Диссертация (1105549), страница 20
Текст из файла (страница 20)
В связи с этим, для прогнозасостоянияПАУвводныхэкосистемахнеобходимополучениеколичественных характеристик их взаимодействия с ГФК.1.3.1. Количественная характеристика взаимодействиягумусовых кислот с ПАУСвязывание ПАУ гумусовыми кислотами можно упрощенно описатьследующим уравнением реакции [111, 119]:ПАУ + ГФК ↔ ПАУ-ГФК(1.1)Количественнойхарактеристикойтакоговзаимодействияявляетсяконстанта связывания, записываемая как:К=[ ПАУ − ГФК][ ПАУ][ ГФК](1.2),где [ПАУ-ГФК] - равновесная концентрация молекулярного комплексаПАУ-ГФК; [ГФК] и [ПАУ] - равновесные концентрации свободнорастворенных ГФК и ПАУ, соответственно.Однаковвидутого,чтоГФКпредставляютсобойвысокомолекулярные соединения нерегулярного строения, реакция (1.1) неотражает истинной стехиометрии взаимодействия ГФК с ПАУ.
Весьмавероятно, что одна макромолекула ГФК содержит несколько реакционныхцентров, способных связывать молекулы ПАУ. Поэтому уравнение (1.1)описывает, скорее, взаимодействие одной молекулы ПАУ с однимреакционным центром ГФК. В связи с тем, что количество реакционныхцентров, приходящееся на единицу массы ГФК неизвестно, то обычно длярасчета константы связывания используют не молярную, а массовуюконцентрацию ГФК, выраженную в кг органического углерода (кг С) налитр раствора. В этом случае процесс (1.1) можно рассматривать каксорбцию ПАУ гумусовыми кислотами. Такую константу обозначают спомощью подстрочного индекса ОС (Кос), при этом ее размерность - л/кг С,совпадаетсразмерностьюконстантысорбции[121].Последнееобстоятельство позволяет записать Кос как константу сорбции. Какправило, в природных средах общая концентрация ГФК (СГФК) намногобольше таковой для ПАУ (СПАУ).
Поэтому равновесную концентрациюГФК можно принять равной общей концентрации ГФК: [ГФК] ≅ СГФК.Тогда выражение для константы связывания преобразуется к следующемувиду:Koc =1- α1×αСГФК(1.3)где Кос -константа связывания ПАУ гумусовыми кислотами в расчетена массовую концентрацию ГФК, выраженную в кг органическогоуглерода (кг С) на л, α - доля свободного ПАУ, которую рассчитывали поформуле:α =[ПАУ ](1.4)С ПАУКак видно из уравнения (1.3), Кос можно рассчитать как тангес угланаклона зависимости ([ПАУ]/СПАУ - 1) от СГФК.
Для определения Коснеобходимо осуществить измерение концентрации ПАУ, несвязанногогумусовыми кислотами.Для этой цели в литературе описано применение следующихметодов: гель-хроматографии [96, 112], ультрафильтрации [96, 113],тонкослойнойхроматографииобращенно-фазовой[96],высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ-ВЭЖХ) [114-115],диализа [116-117], жидкостной экстракции [118-120], тушения [121-122] иполяризации флуоресценции [123], а также методов, основанных нарегистрации изменения водной растворимости [124] и биоусвояемости[125,126]ПАУвприсутствииГФК,измененииконцентрацииуглеводородов в газовой фазе над раствором ПАУ-ГФК [96].Большинстворазделениеизсвободнойпредшествующуювышеперечисленныхисвязаннойопределению,чтоформможетметодовПАУвноситьпредполагаеткакстадию,существенныепогрешности в получаемые значения Кос.Так, применение ОФ-ВЭЖХ позволяет разделить свободную исвязанную с ГФК формы ПАУ с помощью адсорбции на колонке собращеннойфазой.Согласно[114],свободныйПАУполностьюсорбируется, в то время как ПАУ, связанный с ГФК, проходит черезколонку, не сорбируясь.
