CC BY
142
УДК 662.73.012
ИССЛЕДОВАНИЕ БИОСТИМУЛИРУЮЩИХ И ДЕТОКСИЦИРУЮЩИХ СВОЙСТВ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ
© А.А. Иванов1, Н.В. Юдина1, Е. В. Мальцева1, Е.Я. Матис2
1 Институт химии нефти СО РАН, пр. Академический 3, Томск 634021 (Россия) E-mail: ivanov@ipc.tsc.ru
2Федеральный институт исследования и испытания материалов, Берлин (Германия) E-mail: dr.mathies@rambler.ru
Исследованы состав, биостимулирующие и детоксицирующие свойства гуминовых кислот механоактивированного торфа и коммерческого препарата гуминовых кислот бурых углей. Показано, что механохимическая активация торфа значительно увеличивает выход гуминовых кислот из торфа, которые обладают выраженными биостимулирующими свойствами. Максимальная ароматичность и высокая связывающая и детоксицирующая способность по отношению к нефти характерны для гуминовых кислот бурых углей и торфа, механоактивированного в присутствии щелочи.
Введение
Проблема детоксикации, очистки и восстановления свойств и плодородия почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, является наиболее важной и актуальной в деятельности нефтедобывающих, транспортирующих и нефтеперерабатывающих предприятий.
Именно нефть и нефтепродукты стали одними из самых распространенных экотоксикантов [1, 2]. Их особая опасность заключается в нарушении динамического равновесия в сложившихся экосистемах из-за изменения структуры почвенного покрова, биогеохимических свойств и функций почв и токсического действия на растения и почвенные микроорганизмы.
Ликвидация нефтяных загрязнений осуществляется засыпкой почвы песком, грунтом, выжиганием, вывозом почвы в отвалы. В современных технологиях рекультивации нефтезагрязненных почв наиболее широко используются процессы сорбции и биодеградации [2]. Альтернативным и, по нашему мнению, перспективным направлением рекультивации загрязненных земель, очистки почв от нефтяных загрязнений является использование методов деструкции и детоксикации нефти и ее компонентов гуминовыми препаратами из торфа или сорбентов на их основе. Изучение действия гуминовых препаратов торфа по отношению к нефти представляет большой практический интерес для поиска новых детоксицирующих агентов растительного происхождения, использование которых не сопряжено с опасностью вторичного загрязнения.
Гуминовые кислоты являются основными компонентами в торфе, определяющими его практическое значение [3, 4]. Эти вещества обладают физиологической активностью по отношению к растениям и некоторым штаммам микроорганизмов, что вызывает стимулирование аборигенной микрофлоры почв. Наличие гидрофобного каркаса в гуминовых веществах определяет их способность связывать нефтяные углеводороды [5, 6]. Этот процесс изменяет формы существования углеводородов в окружающей среде и снижает их токсичность.
Сами по себе, являясь высокомолекулярными полимерными соединениями, гуминовые кислоты не растворимы в воде и малоподвижны. Для их использования в различных целях необходимо максимально перевести гуминовые препараты в растворимое состояние, уменьшить молекулярную массу, повысить реакционную активность, т.е. частично деструктировать, что можно достичь различными физическими и химическими методами воздействия на органическое вещество, такими как механохимическая активация [7, 8].
* Автор, с которым следует вести переписку.
Целью данной работы являлось исследование биостимулирующих и детоксицирующих свойств гумино-вых кислот различного происхождения в условиях модельного нефтезагрязнения почвы.
Экспериментальная часть
В качестве объектов использовали гуминовые кислоты (ГК) верхового сфагнового торфа месторождения «Темное» Томской области с низкой степенью разложения (5%) и коммерческий препарат ГК бурых углей производства фирмы Aldrich (Германия).
Обычно для достижения полноты выделения целевых компонентов из растительного сырья применяют многократную обработку растворителями различной полярности. Недостатками традиционной экстракционной технологии являются: использование токсичных и пожароопасных органических растворителей, низкая степень извлечения, многократное повторение экстрагирования, и как следствие, повышение производственных затрат и загрязнение окружающей среды. Механохимические методы получения биологически активных веществ растительного происхождения основаны на твердофазном превращении этих веществ в растворимые формы путем механической обработки растительного сырья и специально подобранных реагентов [7, 8]. Использование предварительной механической активации (МА) позволяет достигать максимальной эффективности на стадии последующего экстрагирования. Ударно-сдвиговое воздействие сопровождается измельчением и разупорядочением структуры обрабатываемого материала. Последнее обстоятельство значительно облегчает выделение компонентов.
