Трансформация фенола и двухатомных фенолов в поверхностной воде под действием природных физико-химических факторов

Введение. Фенол, а также двухатомные фенолы относятся к наиболее распространённым и приоритетным органическим загрязнениям окружающей среды. Попадая со стоками в воду в реальных условиях загрязнения, под действием природных физико-химических факторов, фенолы как высокореакционные соединения подвергаются трансформации, в результате чего возможно образование новых, иногда более токсичных соединений.

Цель исследования – исследовать процессы трансформации под влиянием природных физико-химических факторов фенола, гидрохинона, пирокатехина и резорцина в поверхностной воде.

Материал и методы. Процессы трансформации фенола и двухатомных фенолов изучали методами спектрофотометрии и люминесцентной спектроскопии. Спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре UV-1800 (Shimadzu, Япония), спектры флуоресценции – на спектрофлуориметре СМ2203 (ЗАО «Солар», Беларусь). Деструкцию фенолов до СО₂ и Н₂О (минерализацию) при комнатной температуре в натурных пробах определяли с использованием анализатора общего углерода TOC-VCHP (Shimadzu, Япония).

Результаты. Уменьшение концентрации фенола в речной воде подчинялось линейной зависимости. Кинетика трансформации резорцина соответствовала последовательной реакции. В процессах трансформации гидрохинона и пирокатехина доминировали процессы химического окисления. Гидрохинон полностью трансформировался в течение 24 ч. Степень превращения пирокатехина 87,5% достигалась за 3 дня и не изменялась в течение месяца. В течение месяца минерализация фенола составила 90%, гидрохинона и пирокатехина – 55 и 45% соответственно. Полная трансформация резорцина происходила за 7 сут. При этом образовалось соединение, обладающее яркой флуоресценцией и представляющее собой продукт поликонденсации резорцина, концентрация которого нарастала в течение всего эксперимента. Степень минерализации резорцина составила 93%.

Заключение. Трансформация фенола, гидрохинона, пирокатехина и резорцина в поверхностной воде обусловлена процессами естественного химического и биохимического окисления и зависит от химического состава и концентрации присутствующих примесей.

1. Federal Water Pollution Control Act (2002). United States Environmental Protection Agency. Available at: https://www.epa.gov/sites/production/files/2017-08/documents/federal-water-pollution-control-act-508full.pdf

2. Senthilvelan T., Kanagaraj J., Panda R.C., Mandal A.B. Biodegradation of phenol by mixed microbial culture: an eco-friendly approach for the pollution reduction. Clean Technol Envir. 2014; 16 (1): 113-26.

3. Pan G., Kurumada K.I. Hybrid gel reinforced with coating layer for removal of phenol from aqueous solution. Chem Eng J. 2008; 138 (1-3): 194-9.

4. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2015 году». М.: Минприроды России; НИА-Природа; 2016. 639 с.

5. Фомин Г.С. Вода. Контроль химической, бактериологической и радиационной безопасности по международным стандартам. М.: Протектор; 2000. 848 с.

6. Вершинин В.И., Антонова Т.В., Федорова М.А. Надежность интегральных показателей как оценок суммарных содержаний углеводородов и фенолов в природных и сточных водах. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013; 79 (10): 3-12.

7. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию. М.: Мир; 1997. 232 с.

8. Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М.: Высшая школа; 2002. 334 с.

9. Moncayo-Lasso A., Pulgarin C., Benítez N. Degradation of DBPs’ precursors in river water before andafter slow sand filtration by photo-Fenton process at pH 5 ina solar CPC reactor. Water Res. 2008; 42: 4125-132. https://doi.org/10.1016/jwaters.2008.07.014

10. Sitaras L.E., Siskos P.A. The role of primary and secondary air pollutans in atmospheric pollution: Athens urban area as a case study. Environ Chem Lett. 2008; 6 (2): 59-69.

11. Жолдакова З.И., Синицына О.О., Лебедев А.Т., Харчевникова Н.В. Экспериментальное изучение процессов фототрансформации профлавин ацетата. Гигиена и санитария. 2009; 5: 32-5.

12. Малышева А.Г., Козлова Н.Ю., Юдин С.М. Неучтённая химическая опасность процессов трансформации веществ в окружающей среде при оценке эффективности технологий. Гигиена и санитария. 2018; 97 (6): 490-7.

13. Малышева А.Г., Рахманин Ю.А., Растянников Е.Г., Козлова Н.Ю. Химико-аналитические аспекты исследования комплексного действия факторов окружающей среды на здоровье населения. Гигиена и санитария. 2015; 7: 5-10.

14. Малышева А.Г., Самутин Н.М., Козлова Н.Ю., Буторина Н.Н., Юдин С.М., Растянников Е.Г. Химико-аналитические исследования для оценки химической безопасности веществ, мигрирующих в водные растворы с отходами нефтедобывающей промышленности. Гигиена и санитария. 2017; 12: 1208-15.

