Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Общая характеристика нефтяных углеводородов и пути их трансформации в окружающей среде 14
1.1 Общая характеристика нефти 14
1.1.1. Токсичность нефти для окружающей среды 20
1.2 Пути трансформации нефтяных углеводородов в водных и почвенных экосистемах 22
1.3 Пау как представитель нефтяных углеводородов 27
1.3.1 Структура, физико-химические свойства и биологическая активность ПАУ 28
1.4 Влияние растворенных и иммобилизованных гуминовых веществ на формы существования нефтяных углеводородов в природных средах 32
1.5 гуминовые вещества в технологиях очистки нефтезагрязненных почвенных сред 42
Глава 2. Характеристика объектов исследования 51
2.1 Выбор и характеристика нефтяных образцов 51
2.2 Характеристика бактериального нефтеокисляющего препарата 60
2.3 Характеристика выборки гуминовых веществ 64
2.3.1 Состав выборки и характеристика выделенных из природных объектов гуминовых веществ 65
2.3.2 Состав выборки и характеристика модифицированных гуминовых веществ 76
2.3.3 Гуминово-глинистые комплексы 79
ГЛАВА 3. Исследование связывающей способности растворенных гуминовых веществ по отношению к пирену методом тушения флуоресценции 85
3.1 Определение констант связывания в предположении статического механизма тушения пирена 89
3.1.1 Определение оптимальных условий измерения констант связывания методом тушения флуоресценции 97
3.1.2 Исследование поведения кривых тушения флуоресценции пирена от объема и концентрации добавляемых гуминовых веществ 103
3.2 Оценка констант связывания с учетом вибронного спаривания электронных состояний пирена 115
3.2.1 Изучение полноты тушения флуоресценции связанного гуминовыми веществами пирена 118
3.3 Определение токсикологических констант связывания 130
Глава 4. Оптические свойства гуминовых веществ и их связь со структурой 139
4.1 Использование оптических свойств гуминовых веществ для характеристики их структуры 140
4.1.1 Взаимосвязь между структурными характеристиками и абсорбционными оптическими свойствами гуминовых веществ 140
4.1.2 Взаимосвязь между структурными характеристиками и флуоресцентными свойствами гуминовых веществ 147
4.2 Исследование абсорбционных свойств гуминовых веществ. взаимосвязь со структурой 151
4.3 Исследование флуоресцентных свойств гуминовых веществ. взаимосвязь со структурой 166
4.4 Оценка прогностической способности дескрипторов оптических свойств гуминовых веществ в отношении их связывающей способности пау 182
глава 5. Использование модифицированных гуминовых веществ как иммобилизующих агентов растворенных нефтяных углеводородов 187
5.1 Изучение связывающей способности модифицированных препаратов гуминовых веществ по отношению к пирену в гомогенной и гетерогенной фазе 188
Глава 6. Использование гуминово-минеральных комплексов для диспергирования пленки нефтяных углеводородов 195
6.1 Химическое диспергирование и токсичность диспергентов 195
6.2 Высокодисперсные твердые частицы в процессах самоочищения нефтезагрязненных водных сред 197
6.2.1 Стабилизирующая способность высокодисперсных твердых частиц 201
6.2.2 Влияние различных факторов на стабилизацию нефтяных эмульсий высокодисперсными частицами 203
6.3 Оценка перспективности использования гуминово-глинистых комплексов в качестве диспергаторов нефтяных эмульсий 208
6.3.1 Исследование гидрофобизации поверхности гуминово-глинистых комплексов 208
6.3.2 Исследование стабилизации нефтяных эмульсий в присутствии гуминово-глинистых комплексов 212
6.3.3 Оценка эффективности диспергирующей способности гуминово-глинистых комплексов 226
ГЛАВА 7. Использование гуминовых веществ для ускоренной биодеградации нефтяного загрязнения почв 230
7.1 Изучение стимулирующего действия гуминовых веществ на деградацию нефти бактериальным нефтеокисляющим препаратом в модельных системах 230
7.2 Изучение стимулирующего действия гуминовых веществ на деградацию нефти как аборигенной, так и специализированной микрофлорой в загрязненных нефтью почвах 234
7.3 Исследование детоксицирующих свойств гуминовых веществ по отношению к нефтяному загрязнению почв 252
7.4 Комбинированное применение бактериального нефтеокисляющего препарата и гуминовых веществ угля в условиях полевого эксперимента 256
7.4.1 Влияние гуминовых веществ на всхожесть семян 256
7.4.2 Комбинированное применение биопрепарата и гуминовых веществ угля 259
Заключение 264
Список литературы
- Структура, физико-химические свойства и биологическая активность ПАУ
- Состав выборки и характеристика выделенных из природных объектов гуминовых веществ
- Исследование поведения кривых тушения флуоресценции пирена от объема и концентрации добавляемых гуминовых веществ
- Исследование абсорбционных свойств гуминовых веществ. взаимосвязь со структурой
Введение к работе
Актуальность проблемы. Нефть и продукты ее переработки принадлежат к наиболее распространенному классу загрязняющих веществ почвенных и водных сред. Это связано с огромными объемами добычи и переработки нефти, сопряженных с большими экологическими рисками из-за опасности поступления нефти в объекты окружающей среды в результате аварий на буровых скважинах и средствах транспортировки нефти. При этом существующие методы ликвидации последствий загрязнения нефтью и нефтепродуктами, включающие применение комплекса механических, физико-химических и биологических способов очистки, не всегда отвечают требованиям экологической безопасности из-за угрозы вторичного загрязнения. Особенно актуальна эта проблема для России, основные нефтеносные районы которой расположены в зоне вечной мерзлоты и на Арктическом шельфе. Именно в данных регионах находятся наиболее уязвимые экосистемы с минимальным потенциалом самовосстановления из-за низких температур и наличия ледяного покрова, замедляющих процессы испарения и биодеградации нефти. В связи с этим весьма важным представляется поиск экологически безопасных методов ликвидации последствий нефтяного загрязнения, основанных на стимулировании и воспроизведении природных процессов самоочищения. К таким процессам относятся: связывание растворенных нефтяных углеводородов с природным органическим веществом в нетоксичные аддукты, естественное диспергирование пленок нефти под воздействием органоминеральных ультрадисперсных частиц, сорбция и деградация разливов нефти в почвенном слое. При этом ведущим фактором, определяющим эффективность указанных процессов, являются гуминовые вещества – активная матрица органического вещества почв, торфов и природных вод. Высокая реакционная способность гуминовых веществ по отношению к нефтяным углеводородам обеспечивается наличием гидрофобного ароматического каркаса в их структуре, что позволяет рассматривать гуминовые вещества в качестве природных детоксикантов, способных снижать экологическую нагрузку нефтяного загрязнения на окружающую среду. В связи с этим при диагностике состояния нефтезагрязненных сред необходимо учитывать интенсивность процессов самоочищения, обусловленных уровнем активности гуминовых веществ, присущих данным объектам. Не менее важной задачей является разработка экологически безопасных технологий восстановления нефтезагрязненных сред, основанных на широком применении гуминовых реагентов.
Стоит отметить, что систематические исследования, направленные на разработку научных основ применения гуминовых веществ в природоохранных технологиях, в настоящий момент отсутствуют. Существующие способы использования гуминовых реагентов в процессах очистки носят преимущественно эмпирический характер, так как
4 фундаментальные исследования структуры и свойств гуминовых веществ, как правило,
проходят в отрыве от технологических аспектов их применения. Поэтому особую
актуальность приобретает проведение систематических исследований, направленных на
разработку научных основ практического использования гуминовых веществ для
ликвидации последствий нефтяных разливов.
Степень разработанности темы исследования. Исследованию связывающих и детоксицирующих свойств гуминовых веществ (ГВ), разработке прогностических моделей структура-свойство по отношению к органическим загрязняющим веществам посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых Н.А. Куликовой, И.В. Перминовой, D.A. Backhus, S.Chen, H.J. Geyer, M.H.B. Hayes, A.-V. Jung, Y. Kim, M.U. .Kumke, D. Lee, Y-N. .Liang, D. Mackay, J.F. McCarthy, J.W. Molson, E.M. Murphy, K. Nakashima, M.A. Schlautman, M. Schnitzer, F.J. Stevenson, D.R. Van Stempvoort и др., которые показали, что ГВ определяют формы существования органических соединений в окружающей среде, снижая миграционную способность в окружающей среде и биодоступность для живых организмов. Несмотря на то, что способность ГВ снижать токсичность различных классов загрязняющих веществ многократно показана, существуют единичные работы, посвященные разработке технологических схем целенаправленного применения ГВ с учетом найденных закономерностей «структура-свойство». ГВ более широкое применение нашли в технологиях биорекультивации для детоксикации нефтезагрязненных грунтов и интесификации биоремедиации, что подтверждается многочисленными патентованными технологиями, регламентами, исследованиями российских ученых: Р.К. Андресона, П.Л. Ивасишина, В.В. Куми, М.А. Мокроусовой, К.К. Сатубалдина, А.И. Шульгина и др. Однако оценка эффективности технологий биорекультивации проводится, как правило, по показателям фитопродуктивности, результатам микробиологических и агрохимических исследований, динамики снижения содержания нефтепродуктов в почве, что приводит к достаточно противоречивым результатам по практическому применению ГВ. При этом предварительный структурный скрининг используемых гуминовых препаратов, с целью выявления максимально эффективных детоксицирующих агентов по отношению к тому или иному загрязняющему веществу, как правило, не проводится, хотя это способствовало бы более целенаправленному и эффективному применению гуминовых реагентов. Указанная ситуация определяет актуальность проведения систематических исследований, направленных на разработку научных основ практического использования гуминовых веществ, для ликвидации последствий нефтяных разливов.
Цель работы состояла в разработке научных основ применения гуминовых реагентов для ликвидации последствий нефтезагрязнения на основе систематических
5 исследований взаимодействия растворенных и иммобилизованных форм гуминовых
веществ с нефтяными углеводородами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
выбрать модельные нефтяные углеводороды, характеризующие различные типы нефтезагрязнения: растворенные нефтяные углеводороды, нефтяные пленки и нефтезагрязненные почвы;
создать выборку препаратов гуминовых веществ с широким разнообразием структуры и связывающих свойств в отношении нефтяных углеводородов, включающую природные, модифицированные гуминовые вещества и иммобилизованные на глинистых минералах;
изучить процессы взаимодействия растворенных гуминовых веществ с нефтяными углеводородами и оценить условия применения метода тушения флуоресценции для получения достоверных значений степени связывания;
изучить оптические свойства гуминовых веществ и оценить их прогностическую способность в отношении структуры и связывающей активности к нефтяным углеводородам;
оценить эффективность применения направленно модифицированных гуминовых препаратов для удаления растворенных нефтяных углеводородов;
изучить диспергирующую способность синтезированных гуминово-глинистых комплексов в отношении нефти различной плотности в пресных и соленых водах;
оценить эффективность использования гуминовых препаратов в процессах очистки нефтезагрязненных почв в качестве стимулирующих агентов нефтеразрушающей микрофлоры.
Научная новизна. Выполнено систематическое исследование взаимодействия растворенных и иммобилизованных форм гуминовых веществ с нефтяными углеводородами с целью разработки экологически безопасных гуминовых реагентов направленного действия. Выявлено наличие достоверных взаимосвязей между строением, оптическими свойствами гуминовых веществ и их эффективностью в составе гуминовых реагентов в отношении связывания, диспергирования и/или стимулирования деградации нефтяного загрязнения в соответствующих средах. Показано, что указанные закономерности могут быть использованы как для прогнозирования последствий нефтезагрязнения, с учетом влияния гуминовых веществ, так и для разработки реагентов гуминовых веществ направленного действия.
Впервые показана зависимость значений констант связывания определяемых с помощью метода тушения флуоресценции от шага титрования гуминовыми веществами. Определены условия получения «истинных» констант и рассчитаны их значения.
6 Предложен способ количественной оценки степени связывания пирена ГВ с учетом
неравноценности центров связывания в составе гуминовых реагентов.
Впервые предложено численное описание оптических свойств гуминовых
веществ, учитывающее неоднородность их хромофоров и флуорофоров, показателем
экспоненты спектра поглощения и коэффициентом асимметрии спектра флуоресценции
и показана их высокая прогностическая и диагностическая способность в отношении
связывания ГВ нефтяных углеводородов и применения для кластеризации ГВ по
степени гумификации.
Показана перспективность применения силанизированных гуминовых веществ с
повышенной сорбционной способностью на минеральной матрице для удаления
полиядерных ароматических углеводородов из растворов.
Впервые показана высокая стабилизирующая и диспергирующая способность
сорбционных гуминово-глинистых комплексов в отношении дисперсии нефти за счет
образования ими нефте-минеральных агрегатов.
Впервые систематически исследовано влияние гуминовых веществ на
биодеградацию нефти и установлена взаимосвязь между их стимулирующим действием
и солюбилизирующей способностью в отношении тяжелых углеводородов нефти.
Теоретическая и практическая значимость. Заложены научные основы
применения гуминовых препаратов для восстановления различных нефтезагрязненных
сред, которые могут быть использованы для выработки практических рекомендаций по
созданию новых технологических решений минимизации воздействия нефтяных
загрязнений на объекты окружающей среды на основе природных процессов
самоочищения.
Разработаны подходы для прогностических оценок качества природных сред
загрязненных нефтяными углеводородами с использованием рутинной аппаратуры, на
основе применения новых дескрипторов оптических свойств гуминовых веществ.
Научно обосновано, что при выборе препаратов гуминовых веществ для
восстановления нефтезагрязненных сред, следует отдавать предпочтение препаратам,
обогащенным ароматическими фрагментами, как например, гуминовым препаратам
угля.
Определены условия получения более достоверных оценок констант связывания
оптимизированным методом тушения флуоресценции с учетом неравномерности
распределения ГВ в объеме реагирования с полиядерными ароматическими
углеводородами и существованием неравноценных центров связывания в структуре
ГВ, что позволит проводить более достоверные оценки качества окружающей среды в
условиях нефтезагрязнения.
7 Показана перспективность использования гуминово-глинистых комплексов в
качестве стабилизаторов и природных диспергентов нефтяного загрязнения в пресных
и морских водах, применение которых не оказывает вторичного загрязнения водных
акваторий.
Показана перспективность применения производных гуминовых веществ с
повышенной сорбционной способностью на минеральной матрице как
иммобилизующих агентов нефтяных углеводородов с целью выведения их из водной
среды.
Показана перспективность направленного фракционирования гуминовых
веществ угля для повышения эффективности их использования в процессах
биодеградации почв, загрязеннных нефтью.
Методология и методы исследования. В основу методологического подхода было положено углубленное исследование процессов дезактивации нефтяных углеводородов гуминовыми веществами, лежащих в основе природных процессов самоочищения, с целью разработки гуминовых реагентов направленного действия для ликвидации последствий различных типов нефтяного загрязнения. Отличительной чертой указанных реагентов должно стать сочетание экологической безопасности и эффективности как следствие гармонизации технологических решений, направленных на минимизацию воздействия нефтяных загрязнений на объекты окружающей среды, с природными процессами самоочищения. При этом особое внимание в работе уделяли количественной взаимосвязи между строением, оптическими свойствами гуминовых веществ и их эффективностью в составе гуминовых реагентов в отношении связывания, диспергирования и/или стимулирования деградации нефтяного загрязнения в соответствующих средах. Для этой цели применяли методы современного структурного анализа, включая спектроскопию С13-ЯМР, спектрального анализа и биотестирования. Для изучения способности гуминово-глинистых комплексов стабилизировать эмульсии нефти в воде использовали методы спектрофотометрии и эпифлуоресцентной микроскопии. Для изучения стимулирующей активности гуминовых агентов в отношении бактерий-нефтедеструкторов использовали лабораторные и полевые эксперименты, воспроизводящие общепринятые технологические схемы био- и фиторемедиации нефтезегрязненных объектов.
