25 лет методу определения биоразлагаемости ПАВ по ГОСТ Р 50595; основные феномены и закономерности, установленные с его использованием


В.В.Бочаров
- докт.биол.наук, к.х.н.

Ю.Ф.Перегудин,

М.В.Раевская,

О.А.Рыжкова

г. Шебекино ООО НПФ «ВНИИПАВиСП», г.Белгород, НИУБелГУ

По материалам доклада, представленного на конференции "GlobalConferenceonEnvironmentalHealthProblemsandWaterPollution (GCEHWP 2012)" в Лондоне 17-22 сентября 2012 г.

В связи с предстоящим принятием ТР ТС «О безопасности синтетических моющих средств (СМС) и товаров бытовой химии (ТБХ)» доработанный вариант «метода» по ГОСТ Р 50595 находится в стадии согласования странами-участниками ТС (см.сайт АИС МГС).

Ниже обсуждаются особенности метода и его возможности для прогноза и отбора ПАВ, используемых в производстве СМС и ТБХ, с минимальными экологогигиеническими последствиями.

1.Определение показателей биоразлагаемости ПАВ по ГОСТ Р 50595.

Биоразложение (биоассимиляция) ПАВ микроорганизмами активного ила - необратимый неравновесный   физико-химический  процесс, обусловленный   адсорбцией молекул ПАВ на  поверхности  «живого»  активного ила, лимитируемый диффузией  молекул ПАВ: внутренней – неадаптированным и внешней – адаптированным  активным илом с последующим биоассимилированием адсорбированных молекул ПАВ в качестве источника питания и роста микроорганизмов активного ила  с  выделением в окружающую среду продуктов метаболизма – СО2 и воды.

В основу моделей, используемых для оценки биоразлагаемости ПАВ, положен биоценоз активного ила, который по правилам термодинамики [1,2] необходимо изучать на моделях аэротенков, функционирующих в непрерывном проточном режиме нормальных условий работы биологических очистных сооружений, отвечающих условиям «открытых систем».

Скринниг – методы (ENISO 14593:1999 и его аналоги) определения биоразлагаемости [3], принятые в ЕС  (применяются ≈ для 95%  ПАВ), не относятся к «открытым системам», поэтому результаты, полученные с их использованием, мало достоверны (см. табл. 4 ). Это подтверждается практически одинаковыми результатами степени биоразло-жения(%) для большинства   ПАВ.  

Метод «подтверждающего» теста[3] (ENISO 11733:2004) на моделях проточных аэротенков (используется значительно реже) хотя и относится к «открытым системам»,  однако имеет ряд недостатков методического характера, снижающих достоверность результатов.

А именно, в методе:

- не регламентируется происхождение активного ила, не контролируется «жизнеспособность» активного ила;

- используется т.н. адаптационный период, не учитываемый в эксперименте (10 или 20 суток), в течение которого  концентрацию ПАВ на входе  аэротенка повышают с 0 до 10 (или до 20) мг/л, а основной период испытаний продолжается  в течение последующих 20 суток.

Нами установлено, что активный ил для подавляющего большинства ПАВ адаптируется в течение  первых 3-15 суток. В результате чего  все ПАВ в основной период по методу 11733:2004(с 20 по 40–е сутки) биоразлагаются  адаптированным илом практически в равной степени. При этом различия в степени биоразложения ПАВ зависят лишь от чувствительности аналитических методик определения остаточного количества ПАВ в очищенной воде.

В методе по ГОСТ Р 50595-93 [4] входные регулирующие параметры системы  поддерживаются постоянными  на  протяжении  всего периода эксперимента, а способность ПАВ к биоразложению выражается  параметрами, харак-теризующими систему «активный ил – ПАВ» с позиций двух взаимодействующих компонентов: активного ила по способности адаптироваться к  новому источнику  питания (ПАВ), и молекул ПАВ - биоассимилироваться микроорганизмами активного ила. Сравнительные характеристики методов представлены в таблице 1.


Таблица 1.   Сравнительные характеристики методов определения биоразлагаемости ПАВ

