Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных методов обеспечения химической безопасности водопользования .9
1.1. Дезинфекция воды хлорирующими агентами, как наиболее эффективный метод очистки природной воды от патогенных микроорганизмов 9
1.1.1. Органические вещества в природной воде 10
1.1.2. Использование гипохлорита натрия (ГХН) для дезинфекции природной воды
1.2. Общие методы анализа ГОС в воде; использование хроматомасс-спектрометрии для количественного анализа .15
1.3. Изменение химического состава вод природных водоёмов при их «цветении» с помощью методов коррекции альгоценоза
1.3.1. Неорганические соединения азота в природной воде 18
1.3.2. Цианобактерии и цианотоксины 20
1.3.3. Современные методы обезвреживания воды от цианотоксинов. Мировой и Российский опыт 22
1.3.4. Характеристика штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 .25
1.4. Мониторинг качества природных вод методом оптической кардиографии пресноводных
двустворчатых моллюсков .26
1.4.1. Мировой и российский опыт биотестирования качества воды 27
1.4.2. Характеристики 12-канальной микропроцессорной системы опторегистрации кардиоритмов пресноводных моллюсков в целях биотестирования 32
Глава 2. Экспериментальная часть 37
2.1. Объекты и методы исследования образующихся ГОС при дезинфекции природной воды
ГХН 37
2.1.1. Аппаратура для анализа образующихся продуктов реакции 37
2.1.2. Методика эксперимента .38
2.2. Объекты и методы совершенствования метода коррекции альгоценоза природных водоёмов штаммом зелёной водоросли Chlorella vulgaris ИФР №С-111 40
2.2.1. Выращивание штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 и его доставка к объекту 42
2.2.2. Расчёт вселения, определение точек вселения и вселение хлореллы 43
2.3. Объекты и методы выявления пороговых значений концентраций токсикантов при мониторинге качества воды методом оптической кардиографии пресноводных двустворчатых моллюсков 44
2.3.1. Исследование влияния ионов тяжёлых металлов в воде на кардиоритмы моллюсков 45
2.3.2. Исследование влияния фосфорорганических пестицидов в воде на кардиоритмы моллюсков 46
Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение 50
3.1. Изучение состава ГОС, образующихся при смешении растворов ГХН с природной
водой .50
3.1.1. Сравнительный анализ состава природных вод из Москворецкого и Волжского источников 51
3.1.2. Результаты дезинфекции воды НКГХН и ВКГХН из Москворецкого и Волжского источников
3.1.3. Результаты дезинфекции воды из Москворецкого и Волжского источников ХВ 61
3.1.4. Сравнительный анализ полученных данных 65
3.2. Результаты исследования альголизации Барвихинских прудов штаммом водоросли Chlorella
vulgaris ИФР №С-111 .67
3.2.1. Результаты анализов состава воды в Барвихинских прудах 67
3.2.2. Результаты альголизации Барвихинских прудов в весенний, летний и осенний
периоды .69
3.2.3. Итоговый анализ полученных данных 74
3.3. Выявление пороговых концентраций токсикантов при мониторинге качества вод с помощью 12-канальной системы оптической кардиографии моллюсков 81
3.3.1. Исследование влияния изменения температуры воды на кардиограммы моллюсков 82
3.3.2. Исследование влияния ионов тяжёлых металлов в воде на кардиоритмы моллюсков 83
3.3.3. Исследование влияния фосфорорганических пестицидов на кардиоритмы моллюсков 93
3.3.4. Итоговый анализ полученных данных 101
Заключение 103
Список сокращений и условных обозначений .104
Список литературы .105
Список иллюстративного материала
- Общие методы анализа ГОС в воде; использование хроматомасс-спектрометрии для количественного анализа
- Выращивание штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 и его доставка к объекту
- Сравнительный анализ состава природных вод из Москворецкого и Волжского источников
- Исследование влияния ионов тяжёлых металлов в воде на кардиоритмы моллюсков
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из наиболее важных проблем современности является обеспечение человечества чистой водой для питья и рекреации, включая любительскую рыбную ловлю. С каждым годом разнообразие токсикантов, попадающих в воду антропогенным путём, только увеличивается. Среди них всё новые и новые токсичные, в том числе канцерогенные, вещества, влияние которых на человеческий организм ещё не изучено, а методы защиты населения от них не являются совершенными.