Положения, выносимые на защиту. Общая методология направленного применения гуминовых реагентов для различных типов нефтяного загрязнения: растворенные формы, поверхностные пленки и почвы, загрязненные нефтью.
Методические подходы к количественной оценке связывания растворенных нефтяных углеводородов методом тушения флуоресценции, включая способы расчета дескрипторов оптических свойств.
8 Применение модифицированных гуминовых веществ с повышенным сродством к
минеральной матрице как иммобилизующих агентов растворенных нефтяных
углеводородов.
Применение гуминово-глинистых комплексов для диспергирования поверхностной пленки нефтяных углеводородов.
Применение фракционированных гуминовых веществ в процессах очистки нефтяного загрязнения почв.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях российского и международного уровня: I Всемирном конгрессе и XVIII Конференции Общества по токсикологии и химии окружающей среды (SETAC) (Лиссабон, 1993, Сан-Франциско, 1997); Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (Москва, 1994); VII, VIII, IX, XVI и XVIII Конференциях Международного гуминового общества (IHSS) (Тринидад и Тобаго, 1994; Вроцлав, Польша, 1996; Аделаида, Австралия, 1998; Хангзхоу, Китай, 2013; Каназава, Япония, 2016), VII Европейской конференции по спектроскопии биологических молекул (Мадрид, 1997), Международном симпозиуме IHSS “Гумусовые вещества в транспортных процессах” (Анахейм, США, 1997), XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 1998), на IX Конференции Европейского общества по токсикологии и химии окружающей среды (SETAC-Europe) (Лейпциг, 1999), на XVII Международном симпозиуме по полиядерным ароматическим углеводородам (ISPAC) (Бордо, 1999), 2-ом Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2003), Международном научно-практическом семинаре НАТО «Жизнеспособные методы мониторинга, защиты и восстановления почвенных и водных сред» (Краков, Польша, 2005) и «Использование гуматов для рекультивации загрязненных сред: от теории к практике» (Звенигород, 2002), 6-ой Научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса» (Москва, 2005), IV Международной встрече европейской ассоциации по дистанционному зондированию прибрежных зон (Крит, 2009), Международной конференции и выставке «Экологическая безопасность в газовой промышленности» (Москва, 2011), Второй и третьей международной конференции по гуминовым инновационным технологиям «Природные и синтетические наночастицы в технологиях очистки вод и почв» (Москва, 2012) и «Гуминовые вещества и другие биологически активные соединения в сельском хозяйстве» (Москва, 2014), XV Научно-практической конференции «Нефтегазовые горизонты» (Москва, 2013), Международном симпозиуме «Наноматериалы и окружающая среда» (Москва, 2013), IV Международной конференции по коллоидной химии и физико-химическим механизмам (Москва, 2013), X Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития
9 нефтегазового комплекса России» (Москва, 2014), Международной конференции
«Инвентаризация и восстановление нефтезагрязненных территорий» (Москва, 2015),
Международной научной школе молодых ученых "Физическое и математическое
моделирование процессов в геосредах" (2016).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 49 работ, включая 27 статей (их них 17 в журналах, рекомендованных экспертным советом ВАК), 1 патент и 21 тезис международных и всероссийских конференций.
Личный вклад соискателя в работы, выполненные им самостоятельно и при непосредственном его участии совместно с российскими коллегами, и включенные в диссертацию, состоял в формировании направления, активном участии на всех этапах исследования, постановке конкретных задач и их экспериментальном решении, интерпретации, обсуждении и обобщении полученных результатов.
Структура, физико-химические свойства и биологическая активность ПАУ
Нефтяные системы отличаются многообразием компонентов, способных находиться в молекулярном или дисперсном состоянии в зависимости от внешних условий. Среди них встречаются наиболее и наименее склонные составляющие к различным видам межмолекулярным взаимодействиям, что в итоге обусловливает ассоциативные явления и исходную дисперсность нефтяных систем при нормальных условиях.
Нефть представляет собой смесь нескольких тысяч индивидуальных веществ состава С1-С40. Из них большая часть жидкие углеводороды ( 500 или 80-90 масс.%) и гетереатомные органические соединения (4-5масс.%), преимущественно сернистые (около 250), азотистые ( 30) и кислородные (около 85), а также металлорганические соединения. Остальные компоненты – растворенные углеводородные газы (С1-С4 от десятых долей до 4 масс.%), вода (до 10 масс. %), минеральные соли (0,1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот, механические примеси песка, глины, известняка.
Всего в нефти обнаружено более 50 элементов [1]. Содержание основных элементов представлено на Рисунке 1.1. Следует отметить, что содержание различных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно [2].
В зависимости от строения молекул выделяют три класса углеводородов, входящих в состав нефти – парафиновые (CnH2n+2), нафтеновые (CnH2n) и ароматические (CnHn). Наряду с углеводородами в состав нефти входят смолистые вещества и органические соединения, содержащие примесные атомы. Рисунок 1.1 – Содержание основных элементов в нефти, (%) [1]
Парафиновые углеводороды в нефти могут быть представлены газами (СН4-С4Н10), жидкостями (С5Н16-С16Н34) и твердыми кристаллическими веществами (С17Н36 и т.д.). Общее содержание нафтеновых углеводородов в нефти изменяется в среднем от 35 до 70% и включают моно-, би- и полициклические соединения.