  Параметры метода  Условия, показатели, режимы
 ГОСТ Р 50595-93 «Вещества поверхностно-активные. Метод определения биоразлагаемости в водной среде»  ENISO11733:2004 «Процедура подтверждающего испытания в аэротенках». Эталонный метод, применяемый для улаживания спорных вопросов в суде.  
ENISO14593:1999 OECD 301B  Метод анализа  в за-крытых сосудах по выделяемому СО2
 1. Среда     Водопроводная вода с минеральными солями и органическим   питанием  Деионизованная вода с добавками минеральных солей
 2. Инокуляция,
концентрация ила  
 Неадаптированный активный ил, культивированный в аэротенке на синтетической сточной воде унифицированного состава; 2,5±0,5 г/л; избыточный ил ежедневно удаляется  Активный ил с очистных сооружений 2,5г/л; концентрация ила регулируется 2 раза в неделю  Активный ил с очистных сооружений, первоначальная концентрация - 30мг/л, в течение 28 сут не контролируется
3. Концентрация ПАВ
или ПАВ-содержащего средства
 постоянная на весь период испытаний   
<0,5 ККМ (критическая концентрация мицеллообразования)
 Переменная в течении 10 (20) сут, затем постоянная в течение последующих 20 сут для АПАВ и НПАВ   ПАВ в интервале 10-20 мг/л (по ХПК)
4. Подготовка образца для испытания  Товарные ПАВ и ПАВ - содержащие составы – дозирование в расходную емкость до испытуемой концентрации  Товарные ПАВ - дозирование в расходную емкость до испытуемой концентрации.
ПАВ-содержащие составы – предварительное извлечение ПАВ экстракцией или ионным обменом
 Товарные ПАВ - дозирование один раз в емкость до испытуемой концентрации
5. Аппаратура,
условия 
 Непрерывно действующая модель аэротенка; 20±0,5оС;  период    аэрации 6 ч;   аэрация 0,3 мин-1  Непрерывно действующая модель аэротенка; 19- 24оС, период аэрации 3 ч  Закрытая стеклянная колба 2,5л; объем водного раствора 2л;аэрация воздухом, очищенным от СО2;  22±2оС; в темноте
6. Продолжительность  испытаний   10-15 сут –  подготовка активного ила; 30 сут -  непрерывная     подача ПАВ при постоянной  концентрации с начала  испытаний  Предварительная адаптация  в течении 10 (20) сут  при  повышающейся от 0 до 20 мг/дм3 концентрации ПАВ и 20 сут. при постоянной концентрации ПАВ – 20мг/л  28 сут
7. Параметры, по которым оценивается  
 биоразлагаемость 
 Продолжительность индукционного периода - Тинд;
степень (%) полного Х28полн (по ХПК) и/или первичного Х28перв биоразложения   ПАВ (или ПАВ-содержащих средств) неадаптированным илом в течении  28 сут;
максимально недействующая массовая концентрация ПАВ в составе синтетической сточной воды - МНКа, мг/дм3;
степень (%) полного Хаполн (по ХПК) и/или первичного Хаперв биоразложения ПАВ (или ПАВ-содержащих средств) адаптированным илом
Средняя степень первичного (%) биоразложения ПАВ адаптированным активным  илом за 20 сут (с 21 по 40сут)  % выделившегося СО2 относительно теоретического; не менее 60%
8. Параметры, по которым оценивается жизнеспособность биологической системы  в течение 30-ти суточного определения  Показатели нитрификации, ХПК очищенной   воды, состояние активного ила (иловый индекс, видовой состав, хлопок, наличие индикаторных микроорганизмов)   Не регламентируется  Не регламентируется



В отличие от методов ЕС (ENISO 11733:2004 и 14593:1999), определение показателей биоразлагаемости ПАВ по  ГОСТ Р 50595 проводят с использованием как минимум  двух модельных аэротенков (контрольного и опытного), функционирующих в непрерывном проточном режиме нормальных условий работы биологических очистных сооружений. В аэротенки загружают неадаптированный активный ил 2,5±0,5 г/дм3 (специально культивируемый на синтетической сточной воде (ССВ) стандартного состава) и на вход подают ССВ. После стабилизации работы аэротенков и выравнивания видового состава и концентрации  активного ила в аэротенках в ССВ, подаваемую в  опытный аэротенк, вводят ПАВ (или ПАВ-содержащий состав) с постоянной массовой концентрацией СПАВвх = const в течение  30-суточного  периода определения; периодически измеряют остаточные массовые концентрации ПАВ  (СПАВвых и ХПКвых) в очищенной  воде  из опытного  аэротенка, а также ХПКвых(конт) очищенной сточной воды контрольного аэротенка; поддерживают концентрацию активного ила, контролируют  показатели функционирования  активного ила (см. п.8 табл.1) в опытном и контрольном  аэротенках. По результатам анализов очищенной сточной воды строят временные зависимости процесса биоразложения СПАВ(вых.) = f(t)  и   ∆ХПКвых=f(t)      (рис. 1, а и б).


  2

Рис.1 Типичные графики временных зависимостей  первичной (а) и полной (б) биоразлагаемости ПАВ


Примечания:
В зависимости от структуры и состава молекул  испытуемого ПАВ графики временных зависимостей СПАВ(вых) = f (t)  и  ΔХПК(вых) = f (t)    (рис. 1а и б) могут смещаться как по оси абсцисс, так и по оси ординат.

Из графиков временных зависимостей вычисляют показатели биоразлагаемости (биоассимиляции) ПАВ, а именно:
а) продолжительность индукционного периодаинд, сут), в течение которого неадаптированный активный ил адаптируется к испытуемому ПАВ  (или ПАВ -  содержащему  составу);
Определение величины Тинд сводится к нахождению той области функций  (СПАВ(вых).),t) или (Δ ХПКвых, t), в которой зависимости  СПАВ(вых.) = f(t) или Δ ХПКвых= f(t),  выходят на плато.
Примечание:
Как правило, при достижении адаптации (Тинд) пенообразование в аэротенке снижается практически до нуля. Поэтому период времени, в течении которого пенообразование прекращается, служит независимым методом определения Тинд.

Точность определения величины Тинд не зависит от точности  и чувствительности методик определения массовых концентраций ПАВ в очищенной сточной воде. Величина Тинд, определенная в стандартных условиях, является специфической характеристикой  способности молекул испытуемого ПАВ к биоассимилляции. По  продолжительности Тинд (сут) устанавливают класс биоразлагаемости ПАВ:

Таблица 2

Класс биоразлогаемости ПАВ Продолжительность индукционного периода Тинд, сут
1.Быстро разлагаемые * до 3, включая
2. Умеренно разлагаемые * более 3 до 10, включая
3. Медленно разлагаемые ** более 10 до 25, включая
4. Чрезвычайно медленно разлагаемые ** более 25

*Для предупреждения загрязнений водоемов и предотвращения «проскока» ПАВ через биологические очистные сооружения рекомендует-ся в составах СМС, ТБХ и средств гигиены использовать «быстро» и « умеренно разлагаемые» ПАВ (Тинд≤ 10).
** «Медленно и чрезвычайно медленно разлагаемые» (биологически «жесткие») ПАВ, перед сбросом на биологические очистные сооружения, рекомендуется удалять из стоков физико-химическими способами.