МА торфа осуществлялась в проточной виброцентробежной мельнице ВЦМ-10 (разработка Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск). В качестве воздействующих тел применяли стальные шары диаметром 10 мм. Ускорение шаров составляло 180 м/с2. Время пребывания обрабатываемых веществ в рабочей зоне - 2 мин. МА торфа проводилась с добавкой щелочи 3% NaOH.
Известно несколько методов выделения органических соединений из торфа и почвы, среди которых можно выделить методы Инсторфа, Драгунова, аммиачный метод [9, 10]. Однако при определении группового состава органического сырья использование концентрированных кислот, щелочей и нагревания приводит к значительным изменениям в структуре веществ. Это в первую очередь касается ГК, которые из-за жесткости методов выделения претерпевают глубокие структурные превращения. Поэтому выделение ГК из образцов торфа проводили по комплексной схеме, описанной в работе Г.Л. Стадникова для растительного сырья [11]. После экстракции водорастворимых компонентов (ВР) и битумов (СН3С1) из образцов торфа выделяли ГК (0,1 н №ОН и 10 % НС1).
Элементный состав образцов ГК исследовался на CHN-анализаторе «Carlo Erba Strumentazione» модель 1106 (Италия).
Фрагментый состав ГК анализировали методом ЯМР 13С-спектроскопии на радиоспектрометре фирмы Bruker (Германия), имеющем рабочую частоту по углероду 125 МГц, с использованием Фурье-преобразования с накоплением [12]. Время накопления изменялось от нескольких часов до суток. Исследуемые образцы ГК растворяли в 0,5 н дейтерированной щелочи. Систематическая погрешность количественного ЯМР-анализа является незначимой в соответствии с многочисленными литературными данными по анализу индивидуальных органических веществ. Для исключения ядерного эффекта Оверхаузера запись спектров ЯМР 13С проводилась с подавлением протонов в режиме INVGATE. В качестве внешнего стандарта использовали тетраметилсилан. Спектры снимали с задержкой 4 с между импульсами. Обработку спектров проводили с использованием программы WINNMR фирмы Bruker. Кроме регистрации спектров ЯМР осуществляли запись интеграла, что позволило определить относительное содержание магнитных ядер углерода, принадлежащих к той или иной группе атомов.
Для исследований использовалась нефть месторождения Тамсагбулаг (Монголия).
Для оценки детоксицирующих свойств гуминовых препаратов торфа проводили лабораторные вегетационные эксперименты с внесением гуматов. Исследовались растворы ГК в концентрации 0,5 г/л. В качестве модельного грунта использовали универсальную, однородную почву Einheitserde Werkveiband E 0 (Германия). Для создания модельного загрязнения вносили нефть в концентрации 1,5% мас. на почву определенной влажности. В качестве тест-объекта служила пшеница - проводили посев семян и осуществляли наблюдения за растениями. Повторность опыта 2-кратная. Длительность эксперимента составляла 20 дней при температуре 2327 °С с естественным освещением, ежедневным поливом водой или соответствующими растворами ГК. В качестве тест-откликов определяли всхожесть растений, длину и сухой вес надземной части растений.
Схема эксперимента:
Контроль 1: почва+нефть, без полива, без пшеницы, 1 сутки (К1: П+Н);
Контроль 2: почва+пшеница+полив водой (К2: П+Н2О);
Контроль 3: почва+пшеница+нефть+полив водой (П+Н+Н2О);
Почва+пшеница+полив ГК Aldrich (П+ГК1);
Почва+пшеница+полив ГК исходного торфа (П+ГК2);
Почва+пшеница+полив ГК торфа, механоактивированного без добавок (П+ГК3);
Почва+пшеница+полив ГК торфа, механоактивированного с 3% NaOH (П+ГК4);
Почва+пшеница+нефть+полив ГК Aldrich (П+Н+ГК1);
Почва+пшеница+ нефть+ полив ГК исходного торфа (П+Н+ГК2);
Почва+пшеница+ нефть+ полив ГК торфа, механоактивированного без добавок (П+Н+ГК3);
Почва+пшеница+ нефть+ полив ГК торфа, механоактивированного с 3% NaOH (П+Н+ГК4).
Результаты и обсуждение
МА в присутствии реагентов приводит к изменению выхода и качественных характеристик основных компонентов торфов. Известно, что МА торфа влияет на выход ГК, который зависит от типа устройства, среды обработки и вида торфа [7, 8, 14, 15]. Прирост выхода ГК возможен за счет деструкции трудногидролизуемых веществ. Для верхового торфа во всех случаях обработки по сравнению с исходным торфом повышается выход ГК (рис. 1). Наибольшее количество ГК выделено из торфа при МА с 3% NaOH.
Сведения об элементном составе вещества позволяют получить значительную информацию о строении соединений и их свойствах. Данные элементного анализа подтверждают различную природу ГК, а также осуществление деструкции в процессе механоактивации (табл. 1). Наибольшее количество углерода содержится в ГК торфа (47,8-49,1%). После обработки торфа с реагентами в ГК увеличилось значение отношения H/C, что свидетельствует о снижении вероятности протекания процессов, приводящих к образованию более конденсированных молекул.
По данным 13С ЯМР-спектроскопии, в соответствии с детальной расшифровкой в спектрах ГК отмечено отчетливое проявление алифатических и ароматических углеродных атомов, связанных с кислородом и представляющих разнообразные функциональные группы - гидроксильные, карбоксильные, фенольные, спиртовые, углеводные. Из данных таблицы 2 видно, что при механическом воздействии снизилось содержание карбонильных и карбоксильных групп и незначительно возросло количество ароматических атомов углерода, связанных с атомами кислорода. Содержание алкильных фрагментов в ГК механообработанных торфов увеличивается.
И сходный торф мех ано актив ацил гжханоакгивацияс 3
бездобавск %ИаОН
Рис. 1. Изменение ВЫХОДОВ гуминовых КИСЛОТ Образе!'
Таблица 1. Элементный состав гуминовых кислот
Образец ГК Содержание, % мас. на орг. вещество Атомное отношение
С Н N О H/C N/C O/C
Исходный торф 48,3 5,0 3,0 42,7 1,24 0,05 0,047
без реагента 49,1 5,3 3,2 41,4 1,30 0,06 0,049
3% NaOH 47,8 5,8 2,6 42,8 1,45 0,05 0,041
Aldrich 40,7 4,0 1,2 53,1 1,18 0,03 0,022
Таблица 2. Фрагментный состав гуминовых кислот (по данным 13С - ЯМР-спектроскопии)
Содержание атомов углерода в структурных фрагментах ( % отн.)
Образец ГК С=О 220...160 мд СарО 160.140 мд СарС,Н 140.113 мд С О, '-'алк4-'? Са,Р-О-4 107.54 мд С алк 54.0 мд /а, степень ароматичности
Исходный торф 17,8 13,2 15,9 26,8 26,3 28
Без добавок 15,3 14,6 16,7 25,9 27,5 29
3% NaOH 14,0 13,6 16,2 28,3 27,9 30
Aldrich 17,8 9,4 30,1 12,1 29,8 39
Показано (табл. 2), что для макромолекул ГК угля по сравнению с ГК торфа характерен максимальный вклад ароматических структур и алкильных заместителей и значительно ниже доля углеводных периферических фрагментов. В целом по содержанию ароматического углерода ГК можно расположить в следующий ряд: ГК Aldrich > ГК торфа, механоактивированного с 3% NaOH > ГК торфа, механоактивированного без добавок > ГК исходного торфа, который является отражением большей степени гумификации бурого угля по сравнению с торфом.
Нефть в зависимости от фракционного состава и количества может оказывать определенное токсическое действие на некоторые организмы. При концентрации свыше 2 г на 1 кг почвы происходит необратимое угнетение растений [2]. Содержание нефти в почве даже небольшой концентрации (0,15 %) снижает урожай зерновых культур. Так как изменение уровня токсичности нефтяного загрязнения в присутствии ГК может быть обусловлено их собственным воздействием на тест-объект - пшеницу, то одновременно с детоксицирующим эффектом оценивали и собственное влияние ГК на тест-объект - биостимулирующее действие. Полученные данные приведены на рисунках 2-4.
вода ПС 1 ГК 2 ГК 3 ГК 4
Варианты опьпа: почва+пшница+нефгь+полив. ..
Варшнгы опыта: почва+тимщ+тлив...
□ 2 сутки опыта 020 сутки опыга(кдаец опыта)
□ 2 сутки опыта И 20 сутки опыта
Рис. 2. Всхожесть растений пшеницы а) в почве без нефти, б) в почве с нефтью
Почва+пшашщ * П очва-тшешщ+нвфть „ „ ,
—Почва+ппЕница —■- Почва+пикница+нефть
Рис. 3. Длина надземной части растений пшеницы
Рис. 4. Сухая масса надземной части растений пшеницы
По результатам вегетационного опыта с почвой и нефтью установлено, что на исходной почве без нефти всхожесть в конце опыта составила 100% для всех вариантов полива (рис. 2а), а в контрольном варианте при поливе водой на почве загрязненной нефтью - 83,3% (рис. 2б). Максимальная всхожесть в последнем случае наблюдалась при поливе растворами ГК исходного торфа - 100% и ГК Aldrich - 96,7%.
