CC BY
53
Логинова А.Ю.1, Силаева Н.А.2 ®
К.х.н., доцент кафедры «Промышленная экология и химия»; старший преподаватель кафедры «Физика», Калужский филиал Московского государственного технического
университета им. Н.Э. Баумана
РОЛЬ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА В ПРОЦЕССАХ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ
Аннотация
Работа посвящена изучению активных форм кислорода (АФК) на процессы самоочищения, протекающие в природных водных экосистемах. Рассмотрена роль АФК в биологических и природных водных системах. Разработан новый чувствительный и достаточно простой метод анализа содержания АФК в природных водных экосистемах. Показано, что эффективность процесса самоочищения определяется способностью природных водных экосистем генерировать АФК, участвующие в процессах пероксидного окисления. Предложен новый аналитический метод, позволяющий с достаточным приближением оценить стационарную концентрацию АФК, который проверен в натуральных условиях на примере некоторых водных объектов Калужской области.
Ключевые слова: природные водные экосистемы, активные формы кислорода, метод определения концентрации.
Keywords: living"natural water, reactive oxygen species (ROS), the method of determining thesteady-state concentrationof ROS.
Введение. Природные воды можно рассматривать в качестве окислительновосстановительной системы открытого типа, которая включает валентно-насыщенные микрообъекты (молекулы, ионы), так и широкий спектр валентно-ненасыщенных свободных радикалов и ион-радикалов. Процессы в таких системах аналогичны процессам,
протекающим в живых организмах, в том числе и в организме человека. Самоочищение под действием вырабатываемых АФК —обязательная форма нормального экологического состояния, поскольку они обладают выраженной окислительной активностью и инициируют реакции пероксидного окисления в биологических и природных водных системах.
Основополагающими для жизнедеятельности водных эко^огем является
биогеохимический цикл кислорода. Окислительно-восстановительные процессы с участием растворенного кисторода протекают с образованием промежуточных активных форм. Однако до настоящего времени механизмы этих процестов в природных водных экосистемах практически не изучены. Стационарная концентрация АФК в значительной степени зависит от совокупности факторов антропогенного воздействия на водные экосистемы [1].
В настоящей работе предложен чувствительный метод оценки состояния природных водных экосистем без изменения исходного компонентного состояния на основе их способности генерировать АФК.
Важнейший окислительный компонент в природных водах — растворенный молекулярный кислород. Однако в силу триплетности основного состояния при нормальных условиях молекула O2 представляет собой кинетически инертную молекулу. Высокая реакционная способность кислорода определяется в основном не молекулярной формой, а промежуточными активными продуктами его биогеохимического цикла.
Измерения содержания в природных водах продуктов активации кислорода были проведены советскими и американскими исследователями в начале 80-х годов XX в. В
@ Логинова А.Ю., Силаева Н.А., 2015 г.
соответствии с полученными данными стационарная концентрация пероксида водорода H2O2 составила 10-5...10-17 моль/л, стационарная концентрация синглетного кислорода в поверхностных водах — 10-14...10-12 моль/л, гидроксидныхрадикалов (OH*)-10-18... 10-15
моль/л, супероксидных (O2) -10-17...10-9 моль/л, алкилпероксидных (RO2) -10-11...10-8 моль/л [2]. С учетом чрезвычайно высокой реакционной способности этих компонентов абиотической составляющей приведенные значения их стационарных концентраций позволяют оценить вклад свободно-радикальных процессов в самоочищение природной водной среды.
Пероксид водорода может быть окислителем, однако его окислительная способность невелика. Под действием УФ-излучения H2O2 распадается с образованием АФК:
2H2O2 + 2hv ® 2OH* + H2O2
Ниже приведены реакции взаимодействия активных частиц, образующихся при разложении H2O2 под действием УФ-излучения в водной среде, и значения их константы скорости k, (л/моль- с)[3]:
OH* + OH*® H2O2................ 5,5 109
OH* + HO2 ® O2 + H2O........... 1,4 1010
OH*+ H2O2 ® HO2 + H2O.......... 2,7 107
HO2 + H2O2 ® OH*+ H2O + O2..... 3,7
HO2 + HO2 ® H2O + O2........... 8,3 105
Образующиеся в результате этих реакций свободные радикалы и АФК являются очень сильными окислителями (оксидантами). Их молекулы представляют собой опасность для живых клеток вследствие повреждений, которые они способны причинить биомолекулам, особенно белкам и липидам. Другими словами, токсичность кислорода обусловлена токсичностью активных соединений, которые могут из него образовываться.
