физические параметры, характеризующие воздействие

VI М Е Ж Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н А Я Н А У Ч Н О - П Р А К Т И Ч Е С К А Я К О Н Ф Е Р Е Н Ц И Я О Д А Р Е Н Н Ы Х Ш К О Л Ь Н И К О В
ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ
ВОЗДЕЙСТВИЕ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ УПАКОВОЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА ВОДНУЮ СРЕДУ1
БЛАГУШКО МАКСИМ
Санкт-Петербург
Руководители: к.ф.-м.н. ПИВОВАРОВ С.С.,
к.ф.-м.н. БОЖЕВОЛЬНОВ В.Б., д.ф.-м.н. ЯФЯСОВ А.М.
В различных сферах жизнедеятельности человека используются синтетические (то
есть не имеющие аналогов в природе) материалы. Их использование велико и в ближайшие годы, по-видимому, будет расти. Особое место среди них занимают так называемые
упаковочные материалы.
Область применения упаковочных материалов ("Паков") чрезвычайно широка, и
поэтому трудно проследить весь их "жизненный" цикл, особенно на заключительной стадии их существования. То есть, если эти материалы не используются повторно или не
сжигаются, то они в той или иной форме входят в длительный контакт с атмосферой,
водной средой и почвой.
Упаковочные материалы наряду с загрязнением окружающей среды отходами могут являться антропогенным фактором, вносящим существенный дисбаланс в естественный ход (экологический баланс) биологических процессов.
Поэтому изучение характера взаимодействия упомянутых выше материалов на разных стадиях их жизненного цикла и окружающей среды является одной из актуальных
проблем экологии, а взаимодействия материалов такого рода с элементами экосистемы
являются предметом интенсивных исследований в биологии, химии, физике и особенно
на стыке этих наук.
В соответствии с целями, поставленными в рамках данного проекта, в качестве
объектов исследований были выбраны широко используемые в пищевой промышленности пластиковые упаковки от йогурта, стекло от пивных бутылок, полистирол от лимонадов, картон и пакеты "тетрапак" (для упаковки жидких продуктов).
Существует устойчивое мнение, основанное на результатах тщательных исследований, что широко используемые в пищевой промышленности и строительстве пластические материалы практически индифферентны по отношению к окружающей среде (то
1
44
Работа выполнена в рамках исследований по ESHA – AMOCO PROJECT
VI М Е Ж Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н А Я Н А У Ч Н О - П Р А К Т И Ч Е С К А Я К О Н Ф Е Р Е Н Ц И Я О Д А Р Е Н Н Ы Х Ш К О Л Ь Н И К О В
есть не вступают с ней в биохимическое взаимодействие) [1]. Экологическую опасность
эти материалы представляют только с точки зрения загрязнения местности при их утилизации. Однако исследования, проведённые в последние годы с использованием новых,
более чувствительных методов, реализованных в Лаборатории наукоёмких технологий
Академической Гимназии СПбГУ, позволяет взглянуть на проблему взаимодействия упаковочных материалов и окружающей среды с иной точки зрения.
В микробиологии хорошо известно, что адаптация и жизненный цикл многих бактерий, в том числе и бактерий, вредных для человека, во многом зависит от подложки, на
которой происходит рост и развитие популяции этих бактерий [2].
Мы предположили, что исследуемые нами материалы, по сути, представляют собой широкий спектр подложек, которые могут активизировать развитие одних и сдерживать развитие других биопопуляций. Подобный подход нам кажется нетривиальным и ранее не использовался, по крайней мере широко, в приложении к проблеме: упаковочный
материал – среда.
Химические процессы вообще, а биохимические процессы в частности, сопровождаются изменением зарядовых свойств реагирующих компонентов. При этом процессы
переноса заряда в биохимической реакции контролируется "потребностями" (гомеостазом) биологической системы. В биологически активной среде, в частности в природных
водоёмах, существует определенный баланс живых и неживых элементов данной среды
(то есть необходимо соблюдение минерального, кислородного, углекислого и т.д. состава
для некоторой совокупности "микробиологии"). По установившимся зарядовым соотношениям можно оценить характер процессов, протекающих в данной среде, например
процессы брожения и гниения.
