Аннотация
Проект направлен на изучение путей, закономерностей и особенностей механизмов деградации и трансформации ряда функционализованных карбоароматических соединений в условиях модельных сред. Предполагается исследование как абиотической, так и биологической деградации. В качестве исследуемых соединений выступают: бензойная; 2-гидроксибензойная; 4-гидроксибензойная; 2-хлорбензойная; 3,4,5-тригидроксибензойная; 3,4-дигидроксибензойная, ацетилсалициловая кислоты; амид 2-гидроксибензойной кислоты; метиловый, этиловый и пропиловый эфиры 4-гидроксибензойной кислоты; фенол; 1,2-дигидроксибензол, левомицетин и левомицетин сукцинат натрия
Для разработки методик анализа продуктов деградации и построения кривых динамики изменения концентрации целевых соединений будут использованы следующие инструментальные методы анализа: высокоэффективная жидкостная хроматография, газовая хроматография-масс-спектрометрия, электронная спектроскопия.
Для изучения молекулярных особенностей механизмов деградации функционализованных карбоароматических соединений предполагается проведение экспериментов методами квантово-химического моделирования.
Исследование биодеградации будет проводиться в условиях культуры штамма Rhodococcus erythropolis PR4.
Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект
Изучение путей и механизмов реакций деградации функционализованных карбоароматических соединений.
Актуальность и современное состояние исследований по данной научной проблеме
В настоящее время функционализованные карбоароматические соединения (ФКС) обладают широким спектром применения. Многие из них используются в пищевой, фармацевтической, косметической промышленности в качестве консервантов, в химической промышленности и лабораторной практике как исходные вещества для синтеза новых органических веществ, красителей, пластификаторов, химических реактивов, лекарств, биологически активных добавок, в аналитической химии как реагенты, хромофоры, стандарты в калориметрическом анализе. Ряд исследованных карбоароматических соединений входит в состав секретов, клеток и тканей животных, растений, микроорганизмов, что обуславливает дополнительный интерес исследования их синтеза, модификации, распада. В данной работе исследуется ряд аспектов процессов деградации следующих ФКС: бензойная; 2-гидроксибензойная; 4-гидроксибензойная; 2-хлорбензойная; 3,4,5-тригидроксибензойная; 3,4-дигидроксибензойная, ацетилсалициловая кислоты; амид 2-гидроксибензойной кислоты; метиловый, этиловый и пропиловый эфиры 4-гидроксибензойной кислоты; фенол; 1,2-дигидроксибензол, левомицетин и левомицетин сукцинат натрия. Все вышеуказанные соединения имеют широкое применение в промышленности, вследствие чего, содержатся в отходах, стоках, выбросах производств.
Многие ФКС (бензойная кислота, 2-гидроксибензойная кислота, левомицетин, метиловый, этиловый и пропиловый эфиры 4-гидроксибензойной кислоты) используются для консервирования пищевых продуктов. Так для консервирования безалкогольных и слабоалкогольных напитков применяется натриевая соль бензойной кислоты (бензоат натрия). Для консервирования салатов, кетчупов и других продуктов переработки плодов и овощей добавляют бензойную кислоту. 2-гидроксибензойная кислота служит в качестве консерванта быстро скисающих вин, в то время как ее использование в данной сфере производства запрещено. Левомицетин и левомицетин сукцинат натрия – антибиотики широкого спектра действия, которые могут добавляться в продовольственное сырье (сырое молоко, сырое мясо, яйца) с целью продления фактических сроков годности. Жесткий контроль содержания левомицетина (согласно СанПиН 2.3.2.1078-01 и ФЗ №88 предельная концентрация левомицетина не должна превышать 0,0003 мг/кг) в пищевых продуктах обусловлен широким спектром побочных воздействий на организм человека. Систематическое поступление этого антибиотика в организм может вызывать дисбактериозы, аллергические реакции, нарушать микрофлору кишечника, деятельность некоторых ферментов. Длительный прием продуктов, содержащих левомицетин, может способствовать распространению устойчивых патогенных форм микроорганизмов. Следует также учитывать вероятность негативного влияния антибиотика на проведение ряда технологических процессов при изготовлении кисломолочных продуктов. Угнетение микроорганизмов закваски может изменить органолептические и физико-химические свойства. Метиловый, этиловый и пропиловый эфиры 4-гидроксибензойной кислоты (парабены) – консерванты широко применяемые для продления сроков годности желе, покрывающих мясные продукты, паштетов, супов и бульонов, сахаристых кондитерских изделий, конфет, шоколада с начинкой, вяленых мясных продуктов, биологически активных добавок к пище. Содержание вышеуказанных соединений регламентируется СанПиН 2.3.2.-1293-03 «Продовольственное сырье и пищевые продукты. Гигиенические требования по применению пищевых добавок», а также СанПиН 2.3.2.2364-08 ««Дополнения и изменения №1 к СанПиН 2.3.2.1293-03» согласно которому пропиловый эфир 4-гидроксибензойной кислоты (пропилпарабен) исключен из перечня пищевых добавок, разрешенных к использованию в пищевых продуктах на территории Российской Федерации. Контроль их содержания в пищевых продуктах – одна из ключевых задач аналитических лабораторий, качество исполнения которой напрямую связано с сохранением здоровья людей.