Говоря о качестве воды, нужно сознавать, что в настоящее время на первое место вышли именно проблемы её химической безопасности, под которыми подразумевают загрязнение воды приоритетными токсикантами и их негативное влияние на человека и биоту.
При подготовке питьевой воды в последнее столетие приходилось решать самые разнообразные проблемы, которые возникали в процессе совершенствования комплекса используемых для этого методов. В их числе фигурировали: 1) выбор, с одной стороны, методов дезинфекции воды, позволяющих ликвидировать попадающие в неё патогенные бактерии и вирусы, и, с другой стороны, методов удаления образующихся при дезинфекции природной воды токсичных веществ; 2) снижение уровня загрязнения водоёмов питьевого водоснабжения различными токсикантами, в том числе (особенно в последние годы), гетероциклическими цианотоксинами, загрязняющими эти водоёмы в результате трансформации сине-зелёными водорослями, интенсивно развивающимися в водоёмах, в которые попадают различными путями (сельскохозяйственные стоки с полей и ферм, осаждение из атмосферы и др.) соединения аммония, нитраты и нитриты; 3) мониторинг качества воды при её поступлении из природных источников на станции подготовки питьевой воды.
Автору данной работы было предложено разработать и усовершенствовать эти методы, для чего было необходимо изучить следующие проблемы:
во-первых, химическое и токсикологическое обоснование использования при дезинфекции воды вместо высокотоксичного и взрывоопасного молекулярного хлора растворов гипохлорита натрия (ГХН), которые в последнее время начали применять в развитых странах, имея в виду их большую безопасность при перевозках и применении на станциях водоподготовки;
во-вторых, экспериментальное обоснование уменьшения развития сине-зелёных водорослей в водоёмах, загрязняемых неорганическими производными азота, что приводит к образованию в них гетероциклических цианотоксинов, с помощью коррекции альгоценоза этих водоёмов планктонным штаммом зелёной микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР №С-111;
в-третьих, экспериментальное выявление пороговых значений концентраций органических токсикантов и тяжёлых металлов при биотестировании качества вод, подаваемых нации подготовки питьевой воды, с помощью пресноводных моллюсков, кардиоритмы которых могут служить индикатором изменения химического состава воды.
Цель работы, таким образом, заключалась в разработке и совершенствовании методов обеспечения химической безопасности водопользования.
Задачи, поставленные при выполнении диссертационной работы:
осуществить экспериментальное сравнительное исследование смесей галогенорганических соединений (ГОС), образующихся при дезинфекции воды ГХН и молекулярным хлором для выяснения, является ли ГХН токсикологически более предпочтительным, чем хлор;
провести экспериментальные исследования для совершенствования метода предотвращения развития в водоёмах сине-зелёных водорослей методом коррекции альгоценоза водоёмов планктонным штаммом зелёной микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР №С-111 и, как следствие этого, к предотвращению загрязнения природных водоёмов гетероциклическими цианотоксинами;
- осуществить экспериментальные исследования для выявления пороговых значений
концентраций органических токсикантов и тяжёлых металлов при биотестировании качества вод,
подаваемых на станции подготовки питьевой воды, с помощью пресноводных моллюсков,
кардиоритмы которых могут служить индикатором изменения химического состава воды.
Достоверность полученных результатов подтверждена применением в проведённой работе научно-обоснованных химических и физико-химических методов экспериментальных исследований, использованием современного аналитического оборудования и стандартных проверенных приборов, а также компьютерных методов обработки данных.
Научная новизна работы. Впервые проведено сравнительное хроматомасс-спектрометрическое исследование смесей галогенорганических продуктов дезинфекции воды из Москворецкого и Волжского источников хлорной водой (ХВ) и водными растворами ГХН различных концентраций и времён контакта. Определён перечень образующихся при этом ГОС, наиболее характерных для дезинфекции природной воды ГХН. Проведены сравнительные ГХМС-исследования состава смесей продуктов дезинфекции ГХН и хлором.
Осуществлены экспериментальные исследования, позволившие методом коррекции альгоценоза планктонным штаммом зелёной микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР №С-111, предотвратить развитие в Барвихинских прудах Московской области сине-зелёных водорослей, а следовательно, и загрязнение этих водоёмов цианотоксинами.
Впервые проведены экспериментальные исследования по выявлению пороговых значений концентраций токсикантов при биотестировании качества вод методом оптической кардиографии пресноводных моллюсков. Изучены реакции моллюсков на загрязнение воды органическими токсикантами и тяжёлыми металлами с использованием модельных растворов загрязнителей и разработанной системы мониторинга качества пресных вод с целью определения критериев, характеризующих уровень токсического загрязнения.
