1030

Пьянова Л. Г. и др.

Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 8

УДК 546.26+661.183.1+544.723.212

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА АДСОРБЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ

УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К ПЕСТИЦИДАМ

ДЕЛЬТАМЕТРИНУ И ИВЕРМЕКТИНУ

¹ Институт проблем переработки углеводородов СО РАН,

644065, г. Омск, Нефтезаводская ул., д. 54

² Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина,

644008, г. Омск, Институтская пл., д. 1

* E-mail: medugli@rambler.ru

Поступила в Редакцию 21 июня 2018 г.

После доработки 10 апреля 2019 г.

Принята к публикации 28 мая 2019 г.

Изучены адсорбционные свойства модифицированных углеродных сорбентов по отношению к пести-

цидам, применяемым в сельском хозяйстве в качестве инсектоакарицидных средств: ивермектину

и дельтаметрину. Установлены отличительные особенности адсорбции пестицидов углеродными

сорбентами в модельных условиях и на реальных системах, обусловленные их пористой структурой,

природой модификаторов и данных препаратов.

Ключевые слова: углеродный сорбент; молочная кислота; гликолевая кислота; модифицирование;

пестициды; адсорбционные свойства, ивермектин, дельтаметрин

DOI: 10.1134/S0044461819080103

Варьируя количество функциональных групп, их

В настоящее время в медицине и ветеринарии

химическую природу, можно направленно влиять на

широко используются модифицированные сорбенты

физико-химические свойства и биологическую ак-

для извлечения токсических веществ определенной

тивность углеродных сорбентов (УС), открывая при

природы.

этом новые сферы их применения. Это возможно с

В ветеринарии используются пестициды на ос-

помощью модифицирования поверхности углеродных

нове ивермектина и дельтаметрина. Это химические

сорбентов различными веществами с биоспецифиче-

средства защиты растений от вредителей, болезней,

скими свойствами. Модифицированные сорбенты на

сорняков и грызунов, а также средства защиты жи-

основе нанодисперсного углерода обладают бифунк-

вотных от насекомых и клещей [1, 2].

циональным действием. Это обусловлено структу-

Ивермектин относится к классу макроцикличе-

рой матрицы (технического углерода) и свойствами

ских лактонов (схема 1), избирательно действует не

нанесенных модификаторов (гликолевая и молочная

только на клещей, кровососок, личинки подкожных,

кислоты), которые будут обладать высокими анти-

носоглоточных, желудочных оводов и др., но и ли-

бактериальными, противогрибковыми, детоксикаци-

чиночные и половозрелые фазы развития нематод

онными свойствами. Исходный углеродный сорбент

желудочно-кишечного тракта и легких. Молекулярная

эффективно сорбирует низко- и среднемолекулярные

масса ивермектина составляет 875.10 г·моль^-1. По

токсичные вещества, неселективен, не обладает выра-

степени токсичности ивермектин относится к «чрез-

женными биоспецифическими свойствами. Поэтому

вычайно опасным» веществам (1-й класс опасности

разработка углеродных сорбентов, модифицирован-

согласно ГОСТ 12.1.007-76) [1, 3]. Метаболизируется

ных веществами с биоспецифическими свойствами,

в печени через рекомбинантные ферменты: цитохром

заслуживает особого внимания.

Р450, главным образом его изофермент CYP3A4.

Сравнительная оценка адсорбционной активности углеродных сорбентов по отношению к пестицидам...

1031

Схема 1

Структурная формула ивермектина

Окислительная активность фермента усиливается в

зуется и окисляется. Гидролизу дельтаметрин подвер-

кислой среде. Два основных метаболита ивермекти-

гается только в щелочной среде [6, 7].

на — 3″-О-диметиливермектин и 4а-гидроксиивер-

При превышении норм расхода и кратности при-

мектин [3-5].

