CC BY
67
Химия растительного сырья. 2014. №4. С. 169-175.
DOI: 10.14258/jcprm.201404169
УДК 661. 183:676.082:676.083/.085
ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБАРИЛА, 1-НАФТОЛА, MOHO- И ДИХЛОРФЕНОЛОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ И ВОДОРОСЛЯХ CERATOPHYLLUM TANAITICUM ПОСЛЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫМИ ПОЛИМЕРАМИ
© А. С. Губин, Я.Р. Арустамов, П. Т. Суханов , Е.В. Чурилина, Ю.А. Сальникова, Е.С. Рябцева
Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр. Революции, 19, Воронеж, 394036 (Россия), e-mail: [email protected]
Разработан способ определения остаточных количеств карбарила и хлорфенолов в воде и водном растении (на примере роголистника донского Ceratophyllum tanaiticum). Изучена динамика аккумуляции и биодеградации карбарила, его метаболита и хлорфенолов в водоросли.
Ключевые слова: извлечение из водных сред, определение, карбарил, 1-нафтол, хлорфенолы, водорастворимые полимеры, биоконцентрирование, биодеградация, водоросли.
Введение
Проблема определения экотоксикантов в природных водных средах на уровне ПДК, более низких, следовых концентраций сегодня и в ближайшее будущее будет оставаться актуальной [1]. При установлении нанесенного вреда окружающей среде достаточно сложно доказать наличие остаточных количеств загрязнителя, поскольку биологические среды и естественные природные воды химически весьма активны, обитающая в воде биота способна накапливать и трансформировать загрязнения. С применением большинства аттестованных методик определяют загрязняющие вещества с допустимой погрешностью на уровне 0,5-1,0 ПДК. Важной задачей является не только установить on line содержание микроколичеств веществ, но и изучить динамику изменения концентрации веществ, их метаболитов в водной среде во времени. По количеству метаболита и остаточным количествам токсиканта можно установить, сколько прошло времени с момента загрязнения.
В качестве объектов исследования выбраны карбарил и хлорфенолы. Карбарил - пестицид, быстро разрушающийся в биосредах с образованием 1-нафтола, метиламина и углекислого газа [2]. По изменению концентрации 1-нафтола можно судить о применении карбарила в сельском хозяйстве.
Моно- и дихлорфенолы являются метаболитами многочисленных представителей хлорорганических пестицидов, например, широко применяемой в сельском хозяйстве 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты.
Карбарил, нафтолы и хлорфенолы проявляют эффект биоконцентрирования и биомагнификации. Они
способны передаваться по пищевой цепи, увеличивая свою концентрацию на каждом трофическом уровне [5]. Биологические системы часто характеризуются толерантностью к экотоксикантам, многие живые организмы и водные растения могут выдерживать многократно превышающие ПДК пестицидов и их метаболитов без видимых признаков функциональных и морфологических отклонений. Это свойство можно использовать для концентрирования (с целью дальнейшего определения) и для биологической очистки (если происходит биодеградация) [6].
* Автор, с которым следует вести переписку.
Губин Александр Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии органического синтеза и высокомолекулярных соединений АрустамовЯнис Рудольфович - выпускник кафедры технологии бродильных и сахаристых производств Суханов Павел Тихонович - проректор по учебной работе, профессор кафедры физической и аналитической химии, e-mail: [email protected] Чурилина Елена Васильевна - кандидат химических наук, доцент кафедры химии и химической технологии органических соединений и переработки полимеров Сальникова Юлия Александровна - студентка Рябцева Екатерина Сергеевна - студентка
Таблица 1. ПДК карбарила, 1-нафтола и хлорфенолов (мг/л) в водах [3, 4]
Вода Карбарил 1-нафтол 2-хлорфенол 2,4-дихлорфенол
Питьевая 0,02 0,1 0,001 0,002
Природная 0,0005 0,01 0,0001 0,0001
Изучение таких процессов относится к новому направлению науки - метаболомике [7].
