Презентация на тему "Применение флуоресцентной спектроскопии для изучения органических веществ речных вод"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. Ломоносова Кафедра химии почв Применение флуоресцентной спектроскопии для изучения органических веществ речных вод (на примере Москвы реки) Using of Fluorescence Spectroscopy to Study Organic Substances in the River Water (Exemplified by the Water of Moscow River) Москва, 2015 г.

• 
  Слайд 2

  1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

  Метод флуоресцентной спектроскопии является прогрессивным методом исследования, который применяется в самых разных областях науки и находит широкое практическое применение (биоиндикация, мониторинг загрязнения водных объектов, гидрогеологические исследования, оценка состояния растений, эффективности процессов фотосинтеза).

• 
  Слайд 3

  2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

  Целью работы является оценка возможностей использования метода флуоресцентной спектроскопии (ФС) для изучения ОВ поверхностных вод (на примере Москвы реки). Задачи: 1. Установить возможность определения присутствия в речной воде веществ белковой природы, являющихся диагностическим признаком примеси сточных вод коммунально-бытового происхождения на основе анализа модельных смесей «фоновая речная вода-сточная вода». 2. Исследовать в динамике воды р. Москвы в районе Коломенское и с помощью спектров флуоресценции оценить степень их загрязнения протеиносодержащими веществами. 3. Выявить связи между некоторыми диагностическими показателями загрязнения (ХПК, БПК, содержание аммонийного азота, фосфат-ионов) и параметрами флуоресценции речных вод (интенсивностью и диапазонами длин волн).

• 
  Слайд 4
  

  Расположение точек пробоотбора. Объекты: воды Москвы-реки в районе Московского Государственного Объединённого Музея-Заповедника “Коломенское”. Образцы отбирались в трёх створах: условно фоновом (т.1), в районе сброса очищенных вод с Курьяновской Станции Аэрации (т.2), и ниже места сброса по течению (т.3). Общее число проб: 19. Период пробоотбора: с 12.10.14 по 16.11.14 (еженедельно).

• 
  Слайд 5

  1. МЕТОД ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

  Флуоресценция– свечение вещества после воздействия на него излучением, возникающее при возвращении в основное состояние возбуждённых электронов. Наиболее склонны к флуоресценции вещества, имеющие систему сопряжённых связей, простые ароматические соединения, вещества с наличием электронодонорных соединений в бензольном кольце, а также соединения с наличием конденсированных ароматических колец. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Метод позволяет определять природу присутствующих в природной воде органических веществ, некоторые их характеристики и концентрации

• 
  Слайд 6
  

  Инт-ть флуор., услед Основная характеристика флуоресценции- Спектр испускания (эмиссии) - зависимость интенсивности испускаемого света от его длины волны при фиксированной длине волны возбуждающего света. Спектр испускания(выделен красным). Условия съемки спектров эмиссии: скорость развертки спектра 500 нм/мин, ширина щели монохроматоров 10 нм, область эмиссии 200-627,5 нм; длины волн возбуждения - 230, 254, 290, 310 нм Диагностические показатели: Присутствие и интенсивности флуоресценции ГК, ФК, тирозина и триптофана (А, В, С, Т1, Т2); расчетные индексы HIX, BIX Длина волны МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

• 
  Слайд 7
  

  Наиболее комплексная характеристика флуоресценции вещества: матрица ЕЕМ

  Длина волны возбуждения, нм Длина волны эмиссии, нм Разным цветом показаны области с разной интенсивностью флуоресценции Вода Москвы реки в черте г. Москвы (фон.створ) Вода Москвы реки в р-не Звенигорода Длина волны эмиссии, нм Вода Москвы реки в р-не Звенигорода

• 
  Слайд 8
  

  2. Метод молекулярной спектрометрии в УФ-видимой области спектра (определение коэффициентов экстинкции в диапазоне 254-450 нм) 3. Метод бихроматометрии (определение ХПК, (ГОСТ 31859-2012)) 4. Манометрический метод (определение БПК), с помощью установки Oxitop 110 5. Метод ионобменнойхроматографии (определение содержания ионов NH4+и PO42-) 6. Метод гель-хроматографии (определение молекулярных масс органических веществ) ДРУГИЕМЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Установка Oxitop СФ - 2000 Флуоресцентный спектрометр Perkin Elmer LS - 45

• 
  Слайд 9

  ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СПЕКТРОВ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ.

  1. Пик А - связан с присутствием гуминовых кислот (проявляется при длине волны возбуждающего света (далее – l ex) 230 нм и длинах волн испускаемого света (далее – l em) 400-500нм. 2. Пик С – связан с присутствием фульвокислот, lex/lem = 350/400-500нм. 3. Пик В -связанный с присутствием аминокислоты тирозина: l ex/l em= 230/310 нм. 4. Т1 и Т2 - пики, связанные с присутствием аминокислоты триптофана ; l ex/l em= 290/350нм и l ex/l em=230/350 нм, сответственно. T1 и T2. Спектр испускания, полученный при lex = 350nm.

