p.Y^í
HIS-mf~9419 ČSVTS - SiOVEMIKA VO0OHOSK>DAí« A SPOtOCNOSf VÝSKUMNÍ OSTAV VODNÉHO HOSPODÁRSTVA VtRATISlAVS | A
I
.
POftOČKA ČSVTS Mil VtSKUMNOM OSTAVE VODNÉHO HOSPODÁRSTVA V BRATISLAVE
HYDROCKÉMIA '
tm
• 1 ' ; - ,".•,;;;,
'. i !!/•%'i'-
ČSVTS- SIOVENSKA VODOHOSPODÁRSKA SPOtQČNOSt VÝSKUMNÝ ÚSTAV VODNÉHO HOSPODÁRSTVA V BRAHSIAVE A POBOČKA ČSVTS PR! VÝSKUMNOM ÚSTAVE VODNÉHO HOSPODÁRSTVA V BRATISLAVE
NOVÉ ANALYTICKÉ METÓDY V CHÉMII VODY
HYDROCHÉMIA 33
Bratislava 1983
STUDIUM KUMULACE PRVKO NA ŘASÁCH
J. Starý, K. Kratzer, J. Prášilová - ČVUT Praha B. Havlík, J. Hanušova — IHE Praha
II
V posledních letech značně stoupl zájem o studium kumulace prvku, zejména toxických, na řasách. Řasy jsou významným producentem kyslíku a primárním článkem potravinového řetězu fytoplankton - zooplankton - ryby - Slovek. Již v prvních pokusech bylo zjištěno* že některé prvky jsou značne hromaděny v řasách, takže byly navrženy metody čistění a získávání cenných prvků z odpadních vod fytoplanktonem. Stanovení obsahu různých prvko v řasách maže sloužit zároveň i pro stanovení znečištění povrchových vod. Z podrobnějšího studia publikovaných prací však vyplývá, že výsledky pokus& jednotlivých autoru se od sebe značně liší, často jsou i zcela protikladné. Kumulace jednotil** vých prvku na řasách je totiž velmi složitý proces, který závisí nejen na vlastnostech řas /typ, velikost &. stádium vývoje buněk/ a sledovaného prvku /chemický stav, náboj, koncentrace/, ale i na vlastnostech prostředí /pH, druh a koncentrace ostatních prvku či komplexotvorných činidel/. Kromě toho řada faktoru /napr. pH, chemický stav a koncentrace sledovaného prvku/ se muže v proběhu experimentu měnit. Experimentální výsledky mohou být též podstatně ovlivněny sorpcí studovaného prvku na stěnách nádob jak při vlastním pokusu, tak i při dělení řas a media.
Ve většině prací byla proto studována kumulace jednotlivých prvkft pouze kvalitativně, což souvisí i s použitím nedostatečně c i t l i v é analytické metody - nejčastěji atomové absorpce. Použití radionuklidA dovoluje velmi jednoduše, přesně a rychle studovat kumulaci jednotlivých prvkft kvantitativně t . j . stanovit kumulační faktor F, který udává poměr koncentrace prvku v řasách a ve vodném mediu v nejrůznějších experimentálních podmínkách. Další výhoda použití radionuklidft spočívá v tom, že lze studovat kumulaci několika prvkft současně v naprosto stejných experimentálních podminkácht kumulační faktory jednotlivých prvkft lze stanovit na základě rozdílných poločasů Či energií emitovaných gama-kvant použitých radionuklidft. v
I
Predložená práce uvádí hlavní výsledky kvantitativního studia kumulace 28 prvka, získaných v předchozích publikacích [1-71. EXPERIMEMTXLNÍ ČÁST
