Обсуждение результатов

Исключительная роль воды в жизни человека и всего живого на Земле обусловливает большое и постоянно возрастающее внимание к экологическому состоянию водных объектов. Особое внимание уделяется проблеме загрязнения воды, которая тесно связана с проблемой обеспеченности пресной водой. Следует отметить, что в настоящее время технология обработки воды как научно-техническое направление все еще значительно отстает от запросов практики. Поэтому при прогрессирующем загрязнении водоемов промышленными стоками и при увеличении числа примесей с различными свойствами проблема создания новых полифункциональных материалов для очистки воды становится особенно актуальной.

Особое место среди флокулянтов занимают производные полиакриламида. Перспективными химическими структурами для получения новых производных полиакриламида являются гуанидинсодержащие соединения. В случае сополимеров акриламида с гуанидинсодержащими солями возможно совмещение полезных свойств, присущих индивидуальным мономерам. Как известно, гуанидинсодержащие соединения обладают биоцидными свойствами [56-58]. Известно также, что сочетание в полиакриламидных флокулянтах карбамидных групп с карбоксильными и аминогруппами препятствует свертыванию макромолекул в клубок и позволяет иметь развернутую оптимальную для флокуляции конформацию [59].

В связи с этим, представлялось важным изучение токсичности новых сополимеров акриламида с метакрилатом и акрилатом гуанидина, синтезированных по схемам 3, 4:

Схема 3. Получение сополимера акриламида с метакрилатом гуанидина

Схема 4. Получение сополимера акриламида с акрилатом гуанидина

Методы биотестирования на ветвистоусых ракообразных занимают ведущее положение в системе экологического мониторинга природных вод, а биотест на дафниях Daphnia magna Strauss является наиболее стандартизованным из всех известных [20, 21, 60]. Как видно, из обзора литературы, при биотестировании природных вод на зоопланктоне регистрируют поведенческие реакции, патологические нарушения, метаболические (биохимические) показатели, физиологические функции, окраску тела, скорость выедания корма и др., но наиболее чувствительной и надежной считается тест-реакция, в которой регистрируется процессы размножения - выживаемость и плодовитость.

Для определения токсичности ряда гомо - и сополимеров использовали методику определения токсичности воды с помощью дафний Daphnia magna Strauss, а также новых биоиндикаторов, раннее для этих целей неиспользованных – личинки комаров обыкновенных Culex sp.

Дафний в количестве 20 штук высаживали в чашки Петри с исследуемыми образцами. Контроль проводили визуально и с применением бинокуляра, контролируя количество выживших дафний, причем учитывались изменения в движении и размножении рачков. Параллельно ставили контрольный опыт с природной водой. Наблюдения проводили 96 часов, дафний во время эксперимента не кормили. По окончании эксперимента проводили учет выживших дафний, выжившими считаются дафнии, если они свободно передвигаются или всплывают со дна.

Коэффициент токсичности в %, рассчитывали по формуле:

Кt =100´(Х1-Х2)/Х1

где, Х1 и Х2 среднее арифметическое количество выживших дафний в контроле и опыте.

Проба воды оценивалась как обладающая острой токсичностью, если за 96 часов биотестирования в ней гибло 50% и более дафний по сравнению с контролем.

Токсикологические характеристики сополимеров исследовали в зависимости от состава и концентрации при постоянной температуре.

В качестве модельных соединений были взяты полиакрилатгуанидин (ПАГ), полиметакрилатгуанидин (ПМАГ), полиакриламид (ПАА).

Экспериментальные результаты показали, что растворы гомополимеров и сополимеров без разбавления оказывают (рис.7) угнетающее действие на весь процесс размножения дафний, задерживает рост, наступление половой зрелости и появления первого помета, уменьшает количество пометов и плодовитость, повышает выброс молоди и яиц. При разведении в отношении 1:2 токсичность сополимеров снижается. Наименее токсичными являются растворы сополимеров с концентрацией от 0,1 до 0,01 %. Токсичность образцов зависит также от состава сополимеров, с увеличением содержания метакрилата гуанидина токсичность понижается.