менения данных препаратов без учета стойкости в

Дельтаметрин — инсектоакарицид класса пире-

окружающей среде и периода ожидания возрастает

троидов 2-го типа (цианопиретроидов), применяемый

опасность отравления животных [2, 6]. Это требует

наружно для профилактики и лечения заболеваний у

проведения детоксикации, включающей комплекс ле-

животных, связанных с воздействием эктопаразитов

чебных мероприятий, необходимых для прекращения

(клещей, блох, мух и др.) (схема 2). Молекулярная

действия химического стрессора и профилактики се-

масса 505.2 г·моль^-1. По степени токсичности на

рьезных осложнений. Для этого широко применяются

организм дельтаметрин относится к «умеренно опас-

методы искусственной детоксикации и антидотной

ным» веществам (3-й класс опасности согласно ГОСТ

терапии, направленные на стимуляцию естествен-

12.1.007-76). Имеет слабокислую реакцию и относи-

ных механизмов защиты и выведение токсических

тельно трудно разлагается, особенно в кислой среде.

веществ из организма [8]. Использование углерод-

Он содержит дибромвинильную группу в кислотной

ных сорбентов в качестве детоксицирующих средств

части молекулы, которая достаточно трудно гидроли-

заслуживает особого внимания, так как благодаря

наличию мезопор они эффективно адсорбируют на

своей поверхности токсиканты низкой и средней мо-

лекулярной массы и выводят их из организма [8-10].

Схема 2

Цель данного исследования — изучение адсорб-

Структурная формула дельтаметрина

ционных свойств модифицированных углеродных

сорбентов по отношению к ивермектину и дельтаме-

трину в модельных условиях и на реальных системах.

Экспериментальная часть

В качестве исходного сорбционного материала

в эксперименте использовали углеродный сорбент,

характеризующийся развитой мезопористой структу-

1032

Пьянова Л. Г. и др.

рой, удельной площадью поверхности 370-380 м²·г^-1,

ной концентрации. Абсолютная погрешность анализа

высокой химической чистотой (содержание мине-

составляет 4·10^-6. Также проводили исследование

ральных примесей не более 0.15%) и размером гранул

адсорбционной активности сорбентов в отношении

0.5-1.0 мм не менее 90%. В качестве модификато-

ивермектина и дельтаметрина на реальных системах:

ров поверхности углеродного сорбента применяли

белых беспородных крысах (n = 10) с массой тела

гликолевую (ГК, 99 мас%, Merk Schuchardt OHG,

215-245 г.

Германия) и молочную (МК, 80%-ный раствор,

Пестицидные препараты вводили в желудок с

МОСРЕАКТИВ, Россия) кислоты. Данные гидрок-

помощью зонда в дозах по 50 мг·кг^-1 массы. Затем

сикислоты отвечают всем медицинским и ветеринар-

крысам был назначен курс энтеросорбции с при-

ным требованиям — нетоксичны, биосовместимы,

менением исходного сорбента УС и сорбента, мо-

растворимы в воде, обладают антибактериальными

дифицированного олигомером молочной кислоты

свойствами [11, 12].

(УС-МК) в дозе 200 мг·кг^-1 2 раза в сутки в течение

Методика модифицирования углеродного сорбента

2 сут. Содержание остатков дельтаметрина и ивер-

включала его пропитку 50%-ными водными раствора-

мектина в сыворотке крови крыс определяли методом

ми гидроксикислот в течение 8-24 ч с последующей

высокоэффективной жидкостной хроматографии с

поликонденсацией сначала при 110-150°С в течение

использованием жидкостного хроматографа Хромос

1-6 ч, затем при 170-220°С в течение 5-18 ч [13,

ЖХ-301 со спектрофотометрическим детектором

14]. Стадия поликонденсации необходима для закре-

UVV-104M. Результаты исследований были подверг-

пления модификаторов на поверхности в виде соот-

нуты статистической обработке с использованием

ветствующих олигомеров. Было установлено, что в

программы STATISTICA 6.1, достоверность разли-

данных условиях синтеза олигомеры гидроксикислот

чий оценивали по t-критерию Стьюдента. Различия

имеют молекулярную массу от 500 до 1000 г·моль^-1

считали статистически значимыми при р < 0.05, где

и не содержат примеси исходных моно-, ди- и триме-

р — уровень значимости.

