Электронно-лучевая обработка воды с растворенным красителем полностью уничтожила его мутагенность

Ученые лаборатории электронно-лучевой конверсии энергоносителей ИФХЭ РАН совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета и Института общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН впервые доказали, что электронно-лучевая обработка мутагенных органических соединений с сопряженными связями приводит к полному устранению мутагенности.

ИФХЭ РАН

# электронно-лучевая обработка

Электронно-лучевая обработка воды с растворенным красителем полностью уничтожила его мутагенность / © Getty images

На примере пищевого красителя ПОНСО 4R (E124) в водном растворе показано, что в процессе обработки электронами с дозой 1,5 кГр при концентрации красителя 0,02 граммов на кубический дециметр он полностью обесцветился. Тестирование мутагенности по методу Эймса показало устранение мутагенности до уровня спонтанного мутагенеза.

При обработке красителя электронами происходит присоединение ОН-радикалов, возникших в ходе радиолиза воды, к системе сопряженных внутримолекулярных связей молекулы Е124 с образованием ОН-аддуктов. Из-за этого от молекулы отщепляются активные группы, имеющие более низкую энергию связи, и снижается ее растворимость и ее подвижность в реакциях с ДНК. Стабильность молекулы уменьшается из-за повреждения внутримолекулярной системы сопряженных связей, включая связующий мостик N=N между нафталиновыми звеньями.

Таким образом, с красителем взаимодействуют радикалы, возникающие при электронно-лучевой обработке раствора. При дозе 1,5кГр каждая молекула Е124 в растворе может взаимодействовать с несколькими радикалами ОН и потерять все боковые группы без образования мутагенов и токсичных соединений.

Обезвреживание электронами не требует предварительной подготовки раствора и на настоящий момент является единственным практическим способом необратимого устранения мутагенности. При фотолизе, в отличие от электронно-лучевой обработки, энергия света поглощается непосредственно молекулами красителя, что в условиях малой концентрации вещества значительно менее выгодно. Длительный фотолиз солнечным светом не устраняет мутагенность Е124.

Краситель «красный кошенилевый» ПОНСО 4R – искусственное соединение, синтезируемое из ароматических углеводородов. Он разрешен к использованию в качестве пищевой добавки в России и странах Евросоюза (кроме Финляндии) и запрещен в США и Норвегии. Он является неспецифическим мутагеном. Благодаря внутримолекулярному сопряжению химических связей ароматические красители, такие как ПОНСО 4R, устойчивы в широком диапазоне температур. В пищевой промышленности их используют и при замораживании, и при стерилизации продуктов.

Искусственные красители, применяемые в пищевой промышленности, впоследствии в большом количестве оказываются в сточных водах. Это искусственные соединения, и природные организмы не умеют их разлагать. Некоторые красители под действием солнечного света и других растворенных веществ преобразуются в токсичные вещества. Все они снижают прозрачность воды и препятствуют фотосинтезу. Многие из них обладают мутагенностью.

В настоящее время внимание к вопросам генетической безопасности человека усиливается. Ионы тяжелых металлов, поступающие из автомобильных выхлопов, пищевые добавки, компоненты косметических средств и бытовой химии, выбросы предприятий, активные формы кислорода, выделяемые, в том числе, людьми в процессе метаболизма под действием перечисленных негативных факторов, — все это провоцирует развитие у людей онкологических и генетических заболеваний. Количество провоцирующих факторов растет. Метод редактирования генома, как оказалось, пока еще не является рабочим средством для лечения генетических болезней; поэтому тем более важно нейтрализовать потенциальные мутагены.

Электронно-лучевая обработка сточных и промышленных вод – преобразование имеющихся в воде примесей в извлекаемую или безопасную форму посредством облучения воды ускоренными электронами. Электроны способны разрушать токсичные радикалы, уничтожать микробы, в том числе в спорах, переводить растворимые соединения в нерастворимые. В присутствии воздуха электроны ускоряют окисление примесей, и очистка воды происходит в миллионы быстрее, чем в прудах-аэраторах. Без доступа воздуха под действием электронов происходит восстановление примесей, и они переходят в малорастворимые или нерастворимые соединения, которые легко извлечь.

При электронно-лучевой обработке не используются химикаты, следовательно, не повышается содержание солей в воде. Обезвреживание примесей происходит необратимо и практически мгновенно.

Уменьшение количество примесей и обесцвечивание воды благоприятствуют природному фотосинтезу, а увеличение биоразлагаемости примесей уменьшает расход кислорода. Таким образом, электронно-лучевая обработка способствует насыщению воды кислородом, что необходимо для жизни полезных обитателей водоема – растений, рыбы, моллюсков и так далее.

В результате электронно-лучевой обработки получается чистая прозрачная вода, в которой достаточно кислорода и могут развиваться водоросли, рыбы, моллюски и другая живность.
В отличие от других способов обеззараживания, электронно-лучевая обработка при увеличении масштаба становится более выгодной, потому что получение ускоренных электронов на крупном ускорителе обходится дешевле.

Изучение инактивирования примесей с помощью электронно-лучевых технологий – часть комплексного проекта по использованию электронно-лучевых технологий для обезвреживания отходов и аварийных техногенных выбросов. Проект первой в мире комплексной системы крупнотоннажной очистки воды с помощью электронно-лучевых технологий, дополненной системой экологического мониторинга, разработан ИФХЭ РАН и ИЯФ СО РАН совместно с другими институтами и университетами. Проект включает создание новых сверхмощных ускорителей электронов (каких нет еще ни в одной стране) и технологического оборудования для них; создание мобильного ускорительного комплекса, который в трейлере можно переместить к месту аварии; создание системы экологического мониторинга, позволяющего учитывать накопительные эффекты загрязнений и их генно-модифицирующие свойства.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук — один из ведущих химических институтов Российской академии наук. Насчитывает более 800 сотрудников, среди которых 7 академиков, 9 членов-корреспондентов РАН, более чем 100 профессоров и 260 кандидатов наук. Проводимые в ИФХЭ РАН фундаментальные и прикладные исследования характеризуются многопрофильностью и включают следующие научные направления: поверхностные явления в коллоидно-дисперсных системах, адсорбция, физико-химическая механика; супрамолекулярные и наноразмерные системы для использования в современных высоких технологиях; химическое сопротивление материалов, защита металлов и других материалов от коррозии и окисления; химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология и радиационная химия; электрохимия. Успехи сегодняшних исследований опираются на уникальную экспериментальную базу Центра Коллективного Пользования, позволяющую решать практически любую задачу физико-химического исследования вещества или свойств его поверхности разнообразными современными методами. В их числе: электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ, рентгеноструктурный анализ, рентгеновское малоугловое рассеяние, атомно-адсорбционный анализ, эллипсометрия, аннигиляция позитронов, хромато-масс-спектрометрия, инфракрасная, рамановская, фотоэлектронная, электронная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс.