Возможности использования линейного высокомолекулярного соединения органической полифосфатной природы для борьбы с Dreissena polymorpha (Pall.) (Mollusca, Bivalvia) в составе биообрастаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский государственный энергетический университет

Кафедра «Водные биоресурсы и аквакультура»

Возможности использования линейного высокомолекулярного соединения органической полифосфатной природы для борьбы с Dreissena polymorpha (Pall.) (Mollusca, Bivalvia) в составе биообрастаний

Калайда Марина Львовна

Синютина Татьяна Петровна

Эффективность работы систем охлаждения, теплообменных аппаратов и трубопроводов в значительной степени зависит от наличия биологических обрастаний. За последние десятилетия проблема биопомех, в частности дрейссены в системах водоснабжения стала особенно острой. В теплообменных аппаратах появление биообрастаний влечет за собой резкое снижение коэффициента теплопередачи и повышение гидравлического сопротивления этих аппаратов. Последнее характерно и для трубопроводов оборотных систем. В последний период ежегодный ущерб от биологических обрастаний на тепловых электростанциях (ТЭС) и атомных (АЭС) в России превышал 11 млрд. руб. [1]. Исследованиями показано, что при толщине отложений солей 3 мм уменьшение коэффициента теплопередачи составляет 40%, а среднегодовая производительность продукции снижалась на 12% [2]; при толщине биообрастаний 0.5 мм на трубках теплообменника коэффициент теплопередачи уменьшался на 30 %, что приводит к снижению производства продукции примерно на 30% [2].

Большие затруднения в работе гидротехнических сооружений вызывает моллюск дрейссена, который поселяется в водоприемных камерах, грубых решетках, во всасывающих патрубках насосов. Наличие и интенсивность обрастания моллюском гидротехнических соружений зависят от скорости течения воды, положения омываемой плоскости в пространстве и поверхностной структуры субстрата.

Dreissena polymorpha и D. bugensis относятся к семейству Dreissenidae, подотряду Myoidei, отряду Cardifor класса двустворчатых моллюсков [3]. Дрейссена - инвазийный вид каспийского происхождения. Из оплодотворенного яйца дрейссены развивается свободноплавающая личинка трохофора, которая превращается в велигер - плавающую личинку. Размеры велигера - от 50-300 мкм, что позволяет ему проникать через любые решетки и фильтры [3]. При работе тепловой электростанции в системе теплообмена в конденсаторных трубках турбин, особенно на участках, близких к забору воды, складываются гидродинамические и гидротермические условия, способствующие существованию в них моллюска Dreissena, что отрицательно сказывается на экономических и производственных показателях работы ТЭЦ. Биологические обрастания любого характера снижают пропускную способность трубопроводов и резко снижают интенсивность теплообмена, что приводит к нарушениям технологических процессов. Проблема усложняется тем, что, с одной стороны, крупные моллюски дрейссены повреждаются во время забора воды, попадают мертвыми в трубки систем охлаждения и служат источником механических помех для движения воды. С другой стороны, на створках умерших моллюсков и застрявших в трубках остаются прикрепленные мелкие живые моллюски (4-8 мм), неповрежденные во время забора воды, способные к росту в системе охлаж-дения (рис. 1).

Рис. 1. Дрейссена в трубках конденсатора после их промывки

Со временем они полностью перекрывают просвет трубы системы охлаждения как конденсаторов, так и масляных фильтров [4, 5]. Кроме взрослых моллюсков, личинки вместе с водой попадают в систему оборотного водоснабжения и в очистные сооружения, расселяются там и вызывают обрастание трубопроводов и резервуаров.

В ряде работ [6-12] подчеркивается высокая значимость данных, касающихся популяций дрейссены, в современных условиях.

В связи с этим нами было проведено экспериментальное исследование токсичности для моллюска дрейссены пяти препаратов - нанокавитантов на основе перекиси водорода, иммобилизированной на высокомолекулярных соединениях, представленных ООО «НПК «БИОЭКОПРОМ» (г Москва): линейного высокомолекулярного соединения органической полифосфатной природы; хелатного линейного высокомолекулярного соединения на базе сетчатых хелатных соединений; хелатного линейного высокомолекулярного соединения с включением третичных аминов; линейного высокомолекулярного соединения с включением третичных аминов; линейного высокомолекулярного соединения с включением нитрило-триметилуксусной кислоты. Эксперименты проводились с 2008 по 2010 год.

В последний период среди перспективных физико-химических направлений борьбы с биологическими обрастаниями используется метод обработки нанобиоцидами. Особенности строения нанокавитантов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Строение векторных нанопрепаратов

Биоцидные нанокавитанты и нанобиоциды - направленно-ориентированные макромолекулярные изомеры на основе линейных высокомолекулярных и хелатных линейных высокомолекулярных соединений, катализаторов и перекиси водорода в буферной стабилизирующей среде.