• 
  Слайд 10
  

  ИНДЕКСЫ ГУМИФИКАЦИИ (HIX1, HIX 2), БИОЛОГИЧЕСКИЙ ИНДЕКС BIX I – интенсивность флуоресценции на указанных длинах волн lex = 310nm – сумма интенсивностей флуоресценции на указанных длинах волн lex = 254 nm Биологическая активность, органическое вещество микробной природы, белковые вещества Вещества гумусовой природы и степень их гумификации

• 
  Слайд 11

  Типичные флуорофоры, присутствующие в исследуемых водах:

  Длина волны возбуждения, нм Длина волны эмиссии, нм

• 
  Слайд 12
  

  Типичные флуорофоры, обнаруженные в жидкой фазе очищенного и промытого осадка сточных вод ФК (пик С) М? Длина волны возбуждения, нм Длина волны эмиссии, нм

• 
  Слайд 13
  

  ДАННЫЕ АНАЛИЗА ГЕНЕРАЛЬНОЙ СОВОКУПНОСТИ: Содержание иона аммония в воде в точках ниже места сброса очищенных вод превышает ПДК как для рыбохозяйственных, так и для культурно-бытовых и хозяйственно-питьевых водоёмов (2 мг/л). Содержание фосфат-иона за исключением одного образца (5,93 мг/л) не превышает ПДК (3,5 мг/л), хотя в пробах в месте сброса содержание фосфата явно повышено. Норматив БПК для речных вод – 4 мг/л, норматив ХПК – 30 мг/л, эти значения также превышены в значительной части проб.

• 
  Слайд 14
  

  Интенсивность флуоресценции триптофана в водах(практически все максимумы – в точках сброса вод – створ 2) 1 2 31 12 3 12 3 12 3 12 3 12 3 1 – фоновый створ; 2 - створ в зоне сброса; 3- контрольный створ, 1500 м ниже по течению Номера створов

• 
  Слайд 15
  

  КОРРЕЛЯЦИОННЫЕВЗАИМОСВЯЗИ между показателями флуоресценции и показателями загрязнения вод (коэфф. Спирмена):

• 
  Слайд 16
  

  ФОН (1) / МЕСТО СБРОСА (2) / НИЖЕ ПО ТЕЧЕНИЮ (3) (N1=7, N2=6, N3=6). 2. ПЕРВЫЕ ТРИ НЕДЕЛИ ПРОБООТБОРА / ВТОРЫЕ ТРИ НЕДЕЛИ ПРОБООТБОРА(N1=10, N2=9). ПРИНЦИПЫ ОБЪЕДИНЕНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В ВЫБОРКИ (ОБЪЕМ АНАЛИЗИРУЕМЫХ ВЫБОРОК)

• 
  Слайд 17
  

  1. Вся выборка делится на две части: в первые три недели для вод характерны высокие показатели БПК (Критерий Манна-Уитни U=16, p=0,017)и интенсивность флуоресценции гуминовых кислот (U=8,5, p=0,003), во вторые три недели выше валовое содержание углерода (U=1,000, p=0,0003). 2. БПК снижается со временем, что объясняется понижением температуры воды. 3. Интенсивность флуоресценции ГК (пик А) снижается в последние три недели пробоотбора одновременно с увеличением содержания Соргв воде и снижением БПК (возможно, происходит изменение структуры и состава (соотношения) органического вещества). Динамика содержания и свойств органических веществ в водах БПК, мг/л Орг. углерод Разделители: I fluor ГК, БПК, Corg, El (l=254, 280, 285, 300, 400, 436 нм) Первые 3 недели Вторые 3 недели Первые 3 недели Первые 3 недели

• 
  Слайд 18
  

  Обнаружены значимые отрицательные корреляции (r=-0,82, N=19, p=0,05) между содержанием в воде углерода и интенсивностью флуоресценции гуминовых кислот (пик А). Предположительно это связано с эффектом внутреннего фильтра (обусловленным образованием молекулярных ассоциатов или появлением других органических веществ), при котором молекулы вещества взаимно экранируют друг друга, тем самым мешая излучению. R=-0,82 Снижение флуоресценции ГК с увеличением общего содержания Сорг в речных водах