Естественно ожидать, что изменение состояния
биологической среды будет сопровождаться изменениями спектрально-люминесцентных
свойств. Поэтому одновременный контроль спектрально-люминесцентных свойств
биоактивной
(водной)
среды,
содержащей
исследуемые
материалы,
позволяет
дополнительно идентифицировать основные биохимические процессы.
Задачи работы
1.Исследование электрофизических и спектрально-люминесцентных свойств собственных
водных сред, содержащих в качестве добавок упаковочные материалы:
- стекло;
- картон (упаковочный);
- пластиковые материалы (полистирол);
45
VI М Е Ж Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н А Я Н А У Ч Н О - П Р А К Т И Ч Е С К А Я К О Н Ф Е Р Е Н Ц И Я О Д А Р Е Н Н Ы Х Ш К О Л Ь Н И К О В
- пакеты типа "тетрапак".
2.Исследование влияния привнесённых добавок на экологическое состояние водной среды.
Постановка эксперимента
Приготовление образцов. Для приготовления пробы бралась вода из естественного водоема в парке Старого Петергофа недалеко от здания Гимназии. Общий объём каждой отдельной пробы составил 3 л. Каждый сосуд был заполнен на одну треть донными
отложениями (ил, листья и т.д.) и залит водой.
Для имитации естественных условий сосуды освещались в течение дня (по 10 часов) лампами накаливания мощностью 100 вт. Лампы находились на расстоянии 25 см от
поверхности воды.
Два сосуда являлись контрольными, а в остальные восемь через 14 дней после набора воды был добавлен пластик, битое стекло, полистирол, картон и пакет типа "тетрапак". Для увеличения активной поверхности упаковочные материалы были разрезаны на
кусочки размером 5×5 мм.
Были проведены две серии опытов: в июне и ноябре. Результаты, полученные летом и осенью, оказались идентичными.
Методика эксперимента. Исследовалась кинетика изменения электродного потенциала и спектры
поглощения,
люминесценции
и
возбуждения
люминесценции
в
Рис. 1. 1- насыщенный раствор KCl; 2 - образец
или дистиллированная вода;3 - соляной мостик; 4 - ультрафиолетовом и видимом диаугольный электрод; 5 - твердотельный электрод; 6
- двухкоординатный самописец.
пазоне. Кинетика изменения элек-
тродного потенциала в испытуемых средах измерялась на специально подготовленном
твердотельном электроде относительно эталона. Схема установки, на которой проводились измерения, приведена на рис.1.
Спектрально-люминесцентные свойства исследуемых образцов регистрировались
на серийных приборах – спектрофотометре КСВУ-23 и спектрофлюориметре С-4 (производство ЛОМО). Поглощения исследуемых объектов измерялись в кварцевых кюветах
относительно дистиллированной воды: D = –ln(I2/I1) , где D – оптическая плотность; I2 –
интенсивность излучения, прошедшего через кювету с исследуемой жидкостью; I1 – интенсивность излучения, прошедшего через кювету с дистиллированной водой.
46
VI М Е Ж Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н А Я Н А У Ч Н О - П Р А К Т И Ч Е С К А Я К О Н Ф Е Р Е Н Ц И Я О Д А Р Е Н Н Ы Х Ш К О Л Ь Н И К О В
Люминесценция измерялась при фронтальном возбуждении образца.
Результаты и обсуждение
Результаты измерения электродного потенциала для исследуемых объектов приведены на рис.2. Как следует из приведенных результатов, для сред, содержащих стекло и
полистирол, не наблюдается различий в характере кинетики изменения электродного потенциала относительно контрольной среды.
Рис.2 (слева). 1 - контрольные образцы;
2 - стекло; 3 - полистирол; 4 - пакет от
йогурта; 5 - пакет от молока; 6 - картон.