б)  максимально недействующую массовую концентрацию ПАВ в составе синтетической сточной воды - МНКа (или ОДУа), мг/дм3  -  концентрацию ПАВ, не вызывающую  нарушений  режимов функционирования  аэротенка в течение 30-суточного периода определения. Отклонения  ее величины в составах на основе ПАВ от величины МНКа  для этого же  ПАВ без добавок позволяет судить о негативном (или позитивном) влиянии компонентов состава на био-разлагаемость  испытуемого ПАВ.  Для санкционирования  допуска ПАВ (или  ПАВ-содержащих составов) к  обращению на рынке - в соответствии  с «Едиными  санитарно-эпидемиологическими  и  гигиеническими  требова-ниями  к товарам, подлежащим  санитарно-эпидемиологическому  надзору  (контролю)»,  утвержденными  Решением  Комиссии  Таможенного  союза 28 мая 2010 г.  № 299,  гармонизированными с  требованиями Директивы ЕС № 648/2004 от 31 марта  2004 г. «О моющих  и  чистящих  средствах»   (биоразлагаемость  средств  по Стандарту ENISO 14593:1999)  рассчитывают: степень полного Х28полн (первичного Х28перв)  биоразложения ПАВ (%,масс.) неадаптированным активным илом за 28 суток (заштрихованные области на рис. 1а и 1б) от суммарно поданного в систему ПАВ:

Первичное биоразложение Полное биоразложение
3 4

 
где Свх(пав) =const и Свых(пав)=var– массовые  концентрации ПАВ на входе в аэротенк и в очищенной сточной воде, мг/дм3;
∆ ХПКвых = var– разница в химической потребности в кислороде очищенной сточной воды опытного и контрольного аэротенков в i-сутки с начала испытаний, мг/дм3;
ХПКвх(пав)=const – ХПК испытуемого ПАВ, подаваемого с синтетической сточной водой в опытный аэротенк, мг/дм3.
Величины показателей  биоразлагаемости, учитываемые при санкционировании обращения ПАВ на рынке: Х28полн≥70%; Х28перв≥80%.
Нашими исследованиями  (более 400 ПАВ и составов на их основе) установленочто  степени полной биоразлагаемости Х28полн  ≥  70%  соответствует степень первичной биоразлагаемости Х28перв  ≥  90%. Поэтому принятая Директивой  ЕС № 648/2004 от 31.03.2004 г. величина первичной биоразлагаемости за 28 суток – 80%является  заниженной, что создает  опасность допуска на рынок медленно и чрезвычайно медленно разлагаемых («биологически жестких»)  ПАВ, «проскакивающих»  через  биологические очистные сооружения (БОС). Согласно Директиве ЕС № 648/2004  от 31 марта 2004 г., ограничены или запрещены для обращения на рынке ЕС: алкилфенолэтоксилаты и их производные, алкилсульфосукцинаты, блоксополимеры окисей этилена и пропилена, этоксилаты моноэтаноламидов жирных кислот, этоксилаты алкиламинов, четвертичные аммониевые соли, КПАВ, производные спиртов Гербе, алкилсульфонаты дифенилоксида. Для большинства из перечисленных продуктов, решения о запрете приняты из-за недостаточных знаний и по «политико-экономическим»  соображениям в борьбе с конкурентами.

2. Впервые установленные закономерности биоразлагаемости ПАВ.
Промышленные ПАВ представляют собой смеси гомологов по гидрофобной части (АПАВ, КПАВ, АмфПАВ) или гидрофильной части (например, НПАВ – аддукты окисей этилена). Фракционные составы таких ПАВ обычно оптимизируют по технологическим или другим потребительским свойствам. При этом никогда не принимается во внимание биоразлагаемость входящих в технический продукт гомологов,  которая,  как  установлено нами, меняется в любом гомологическом ряду от быстро разлагаемых до чрезвычайно медленно разлагаемых.
ПАВ являются идеальным объектом для изучения закономерностей биоразлагаемости  активным илом, потому что можно проводить исследования  в гомологических рядах, члены которых отличаются  величинами гидрофобной (или гидрофильной) части молекулы. Кроме того, в гомологических рядах ПАВ изменения физико-химических и коллоидных свойств гомологов подчиняются  правилу Дюкло – Траубе.