Биостимулирующее и детоксицирующее действие растворов ГК проявилось в увеличении длины и сухой массы надземной части растений по сравнению с контролем (рис. 3, 4).
На почве с нефтью при поливе водой длина надземной части растений была значительно меньше, чем при поливе растворами с ГК и при поливе водой на почве без нефти. Наибольший стимулирующий эффект на растения по увеличению их длины и сухой массы на почве без нефти оказали препараты механоактиви-рованного торфа ГК3 и ГК4. В случае нефтезагрязненной почвы наибольший детоксицирующий и стимулирующий эффект проявили ГК Aldrich и ГК торфа, механоактивированного со щелочью.
Заключение
Установлено, что исследованные ГК проявляют биостимулирующие и детоксицирующие свойства в условиях нефтезагрязненной почвы. Наибольший эффект при этом оказали ГК бурых углей Aldrich и ГК торфа, механоактивированного в присутствии щелочи. Наличие ароматического каркаса обеспечивает способность ГК к связыванию органических соединений, поэтому по мере возрастания вклада ароматического каркаса в структуру ГК увеличивается их сродство к гидрофобным органическим соединениям. Максимальная ароматичность характерна для ГК Aldrich, что определяет их высокую связывающую и детоксицирующую способность по отношению к нефти.
Сопоставление и сравнение данных, определяемых из экспериментов по детоксикации нефти, позволяет говорить о возможности применения ГК в сорбционно-детоксикационных и биодеградационных технологиях. Очистка почвы от нефтяных загрязнений с использованием гуминовых препаратов будет способствовать экологическому оздоровлению нефтезагрязненных почв, обогащению их биологически активными веществами, стимулирующими процессы роста и развития растений, и позволит значительно сократить сроки реабилитации деградированных почв.
Список литературы
1. Королев В. А. Очистка грунтов от загрязнений. М., 2001. 365 с.
2. Аренс В.Ж., Саушкин А.З., Гридин О.М., Гридин А.О. Очистка окружающей среды от углеводородных загрязнений. М., 1999. 371 с.
3. Лиштван И.И, Базин Е.Т., Гамаюнов Н.И., Терентьев А.А. Физика и химия торфа. М., 1989. 304 с.
4. Раковский В.Е., Пигулевская Л.В. Химия и генезис торфа. М., 1978. 231 с.
5. Салим К.М. Использование гуминовых препаратов для детоксикации и биодеградации нефтяного загрязнения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2004. 25 с.
6. Гречищева Н.Ю. Взаимодействие гумусовых кислот с полиядерными ароматическими углеводородами: химические и токсикологические аспекты : автореф. дис. ... канд. хим. наук. М., 2000. 29 с.
7. Иванов А.А. Химические и структурные превращения органических компонентов торфов после механоактивации: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. Томск, 2005. 23 с.
8. Иванов А.А., Юдина Н.В., Ломовский О.И. Влияние механохимической активации на состав и свойства гуминовых кислот торфов // Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. №5. С. 73-77.
9. Король Н.Т., Лиштван И.И. Основные свойства торфа и методы их определения. Минск, 1975. 319 с.
10. Базин Е.Т., Копенкин В.Д. Технический анализ торфа. М., 1992. 472 с.
11. Стадников Г.Л. Химия торфа. 2-е изд. М., 1932. 68 с.
12. Калабин Г.А., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М., 2000. 407 с.
13. Богомолов А. И., Темянко М. Б., Хотынцева Л.И. Современные методы исследования нефтей. Л., 1984. С. 182-192.
14. Кашинская Т.Я., Гаврильчик А.П., Шевченко Н.В. и др. Механохимические превращения гуминовых веществ торфа // Химия твердоготоплива. 2003. №1. С. 21-29.
15. Кашинская Т.Я., Шевченко Н.В., Цынкалова Л.Ю. и др. Механохимические превращения гуминовых кислот торфа // Весщ АН Беларуси Сер. хiм. навук. 2001. №1. С. 89-92.
Поступило редакцию 9 февраля 2007 г.
После переработки 28 февраля 2007 г.
