eng
Выпуск #5/2018
И. К. Журкович, Н. Г. Ковров, Н. В. Луговкина, Б. Л. Мильман
Осторожно, микроцистины!
Осторожно, микроцистины!
Просмотры: 2578
Рассмотрена проблема микроцистинов, которые представляют собой токсичные метаболиты некоторых видов цианобактерий, обитающих в природных пресноводных водоемах. Особая опасность связана с употреблением зараженной микроцистинами питьевой воды, которая может вызвать ряд тяжелых заболеваний. Обсуждаются аналитическое определение микроцистинов и очистка воды от них. Рассмотрены как экспресс-скрининг, так и точные количественные методы, включающие высокоэффективную жидкостную хроматографию и масс-спектрометрию. Кратко описаны механизмы деградации микроцистинов в водной среде и способы предотвращения опасного влияния этих соединений на здоровье людей и животных.
УДК 504.75+543.3
DOI: 10.22184/2227-572X.2018.08.5.458.463
УДК 504.75+543.3
DOI: 10.22184/2227-572X.2018.08.5.458.463
Теги: chromatography mass spectrometry cyanobacteria microcystins toxins water treatment микроцистины очистка воды токсины хромато-масс-спектрометрия цианобактерии
Хозяйственная деятельность, антропогенная активность в целом, приобретая значительные масштабы, вредят самому человеку. Современные экологические исследования подтверждают это многочисленными примерами. Один из наиболее наглядных – микроцистины (рис. 1), циклические соединения, состоящие из остатков семи аминокислот. Их появление в природной воде отчетливо указывает на опасное состояние окружающей среды [1, 2].
Входящие в состав удобрений и неочищенных сточных вод соединения азота и фосфора попадают в водные экосистемы (реки и озера), вызывая их эвтрофикацию[1]. Водные бассейны насыщаются этими элементами, нарушается их природный баланс в гидросфере, происходит усиление ряда биологических явлений, прежде всего бурно развиваются водоросли. Среди них – сине-зеленые водоросли, представляющие собой цианобактерии рода Microcystis и некоторые другие. Их развитие сопровождается цветением водоемов при потеплении в весенне-летний период (рис.2). Цветение наблюдали в 108 странах мира, микроцистины идентифицированы в 79 государствах. Гибель (лизис) цианобактериальных клеток приводит к загрязнению водоемов их метаболитами – микроцистинами [1, 2].
Структура наиболее токсичного и самого распространенного из микроцистинов, микроцистина-LR, приведена на рис. 1. Вариация двух (значительно реже трех) аминокислотных остатков приводит к разнообразию этих соединений. Положения 2 (Х) и 4 (Z), а также 7 могут занимать другие аминокислоты, что обусловливает существование более 90 различных микроцистинов. Некоторые другие распространенные микроцистины: -RR (X: L-аргинин), -LA (Z: L-аланин), -YR (X: L-тирозин).
Токсическое воздействие микротоксинов на человека и животных (вплоть до острой интоксикации, известны сотни таких случаев [3]) связано с разрушением печени (гепатотоксичность). Возможно также инициирование онкологических заболеваний: Международное агентство по изучению рака (International agency for research on cancer) классифицирует микроцистин-LR как "вероятно канцерогенный для человека" [4].
Пресные водоемы во всем мире – источники микроцистинов [5]. Это представляет особую опасность для человека, поскольку реки и озера включены в зоны отдыха (рекреация, которая сама по себе влияет на качество воды). Но прежде всего микроцистины попадают в организмы человека и животных вместе с питьевой водой. Именно поэтому Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) установила ориентировочную допустимую концентрацию (ОДК) микроцистина-LR в питьевой воде не более 1 мкг / л или 10–7 % масс. [1, 2]. При эвтрофикации водоемов зафиксировали и более высокие уровни концентраций.
В организмы обитателей водоемов (рыбы, ракообразные, например креветки, и др.) микроцистины попадают непосредственно. По этой причине в последние годы значительное внимание уделяют возможному и реальному обнаружению рассматриваемых токсинов в соответствующих продуктах питания [6]. По условному нормативу ВОЗ допустимая суточная доза потребления микроцистина-LR составляет 0,04 мкг / кг.
Необходимо уточнить, что микроцистины – основные, но далеко не единственные токсины (цианотоксины), выделяемые цианобактериями. К ним относятся также представители некоторых других классов соединений, например анатоксин-а – низкомолекулярный вторичный амин, характеризующийся нейротоксичностью [1, 2].
Как бороться с микроцистинами? Ответ однозначный: они должны быть удалены из воды. При этом необходимо контролировать их содержание в водных средах и биоресурсах. С этой целью профильные лаборатории должны обладать умением обнаруживать следы, правильно идентифицировать и точно измерять концентрации этих соединений в объектах окружающей среды.