Данные вещества являются нанокавитантами, поскольку при действии этих веществ на биообъекты возникает явление кавитации - зоны повышенного и пониженного давления на границе биологических мембран, вследствие чего нарушается нормальное функционирование мембраны и происходит ее разрушение.

Основой биоцидного действия является образование зон локального повышения концентрации биоцидных компонентов. Действующим биоцидным началом является перекись водорода, которая иммобилизируется на нанокавитантах.

Механизм действия нанобиоцидов следующий. При каталитическом распаде наночастицы-кавитанты образуют локальные зоны повышенного и пониженного давления - «зоны микровзрывов и кавитации» с разрушающим действием расклинивающего типа на биопленки и конгломераты. Клетки, высвобождаемые из конгломератов, уничтожаются биоцидным хелатно-перекисным комплексом.

Цель работы - изучить токсичность по отношению к дрейссене биоцидного нанокавитанта - комплекса линейного высокомолекулярного соединения органической полифосфатной природы с перекисью водорода.

Экспериментальная часть

Для разработки технологии борьбы с дрейссеной в составе обрастаний на ТЭЦ были проведены эксперименты по оценке зависимости смертности дрейссены от концентрации биоцидного нанокавитанта - гексаметафосфата натрия по ГОСТ 20291 [13] с перекисью водорода по ГОСТ 177 [14]. В экспериментах моделировались условия в аванкамере и системе трубопроводов Казанской ТЭЦ-1. В сосуды с заданной концентрацией нанокавитанта от 0 до 65 мл/л, помещались разноразмерные особи дрейссены, отобранные из аванкамеры Казанской ТЭЦ-1, массой по 10 г в один сосуд. Адаптированная дрейссена выдерживалась в сосудах с водой, в которые приливался раствор нанокавитанта заданной концентрации (рис. 2). В растворе дрейссена выдерживалась по 7 мин. Данное время соответствует времени прохождения воды по системе трубопроводов ТЭЦ. Затем дрейссена вынималась из раствора нанокавитанта и помещалась в чистую воду для дальнейших наблюдений и оценки ее смертности в течение от одних до четырех суток.

Эффективность биоцидного действия оценивали по поведенческим реакциям дрейссены. В естественных благоприятных условиях у живой дрейссены створки приоткрыты и выставлены два сифона (вводной и выводной). Дрейссена хорошо реагирует на раздражение (колебания воды), пряча сифоны и смыкая створки. При наступлении неблагоприятных условий дрейссена способна прятать сифоны, смыкать створки и пережидать наступление неблагоприятных условий, оставаясь некоторое время живой. В связи с этим определение состояния «живой или мертвой» дрейссены затруднено. В проведенных экспериментах живыми считали всех моллюсков, сомкнувших створки при добавлении в воду раствора нанопрепарата. Мертвыми считали моллюсков, раскрывших створки после смыкания, не реагирующих на внешние раздражители. Поскольку методические рекомендации по использованию дрейссены в качестве объекта-монитора (тест-объекта) отсутствуют, то в экспериментах принято максимальное время (4 сут.) для оценки смертности в соответствии с рекомендациями по разработанным стандартам [15, 16].

Результаты и их обсуждение

Проведенные эксперименты показали, что кратковременная обработка моллюска (7 мин) раствором нанокавитанта начинает вызывать смертность при концентрации больше 8 мл/л и приводит к 100% смертности при концентрации более 40 мл/л за одни сутки наблюдений. 50% дрейссен погибают при концентрации более 20 мл/л (рис. 2). При обработке дрейссены нанопрепаратом в течение 7 мин. при его концентрации 20 мл/л 100% смертность отмечалась через четверо суток.

Поскольку раствор нанобиоцидного препарата после обработки гидротехнической системы может попадать в водоемы, были проведены эксперименты по определению безвредных концентраций линейного высокомолекулярного соединения органической поли-фосфатной природы - биоцидной композиции, включающей перекись водорода, комплексо-образователь - гексаметафосфат натрия и растворитель - воду. В экспериментах выдержи-вались в препарате дафнии (Daphnia magna Straus) в течение 2 сут и гуппи (Poecilia reticulate Peters) в течение 4 сут. в соответствии со стандартными методиками [15, 17]. Результаты оценки токсичности раствора нанокавитанта приведены на рис. 3, 4.

Рис. 2. Смертность дрейссены в зависимости от концентрации раствора нанокавитанта

Рис. 3. Выживаемость дафний и гуппи при низких концентрациях нанокавитанта

Как видно из приведенных на рис. 3 данных гуппи при низких концентрациях препарата являются более чувствительными тест-объектами и их смертность начинает отмечаться при более низких концентрациях препарата биоцидного действия. При этом при более высоких концентрациях препарата 100% смертность (рис. 3) у дафний отмечается раньше, чем у гуппи.

Рис. 4. Выживаемость дафний и гуппи в зависимости от концентрации раствора нанокавитанта

Табл. 2. Концентрации, при которых наблюдается 100%-ная выживаемость тест-объектов

В табл. 2 представлены концентрации препарата нанокавитанта, при которых отмечается 100% выживаемость различных гидробионтов, участвовавших в экспериментах.