Практическая значимость: Экспериментально доказано преимущество использования ГХН (по сравнению с молекулярным хлором) в качестве дезинфектанта природной воды, с точки зрения разнообразия и количеств ГОС, образующихся при взаимодействии дезинфектантов с живой и неживой органикой в природной воде. Эти результаты послужили химическим и токсикологическим обоснованием замены молекулярного хлора в качестве дезинфектанта на растворы ГХН на Московских станциях водоподготовки.
В работе существенно усовершенствован метод предотвращения загрязнения природных водоёмов гетероциклическими цианотоксинами, основанный на коррекции альгоценоза с помощью микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР №С-111, который успешно применён на Барвихинских прудах в Московской области.
Подробные экспериментальные данные, полученные при выявлении пороговых значений концентраций органических токсикантов и тяжёлых металлов при мониторинге качества вод методом оптической кардиографии пресноводных моллюсков, послужили основанием для существенной доработки программного обеспечения 12-канальной системы мониторинга качества природных вод и определения пределов её возможностей.
Личный вклад диссертанта состоит: в проведении экспериментальных исследований, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировке выводов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Научная конференция «Ломоносовские чтения» (Москва, МГУ, 2014), XXII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, МГУ, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций, а также 3 тезисов докладов на российской и международной конференциях.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 115 страницах и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, заключения, списка литературы. Включает в себя 59 рисунков, 21 таблицу и 9 приложений, библиография содержит 112 наименований.
Диссертационная работа выполнена на кафедре химии в Институте математики, информатики и естественных наук государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования города Москвы «Московский городской педагогический университет».
Общие методы анализа ГОС в воде; использование хроматомасс-спектрометрии для количественного анализа
Для определения общего содержания продуктов дезинфекции может быть использована стандартная методика их адсорбции на активированном угле, сжигания и калориметрического определения. Некоторые закономерности процесса дезинфекции можно наблюдать с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Использование современного аналитического оборудования позволяет зафиксировать органические соединения, присутствующие в воде в очень малых концентрациях, но достаточные для неблагоприятного воздействия на здоровье человека [54].
Условная классификация идентифицированных соединений на летучие, полулетучие и нелетучие проводится в зависимости от используемых методов анализа.
Летучими продуктами дезинфекции считают моно-, ди-, три- и полигалогензамещенные производные метана, этана, этилена и ацетона, моно-, ди- и тригалогенпроизводные ацетонитрила и др. Процедура их выделения и концентрирования может проводиться различными методами. Поскольку пробы представляют собой многокомпонентные смеси, необходима стадия разделения с помощью газовой хроматографии (ГХ). Для детектирования чаще всего используются масс-спектрометрия (МС) [31, 43, 44, 54, 74, 75, 88, 89, 93] или электронозахватные детекторы (ЭЗД). В силу своей уникальной информативности и специфичности, масс-спектрометрическое детектирование является более надёжным и универсальным. Оно позволяет определять и качественный, и количественный составы образующихся многокомпонентных смесей [107-109].
Метод ГХ-МС позволяет успешно анализировать и так называемые полулетучие вещества [43, 44]. Их извлекают из воды экстракцией хлористым метиленом при различных значениях рН. Могут быть использованы и другие органические растворители, однако хлористый метилен рекомендуется в стандартных методиках как наиболее универсальный и удобный в применении. Использование внутренних стандартов и суррогатных смесей позволяет проводить количественный анализ продуктов реакции.
Авторы [31, 43, 44, 54, 74, 75, 88, 89, 93, 108] утверждают, что масс-спектрометрия, безусловно, является на сегодняшний день наиболее эффективным методом анализа органических соединений в объектах окружающей среды.
Можно выделить три основных типа ГХ-МС - исследований: 1) детектирование и количественное определение индивидуальных соединений (хлороформ, фенол, бенз[а]пирен, 2,3,7,8-тетрахлор-дибензодиоксин и т.д.); 2) детектирование и полуколичественное определение групп органических соединений (трихлорбифенилы, терпены, полибромдифениловые эфиры и т.д.); 3) идентификация и полуколичественная оценка всех органических соединений, присутствующих в пробе [44].
Поиск заданных соединений в пробах представляет наиболее простой и целенаправленный вид анализа. ГХ-МС позволяет использовать наряду с масс-спектральной информацией данные о временах удерживания соединений.