АНАЛИТИКА
Суммарное определение микроцистинов на уровне ≥ 1 / 3 ОДК проводят, применяя иммуноферментный анализ. Принцип метода заключается в том, что аналиты специфически связываются с антителами (белками), эти комплексы детектируются фотометрически, флуориметрически и др. Специфическое определение рассматриваемых соединений обеспечивается аминокислотой Аdda [7], входящей в структуру всех микроцистинов (рис. 1). Этот метод является скрининговым, он дает предварительные результаты, но не обеспечивает максимальную достоверность и точность определения.
Аналитические методики более высокого уровня разрабатываются с применением высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Так, Международной организацией по стандартизации (ИСО) принят стандарт качества воды, в соответствии с которым микроцистины -LR, -RR и -YR определяют методом ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием [8]. Однако более надежное определение отдельных микроцистинов и точное измерение их низких концентраций дают сочетание ВЭЖХ с масс-спектрометрией [2, 7]. Эта комбинация основана на электроспрее – распылении выходящего из хроматографа потока жидкости в сильном электрическом поле. Различные микроцистины по-разному удерживаются неподвижной фазой и по очереди попадают в масс-спектрометр, где регистрируются их масс-спектры.
Оптимальный метод определения связан с использованием тандемных масс-спектрометров, которые состоят из двух масс-анализаторов (обеспечивают разделение ионов определяемых соединений по массам) (рис. 3). В настоящее время стандарт качества воды ИСО пересматривается в сторону включения именно этого варианта масс-спектрометрии [9]. Ионы, связанные с неразрушенными молекулами (протонированные молекулы, рис. 4) и генерируемые в первой части прибора, могут регистрироваться непосредственно (рис. 3, верхняя часть) или подвергаться распаду под действием соударений с молекулами инертного газа (рис. 3, нижняя часть) и приводить к масс-спектру, содержащему сигналы заряженных фрагментов исходных молекул. Такие масс-спектры часто носят индивидуальный характер, т. е. они не похожи на спектры других соединений. Это обеспечивает идентификацию аналитов при сравнении со справочными данными. На рис. 5 приведен экспериментальный масс-спектр одного из определяемых соединений (а) и справочный масс-спектр микроцистина-LR (б). Спектры сходятся в значениях масс ионов и относительных интенсивностей пиков, что дает основание идентифицировать этот аналит как микроцистин-LR. Авторами статьи впервые созданы библиотеки справочных масс-спектров микроцистинов и других токсичных пептидов [10, 11].
Тандемные масс-спектрометры хороши и для количественного анализа. Их применение дает многократный выигрыш в эффективности анализа, пределы обнаружения рассматриваемых соединений значительно снижаются (до уровня 0,01ч0,1 мкг / л [7]). Первый масс-анализатор выделяет только ионы-предшественники (протонированные молекулы), которые затем фрагментируются, после чего их фрагменты разделяются по массам во втором масс-анализаторе. Даже неполного использования возможностей этих приборов (один масс-анализатор, ионы-предшественники) достаточно для определения микроцистинов в воде на уровне ОДК, как показано в нашей работе [12], где рассмотрено сочетание с ультраэффективной жидкостной хроматографией (УЭЖХ). Таким образом, комбинации ВЭЖХ / УЭЖХ с тандемной масс-спектрометрией открывают возможности обнаружения очень малых количеств микроцистинов, устанавливая их содержание с приемлемой точностью.
Хорошие перспективы применения имеют и масс-спектрометры высокого разрешения (обычные или тандемные) – здесь массы ионов определяются с высокой точностью, вплоть до 0,0001% от номинального значения массы. Такие измерения дают дополнительные гарантии отсутствия ошибок при идентификации аналитов. Возможности количественного анализа в отсутствие тандемного варианта приборов пока ниже, но и в этом случае микроцистины в воде обнаружены в концентрациях ниже 1 мкг / л [13].
Современный этап развития методов химического анализа, обогащенных достижениями нанотехнологии [14], открывает новые возможности экспресс-определения рассматриваемых соединений. Для анализа водных сред и других объектов разрабатываются миниатюрные сенсорные устройства [15].
ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ ЦИАНОБАКТЕРИЙ И МИКРОЦИСТИНОВ
Известны разнообразные способы снижения содержания цианобактерий и цианотоксинов в водоемах и питьевой воде. Например, рост сине-зеленых водорослей замедляется под действием ультразвука [16]. К удалению цианобактерий и их токсинов в той или иной степени приводят традиционные стадии водоподготовки (обработка воды, поступающей из природных источников). К ним относятся обычное отстаивание, коагуляция, сорбция и фильтрование загрязнений, общие методы дезинфекции воды: хлорирование, озонирование, УФ-стерилизация. Тем не менее этого не всегда бывает достаточно для полного удаления микроцистинов. Необходимы специальные варианты указанных процедур или другие методы, в том числе направленные на деградацию цианотоксинов с их превращением в менее опасные соединения [17]. Для этого используют разные окислители, например пероксид водорода и соединения шестивалентного железа, фотокатализаторы на основе диоксида титана, активированный уголь, а также различные комбинации этих процедур и реагентов [17–19]. Мембранные (нано-) фильтры позволяют отфильтровать сами микроцистины [17]. Проводятся исследования возможности биодеградации микроцистинов [20].
ЕСТЕСТВЕННАЯ ОЧИСТКА ВОДОЕМОВ
Несмотря на то, что описанные способы очистки воды от микроцистинов могут быть весьма эффективными, они, как правило, относятся к разряду дорогостоящих технологий. С этой точки зрения полезна оценка скорости естественной очистки водоемов от микроцистинов за счет их химических трансформаций.
В Институте токсикологии проведено специальное исследование, в котором изучены механизмы деградации микроцистинов в водной среде, а также влияние на их стабильность таких природных кинетических факторов как температура, рН, ионная сила, интенсивность светового излучения и присутствие других химических соединений. Установлено, что основными реакциями разложения микроцистинов являются гидролитическое разрушение циклической структуры (линеаризация молекул) и окисление бокового фрагмента аминокислоты Adda по кратным связям или ароматическому циклу.
Скорость деградации может возрастать в сотни раз при растворении в воде кислорода воздуха или в присутствии солей трехвалентного железа. Такие условия не являются исключением для многих водоемов нашей страны, в том числе на Северо-Западе России. Следовательно, при определенных обстоятельствах их самоочистка протекает достаточно быстро [12] и вместо использования специальных технологий, по-видимому, допустимо ограничиться только проведением карантинных мероприятий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Микроцистины обнаружены сравнительно давно, их структура и токсичность хорошо известны [1, 2]. На современном этапе необходимы и целесообразны глубокое изучение биохимических процессов интоксикации, совершенствование аналитической техники и методик анализа, обширный мониторинг присутствия микроцистинов в водоемах и продуктах питания, модернизация технологии соответствующей очистки воды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Cyanobacterial Harmful Algal Blooms: State of the Science and Research Needs, Ed: Hudnell H. K. // New York: Springer, 2008.
2. Handbook of Сyanobacterial Monitoring and Cyanotoxin Analysis. Eds: Meriluoto J., Spoof L., Codd G. A. // Chichester: Wiley, 2017.
3. Wood R. Acute animal and human poisonings from cyanotoxin exposure – A review of the literature // Environment International. 2016. V. 91. P. 276–282.
4. List of IARC Group 2B carcinogens. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_IARC_Group_2B_carcinogens.
5. Harke M. J., Steffen M. M., Gobler C. J., Otten T. G., Wilhelm S. W., Wood S. A., Paerl H. W. A review of the global ecology, genomics, and biogeography of the toxic cyanobacterium, Microcystis spp. // Harmful Algae. 2016. V. 54. P. 4–20.
6. Testai E., Buratti F. M., Funari E., Manganelli M., Vichi S., Arnich N., Bire N., Fessard V., Sialehaamoa A. Review and analysis of occurrence, exposure and toxicity of cyanobacteria toxins in food // EFSA Supporting Publications. 2016. V. 13. N. 2. URL: https://efsa.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.2903/sp.efsa.2016.EN‑998.
7. Raymond H. Microcystins Analysis Methods. 2016. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/presentation/00c4/252cd2252dc82fbd845174493ec9866e8f69.pdf.
8. Water quality – Determination of microcystins – Method using solid phase extraction (SPE) and high performance liquid chromatography (HPLC) with ultraviolet (UV) detection. ISO 20179:2005. URL: https://www.iso.org/standard/34098.html.
9. Water quality – Determination of microcystins – Method using liquid chromatography and tandem mass spectrometry (LC–MS/MS) with pre-screening by immunoassay. ISO/CD22104. URL: https://www.iso.org/standard/72563.html.
10. Мильман Б. Л., Журкович И. К. Библиотека тандемных масс-спектров микроцистинов и родственных соединений // Масс-спектрометрия. 2013. Т. 10. № . 1. С. 11–18.
11. Milman B.L., Zhurkovich I. K. Identification of toxic cyclopeptides based on mass spectral library matching // Analytical Chemistry Research. 2014. V. 1. P. 8–15.
12. Прогнозирование периода естественной очистки природных водоемов от токсинов сине-зеленых водорослей. Методические рекомендации. МР ФМБА России 12.07.18. М., 2018.
13. Журкович И.K., Медведева Н. Г., Meркушева И. А., Мильман Б. Л., Руденко А. О., Человечкова В. В. Аналитическая масс-спектрометрия микроцистинов и родственных соединений // V Всероссийская конференция "Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы". М., 2013.
14. Мильман Б. Л., Журкович И. К. Новые рапорты с фронтов науки: наноматериалы, микрофлюидика, протеомика // Аналитика. 2017. № 5. С. 30–33.
15. Revertй L., Prieto-Simуn B., Campаs M. New advances in electrochemical biosensors for the detection of toxins: Nanomaterials, magnetic beads and microfluidics systems. A review // Analytica Сhimica Аcta. 2016. V. 908. P. 8–21.
16. Dehghani M. H. Removal of cyanobacterial and algal cells from water by ultrasonic waves – A review // Journal of Molecular Liquids. 2016. V. 222. P. 1109–1114.
17. Westrick J.A., Szlag D. C., Southwell B. J., Sinclair J. A review of cyanobacteria and cyanotoxins removal/inactivation in drinking water treatment // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2010. V. 397. N. 5. P. 1705–1714.
18. Fagan R., McCormack D. E., Dionysiou D. D., Pillai S. C. A review of solar and visible light active TiO2 photocatalysis for treating bacteria, cyanotoxins and contaminants of emerging concern // Materials Science in Semiconductor Processing. 2016. V. 42. P. 2–14.
19. Liu Y., Ren J., Wang X., Fan Z. Mechanism and reaction pathways for microcystin-LR degradation through UV/H2O2 treatment // PloS one. 2016. V. 11. N. 6. P. e0156236.
20. Li J., Li R., Li J. Current research scenario for microcystins biodegradation – A review on fundamental knowledge, application prospects and challenges // Science of the Total Environment. 2017. V. 595. P. 615–632.
REFERENCES
1. Cyanobacterial Harmful Algal Blooms: State of the Science and Research Needs, Ed: Hudnell H. K. New York, Springer, 2008.
2. Handbook of Сyanobacterial Monitoring and Cyanotoxin Analysis. Eds: Meriluoto J., Spoof L., Codd G. A. Chichester, Wiley, 2017.
3. Wood R. Acute animal and human poisonings from cyanotoxin exposure – A review of the literature. Environment International, 2016, v. 91, pp. 276–282.
4. List of IARC Group 2B carcinogens. Available at: https://en.wikipedia.org / wiki / List_of_IARC_Group_2B_carcinogens.
5. Harke M.J., Steffen M. M., Gobler C. J., Otten T. G., Wilhelm S. W., Wood S. A., Paerl H. W. A review of the global ecology, genomics, and biogeography of the toxic cyanobacterium, Microcystis spp. Harmful Algae, 2016, v. 54, pp. 4–20.
6. Testai E., Buratti F. M., Funari E., Manganelli M., Vichi S., Arnich N., Bire N., Fessard V., Sialehaamoa A. Review and analysis of occurrence, exposure and toxicity of cyanobacteria toxins in food. EFSA Supporting Publications, 2016, v. 13, no. 2. Available at: https://efsa.onlinelibrary.wiley.com / doi / epdf / 10.2903 / sp.efsa.2016.EN‑998.
7. Raymond H. Microcystins Analysis Methods, 2016. Available at: https://pdfs.semanticscholar.org / presentation / 00c4 / 252cd2252dc82fbd845174493ec9866e8f69.pdf.
8. Water quality – Determination of microcystins – Method using solid phase extraction (SPE) and high performance liquid chromatography (HPLC) with ultraviolet (UV) detection. ISO 20179:2005. Available at: https://www.iso.org / standard / 34098.html.
9. Water quality – Determination of microcystins – Method using liquid chromatography and tandem mass spectrometry (LC–MS / MS) with pre-screening by immunoassay. ISO / CD22104. Available at: https://www.iso.org / standard / 72563.html.
10. Milman B.L., Zhurkovich I. K. The library of tandem mass spectra of microcystins and related compounds. Mass-spektrometrija – Mass Spectrometry, 2013, v. 10, no. 1, pp. 11–18.
11. Milman B.L., Zhurkovich I. K. Identification of toxic cyclopeptides based on mass spectral library matching. Analytical Chemistry Research, 2014, v. 1, pp. 8–15.
12. Time prediction of natural removal of blue-green algae toxins from water reservoirs. Metodicheskie rekomendacii. MR FMBA Rossii – Recommended Practice of Federal Medical and Biological Agency of Russia. July 07, 2018. Moscow, 2018.
13. Zhurkovich I.K., Medvedeva N. G., Merkusheva I. A., Milman B. L., Rudenko A. O., Chelovechkova V. V. Analytical mass spectrometry of microcystins and related compounds. V Vserossijskaja konferencija "Mass-spektrometrija i ee prikladnye problemy" – V All-Russian Conference "Mass Spectrometry and its Applied Issues". Moscow, 2013.
14. Milman B.L., Zhurkovich I. K. New science front reports: nanomaterials, microfluidics, proteomics. Analitika – Analytica, 2017, no. 5, pp. 30–33.
15. Revertй L., Prieto-Simуn B., Campаs M. New advances in electrochemical biosensors for the detection of toxins: Nanomaterials, magnetic beads and microfluidics systems. A review. Analytica Сhimica Аcta, 2016, v. 908, pp. 8–21.
16. Dehghani M. H. Removal of cyanobacterial and algal cells from water by ultrasonic waves – A review. Journal of Molecular Liquids, 2016, v. 222, pp. 1109–1114.
17. Westrick J.A., Szlag D. C., Southwell B. J., Sinclair J. A review of cyanobacteria and cyanotoxins removal / inactivation in drinking water treatment. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2010, v. 397, no. 5, pp. 1705–1714.
