МЕТОД  КОЛИЧЕСТВЕННОЙ  ОЦЕНКИ  ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ  –  САМООЧИЩАЮЩЕЙСЯ  СПОСОБНОСТИ  ПРИРОДНЫХ  ПОВЕРХНОСТНЫХ  ВОДНЫХ  ОБЪЕКТОВ

Зайцева  Вероника  Евгеньевна

E-mail:  zajtseva.vero@yandex.ru

Краснощекова  Светлана  Юрьевна

студенты  3  курса,  кафедра  промышленной  экологии  и  химии  КФ  МГТУ  им.  Н.Э.  Баумана,  РФ,  г.  Калуга

E-mail:  zajtseva.vero@yandex.ru

Логинова  Алла  Юрьевна

научный  руководитель,  канд.  химических  наук,  доцент  КФ  МГТУ

им.  Н.Э.  Баумана, 
РФ,  г.  Калуга

Силаева  Наталья  Альбертовна

научный  руководитель,  ст.  преподаватель  КФ  МГТУ  им.  Н.Э.  Баумана, 
РФ,  г.  Калуга

Целью  данной  работы  является  разработка  метода  оценки  окислительной-самоочищающейся  способности  природных  водных  экосистем  на  примере  рек  Калужской  области  и  сравнение  полученных  результатов  с  имеющимися  показателями  экологического  мониторинга.

С  химической  точки  зрения  природная  вода  в  естественных  условиях  представляет  собой  многокомпонентную  многофазную  окислительно-восстановительную  систему  открытого  типа.  Состав  природных  вод  зависит  от  множества  факторов:  растительных  и  почвенно-климатических  условий,  сельскохозяйственный  водосбросов,  водостоков  промышленных,  времени  года,  интенсивности  и  продолжительности  солнечного  излучения  и  т.  д.  В  воде  непрерывно  происходят  различные  химические  процессы,  связанные  с  процессами  жизнедеятельности  микроорганизмов  и  растений,  с  воздействием  солнечной  радиации,  окислением  органических  веществ  растворенным  кислородом.  В  результате  этих  химических  превращений  в  воде  образуются  активные  формы  кислорода  (АФК).  АФК  –  это,  с  физико-химической  точки  зрения,  прежде  всего  свободные  радикалы,  которые  имеют  на  внешней  электронной  оболочке  неспаренный  электрон.  АФК  генерируют  во  всех  частях  живой  клетки.  95–98  %  вдыхаемого  O₂  расходуется  на  выработку  энергии  и  окислительный  метаболизм  субстратов,  2–5  %  O₂  переходит  в  активные  формы  кислорода.  Важнейшими  АФК  считаются  супероксидный  радикал    ,  синглетный  кислород  ,  пероксидный  ион  ,  гидроксильный    и  пероксидный    радикалы,  перекись  водорода    [2].  Следовательно,  в  естественных  условиях  природная  вода  обладает  окислительной,  самоочищающейся  способностью.  Современную  медицинскую  и  биологическую  науки  сегодня  трудно  представить  без  исследований  механизмов  свободно-радикальных  реакций  в  физиологических  и  патологических  процессах.  Образование  активных  форм  кислорода  фагоцитами  общепризнано  как  один  из  главных  механизмов  самоочищения  природных  водных  экосистем.

В  условиях  все  возрастающего  антропогенного  воздействия  на  природу  большое  значение  приобретает  прогнозирование  возможных  экологических  последствий  этого  воздействия.  Осуществление  такого  прогноза  входит  в  круг  задач  общегосударственной  службы  наблюдений  и  контроля  за  уровнем  загрязнения  внешней  среды  –  мониторинга.  Мониторинг  должен  стать  не  только  многоцелевой  информационной  системой,  оповещающей  о  состоянии  биосферы,  о  степени  антропогенного  воздействия  на  среду,  факторах  и  источниках  этого  воздействия,  но  и  осуществлять  прогноз  будущего  состояния  биосферы.  Однако,  сложившаяся  в  области  гидромониторинга  ситуация  в  настоящее  время  такова,  что  измеряемые  гидрохимические  показатели  не  всегда  отражают  реальное  качество  природной  воды.  Из-за  многообразия  сочетания  физико-химических  свойств  загрязняющих  веществ  и  условий  внешней  среды  и  в  силу  ограниченных  возможностей  полевых  экспериментов  чисто  эмпирические  методы  прогноза,  основанные  на  статистических  данных,  не  всегда  приемлемы.  В  связи  с  этим  возникает  задача  совершенствования  системы  показателей  качества  воды  –  разработки  в  дополнение  к  имеющимся  новым  обобщенным  показателям  прогнозирования  последствий  антропогенных  воздействий  на  состояние  водной  среды.  В  общем  случае,  задача  по  прогнозированию  поведения  химикатов  в  окружающей  среде  сводится  к  изучению  совокупности  физических,  химических  и  биологических  процессов,  протекающих  в  атмосфере,  почве,  воде.

