Экология/6.Экологический мониторинг

К.б.н. Изосимова О.С.

Санкт-Петербургский  государственный университет, Россия

Использование методики определения ПАВ и их метаболитов в геоэкологических исследованиях   состояния геологической среды

 

Стремительный рост современной промышленности приводит к увеличению интенсивности вредного воздействия на окружающую среду. Поэтому перед учеными стоит задача совершенствовать методы, средства контроля и прогноза состояния природной, в том числе и геологической среды.

Геологическая среда и происходящие в ней процессы оказывают влияние на среду обитания человека и его здоровье.

В настоящее время одной из задач в области изучения геологической среды является совершенствование методов и методик в  геоэкологических исследованиях.

Мною представлена одна из методик, которую широко можно использовать в  геоэкологических исследованиях для определения ПАВ и их метаболитов.

Поверхностно-активные вещества, такие как моющие средства, ингибиторы кислотной коррозии (ИКК), компоненты коагулянтов, солюблизаторы, наполнители в пищевой технологии, стали неотъемлемой частью нашей жизни. Высокая эффективность использования поверхностно активных веществ (ПАВ) заслонила все наши опасения по поводу того, что эти ПАВ под воздействием внешних условий могут разрушаться, что продукты их разрушения могут обладать более токсичными свойствами, чем исходные вещества. Этому способствовало еще и то, что большинство ПАВ длительное время сохраняют  свои технологические свойства, а это означает, что потребителям ПАВ не было никакой необходимости интересоваться их разрушением. Вместе с тем, для определенной группы ПАВ, представляющих собой ИКК, судьба продуктов их разрушения всегда интересовала потребителей. Дело в том, что в основе ингибирующего действия ИКК лежит сам процесс их распада. Аналогичное явление наблюдается и для катионных ПАВ (КПАВ). Их бактерицидное действие связано не только с самой структурой этих ПАВ, но и с  возникновением в процессе их использования различных метаболитов, токсичное действие которых может быть более сильным, чем токсичное действие самих исходных ПАВ.

С экологической и гигиенической точки зрения важны степень и скорость биологического разложения (БР) в окружающей среде. Интенсивность БР зависит от длины и разветвленности алкильных, арильных и других радикалов. По степени БР ПАВ делятся на «жесткие» и «мягкие» (у последних степень разлагаемости около 80%). Биоразлагаемость ПАВ, входящих в состав синтетических моющих средств, должна быть не менее 90%.

Почва является внутренней составной частью  геологической среды, она одна из составляющих важ­нейших объектов среды обитания человека, в которой осуществляются процессы мик­робного самоочищения и миграции химических соедине­ний. В условиях интенсификации сельскохозяйственного производства ПАВ являются постоянным ингредиентом химического загрязнения почвы. Зна­чительные количества ПАВ находятся в осадках сточных вод, которые вносятся в почву в виде удобрений. В районах больших городов сущест­венное значение в загрязнении почвы детергентами имеют поливные очи­щенные сточные воды. ПАВ — постоянные компо­ненты пестицидов, минеральных удобрений, различных эмульгаторов, применяемых в сельском хозяйстве.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

Взаимодействие ПАВ с микрофлорой зависит от физико-химиче­ских свойств почвы, ее состава, концентрации ПАВ, наличия адаптирован­ных микробных ценозов, температуры и рН. Под действием ПАВ может изменяться количественный и качественный состав микрофлоры почвы. В условиях полива сточными водами, содержащими анионные детергенты, происходит их накопление в почве. Величина накопления зависит от кон­центрации ПАВ в поливной воде, с увеличением концентрации возрастает их накопление. Сведения в литературе о воздействии ПАВ на биологиче­скую активность почвы и пищевую ценность сельскохозяйственных куль­тур, часто  носят противоречивый характер. ПАВ, поступая в почву, совместно с другими химическими загрязнителями (пес­тициды, тяжелые металлы, нитриты, нитраты и др.) могут включаться в пищевые цепочки и неблагоприятно влиять на здоровье населения. При­сутствие анионных ПАВ в окружающей среде может внести некоторые уточнения в гигиеническую регламентацию отдельных химических соеди­нений в почве.

    Таким образом, ПАВ являются химическим фактором окружающей среды малой интенсивности, с которым контактирует практически все на­селение промышленно развитых стран.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

Методика определения метаболитов ПАВ

Определение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в объектах окру­жающей среды стало не сложным процессом в силу того, что для катионных (КПАВ), анионных (АПАВ) и нейтральных (НПАВ) разработаны вполне приемлемые фотометриче­ские, электрохимические и различные гибридные методы определения.

Обычно ищут и находят (или не находят) сами ПАВ, именно в таком виде, в ка­ком они существуют в коммерческих образцах. Вместе с тем, все виды ПАВ под воздействием влаги, солнечного излучения и микроорганизмов быстро подвергаются деструкции. Такое явление хорошо прослеживается для ПАВ, находя­щихся в почвах, где под воздействием почвенных микроорганизмов происходит превращение основных компонентов в фенолы, длинноцепочные спирты, карбоновые кислоты, а также другие соединения. В ряде случаев продукты метабо­лизма ПАВ токсичны, однако какие либо правила и документы, регламенти­рующие содержание продуктов метаболизма ПАВ, отсутствует вообще. Работа экологов в этом направлении только начинается, но сигнал тревоги существует, есть уже и методика определения метаболитов ПАВ.