Под свободным радикалом принято понимать молекулу (или атом), имеющую неспаренный электрон на молекулярной либо на внешней (валентной) атомной орбите, т. е. у молекулы или у атома появляется свободная валентность. Это обусловливает высокую химическую активность свободных радикалов. Свободные радикалы не стабильны, поскольку обладают высокой реакционной способностью. В биологических системах они образуются в результате обмена веществ либо при измененных условиях жизнедеятельности (при действии на клетку ионизирующего излучения, токсических веществ и др.). Кроме того, свободные радикалы образуют при протекании окислительно-восстановительных реакций, в том числе в дыхательной цепи, т. е. в организме человека постоянно происходит процессы свободно-радикального окисления, интенсивность которых наиболее велика в липидах (особенно в фосфолипидах). Принято считать, что свободные радикалы составляют до 1/4 общего числа активных частиц нормально функционирующих тканей.
В организме образуются весьма активные молекулярные соединения: пероксид водорода, гипохлорит и гидропероксиды липидов. Такие молекулы наряду с радикалами в англоязычной литературе называют reactivespecies, что в переводе на русский язык означает активные формы. К активным формам кислорода относятся супероксид, радикал гидроксида, пероксид водорода и синглетный кислород.
Для свободных радикалов характерны цепные реакции— химические превращения, порождающие новые активные свободные радикалы, легко реагирующие с другими молекулами. Поскольку промежуточным продуктом разветвленных цепных реакций являются пероксиды и скорость этих реакций зависит от их концентраций, весь этот процесс называют пероксидным окислением [4].
В природных водах от 10 до 50% пероксида водорода распадается с образованием свободных радикалов OH* и других АФК[5].
Согласно опубликованным в последние годы работам по определению содержания пероксида водорода в морях и океанах, реках и озерах, в дожде и снеге и даже в ископаемых льдах Г ренландии и Антарктиды, пероксид водорода — неотъемлемый компонент природной водной среды. Можно даже утверждать, что до вмешательства человека эволюция аэробной жизни на Земле происходила не только на фоне присутствия кислорода и воды, но и пероксида водорода.
Имеется четыре главных источника пероксида водорода в водной среде: 1)
поступление из атмосферы; 2) каталитические процессы окисления, протекающие с участием кислорода; 3) фотохимические реакции под действием солнечного света; 4) биологическая эмиссия свободных радикалов [3].
Процессы образования и разложения H2O2 в организме человека, как и в природной воде, сопровождаются эффективной генерацией реакционноспособных частиц, участвующих в самоочищении водной среды,— радикалов OH* и O2, комплексов металлов в аномально высоких состояниях окисления [2].
Влияние изменения содержания АФК на водородный показатель. Основные этапы круговорота биогенных элементов в водной среде - разложение и синтез органического вещества —сопровождаются сдвигом углекислотного равновесия, что приводит к изменению водородного показателя pH среды. Исходя из этого в проведенных исследованиях в качестве обобщенного показателя динамики неравновесных процессов в водной среде использовали водородный показатель. Измерения pH осуществляли иономером И-130М при комнатной температуре в теневых анаэробных условиях. Основные опыты были проведены на пробах воды из следующих рек Калужской области: р. Ока (Калуга), Яченское водохранилище (Калуга), р. Шаня (г. Кондрово), р. Угра (Дзержинский р-он, д. Матово)и Перемышльский рон, р. Болва (Людиновский р-он), р. Протва (Боровский р-н) (таблица, рисунок)
Изменение водородного показателя в течение 60 дней
Таблица
Наименование экосистемы рН
р.Шаня 1 10 20 30 40 50 60
8,03 7,6 7,65 7,97 8,2 8,22 8,22
р.Ока 0 10 20 30 40 50 60
7,28 6,62 6,77 6,92 7,2 7,39 7,39
р.Угра (Перемышльский р-он) 1 10 20 30 40 50 60
7,58 7,01 7,18 7,45 7,68 7,73 7,73
р.Болва (Людиновский рон) 1 10 20 30 40 50 60
7,34 6,82 6,89 7,2 7,47 7,51 7,51
р.Угра (Дзержинский р-он) 1 10 20 30 40 50 60
8,32 7,93 7,98 8,4 8,56 8,62 8,62
Яченское водохранилище 1 10 20 30 40 50 60
8,63 8,21 8,36 8,6 8,7 8,73 8,73
Изменение водородного показателя во времени
В ходе проводившихся экспериментов установлено, что в любой отдельно взятой пробе природной воды наблюдается естественное увеличение водородного показателя во времени в анаэробных темновых условиях. Уменьшение рН в первые 10 дней проведения опыта
объясняется постепенным растворением углекислоты, образующейся в результате окисления АФК органической составляющей пробы. В дальнейшем через 40-50 дней во всех пробах наблюдалась тенденция увеличения и стабилизации водородного показателя к 40-50 дню эксперимента.