ров. Углеродный сорбент, модифицированный оли-

гомером гликолевой кислоты, УС-ГК, имеет следую-

Обсуждение результатов

щие характеристики: удельная площадь поверхности

200-205 м²·г^-1, суммарный объем пор 0.407 см³·г^-1,

Адсорбция пестицидных препаратов углеродными

количество нанесенного олигомера 12 мас%, рН фи-

сорбентами в модельных условиях. Исследование

зиологического раствора после контакта с образцом

адсорбции пестицидных препаратов ивермектина

в течение 1 сут 4.5-4.7, в течение 30 сут — 2.5-2.7.

и дельтаметрина на поверхности углеродных сор-

Углеродный сорбент, модифицированный олигомером

бентов УС, УС-ГК, УС-МК проводили в течение

молочной кислоты, УС-МК, характеризуется удель-

24 ч в статических условиях, периодически пере-

ной площадью поверхности 28-30 м²·г^-1, суммарным

мешивая и варьируя соотношение сорбент/раствор

объемом пор 0.116 см³·г^-1, количество нанесенного

препарата 0.2/1 и 0.5/1. Исходная концентрация

олигомера составляет 31 мас%, рН физиологического

ивермектина в ацетоне для данного эксперимента

раствора после контакта с образцом в течение 1 сут

составила 0.67 ± 0.02 мг·мл^-1, дельтаметрина —

2.3-2.5, в течение 30 сут — 1.8-2.0.

3.33 ± 0.02 мг·мл^-1. В тех же условиях были прове-

Адсорбционные свойства модифицированных сор-

дены холостые опыты. Это необходимо для оценки

бентов по отношению к пестицидным препаратам

десорбции модификаторов с поверхности сорбентов в

ивермектину и дельтаметрину в модельных условиях

течение 24 ч. Получены значения статической обмен-

изучали оптическим методом с использованием ин-

ной емкости (а — величина адсорбции, мг·г^-1) и со-

терферометра лабораторного ЛИР-2. В данном ис-

ответствующие им степени извлечения [R — степень

следовании использовали эмульсии с концентрацией

извлечения (отношение величин а/а_max), %] пестицид-

дельтаметрина 50 мг·мл^-1 и концентрацией ивермек-

ных препаратов исследуемыми сорбентами (табл. 1).

тина 10 мг·мл^-1. Так как данные вещества нераство-

Установлено, что адсорбционные свойства ис-

римы в воде, в качестве растворителя выбрали аце-

следуемых сорбентов по отношению к ивермекти-

тон. Для анализа использовали кюветы длиной 5 мм,

ну имеют следующую закономерность (табл. 1):

состоящие из двух камер, в одну из которых наливали

а(R)_УС > а(R)_УС-МК > а(R)_УС-ГК.

растворитель, в другую — исследуемый раствор.

Более высокие адсорбционные свойства исход-

Концентрацию пестицидов в растворе ацетона опре-

ного сорбента (УС) и сорбента, модифицированного

деляли по калибровочным графикам, для построения

олигомером молочной кислоты (УС-МК), по отно-

которых готовили серию растворов в ацетоне различ-

шению к ивермектину, вероятно, обусловлены их

Сравнительная оценка адсорбционной активности углеродных сорбентов по отношению к пестицидам...

1033

пористой структурой (значением удельной площади

стурных характеристик (удельной площади по-

поверхности и суммарного объема пор) и природой

верхности и суммарного объема пор), закономерно

нанесенного олигомера молочной кислоты, который

уменьшаясь в ряду R_УС > R_УС-ГК > R_УС-МК, так же как

считается более гидрофобным по сравнению с олиго-

S_{уд. УС}> S_{уд. УС-ГК} > S_{уд. УС-МК} (табл. 1). Для образцов

мером гликолевой кислоты и соответственно прояв-

УС и УС-ГК степень извлечения составляет 70 и

ляет избирательность к гидрофобному ивермектину.

59% соответственно при соотношении сорбент/рас-

Стоит отметить, что увеличение доли сорбентов УС и

твор дельтаметрина 0.5/1. Вероятнее всего, дополни-

УС-МК в соотношении сорбент/раствор ивермектина

тельных взаимодействий между поверхностью сор-

приводит к увеличению степени его извлечения из

бентов и молекулой дельтаметрина не возникает,

раствора: от 14 до 79 и от 7 до 31% соответственно.