Chemikálie a prístroje Všechny použité chemikálie byly čistoty p.a. Pro ustavení rovnovážného pH byla použita vysoce čistá kyselina chlorovodíková /Herek/ a hydroxid sodný /Merck/. Zásobní roztoky radionuklidu byly získány od tfWVR /Praha/. AIgologicky a bakteriologicky čisté kultury řas Chlorella kessleri /Chlo/, Scenedesmus obliquus /See/, Microcystis incerta /Mic/ a Chlamydomonas geitleri /Chla/ byly získány z IHE /Praha/. Střední objem buněk V& a střední geometrický povrch buněk S. byly vypočteny ze změřených rozměrů buněk. Radioaktivita beta byla změřena plastickým acintilátti-
51 rem, r a d i o a k t i v i t a gama studnovým Nel/TI/ krystalem č i Ge/Li/ detektorem ve spojení s 8000-kanálovým analyzátorem. Rovnovážne hodnoty pH byly změřeny pH-metrem Radiomet e r PHM-52 /Kodaň/. Použitá metodika Studium kumulace j e d n o t l i v ý c h prvku na rasách bylo prováděno takto* Směs radionuklidu v u r č i t ý c h experiment á l n í c h podmínkách byla třepána po dobu několika hodin ve skleněných č i polyethylenových zkumavkách, aby bylo dosaženo rovnováhy mezi roztokem a stenami nádob* Potom byl p ř i dán vhodný objem ř a s v d e s t i l o v a n é vodě /předem oddělený v
íI
v
V
centrifugací a promytý vodou/ a směs byla opět třepána /celkový objem 10 cm /. V různých časových intervalech byľiy odebíraný 3»00 ml alikvoty a řasy odděleny oi vodného rostoku centrifugací. Bylo změřeno rovnovážné pH, radioaktivita řas /A / a radioaktivita vodné fáze /A_/. K dosaženi vyšší reprodukovátelnosti, pokusy byly opakovány ve stej« ných zkumavkách aniž by se odstraňovaly stopy redionuklido sorbovených na stenách nádob. Kumulační faktor P byl stanoven dle vztahu p
A A
m Ve
D H
B
V
a
kde V oanačuje atřední objem buněk v cm , N počet buněk 5 5 ě poměr ě sledovaného prvku. 1 ca" a D rozdělovači Všechny pokusy byly prováděny při teplotě 22^2 °C.
52 VÝSLEDKY A DISKUSE V předběžných pokusech bylo nutno z j i s t i t , zda hodnot a F j e vhodnou v e l i č i n o u pro k v a n t i t a t i v n í studium kumulace, t j . zda l z e z í s k a t rsprolukovatelnou hodnotu P pro u r č i t ý systém p ř i různých koncentracích buněk. V rámci exper i m e n t á l n í c h chyb bylo z j i š t ě n o , že hodnota D r o s t e s počtem buněk N . a l e hodnota F zastává k o n s t a n t n í . Toto z j i š „ a v t e n í umožňuje vhodný výber experimentálních podmínek / t . j . N / t a k , aby se hodnota D pohybovala v rozmezí 0,1 - 10, a
v
v
kdy ie stanovení D a P co nejpřesnější. Dále bylo nutno z j i s t i t , zda kumulace prvku řasami je procesem fyzikálně-chemickým či metabolickým. Pomerne rychlá kumulace prvku na řasách /v některých případech se ustavila rovnováha za několik minut/ svědčila o tom, že se jedná o fyzikálně-cheraický proces. Výjimku tvoří kumulace fosforu /V/, kde se jedná prevážne o metabolický proces. Jednoznačný důkaz je však možno podat, srovnáme-li výsledky kumulace určitého prvku na živých a mrtvých buňkách ř a s . K usmrcení buněk řas se používají obvykle chemické prostředky; zavedení chemikálií by však mohlo ovlivnit proces kumulace, a proto v našich pokusech bylo používáno K usmrcení buněk několika hoáinove zahřívaní suspenze ras pri bO