Рис.3. 1 - контрольные образцы, стекло,
полистирол; 2 - картон; 3 - пакет от молока.
Для сред, содержащих пластик, картон
и "тетрапак", наблюдается стабильное увеличение потенциала в область положительных
значений.
Следует отметить, что повторные измерения в течение трех недель (рис.3) показали стабильное поведение среды, содержащей полистирол, стекло и пакет "тетрапак" (кривая 3), в то время как в случае картона изменение потенциала релаксировало к нулю, что,
по-видимому, связано с его адаптацией к окружающей среде в течение трех недель. Стабильный рост потенциала в случае пакетов "тетрапак" может говорить о более длительном периоде адаптации материала к окружающей среде либо о протекании на поверхности пакета процессов с дефицитом кислорода; последние, в свою очередь, представляют
особенный интерес для исследования процессов гниения и брожения и нуждаются в дополнительном изучении.
47
VI М Е Ж Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н А Я Н А У Ч Н О - П Р А К Т И Ч Е С К А Я К О Н Ф Е Р Е Н Ц И Я О Д А Р Е Н Н Ы Х Ш К О Л Ь Н И К О В
Рис.4
Рис.5
Анализ спектров поглощения исследуемых объектов проявляет особенности в
ультрафиолетовой области спектра (рис.4). Спектры дополнительного поглощения
(рис.5) показали, что наличие пластика в среде практически не приводит к изменению
спектра поглощения (рис.5, кривая 1), в то время как наличие упаковки "тетрапак" приводит к увеличению поглощения в коротковолновой области и появлению диффузных полос поглощения с максимумами 280 и 400 нм (рис.5, кривая 2).
Рис.6
Рис.7
Наличие в исследуемой среде упаковочных материалов приводит к значительным
изменениям спектров люминесценции и возбуждения люминесценции (рис.6,7). Исчезает
48
VI М Е Ж Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н А Я Н А У Ч Н О - П Р А К Т И Ч Е С К А Я К О Н Ф Е Р Е Н Ц И Я О Д А Р Е Н Н Ы Х Ш К О Л Ь Н И К О В
полоса люминесценции 400 нм и меняется характер спектров возбуждения люминесценции. Изменения спектрально-люминесцентных свойств констатируют изменения биологического состояния среды. Точная идентификация полос поглощения и излучения требует дополнительных исследований.
Выводы
1. Было установлено, что оптические и электрофизические параметры чувствительны к изменению состояния окружающей среды (водной среды), обусловленному загрязнением упаковочными материалами.
2. Было установлено, что стекло и полистирол не влияют на электрофизические и
оптические свойства водной среды.
3. Было установлено, что упаковочные материалы типа картон, упаковки от йогурта и молока, вызывают смещение электродного потенциала в сторону положительных
значений, причем это смещение наблюдается одновременно с изменением спектров излучения и поглощения.
4. Было обнаружено, что для водной среды, содержащей упаковочные материалы
из картона, существуют две фазы взаимодействия водной среды и картона. Первая фаза –
сильное изменение электрофизических и оптических свойств, имеющее место в течение
1–2 недель. Вторая фаза – релаксация физических параметров к состоянию, характеризующему контрольный образец (фаза адаптации).
Обобщение
Полученные нами результаты показывают эффективность использования электрофизических и оптических методов для исследования проблемы загрязнения окружающей
среды упаковочными материалами. Мы полагаем, что необходимо продолжать детальное
изучение данной задачи для разработки новых методик и оборудования для контроля состояния водной среды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Rehm H.-J. Industrielle Microbiologie, Springer Verlag, 1980.
2. Shlegel G. Allgemeine Microbiologie, Georg Tihime Verlag, 1985.
3. Date for biochemical research. 3rd Edition, Oxford, 1986.
4. Паркер С.А. Фотолюминесценция в растворах, М., 1980.
5. Reid C. Excitation states in chemistry and biology, London, 1957.
6 Баренбойм Г.М. Фотолюминесценция биополимеров и клеток, М., 1966.
49