18. Fagan R., McCormack D.E., Dionysiou D. D., Pillai S. C. A review of solar and visible light active TiO2 photocatalysis for treating bacteria, cyanotoxins and contaminants of emerging concern. Materials Science in Semiconductor Processing, 2016, v. 42, pp. 2–14.
19. Liu Y., Ren J., Wang X., Fan Z. Mechanism and reaction pathways for microcystin-LR degradation through UV / H2O2 treatment. PloS one, 2016, v. 11, no. 6, p. e0156236.
20. Li J., Li R., Li J. Current research scenario for microcystins biodegradation – A review on fundamental knowledge, application prospects and challenges. Science of the Total Environment, 2017, v. 595, pp. 615–632.
Входящие в состав удобрений и неочищенных сточных вод соединения азота и фосфора попадают в водные экосистемы (реки и озера), вызывая их эвтрофикацию[1]. Водные бассейны насыщаются этими элементами, нарушается их природный баланс в гидросфере, происходит усиление ряда биологических явлений, прежде всего бурно развиваются водоросли. Среди них – сине-зеленые водоросли, представляющие собой цианобактерии рода Microcystis и некоторые другие. Их развитие сопровождается цветением водоемов при потеплении в весенне-летний период (рис.2). Цветение наблюдали в 108 странах мира, микроцистины идентифицированы в 79 государствах. Гибель (лизис) цианобактериальных клеток приводит к загрязнению водоемов их метаболитами – микроцистинами [1, 2].
Структура наиболее токсичного и самого распространенного из микроцистинов, микроцистина-LR, приведена на рис. 1. Вариация двух (значительно реже трех) аминокислотных остатков приводит к разнообразию этих соединений. Положения 2 (Х) и 4 (Z), а также 7 могут занимать другие аминокислоты, что обусловливает существование более 90 различных микроцистинов. Некоторые другие распространенные микроцистины: -RR (X: L-аргинин), -LA (Z: L-аланин), -YR (X: L-тирозин).
Токсическое воздействие микротоксинов на человека и животных (вплоть до острой интоксикации, известны сотни таких случаев [3]) связано с разрушением печени (гепатотоксичность). Возможно также инициирование онкологических заболеваний: Международное агентство по изучению рака (International agency for research on cancer) классифицирует микроцистин-LR как "вероятно канцерогенный для человека" [4].
Пресные водоемы во всем мире – источники микроцистинов [5]. Это представляет особую опасность для человека, поскольку реки и озера включены в зоны отдыха (рекреация, которая сама по себе влияет на качество воды). Но прежде всего микроцистины попадают в организмы человека и животных вместе с питьевой водой. Именно поэтому Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) установила ориентировочную допустимую концентрацию (ОДК) микроцистина-LR в питьевой воде не более 1 мкг / л или 10–7 % масс. [1, 2]. При эвтрофикации водоемов зафиксировали и более высокие уровни концентраций.
В организмы обитателей водоемов (рыбы, ракообразные, например креветки, и др.) микроцистины попадают непосредственно. По этой причине в последние годы значительное внимание уделяют возможному и реальному обнаружению рассматриваемых токсинов в соответствующих продуктах питания [6]. По условному нормативу ВОЗ допустимая суточная доза потребления микроцистина-LR составляет 0,04 мкг / кг.
Необходимо уточнить, что микроцистины – основные, но далеко не единственные токсины (цианотоксины), выделяемые цианобактериями. К ним относятся также представители некоторых других классов соединений, например анатоксин-а – низкомолекулярный вторичный амин, характеризующийся нейротоксичностью [1, 2].
Как бороться с микроцистинами? Ответ однозначный: они должны быть удалены из воды. При этом необходимо контролировать их содержание в водных средах и биоресурсах. С этой целью профильные лаборатории должны обладать умением обнаруживать следы, правильно идентифицировать и точно измерять концентрации этих соединений в объектах окружающей среды.
АНАЛИТИКА
Суммарное определение микроцистинов на уровне ≥ 1 / 3 ОДК проводят, применяя иммуноферментный анализ. Принцип метода заключается в том, что аналиты специфически связываются с антителами (белками), эти комплексы детектируются фотометрически, флуориметрически и др. Специфическое определение рассматриваемых соединений обеспечивается аминокислотой Аdda [7], входящей в структуру всех микроцистинов (рис. 1). Этот метод является скрининговым, он дает предварительные результаты, но не обеспечивает максимальную достоверность и точность определения.
Аналитические методики более высокого уровня разрабатываются с применением высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Так, Международной организацией по стандартизации (ИСО) принят стандарт качества воды, в соответствии с которым микроцистины -LR, -RR и -YR определяют методом ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием [8]. Однако более надежное определение отдельных микроцистинов и точное измерение их низких концентраций дают сочетание ВЭЖХ с масс-спектрометрией [2, 7]. Эта комбинация основана на электроспрее – распылении выходящего из хроматографа потока жидкости в сильном электрическом поле. Различные микроцистины по-разному удерживаются неподвижной фазой и по очереди попадают в масс-спектрометр, где регистрируются их масс-спектры.