В получаемые результаты могут вноситьпогрешности такие факторы, как десорбция некоторого количества ПАУ изкомплекса ГФК-ПАУ вследствие взаимодействия ПАУ с адсорбентом илиже недостаточно полная сорбция свободной формы ПАУ. Кроме того,согласно[127],увеличениеконцентрацииГФКможетвызыватьагрегирование их молекул и частичную сорбцию на колонке.
Какследствие, возможно занижение определяемых значений Кос.Методыдиализаиультрафильтрациипозволяютразделитьсвободную и связанную формы ПАУ с помощью мембран. Однако,согласноданным[114,128],этиметодынеприменимыдлявысокогидрофобных ПАУ (с высокими значениями коэффициентовраспределения октанол-вода) вследствие потенциальной сорбции намембранах. Это может приводить к завышению значений определяемыхКос [96]. Несмотря на указанные погрешности методов, авторами [114]была найдена хорошая корреляция между значениями Кос антрацена дляГК Aldrich и водных ГФК, определенных с помощью диализа и ОФ-ВЭЖХ.Соответствующие коэффициенты корреляции (r2) составили 0.70 и 0.68.Одним из наиболее распространенных методов, позволяющимопределять концентрацию свободного и связанного с гумусовымикислотами ПАУ без их предварительного разделения, является методтушения флуоресценции.
Использование данного метода исключаетпоявление артефактов, вызываемых смещением равновесия в системеПАУ-ГФК. Кроме того, использование данного метода не требуетопределения точной концентрации ПАУ в растворе. В связи с тем, чтометод тушения флуоресценции был использован в нашей работе дляопределенияконстантсвязыванияПАУгумусовымикислотами,остановимся более подробно на этом методе.Метод тушения флуоресценции основан на измерении уменьшенияинтенсивности флуоресценции флуорофора (ПАУ) в присутствии тушителя(ГФК).
При этом механизм тушения флуоресценции может бытьдинамическим или статическим. Динамическое тушение обусловленостолкновением тушителя и флуорофора в результате диффузии в течениевремени жизни возбужденного состояния. Вследствие контакта флуорофорвозвращается в основное состояние без излучения фотона. В случаестатического тушения между флуорофором и тушителем в основномсостоянии образуется комплекс, который не флуоресцирует [129].Информация о типе тушения позволяет сделать предположение омеханизме взаимодействия между тушителем и флуорофором. Дляидентификациимеханизматушенияизучаютзависимостьтушенияфлуоресценции от температуры и вязкости растворов, изменение спектровпоглощения флуорофора и времени затухания флуоресценции в отсутствие( и в присутствии (флуоресценциятушителя.Так, в случае статического тушения,обусловленатольконесвязаннымивкомплексфлуорофорами, и, следовательно, τ0/τ = 1. Для динамического тушениянаблюдается пропорциональное уменьшение интенсивности (F) и временизатухания флуоресценции τ0/τ = F0/F [129].Исследованию механизмов тушения ПАУ гумусовыми кислотамипосвящен целый ряд работ [122, 124, 130-133].
Однако ввиду сложностиизучаемой системы их выводы зачастую противоречивы. Так, в работе[131] была исследована температурная зависимость процессов тушенияфлуоресценции флуорантена гуминовыми кислотами почв. Увеличениетемпературы от 283 до 313 К оказывало незначительный эффект на степеньтушения (F0/F) ПАУ гуминовыми кислотами. В работах [124, 131] отмеченанеизменность времен затухания флуоресценции (τ0/τ) некоторых ПАУ вприсутствии и отсутствие различных концентраций ГФК.