Рис. 7. Зависимость коэффициента токсичности гомо - и сополимеров от состава и концентрации

Анализ экспериментальных данных по исследованию токсичности сополимеров показывает, что растворы сополимеров МАГ:АА (20:80) и МАГ:АА (30:70) с концентрацией 0,1% и 0,01% практически не влияют на плодовитость дафний, но на 15% сокращают длительность жизни. Отметим, что гомополимер ПМАГ снижает плодовитость и длительность жизни у исследуемых дафний всего на 7%, а полиакриламид на 30 %. Выявлено, что токсичность полиакриламида выше, чем у сополимеров, т.е. даже небольшое содержание метакрилата гуанидина в сополимерах уже снижает токсичность полиакриламидного флокулянта.

По сравнению с сополимерами акриламида с метакрилатом гуанидина, сополимеры с акрилатом гуанидина показали более низкую токсичность, причем токсичность тем выше, чем больше содержание в звеньях сополимеров АА (табл.6), диаграмма 1.

Это ожидаемый результат для полиамфолитных сополимеров, учитывая то, что производные акриловых кислот имеют низкую токсичность, тогда как акриламид обладает высокой токсичностью. Отсюда можно сделать вывод о том, что при выборе сополимера в качестве флокулянта нужно учитывать состав сополимера.

Учитывая полученные данные можно варьировать состав композиций для очистки воды для достижения максимального эффекта очистки при минимальных проявлениях токсичности.

Таблица 6

Образец

1% раствор

Выживаемость дафний, в %

Острый опыт

Хронический опыт

АГ: АА (10:90)

87

66

АГ: АА (20:80)

90

89

АГ: АА (30:70)

98

98

АГ: АА (40:60)

91

82

АГ: АА (50:50)

89

62

АГ: АА (60:40)

89

55

АГ: АА (70:30)

45

59

АГ: АА (80:20)

48

68

АГ: АА (90:10)

100

100

Существование любого организма или сообщества организмов зависит от комплекса определенных условий или факторов среды обитания. Для использования в качестве биоиндикаторов подходят виды организмов, с низкой экологической валентностью, то есть способные выносить лишь ограниченные изменения условий существования и реагировать на любые изменения амплитуды колебаний экологических факторов.

В этой связи совершенствование методов биологического тестирования путем выявления биоиндикаторов, активно реагирующих на изменение химического состава своей экологической ниши, безусловно, является важной задачей.

Поэтому помимо D. magna, для токсикологической оценки водных растворов полимерных флокулянтов использовали также личинок комаров - звонцов Chironomus dorsalis, Platambus maculatus, Haliplus flavicollis и Gyrinus sp., Culex sp.

Выбор в качестве объекта исследования именно этих видов обусловлено следующими причинами:

- высокая численность популяции;

- легко культивируются в лабораторных условиях;

- продолжительность жизни выше по сравнению с дафниями.

Результаты исследований на указанных биоиндикаторах показали, что наименее токсичными в исследованных условиях являются сополимеры АА с АГ по сравнению с ПАА, причем наименее токсичным образцом для данных тест-культур оказался сополимер АА: АГ (10:90), в растворе которого наблюдался переход личинок в куколки, а затем превращение в имаго.

Использование новых биоиндикаторов также подтвердило меньшую токсичность сополимеров акриламида с акрилатом гуанидина (табл.8, 9, 10), диаграммы 2, 3

Таблица 8

Гибель тест-объектов (хирономиды) в тестируемой воде за 48 часов (хронический опыт)

Полимеры

Выживаемость хирономид, %

МАГ: АА (70:30-0, 01% раствор)

99

ПАА(0, 01% раствор)

33

МАГ: АА (1:99)

23

ПМАГ(0, 01% раствор)

69

ПАГ (0, 01% раствор)

47

МАГ (0, 1 % раствор)

100

Таблица 9

Гибель тест-объектов (жесткокрылые) в тестируемой воде за 48 часов (хронический опыт)

