Сотрудники лаборатории электронно-лучевой конверсии энергоносителей Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета и Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН впервые доказали, что электронно-лучевая обработка мутагенных органических соединений с сопряжёнными связями приводит к полному устранению мутагенности. 

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 г/дм³ он полностью обесцветился. Тестирование мутагенности по методу Эймса показало устранение мутагенности до уровня спонтанного мутагенеза.

Воздействие электронов на ароматический краситель

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 её растворимость и её 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 1,5 кГр 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.

Искусственные красители и генетическая безопасность

Краситель «красный кошенилевый» Понсо 4R — искусственное соединение, синтезируемое из ароматических углеводородов. Он разрешён к использованию в качестве пищевой добавки в России и странах Евросоюза (кроме Финляндии), и запрещён в США и Норвегии. 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 растворённых 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 тяжёлых 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, — всё это провоцирует развитие у людей онкологических и генетических заболеваний. Количество провоцирующих факторов растёт. Метод редактирования генома, как оказалось, пока ещё не является рабочим средством для лечения генетических болезней; поэтому тем более важно нейтрализовать потенциальные мутагены.

Электронно-лучевая обработка сточных и промышленных вод

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 количества 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 водоёма — растений, рыбы, моллюсков и т. д.

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.

Первая в мире комплексная система крупнотоннажной очистки воды

Работа по инактивированию примесей с помощью электронно-лучевых технологий признана наиболее интересным достижением секции «Химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология и радиационная химия» Учёного совета ИФХЭ РАН в 2023 году. Это 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 ещё 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.

Работа опубликована в журнале High Energy Chemistry.

Текст: Ольга Макарова.
Источник: ИФХЭ РАН.