15. Prasse C., Ford B., Nomura D.K., Sedlak D.L. Unexpected transformation of dissolved phenols to toxic dicarbonyls by hydroxyl radicals and UV light. PNAS. 2018; 115 (10): 2311-6. https://doi.org/10.1073/pnas.1715821115

16. Alnaizy R., Akgerman A. Advanced oxidation of phenolic compounds. Adv Environ Res. 2000; 4: 233-44.

17. Bolton J.L., Trush M.A., Penning T.M., Dryhurst G., Monks T.J. Role of quinones in toxicology. Chem Res Toxicol. 2000; 13: 135-60.

18. Костовецкий Я.И., Жолдакова З.И. В сб. статей: Гигиена населённых мест; т. 8, Калюжный Д.Н. ред. Киев: Здоровье; 1969: 75-80.

19. Вяткина О.В., Першина Е.Д., Алексашкин И.В., Ботнарь О.С. Адсорбционная и каталитическая составляющая окислительных процессов фенолсодержащей природной воды. Ученые записки Таврического национального ун-та. Серия «Биология, химия». 2009; 22 (1): 145-53.

20. Colarieti M.L., Toscano G., Grecojr G. Soil-catalyzed polymerization of phenolics in polluted waters. Water Res. 2002; 36 (12): 3015-22. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(02)000002-7

21. Li C., Ji R., Vinken R., Hommes G., Bertmer M., Schäffer A. et al. Role of dissolved humic acids in the biodegradation of a single isomer of noniphenol by Sphingomonas sp. Chemosphere. 2007; 68 (11): 2172-80. https://doi.org/10.1016/jchemosphere.2007.01.080

22. Ren L.F., Chen R., Zhang X., Shao J., He Y. Bioresource Technology Phenol biodegradation and microbial community dynamics in extractive membrane bioreactor (EMBR) for phenol-laden saline wastewater. Bioresour Technol. 2017; 244: 1121-8. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.121

23. Szewzyk U., Szewzyk R., Schink B. Methanogenic degradation of hydroquinone and catechol via reductive dehydroxylation to phenol. FEMS Microbiol Ecol. 1985; 31: 79-87.

24. Pradeep N.V., Anurama S., Navya K., Shalini N.H., Idris M., Hampannavar U.S. Biological removal of phenol from wastewaters:a mini revive. Appl Water Sci. 2015; 5 (2): 105-112.

25. Latkar M., Chakrabarti T. Resorcinol, catechol and hydroquinone biodegradation in mono and binary substrate matrices in upflow anaerobic fixed-film fixed-bed reactors. Water Res. 1994. 28 (3): 599-607; https://doi.org/10.1016/0043-1354(94)90010-8

26. Harbison K.G., Belly R.T. The biodegradation of hydroquinone. Environ Toxicol Chem. 1982; 1: 9-15. https://doi.org/10.1002/etc.5620010103

27. Kumar P., Nemati M., Hill G.A. Biodegradation kinetics of 1,4-benzoqunone in batch and continuonus systems. Biodegration. 2011; 22 (6): 1073-93. https://doi.org/10.1007/s10532-011-9465-1

28. Чайковская О.Н., Соколова И.В., Каретникова Е.А., Липатникова Е.С. Спектральное и хроматографическое исследование влияния предварительного УФ-облучения на биоразложение нитрофенолов. Журнал аналитической химии. 2009; 64 (10): 1059-62.

29. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. В 2 кн. Кн. 2. М.: Химия; 1974. 744 с.

30. Рахманин Ю.А., Иванова Л.В., Артемова Т.З., Загайнова А.В., Гипп Е.К., Недачин А.Е. и соавт. Жизнедеятельность микроорганизмов и паразитарных патогенов в условиях химического загрязнения воды поверхностных водоёмов. Гигиена и санитария. 2017; 96 (10): 956-60. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2017-96-10-956-960

31. Joschek H.I., Miller S.I. Photooxidation of Phenol, Cresols, and Dihydroxybenzenes. J Am Chem Soc. 1966; 88 (14): 3273-81

32. Соколова И.В., Чайковская О.Н., Светличный В.А., Кузнецова Р.Т., Копылова Т.Н., Майер Г.В. и соавт. Фотопревращения фенолов в водных растворах при различном возбуждении. Химия высоких энергий. 2002; 36 (4): 307-10

33. Gomeza M., Murciaa M.D., Gomeza J.L., et al. Testing a KrCl excilamp as new enhanced UV source for 4-chlorophenol degradation: Experimental results and kinetic model. Chem Eng Process. 2010; 49: 113-9

34. Эммануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа; 1984. 463 с