В качестве объекта исследования для изучения аккумуляции и биодеградации карбарила и хлорфенолов в биоте выбран донской роголистник (СегайрИуПиш 1апаШсиш). Все виды роголистника служат пищей для рыб и водоплавающих птиц, в том числе домашних. В культуре роголистник используют как аквариумное растение, а также как водное растение в садовых прудах. Он также является удобным объектом для изучения процессов биодеградации загрязняющих веществ, самоочищения водоемов и передачи токсикантов по пищевым цепям.
Остаточные концентрации пестицидов и их метаболитов находятся на уровне микроконцентраций, поэтому для их надежного определения необходимо применение концентрирования. Водорастворимые полимеры на основе МТ-виниламидов применены для экстракции природных (антоцианы) и синтетических фенолов, а также для получения концентратов в-каротина [8-10].
В работе изучено распределение карбарила, 1-нафтола, 2-хлорфенола и 2,4-дихлорфенола (аналиты) между водорастворимыми полимерами на основе МТ-виниламидов и водно-солевыми растворами, выбраны условия их концентрирования из водных сред, разработан способ определения в гидробиоте.
Экспериментальная часть
Для приготовления растворов карбарила (КЛ) использовали ГСО (7709-99), для 2,4- дихлорфенола и 2-хлорфенола - соответственно ГСО (7198-95) и СОП (0202-03).
Препарат 1-нафтола (1-НФ) очищали сублимацией по известной методике и идентифицировали по температуре плавления или молекулярным коэффициентам поглощения [11].
Для высаливания применяли коммерческий препарат (х.ч.) сульфат аммония, дважды перекристали-зованный из бидистиллированной воды.
Для концентрирования аналитов применяли водорастворимые полимеры на основе МТ-винил-пирролидона (ПВП) и МТ-винилкапролактама (ПВК) с молекулярной массой Мщ = 1104, полученные по известным методикам [8, 9] на кафедре ВМС и коллоидов Воронежского государственного университета.
В качестве биологического объекта исследования выбран роголистник (чистая культура СегайрИуИиш 1апаШсиш, предоставленная океанариумом Воронежа «Океанариум 81аг&МШ (Сити-парк «Град»)).
Для установления характеристик распределения аналитов в термостатируемые сосуды с пришлифованными пробками помещали 5 см3 водного раствора карбарила, 1-нафтола, 2- или 2,4-дихлорфенола с концентрациями, от 0,001 до 0,005 мг/дм3 и известным значением рН. Добавляли 1 см3 1%мас. раствора полимера и кристаллический сульфат аммония до насыщения. Полученный раствор разбавляли насыщенным водным раствором сульфата аммония до 10 см3. Экстрагировали на вибросмесителе до достижения межфазового равновесия (3-5 мин). Концентрат отделяли фильтрованием через пористый стеклянный фильтр с диаметром пор 8-10 мкм. Фильтр с полимером помещали в сушильный шкаф и сушили при 1 = 50 °С до полного удаления воды. По разнице масс фильтра до и после фильтрования находили массу полимера. По результатам пятикратных измерений установлена масса полимерной фазы (0,0100 ± 0001 г, Р = 0,95), которую учитывали при расчете экстракционных характеристик систем.
Фотометрическое определение аналитов в концентрате (предварительно разбавляли в 1 мл воды) и водном растворе после его отделения проводили по реакции с 4-аминоантипирином в присутствии аммонийного буферного раствора (рН 9,2) и персульфата аммония (окислитель) [12]. Оптическую плотность растворов измеряли на спектрофотометре 8Ыша^и ИУ 1240 (Япония) в кварцевых кюветах при Хшах= 540 нм (1-нафтол), Хшах = 490 нм (карбарил, 2-хлорфенол, 2,4-дихлорфенол). Молярные коэффициенты поглощения (л моль-1 см-1) для карбарила, 1-нафтола, 2-хлорфенола и 2,4-дихлорфенола соответственно равны 19150, 18200, 12500 и 10050.
Степени извлечения (Я, %), коэффициенты распределения (Б, см3/г) и коэффициенты концентрирования (К) при Я = 95-99% рассчитывали по уравнениям:
С — С
Я .100
л = • V
(100 - Я) т
К = твод / торг,
где с0 и с - концентрации определяемого соединения в водном растворе до и после экстракции соответственно, ммоль/см3; V- объем водного раствора, см3; твод и торг - массы водной и органической фаз соответственно, г.