Оптимальный метод определения связан с использованием тандемных масс-спектрометров, которые состоят из двух масс-анализаторов (обеспечивают разделение ионов определяемых соединений по массам) (рис. 3). В настоящее время стандарт качества воды ИСО пересматривается в сторону включения именно этого варианта масс-спектрометрии [9]. Ионы, связанные с неразрушенными молекулами (протонированные молекулы, рис. 4) и генерируемые в первой части прибора, могут регистрироваться непосредственно (рис. 3, верхняя часть) или подвергаться распаду под действием соударений с молекулами инертного газа (рис. 3, нижняя часть) и приводить к масс-спектру, содержащему сигналы заряженных фрагментов исходных молекул. Такие масс-спектры часто носят индивидуальный характер, т. е. они не похожи на спектры других соединений. Это обеспечивает идентификацию аналитов при сравнении со справочными данными. На рис. 5 приведен экспериментальный масс-спектр одного из определяемых соединений (а) и справочный масс-спектр микроцистина-LR (б). Спектры сходятся в значениях масс ионов и относительных интенсивностей пиков, что дает основание идентифицировать этот аналит как микроцистин-LR. Авторами статьи впервые созданы библиотеки справочных масс-спектров микроцистинов и других токсичных пептидов [10, 11].
Тандемные масс-спектрометры хороши и для количественного анализа. Их применение дает многократный выигрыш в эффективности анализа, пределы обнаружения рассматриваемых соединений значительно снижаются (до уровня 0,01ч0,1 мкг / л [7]). Первый масс-анализатор выделяет только ионы-предшественники (протонированные молекулы), которые затем фрагментируются, после чего их фрагменты разделяются по массам во втором масс-анализаторе. Даже неполного использования возможностей этих приборов (один масс-анализатор, ионы-предшественники) достаточно для определения микроцистинов в воде на уровне ОДК, как показано в нашей работе [12], где рассмотрено сочетание с ультраэффективной жидкостной хроматографией (УЭЖХ). Таким образом, комбинации ВЭЖХ / УЭЖХ с тандемной масс-спектрометрией открывают возможности обнаружения очень малых количеств микроцистинов, устанавливая их содержание с приемлемой точностью.
Хорошие перспективы применения имеют и масс-спектрометры высокого разрешения (обычные или тандемные) – здесь массы ионов определяются с высокой точностью, вплоть до 0,0001% от номинального значения массы. Такие измерения дают дополнительные гарантии отсутствия ошибок при идентификации аналитов. Возможности количественного анализа в отсутствие тандемного варианта приборов пока ниже, но и в этом случае микроцистины в воде обнаружены в концентрациях ниже 1 мкг / л [13].
Современный этап развития методов химического анализа, обогащенных достижениями нанотехнологии [14], открывает новые возможности экспресс-определения рассматриваемых соединений. Для анализа водных сред и других объектов разрабатываются миниатюрные сенсорные устройства [15].
ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ ЦИАНОБАКТЕРИЙ И МИКРОЦИСТИНОВ
Известны разнообразные способы снижения содержания цианобактерий и цианотоксинов в водоемах и питьевой воде. Например, рост сине-зеленых водорослей замедляется под действием ультразвука [16]. К удалению цианобактерий и их токсинов в той или иной степени приводят традиционные стадии водоподготовки (обработка воды, поступающей из природных источников). К ним относятся обычное отстаивание, коагуляция, сорбция и фильтрование загрязнений, общие методы дезинфекции воды: хлорирование, озонирование, УФ-стерилизация. Тем не менее этого не всегда бывает достаточно для полного удаления микроцистинов. Необходимы специальные варианты указанных процедур или другие методы, в том числе направленные на деградацию цианотоксинов с их превращением в менее опасные соединения [17]. Для этого используют разные окислители, например пероксид водорода и соединения шестивалентного железа, фотокатализаторы на основе диоксида титана, активированный уголь, а также различные комбинации этих процедур и реагентов [17–19]. Мембранные (нано-) фильтры позволяют отфильтровать сами микроцистины [17]. Проводятся исследования возможности биодеградации микроцистинов [20].
ЕСТЕСТВЕННАЯ ОЧИСТКА ВОДОЕМОВ
Несмотря на то, что описанные способы очистки воды от микроцистинов могут быть весьма эффективными, они, как правило, относятся к разряду дорогостоящих технологий. С этой точки зрения полезна оценка скорости естественной очистки водоемов от микроцистинов за счет их химических трансформаций.
В Институте токсикологии проведено специальное исследование, в котором изучены механизмы деградации микроцистинов в водной среде, а также влияние на их стабильность таких природных кинетических факторов как температура, рН, ионная сила, интенсивность светового излучения и присутствие других химических соединений. Установлено, что основными реакциями разложения микроцистинов являются гидролитическое разрушение циклической структуры (линеаризация молекул) и окисление бокового фрагмента аминокислоты Adda по кратным связям или ароматическому циклу.