Времена удерживания (индексы Ковача) получают из экспериментальных хроматограмм, содержащих соответствующие пики веществ, идентифицированных с помощью масс-спектрометрии, и рассчитывают с помощью специальной программы.
Большой объём данных, накопленных в литературе по временам удерживания (индексам Ковача) и сопоставление этих параметров со строением абсорбируемых и адсорбируемых на хроматографических колонках органических веществ, позволяют получить дополнительные данные о содержащихся в анализируемой пробе соединениях.
Индекс Ковача в ГХ-МС не является основным параметром характеристики веществ. При ГХ-МС анализируются, прежде всего, масс-спектры веществ, которым соответствуют отдельные пики в полученных хроматограммах. Анализ при этом осуществляется с помощью специальной программы автоматически, при сопоставлении полученных экспериментальных данных с «библиотекой» данных и позволяет делать надёжные выводы о природе этих веществ.
Индекс Ковача подтверждает полученные с помощью интерпретации масс-спектров данные, являясь дополнительным параметром анализа. Тем не менее, времена удерживания являются очень важным подспорьем при идентификации некоторых анализируемых соединений (ПАУ, ПХБ), поскольку их масс-спектры могут оказаться практически идентичными [43, 44].
Совершенствование методов анализа позволило, например, исследовать закономерности образования галогенуксусных кислот. Они относятся к нелетучим органическим соединениям.
Сочетание данных ГХ-МС с данными газовой, жидкостной и ионной хроматографии позволяет определять в водах более трёхсот органических соединений.
Одной из важнейших проблем водопользования является изменение химического состава поверхностных источников питьевой воды под влиянием различных природных факторов [1, 3, 16, 17, 18, 20, 24-27, 49, 56, 71, 82, 83, 94]. Среди органических токсикантов (см. 1.1.1.) в последние годы особое внимание привлекают высокотоксичные азотсодержащие гетероциклы - цианотоксины, образующиеся в водоёмах в ходе их «цветения» сине-зелёными водорослями (цианобактериями), которые в результате быстрой утилизации неорганического азота (катионы аммония, нитрат- и нитрит-анионы) загрязняют водные экосистемы гетероциклическими цианотоксинами [5, 21, 29, 48, 72, 73, 76, 79, 80, 90, 92, 99].
Эти опасные для человека и водной биоты токсиканты превращают ранее широко использовавшиеся людьми резервуары воды в загрязнённые водоёмы, которые уже нельзя использовать ни в качестве источников для приготовления питьевой воды, ни для рыборазведения, ни в качестве рекреационных водоёмов.
Инновационным подходом, позволяющим значительно снизить уровень загрязнения водоёмов цианотоксинами, является коррекция альгоценоза этих водоёмов планктонными штаммами зелёной микроводоросли Chlorella vulgaris [16, 17, 57]. От других представителей фитопланктона она отличается возможностью жизнедеятельности в широком температурном интервале (от 2 до 40С), устойчивостью к шоковым реакциям (замораживание) и способностью развития в экстремальных условиях, например, в сточных водах коксохимических производств с содержанием фосфора 1 г/дм3. Утилизация хлореллой неорганических производных азота происходит настолько эффективно, что хлорелла не оставляет шансов для развития другим видам водорослей (в частности, сине-зелёным водорослям - цианобактериям). Это, учитывая токсичность и, соответственно, неприятные запахи образуемых сине-зелёными водорослями веществ, позитивно сказывается на качестве воды в природных водоёмах, используемых как для приготовления питьевой воды, так и в рекреационных целях (водные виды спорта, любительская рыбалка и т.п.).
Выращивание штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 и его доставка к объекту
Для эксперимента по исследованию влияния тяжёлых металлов на кардиоритмы моллюсков были выбраны следующие металлы: цинк (Zn), медь (Cu) и кадмий (Cd). Эксперимент проводился в несколько этапов: 1) Эксперимент на выявление реакции у моллюсков на наличие в воде разных концентраций ионов цинка и меди.
Описание: 12 моллюсков последовательно в одинаковых условиях помещались в стакан с чистой водой (1л) и после 10 минут покоя в стакан с моллюском добавлялся раствор соли исследуемого металла (ZnCl2, CuCl2) с определенной концентрацией по иону металла: 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60 ПДК (Табл. 2.1, концентрации металлов в г/л и мг/л) (один день – одна концентрация, т.е. на исследование одного металла уходило 7 дней). В растворе моллюск выдерживался не более 30 минут, если реакции не было, либо она была не ярко выражена. Если реакция наблюдалась, то моллюск выдерживался в растворе не более 20 минут. За это время фиксировалась информация об изменении частоты и интенсивности сердцебиения моллюска, а так же его физиологическая активность.