C, Výsledky pokusů ukázaly, že jak hodnoty P tax i kine tiká kumulace se v podstatě n e l i š í pro živé či mrtvé ouňky. Kinetiíta kumulace fosforu /V/ se však podstatně l i š í pro ži •ve a mrtvé buňky. Déle bylo zjištěno,, že většinu novových prvKu kumulovaných na řasách lze převést do voiné fáze t ř e pením s roztokem zředěné kyseliny chlorovodíkové /vytěsňování vodíkovými ionty/ či tetrasodné soli kyseliny ethyl'n„ dlamintetraoctové /tvorba záporně nebitých cfrelátu/. Odtud vyplýva záver, že kumulace většiny prvko řasami ::e sleapon v prvním stadiu převážně fyTiicálně-chemickýtr. pr_. -
Závažným problémem pří studiu kumulace prvků na řasách je fakt, že v přírodě existuje značné množství řasv které se liší velikostí a tvarem buněk, složením buněčné blany atd. Z tohoto důvodu byly pro prvé pokusy [1], použity 4 druhy řas, které se od sebe pokud možno nejvíce lišily s byly to velmi malé kulovité buňky Microcystie incerta /Mic/, větší kulovité buňky Chlořella kessleri /Chlo/, buňky tvaru elipsoidu Scecedesmu© obliquus /See/ a velké buňky opatřené bičíky Chlamydomonas geitheri /Chla/, Při studiu kumulace chrómu /III/ a /VI/ bylo zjištěno, že nejmenší buňky Mic kumulují chrom/III/ při pH 7 s hodnotou P přibližné 10 , středně velké buňky Chlo a See mají hodnotu F o řad nižší, zatímco velké buňky Chle kumulují chrom/III/ nejméně /viz tabulku 1/. Z těchto výsledku je patrno, že rohodující je velikost geometrického povrchu buněk S. t čím menší je buňka, tím větáí je geometrický povrch buněk na hmotnostnou nebo objemovou jednotku ras. Hodnota součinu P S. V~ je pro razné typy řes v daných a a • » experimentálních podmínkách hodnotou približne konstantní* Dalším parametrem, který bylo nutno studovat, oyla závislost P na koncentraci studovaného prvku. Ve všech případech [l - 7] tylo zjištěno, že maximální hodnoty ? lze dosáhnout v podmínkách minimální koncentrace sledovaného prvku a vodíkových iontu při vysoké koncentrací buněk řas. Zvýšením koncentrace prvku či snížením koncentrace buněk se hodnota ? snižuje vznledem k omezené kapacitě /počtu volných míst/ řas kumulovat určitý prvek. Proces kumulace prvku vztahem [3]
na rasách A lze tedy popsat
M + A =» MA Rovnovážná konstanta tohoto procesu - konstanta afinity K-. -i muže být vyjádřena vztahem
54 Tobulke 3 Přehled výsledků kumulace jednotlivých prvku na rasách
Forma
lOg Ky
C
logP0
A,M
'V
mol.dm"
0,32*0,0; i 6,2510,17 6,25*0,15* 6,15*0,06* 6,2*0,2* 6,0*0,1* +
N«
6,4
1
l
j I i
0,4
! b
í l.O
0,04*
2.6
0,04* 0,05*
l,26b l,2b b
|
3 í
Ciilo/0,34/ Sce/O,31/ Chlo/0,34/ Sce/O,31/
1.0
2,66*0,01* 2,51*0,13*
3 3
i 1
4
! 1
K
2,66*0,10* 2,75*0,07*
0,04* 0,05*
l,26 l,45b
Chlo/0,34/ Sce/O,31/
» ;
2,82 *C, 1)7*
0,04*
l,32b
Chlo/O,34/
1,7 l,46b
Sce/O,31/ Chlo/0,34/
2
3,4; Sce/O,31 Chlo/O,34/j y
+
1 Rb Cs
+
+
2,tí ' 2,86*0,0b a • .
3
2,ä4*O,C6 ;
! 1
2,36*0,07*
U*
2
!
Chlo/Gř65/ 2 4 ! Sce/O,24/ Shlo/0,34/ 1 3 Sce/O,31/ i 4 j Sce/O,60/ ! 5 j Sce/O, 36/ 7
6,2
0,7
í L
Lit.