Для определения объектов анализа в роголистнике готовили серию модельных растворов с концентрациями 0,001; 0,002; 0,004; 0,01 мг/дм3 объемом 1 дм3, помещали в них водное растение (роголистник), обеспечивали необходимый для вегетации тепловой режим и освещение. Для изучения процесса биодеградации через 24, 48, 72-168 определяли аналиты в водном растворе и в навеске биологического объекта.
С0
Обсуждениерезультатов
Первоначально устанавливали чувствительность роголистника к карбарилу, хлорфенолу и 2,4-ди-хлорфенолу. При воздействии на растение карбарила и хлорфенолов на уровне ПДК, 5 ПДК, 10 ПДК, 25 ПДК не отмечено каких-либо изменений при экспозиции продолжительностью 1 месяц. Концентрации на уровне 50 ПДК для карбарила приводят к заметному снижению цветения воды к концу периода экспозиции, потемнению или пожелтению побегов, существенному замедлению или отсутствию роста; хлорфено-лы частично замедляют рост (сравнение с контрольной пробой в отсутствие токсиканта). Концентрации на уровне 75 ПДК вызывают в 50% случаев гибель растения на 8-11-е сутки, концентрация на уровне 100 ПДК вызывает гибель растения на 2-3 -и сутки.
Изучено влияние рН на эффективность извлечения аналитов из водного раствора водорастворимыми полимерами. При рН < 5 карбарил подвергается деструкции до 1-нафтола [2], поэтому его распределение изучали при рН 5 [13]. Максимальная степень извлечения 2-хлорфенола (рКа = 8,48) достигается при рН 3 (рис. 1). Уменьшение степени извлечения при рН < 3 объясняется конкурирующей экстракцией кислоты полимером. Введение второго атома хлора в молекулу хлорфенола приводит к повышению кислотных свойств. Максимальная степень извлечения 2,4-дихлорфенола (рКа = 7,85) полимерами достигается при рН 5. Все изученные соединения - органические кислоты, характеризуются константами кислотной диссоциации Ка < 10-5, извлекаются из водных растворов в молекулярной форме при рН 3-7 [14].
Независимо от природы полимера извлечение КЛ всегда менее эффективно, чем 1НФ; а 2,4-ди-хлорфенола чем 2-хлорфенола. При распределении карбарила это объясняется тем, что в молекуле пестицида образование водородородной связи происходит МИ-группой, а в молекуле 1НФ - ОН-группой (кислород более электроотрицателен, чем азот; взаимодействие с полимером метаболита приоритетней, чем пестицида). Распределение хлорфенолов обусловлено сочетанием двух факторов: их растворимостью в воде и сродством к гидрофильному полимеру. Извлечение монозамещенного хлорфенола осуществляется полнее, чем дизамещенного: экстракция, вероятно, в первую очередь определяется сродством монозамещенного к фазе полимера и в меньшей степени растворимостью в воде (для дихлорфенола - наоборот).
100 г
Рис. 1. Зависимость степени извлечения 2-хлорфенола от рИ раствора в системе ПВК - сульфат аммония
В системах с ПВК для всех распределяемых соединений коэффициенты распределения всегда выше, чем в системах с ПВП (табл. 2); это объясняется более выгодной пространственной конформационной структурой ПВК по сравнению с ПВП и, следовательно, большей доступностью активных групп [15]. Эти данные коррелируют с результатами, полученным для других фенольных соединений в аналогичных системах [8, 9].
На основании исследований выбран наиболее эффективный полимер (ПВК) и разработан способ концентрирования КЛ, 1-НФ, 2-ХФ и 2,4-ДХФ, который применен для определения этих соединений в биологических объектах. Наиболее эффективные системы (табл. 3) позволяют извлекать 95% и более компонентов и достигать коэффициентов концентрирования 400 и более.