адсорбция протекает преимущественно по ситовому

Предполагаем, что адсорбция ивермектина модифи-

эффекту.

цированным сорбентом УС-МК происходит как за

Адсорбционные свойства модифицированных угле-

счет ситового эффекта, так и за счет дополнительных

родных сорбентов на реальных системах. Изучена

ван-дер-ваальсовых сил между поверхностью сорбен-

эффективность сорбентов при отравлении ивермек-

та и извлекаемым веществом. Сорбент, модифици-

тином и дельтаметрином лабораторных животных —

рованный олигомером гликолевой кислоты (УС-ГК),

белых беспородных крыс (табл. 2, 3). Установлено,

обладает низкими адсорбционными свойствами по

что содержание остатков дельтаметрина в сыворотке

отношению к ивермектину — степень извлечения

крови отравленных крыс после проведения энтеро-

препарата из раствора в течение 24 ч составляет не

сорбции с применением исходного сорбента УС через

более 1.5% независимо от отношения сорбента к ис-

6 ч снижается на 20%, с применением модифициро-

следуемому раствору ивермектина (табл. 1).

ванного сорбента УС-МК — на 10% (табл. 2). Через

При адсорбции дельтаметрина адсорбционные

2 сут содержание остатков дельтаметрина после при-

свойства (a, R) сорбентов зависят только от их тек- менения исходного сорбента УС снижается на 30%,

Таблица 1

Данные по величине адсорбции ивермектина для исследуемых сорбентов

Соотношение сорбент/раствор пестицида

Удельная

Количество

ивермектин

дельтаметрин

площадь

нанесенного

Образец

поверхности

модификатора,

0.2/1

0.5/1

0.2/1

0.5/1

S_БЭТ, м²·г^-1

мас%

а,

R, %

мг·г^-1

УС

377

—

0.46

1.05

8.4

4.7

УС-ГК

205

0.01

1.5

0.01

1.65

3.92

УС-МК

0.23

0.41

1.70

Таблица 2

Содержание остатков дельтаметрина в сыворотке крови крыс после острого отравления и энтеросорбции

(M ± m, n = 10)

Остаточное количество

Срок

дельтаметрина после

дельтаметрина после энтеросорбции

исследования

острого отравления,*

с применением исходного сорбента,*

с применением модифицированного

мг·кг^-1

сорбента,* мг·кг^-1

Через 6 ч

18.2 ± 0.3

14.6 ± 0.2

16.4 ± 0.3

Через 2 сут

11.6 ± 0.4

8.1 ± 0.3

12.6 ± 0.2

* Значения средних достоверно различаются (р < 0.05).

1034

Пьянова Л. Г. и др.

Таблица 3

Содержание остатков ивермектина в сыворотке крови крыс после острого отравления и энтеросорбции

(M ± m, n = 10)

Остаточное количество ивермектина

Остаточное количество

Остаточное количество ивермектина

Срок

после энтеросорбции

ивермектина в группе

после энтеросорбции с применением

исследования

с применением модифицированного

контроля,* мг·кг^-1

исходного сорбента,* мг·кг^-1

сорбента,* мг·кг^-1

Через 6 ч

20.3 ± 0.2

18.2 ± 0.1

14.2 ± 0.3

Через 2 сут

14.2 ± 0.4

11.0 ± 0.2

7.3 ± 0.2

* Значения средних достоверно различаются (р < 0.05).

после применения модифицированного сорбента УС-

кислоты. Кроме того, ивермектин, обладая щелочны-

МК сопоставимо с группой крыс, не получавших

ми свойствами, быстрее разрушается в присутствии

сорбент (группой контроля).

молочной кислоты и меньше всасывается.