2.1. Оксиэтилированныеалкилфенолы. Влияние структуры  молекул  алкилфенолов на биоразлагаемость  их этоксилатов.
Согласно Постановлению (ЕС) № 1907/2006 от 18.12.2006 г. (REACH), Приложение VII «Ограничение на изготовление, помещение на рынок и использование некоторых опасных веществ, смесей и объектов», оксиэтилированные алкилфенолы запрещены к использованию на территории ЕС в моющих и чистящих средствах, ТБХ, косметике и др. областях применения в концентрации > 0,1%.
При алкилировании фенолов всегда образуются смеси моноалкилфенолов (пара- (р-) и орто- (о-) изомеров) и диалкилфенолов. Последние отделяют от моноалкилфенолов. Соотношения между р- и о-изомерами зависят  от  алкилирующего агента, катализатора, условий   алкилирования. Например, при алкилировании тримерами пропилена образуется смесь p- и о-изомеров в соотношении (80-85):(15-20); при алкилировании α-олефинами (50-60):(40-50).
Для оксиэтилирования в качестве исходных алкилфенолов используются также третоктилфенолы, смеси изододецилфенолов, втор-октил и децилфенолов и др.; в России pизононилфенолы (Неонолы),
ди-2,4-третбутилфенолы  (Смачиватель ДБ), смеси моно- и диалкилфенолов на  основе полимердистиллата фр.С810 (ОП-4,7,10). В литературе все эти продукты называют оксиэтилированными  алкилфенолами. Вместе с тем они различаются как по составу, структуре, так и по физико-химическим и эколого-гигиеническим свойствам.
Проведенные нами более 20 лет назад исследования по влиянию изомерного состава (пара/орто) оксиэтилированных моноизононилфенолов (взаимное положение алкильного  радикала и полиоксиэтиленгликолевой цепочки) на их биоразлагаемость позволили сделать выводы, что скорость их биоразложения определяется содержанием p-изомеров[5]. С ростом содержания p-изомеров продолжительность адаптационного периода Тинд снижается, одновременно повышаются скорости процессов первичного и полного  биоразложения. У оксиэтилированных о-изононилфенолов (по сравнению с  p-изомерами)  Тинд больше в 2-3 раза, МНКа для аэротенков в три раза ниже (10 мг/л вместо 30 мг/л), в несколько  раз  ниже константы скоростей первичного и полного биоразложения. Это можно объяснить тем, что у о-изомеров в силу  своей  структуры алкильная часть молекулы экранирует полиоксиэтиленгликолевую цепочку, они хуже сорбируются активным илом и, вследствие этого, медленнее разлагаются.
Оптимальным с точки зрения биоразлагаемости является содержание  p-изомеров в исходных изононилфенолах более 92% (рис.2). Оксиэтилированные  p-92-изононилфенолы  (Неонолы) выпускаются ОАО «Нижнекамснефтехим» с 1988г. и 90% из них экспортировались в ЕС.


5
Рис. 2 Кинетические кривые первичного биоразложения isoNphE10 с разным содержанием  p-изомеров: 1- 19%; 2-55%; 3-35%; 4-100%.


2.1.1 Токсичность и отдаленные эффекты Неонолов для теплокровных
Систематические и многосторонние исследования токсичности Неонолов (этоксилатов  p-92 –изононилфенолов на 4,6,8,10,12 и 25 молекул окиси этилена) проведены на кафедре гигиены Харьковского мединститута [6].
Вышеперечисленные ПАВ относятся к умеренно и малотоксичным соединениям (DL50 4-6 г/кг, МНК 8-18мг/л), не обладающими видовой и половой чувствительностью.
Отдаленные последствия неонолов изучались на белых крысах Вистар в подостром опыте.  Животные подвергались пероральной затравке при  1/10,1/100,1/1000 и 1/10000 DL50.
Установлено, что влияние Неонолов на генеративную функцию проявляется  на  уровне  их  общетоксического действия. Дозы 1/1000 DL50 (8-12 мг/л) не оказывали влияния на  функциональные и морфологические показатели  гонад.       Результаты исследований  мутагенной активности свидетельствуют, что  Неонолы в концентрациях до 25 мг/л не оказывают влияния на частоту  мутаций триптофансинтетазы  Е.соli и на частоту мутаций клеток Х-63,а также  не  изменяют  спектр синтезируемых белков, т.е. Неонолы не обладают  мутагенной активностью.
При оценке сенсибилизирующих свойств на морских свинках ни один из Неонолов не дал положительных реакций при внутриклеточном тестировании, а  также при накожной и конъюктивальной сенсибилизации.
Реакции  специфического лизиса лейкоцитов (РСЛЛ), агломерации лейкоцитов (РСАЛ), повреждения  базофилов  (РСПБ)  спустя  24 часа после введения разрешающей дозы были  отрицательными.
Изучение иммунобиологической реактивности Неонолов не выявило  аллергических сдвигов в организме лабораторных животных, однако определило  значительное  подавление  гуморального и клеточного иммунитета. Дозы  1/1000 DL50 также были недействующими по клинико-биохимическим  показателям.
Очищенные сточные воды после  биоразложения Неонолов  аэротенках(при Свх=30 мг/л, Свых= 0,1-0,2 мг/л) не влияют на состояние  лабораторных  животных и гидробионтов. В реальных же условиях  концентрации Неонолов в воде водоемов не превышают 0,05 мг/л - как минимум, в 2 раза ниже ПДК по органолептическому и 15-40 раз ниже по токсикологическому признакам вредности, соответственно.
Т.о. этоксилаты  p-изононилфенолов как в нативном состоянии, так и после очистки в аэротенках малоопасны для  гидробионтов и лабораторных животных.

2.2 «Линейные» алкилбензолсульфонаты
В зависимости  от  алкилирующего агента используются три схемы получения  ЛАБов - путем алкилирования бензола хлоралканами из н-парафина, внутренними олефинами или α-олефинами. В качестве катализаторов алкилирования применяются АlС13, НF или стационарный на цеолитах.
Поэтому ЛАБС, выпускаемые в промышленных объемах, представляют собой смеси гомологов как по величине алкильного заместителя (от 8 до 14), так и месту присоединения фенила к алкильному радикалу (от 2 до 6- го).
В зависимости от вида катализатора образуются вторалкилбензолы: с А1С13 - преимущественно с присоедине-нием бензола ко 2-му и 3-му, а с НF – к 5-му и 6-му углеродному атому алкила соответственно (рис.3).