Определение поглощенных роголистником аналитов проводили по следующей методике. От зарослей роголистника отрывали стебель, промывали дистиллированной водой и высушивали при комнатной температуре. Навеску высушенного растения массой 0,2000 г переносили в ступку, добавляли мелкоиз-мельченный кварцевый песок и растирали 10-15 мин, к полученному порошку добавляли 10 см3 воды. Песок отделяли фильтрованием через стеклянный фильтр. Фильтрат подкисляли НС1 до рН 3 (при необходимости), добавляли 1 мл расчетного количество раствора ПВК (табл. 3) и кристаллический сульфат аммония до насыщения. Перемешивали на вибросмесителе до достижения межфазового равновесия (3-5 мин). Органическую фазу отделяли и разбавляли в 1 мл воды, проводили фотометрическое определение по реакции с 4-аминоантипирином на спектрофотометре Shimadzu при определенных длинах волн для каждого анали-та. Рассчитывали содержание загрязнителей в роголистнике в мг/кг.
Для оценки эффективности концентрирования токсикантов растением рассчитывали коэффициент биоконцентрирования (Вс!} [4]:
Вс1" = Ср/Св,
где Ср и Св - содержание карбарила, 1-нафтола или хлорфенолов в биологическом объекте и в воде, мг/кг, плотность воды принята 1,0 г/см3).
Концентрация карбарила в роголистнике быстро возрастает в течение первых суток, достигая максимума в течение 24 ч (рис. 2). В дальнейшем концентрация КЛ постепенно снижается в результате биодеградации ферментными системами растения с образованием 1-нафтола, по количеству которого можно судить о содержании исходного пестицида.
Содержание хлорфенолов постепенно увеличивается в течение первых семи суток, при этом биодеградация практически не происходит. На 8-е сутки начинается процесс деструкции, при этом роголистник достаточно устойчив к хлорфенолам, их накопление не вызывает нарушения жизнедеятельности (рис. 3). Содержание карбарила в водном растворе быстро снижается, и после 48-часовой экспозиции он не обнаруживается, расчет коэффициентов биоконцентрирования роголистником для всех токсикантов проводили после 24 часовой экспозиции (табл. 4).
Таблица 2. Извлечение объектов анализа водорастворимыми полимерами на основе МТ-виниламидов из водных растворов (V = 10 см3, т^ = 0,010 г, т^ = 0,008 г), п = 3; Р = 0,95
Полимер Вещество Я, % Б, см3/г
1-НФ 51 1040±100
ПВП 2-ХФ 69 2230 ± 220
2,4-ДХФ 40 670 ± 70
КЛ 44 780 ± 80
1-НФ 63 2130±210
ПВК 2-ХФ 82 5700 ± 570
2,4-ДХФ 50 1250±120
КЛ 55 1530±150
Таблица 3. Концентрирование карбарила, 1-нафтола и хлорфенолов водорастворимым полимером на основе ВК (^ = 10 мл) п = 3; Р = 0,95
Вещество рн тс Я, % К
1-НФ 5 0,02 97 500
2-ХФ 3 0,016 98 625
2,4-ДХФ 5 0,025 95 400
КЛ 5 0,025 95 400
Токсикант Bcf
КЛ 85
2-ХФ 10
2,4-ДХФ 15
Рис. 2. Динамика изменения концентрации Рис. 3. Динамика накопления 2-хлорфенола
карбарила в роголистнике в роголистнике
Для всех систем загрязнитель - биологи- Таблица 4. Коэффициенты биоконцентрирования ческий объект значения Bcf > 10, что свидетель- карбарила и хлорфенолов роголистником
ствует о накоплении экотоксиканта, возможности его передачи по пищевым цепям и влиянии на состояние экосистемы [6]. Коэффициент биоконцентрирования в отношении органических веществ для водорослей редко составляет более 60-80 [16, 17]. Как видно из таблицы 4, Bcf для карбарила превышает это значение, что обусловлено большим сродством токсиканта к биосорбентам по отношению к аналогичным органическим соединениям. При этом для карбарила характерна наибольшая способность к аккумуляции в водорослях и цианобактериях по сравнению с остальными карбаматными пестицидами [18].
