Полициклические ароматические углеводороды: химическая структура, процессы образования и влияние на организм человека

Полициклические ароматические углеводороды (аббревиатура ПАУ) – это устойчивые органические загрязнители. У них ярко выражены канцерогенные характеристики. Всего в этой группе значится свыше 200 представителей. Самым опасным из них считается бензапирен. Его часто обнаруживают при изучении объектов окружающей среды.

О бензапирене

Открытие этого компонента произошло в 1933 году. Через два года благодаря тщательным исследованиям была доказана его канцерогенность.

Сегодня бензапирен причисляется к первому классу опасности. У него есть мутагенные характеристики. И даже скромная его концентрация пагубно отражается на человеческом организме. При его значительных пропорциях в воздухе (выше нормы) и долгом воздействии возникает рак легких.

По этой причине особо актуально его обнаружение. На основе свойств вещества были созданы методики для его вычисления. Они отличаются только этапами отбора и формирования пробы.

Разбор категории ПАУ

В нее входят элементы, чья химическая конструкция содержит минимум три бензольных кольца. Самые простые полициклические ароматические углеводороды – это антрацен и фенантрен. Они не мутируют и не отличаются токсичными качествами. На них по своему строению похожи пирен и бензперилен.

Какие полициклические ароматические углеводороды ПАУ являются канцерогенами? Как особо токсичные (помимо бензапирена) квалифицируются холатрен, дибензпирен и перилен. Они представляют наибольшую угрозу для человеческого здоровья.

Условия для генерации

Образование ПАУ происходит при сгорании следующих продуктов:

• нефтяной категории;
• угля;
• древесины;
• мусорных отходов;
• табачных изделий;
• пищи.

Чем ниже температурные показатели в аппарате сжигания, тем больше количество этих веществ. В относительно скромных пропорциях бензапирен выявлен в асфальте.

Вместе с другой продукцией сгорания полициклические ароматические углеводороды проникают в воздух. При комнатных температурных данных все эти компоненты имеют твердую кристаллическую форму. Они плавятся при 200 °С

Когда охлаждаются горячие газы, включающие в себя ПАУ, перечисленные элементы скапливаются на участке выбросов. Например, на дистанции в 2-5 км от угольной ТЭС поверхностный слой почвы насыщен такими загрязнителями. Но больший их процент по воздуху устремляется на солидные расстояния.

Лучший адсорбент для полициклических ароматических углеводородов ПАУ – это сажа. На одном квадратном сантиметре ее поверхности могут концентрироваться примерно 10¹⁴ молекул этих веществ.

Источники и вклады

Здесь статистика учитывает в основном выбросы бензапирена. Приводится показатель т/год. На примере США получаются такие данные.

Последнее значение является наименьшим и на первый взгляд может показаться несущественным. Однако при локальных пропорциях получаются довольно весомые показатели. Они приведены в таблице ниже.

В питьевой воде канцероген концентрируется в объеме 0,3-2,0 нг/л.

Полициклические ароматические углеводороды, находясь в атмосфере, проявляют особую устойчивость. Они постепенно преобразуются в прочие продукты, взаимодействуя с озоном и диоксидом азота. В первом случае появляются полиядерные хиноны. Во втором – нитробензапирены.

Обнаружение ПАУ в воздухе

Для этого применяются следующие методики:

1. Газовая хроматография (ГХ).
2. Жидкостная хроматография высокой эффективности (ЖХВЭ)

Сначала разделяются основные 16 компонентов группы ПАУ. Для этого используются специальные колонки. В действия по методу 1 используются капиллярные устройства. Во втором случае – высокоэффективные.

Для развития эффективности результата проводится предварительное отсеивание среди прочих соединений, имеющихся в пробах. Для этого применяется ЖХ с пониженным давлением в одной из двух систем:

1. Жидкость – твердое вещество.
2. Жидкость – жидкость.

Здесь применяется любая подходящая адсорбция, например, силикагель. Также для повышения объективности результатов применяются детекторы повышенной чувствительности.

Первый метод дополняется:

1. Пламенно-ионизационным устройством. Функция – количественные измерения после определения соединения прочей несвязанной методикой.
2. Масс-спектрометром. Дает количественные данные, но часто они ограничены из-за совпадения масс веществ с разной структурой

Вторая методика дополняется такими детекторами:

1. Флуориметрическим. Определяет следовые количества ПАУ, но не дает данные о их строении.
2. Спектрофотометрическим. Объективно идентифицирует соединения и их структуру.

Занимаясь подбором аналитического оборудования, предназначенного для отсеивания, определения и количественного изучения подобных элементов, следует учитывать определенные критерии:

1. Степень вычисляемого содержания в анализируемых пробах.
2. Количество смежных примесей и субстанций.
3. Методику реализации измерительных операций.
4. Потенциал серийной техники.

С позиции разделительной технологии выгоднее применять капиллярную ГХ. Число соединений, которое в теории делится на временную единицу в данной методике, в 5-10 раз больше при аналогии с методом ЖХВЭ. Однако здесь нет явного ее преимущества. Поскольку некоторые соединения эффективно делятся именно при помощи жидкой хроматографии. Например, это пирен-дибензо(a,h)антрацен

Обнаружение в почве

В ней ПАУ оказываются вследствие выбросов. Их присутствие обеспечивает завод или другой источник, вызвавший загрязнения. Для обнаружения здесь и анализа полициклических ароматических углеводородов методы используются следующие:

1. Хроматографического разделения. Отделяет ПАУ от прочих соединений.
2. Флуориметрии. Подробно анализирует эти вещества в почве.

Как правило, для изучения берутся образцы с участков, приближенных к каким-либо предприятиям. Это торфянистые и подзолистые почвы.

Исследования вод

Обнаруживать ПАУ в водоемах и сточных водах довольно сложно. Применяется жидкостный хромотограф высокой эффективности. У него есть:

1. Градиентный механизм элюирования.
2. Ультрафиолетовый датчик на диодной матрице.
3. Флуоресцентный индикатор.

Разбавленные растворы полициклических ароматических углеводородов в воде извлекаются с помощью метиленхлорида. Они очищаются на колонке с применением силикагеля. Удаляются лишние примеси. В результате получается экстракт. Он высушивается и растворяется в составе из воды и ацетонитрила. Дальнейший анализ проводится при помощи индикатора с диодной матрицей.

Ситуация с пищей

В еду, подвергающуюся термической обработке, может проникать бензапирен. Этот представитель полициклических ароматических углеводородов в пищевых продуктах может содержаться в разных пропорциях. Они показаны в следующей таблице.

Сегодня канцероген обнаруживается во многих распространенных продуктах: хлебе, молоке, масле, картофеле и т. д. Если продукты обрабатывать правильно, можно снизить концентрацию вредных веществ. Овощи и фрукты следует тщательно мыть. Так устраняется порядка 20% ПАУ.

Они могут появляться вследствие реакции элюентов (элементов, образующихся в растворителе) с полимерной упаковкой. Например, молочный жир образует порядка 95% бензапирена из парафино-бумажной тары, либо стаканчиков.

Влияние на человека

Годовой показатель получения бензапирена взрослым человеком вместе с пищей составляет 0,006 мг. В районах с проблемной экологией параметр выше втрое.

Допустимые нормы доли вещества таковы.

Влияние полициклических ароматических углеводородов на человека таково: попав в организм, они вступают в реакцию с ферментами и формируют эпоксисоединение. Оно контактирует с гуанином. В итоге ДНК не синтезируется, возникают мутации. Это оптимальные условия для развития раковых опухолей. При большой концентрации в воздухе ПАУ проникают в легкие, провоцируя их рак.