Проведенные исследования на реальных систе-

Таким образом, результаты исследований по оцен-

мах подтверждают установленные закономерности

ке адсорбционных свойств модифицированных ги-

адсорбции дельтаметрина сорбентами в модельных

дроксикислотами углеродных сорбентов убедительно

условиях: адсорбционная активность в отношении

доказывают принципиальные различия в действии

дельтаметрина зависит только от их текстурных ха-

сорбентов в условиях in vitro и in vivo. Эксперименты

рактеристик. Для исходного сорбента удельная пло-

in vitro свидетельствуют о наиболее активной сорб-

щадь поверхности в 13 раз выше по сравнению с

ции дельтаметрина и ивермектина исходным углерод-

модифицированным сорбентом УС-МК. При этом

ным сорбентом. Однако преимущества последнего в

дельтаметрин имеет слабокислую реакцию [6, 7],

условиях in vivo проявляются лишь при интоксикации

поэтому он быстрее всасывается и относительно

дельтаметрином, имеющим кислую реакцию среды

трудно разлагается в кислой среде, создаваемой мо-

и повышающим свою токсичность в присутствии

дифицированным сорбентом, так как содержит ди-

кислого модификатора. При отравлении ивермекти-

бромвинильную группу в кислотной части молекулы.

ном, обладающим основными свойствами, молочная

Полученные результаты подтверждают предполо-

кислота ускоряет его разрушение и замедляет вса-

жение, что дополнительных взаимодействий между

сывание, что повышает детоксицирующее действие

поверхностью сорбентов и молекулой дельтаметрина

модифицированного сорбента. Данный факт является

не происходит, адсорбция происходит по ситовому

основой для разработки новых модифицированных

эффекту за счет пористой структуры материалов.

сорбентов, обладающих выраженной селективностью

При отравлении ивермектином установлено, что

действия.

через 6 и 48 ч содержание его остатков в сыворотке

крови крыс снижается более значительно после про-

Выводы

ведения энтеросорбции с применением модифици-

рованного сорбента УС-МК — на 30 и 49%, в случае

Сравнительная оценка сорбентов, модифициро-

использования исходного сорбента — на 10 и 22.5%

ванных олигомерами гидроксикислот, в условиях

(табл. 3). Проведенные исследования на реальных

in vitro свидетельствует о снижении удельной пло-

системах подтвердили установленные закономерно-

щади поверхности и адсорбционной активности по

сти адсорбции ивермектина сорбентами в модельных

отношению к пестицидам при нанесении модифи-

условиях: кислая среда, создаваемая модифицирован-

каторов. Минимальное извлечение из раствора ивер-

ным сорбентом УС-МК в организме, вероятно, повы-

мектина отмечается при использовании сорбента,

шает окислительную активность цитохрома Р450, что

модифицированного гликолевой кислотой, дельта-

ускоряет биотрансформацию ивермектина [3, 4]. Это

метрина — при модифицировании молочной кис-

обусловливает более значительное снижение уров-

лотой. В условиях in vivo при отравлении животных

ня остаточных количеств ивермектина в сыворотке

дельтаметрином максимальное снижение остатков

крови крыс после энтеросорбции с применением

пестицида в сыворотке крови обеспечивает исходный

сорбента, модифицированного олигомером молочной

сорбент, при отравлении ивермектином — сорбент,

Сравнительная оценка адсорбционной активности углеродных сорбентов по отношению к пестицидам...

1035

модифицированный молочной кислотой, что свиде-

Информация об авторах

тельствует о повышении детоксицирующего действия

Пьянова Лидия Георгиевна, д.б.н., доцент, ORCID:

сорбента при модифицировании олигомером молоч-

http://orcid.org/0000-0002-6207-0878.

ной кислоты, несмотря на снижение адсорбционной

Герунова Людмила Карповна, д.в.н., проф.,

активности.

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0835-9352

Полученные результаты свидетельствуют о пер-

Дроздецкая Мария Сергеевна, м.н.с., ORCID:

спективах создания селективно действующих сор-

https://orcid.org/0000-0003-2846-8628

бентов при отравлениях различными токсикантами.

Герунов Тарас Владимирович, к.б.н., доцент,

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5594-2666

Финансирование работы

Список литературы

Работа выполнена в рамках государственного за-

дания Института проблем переработки углеводородов

[1] Veterinary Toxicology. 3rd Ed. / Ed. by Ramash C.

СО РАН в соответствии с Программой фундаменталь-

Gupta. Elsevier: Acad. Press, 2018. P. 1145-1162.

ных научных исследований государственных акаде-

[2] Thatheyus A. J., Deborah A. // Appl. Ecology Environ.