Введение дополнительного количества пероксида водорода (0,1 моль/л) в пробы природной воды приводит к резкому увеличению рН с момента введения и стабилизации (в 1,5-2 раза выше исходной пробы). Источником подщелачивания являются окислительновосстановительные реакции с участием пероксида водорода. Разложение пероксида водорода в водных растворах происходит непрерывно за счет воздействия тепла, света, кавитации и других физико-химических воздействий, а восстановление — вследствие диссоциации с образованием гидроксид-иона и гидроксидного радикала, либо за счет протонирования и распада на воду и гидроксидный радикал.
Гидроксидный радикал —самый реакционноспособным окислитель в природной среде — способен реагировать практически со всеми растворенными в воде органическими и неорганическими веществами. Основные пути превращения гидроксидных радикалов в водных растворах — отрыв водорода от органических соединений с образованием воды и органического радикала, гидроксилирование ненасыщенных органических соединений и реакции одноэлектронного переноса с анионами. В результате подобных радикальных перегруппировок образуются более стабильные и долгоживущие радикалы. Рекомбинация углеродсодержащих радикалов приводит в конечном итоге к появлению органических соединений, и чтопослужило причиной образования осадка в проводившихся опытах. Подобный осадок рыжевато-коричневого цвета может быть как в чистых растворах гидрокарбонатов, так и водопроводной воде при длительном отстаивании.В речной воде осадок, как правило, более темный, что связано с включением в процессы радикальных превращений фрагментов гумусовых соединений, присутствующих в значительном количестве в природных водах.Если в водных растворах происходит накопление карбонатионов, восстановление гидроксидных радикалов наиболее часто происходит по следующей схеме:
OH* + HCO- ® HCO3 + OH
(1)
Лимитирующим фактором реакции (1) является активность гидроксидных радикалов, концентрация которых в природных водах составляет 10-15...10-17 моль/л. В случае добавления пероксида водорода концентрация гидроксил-ионов должна увеличиваться, и эффект подщелачивания в результате реакции (1) станет более заметным. Факторы, ускоряющие процесс разложения пероксида водорода, в том числе солнечный свет, должны усиливать подщелачивание. Именно такое поведение растворов и наблюдалось в проводившихся опытах.
Определение стационарной концентрации АФК в природных водных экосистемах. Для определения стационарной концентрации АФК в природных водах Fe2+ в качестве генерирующего агента использовалив известной реакции Фентона.
Кинетическая модель реакции Фентона в кислой среде
и значения константы скорости к, л/(мольс)
Fe2++ H2O2 ® Fe3++ OH* + OH к=56л/(моль-с)
0H* + H2O2 ® HO2 + H2O 3 107
Fe2+ + OH* ® Fe3+ + OH-......... 8,3 • 105
ho2 + ho2 ® h2o2+o2 3 108
OH* + OH* ® H2O +12 O2
5,5109
OH*+ HO2 ® H2O + O2 7,1109
HO2 ® H+ + O2 7,5106
h ++O2 ® HO2.................... 1,2102
HO2 + O2 ® HO- + O2 9,7 • 107
ho2+oh-® O2+h2o 1010
O2 + Fe3+® Fe2+ + O2 1,9109
H2O2 ® HO- + H+ 210-2
HO- + H + ® H2O2 1010
oh*+ho-® ho2+oh- 7,510'
02 + oh*+h + ® h2o+o2(^) 1010
[Fe2+ ] > [h O 1 [h O 1 = 10_3 10_5
Для случая 2 2 при 2 2 моль/л предельная концентрация
образующегося [Fe 1 определяется тем, что одна молекула H2°2 распадается на два гидроксильных радикала, каждый из которых окисляет одну молекулу двухвалентного железа [11.
