CC BY
15
Раздел
02.00.10 Биоорганическая химия
УДК 628.163/.163.067
DOI: 10.17122/bcj-2019-1-100-104
В. В. Грунюшкина (магистрант), Г. Г. Ягафарова (д.т.н., проф., зав. каф.), С. В. Леонтьева (к.т.н, доц.), Д. И. Ягафарова (магистрант), А. Р. Гильманова (студ.)
ИЗУЧЕНИЕ БИОАККУМУЛЯЦИИ 2,4-ДИХЛОРФЕНОЛА РАСТЕНИЯМИ PISTIA STRATIOTES
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра прикладной экологии 450062, Уфа, ул. Космонавтов 1; e-mail: [email protected]
V. V. Grunyushkina, G. G. Yagafarova, S. V. Leont'eva, D. I. Yagafarova, A. R. Gil'manova
RESEARCH OF THE BIOACCUMULATION OF 2,4-DICHLOROPHENOL BY PLANTS PISTIA STRATIOTES
Ufa State Petroleum Technological University, 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia, e-mail: [email protected]
Рассмотрен процесс очистки сточных вод от хлорфенольных соединений путем биоаккумуляции. В качестве объекта исследования использованы плавающие травянистые растения Р1зИа зЬтаНоЬвз. Хроматографическим анализом и методом хромато-масс-спектрометрии было установлено отсутствие 2,4-дихлорфенола в растениях, что может быть связано с процессом биотрансформации хлорорганических соединений. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения таких растений для очистки и доочистки сточных вод промышленных предприятий от хлорфеноль-ных соединений.
Ключевые слова: биоаккумуляция; 2,4-ди-хлорфенол; растение ПзНа зЬтаНоЬвз; хрома-тографический метод; хромато-масс-спектро-метрия; экстракция.
Одной из наиболее актуальных экологических проблем является утилизация особо токсичных отходов, а именно хлорфенолов, применяющихся в органическом синтезе, для получения красителей и гербицидов
2,4-дихлорфенол относится к одним из исходных продуктов для получения гербицидов на основе 2,4-дихлорфеноксиалкилкарбо-новых кислот, а также их производных, которые применяются для уничтожения сорной растительности в посевах технических и зерновых культур. Значение ПДК 2,4-дихлорфено-ла для рыбохозяйственных водоемов составляет 0.002 мг/л 2.
Попадая в водоемы даже в особо малых количествах, 2,4-дихлорфенол, помимо токсических эффектов на живые объекты экосистем, зна-
Дата поступления 24.01.19
The process of wastewater purification from chlorophenolic compounds by bioaccumulation is considered. As an object of study used floating herb Pistia stratiotes. Chromatographic analysis and chromatography-mass spectrometry have established the absence of 2,4-dichlorophenol in plants, which may be due to the biotransformation of organochlorine compounds. The results indicate the promising application of plants for the purification of industrial wastewater from chlorophenolic compounds.
Key words: bioaccumulation; chromatographic method; chromatography-mass spectrometry; 2,4-dichlorophenol; extraction; plant Pistia stratiotes.
чительно ухудшает органолептические качества воды и делает ее непригодной для питья 3'4.
Целью данной работы является исследование биоаккумуляции 2,4-дихлорфенола при помощи травянистых плавающих растений Р1$Иа $ЬтаИоЬв$.
Материалы и методы исследования
Пистия (Р1$Иа $ЬтаИоЬв$) представляет собой плавающее растение с укороченным стеблем, несущим серо-зеленые листья, образующие розетку, и множество перистых плавающих корней. Короткие сероватые волоски защищают листья от намокания, выполняя роль водоотталкивающей ткани. В природе может достигать 10—20 см в длину и 10 см в ширину. Экстракты растений Р1$Иа з1таИо1вз состоят
из различных алкалоидов, гликозидов, флаво-ноидов и фитостеролов. Листья и стебли состоят из 92.9% Н20, 1.4% белка, 0.3% жиров, 2.6% углеводов и 1.9% минералов (в основном калия и фосфора) 5. Хорошо растет при температурах между 22 и 30 оС. Однако растения все же могут развиваться и при температуре до 10 оС. Известно, что Р1$Иа $1таИо1вз способна аккумулировать такие тяжелые металлы, как Бе, 2п, Си, Сг и Сё, а также некоторые токсичные вещества 6. Накопление тяжелых металлов не оказывает токсического воздействия на Р1$Иа $ЬтаИоЬв$, поэтому его квалифицируют как растение, перспективное для использования при фиторемедиации сточных вод от тяжелых металлов в больших масштабах 7.
Для изучения процесса биоаккумуляции 2,4-дихлорфенола зелеными растениями были поставлены серии модельных опытов с загрязненной водой, количество 2,4-дихлорфенола в которой составляло 2 мг/л (1000 ПДК). Исследование проводили в лабораторных условиях при комнатной температуре с естественным дневным освещением. В подготовленный в химическом стакане емкостью 1000 мл раствор погружали исследуемое растение Р1$Иа з1таИо1вз в количестве 1, 2 и 5 г/л. Контролем являлась загрязненная 2,4-дихлорфенолом вода без внесения растений.