Авторы [131]наблюдали незначительное уменьшение времени жизни пирена (τ0/τ = 1.2)в присутствии 50 мг/л ГК Aldrich. Однако измерение интенсивностифлуоресценции пирена в присутствии и отсутствие данных ГК не показалоаналогичного уменьшения. Описанные результаты позволили авторамвышеуказанныхработпредположитьпреобладаниестатическогомеханизма тушения ПАУ гумусовыми кислотами над динамическим.Аналогичные выводы были сделаны авторами [121, 122, 131, 132] наосновании расчетов бимолекулярных констант тушения флуоресценции впредположении диффузно-контролируемой реакции, а также исходя изпостоянства анизотропии флуоресценции ПАУ в присутствии ГФК.Для количественной оценки константы связывания ПАУ гумусовымикислотами в предположении образования нефлуоресцирующего комплексаПАУ-ГФК используют уравнение Штерна-Фольмера.
Вывод данногоуравнения основан на предположении, что интенсивность флуоресценцииПАУ в присутствии ГФК пропорциональна концентрации его свободнойформы ([ПАУ]). Тогда уравнение (1.4) можно представить в следующемвиде:α =FFо(1.5)где F0 и F - интенсивности флуоресценции ПАУ в отсутствие и вприсутствии ГФК, соответственно.
Уравнение (1.3), в свою очередь,преобразуется к выражению (1.6), известному как уравнение ШтернаФольмера [121, 129]:F0= 1 + Kоc×СГФКF(1.6)Согласно [133, 135] уравнение Штерна-Фольмера (1.6) применимопри следующих приближениях: (1) в растворе присутствует только одинвид тушителя, (2) за время эксперимента не происходит адсорбции ПАУ настенках кюветы, (3) квантовый выход флуоресценции комплекса ПАУ-ГФКравен нулю (φ = 0). Второе приближение необходимо принимать вовнимание при рассмотрении взаимодействия высокогидрофобных ПАУ сГФК.
В этом случае возможно уменьшение интенсивности флуоресценциимолекул ПАУ не только за счет их тушения ГФК, но и за счет сорбции настенках кюветы. В связи с этми, во избежание возможных погрешностейпри расчете констант связывания необходимо вводить поправки вуравнениеШтерна-Фольмера[133-134].Однакоприисследованиикинетики взаимодействия антрацена, пирена и перилена с ГФК методомтушения флуоресценции, авторами [135] было показано, что равновесиемежду молекулами ПАУ и ГФК устанавливается в течение 3-4 минут.
Наосновании полученных результатов было высказано предположение, чтовзаимодействие ПАУ с ГФК происходит за более короткий промежутоквремени, чем адсорбция ПАУ на стенках кюветы. Исследования авторов[121, 132-135] показали, что условие φ=0 выполняется для широкого кругаГФК.В случае динамического тушения ПАУ гумусовыми кислотамиконстанта связывания представляет собой произведение бимолекулярнойконстанты скорости тушения флуоресценции ПАУ гумусовыми кислотами(kq) и времени затухания флуоресценции ПАУ в отсутствие ГФК [129].В случае комбинации двух типов тушения - статического идинамического уравнение Штерна-Фольмера приобретает вид уравнениявторого порядка относительно СГФК [129]:F0= (1+Кдин×СГФК) × (1+Кстат×СГФК) = (1+Ккаж×СГФК) (1.6)FКкаж = (Кдинам + Кстат) + КдинамКстат×СГФК(1.7),где Ккаж - кажущаяся константа Штерна-Фольмера для комбинациидинамического и статического тушения; Кдин - динамическая константаШтерна-Фольмера в случае динамического механизма тушения ПАУгумусовыми кислотами.