[H о 1 = 10“3 10-5
При концентрациях L 2 2J моль/л за 60 с успевает произойти число актов
окисления, равное числу образующихся при разложении пероксида водорода гидроксидных радикалов.
Влияние реакции O2 + Fe3+ ® Fe2++ O2 существенно только для системы, в которой
[Fe2+1 > [H2O21 . В проведенных исследованиях природных вод таких концентраций не обнаружено и поэтому основной формой АФК в водных экосистемах является гидроксидный радикал. Анализ кинетической модели реакции Фентона в этих условиях показал, что основной активной частью в исследуемых водных экосистемах является гидроксидный радикал. Спектрофотометрический метод реакции Фентона основан на образовании интенсивно окрашенных комплексов железа (III) с тиоцианат-ионами. Для получения
воспроизводимых и точных результатов концентрация тиоцианат-ионов во всех растворах поддерживалась постоянной.
Раствор [Fe3+ ] = 0,1 моль/л готовили непосредственно перед экспериментом. Регистрацию оптической плотности проводили на фотоколориметре в КФК-2 герметично закрытых кюветах. В исследуемых системах ионов [Fe3+ ] максимум спектра поглощения найден при длине волны 440 нм. Оптическую плотностью регистрировали через 60 с после введения в исходные пробы природной воды ионов [Fe2+ ]. Измерения проводили в кислой среде (рН=2,5) в связи с тем, что в ней исходная концентрация [Fe2+ ] постоянна, а образующийся [Fe3+ ] не выпадает в осадок. Полученные значения оптической плотности для
исследуемых рек равны:
р.Шаня.................................. 0,24
р.Ока................................... 0,13
р.Угра (Перемышльский р-он)............. 0,18
р.Болва................................. 0,59
р.Угра (Дзержинский р-он)................ 0,35
р.Протва................................. 0,15
Яченское водохранилище.................. 0,3
Анализ результатов проведенных исследований показал существенное различие окислительной способности природных водных экосистем. Максимальная оптическая плотности, а следовательно, и АФК обнаружено в реке Болве, а минимальное —в реках Оке, Протве, Угре. По результатам анализа эти реки теряют способность генерировать достаточное количество АФК, что приводит к их эвтрофированию. Безусловно, способность вырабатывать АФК может зависеть в природной водной среде от многих факторов, если соотношение показателей оптической плотности останутся минимальными независимо от времени года, можно будет сделать более серьезные выводы об экологическом состоянии природных водных объектов.
Убедительно доказано, что АФК играют важную роль в формировании химического состояния природной водной среды и ее способности к самоочищению, а также предложен чувствительный метод определения стационарной концентрации АФК в природных водных экосистемах, позволяющий сделать выводы об их экологическом состоянии.
Литература
1. Гурикова Ю.В., Бондаренко Н.Ф. Природная вода как окислительная среда. Журнла физической химии, 2001, Т.75, №7, с.640.
2. Скурлатов Ю.И. Определяющая роль окислительно-восстановительных процессов в формировании качества природной водной среды. Успехи химии, 1991, вып. 3. с.575-580.
3. Аристова Н.А., Иванова И.П., Трофимова С.В., Князев Д.И., Пискарев И.М. Влияние Люминола зависимое свечение, сопровождающее реакцию на интенсивность хемилюминесценции в реакции Фентона. Химия высоких энергий, 2011, №6.URL: htpp://istina.msu.ru/media/publications/ articles//dfe/b7d/1105374/HVE_2011_6.pdf
4. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. М.: Наука, 1972, 252 с.
5. Штамм Е.В. Экологическая химия водной среды. Москва, Центр Международных проектов ГКНТ, 1988, с.278.