6
Рис. 3 Распределения гомологов ЛАБС по месту присоединения алкила к фенилу в зависимости от катализатора алкилирования  (AlCl3 или  HF). По этой причине ЛАБС, полученные с катализатором HF  на внутренних олефинах, биоассимилируются с меньшей скоростью (хуже), чем  полученные  с А1С1з  на н-парафинах и альфаолефинах.

 По этой причине термин «линейные» АБС на наш взгляд вводит всех потребителей в заблуждение, потому что прямоцепочечные (линейные) 1-фенилалканы при принятых технологиях алкилирования бензола  не образуются.
Многолетними исследованиями [7,12]  были  выработаны требования  (ФРГ) к фракционному составу ЛАБС, обладающему оптимальными показателями по биоразлагаемости (метод ОЕСД) и токсичностью (гидробионты): ЛАБС С1013; С10 4-6, С11  43-49 C12  36-40 C13 10-13C14 <1(среднее С11,6), средняя молекулярная масса 348. В РФ ЛАБС выпускаются на основе внутренних олефинов с катализатором НF с фракционным составом: С9<0,5; С10 10-13;С11 27-30; С12 26-43; С13 9-26; С14<1(молекулярная масса 342- 349).
Первичной стадией, определяющей процессы, протекающие в биологических системах, является адсорбция ПАВ на межфазных границах.
Уникальность ПАВ состоит в том, что они преимущественно (с коэффициентами распределения до 1010) сорбируются на межфазных границах и распределяются между фазами. При этом в гомологических рядах соблюдаются зависимости свойств от величины гидрофобной (или гидрофильной) части молекул.
Нами показано [8], что биоразлагаемость АБС активным илом зависит от величины и структуры алкильных заместителей в их молекулах.


7
Рис.4  Временные зависимости процесса первичного биоразложения гомологов ЛАБС (от С8 до С14, синтезированных на основе индивидуальных α-олефинов,  катализатор АlС13)  активным илом при равных концентрациях ПАВ на входе в аэротенк  (Свх=50мг/дм3).

По своему виду и по сути они являются изотермами динамической абсорбции  молекул ПАВ сорбентом - активным илом, одновременно выполняющим роль «деструктора» адсорбировавшихся молекул ПАВ.
В гомологическом ряду ЛАБС (на АlСl3), с ростом  алкильной цепи с 8 до 14, продолжительность адаптационного периода (Тинд) уменьшается с 20 до 1 суток, а величина  динамического коэффициента распределения ЛАБС «активный ил/ объем раствора» Кр=(Свхвых)/Свых)  в области максимума повышается с 0,2 до 88. Слабо адсорбирующиеся молекулы (с m=8) медленно адаптируют активный ил и имеют большую продолжительность Тинд. Глубина же биоразложения ЛАБС адаптированным активным илом с ростом алкильной цепи растет незначительно (первичного - с 96 до 99%, полного – с 60 до 70%).
Величины Кр (динамического коэффициента распределения ЛАБС между объемом раствора и илом в области максимума)  зависят от длины алкильной части (рис.5). При Кр<1  молекулы ПАВ активным илом не абсорбируются, поэтому такие гомологи «проскакивают» БОС и накапливаются в водоемах.

8
Рис.5 Зависимости коэффициентов распределения ЛАБС между водой и активным илом в области максимума на кривых Свых=f(t)от величины алкильного заместителя (nСН2): 1, 2 – первичная биоразлагаемость lnkна (неадаптированный ил), lnkа (адаптированный ил); 3, 4 – полная биоразлагаемость  lnkна (неадаптированный ил), lnkа (адаптированный ил), соответственно.


Из смеси гомологов, которые присутствуют  в технических ПАВ, их адсорбция илом во времени происходит в соответствии с гидрофильнолипофильным балансом молекул (как на хроматографической колонке). В первую очередь сорбируются илом и биоразлагаются высшие гомологи (наиболее гидрофобные), в последнюю очередь – низшие.
Из рис. 5 следует, что для ЛАБС, полученных из α-олефинов с А1С13, максимальная скорость адсорбции и биоразложения (Тинд ≈ 1 сутки, как у н-додецилсульфата натрия) у ЛАБС с величиной алкильной цепи ≈ С14. Поэтому их можно отнести к «абсолютно быстро биологически разлагаемым» ПАВ. А минимальная скорость адсорбции илом, и, следовательно, биоразлагаемость (Тинд ≥ 20сут) у ЛАБС с величиной алкильной части С8 - их следует отнести к «биологически жестким» ПАВ.
На этом же рисунке обозначена область, соответствующая коэффициентам распределения тетрапропиленбензолсульфонатов (TPBS). Как видно из рис. 5, «эффективная длина» n-алкильного заместителя TPBS 6,5±1 СН2, вместо декларируемой 12.
Следовательно, «биологическая жесткость» TPBS, обусловленная структурой алкильной части его молекул, связана не с невозможностью осуществления биоассимиляции молекулы, а с преимущественной ее растворимостью в водной фазе.
В товарных ЛАБС (обычно С814) всегда имеются как «биологически мягкие» гомологи - высшие и с присоединением фенильного кольца ко 2-му или 3-му углеродным атомам алкила, так и «биологически жесткие» - низшие и с присоединением фенильного кольца к средним (5-му,6-му или 7-му) углеродным атомам алкила (рис 3).
Определяющим показателем, по которому следует проводить отнесение гомолога к «биологически жестким» или «мягким» ПАВ, может служить величина работы абсорбции молекулы ЛАБС из водной фазы в фазу ила (W = RTlnkp). При n=8 она отрицательна, при n= 9 и 10 – близка к нулю и только при n≥11 она положительна.
Т.о., в любом гомологическом ряду ЛАБС имеются представители всех классов ПАВ по биоразлагаемости –  быстроразлагаемые, умеренно разлагаемые, медленно разлагаемые и чрезвычайно медленно разлагаемые; чем более гидрофобнее молекула ПАВ, тем быстрее она сорбируется илом, быстрее и глубже биоассимилируется. Биоразлагаемость молекулы  ПАВ определяется не особым строением молекулы, а   коэффициентом ее распределения между активным илом и  водной фазой. Медленно и чрезвычайно медленно разлагаемые  (биологически «жесткие») – такие  ПАВ, работа сорбции которых активным илом отрицательная (см. рис. 5, гомологи С810, прямая 1).

