Кислородзависимые окислительно-восстановительные и фотохимические процессы в природных водах Штамм, Елена Валентиновна

Введение к работе

Актуальность работы, К числу прсбл&ч, решение которых нме-'ег_сс|бц<Ге значение для понимания функционирования водных гкосис--jtwwjhlexairasua хиішко-бпологических процессов и природных во~о дах', относится выяснение детальный механизмов электронного переноса з биологических Л химических окислительно-восстановитель» та. системах. Экспериментальное исследование этих механизмов базируется аз использовании методов п достижений биологической йззіпт и хшзческоа кинвгшш. В рашах кинетического подхода возноэю обобщении- результатов, получаемых в лабораторных услс-пиях т модельных системах, на процессы, протекающие в природной .водкой среде.

На фоне общего неблагополучия состояния окрунсздей среди особу» озабоченность вызывает почте повсеместное ухудшение качества природной водной среди как среди обитания гндробионтов и как источника питьевого водоснабжения, В результате загрязнения зодпой среды и внепягельства человека в естественный круговорот годы происходит обедненио віщового состава водных ггкосно-гєиі сокращаются рыбные ресурсы, лодрывается их ествствеїноо воспроизводство» Зода стела носителем возбудителей эпидемических заболеваний и токсикоза среди населения, водных кивотннх, рыб, водоплавающих птиц. 3 то па время елслившаяся система контроля качества воды не всегда дает адекватную оценку текущего состоя-. кия водной среди ж, как правило, но прогнозирует наступление токсических ситуаций. Становится все более очевидной задача поиска новых подходов к оценке качества воды, основанных на изучении динамики внутраводоемннх химико-биологических процессов, которые играю? олределяэдув роль з формировании биологических овойств водной среды, в ее способности к самоочищению от загрязняющих веществ.

Особенно'актуальніші становятся исследования; направленные на изучение кинетики и механизмов процессов, протекающих а природных водах под действием солнечного света и растворенного в воде кислорода в присутствии микроорганизмов, в частности; ш-кроводорослей,- ионов металлов переменной валентности, различных растворенных в воде веществ и взвешенных частиц. На базе этих исследований открывается возможность разработки обобщенных показателей качества водной среды и кинетических параметров для

оценки допустимой нвгрузіш на водные экосистемы^ прогнозирования поведения загрязняющих веществ и воз&огных неблагоприятных изменений в окружающей водной среде.

Немаловажное значение имеет изучение влияния различных антропогенных воздействий на жизнедеятельность гидробнонхов и состояние водних екосистем, а таксе разработка методов регулирования качества природной водной среды при различных видах водопользования.

Работа выполнена по планам гематини Институте химической фазтаа РАН в области гомогенного катализа» а в последнее года -в соответствии с Программой биосферных и экологических исследований Акадеьяш наук СССР.

На защиту выносится новое научное направление, связанное с изучением кислородзависшых процессов; определяющих биологические свойства и способность водной среды is саігоочищениа.

Дель работы; состояла в вияснений ключевых механизмов окислительно-восстановительных к фотохимических процессов с участием ионов переходных металлов, растворенного в воде кислорода и промежуточных продуктов.его восстановления, в частности; пероксида водорода и кислород-содераадих свободных радикалов, а таксе в оценке роли этих процессов в формировании биологических свойств и самоочшцанцей способности природной водной среды.

В связи с поставленной целью необходимо было решить следу-щие задачи?

- на примере биологически значимых модельных соединений
изучить '.типовые механизмы каталитических процессов окисления
кислородом и пероксидсм водорода;

« разработать кинетические методы анализа процессов, протекающих в природных водах с участием пероксида водорода и свободных радикалов}

обобщить и сопоставить собственные и имеющиеся в мировой литературе данные о содержании пероксида водорода и свободных радикалов и методах их обнаруаения в природных водах. На основании проведенного обобщения выявить особенности и общие закономерности формирования качественного состояния природной водной среды и способности ее к трансформации загрязняющих веществ?

исследовать фотохимические и окислительно-восстановигель-

ные процессы» протекающие в природных .диадах « учвотнеы шкрово-дороолей;

- провести сопоставительный анализ биологических, гидрохи-
шческих и кинетических показателей качвотва водной среды ва
водных объектах,, различающихся по географическому положению и »
антропогенной нагрузке}

» разработать метода регулирования качества природной водной среда при различных видах водопользования, включал рыборазведение, питьевое снабаенна и поливное земледелие.

Научная новизна исследования заключается:

«- в выявлен^-^ детальных, неизвестных ранее ыеханизиов кага-ллтячеашх процессов окисления доноров Н кнелородоы д пероксидом водорода (на примере аскорбата);

в установлений основных путей образования и распада пероксида водорода и свободных радикалов в природных водах*

в обнаружении вааяой роли окислительно-восстановительных процессов с участием пероксида водорода в формировании качественного состояния природной водной среды}

в установлении роли свободных радикалов ОН, 0^" в самоочищении природной водной среды»

в выявлении роли шкреводорослей в биогенном-инициировании радикальных процессов самоочищения водной среды;

в обнаружении неизвестных ранее факторов токсичности природной водной среды, связанных о разбалансироакой виутриводоем-ных процессов с участиш пероксида водорода и свободных радикалов (квазивоестановиїельного и сверхокислительного состояний эодной среды).

Практическая значимость. Предложены обобщенные показатели качества природной водной среда, позволяющие оценить ее текущее состояние и допустимую нагрузку на водную экосистему по химический загрязнениям, а твкае прогнозировать наступление токсических ситуаций.