0б эффективности биоаккумуляции судили по остаточному количеству 2,4-дихлорфенола в воде, определяемому методом ГЖХ, после 3, 6, 24 ч культивирования в ней растений в стандартных условиях: +25 °С, 760 мм рт.ст.
Для проведения количественного анализа содержания 2,4-дихлорфенола в воде была отработана методика пробоподготовки и хроматог-рафического анализа. Подготовка проб включала в себя жидкостную экстракцию последовательно гексаном (2 раза) и хлористым метиленом (1 раз), осушку полученного экстракта прокаленным Ка2Б04, фильтрование через стекловату и концентрирование — упаривание.
Количественный анализ — расчет содержания загрязнителя — производился методом
о
внутреннего стандарта :
С = ^г • Кг • Мсп , Ш0, % мас.
Япп * Мп ' где Бг — площадь пика г-го компонента;
Бст — площадь пика внутреннего стандарта;
Кг — относительный поправочный коэффициент г-го компонента;
Мст — масса добавленного внутреннего стандарта;
Мп — масса пробы анализируемой смеси.
В качестве внутреннего стандарта использовали тетрадекан.
Анализы проводились на хроматографе РЕШСНИОМ с кварцевой капиллярной колонкой длиной 60 м и диаметром 0.25 мм толщина пленки 0.10 мкм; фаза — ЭБ-5; температура термостата: начальная изотерма 50 оС, в течение 1 мин, подъем температуры до 50—300 оС со скоростью 15 оС/мин, конец изотермы 300 оС в течение 20 мин; режим ввода пробы — 8рНИ/ 8рНШе8; газ носитель — азот, деление потока 1:60; объем вводимой пробы — 1—5 мкл.
Извлечение продуктов биоаккумуляции из растений проводили по следующей методике. Растения извлекали из воды, загрязненной 2,4-дихлорфенолом и высушивали до сухого состояния при комнатной температуре. Навеску в 6 г высушенного растения переносили в ступку и измельчали до порошкового состояния. Далее навеска исследовалась в 3 этапа:
1. Экстракция гексаном сухих растений в аппарате Сокслета;
2. Разгонка растворителя;
3. Адсорбция оставшихся после пп. 1 и 2 примесей в жидком экстракте на силикагеле.
Контролем служила искусственная смесь 2,4-дихлорфенола и тетрадекана в концентрациях 30 нг/мкл каждого. Полученные упаренные экстракты анализировали методом ГХ и на хро-мато-масс-спектрометре. Анализ методом ГХ-МС проводили на хроматографе «Кристалл»; кварцевая капиллярная колонка 30 м; фаза — ЭБ-5; нагрев термостата от 80 оС до 300 оС со скоростью 20 оС/мин; газ-носитель — гелий; масс-спектрометр «Хромотек»; режим газа-носителя постоянный поток — гелий; длительность анализа — 20 мин; тип ионизации — электронная ионизация; диапазон сканирования — 30—450.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 приведен график изменения остаточной концентрации 2,4-дихлорфенола в модельных растворах в зависимости от массы растения (1, 2, 5 г) и времени контакта (3, 6, 24 ч) с загрязнителем. Очевидно, что с увеличением массы и времени контакта растений в растворе, остаточная концентрация 2,4-ди-хлорфенола снижается.
В результате эксперимента было установлено, что для достижения значений ПДК количество растений Р1$Иа з1таИо1вз должно составлять не менее 5 г/л, а время контакта — не менее 24 ч при начальной концентрации 2,4-дихлорфенола не более 2 мг/л.
2
1,8
1,6
i 1,4
<u 1,2
s
на 1
& 0,8
1 0,6
0 0,4
0,2
0
• 1 г Pistia 2 г Pistia - 5 г Pistia ■контроль
10 15
Время контакта, ч
--□
.......а
20 25
Рис. 1. Влияние времени контакта растений на содержание 2,4-дихлорфенола в воде.
Хроматограммы экстрактов из модельных растворов с дистиллированной водой и 2,4-дихлорфенолом, обработанных с использованием растений и без них, после 24 ч эксперимента приведены на рис. 2 и 3. Результаты эксперимента свидетельствуют, что после контакта с растениями Pistia stratiotes содержание 2,4-дихлорфенола в растворе снижается.
11,07 г,4-ди*/10рфенол
Авторы предположили возможность поглощения 2,4-дихлорфенола растениями.
Хроматограммы и хромато-масс-спектры экстрактов из воды с остаточным содержанием 2,4-дихлорфенола и из растения после выдержки в модельном растворе с 2,4-дихлорфенолом представлены на рис. 4, 5. Из результатов видно, что хлорорганические соединения в экстракте из растении отсутствуют. Присутствуют изопарафины и нормальные парафины, а также небольшое количество алкил-бензолов. Скорее всего, этому способствует богатая ферментативная система растений Pistia stratiotes, которая может осуществлять биоразложение хлорорганических соединений.