2.3. Прогнозирование биологической активности ПАВ (токсичность, биоразлагаемость)
Безопасность использования СМС и ТБХ определяется  токсичностью  и биоразлагаемостью ПАВ - основных компонентов их составов. Поэтому первоочередной задачей гигиенических исследований ПАВ  является прогнозирование их экологогигиенических свойств. Наиболее объективный способ прогнозирования основан на  использовании корреляционных  зависимостей, базирующихся на механизме процесса и определяющих его физико-химических показателях.
В гигиенических исследованиях широко используется оценка потенциальной опасности вредных веществ по  коэффициентам их распределения   в системе «октанол-вода», которые рассчитываются по известным программам (например, программа ALOGPS.2.1 [9]). Если принять условия этой системы за стандартные (идеальные) моделирующие  взаимодействия  вещества с гидрофильными поверхностями, то можно оценить изменения работы абсорбции молекул ПАВ при взаимодействиях с ЖКТ животных и с поверхностью активного ила по сравнению со стандартной[10].

На рис. 6 и 7 проиллюстрирован метод прогнозирования параметров токсичности и биоразлагаемости ПАВ, базирующийся на подобии механизмов взаимодействий биологических объектов (животные, активный ил) с  ПАВ,  приводящих к биоассимиляции (или биоразложению) молекул ПАВ и угнетению (или гибели) биологических объектов.


9

Рис. 6. Зависимости lgk/ (первичного биораз-ложения ЛАБС), logP (коэффициент распре-деления молекул ЛАБС между октанолом и водой (программа ALOGPS.2.1.)) от длины углеводородного радикала молекулы ЛАБС:
1 – неадаптированный ил, k/ в области мак-симума на кинетической кривой; 2 – адапти-рованный ил, k/ в области Тинд (выход кине-тической кривой на плато); 3 – logP.


10
Рис. 7. Изменения токсичности (CL50 , МНК), биоразлагаемости  и коэффициентов распре-деления октанол –вода  для гомологического ряда этоксилатов p-95%- изононилфенолов.
 Показатели токсичности гомологов  р-isoNphEn взяты из [6] и пересчитаны нами из величин, выраженных в  г/кг,  в ммоль/л.


Как видно из рис.6 и 7, изменения логарифмов показателей токсичности, биоразлагаемости и коэффициентов распределения между октанолом и водой  для гомологических рядов ЛАБС и р-isoNphEn  описываются линейными уравнениями  у = ах+b  с практически равными угловыми коэффициентами а, которые  различаются лишь  величинами коэффициентов b, характеризующих различия в энергетике сорбционных поверхностей (фаз): желудочно-кишечного  тракта животного,  микробного  сообщества активного ила и октанола.
Лимитирующими стадиями процессов  взаимодействия молекул ПАВ с названными объектами – ЖКТ животных, неадаптированный активный ил и октанол - являются стадии   диффузии ПАВ внутрь фаз (внутренняя диффузия), которые и определяют суммарные скорости  проявления токсического действия ПАВ, их биоассимиляцию (биоразложение) или экстракцию в октанол.
Это позволяет использовать для прогноза токсичности и биоразлагаемости в гомологических рядах НПАВ коэффициенты их распределения между октанолом и водой,  рассчитанные  априори, за вычетом разностей между величинами коэффициентов b для октанола и исследуемыми системами – животными (СL50  ∆ b = -1,8; МНК ∆ b = -5,9) или активным илом (∆ b = -3,8) , которые можно интерпретировать как работу переноса моля вещества из принятого нами в качестве стандартного состояния «октанол – вода» в системы «ЖКТ – вода» или «активный ил – вода»(∆ b= -RTlnk).

2.4. Оптимизация фракционных составов ПАВ, на примере  ЛАБС
На рис.8 приведен пример оптимизации фракционного состава ЛАБС по потребительским (моющее действие) и эколого-гигиеническим свойствам (токсичность, биоразлагаемость).

11Рис. 8. Показатели биоразлагаемости  lgkS28 перв, lgkS28полн (наши данные ГОСТ Р 50595);  моющей способности, % масс., отмытых загрязнений [11] и токсичности EC50 для гидробионтов [12].