Посредством сравнения полученных данных с данными, зафиксированными перед добавлением соли металла в раствор, делались выводы о наличии реакции у моллюска на добавление раствора соли металла в воду и её продолжительности. Так же фиксировались данные о сердцебиении моллюска и временной интервал полного или частичного его восстановления после помещения моллюска в аквариум с чистой водой. Таблица 2.1.
Эксперименты с кадмием отличались от экспериментов, проводимых с медью и цинком в связи с определёнными выводами, сделанными в течение первых экспериментов. Они проводились в два этапа и были выстроены следующим образом:
Первый, предварительный этап проходил на группе из 12 моллюсков, которая была разделена на 3 группы по 4 особи в каждой.
Каждые 4 моллюска помещались в одну ёмкость с чистой водой, в которой находились на протяжении часа, после чего в данную воду к моллюскам приливался раствор соли кадмия (CdCl2). Так было проведено 3 эксперимента с тремя разными дозами кадмия (Табл. 2.2).
Для описываемых здесь экспериментов перечисленные в Таблице 2.2 концентрации кадмия выбраны исходя из анализа предыдущих экспериментов с металлами (Zn, Cu), проведёнными на первом этапе работы. Экспериментальные данные упомянутых опытов наглядно показали, что при наличии в воде ионов слабо-, средне- или сильнотоксичного металла с концентрацией, приблизительно равной ПДК, как правило, реакция у моллюсков не выявляется, а начиная с концентрации, в 10 раз превышающей ПДК, можно уже рассмотреть первые признаки аритмии. В экспериментах со слаботоксичным цинком и среднетоксичной медью более или менее выраженная реакция наблюдалась, начиная с концентраций металла, в 30 - 40 раз превышающих ПДК. В связи с тем, что кадмий является сильнотоксичным металлом (ПДК = 0,001 мг/л), было крайне затруднительным отбирать необходимые дозы, что побудило нас начать эксперименты с кадмием с концентрации 0,01 мг/л.
Важно заметить, что моллюски, на которых проводились данные эксперименты, практически все находились в малоактивном состоянии. Их кардиоритмы были слабыми и не считывались компьютером. Скорее всего, такое состояние моллюсков могло быть оправдано временем года, когда проводились эксперименты (октябрь - ноябрь) и так называемым явлением «сезонности» у моллюсков, характеризуемым периодами неактивности. Таким образом, часть моллюсков во всех экспериментах проявила крайне слабые изменения кардиоритмов, которые, для получения адекватных данных, можно было выявить только с помощью анализа всех кардиограмм «вручную».
Всего было проведено 3 эксперимента на каждой группе моллюсков. Концентрации 0,03 мг/л и 0,06 мг/л также были выбраны не случайно. На основании данных, полученных ранее в экспериментах с медью и цинком, о которых упоминалось выше, было установлено, что наиболее выраженная реакция моллюсков начинала появляться именно при концентрациях ионов металла, превышающих ПДК в 30 раз и выше, а максимальной из всех проведенных экспериментов была выбрана концентрация, эквивалентная 60 значениям ПДК. Как правило, ярко выраженная реакция у моллюсков проявлялась при действии металлов в этой концентрации.
Вслед за предварительным, был проведён второй этап исследования реакции моллюсков на ионы кадмия в воде с целью подтверждения данных, полученных во время предварительного этапа.
Так как предварительный этап носил характер пробного эксперимента, в котором подтвердилась правильность выбора рабочих концентраций кадмия, то второй этап представлял собой полноценный эксперимент, проведённый одновременно на всех 12 моллюсках с теми же выбранными концентрациями.