Выводы
Разработан способ определения остаточных количеств пестицида и метаболитов в водных растворах. Изучена динамика биодеградации карбарила и хлорфенолов в водных растворах и биоте. Установлены коэффициенты биоконцентрирования загрязнителей роголистником.
Список литературы
1.
Soriano J., Jimenez B., Font G., Molty J. Analysis of carbamate pesticides and their metabolites in water by solid phase extraction and liquid chromatography // Critical Reviews in Analytical Chemistry. 2001. Vol. 31. Pp. 19-52. Venkateswarlu K., Chendrayan K., Sethunathan N. Persistence and Biodegradation of Carbaryl in Soils // N. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 1981. N26. Pp. 548-553.
СанПиН 4630-88. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения.
СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем
питьевого водоснабжения.
Akerlund R. Bioaccumulation and Biomagnifications of hydrophobic persistent compounds as exemplified by hexa-chlorobenzene // Chemicals in the aquatic emiroment. 1989. Pp. 128-149. Филенко О.Ф., Михеева И.В. Основы водной токсикологии. М., 2007. 144 с.
Hardy N.W., Hall R.D.. Plant Metabolomics. Methods and Protocols // Methods in molecular biology. 2012. Vol. 860. Pp. 340-347.
Чурилина E.B., Суханов П.Т., Коренман Я.И., Ильин А.Н., Шаталов Г.В., Болотов В.М. Коэффициенты распределения фенола и его замещенных в системе сульфат аммония - поли-Ы-винилпирролидон - вода // Журнал физической химии. 2011. Т. 85. N4. С. 644-648.
Чурилина Е.В., Суханов П.Т., Шаталов Г.В., Коренман Я.И., Ильин А.Н., Болотов В.М. Извлечение нитрофе-нолов из водных растворов полимерами на основе N-винилкапролактама и N-винилазолов // В мире научных открытий. 2010. №1-4. С. 99-104.
Чурилина Е.В., Коренман Я.И., Суханов П.Т., Болотов В.М., Шаталов Г.В. Извлечение натуральных красите -лейгидрофильными полимерами // Химиярастительного сырья. 2010. №2. С. 153-158.
11. Gorman R.P., Sejnowski T.J. Analysis of hidden units in a layered network trained to classify sonar targets // Neural Networks.1988. Vol. 1. N1. Pp. 75-89.
12. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М., 1984. 448 с.
13. Арустамов Я.Р., Суханов П.Т., Губин А.С., Перегудов Ю.С., Чурилина Е.В., Шаталов Г.В., Королева Е.В. Сорбция карбарила и нафтолов полимерами на основе N-виниламидов из водных растворов // Журнал прикладной химии. 2013. Т. 86. №8. С. 1319.
14. Коренман И.М. Экстракция в анализе органических веществ. М., 1977. 200 с.
15. Кирш Ю.Э. nonH-N-BHHHnnHpponHflOH и другие поли-Ы-виниламиды. М., 1998. 252 с.
16. Geyer H., Politzki G., Freitag D. Prediction of ecotoxicological behaviour of chemicals: Relationship between n-octanol/water partition coefficient andbioaccumulation of organic chemicals by alga Chlorella // Chemosphere. 1984. Vol. 13. N2. Pp. 269-284.
17. Geyer H., Viswanathan R., Freitag D., Korte F. Relationship between water solubility of organic chemicals and their bioaccumulation by the alga Chlorella // Chemosphere. 1981. Vol. 10. N11-12. Pp. 1307-1313.
18. Jianyi Ma, Ninghai Lu, Wendi Qin, Ruifu Xu, Yunbing Wang, Xining Chen Differential responses of eight cyano-bacterial and green algal species, to carbamate insecticides // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2006. Vol. 63, N2. Pp. 268-274.
Поступило в редакцию 10 декабря 2013 г. После переработки 30 мая 2014 г.