Полимеры

Выживаемость жесткокрылых, %

МАГ: АА (70:30-0, 01% раствор)

100

ПАА(0, 01% раствор)

78

МАГ: АА (1:99)

47

ПМАГ(0, 01% раствор)

65

ПАГ (0, 01% раствор)

88

МАГ (0, 1 % раствор)

100

Таблица 10

Образец

1% раствор

Выживаемость комаров, в %

Острый опыт

Хронический опыт

АГ: АА (10:90)

69

65

АГ: АА (20:80)

78

71

АГ: АА (30:70)

82

77

АГ: АА (40:60)

87

80

АГ: АА (50:50)

77

66

АГ: АА (60:40)

71

69

АГ: АА (70:30)

43

41

АГ: АА (80:20)

39

41

АГ: АА (90:10)

100

100

Для выявления чувствительности дафний к тяжелым металлам, а также изучения способности полученных сополимеров и гомополимеров к комплексообразованию были приготовлены модельные растворы свинца разной концентрации и определена их токсичность для используемых биотестов.

Выявлено, что исходная концентрация свинца 1г/л приводит к 99% летальному исходу для дафний. Минимальная концентрация свинца, при которой степень выживаемости дафний равна 82%, составляет 0,03 г/л. Концентрация свинца, равная 0,03 г/л совпадает с санитарно-токсикологической ПДК содержания свинца в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

Полученные результаты открывают возможность определять повышение ПДК свинца в воде методом биотестирования. В связи с этим, представляло интерес исследование комплексообразующих способностей гомополимеров и сополимеров по отношению к ионам свинца методом равновесного диализа.

Экспериментальные исследования показали, что сополимеры не обладают комплексообразующей способностью по отношению к ионам свинца, так степень выживаемости дафний, в воде обработанной сополимерами составила всего 3%. Гомополимеры МАГ и АГ в отличие от сополимеров обладают комплексообразующей способностью к ионам тяжелых металлов. Степень выживаемости дафний составила 96 %, что свидетельствует о практически полном связывании ионов свинца данными гомополимерами. Результаты комплексообразующих способностей указанных полимеров подтверждены исследованиями модельных растворов методом атомно-адсорбционной спектроскопии.

Таким образом, полученные результаты показали возможность регулирования токсичности сополимеров путем варьирования их состава и концентрации.

Выводы

1) Впервые исследованы эколого-токсикологические характеристики новых флокулянтов - гуанидинсодержащих сополимеров акриламида методом биотестирования.

2) Показано, что токсичность сополимеров зависит от состава и концентрации, определены оптимальные условия их применения. Обнаружено, что токсичность сополимеров акриламида уменьшается с увеличением содержания гуанидинсодержащего мономера.

3) Выявлены новые биоиндикаторы для оценки токсичности сополимеров - личинки комаров обыкновенных, личинки поденок, жуки-вертячки, некоторые из которых оказались более чувствительными по сравнению с дафниями.

4) Разработаны методики оценки токсикологических свойств водных растворов полимеров с использованием выявленных биоиндикаторов.

5) Оценена чувствительность новых биоиндикаторов по отношению к ряду сополимеров и обнаружено, что наиболее чувствительным биоиндикатором являются личинки комара обыкновенного (Culex sp.).

      Другие статьи

      Промышленные предприятия и окружающая среда
      Природные ресурсы – это средства к существованию, без которых человек не может жить и которые он находит в природе. Это вода, почвы, растения, животные, минералы, которые мы используем непо ...

      Методика биотестирования на водных жесткокрылых: Platambus maculatus, Haliplus flavicollis и Gyrinus sp
      Для биотестирования брали Platambus maculatus, Haliplus flavicollis и Gyrinus sp. в количестве 5 штук и высаживали в модельные растворы. В ходе хронического опыта учитывали двигательную актив ...

      Накопление хрома в донных отложениях водоёмов пригородной зоны отдыха
      Развитие промышленности и сельского хозяйства в последние десятилетия шло в основном с использованием традиционных методов без особого учета современных экологических требований. Все это пр ...