Парабены (метиловый, этиловый и пропиловый эфиры 4-гидроксибензойной кислоты) также входят в состав фармацевтических препаратов («Тауфон», «Таурин») и косметических изделий (крема, зубные пасты, шампуни), таких как крема «Neutrogena Norwegian Formula», «Proteskin», зубные пасты «Парадонтол», «Silca», шампуни «Bioderma», «Avene» и др. Ряд исследований показывает возможность цитотоксического и канцерогенного влияния парабенов на организм человека. Цитотоксический эффект выражается в дестабилизации клеточных мембран, что нарушает работу транспортных каналов натрия и калия, тем самым нарушаются физиологические процессы в клетке. Канцерогенное воздействие парабенов связывают с их псевдоэстрогенными свойствами. Парабены могут восприниматься женским организмом в качестве естественных гормонов, что может спровоцировать образование опухолей молочной железы. Наряду с парабенами бензоат натрия и бензойная кислота также применяется для консервирования ряда фармацевтических препаратов, таких как «Кофеин-бензоат натрия» и косметической продукции. Консервирующее действие фенола используют в фармацевтической промышленности: фенол – консервант препарата «Орасепт» и ряда жидких лекарственных форм. Многие исследуемые соединения входят в состав фармацевтических препаратов и в качестве основных действующих веществ. (ацетилсалициловая кислота, 2-гидроксибензойная кислоты, амид 2-гидроксибензойной кислоты, левомицетин, левомицетин сукцинат натрия).
Помимо присутствия ФКС в готовом продукте (пищевые продукты, фармацевтические препараты, косметические изделия) они содержатся в отходах, стоках, выбросах производств. Попадая в водоемы, а также с потоками воздуха они могут распространяться на значительные расстояния, тем самым, расширяя зону химического загрязнения. Системная эмиссия карбоциклических ароматических соединений в окружающую среду оказывает заметное влияние на качественный и количественный видовой состав экосистем. Наиболее уязвимыми оказываются гидробионты, особенно небольших водоемов, так как в этом случае загрязнитель в водной толще распространяется относительно равномерно. Постепенное накопление загрязняющих веществ за счет антропогенных источников, а также продуктов разложения погибших гидробионтов, ведет к стимулированию развития цианобактерий, вызывающих цветение воды. Цианобактерии, в свою очередь, продуцируют цианотоксины и являются источником вторичного загрязнения. Изменение видового состава экосистем, особенно бактериальных сообществ, нарушает ход естественного очищения, в конечном итоге, происходит смена сообщества. Помимо прямого сброса карбоароматических соединений, в окружающую среду существует вероятность их появления из ряда веществ-предшественников в результате реакций трансформации и деградации биотической и абиотической природы. Так например, полихлорированные бифенилы, дегалогенируемые на свету – источник хлорбензойных кислот, образующихся в ходе их биодеградации. В связи с этим возникает ряд проблем. Во-первых, проблема изучения путей и механизмов преобразования и деградации ФКС в окружающей среде. Во-вторых, актуальным становится осуществление контроля их содержания в природных средах, что может быть достигнуто разработкой новых современных методов анализа и адаптацией уже существующих.
За последние два десятилетия исследования в области химии окружающей среды уделяют большое внимание изучению деструкции полихлорированных бифенилов, различных хлорзамещенных ароматических соединений с одним циклом, а также полициклических ароматических углеводородов. Большинство исследований сводится к поиску видов и штаммов бактерий-деструкторов и выявлению генов, отвечающих за данный процесс. Между тем анализу качественного и количественного состава промежуточных и конечных продуктов деградации, а также изучению механизмов протекания биохимических реакций внимания уделяется недостаточно.