Скорость деградации может возрастать в сотни раз при растворении в воде кислорода воздуха или в присутствии солей трехвалентного железа. Такие условия не являются исключением для многих водоемов нашей страны, в том числе на Северо-Западе России. Следовательно, при определенных обстоятельствах их самоочистка протекает достаточно быстро [12] и вместо использования специальных технологий, по-видимому, допустимо ограничиться только проведением карантинных мероприятий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Микроцистины обнаружены сравнительно давно, их структура и токсичность хорошо известны [1, 2]. На современном этапе необходимы и целесообразны глубокое изучение биохимических процессов интоксикации, совершенствование аналитической техники и методик анализа, обширный мониторинг присутствия микроцистинов в водоемах и продуктах питания, модернизация технологии соответствующей очистки воды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Cyanobacterial Harmful Algal Blooms: State of the Science and Research Needs, Ed: Hudnell H. K. // New York: Springer, 2008.
2. Handbook of Сyanobacterial Monitoring and Cyanotoxin Analysis. Eds: Meriluoto J., Spoof L., Codd G. A. // Chichester: Wiley, 2017.
3. Wood R. Acute animal and human poisonings from cyanotoxin exposure – A review of the literature // Environment International. 2016. V. 91. P. 276–282.
4. List of IARC Group 2B carcinogens. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_IARC_Group_2B_carcinogens.
5. Harke M. J., Steffen M. M., Gobler C. J., Otten T. G., Wilhelm S. W., Wood S. A., Paerl H. W. A review of the global ecology, genomics, and biogeography of the toxic cyanobacterium, Microcystis spp. // Harmful Algae. 2016. V. 54. P. 4–20.
6. Testai E., Buratti F. M., Funari E., Manganelli M., Vichi S., Arnich N., Bire N., Fessard V., Sialehaamoa A. Review and analysis of occurrence, exposure and toxicity of cyanobacteria toxins in food // EFSA Supporting Publications. 2016. V. 13. N. 2. URL: https://efsa.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.2903/sp.efsa.2016.EN‑998.
7. Raymond H. Microcystins Analysis Methods. 2016. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/presentation/00c4/252cd2252dc82fbd845174493ec9866e8f69.pdf.
8. Water quality – Determination of microcystins – Method using solid phase extraction (SPE) and high performance liquid chromatography (HPLC) with ultraviolet (UV) detection. ISO 20179:2005. URL: https://www.iso.org/standard/34098.html.
9. Water quality – Determination of microcystins – Method using liquid chromatography and tandem mass spectrometry (LC–MS/MS) with pre-screening by immunoassay. ISO/CD22104. URL: https://www.iso.org/standard/72563.html.
10. Мильман Б. Л., Журкович И. К. Библиотека тандемных масс-спектров микроцистинов и родственных соединений // Масс-спектрометрия. 2013. Т. 10. № . 1. С. 11–18.
11. Milman B.L., Zhurkovich I. K. Identification of toxic cyclopeptides based on mass spectral library matching // Analytical Chemistry Research. 2014. V. 1. P. 8–15.
12. Прогнозирование периода естественной очистки природных водоемов от токсинов сине-зеленых водорослей. Методические рекомендации. МР ФМБА России 12.07.18. М., 2018.
13. Журкович И.K., Медведева Н. Г., Meркушева И. А., Мильман Б. Л., Руденко А. О., Человечкова В. В. Аналитическая масс-спектрометрия микроцистинов и родственных соединений // V Всероссийская конференция "Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы". М., 2013.
14. Мильман Б. Л., Журкович И. К. Новые рапорты с фронтов науки: наноматериалы, микрофлюидика, протеомика // Аналитика. 2017. № 5. С. 30–33.
15. Revertй L., Prieto-Simуn B., Campаs M. New advances in electrochemical biosensors for the detection of toxins: Nanomaterials, magnetic beads and microfluidics systems. A review // Analytica Сhimica Аcta. 2016. V. 908. P. 8–21.
16. Dehghani M. H. Removal of cyanobacterial and algal cells from water by ultrasonic waves – A review // Journal of Molecular Liquids. 2016. V. 222. P. 1109–1114.
17. Westrick J.A., Szlag D. C., Southwell B. J., Sinclair J. A review of cyanobacteria and cyanotoxins removal/inactivation in drinking water treatment // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2010. V. 397. N. 5. P. 1705–1714.
18. Fagan R., McCormack D. E., Dionysiou D. D., Pillai S. C. A review of solar and visible light active TiO2 photocatalysis for treating bacteria, cyanotoxins and contaminants of emerging concern // Materials Science in Semiconductor Processing. 2016. V. 42. P. 2–14.
19. Liu Y., Ren J., Wang X., Fan Z. Mechanism and reaction pathways for microcystin-LR degradation through UV/H2O2 treatment // PloS one. 2016. V. 11. N. 6. P. e0156236.