Как видно из приведенных в табл. 2 данных, раствор нанокавитанта обладает высокой токсичностью при малых концентрациях. Это создает сложность при работе с препаратом в случае попадания рабочего раствора препарата по системе трубопроводов ТЭЦ в природный водоем. В то же время биоцидная композиция проявила высокую эффективность в обработке дрейссены в составе биообрастаний. Таким образом, для реализации возможности использования препарата на практике необходима разработка способа снижения токсичности.

Проведенные эксперименты позволили определить концентрации раствора нанокавитанта, вызывающие при кратковременной обработке моллюска (7 мин) смертность. 100% смертность дрейссены наблюдается через сутки при концентрации более 40 мл/л. 50% дрейссен погибают при концентрации более 20 мл/л. Показана высокая эффективность обработки препаратом в борьбе с дрейссеной в составе биообрастаний.

При выборе биоцидного препарата, из применяемых для борьбы с биообрастаниями гидротехнических сооружений на объектах энергетики впервые показана возможность применения линейного высокомолекулярного соединения органической полифосфатной природы - биоцидной композиции, включающей перекись водорода, комплексообра-зователь и воду, который проявил высокую активность в отношении дрейссены.

Определена концентрация биоцидного комплекса, приводящая при кратковременной обработке к 100% смертности дрейссены - 40 мл/л.

Литература

дрейссена токсичность гексаметафосфат натрий

1. Вундцеттель М.Ф., Илясов Ю.И. Проект комплексной программы «Борьба с биологическими загрязнениями и биопомехами в водоемах-охладителях». Аквакультура начала ХХI века: истоки, состояние, стратегия развития. Материалы Международной научно-практической конференции (п. Рыбное, 3-6 сентября 2002 г.). М.: Изд-во ВНИРО. 2002. С. 33-37.

2. Трибунский В.В., Никулин В.А., Николаева А.В. Эффективность использования реагентной обработки воды в водооборотных охлаждающих системах технологического оборудования. http://www.himvirial.ru/prod/16/stat1.htm. 2008.

3. Дрейссена: систематика, экология, практическое значение. М.: Наука. 1994. 240 с.

4. Калайда М.Л., Новикова Г.В., Синютина Т.П., Шмакова А.А. Борьба с биообрастаниями - важная задача энерго- и ресурсосбережения. «Журнал для руководителей и специалистов Энергетика Татарстана». 2008. №2(10). С. 51-55.

5. Калайда М.Л., Новикова Г.В., Синютина Т.П., Шмакова А.А. Борьба с биообрастаниями - важная задача энерго- и ресурсосбережения. «Журнал для руководителей и специалистов Энергетика Татарстана». 2008. №3(11). С. 85-92.

6. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду. М.: Наука. 1986. 367 с.

7. Калайда М.Л. Экологическая оценка Куйбышевского водохранилища в условиях антропогенного воздействия. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т. 2003. 135 с.

8. Калайда М.Л. Dreissena polymorpha (Pall.) и Dreissena bugensis (Andr.) (Mollusca, Bivalvia) в верхней части Куйбышевского водохранилища. Биология внутренних вод. 2004. № 3. С. 60-67.

9. Кирпиченко М.Я. К экологии Dreissena polymorpha Pallas в Цимлянском водохранилище. Тр. Ин-та биологии внутр. Вод АН СССР. 1971. Вып. 21 (24). С. 142-154.

10. Львова А.А. Экология Dreissena polymorpha (Pall.) Учинского водохранилища: Дис. … канд. биол.наук. М. 1977. 114 с.

11. Спиридонов Ю.И. Роль Dreissena polymorpha Pallas в биологическом самоочищении волгоградского водохранилища: Автореф. дис. …кандидата биологических наук. Саратов. 1971. 33 с.

12. Смирнова С.В. Характеристика некоторых аспектов биологии и основных эколого-популяционных параметров двустворчатого моллюска Dreissena polymorpha (Pallas) из озера Форелевого. Тезисы докладов VIII съезда Гидробиологического общества РАН, т. 3. Калининград, 16-23 сентября 2001 года. Калининград. 2001. С. 75-76.

13. ГОСТ 20291-80. Натрия полифосфат технический (гексаметафосфат натрия, соль Грахама). Технические условия. М.: Изд-во стандартов. 1986. 8 с.

14. ГОСТ 177-88. Перекись водорода (Водорода пероксид, Пергидроль). Технические условия. М.: Изд-во Стандартинформ. 2006. 11 с.

15. Методика определения токсичности водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов, питьевой, сточной и природной воды по смертности тест-объекта Daphnia magna Straus. М. 2007. 44 c.

16. Методика определения токсичности питьевых, природных и сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по измерению оптической плотности тест-культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer). М. 2007. 36 c.

17. Методическое руководство по биотестированию воды. РД 118-02-0. М. 1991. 68 с.

Размещено на Allbest.ru