Gubin A.S., Arustamov Ya.R., Suhanov P.T. , Churilina E.V., Sal'nikova Yu.A., Rjabceva E.S. EXTRACTION-PHOTOMETRIC DETERMINATION OF 1 -NAPHTOL, MONO- AND DICHLOROPHENOLS IN WATERS AND ALGAE CERATOPHYLLUM TANAITICUM
Voronezh State University of Engineering Technology, pr. Revolyucii, 19, Voronezh, 394036 (Russia), e-mail: [email protected]
The new method of trace amounts determinationof carbaryl and chlorophenols in water solutions and water plants was investigated. The accumulation dynamics and biodegradation rate of carbaryl of carbaryl and chlorophenol in algae was studied. Keywords: carbaryl, 1-naphtol, chlorophenols, bioaccumulation, water soluble polymers, algae
References
1. Soriano J., Jimenez B., Font G., Molty J. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 2001, vol. 31, pp. 19-52.
2. Venkateswarlu K., Chendrayan K. Sethunathan N. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 1981, no. 26, pp. 548-553.
3. SanPiN 4630-88. Sanitarnye pravila i normy ohrany poverhnostnyh vod ot zagrjaznenija. [SanPiN 4630-88. Sanitary rules and norms for the protection of surface waters from pollution]. (in Russ.).
4. SanPiN 2.1.4.1074-01. Pit'evaja voda. Gigienicheskie trebovanija k kachestvu vody centralizovannyh sistem pit'evogo vodosnabzhenija. [SanPiN 2.1.4.1074-01. Drinking water Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems]. (in Russ.).
5. Akerlund R. Chemicals in the aquatic emiroment, 1989, pp. 128-149.
6. Filenko O.F., Miheeva I.V. Osnovy vodnoj toksikologii. [Fundamentals of aquatic toxicology]. Moscow, 2007, 144 p. (in Russ.).
7. Hardy N.W., Hall R.D. Methods in molecular biology, 2012, vol. 860. pp. 340-347.
8. Churilina E.V., Suhanov P.T., Korenman Ja.I., Il'in A.N., Shatalov G.V., Bolotov V.M. Zhurnal fizicheskoj himii, 2011, vol. 85, no. 4, pp. 644-648. (in Russ.).
9. Churilina E.V., Suhanov P.T., Shatalov G.V., Korenman Ja.I., Il'in A.N., Bolotov V.M. V mire nauchnyh otkrytij, 2010. no. 1-4. pp. 99-104. (in Russ.).
10. Churilina E.V., Korenman Ja.I., Suhanov P.T., Bolotov V.M., Shatalov G.V. Himija rastitel'nogo syr'ja, 2010, no. 2, pp. 153-158. (in Russ.).
11. Gorman, R.P., Sejnowski T.J. Neural Networks, 1988, vol. 1, no. 1, pp. 75-89.
12. Lur'e Ju.Ju. Analiticheskaja himija promyshlennyh stochnyh vod. [Analytical chemistry of industrial waste water]. Moscow, 1984, 448 p. (in Russ.).
13. Arustamov Ja.R., Suhanov P.T., Gubin A.S., Peregudov Ju.S., Churilina E.V., Shatalov G.V., Koroleva E.V. Zhurnal prikladnojhimii, 2013, vol. 86, no. 8, p. 1319. (in Russ.).
14. Korenman I.M. Jekstrakcija v analize organicheskih veshhestv. [Extraction of the organic substances in the analysis]. Moscow, 1977, 200 p. (in Russ.).
15. Kirsh Ju.Je. Poli-N-vinilpirrolidon i drugie poli-N-vinilamidy. [Poly-N-vinylpyrrolidone, and other poly-N-vinylamides]. Moscow, 1998, 252 p. (in Russ.).
16. Geyer H., Politzki G., Freitag D. Chemosphere, 1984, vol. 13, no. 2, pp. 269-284.
17. Geyer H., Viswanathan R., Freitag D., Korte F. Chemosphere, 1981, vol. 10, no. 11-12, pp. 1307-1313.
18. Jianyi Ma, Ninghai Lu, Wendi Qin, Ruifu Xu, Yunbing Wang, Xining Chen. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2006, vol. 63, no. 2, pp. 268-274.
Received December 10, 2013 Revised May 30, 2014
* Corresponding author.