Ароматические углеводороды нефтей могут быть представлены как моноциклическими (бензол, толуол, ксилол), так и полициклическими (нафталин, антрацен) структурами. В нефти их содержится до 10 – 20 %, реже – до 35 %. Для ароматических углеводородов характерны хорошая растворимость, более высокие плотность и температура кипения. В нефтях идентифицированы также фенантрены, хризены, пирены, бензпирены, тетрафены [3]. Содержание одного из наиболее токсичных соединений – 3,4-бенз(а)пирена в нефтях колеблется от 250 до 8050 млрд-1.
Смолы и асфальтены относятся к высокомолекулярным компонентам нефти, определяя во многом ее физические свойства и химическую активность. Так, ввиду их поверхностно-активных свойств, они могут выступать природными стабилизаторами водонефтяных эмульсий. Содержание асфальтосмолистых веществ нефти может колебаться от 1 – 2 до 6 –40% [4]. Структурный состав смол и асфальтенов составляют высоко конденсированные полициклические ароматические структуры, состоящие из десятков колец, соединенных между собой гетероатомными структурами, содержащими серу, кислород, азот. Смолы – вязкие, мазеподобные вещества, не растворимые в бензине, с относительной молекулярной массой 500 – 1200. В ней содержится основное количество полярных соединений нефти. Асфальтены – твердые вещества, нерастворимые в низкомолекулярных углеводородах с массой 1200 – 3000.
Смолоасфальтеновые вещества можно рассматривать как концентрат соединений, наиболее склонных к межмолекулярным взаимодействиям. Межмолекулярные взаимодействия высокомолекулярных соединений могут приводить к образованию в нефти пространственных надмолекулярных структур, состоящих из множества макромолекул. Надмолекулярные структуры (10-4 – 10-9м) характеризуются большой молекулярной массой, наличием поверхности раздела фаз между ними и дисперсионной средой, высокой плотностью, малой летучестью и придают нефтяной системе специфические свойства. Надмолекулярные структуры, в зависимости от характера связей, подразделяются на ассоциаты: (1) в которых действуют физические силы Ван-дер-Ваальса, (2) которые могут самопроизвольно растворяться в дисперсионной среде вплоть до образования молекулярных растворов, и (3) в которых комплексы, с более прочными химическими связями, образуют необратимые дисперсные системы [5].
Ввиду того, что нефть содержит большое число различных органических веществ, она характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно 280C и реже, в случае тяжелых нефтей 1000C) и фракционным составом, который является важнейшим показателем качества нефти. Фракции, выкипающие при температуре до 3500С -отбирают при атмосферном давлении, при температуре выше 3500С – под вакуумом. Перечень основных фракций, входящих в состав нефти представлен в Таблице 1.1 [2].
Состав выборки и характеристика выделенных из природных объектов гуминовых веществ
В патентных работах 2530024, 2429068 РФ [128, 129] показана возможность применения растворимых гуминовых силанольных производных, полученных обработкой ГВ аминоорганосиланами в водной среде, в качестве реагентов для ПРБ. Такие водорастворимые силанизированные ГВ легко иммобилизуются на твердых носителях, содержащих гидроксильные группы, за счет образования силоксановых связей (в случае кремнийсодержащих субстратов типа кремнеземов, силикатов, алюмосиликатов и т.п.) и Si-O-M (где М - металл) связей в случае оксидов и гидроксидов металлов.
Согласно [125], иммобилизованные природные ГВ на поверхности почвенных частиц и водоносных горизонтах, способствуют снижению распространения загрязняющих веществ в окружающей среде. Однако присутствие растворенных гуминовых веществ может приводить к конкурирующим процессам связывания и увеличению подвижности загрязняющих веществ в почвенных и водных средах. По мнению авторов работы [62] иммобилизация или мобилизация загрязняющих веществ, при наличии ГВ, во многом определяется конкурирующими процессами их связывания, как с минеральной матрицей, так и с загрязняющими веществами. Отмечено, что в случае гидрофобных загрязняющих веществ (ПХБ, ПАУ), в отличие от тяжелых металлов, внесение растворенных ГВ во всех случаях способствовало снижению их мобильности. Причиной, видимо, может служить тот факт, что одни и те же параметры (размер, гидрофобность, содержание ароматических фрагментов) ответственны за сродство ГВ как к ПАУ, так и минеральной матрице. Следует отметить, что большинство исследований проводится в лабораторных условиях, что не позволяет в полной мере учитывать влияние природных факторов.
Применение ГВ в технологиях биорекультивации. Составляющими процессами биорекультивации с использованием ГВ может быть физико-химическое связывание токсикантов, а также антистрессорное действие ГВ, проявляющееся как в прямом стимулировании жизнедеятельности растений и микроорганизмов, так и в косвенном - за счет способности ГВ улучшать свойства почв, влиять на миграцию питательных веществ и др. [107]. Высокий инновационный потенциал применения гуминовых веществ в технологиях биорекультивации подтверждается многочисленными патентованными технологиями и регламентами [130-139]. Однако, несмотря на накопленный положительный опыт применения гуминовых препаратов, многие вопросы остаются нерешенными.