Предпринята попытка создания общей модели разрушения хотя бы некоторых ПАВ под воздействием внешней среды и создание методики обна­ружения, идентификации и количественного определения таких продуктов. Во­обще, для определения всех видов ПАВ и продуктов их метаболизма общую ме­тодику сложно подыскать, однако для областей больших содержаний можно ос­тановиться на широко используемом приеме по реакции с роданида-кобальта-аммония (РКА). В присутствии НПАВ, КПАВ и АПАВ происходит переход сиреневой окраски раствора РКА в синюю. Обычно РКА используется для оп­ределения содержания НПАВ в объектах окружающей среды, это связано с тем, что определение КПАВ проводят с использованием экстракции их ионных ассоциатов с кислотными красителями (например, с метиловым оранжевым). Оп­ределение АПАВ проводят экстракцией их ионных ассоциатов с основными красителями (например, кристаллическим фиолетовым). РКА образует окра­шенные соединения с ПАВ и их осколками, причем это могут быть и производ­ные углеводородов с числом атомов углерода от очень больших значений до С4.

Выполнение концентрирования. Концентрирование ПАВ и их метаболи­тов с целью их последующего определения проводили тонкослойно-хроматографическим методом (ТСХ). Для этого вырезали пластинку «Силуфол» опре­деленной конфигурации, имеющей основание 50мм, сужающуюся до 10мм вверх на расстоянии 40мм. Далее - это прямоугольник размером 15 ´ 100мм. Приготавливали раствор какого-либо ПАВ с концентрацией 10-4 моль/л, поме­щали 1 см3 этого раствора в кювету толщиной 50мм (для фотоэлектроколориметра), помещали туда пластинку с обозначенными выше размерами, покрывали кювету с пластинкой стаканом с плоской крышкой. Сама кювета помещается на стеклянное основание (столик, стекло на столе и т.д.). После того, как полно­стью весь раствор из кюветы поглотился пластинкой, ее подсушивают на возду­хе, наносят 0,01мл раствора ПАВ и помещают в такую же кювету, на дно кото­рой наливают 5см3 смеси бутанол - уксусная кислота - вода (1:1:10). Далее проводят хроматографирование до тех пор, пока фронт растворителя не будет находиться на расстоянии 1 см от верхнего края хроматографической пластин­ки. Пластинку высушивают в токе воздуха при 85-90° С и опрыскивают раство­ром РКА.

Проявляющиеся пятна быстро очерчивают и рассчитывают величины R1 для каждого представителя ПАВ. Для получения метаболитов ПАВ последние выдерживают в открытом стакане, в который по­мещают почву определенного изучаемого участка, региона и т.д., наливают 100 см3 10-4 М раствора какого-либо промышленного синтетического ПАВ, пере­мешивают, через 1, 30, 300 и 1000 часов отбирают пробы жидкости и центрифу­гируют 1см3 центрифугата помещают в кювету и проделывают все операции, которые описаны выше. После высушивания хроматограммы, очерчивают ее проявляют отдельные зоны, далее рассчитывают R1 для каждого компонента, найденного на хроматограмме. По-видимому, поиск всех метаболитов в при­родных объектах при использовании большого арсенала ПАВ - практически безнадежная работа, но в случае, если это зона промышленного предприятия, выпускающего или использующего какие-либо ПАВ, тогда общая задача упро­щается. В таблице 1. приведены результаты разделения некоторых очищенных ПАВ, их промышленных коммерческих образцов и продуктов, полученных по­сле их обработки с добавлением в растворы почвы.

Таблица 1. Величины R1 для ряда ПАВ и их метаболитов. ТСХ-разделения на пластинах «Силуфол» в системе бутанол-уксусная кислота-вода (1:1:10)

 

Представитель ПАВ

R1

Основной компо­нент

Осколки или метаболиты

1

2

3

4

5

6

N-тетрабутиламмоний хлорид ч.

0,65

—

—

—

—

—

—

N-тетрабутиламмоний хлорид к.

0,65

0,95

0,85

0,70

 

 

 

 

 

 

N-тетрабутиламмоний хлорид о.

0,65

0,95

0,85

0,70

0,60

—

—

Цетилпиридиний хло­рид ч.

0,50

—

—

—

—

—

—

Цетилпиридиний хло­рид к.

0,50

0,15

0,10

—

—

—

—

Цетилпиридиний хло­рид о.

0,50

0,15

0,10

0,85

0,70

—

—

ОП-10ч.

0,90

—

—

—

—

—

—

ОП-10 к.

0,90

0,50

0,65

0,40

0,30

0,20

0,10

ОП-10 о.

0,90

0,50

0,65

0,40

0,30

0,20

0,10

Лаурилфосфат ч.

0,35

—

—

—

—

—

—

Лаурилфосфат к.

0,35

0,75

0,60

—

—

—

—

Лаурилфосфат о.

0,35

0,75

0,60

0,20

—

—

—

ч,- чистый, к.- коммерческий, о.- обработанный с целью разрушения.

 

Как видно из полученных результатов, ТСХ можно использовать для идентификации и количественного определения как ПАВ, так и их метаболитов в геоэкологический исследованиях.

Использование ТСХ позволило установить, что КПАВ и НПАВ в результате на них физико-химического воздействия или с течением времени образуют продукты разложения-метаболиты. Жесткие условия физико-химического воздействия приводят к образованию четырех метаболитов, каждый из которых  четко проявляется на хромотограммах. С использованием обычных приемов фотометрического анализа  и денситиометрии удалось определить массовые доли всех компонентов.

Данная методика удобна в использовании для  определения ПАВ  и их метаболитов в геологической среде.

 

 

Литература

1.Поверхностно-активные вещества. Строение. Свойства. Применение: Монография. Н.М. Алыков, Г.Н. Литвинова, Т.В. Алыкова, Ю.П. Васько и др; под ред. Н.М. Алыкова и Т.В. Алыковой. Астрахань: Ид-во Астраханского гос. ун-та, 2001. – 128 с. – ил.