На втором этапе также было проведено три эксперимента. Эксперименты были проведены поэтапно, с группой из 12 моллюсков с концентрациями кадмия в 0,01 мг/л, 0,03 мг/л и 0,06 мг/л. Эти эксперименты были максимально приближены к реальным условиям и позволили в полной мере оценить разницу в реакциях у одних и тех же моллюсков на различные концентрации ионов токсичного металла в воде. 3) Помимо экспериментов с металлами был произведён контрольный опыт с чистой водой. Все моллюски также последовательно помещались в стакан и выдерживались в чистой воде 30 минут. Данный эксперимент показал, что примерно через 10 минут с момента помещения моллюсков в стакан они полностью успокаиваются после полученного стресса и их ритм восстанавливается до нормального состояния. Эти данные помогли сделать выводы, что изъятие моллюска из аквариума и перемещение его в другую ёмкость с той же самой водой не вызывает в дальнейшем у моллюсков никакой реакции помимо временного стресса полученного в момент самого перемещения. А значит, дополнительной реакции, которая может исказить картину изменения реакции моллюсков на наличие токсиканта в воде наблюдаться не будет. Поэтому подробный анализ данного этапа исследования в работе не проводится.
Сравнительный анализ состава природных вод из Москворецкого и Волжского источников
В результате анализа данных полученных после взаимодействия исследуемых проб воды с ВКГХН при разных количествах дозы реагента и времени контакта его с водой (Приложение 1) были сделаны следующие выводы: 1) количественные и качественные показатели соединений, образующихся за 3 минуты и за 2,5 часа контакта реагента с водой, кардинально отличаются друг от друга. Дезинфекция природной воды ГХН в существенно большие временные интервалы принципиально меняет состав образующихся ГОС, как по строению веществ, так и по их количествам, хотя основная часть соединений остаётся неизменной. Рост дозы ГХН ведёт к увеличению числа и количеств образующихся ГОС.
При увеличении времени контакта до 2,5 часов с максимальной дозой ГХН происходят в большей степени количественные, нежели качественные изменения. Соединения, обнаруженные в данной пробе, присутствуют в анализированных ранее пробах, но в сравнительно небольших количествах. Тем не менее, среди прочих следует выделить дибромхлорметан и иоддихлорметан, которые практически не образовывались при трёхминутном контакте, но были выявлены почти во всех пробах с контактом в 2,5 часа, а значит, для их образования нужен более длительный контакт воды с ГХН. В особенности хочется отметить иоддихлорметан. Появление в пробах с временем контакта воды с ГХН 2,5 часа бром- и йод-замещённых соединений, скорее всего, обусловлено наличием бромид- и йодид-ионов в исходной воде. Образование таких соединений при хлорировании природных вод с длительным временем контакта не является принципиально новым наблюдением и было отмечено ранее для процессов хлорирования различных природных вод [107-109].
Анализ проб, сделанных в более поздний период исследования (после прекращения паводка), показал, что в сравнительно чистой воде не происходит образования значительных количеств ГОС, даже при наибольшей дозе ГХН и времени контакта с ним.
Для наглядности изменений в зависимости от концентрации ГХН следует рассмотреть следующие данные, полученные в ходе исследования взаимодействия воды с ВКГХН и НКГХН в жёстких условиях (максимальная доза ГХН и максимальное время контакта). Прежде всего, рассмотрим хроматограмму на Рис.3.3, полученную при анализе пробы из Москворецкого источника с НКГХН.
В левой части хроматограммы наблюдается появление большого количества новых интенсивных пиков, а в правой её части - снижение интенсивности пиков, что говорит о появлении большого количества ГОС. Какие именно образуются вещества, и в каких количествах - можно увидеть в Табл.3.2. Таблица 3.2
Сравнивая Рис.3.3 и 3.5, а так же 3.4 и 3.6 можно прийти к выводу, что они достаточно похожи. Тем не менее, интенсивности пиков на Рис.3.3 и 3.4 распределены более равномерно, когда как на Рис. 3.5 и 3.6 увеличение интенсивностей пиков слева становится ещё более выраженным, и позволяет предположить, что количественные показатели соединений увеличатся. Результаты анализов данных проб, приведены в Табл.3.4 и 3.5, позволяют оценить многообразие образовавшихся ГОС. Таблица 3.4.
Рассматривая Табл.3.4 и сравнивая её с Табл.3.2, можно сказать, что картина кардинально не изменилась. Из Табл.3.4 видно закономерное увеличение количественных показателей по многим соединениям, которые в пробе дезинфицированной НКГХН были в количествах, не достигающих 0,3 мкг/л. Так же следует отметить появление в достаточно больших количествах Бромдихлорметана, 4-Бром-2-пентена и 2,3-Дихлор-2-метилбутана, ПДК которых пока не установлены.