Typ řas
TI* At *" ,,
a
5,0*0,; •-
v » ' j
v, 3
'
1
J,04
i,44
;
D
--f.-,
í :
,. rt
1
•0,x
b
3
3.4 j
3
Sce/O,36/ '
4,05
Sce/O,4/
j - 4,3
1
;
Ohlo/O, 34/ Sce/O,31/
3
^^*
;
,VOi &
j
•J, r * "
!
', u?
j
J,** j
Sce/O,31/
»,63*0,10 t,55*O,17 a
o,U4 0,u5*
í
3.2
Chlo/O, W/i ; Sce/O,31/ , 4
as"' |4,90*0,03 Í4,81*0,06a
0,05 0,04*
a""'1 .4,06*0,06* t, 56ÍO.U* ; £** +
„b
•
. ,. - b !
b
3.25
b
C i l l o/O, ;*.•t
3.5 Sce/O,31/ j a 3.4 CÄlo/G,34/: 3,35 i Sce/O,6/ Í
í
4 j 3 j
•s
il
:
ítibulse i pokračován:.
~T
Typ ŕ
'V
Lit.
-i
Sce/C',6/ See/0,6/
5 7
Sce/0,6/
7
See/0,6/
7
See/0,36/
7 1 1 1 1
Chle/13/ Chlo/1,2/ Sos/1,0/ Mie/0,12/
1
See/0,36/
7
Sce/0,6/
5
Chlo/0,35/
7
Chlo/0,65/
2
Chlo/0,35/
6
Chlo/0,35/
6
Chlo/O, 35-/
7
See/0,4/ Sce/0,6/ Sce/0,6/ Chlo/O,45/
7 2
Chlo/0,35/ Typ řas /V uvedeno v 10 cm / s Chlo - Chlorells keesleri, See - Sceriedeamus obliquus, Chle - Chlamydomonas g e i t l e r l , Mic - Microoystia ineerte B - nepřímé atanoveníj - vypočtené hodnoty
f MA J
** *
P
[MJTAT
'
[A}
kde {A] označuj ť volnou /'rovnovážnou/ kapacitu bunsk res kumulovBt určitý prvek. Při velmi nízkych koncentracích kovu a vodíkových iontô a za neprítomnosti s e l í dalších prvkÔ a kômpIexotvorných činidel dosahuje F své maximální hodnoty, tj„
K
kde c.
M
F . V těchto podmínkách platí vztah.
M
l
oanačuj e maximální
kapacitu buněk kumulovat p r -
vek M„ Vxrfiat Koncentrace prvku M vede ke s n í ž e n í
I
vziútídem
se eníáeru volná k a p a c i t y
byla j i ž ubsfezeiiE prvkem Mř neboť c^5.
ôáat volných míat
platí
- JA] * |MAJ ^ {Aj / I •
Kombi ri>-^ .; -" ?. \-*nň. (.3-5.i
obdržíme
'"r "- ř.tH.iu ' 6 ) vvplývá, .«-.•;
/t o rj«
kumulace
že hodnotu KL l z e s t a n o v i t ,\-~
••. v.7'^<- r.e ? á n s ; o s t i F / č i I» p ř i k o n s t a n t n í ifOKosr. ••-
i-5-i ; : . rc.í •" s Korj.řťiřjl.nírn V e / n& rovnovážné končen t r& c i : r - ; : . •-. •> ' . vydrúca, :n .-.•-;. i v, P ř e s n o s t e x p e r i m e n t á l n í h o -r,d.i-.ve n í / ^ a t.^ y .í** ni£?,i v vení N a V : iíroae ci
h a dne t Kjg/ zevíxi
.-ipbof
Ť e o v l i v n ě n a preanoatj; 3-ca^o-
toho hodnoty P^ a c . ,„ / n a rozdj.1 od
fci
O
m typu, v e l i k o s t i
A f ill
a s t a d i u vývoji-
sxuáo-
,'?.í-t,yr:ií !5u.nPk r a s . Vztah (6) b y l p o u š i t pro s t a n o v e n , ..canox x^ pro 3 a , S r , Cs, Rb a K / v i s tabulka 1/»
57 Maximální kapacita buněk řas pro kumulaci jednotlivých alkalických prvků a alkalických zemin je přibližně stejná, t j . tyto prvky se kumulují na stejných místech. Z tohoto důvodu je např. kumulace stroncia ovlivněna přítomností ostatních alkalických zemin či alkalických prvků [3]. Kumulační konstantu těchto prvků K^* lze stanovit i nepřímo ze znížení kumulace stroncia za přítomnosti prvku lí'ze vztahu
p
2_
- l
.