ВТабл.1.3приведенызначенияконстантсвязыванияПАУгумусовыми кислотами, определенные различными методами.Таблица 1.3Константы связывания ПАУ гумусовыми кислотами, определенныеразличными методамиИсточникпроисхождения ГФКФК почвlg КосАнтрацен4.21; 4.51Метод определенияКосИсточникТушениефлуоресценции[121]ГК почвФК водГК вод4.57; 4.93; 4.814.173.254.42РОВ поверхностных водГК Aldrich4.204.73; 5.704.603.95; 4.87; 3.81;4.62; 4.214.15; 3.954.46; 4.394.723.75РОВ поверхностных водАценафтен5.84РОВ поверхностных водБензантрацен5.205.90ГК Aldrich5.305.25ФК пресных водГК пресных водГФК морских водРОВ поверхностных водБенз(а)пирен4.885.304.604.30; 4.824.574.21; 5.105.466.00ГК Aldrich6.566.216.315.23––"––––"––ТвердофазнаяэкстракцияТушениефлуоресценцииДиализДиализУвеличениерастворимостиОФ-ВЭЖХ(SepPak)––"––ДиализТушениефлуоресценцииТвердофазнаяэкстракция[135][136][135][116][114][124][114][114][114][121][136]Жидкостнаяэкстракция[119]ДиализЖидкостнаяэкстракцияОФ-ВЭЖХ(SepPak)Твердофазнаяэкстракция[116][119]Диализ––"––––"––––"––––"––ОФ-ВЭЖХ(SepPak)ДиализЖидкостнаяэкстракцияДиализ––"––––"––ОФ-ВЭЖХ[114][136][137][138][124][131][95][115][120][119][139][140][141][115]5.955.956.30ГК почвФК почвГК водНафталин4.453.103.00РОВ поверхностных вод4.87РОВ почв4.86ГК Aldrich3.5ФК почвПирен4.014.51; 5.10ГК почв4.104.81; 4.57; 5.235.234.33ФК пресных вод4.21; 4.74; 5.00ГК пресных вод3.884.444.534.373.70ГФК моря3.76РОВ подземных вод3.10РОВ поверхностных вод4.50 - 5.50РОВ почв3.61; 3.61; 3.83;3.65; 4.185.014.6ГК Aldrich(SepPak)––"––––"––Тушениефлуоресценции[133][114][141]––"––ДиализТвердофазнаяэкстракцияЖидкостнаяэкстракцияТушениефлуоресценцииТвердофазнаяэкстракция[122][128][136]УвеличениерастворимостиТушениефлуоресценции––"––––"––––"––УвеличениерастворимостиТушениефлуоресценции––"––––"––––"––––"––ТвердофазнаяэкстракцияОФ-ВЭЖХ(SepPak)ТвердофазнаяэкстракцияЖидкостнаяэкстракцияТушениефлуоресценции––"––Твердофазная[124][142][142][136][121][143][121][143][124][121][135][124][124][135][144][95][144][119][143][121][144]экстракцияПерилен5.986.20ГК пресных водФК почвРОВ подземных вод5.83; 4.61; 6.04;4.61; 6.74; 5.475.42; 4.23; 4.21;5.155.915.95; 6.23; 6.38ГК AldrichФК почвГК почвРОВ поверхностных водРОВ подземных водГК AldrichФенантрен4.884.704.643.31; 4.08; 3.85;4.915.25; 4.81; 4.61;4.923.924.783.92; 3.99ГК почвФлуорантен4.96ФК пресных вод4.593.80; 3.90ГК пресных водРОВ поверхностных вод4.05; 4.355.21ГК пресных водФлуорен3.95РОВ поверхностных вод5.50Каквидноизпредставленных––"––ПоляризацияфлуоресценцииТушениефлуоресценцииОФ-ВЭЖХ(SepPak)––"––Тушениефлуоресценции[135][123]––"––––"––––"––ОФ-ВЭЖХ(SepPak)Тушениефлуоресценции––"––––"––ОФ-ВЭЖХ(SepPak)[121][121][121][133]ТушениефлуоресценцииУвеличениерастворимостиТвердофазнаяэкстракция––"––ЖидкостнаяэкстракцияУвеличениерастворимостиЖидкостнаяэкстракциярезультатов,[133][133][133][133][133][114][121][133][131][124][144][144][119][124][119]величиныКоссущественно различаются в зависимости от используемого методаопределения.Согласноприведеннымданным,наиболеечастоиспользуемыми методами являются диализ, тушение флуоресценции иОФ-ВЭЖХ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