Помимо прочего, нужно отметить, что ужесточение условий дезинфекции сильно влияет на состав и количество продуктов. Мы видим почти рекордные количества таких соединений как: Бромдихлорметан (2,97 мкг/л), Дихлорацетонитрил (1,65 мкг/л), 1,1-Диметил-3-хлорпропанол (3,72 мкг/л), 2,3-Дихлор-2-метилбутан (10,0 мкг/л), 4-Бром-2-пентен (1,66 мкг/л).
Рассмотривая экспериментальные данные, приведённые в Табл. 3.5, демонстрирующие состав ГОС в данной пробе, мы можем наблюдать появление таких свойственных для дезинфицированной воды из Волжского источника соединений как: дихлорнитрометан, дихлорацетонитрил, 1,1-диметил-3-хлорпропанол, 1,1-дихлор-2-пропанон и 1,1,2,2-тетрахлорэтан. Что касается количественного показателя, здесь он тоже возрос. Например, дихлорацетонитрил (1,1 мкг/л) и 1,1-диметил-3-хлорпропанол (12,85 мкг/л), а так же появились такие соединения, как бромдихлорметан (1,72мкг/л), тетрахлорэтилен (1,77мкг/л), 2,3-дихлор-2-метилбутан (1,27мкг/л), дихлорциклопентан (3,95мкг/л), 1,3-дихлор-3-метилбутан (0,91мкг/л), 3-хлор-2-метил-1-бутен (1,13мкг/л), 1,6-дихлоргексан (1,46мкг/л), 2-хлор-1-этил-1метилциклопропан (1,09 мкг/л) и дихлорметилпропаналь (1,69мкг/л).
Возвращаясь к данным приведённым в Табл.3.3, отображающей количественный и качественный состав побочных продуктов дезинфекции НКГХН (2,5 мг/мл,3 часа) Волжской воды, можно увидеть, что количественные показатели многих соединений в сравнении с данными полученными при дезинфекции ВКГХН гораздо ниже и не превышают 0,70 мкг/л, что свидетельствует о явном преимуществе раствора НКГХН перед раствором ВКГХН, ведущем себя более агрессивно и способствующем образованию сравнительно большего колическа ГОС даже в изначально относительно чистой воде. 3.1.3. Результаты дезинфекции вод из Москворецкого и Волжского источников ХВ
Что бы наглядно показать преимущества ГХН по сравнению с другими дезинфицирующими агентами следует рассмотреть следующие результаты, полученные при анализе проб воды, дезинфицированной ХВ.
Рассматривая Рис. 3.7 и Рис. 3.8, мы можем наблюдать очень большую интенсивность пиков в левой части хроматограмм воды из обоих водозаборов дезинфицированной ХВ, в сравнении с хроматограммами, отображающими итоги дезинфекции тех же вод ВКГХН и НКГХН.
Сравнивая Рис. 3.7 и Рис. 3.8, становится понятно, что после применения ХВ для дезинфекции воды из Волжского источника общая картина поменялась чуть менее кардинально, чем в случае с Москворецкой водой, где заметно появление большого количества новых пиков, свидетельствующих об образовании новых ГОС. Такое явление может быть объяснено тем фактом, что вода из водозабора Волжского источника, как уже говорилось ранее, чище и несколько отличается по составу от Москворецкой воды, чем и обусловлена разница между ними в состве образующихся ГОС.
Исследование влияния ионов тяжёлых металлов в воде на кардиоритмы моллюсков
Первый этап исследования (Приложение 7) продемонстрировал нам, что уже при превышении ПДК в 2 раза можно наблюдать непродолжительную и не ярко выраженную реакцию у моллюсков. Так, при добавлении дозы глифосата в 0,2 мг/л раствора реакции практически не наблюдалось и была отмечена лишь небольшая аритмия и увеличение ритма на 1 - 2 уд/мин, наступившие у обоих моллюсков на 2 мин после добавления дозы. После чего происходило восстановление ритма.
При добавлении в воду дозы в 0,5 мг/л раствора наблюдается не ярко выраженная реакция, а лишь небольшая аритмия и увеличение ритма на 1-2 уд/мин, наступившие у обоих моллюсков на 2 мин после добавления дозы, а также физиологическая активность сразу после добавления раствора в стакан с водой. Далее наблюдалось постепенное выравнивание ритма с небольшим учащением.
При добавлении в воду дозы в 1 мг/л раствора наблюдалась достаточно выраженная реакция, заключающаяся в учащении сердцебиения на 1-5 уд/мин, ярко выраженная аритмия и изменение амплитуды и интенсивности ударов.