Широко известно, что на рынке существует огромное количество коммерческих продуктов на основе ГВ, полученных из органического сырья по промышленным технологиям для применения их в качестве органических удобрений, стимуляторов роста растений, восстановителей нарушенных почв и сорбентов токсичных загрязнений. При этом разнообразие источников сырья и технологических приемов получения гуминовых препаратов обуславливают высокую вариабельность их свойств [140-142]. Кроме того, наряду с гуминовыми препаратами высокого качества, на рынке предлагается и большое количество гуминоподобных продуктов, в которых нет того комплекса свойств, который позволяет природным ГВ оптимизировать свойства почв и влиять на процессы биодеградации нефтяного загрязнения. Однако, в большинстве случаев, авторами не проводится структурного скрининга используемых ГВ, с целью выявления максимально эффективных детоксицирующих агентов по отношению к тому или иному загрязняющему веществу, что способствовало бы более целенаправленному и эффективному применению гуминовых реагентов. Все это приводит к достаточно противоречивым результатам по практическому применению ГВ.
В работах [134, 138, 143, 144] сообщается об использовании гуминово-минеральных комплексов, полученных в результате низкотемпературной механохимической экстракцией из различных углей, для детоксикации и интенсификации биоремедиации нефтезагрязненных грунтов, а также обезвреживания буровых шламов, загрязненных тяжелыми металлами. В то же время, авторами [145] сообщается о противоречивых результатах, полученных при химическом определении эффективности детоксикации модельных буровых шламов гуминово-минеральным комплексом и гуминовыми кислотами бурого угля. Оценка эффективности технологий биорекультивации с использованием двух гуминовых препаратов бурого угля, проведенная по показателям фитопродуктивности, результатам микробиологических и агрохимических исследований, динамики снижения содержания нефтепродуктов в почве показала эффективность только одного гумата, в то время как другой, не проявил ожидаемых результатов [146]. Аналогичные результаты были получены в работе [147] при оценке эффективности четырех гуматов бурого угля. Авторами патента РФ 2205165 [132] сообщается о приоритетном использовании бурых углей с содержанием более 50% гуминовых кислот, считая на сухой бурый уголь, для получения высокоэффективных гуминовых сорбентов для детоксикации загрязненных земель.
Исследования, проведенные авторами [148] показали, что применение гуминовых препаратов бурого угля различных месторождений может оказывать различное действие на бактериальные препараты, которые достаточно селективны в отношении источника ГВ. Так, один из препаратов угля не оказывал токсического действия на тест культуру во всем диапазоне концентраций (5 – 100 мг/л), тогда как два других, не проявляли токсичности только при самом низком содержании их в системах. Гуматы, полученные из сапропеля и из лигносульфоната не были токсичны во всем диапазоне концентраций. Авторы связывают полученные результаты с особенностями фракционного состава ГВ различных источников. В частности, с повышенным содержанием кислоторастворимой фракции в препаратах из сапропеля и лигносульфоната. Кроме того, отмечено стимулирующее влияние гуминовых веществ на прорастание семян и рост корней высших растений только в области низких концентраций (10–2 – 10–4% мас.). При более высоких концентрациях -проявление ингибирующего эффекта. Мнения об эффективности использования ГВ в процессах биодеградации нефтяных углеводородах различных исследователей довольно противоречивы. Одни авторы сообщают об увеличении биодеградации нефтяных углеводородов в присутствии ГВ [65, 66, 149, 150], тогда как результаты других говорят об обратном эффекте [151-153]. Увеличение биодеградации в присутствии ГВ соотносят с повышением биодоступности связанных гуминовыми веществами углеводородов, возникновением более целенаправленного переноса комплексов ГВ-углеводород к клеткам бактерий и последующего высвобождением его вблизи микроорганизмов, а также стимулирующим эффектом органической матрицы на деятельность микроорганизмов [152, 154, 155]. Ингибирование биодеградации нефтяных углеводородов, в частности, в присутствии высоких доз ГВ, объясняют возрастанием токсичности ГВ или же малодоступности нефтяных углеводородов для микроорганизмов ввиду их сорбции ГВ [66, 150, 156]. Авторами работ [157, 158] на примере использования 25 различных филотипов бактерий показано, что биодеградация сорбированного коллоидными гуминовыми веществами ПАУ возможна лишь в случае использования «компетентных» бактерий, мотивированных взаимодействовать с ГВ таким путем, при котором обеспечивается прямой доступ к сорбированному углеводороду.
Исследование поведения кривых тушения флуоресценции пирена от объема и концентрации добавляемых гуминовых веществ
Наряду с ГВ из различных природных источников и модифицированных препаратов ГВ в нашей работе были использованы синтезированные гуминово 80 глинистые комплексы (ГГК) и проведены эксперименты по оценке возможного применения таких ГГК в качестве природных стабилизаторов эмульсий нефти в воде.
Известно, что присутствие взвешенного вещества в водной толще играет важнейшую роль в процессах самоочищения морских акваторий от нефтяных разливов, что связано с естественным диспергированием нефти за счет образования ассоциатов между капельками нефти и взвешенными частицами и их последующей миграции в донные слои за счет отрицательной плавучести ассоциатов. В отличие от коллоидных неорганических частиц, ГГК представляют собой поверхности с зонами различной гидрофобности, которые во многом определяются природой используемых гуминовых веществ. Такие ГГК способны прикрепляться к границе раздела фаз нефть-вода с различной полярностью. За счет сцепления гидрофильных участков они образуют структурно-механический барьер, предотвращающий коалесценцию капель нефти уже при 5-процентном покрытии поверхности частицами, что недостижимо при использовании химических ПАВ [183].