мий наук на 2013-2020 годы по направлению проект

Sci. 2013. V. 1 (3). P. 33-36.

№ V.45, V.45.2.8 «Научные и технологические основы

[3] Campbell W. S. // Curr. Pharm. Biotechnol. 2012.

V. 13. N 6. P. 853-865.

создания новых углеродных наноструктурирован-

[4] Чернобурова Е. И., Данченко К. В., Щетини-

ных материалов для наноиндустрии и медицины»

на М. А., Жаров А. А., Колобов А. В., Джафа-

(номер госрегистрации в системе ЕГИСУ НИОКТР

ров М. Х., Василевич Ф. И., Заварзин И. В. // Изв.

AAAA-A17-117021450093-7).

РАН. Сер. хим. 2016. № 12. С. 2952-2955 [Cherno-

burova E.I., Danchenko K. V., Shchetinina M. A.,

Соблюдение этических стандартов

Zharov A. A., Kolobov A. V., Jafarov M. Kh., Vasile-

vich F. I., Zavarzin I. V. // Russ. Chem. Bull. 2016.

Были соблюдены все применимые международные

V. 65. N 12. P. 2952-2955].

и национальные руководящие принципы по уходу и

[5] Lankas G. R., Gordon L. R. Toxicology In Ivermectin

использованию животных, а также принципы орга-

and abamectin / Ed. W. C. Campbell. Merсk Institute for

низации (Омский государственный аграрный уни-

Therapeutic Research, Rahway, USA, 1989. P. 89-113.

верситет им. П. А. Столыпина), в которой выполнено

[6] Hasibur Rehman, Al Thbiani Aziz, Shalini Saggu,

исследование.

Zahid Khorshid Abbas, Anand Mohan, Abid A. Ansari

// J. Entomology Zoology Studies. 2014. V. 2. N 6.

P. 60-70.

Конфликт интересов

[7] Songa Yufang, Kai Jianrong, Song Xueying Wei

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

Zhangd, Lingling Liab // J. Hazard. Mater. 2015.

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

V. 289. P. 158-164.

[8] P′yanova L. G., Gerunova L. K., Likholobov V. A.

Sedanova A. V., Okolelov V. I., Lavrenov A. V. // Proc.

Информация о вкладе авторов

Eng. 2016. V. 152. P. 655-663.

Автор Л. Г. Пьянова — организация экспери-

[9] Howell C. A., Sandeman S. R., Zheng Y., Mikhalov-

ментов по исследованию адсорбции пестицидных

sky S. V., Nikolaev V. G., Sakhno L. A., Snezhkova E. A.

препаратов модифицированными углеродными сор-

// Carbon. 2016. V. 97. P. 134-146.

бентами в модельных условиях, написание статьи;

[10] Rachkovskaya L. N., Popova T. V., Letyagin A. Yu. /

Л. К. Герунова — организация экспериментов по

Resource-Efficient Technol. 2016. V. 2. N 2. P. 43-49.

[11] Boomsma B., Bikker E., Lansdaal E., Stuut P. // SOFW

определению адсорбционных свойств модифициро-

J. 2015. V. 141. N 10. Р. 2-5.

ванных углеродных сорбентов на реальных систе-

[12] Swider Ed., Koshkina O., Tel Jurjen, Jurjen Telad,

мах (на лабораторных животных), написание статьи;

Luis J., Cruz I., Jolanda M. de Vries, Mangala Srinivas

М. С. Дроздецкая — проведение экспериментов по

// Acta Biomaterialia. 2018. V.73. P. 38-51.

исследованию адсорбции пестицидов модифициро-

[13] Пат. РФ 2541103 (опубл. 2015). Углеродный сор-

ванными углеродными сорбентами в модельных ус-

бент с антибактериальными и антимикотическими

ловиях, оформление статьи; Т. В. Герунов — проведе-

свойствами и способ его получения.

ние экспериментов по определению адсорбционных

[14] Пат. РФ 2655301 (опубл. 2018). Углеродный сор-

свойств модифицированных углеродных сорбентов

бент с биоспецифическими свойствами и способ

на реальных системах.

его получения.