Таким образом, травянистое растение Pistia stratiotes в перспективе может использоваться при очистке и доочистке сточных вод промышленных предприятий от токсичных органических соединений, в том числе хлорфе-нольных.
av-j sib^j г
13,55 ста ид эрг
Рис 2. Хроматограмма е з модельного раствора не обработанного Pistia stratiotes.
11,07 2г4-дихлорфенол
GV.t Ч 5 FRSlOOS^ial 2
13,55 стандарт
Рис. 3 Хроматограмма экстракта из модельного раствора, обработанного Pistia stratiotes, с остаточным содержанием 2,4-дихлорфенола.
0
5
Рис. 4. Хроматограмма и хромато-масс-спектр экстракта из раствора, обработанного растениями Р1вИа с остаточным содержанием 2,4-дихлорфенола
Рис. 5. Хроматограмма и хромато-масс-спектр экстракта из растений РгэНа stratiotes
Литература
1. Гущин А.А., Шулык В.Я., Гусев Г.И., Извекова Т.В. Деструкция 2,4-дихлорфенола, растворенного в воде, в плазме диэлектрического барьерного разряда // Успехи в химии и химической технологии.- 2014.- Т.28, №4.- С.23-26.
2. Майстренко В.Н., Клюев Н.А. Эколого-анали-тический мониторинг стойких органических загрязнителей.- М.: Бином, 2012.- 322 с.
3. Ягафарова Г.Г., Валиахметова Ю.А., Леонтьева С.В., Сафаров А.Х. Очистка водных объектов от экотоксикантов.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2018.- 266 с.
4. Ягафарова Г.Г., Леонтьева С.В., Сафаров А.Х. Микробная трансформация экотоксикантов.-Уфа: Изд-во УГНТУ, 2015.- 254 с.
5. Tulika T., Mala A. Pharmaceutical potential of aquatic plant Pistia stratiotes (L.) and Eichhornia crassipes // Journal of Plant Science.- 2015.- V.3, №1.- Pp.10-18.
6. Сорокина Г.А., Злобина Е.В., Бондарева Л.Г., Субботин М.А.Оценка возможности использования пистии телорезовидной (Pistia stratiotes) и ряски малой (Lemnaminor) для фиторемедиа-ции водной среды// Вестник КрасГАУ.-2013.- №11.- С.182-186.
7. Mishra V.K., Tripathi B.D. Concurrent removal and accumulation of heavy metals by the three aquatic macrophytes // Bioresour Technol.-2008.- №99.- Pp.709-712.
8. Царев Н.И., Царев В.И., Катраков И.Б. Практическая газовая хроматография.- Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2000.- 156 с.
References
1. Gushchin A.A., Shulyk V.Ya., Gusev G.I., Izvekova T.V. Destruktsiya 2,4-dikhlorfenola, rastvorennogo v vode, v plazme dielektriches-kogo bar' er no go razryada [The destruction of 2,4-dichlorphenol dissolved in water in the plasma of the dielectric barrier discharge]. Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii [Advances in chemistry and chemical technology], 2014, vol.28, no.4, pp.23-26.
2. Maistrenko V.N., Kliuev N.A. Ekologo-anali-ticheskii monitoring stoikikh organicheskikh zagryaznitelei [Ecological and analytical monitoring of persistent organic pollutants]. Moscow, Binom Publ., 2012, 322 p.
3. Yagafarova G.G., Valiakhmetova Ya.A. Leont'eva S.V., Safarov A.Kh. Ochistka vodnykh obyektov ot ekotoksikantov [Cleaning waterobjects from ecotoxicants]. Ufa, UGNTU Publ., 2018, 266 p.
4. Yagafarova G.G., Leont'eva S.V., Safarov A.Kh. Mikrobnaya transformatsiya ekotoksikantov [Microbial transformation of ecotoxicants]. Ufa, UGNTU Publ., 2015, 254 p.
5. Tulika T., Mala A. [Pharmaceutical potential of aquatic plant Pistia stratiotes (L.) and Eichhornia crassipes]. Journal of Plant Science, 2015, vol.3, no. 1, pp.10-18.
6. Sorokina G.A., Zlobina E.V., Bondareva L.G., Subbotin M.A. Otsenka vozmozhnosti ispol'zo-vaniya pistii telorezovidnoi (Pistia stratiotes) i riaski maloi (Lemna minor) dlya fitoremediatsii vodnoi sredy [Evaluation of the possibility of using tele-cutting pistia (Pistia stratiotes) and small duckweed (Lemna minor) for the phytoremediation of the aquatic environment]. Vestnik KrasGAU, 2013, no.11, pp.182-186.
7 . Mishra V.K., Tripathi B.D. [Concurrent removal
and accumulation of heavy metals by the three aquatic macrophytes]. Bioresour Technol., 2008, vol.99, pp.709-712.
8 . Tsarev N.I., Tsarev V.I., Katrakov I.B.
Prakticheskaya gazovaya khromatografiya [Practical gas chromatography]. Barnaul, Alt. unta Publ., 2000, 156 p.