Предлагаемый  нами  метод  основан  на  способности  природных  поверхностных  водных  экосистем  генерировать  АФК  в  естественных  условиях.  Стационарная  концентрация  АФК  в  природных  водных  экосистемах  составляет  10^-6–10^-5  моль/л  пероксида  водорода,  синглетного  кислорода  –  10^-14–10^-12  моль/л,  гидроксильный  радикалов  10^-18-10^-15  моль/л,  супероксидных  радикалов  10^-17–10^-9  моль/л.  [3].  Эта  способность  может  быть  количественно  оценена  при  помощи  реакции  Фентона  широко  используемой  в  медицинской  исследовательской  практике,  в  которой  в  качестве  инициатора  АФК  используются  катионы  двухвалентного  железа  [4].

Реакция  Фентона  в  кислой  среде  включает  взаимодействие  двухвалентного  железа  с  пероксидом  водорода  и  последующего  образования  АФК. 

Кинетическая  модель  реакции  Фентона  в  кислой  среде 
и  значения  константы  скорости  k,  л/(моль·с)

Анализ  кинетической  модели  реакции  Фентона  в  предлагаемых  условиях  показывает,  что  максимальную  концентрацию  имеет  гидроксильный  радикал.

Максимальное  число  актов  окисления  двухвалентного  железа  с  образованием  гидроксильных  радикалов  происходит  за  60  секунд  [1].

Спектрофотометрический  метод  основан  на  обосновании  интенсивно  окрашенных  комплексов  железа  (III)  с  тиоцианат-ионами.  Для  получения  воспроизводимых  и  точных  результатов  концентрация  тиоцианат-ионов  во  всех  растворах  поддерживалась  постоянной.  В  изучаемых  системах  концентрация  двухвалентного  железа  значительно  превышала  концентрацию  пероксида  водорода  в  природных  натуральных  пробах.

Использовались  реактивы  ЧДА.  Измерения  проводились  в  кислой  среде  (pH=2.5).  Кислая  среда  использовалась  в  связи  с  тем,  что  в  ней  исходное  двухвалентное  железо  стабильно,  а  образующиеся  трехвалентное  не  выпадает  в  осадок.

Раствор  железа  двухвалентного  концентрацией  10^-3  моль/л  готовили  непосредственно  перед  проведением  эксперимента  и  стандартизировали  по  перманганату  калия.  Концентрация  тиоцианата  аммония  составляет  10  %,  хлороводородная  кислота  2М  раствор.

Регистрацию  оптической  плотности  проводили  на  фотоколориметре  КФК-2  в  герметично  закрытых  кюветах.  В  предварительных  исследованиях  нами  была  выявлена  спектральная  область  с  максимальной  чувствительностью  анализа.  Регистрация  оптической  плотности  осуществлялась  при  длине  волны  ʎ=360  нм  через  60  секунд  после  смешивания  исходных  растворов.

Пробы  природной  воды  были  отобраны  нами  на  участках  рек  большинство  из  которых  соответствовало  точкам  отбора  проб  для  экологического  мониторинга.  Между  отбором  проб  и  началом  анализа  проходило  не  более  12  часов,  для  сохранения  состава  пробы  без  изменений.  При  необходимости  пробы  консервировались  в  холодильной  камере  и  перед  началом  анализа  температура  пробы  принимала  значение  комнатной  температуры.

В  50  мл  анализируемого  раствора  исходной  пробы  вводим  1мл  раствора  [Fe]²⁺соли  и  1  мл  раствора  .  Измеряем  оптическую  плотность  на  спектрофотометре.  Предложенный  метод  оценки  окислительной-самоочищающейся  способности  опробован  на  натуральных  исследованиях  рек  Калужской  области,  результаты  которого  представлены  на  рисунке  1.  Всего  было  исследовано  14  рек.