20. Li J., Li R., Li J. Current research scenario for microcystins biodegradation – A review on fundamental knowledge, application prospects and challenges // Science of the Total Environment. 2017. V. 595. P. 615–632.
REFERENCES
1. Cyanobacterial Harmful Algal Blooms: State of the Science and Research Needs, Ed: Hudnell H. K. New York, Springer, 2008.
2. Handbook of Сyanobacterial Monitoring and Cyanotoxin Analysis. Eds: Meriluoto J., Spoof L., Codd G. A. Chichester, Wiley, 2017.
3. Wood R. Acute animal and human poisonings from cyanotoxin exposure – A review of the literature. Environment International, 2016, v. 91, pp. 276–282.
4. List of IARC Group 2B carcinogens. Available at: https://en.wikipedia.org / wiki / List_of_IARC_Group_2B_carcinogens.
5. Harke M.J., Steffen M. M., Gobler C. J., Otten T. G., Wilhelm S. W., Wood S. A., Paerl H. W. A review of the global ecology, genomics, and biogeography of the toxic cyanobacterium, Microcystis spp. Harmful Algae, 2016, v. 54, pp. 4–20.
6. Testai E., Buratti F. M., Funari E., Manganelli M., Vichi S., Arnich N., Bire N., Fessard V., Sialehaamoa A. Review and analysis of occurrence, exposure and toxicity of cyanobacteria toxins in food. EFSA Supporting Publications, 2016, v. 13, no. 2. Available at: https://efsa.onlinelibrary.wiley.com / doi / epdf / 10.2903 / sp.efsa.2016.EN‑998.
7. Raymond H. Microcystins Analysis Methods, 2016. Available at: https://pdfs.semanticscholar.org / presentation / 00c4 / 252cd2252dc82fbd845174493ec9866e8f69.pdf.
8. Water quality – Determination of microcystins – Method using solid phase extraction (SPE) and high performance liquid chromatography (HPLC) with ultraviolet (UV) detection. ISO 20179:2005. Available at: https://www.iso.org / standard / 34098.html.
9. Water quality – Determination of microcystins – Method using liquid chromatography and tandem mass spectrometry (LC–MS / MS) with pre-screening by immunoassay. ISO / CD22104. Available at: https://www.iso.org / standard / 72563.html.
10. Milman B.L., Zhurkovich I. K. The library of tandem mass spectra of microcystins and related compounds. Mass-spektrometrija – Mass Spectrometry, 2013, v. 10, no. 1, pp. 11–18.
11. Milman B.L., Zhurkovich I. K. Identification of toxic cyclopeptides based on mass spectral library matching. Analytical Chemistry Research, 2014, v. 1, pp. 8–15.
12. Time prediction of natural removal of blue-green algae toxins from water reservoirs. Metodicheskie rekomendacii. MR FMBA Rossii – Recommended Practice of Federal Medical and Biological Agency of Russia. July 07, 2018. Moscow, 2018.
13. Zhurkovich I.K., Medvedeva N. G., Merkusheva I. A., Milman B. L., Rudenko A. O., Chelovechkova V. V. Analytical mass spectrometry of microcystins and related compounds. V Vserossijskaja konferencija "Mass-spektrometrija i ee prikladnye problemy" – V All-Russian Conference "Mass Spectrometry and its Applied Issues". Moscow, 2013.
14. Milman B.L., Zhurkovich I. K. New science front reports: nanomaterials, microfluidics, proteomics. Analitika – Analytica, 2017, no. 5, pp. 30–33.
15. Revertй L., Prieto-Simуn B., Campаs M. New advances in electrochemical biosensors for the detection of toxins: Nanomaterials, magnetic beads and microfluidics systems. A review. Analytica Сhimica Аcta, 2016, v. 908, pp. 8–21.
16. Dehghani M. H. Removal of cyanobacterial and algal cells from water by ultrasonic waves – A review. Journal of Molecular Liquids, 2016, v. 222, pp. 1109–1114.
17. Westrick J.A., Szlag D. C., Southwell B. J., Sinclair J. A review of cyanobacteria and cyanotoxins removal / inactivation in drinking water treatment. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2010, v. 397, no. 5, pp. 1705–1714.
18. Fagan R., McCormack D.E., Dionysiou D. D., Pillai S. C. A review of solar and visible light active TiO2 photocatalysis for treating bacteria, cyanotoxins and contaminants of emerging concern. Materials Science in Semiconductor Processing, 2016, v. 42, pp. 2–14.
19. Liu Y., Ren J., Wang X., Fan Z. Mechanism and reaction pathways for microcystin-LR degradation through UV / H2O2 treatment. PloS one, 2016, v. 11, no. 6, p. e0156236.
20. Li J., Li R., Li J. Current research scenario for microcystins biodegradation – A review on fundamental knowledge, application prospects and challenges. Science of the Total Environment, 2017, v. 595, pp. 615–632.
Отзывы читателей