IL.- [li') m
(7)
Podobným způsobem lze vysvětlit i vliv vodíkových iontů a stanovit i příslušnou konstantu Ku*
I
i
Ze studia kumulace 8 5 S r 2 + [3],1 3 3 B a 2 + [4] a 2 2 4 R a 2+ [5] na řasách Chlo a See za přítomnosti ostatních alkalických kovů či alkalických zemin byly stanoveny příslušné hodnoty Kj,'. Konstanty afinity jednotlivých prvků stanovené přímým i nepřímým způsobem jsou ve velmi dobré shodě pro oba typy řas /viz tabulku 1/. Kumulace studovaných prv« ků klesá v pořadí /v závorce jsou uvedeny střední hodnoty log KJJ/ i H + /6,2/, R a 2 + /5,1/, B a 2 + /4,8/, S r 2 + a Ca 2+ /4,6/, M g 2 + /4,2/, Cs + , Rb + a M* /2,9/, K + /2,7/, N a + /2,6/ a Li+/2,4/. Konstanta afinity pro vodíkové ionty je nejvyšší, čož souvisí s vysokou tendencí buněk řas kumulovat vodíkové ionty a zvyšovat tak rovnovážné pH vodného media. Ze zme<= ny rovnovážné koncentrace vodíkových iontů za přítomnosti řas lze přímo stanovit kumulační faktor pro tyto ionty. Hodnoty P při nejvyšších pH pro řasy See a Chlo jsou řadově 10 . Hodnoty log KJJ stanovené přímým způsobem jsou ve \elmi dobré shodě s hodnotami log Kg, které byly získány ze studia vlivu pH na kumulaci Sr+ , Ba , Ra a T l +
58 /viz tabulka 1/. Střední hodnota log K^ je rovna 6P2 což znamená, že při pH • 6,2 jsou buňky řas z 50 % ve forme HA e z 50 % ve formě A /viz obr. l/0
O'or0 1
Fonny buněk ras v závislosti na rovnovážném
i\
59
Obr. 2
Závislost kumulaSniho faktoru F thalia/1/ na pH ve srovnáni s hodnotami ? alkalických kovů a zemin /Chlorelie kessleri : o - 30 min. třepáni,•; 60 min, třepáni} Scenedesmus obliquus A - 30 min. třepáni, 4 - 6 0 min, třepáni/.
Obr. 3 Závislost kumulaSního faktoru F kobaltu / U / na pH ve srovnáni s hodnotami 7 olova„ zinku a kadmia /Chlorella kesslerl : o - 30 min. třepáni, • - 60 mjn 6 třepáni; Scenedesgus obliquus t A - 30 min. třepáni,A - 60 min. třepáni/.