При добавлении в воду дозы в 2 мг/л раствора наблюдалась достаточно яркая и устойчивая реакция, характеризующаяся увеличением частоты сердцебиения, изменения амплитуды ударов и их интенсивности, а так же аритмии и длительного времени восстановления (порядка 1-1,5 часов отмывки в чистой воде).
Исследования заключительного этапа были проведены со следующими концентрациями пестицида: 0,1 мг/л (ПДК) (Рис. 3.34) и 1 мг/л (превышение ПДК в 10 раз) (Рис. 3.35). Реакция на глифосат была видна уже при 0,1 мг/л (1 ПДК). В течение всего эксперимента наблюдалось как небольшое усиление, так и угнетение сердцебиения у различных моллюсков, а также у многих из них наблюдалось уменьшение амплитуды ударов сердца. При действии большей дозы глифосата у моллюсков начинается замедление кардиоритма. У некоторых моллюсков о 1
Актеллик из использованных нами пестицидов является наиболее токсичным препаратом, что понятно из сравнения значений ПДК для каждого из них. Данные экспериментов подтверждают это, т.к. уже при концентрации 0,01 мг/л, что соответствует ПДК по действующему веществу, видна ярко выраженная реакция, сопровождающаяся значительной физиологической активностью, серьёзными изменениями кардиоритмов (ускорение) и длительным временем восстановления моллюсков после перенесения их из экспериментальных растворов в чистую воду. При более высоких концентрациях общая картина становится ещё более ярко выраженной, а при самой высокой концентрации после сильного учащения ритма наблюдается тенденция к угнетению, что впоследствии подтвердилось в экспериментах с актелликом на 12 моллюсках на втором этапе исследования.
В экспериментах с концентрациями 0,01мг/л (ПДК) и 0,1 мг/л (10 ПДК) показано, что при меньшей концентрации наблюдается, как правило, учащение кардиоритма, а также увеличение (или уменьшение) его амплитуды. При более высокой концентрации происходит мгновенная реакция, заключающаяся в учащении кардиоритма, после чего в течении 2-3 минут наблюдается угнетение сердцебиения, как правило, заканчивающееся нечёткостью кардиоритма и уменьшением амплитуды.
Реакция моллюсков на протяжении всего эксперимента характеризовалась изменением сердцебиения, изменением амплитуды (при этом нельзя точно сказать, что более характерно для моллюсков во время реакции, увеличение или уменьшение амплитуды, т.к. каждый моллюск реагирует по-разному, хотя в конечном итоге это, как правило, уменьшение амплитуды за счёт увеличения числа зубцов сокращений сердца). Общим для всех моллюсков без исключения является кардинальное изменение кардиограммы, размытый ритм, который трудно считать из-за сильной аритмии, в ходе которой пики кардиограммы могут сливаться, раздваиваться и т.д., становится сложно определить, можно ли считать тот или иной пик за удар или нет, т.к. сокращаются интервалы между зубцами и амплитуды самих зубцов изменяются.
В среднем, можно сказать, что во время реакции у всех моллюсков наблюдалось ускорение сердцебиения примерно на 5-7 уд/мин. Такая реакция наступала практически сразу в течение 3-10 мин, в зависимости от устойчивости организма, и при длительном воздействии токсичного вещества она держится непродолжительное время (примерно через 15 минут воздействия наблюдается спад). Тем не менее, замедление кардиоритма в этом случае нельзя считать нормальным, т.к. кардиограмма к этому времени сильно изменяется и индексирование ударов становится невозможным.
При более высокой концентрации актеллика в воде происходит мгновенная реакция у моллюсков, заключающаяся в учащении ритма, после чего достаточно быстро, в течении 2-3 минут, начинается угнетение сердцебиения, как правило заканчивающееся полностью изменённым рисунком кардиограммы, характеризующимся размытостью и нечёткостью кардиоритма, и, как правило, уменьшением амплитуды и аритмией. У некоторых моллюсков, имеющих изначально достаточно высокое число ударов в минуту, замедление сердцебиения начинается практически сразу. У многих моллюсков при добавлении вещества в воду сразу же идентифицировалась яркая физическая активность. На Рис. 3.37 и Рис. 3.38 изображены диаграммы изменения частоты сердцебиения моллюсков в сравнении с исходными значенями при действии актеллика в концентрации 0,01 мг/л и 0,1 мг/л соответственно. А на Рис. 3.39 изображены линии тренда средних значений.