• 
  Слайд 19
  

  Выборка вод статистически значимо подразделяется на группы : условный фон (створ 1) – место сброса (створ 2) – ниже по течению (створ 3), если в качестве переменных-разделителей брать содержание иона аммония, фосфата, интенсивность флуоресценции триптофана на длине волны 290 нм, а также индекс BIX. Это подтверждается критерием Манна-Уитни и может быть визуализировано с помощью кластерного анализа. Разделение вод по месту пробоотбора (степени загрязнения) NH4, PO4 BIX, 290 TRY Фон Зоны загрязнения Фон Зоны загрязнения

• 
  Слайд 20
  

  Выявлены также статистически значимые корреляции между флуоресценцией (интенсивностями пика Ти биологическим индексом BIX (r=0,87, p=0,05)), содержанием азота и фосфатов в воде (p=0,05, r=0,87): все эти параметры ощутимо выше в точках сброса очищенной воды. Связь между показателями флуоресценции (Т1) и содержанием фосфатов в речной воде

• 
  Слайд 21
  

  1 2 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Содержание иона аммония, мг/л Содержание фосфат-иона, мг/л Номера створов Номера створов Повышенное содержание в речной воде ионов NH4+ и PO42- ПДК ПДК

• 
  Слайд 22
  

  Первая компонента разбивает выборку на две части: недели 1-3 и недели 1-6 (номера – недели пробоотбора) Связи показателей свойств и содержания органического вещества (1-я компонента), показателей загрязнения вод (2-я компонента) и динамики изменения свойств органического вещества в воде. Первые 3 недели Вторые 3 недели

• 
  Слайд 23
  

  Вторая компонента чётко выделяет из выборки все точки напротив створа сброса вод с очистных сооружений (точки 2)! точки створа 2 ниже оси Х Использование косвенных (спектральных) и прямых показателей загрязнения вод (в целом: 2-я компонента) для диагностики источника загрязнения (места сброса).

• 
  Слайд 24
  

  Оценка состояния вод по показателю А (отношение интенсивностей флуоресценции в области 300 и 425 нм) 1 2 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Пробы, отобранные в створах 2 и 3, сильно биологически загрязнены: параметр А >1 (для n=11 точек из 13). Факт превышения ПДК по иону аммония в точках сброса вод говорит о том, что методике можно доверять. ПДК 1 2 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

• 
  Слайд 25
  

  Оценка объемной доли очищенных сточных вод в речных водах по результатам моделирования Модельные смеси : зависимость между долей сточных вод и Ifluorтриптофана (пика T1) Инт-тьфлуор., усл. ед % доля сточной воды в речной воде

• 
  Слайд 26
  

  Флуоресцентная спектроскопия в ряде случаев имеет преимущества даже перед масс-спектрометрией и хроматографией

  Попытка прямого определения содержания тирозина и триптофана в исследуемых водах, включая пробу очищенной сточной воды, с помощью методов ГХ-МС и ВЭЖХ не увенчалась успехом: АК этими методами не обнаруживаются; дополнительная пробоподготовка (гидролиз) может влиять на структуру исходных соединений и заметно увеличивает и без того существенную стоимость анализа (~100$ - анализ одной пробы). Метод флуоресценции независимо от конкретной формы нахождения в растворе вещества (триптофана) тем не менее выявляет его присутствие, и этого может быть достаточно, если иметь в виду цели сравнения и диагностики, а не точного количественного определения.

• 
  Слайд 27

  ВЫВОДЫ

  1. Выявлена динамика показателей флуоресценции речных вод: с октября по ноябрь снижается интенсивность флуоресценции гуминовых кислот, что коррелирует с увеличением содержания органического углерода и уменьшением величин биологического потребления кислорода. 2. Значения БПК, ХПК в большинстве проб речной воды превышают нормативы, содержание иона аммония превышает ПДК во всех точках, приуроченных к месту сброса очищенной сточной воды. 3. Обнаружены статистически значимые корреляции между содержанием в водах азота (NH4+) и фосфора (PO42-) и интенсивностью флуоресценции триптофана, максимумы которых приходятся на точки в месте сброса сточных вод. 4. Согласно индексу Андриановой речные воды в точках, приуроченных к участку сброса сточных вод, характеризуются сильным биологическим загрязнением; что согласуется с результатами, полученными на основе измерения стандартных показателей загрязнения. 5. На основе анализа модельных смесей сточной и фоновой речной воды была выявлена значимая линейная зависимость между долей сточной воды и интенсивностью флуоресценции триптофана. Доли примеси сточной воды в исследуемых пробах речной воды, рассчитанные по результатам моделирования, не превышают 10%. 6. Метод флуоресцентной спектроскопии потенциально пригоден для обнаружения примесей сточных вод в речной воде, при этом наибольшую информативность имеет показатель интенсивности флуоресценции триптофана Т1 (lex/lem = 290/350нм)

• 
  Слайд 28
  

  Спасибо за внимание!