ГГК могут рассматриваться как аналоги почвенных частиц и донных отложений, образующих органоминеральный пул взвешенного вещества в водных экосистемах. Их применение для очистки нефтезагрязненных экосистем не несет опасности вторичного загрязнения и угрозы гибели водных организмов, в отличие от применения синтетических поверхностно-активных веществ.
В связи с тем, что гидрофобность ГВ является основным параметром, определяющим их сродство к нефтяным углеводородам, для исследований были выбраны глинистые комплексы, модифицированные ГВ различного происхождения, характеризующиеся различным сродством к нефтяному загрязнению.
Выбор в качестве минерала каолинита и монтмориллонита был обусловлен тем, что данные минералы являются представителями группы глинистых алюмосиликатов, различного минерального состава, составляющих значительную часть илистых и коллоидных фракций почв [53].
Главной особенностью монтмориллонита, которая обусловлена строением его кристаллической решётки, является способность к адсорбции различных ионов (в основном, катионов), а также к ионному обмену. Наличие изоморфных замещений, огромная удельная поверхность (до 600 - 800 м2/г) и лёгкость проникновения ионов в межпакетное пространство обеспечивают значительную ёмкость катионного обмена монтмориллонита (80 - 150 ммоль экв/100 г). По количественному содержанию главнейших окислов монтмориллониты характеризуются следующим нисходящим рядом: SiО2 А12О3 Fe2О3 MgO СаО Na2О. Удельная поверхность каолинита составляет 10 м2/г, при этом каолинит характеризуется приблизительно одинаковым химическим составом: Al2O3 39,5%, SiO2 46,5%, H2O 14% [184].
Иммобилизация ГВ на каолините и монтмориллоните, а также дальнейшая характеристика полученных ГГК была проведена научным сотрудником, к.б.н. В.А. Холодовым в лаборатории биологии и биохимии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева в соответствии с [185]. Суть метода заключалась в сорбции в равновесных условиях ГВ на глинистых минералах, а затем в многократной равновесной десорбции до получения прочно связанных с глинистыми минералами ГВ. В качестве минеральной подложки использовали насыщенный кальцием препарат каолинита Kaolin CF 70 (Caminauer Kaolinwerk GmbH, Германия) и монтмориллонита (бентонитовое месторождение, Хакассия, Россия) с размером частиц 2 m.
Комплексы ГВ с глинистыми минералами получали при концентрации ГВ 500 мг/л в случае каолинита и 4000 мг/л для монтмориллонита. При данных концентрациях, как показали адсорбционные изотермы, достигалось насыщение адсорбционных центров минералов. В качестве фонового электролита использовали хлорид кальция и отношение 1:20 каолинит:раствор и 1:40 монтмориллонит:раствор при рН=5,5. Количество сорбированных ГВ контролировали спектрофотометрически при длине волны 254 нм.
Десорбцию непрочно сорбированных ГВ с каолинита и монтмориллонита проводили на шейкере-ротаторе в течение 24 часов путем добавления раствора фонового электролита хлорида кальция к полученному осадку. Процедуру повторяли до окончания десорбции ГВ из комплексов. Наличие в супернатанте ГВ контролировали спектрофотометрически при длине волны 254 нм.
Полученные ГГК были охарактеризованы на предмет содержания органического углерода. Также была оценена гидрофобность комплексов по значению краевого угла смачивания поверхностей частиц каплей воды.
Органический углерод определяли на анализаторе АН-729. Определение краевого угла смачивания проводили методом статической капли, по адаптированной методике, описанной в работе [186, 187]. На предметные стекла для микроскопирования, либо на плотный, ровный картон, приклеивали полоски двусторонней клейкой ленты 0,52 см. На верхнюю клеевую поверхность наносили перетертые образцы, разравнивали, перекрывая весь слой клея, затем придавливали без большого усилия предметным стеклом, ссыпали излишки, вновь разравнивали и придавливали предметным стеклом. На подготовленные таким образом образцы в гониометре Kruss 300, оснащенным увеличивающей видеокамерой, измеряли угол смачивания на границе раздела воздух-вода методом статической капли. Макро видеосъемка процесса нанесения капли на образец позволяет оценивать ее форму после помещения на исследуемую поверхность практически в нулевой момент времени, что дает возможность пренебречь всасыванием и оценить угол смачивания близко и его истинному значению. Возрастание этого показателя соответствует возрастанию гидрофобности измеряемой поверхности.
Рабочие шифры, используемые в дальнейшем в тексте для обозначения ГГК, содержание органического углерода (OC) и краевой угол смачивания частиц ГГК приведены в Таблице 2.11. Из приведенных данных видно, что в частицах полученных ГГК существенно возрастает содержание органического углерода, достигая максимальных величин при использовании в качестве модификатора ГК бурого угля и чернозема. При этом для всех ГГК наблюдалось возрастание угла смачивания по сравнению с исходными минералами. Это указывает на частичную гидрофобизацию поверхности частиц, необходимую для их применения в качестве стабилизаторов. Максимальные значения угла смачивания зафиксированы для обоих стабилизаторов на основе монтмориллонита, что позволяет ожидать их большей эффективности по сравнению с каолинитовыми аналогами. При этом дополнительным преимуществом ГГК на основе монтмориллонита, модифицированного ГК бурого угля является большее содержание органического углерода.