Разработан и внедрен на Волгоградском осетровом рыбоводноы заводе способ регулирования качества водной среда при искусственном выращивании осетровых рыб. Выпущено в Волгу дополнительно более 5 млн. жизнестойкой молоди севрюги. Расчетный экономический эффект по проывозврату составил более I млн. рублей.

«* /J mm

Разработаны способы очиотки сточных вод с применением пе-роксидв водороде и меткого УФ-излучекия. Применение У-излучэ~ ния в комбинации с биологической очисткой позволяет повысить на 20 - 30$ пропускную способность городских очистных сооруиений бев существенных капитальных и текущих затрат.

Разработан способ регулирования качества вода при выращивании овощных культур о применением в качестве стимулятора перок-сида водорода в сочетании с добавками микроэлементов. Обработка семян и полив растений "активировайным" пероксидом дает прибав-к; в уроиае для разных культур в среднем на 10 - 20$.

ПредлоЕеяы метода предотвращения и прекращения "цветения" синезеленнх водорослей в условиях дадоеюв питьевого и рыбохо-зяйствеяного назначения.

ЯредлоЕея штод детоксшации їОЕСЕчкого для рыб сверхокис-лительного состояния водной среды с применением в качестве донора электрона аскорбиновой кислоты.

Предлоиенныэ в работе методики кинетического анализа ката
литических окислительно-восстановительных систем; фотохимических
процессов с участием свободных радикалогг а таквв методы опреде
ления малых концентраций пероксида водорода нашли применение в
гидрохимических лабораториях, а такке в исследовательской и уче~
бной практике. .. .

Основные положения и результаты,, вынесенные на ааадату.

1. Типовые механизмы каталитических окислит'ельно-восетано-вителькых процессов с участием ионов меди.

2. Доказательства образования при взаимодействии ионов одновалентной -кеди с 0_2> Н₂0₂ промекуточных активных чаотиц -предшественников свободных радикалов.

3. Обнаружение неизвестных ранее факторов редоко-токсично-сти природной водной среды.

4. Обоснование ведущей роли вяутриводоемных окислительно-воостановительнше процессов с участием Н^ в формировании биологически полноценной среды обитания гидробионгов.

5. Обоснование химико-биологической модели пероксадазного и радикального (с участием 0₂*", ОН-радикалов) самоочищения * природной водной среда.

« Q м

6., Новыа показатели качественного состояния водной среды п донных отлоаеянй.

7. Метод оценки допустимой нагрузки на водные экосистемы по органическим загрязняющим веществен о применением кинетических показателей. о

8. Методы регулирования качества природной водной среды при различных видах водопользования; включая рыбоводство', поливное земледелие, питьевое водосиабзенне,

№Ш$ШШ-в$Р2Ц» Основные положения и конкретные результаты анализа природных и модельных скяслительно-восствновигельиых и овободно-радшг^ьных процессов были долозены п обсуздены на XI Всесоюзном совещании по химии комплексных соединений (Алма-Ата, 1973), Ш Всесоюзной конференции по сидкофазному окислению органических соединений (Штсх, 1975), I Всесоюзной симпозиуме по окислительно-восстановительным реакциям свободных радикалов (Киев, 1976), XIX Международной конференции по координационной химии (ЧССР, г. Прага; 1978); УІ Всесоюзной конференции "Каталитические реакции в 2ИДК0Й фазе" (Алма-Ата,- 1983)*, Ш Всесоюзном симпозиуме "Антропогенное атрофирование природных вод" (Черноголовка, 1983), 17 Всесоюзном совещании по миграции и трансформации загрязняодих веществ в сопредельных средах" (Обнинск, 1983); ІУ Международном симпозиуме по гомогенному катализу (Ленинград, 1984)і Ш Международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг состояния биосферы" (Ташкент, 1985), УП Всесоюзном симпозиуме по современным проблемам прогнозирования, контроля качества воды водоемов и озонирования (Таллин; 1985); I Всесоюзной-школе по экологической химии водной среды (Кишинев; 1985), Советско-американском симпозиуме "Поведение пестицидов и химикатов в окружающей среде" (США, г. Айове-Сити, 1987), XXIX Воесоюзнаы гидрохимическом совещании (Ростов-на-Дону, 1987), Л Всесоюзной школе по экологической химии водной среды (Ереван, 1988), Ш Международной школе по экологической химии водной среды (Алма-Ата;; 1990), I Советско-французском симпозиуме "Чистота воды столиц мира" (Москва, 1991), Международной конференции по биотестированию и биоиндикации (Загорск, 1991), Международной конференции "Межфазные явления в окружающей среде" (Швейцария, г. Давос, 1991), симпозиуме "Экологические аспекты фотохи-

мив водной среды и поверхности" 203-его заседания Американского химического обществе (СШ&, Сан-Франциско, 1992) и др,

Публикация результатов. Результвш и долоиения ииссертацин ' излояени в 66 опубликованных работах* включая 5 авторских свидетельств. Основные результаты исследований обобщены в обзоре "Роль лероксида водорода в природной водной среде" (Успехи химии, 1991), в коллективной монографии "Практическая биология морских регионов. Черное юре." (Главы 6, Ю„ Клев: Наукова душа, 1990), в трудах I, П Всесоюзных школ по экологической а.югводной среды (И.: ЩШ ГКНЇ, I9S8), Л Нездународного еии-дознума по гомогенному катализу "Кагвлипгчесспо реакцші в прп-родных водах" (Локхшград, 1984) и ссззтако-и.грикавскога снкдо-знума "Поведение пестицидов и хшикаг-сг, в округащей среде" (США, 'Айова-Сити, 1987), а такие в стче "Hechajaiaia of catalytic ascorMo acid oxidation. Systen Cu"" - ascorbic acid - 0₂" (Int. J. Chem. ., 1979).