Как видно из рис. 8, полную биоразлагаемость ≥ 70%  имеют гомологи с n ≥ 11, что удовлетворяет требованиям  полной биоразлагаемости за 28 суток (Директива ЕС №67/548/ЕЕС). Названные гомологи обладают моющей способностью, которая превышает моющую способность гомологов с n ≤11примерно в 2-3 раза.
ЛАБС с n≤10 не отвечают требованиям полной биоразлагаемости, имеют наименьшую моющую способность, поэтому их использование является нецелесообразным. Рекомендуемый фракционный состав имеет более высокомолекулярные гомологи от С11 до С14. Гомологи  ниже С11 обладают не только меньшей биоразлагаемостью, но и имеют ниже моющую способность, являясь балластом в моющих средствах. Напротив, более токсичные гомологи С14 разлагаются в течение 1 суток и поэтому малоопасны для гидробионтов.
Т.о., установлены взаимосвязи эколого-гигиенических (токсичность, биоразлагаемость) и адсорбционных (коэффициенты межфазного распределения) характеристик в гомологических рядах ПАВ, что позволяет априори прогнозировать их потенциальную опасность для объектов окружающей среды и отбирать в производство наименее опасные и с наиболее эффективными потребительскими характеристиками.

2.5. Взаимное влияние компонентов СМС на биоразлагаемость средства

Как  указано выше, способность ПАВ (или их композиций) биоразлагаться (биоассимилироваться) микробным сообществом активного ила по методу ГОСТ Р 50595 может быть охарактеризована как минимум четырьмя показателями: продолжительностью Тинд, величиной  МНКа(мг/л) ПАВ (или состава) и степенями(%) Х28полн и  Х28перв   неадаптированным илом суммарно за 28 суток.
Следует особо подчеркнуть, что все перечисленные показатели биоразлагаемости средства по ГОСТ Р определяются, в отличие от методов  ЕС (ENISO 11733:2004 и ENISO 14593:1999), без предварительного извлечения ПАВ экстракционными (или ионообменными) методами из тестируемого средства.
Поскольку все промышленные ПАВ представляют собой  смеси гомологов, различающиеся величинами гидрофильной или гидрофобной части молекулы ПАВ, то при экстракционном (ионообменном) извлечении ПАВ из средства в экстрактах содержание гомологов будет отличаться от исходного. С максимальными коэффициентами распределения  извлекаются наиболее гидрофобные молекулы и по их биоразлагаемости делают выводы о биоразлагаемости  средства в целом.
Однако биоразлагаемость технической смеси гомологов ПАВ определяется содержанием в них низших (по гидрофобности) молекул ПАВ, которые из средства извлекаются с меньшими коэффициентами распределения. В результате такого определения биоразлагаемости результат всегда будет завышен.


В составы СМС и ТБХ, кроме ПАВ, входят органические компоненты:
- комплексообразователи и диспергаторы (NTA, ATMP, EDTA, поликарбоксилаты (сополимеры акриловой и малеиновой кислот, сополимеры акриловой и изоакриловой кислот, полималеинаты и т.п.), сульфированные сополимеры стирола и малеиновой кислоты и т.п.),
- антибактериальные агенты (изотиазолины, гидроксибензоаты – парабены, терпены цитрусовых и т.п.),
которые также влияют на процессы биразложения ПАВ. Некоторые из  них  не только относятся к  чрезвычайно медленно разлагаемым, но и  токсичны для активного ила, тем самым  ингибируют процессы биоразложения.
Считается, что основными загрязнителями водоемов в СМС являются ПАВ и  триполифосфат (ТПФ).  По этой причине в начале 70-х годов его начали заменять на цеолиты, комплексоны,  поликарбоксилаты. Однако все оказалось не так просто.
Цеолиты не оправдали ожиданий, комплексоны разлагаются чрезвычайно медленно, а поликарбоксилаты (особенно полиакрилаты)  в системах с активным илом, помимо связывания ионов магния и кальция, выполняют функцию диспергаторов, нарушая функционирование биоценоза активного ила. В результате ил начинает дробиться, что существенно снижает  эффективность очистки стоков.
Так, присутствие полиакрилатов в составах СМС в количестве 1-2 %  из-за их токсичности требует  20-30 крат-ного разбавления стоков. А, например, средства для посудомоечных машин с 10-12% полиакрилатов [13] требуют  уже  40-60 кратного разбавления.
Помимо этого, в составы жидких СМС и ТБХ вводят консерванты. Например, широко используемый  в составах ЖМС метилхлороизотиазолинон  в количестве   0,1-0,2% подавляет  процессы нитрификации в активном иле. Для снижения его негативного влияния на биоразложение  стоки требуется разбавлять в 20 – 25 раз.
В табл. 3 проиллюстрированы установленные нами фактынегативного влияния некоторых комплексообразователей и консервантов СМС и ТБХ на их биоразлагаемость (по ГОСТ Р 50595).


Таблица 3.  Показатели  биоразлагаемости этоксилатов спиртов в присутствие  диспергаторов и консерванта.

 

СМХ или ТБХ МНКа, мг/л, в т.ч. в скобках концентрация( С12-14 ЕО7, мг/л) Тинд, сут Х28полн., % масс. Рекомендуемая кратность разбавления стоков до МНКа, раз
Этоксилаты  спиртов С12-14ЕО7 (без добавок) 20 4±1 80±2 Без рабавления
Порошок для посудомоечных машин, включающий : С12-14 ЕО7,  натрий полиакрилаты-1% 50 (1) 6±1 50±10 20-30
Таблетки для посудомоечных машин, включающие : С12-14ЕО7 , натрий полиакрилаты 10-12%, натрий полималеинаты-1% 25 (0,5) 13±2 70±5 40-60
ЖМС, включающий С12-14ЕО7   и метилхлороизотиазолинон 0,1%  50 (1) 5±1 80±2 20-25
 


Т.о., режимы биологической очистки стоков от ПАВ зависят также от присутствия в СМС и ТБХ специальных добавок (диспергаторов, комплексообразователей, консервантов), которые в большинстве случаев ингибируют процессы биоразложения ПАВ. Для предупреждения негативного влияния добавок на биоразлагаемость  на стадии разра-ботки СМС ,ТБХ и препаратов технического назначения (перед регистрацией и периодически ) необходимо проводить обязательные испытания   биоразлагаемости; результаты этих испытаний должны учитываться при санкционировании их допуска на рынок  и обоснования эколого-экономических мероприятий.