Исследование абсорбционных свойств гуминовых веществ. взаимосвязь со структурой
При этом в качестве химических констант (кскет) использовали как ОС константы, полученные с помощью пошагового титрования растворов, «истинные» константы связывания (Кос), так и константы, определенные ранее (Klaser). Возможность применения данного критерия для сравнения двух средних обеспечивалась существенным различием стандартных отклонений KlZ и Kchem ОС ОС Данный факт позволил нам применить формулы параметрической статистики для расчета угловых коэффициентов зависимости KlZ от Kchem.
Высокие значения к соответствующих вышеприведенных зависимостей позволяют судить о хорошей сопоставимости химических и токсикологических констант. Это обстоятельство позволяет использовать линейную модель взаимосвязи между ними: Jtox=aKchem (3.33) ОС ОС где а - угловой коэффициент графиков соответствующих зависимостей.
Полученные данные подтверждают предположение о том, что образование нетоксичных комплексов пирен-ГВ является основным механизмом детоксикации ПАУ гуминовыми веществами. Однако, несмотря на хорошую корреляцию полученных токсикологических и химических констант, между ними наблюдалось систематическое различие. Рассчитанные угловые коэффициенты зависимостей (Рисунок 3.18) составили: 2,8 + 0,3 (+ доверительный интервал, P = 0,95, n = 26) для KlZ и Klaser и 7,4 + 1,6, (+ доверительный интервал, P = 0,95, n = 15) для К и Кос, соответственно. Это указывает на то, что К и Kchem статистически значимо различаются по ОС ОС абсолютной величине, что может быть обусловлено различными условиями проведения экспериментов, дополнительным снижением концентрации растворенного пирена при проведении токсикологических экспериментов, связанных с сорбцией пирена как на поверхности стеклянных стаканчиков, так и на образцах культуры D. magna, а также собственным стимулирующим воздействии самих ГВ на тест-объект.
Таким образом, для оценки токсичности среды, содержащей пирен в присутствии ГВ, необходимо учитывать оба эффекта. В качестве параметра, позволяющего производить такие оценки токсического действия ПАУ в водных средах, нами было предложено использование тест-отклика в присутствии ГВ в процентах от контроля (RPy+ГВ/R0). Токсическое действие пирена в присутствии ГВ было оценено с помощью следующего выражения, полученного путем преобразования (3.29):
Как видно из выше приведенного выражения, для оценки токсического эффекта пирена в присутствии ГВ необходимо знание как коэффициента D, являющегося функцией концентрации ГВ (СГВ) и Коt oс x , так и отклика тест-объекта в присутствии ГВ (RГВ) и ПАУ (RPy) при их определенном содержании в водной среде. Коэффициент D можно рассчитать с помощью уравнения (3.32). Исходя из полученных линейных зависимостей между Коt oс x и Koc chem , токсикологическую константу связывания пирена можно оценить с помощью уравнения (3.33). Отклики RПАУ и RГВ можно определить из соответствующих зависимостей «концентрация - токсический эффект». Однако, в случае RГВ необходимо построение таких зависимостей для каждого конкретного препарата. Как было показано в [61], отклик RГВ, в случае ГВ природных вод, во всем диапазоне используемых концентраций (1,5 - 25 мг С/л) практически постоянен и соответствует в среднем 110 % от контроля. Данное значение можно принять за постоянную величину и использовать для расчета RПАУ+ГВ/R0 по уравнению (3.34).
Нами ранее было показано [199], что максимальной прогностической силой по отношению к реакционной способности гуминовых веществ к ПАУ обладают дескрипторы ароматичности ГВ, определяемые из данных спектроскопии ЯМР С, а именно CAr-H,R, 2CAr, ЬCAr/ИCAlk. Результаты были получены для выборки гуминовых веществ, включающей 19 препаратов. Соответствующие значения коэффициентов корреляции Klaser и дескрипторов ароматичности, вне зависимости от состава выборки препаратов ГВ, составляли 0,87, 0,87, 0,90. Для косвенного параметра ароматичности - отношения Н/С, корреляционная взаимосвязь для выборки из 26 препаратов гуминовых веществ была более слабой. В то же время, как и в случае с С Я МР - дескрипторами, она характеризовалась высокой устойчивостью, несущественно изменяясь в зависимости от состава выборок препаратов (-0,67 г -0,98). Диапазон изменений значений г для косвенного параметра ароматичности s 280 был более широким: от 0,46 для 8 препаратов ГК почв и 0,52 для 26 препаратов ГВ до 0,98 для выборки ГВ из 5 препаратов. Наиболее чувствительным дескриптором к изменению состава выборки препаратов ГВ оказалась молекулярная масса. Корреляция между Klaser и молекулярной массой являлась значимой только для выборок из 8 препаратов торфяных ГВ, 5 ГВ различного происхождения и 8 ГК почв. Причем в двух первых случаях корреляция была прямая, а для ГК почв -обратная.
Дополнительным подтверждением вышесказанному могут служить результаты корреляционного анализа между константами связывания, рассчитанными с использованием лазерного спектрометра (Таблица 3.1) и комбинированными С ЯМР-дескрипторами ароматичности, полученными для 30 препаратов ГВ данной выборки (Таблица 3.7).