играет контроль за содержанием их
токсических остатков в объектах окружающей среды, растениеводческой продукции,
кормах и продуктах питания. Наиболее широко для анализа пестицидов класса ФКК
используют физико-химические методы и в первую очередь ГЖХ и ВЭЖХ, отличающиеся
высокой селективностью и чувствительностью определения ФКК [5,6,7,8]. Однако,
кроме вышеуказанных достоинств методики имеют ряд недостатков. Так, например,
используемые в ГЖХ-варианте дериватизирующие агенты представляют собой
высокотоксичные соединения, а в ВЭЖХ-варианте известно мешающее влияние гуминовых
кислот и связанные с этим дрейф базовой линии, трудности при идентификации и
количественном определении. Кроме того, оба хроматографических метода анализа
характеризуются сложностью аппаратурного оформления.
В гораздо
меньшей степени для аналитического контроля различных объектов на содержание
пестицидов используют фотометрические, электрохимические, иммуноферментные
методы и методы биоиндикации [5,9]. Большинство указанных методов
характеризуются длительностью пробоподготовки, использованием большого
количества (и объемов) реактивов, некоторые требуют наличия дорогих
специфических реагентов.
Относительно
новым, экспрессным и достаточно чувствительным методом анализа пестицидов
является капиллярный электрофорез [10]. ФКК в нейтральных и щелочных растворах
диссоциируют с образованием органических анионов. Этот факт определяет самый
простой вариант их анализа методом капиллярного электрофореза - так называемый
зонный электрофорез, при котором компоненты пробы, введеной с входного конца
кварцевого капилляра, разделяются в электрическом поле за счет их различных
подвижностей и детектируются в виде дискретных зон индивидуальных компонентов.
Необходимо отметить важность разделения и последующего определения не только
самих ФКК, но и продуктов их деструкции, многие из которых также оказывают
токсическое воздействие на окружающую среду и человека. Для ФКК таким
сопутствующим компонентом является 2,4-дихлорфенол (2,4-ДХФ).
В качестве
разделительной системы выбрана смесь приоритетных гербицидов (кислоты: феноксиуксусная,
2,4-дихлорфеноксиуксусная (2,4-Д), 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная,
2,4-дихлорфенокси-a -пропионовая и 2,4-дихлорфенокси-a -масляная) и конечного
продукта их разложения (2,4-дихлорфенол). Все компоненты обладают заметным
поглощением в УФ-области. Работа выполнялась на приборе "Капель-103"
(НПФ АП "Люмэкс"), с кадмиевой лампой (l раб 228,8 нм);
длина используемого кварцевого капилляра 65 см (эффективная длина- 55 см);
внутренний диаметр капилляра 75 мкм.
Оптимизировались
следующие условия разделения ФКК методом зонного электрофореза:
Выбор ведущего
электролита, оптимизация концентрации и рН.
Ввод пробы
(гидродинамический, электрокинетический), оптимизация времени ввода для
гидродинамического способа. Оценка способа ввода с выходного конца капилляра.
Рабочее
напряжение.
Полярность
прибора.
Температура.
Оптимальными
признаны следующие условия разделения: гидродинамический ввод-30 мбар* 30 сек;
ведущий электролит- тетраборат натрия с концентрацией 10 мМ, рН 9,18; рабочее
напряжение +20 кВ. В оптимальных условиях проведено разделение смеси гербицидов
(рис.2). Показано, что разделение происходит в течение двух минут (при общем
времени анализа 9 мин).
Рис.2.
Электрофореграмма смеси пестицидов группы ФКК и 2,4-дихлорфенола. Система
капиллярного электрофореза "КАПЕЛЬ-103" (НПФ АП "ЛЮМЭКС",
г. Санкт-Петербург), ведущий электролит: 10 мМ тетраборат натрия, рН=9,18; ввод
пробы: 30 мбар? 30 сек; капилляр: 65 см? 75 мкм; напряжение: +20 кВ; детектирование:
УФ, 228,8 нм. Состав анализируемой смеси (в скобках указана концентрация
компонента в анализируемом растворе, мг/л): 2,4-ДВ (2.5), 2,4-ДР (2.0), 2,4,5-Т
(2.0), 2,4-Д (2.0), 2,4-ДХФ (1.6), ФУК (2.0). Сбор и обработка данных- с
помощью ПО "МультиХром" (фирма "Амперсенд", г. Москва).
На рис.3
представлен градуировочный график для 2,4-Д. Диапазон измеряемых концентраций
0,2- 20 мг/л. Для водных объектов пробоподготовка заключается в фильтровании
образца, его разбавлении буферным раствором и центрифугировании полученной
смеси.
Используя
предварительное концентрирование пробы (твердофазную экстракцию или
жидкостно-жидкостную экстракцию), можно существенно снизить предел обнаружения
каждого компонента.
Рис 3.
Градуировочный график для определения концентрации 2,4-Д.
Главными
достоинствами метода капиллярного электрофореза являются его высочайшая
эффективность разделения (на несколько порядков превышающая эффективность
газовой и жидкостной хроматографии), экспрессность анализа и его простота,
малый расход реактивов. Повышение селективности разделения ФКК возможно при
переходе к мицеллярному варианту капиллярного электрофореза - так называемой
мицеллярной электрокинетической хроматографии, а также при добавлении в ведущий
электролит макроциклических реагентов (циклодекстрины, краун-эфиры, криптанды).
Таким образом,
капиллярный электрофорез является новым инструментальным методом анализа
пестицидов. Тем не менее совершенствование процедур пробоподготовки (при
переходе к почвам и пищевым продуктам) и оптимизация всего анализа в целом
остаются актуальной задачей.
Список
литературы
Тинсли И.
Поведение химических загрязнителей в окружающей среде./ Пер. с англ. М.: Мир,
1992. 281с.
Лунев М.И.
Пестициды и охрана агрофитоценозов. М.: Колос, 1992. 269с.
Федорова Л.М.,
Белова Р.С. Производные хлорфеноксиуксусных кислот и охрана окружающей среды.
Саратов: СГУ, 1983. 124с.
Прогнозирование
поведения пестицидов в окружающей среде. Тр. Сов.-амер. симпоз. Ереван, октябрь
1981. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 306с.
Методы
определения микроколичеств пестицидов в продуктах питания, кормах и внешней
среде. М.: Колос, 1977. 215с.
Методы
определения микроколичеств пестицидов в продуктах питания, кормах и внешней
среде. М.: Колос, 1983. 297с.
Методика
выполнения измерений массовой концентрации 2,4-Д, симазина, атразина в питьевой
воде, воде водоемов и водоисточников методом ВЭЖХ. Уфа, РБ.АП-31/96.
Hogendoorn E.A., Dijkman E., Bauman B. Anal.Chem.
1999, 71, 1111-1118.
Еремин С.А.,
Ефимова Ю.А., Лаасис Б., Арон Ж.-Ж. Агрохимия, 2, 1996, 102-106.
Penmetsa K.V., Leidy R.B., Shea D. J. Chromatogr. A, 745 (1996) 201-208.