60 Významné bylo zjištění* že kapacita pro kumulaci vodíkových iontu je o řád vyšší než pro kumulaci alkalických kovů a alkalických zemin* Odtud vyplývá, že vodíkové ionty ae mohou kumulovat na místech pro alkalické kovy a zeminy a jednak /a to převážně/ na místech, kde se tyto prvky kumulovat necohou. Ionty TI* s Ag + se kumulují na rasách s vyššími hodnotami P o ve srovnání s alkalickými kovy či zeminami /viz obr. 2 a tab, 1/* Kumulace TI* není příliž ovlivněna i vysokým nadbytkem iontu Ba + vzhledem k vyšäí hodnotě c^ j. ve srovnání s c. B a »
4 f
I
|
Proces kumulace ostatních kovu je daleko složitější, neboť tyto prvky se mohou kumulovat jednak ve formě volných kationtft M n + a jednak ve formě hydroxykomplexu M / O H / x / n " ^ + . Kumulace tedy závisí nejenom na hodnotě konstanty afinity příslušných forem kovu, ale také i na konstantě hydrolýzy. Vliv pH na kumulaci olova, zinku, kadmia a kobaltu/11/ je uveden na obr. 3. Kumulace neutrálních komplexu CH,HgCl a CgHVHgCl [ 6 ] není ovlivněna ani hodnotou pH ani přítomností ostatních kovových prvků; tyto komplexy se tedy kumulují na jiných místech řas. Maximální kapacita buněk řas kumulovat neutrální sloučeniny je však podstatně nižší než pro kladne nabité ionty. Ještě nižší kapacitu mají buňky řas pro kumulaci aniontu HP0>"*/ne mrtvých buňkách/, HAsO.""a dalších, čemuž odpovídají i poměrně nízké hodnoty F c Přehled výsledku studia kumulace ostatních prvků je uveden v tabulce 1.
61
LITERATURA { 1] STAHY, J . , HAVLÍK,B.S ZEMAN.A., KRATZERjK*,, J.(
PRÁŠILOVA
HANUŠOVA',J.: Acta Hydrochim 0 H y d r o b i o l . 0
10,
1982
251 | |
(
,
e
J o Smřipono Asalo GhemP 0
12,
1982 0 65 í 3] S S A R Í 9 J e g KRATZER^Ko,, PRÁŠILOVA',, J o s J eä@mo» 14 9 1983 9 STAEÝ, J.9
161
HAVLÍK.Bo^ KRáTZBRsKei> FMŠILÔVÍ 9 J O ,
HAIUŠ0VÍ 9 JoS A e t a Hydrochim e H y t i r o b i 0 l o c v O
J„g
tisku
Jo
Cfeemo„ v tisku STÍRÍ 0 Jo 9 Soa ot> v t i s k u
PRáŠILOVA'0Jos
5
v
Jo I n d o Ghemo
tisku
types
oř
v
al gae has been r a d i o m e t r i c a l l y s t u d i e d i n the dependane® of pH9 c o n c e n t r a t i o n of element i n q u e s t i o n i n the absence and i n the presence of o t h e r elements o The c o n s t a n t s JL,9 maximum c a p a c i t y crt P
of
31 s p e c i e s are
present@d o
M
affinity
end cumulation f a c t o r s
62
Prof. RBDr. J i ř í STáRf, DrSCo, I n g . Karel KRATZER, CSee RNDr. J a r m i l a PHá§ILO¥Ao OSc. Katedra j a d e r n é chemie PJFI ČVUT, Praha RBDr. Bořivoj HAVLÍK, ?fe3c e? PhUr, Jarmila HANUŠOVA' I n s t i t u t hygi«ay a
[email protected]ř
Z B OR H íK ;,
prednášok z XX. seminára "NOVÍ ANALYTICiľJ mSÚDY V CHÉMII VODY - HYDBOCHÉMIA 83" Vydáva Pobočka ÔSVTS pri Výskumsea ústav© v@á®Ä® stva 7 Bratislave v spolupráci s hoapodá>stva v Bratislave
MM SMr, Aawi. B í l i k a v á , G8ess Lohocký, Ingo Vladimír
I a g 9 ř a v e l Hrnek®t
f SCHHIOKf ISEIIAKTOR . Vlaáistír StankoviS»
FOTOTLAČ Výskumný ú s t a v rodného hospodárstva v B s e t i s l a v e
Náklad
Publikácia j e predajná l e a s@©iali@tiekpn o r g a n i z é e i é o Pobočke OSVTS psi. ^fskmrnsm úetm® vodného atva v B^atialave