ВЫВОДЫ

1. Метод определения биоразлагаемости ПАВ в водных объектах  по  ГОСТ Р 50595 был разработан и использовался в последние 25 лет при изучении биоразлагаемости более 400 ПАВ( и ПАВ-содержащих составов).   

2. При этом впервые установлены неизвестные ранее закономерности биоразлагаемости ПАВ, которые позволяют не только объективно оценивать способность ПАВ к биоразложению, но и прогнозировать ее априори, а именно:

-в любом гомологическом ряду ПАВ имеются представители всех классов ПАВ по биоразлагаемости –  быстроразлагаемые, умеренно разлагаемые, медленно разлагаемые и чрезвычайно медленно разлагаемые; чем более гидрофобна молекула ПАВ, тем быстрее и глубже она биоразлагается;

- биоразлагаемость ПАВ определяется адсорбционной способностью молекул ПАВ на границе раздела фаз активный ил-вода и может быть аппроксимирована динамическими коэффициентами распределения ПАВ между активным илом и водной фазой в области максимума на кинетических зависимостях;

- медленно и чрезвычайно медленно разлагаемые (биологически «жесткие» ПАВ) – такие ПАВ, работа сорбции которых активным илом отрицательная;

- установлены взаимосвязи эколого-гигиенических (токсичность – CL50,  МНК; биоразлагаемость) и физико-химических (динамические коэффициенты межфазного распределения  в системах октанол-вода,  активный ил- вода, желудочно-кишечный тракт животных – вода) характеристик молекул в гомологических рядах ПАВ, что позволяет априори прогнозировать составы не только по потребительским характеристикам, но и по токсичности и биоразлагаемости.

3.Метод позволяет оптимизировать фракционные составы товарных ПАВ, а также рецептуры средств на основе ПАВ по показателям биоразлагаемости.

4. Показатели биоразлагаемости, определяемые по OЕCD 301 A-F и  по ГОСТ Р 50595-93, согласуются лишь для быстро и умеренно разлагаемых ПАВ, а для медленно и чрезвычайно медленно разлагаемых ПАВ и ПАВ-содержащих составов  различаются существенно.

Для того, чтобы территорию ТС не превращать во «всемирную помойку», биоразлагаемость  всех импортируемых в ТС ПАВ и ПАВ-содержащих средств при санкционировании допуска на рынок необходимо оценивать по ГОСТ Р.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. А.И.Вейник. Термодинамическая пара. - Минск; Наука и техника. 1973,-366 с.

2. Колебания и бегущие волны в химических системах //пер.с англ./ под ред. Р.Филда, М.Бургер., М: Мир, 1988, 720 с.

3. Постановление (ЕС) № 648/2004 Европейского Парламента и Совета от 31 марта 2004 г. «О моющих и чистящих средствах». Приложение II. Методы испытания ПАВ и детергентов на первичный биораспад. Приложение III. Методы испытания ПАВ и детергентов на полный биораспад (минерализацию)»

4. ГОСТ Р 50595-93 «Вещества поверхностно-активные. Метод определения биоразлагаемости в водной среде»

5. В.В.Бочаров. Физико-химические закономерности биоразлагаемости ПАВ в проблеме санитарной охраны водных объектов //дисс. на соискание учен.степени докт. биол. наук, М., НИИОКГ им. Сысина, 1991, 273 с.

6. А.Я.Цыганенко и др. Научные основы обоснования прогноза потенциальной опасности детергентов в связи с регламентацией в воде водоемов // под ред. проф. А.Я.Цыганенко, Белгород, 2001,442 с.

7. В.В.Бочаров, О.А.Рыжкова. О «биологически жестких» ЛАБС //Гигиена и  санитария, №3, 2010, с. 83-86

8. В.В.Бочаров, Н.А.Дивакова, О.А.Рыжкова . Сравнительная оценка биоразлагаемости промышленных алкилбен-золсульфонатов // SÖWF, 2008, №1, с. 42-46.

9. Программа ALOGPS.2.1.   

10. В.В.Бочаров, О.А.Рыжкова. Физико-химические принципы прогнозирования эколого-гигиенических свойств ПАВ// Бытовая химия, 2010, №39, с. 4-6.

11. З.И.Бухштаб,  А.П.Мельник, В.М.Ковалев. Технология  СМС // Легпромбытиздат, 1988, 320 с.

12. Von P.Schoberl, E. Kunkel. Die Fischvertraglichkeit der Rest-Tenside und Zwischenprodukte des mikrobiellenAb-bauseineslinearenAlkylbenzolsulfonates//Tenside, 1977, №6, c.293-296.

13. В.В.Бочаров, О.И.Богданов. Как оценивать биоразлагаемость средств для автоматических посудомоечных машин //Бытовая химия, 2010, №38, с.32.