Способ определения аммонийных соединений в атмосфере животноводческих комплексов



Способ определения аммонийных соединений в атмосфере животноводческих комплексов
Способ определения аммонийных соединений в атмосфере животноводческих комплексов
Способ определения аммонийных соединений в атмосфере животноводческих комплексов

 


Владельцы патента RU 2548744:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Тверской государственный университет (RU)

Изобретение относится к экологии, а именно мониторингу состояния окружающей среды методом биоиндикации. Способ определения аммонийных соединений в атмосфере животноводческих комплексов включает сбор образцов лишайника с деревьев, растущих в фоновой зоне, не имеющей выбросов поллютантов в атмосферу. Данные для образцов лишайника, собранных в зоне выброса поллютантов в атмосферу, сравнивают с данными для лабораторных стандартов методом ИК-спектроскопии. Для получения стандартов в лабораторных условиях моделируют процесс взаимодействия лишайника фоновой зоны с выбросами поллютантов, способствующих образованию сульфата аммония. В качестве биоиндикатора используют лишайник Parmelia sulcata. Изобретение позволяет определять уровень аммонийных соединений в атмосфере животноводческих комплексов. 2 табл, 1 ил.

 

Изобретение относится к области мониторинговых исследований, в частности, к разделу «Технология мониторинга и прогнозирование состояния атмосферы».

Аммонийные соединения часто вызывают щелочное загрязнение воздуха. Типичным поллютантом является аммиак (NH3), который под воздействием атмосферной влаги преобразуется в ионы аммония ( N H 4 + ) . Аммиак может нейтрализовать кислотные соединения в атмосфере, например аэрозоль серной кислоты (H2SO4), при этом образуется сульфат аммония (NH4)2SO4. Образование (NH4)2SO4 происходит в присутствии содержащейся в воздухе влаги. Эти процессы идут наиболее активно в районах с повышенной влажностью и частыми туманами.

Существуют различные способы определения (NH4)2SO4 в природной среде, в частности в атмосфере. Среди них:

1. Фотометрическое измерение концентрации (NH4)2SO4 в воздухе рабочей зоны. Суть метода определения заключается в измерении светопоглощения окрашенных растворов, образующихся в результате реакции сульфата аммония с реактивом Несслера при длине волны 450 нм.

2. Титриметрический метод определения, который основан на титровании свободной кислоты в пробе для анализа титрованным раствором гидроксида натрия в присутствии индикатора.

К недостаткам известных способов следует отнести:

1. Возможность определения поллютантов только в конкретный момент времени;

2. Невозможность получения интегральной характеристики состояния атмосферы за продолжительный промежуток времени;

3. Отсутствие информации о степени стабильности воздействия поллютантов на компоненты экосистемы.

Задачей изобретения является:

1. Получение интегральной характеристики состояния экосистемы по содержанию в атмосфере поллютантов, способствующих образованию сульфата аммония (NH4)2SO4;

2. Использование интегральной характеристики для повышения эффективности мониторинговых исследований.

Поставленная задача решается

1. Благодаря использованию эпифитного лишайника Parmelia sulcata, слоевища которого накапливают поллютанты рассматриваемой группы и частично с ними взаимодействуют, появляется возможность оценивать общее состояние экосистемы по уровню содержания в атмосфере поллютантов, способствующих образованию сульфата аммония;

2. Благодаря тому, что предлагаемый способ позволяет выявлять следы воздействия на биологические объекты поллютантов, поступивших в атмосферу в прошлом.

Кроме того, предложенный способ отличается высокой точностью идентификации поллютантов рассматриваемой группы.

Сущность предложенного способа заключается в следующем

Способность эпифитных лишайников накапливать поллютанты рассматриваемой группы и частично с ними взаимодействовать позволяет посредством использования Фурье-ИК-спектрального анализа определить содержание поллютантов в атмосфере. Эта особенность также дает возможность оценить общее состояние экосистемы по уровню содержания в атмосфере поллютантов с учетом динамики этой характеристики. Описанная специфика воздействия поллютантов на эпифитные лишайники позволяет также выявлять следы воздействия на биологические объекты поллютантов, поступивших в атмосферу в прошлом.

Обоснование применения эпифитного лишайника Parmelia sulcata.

Лишайник Parmelia sulcata

1. Широко распространен в урбалихенфлорах, включая рекреационные зоны, в которых может не встречаться Hypogymnia physodes (L.) Nyl.;

2. Листоватое слоевище Parmelia sulcata благодаря значительным общим размерам (до 20 см в диаметре), широким крупным лопастям (2-6 мм шириной и 5-10 см длиной) и их ячеисто-бороздчатой структуре имеет достаточно большую площадь поверхностного контакта с воздушной средой, содержащей поллютанты, что способствует более быстрому и интенсивному накоплению поллютантов;

3. Более рыхлый, чем у Hypogymnia physodes (L.) Nyl., наружный коровой слой обеспечивает более активное взаимодействие с поллютантами, а также заметную модификацию внешних признаков, таких так изменение цвета и характер поверхности даже при незначительных концентрациях поллютантов.

4. При достаточно больших общих размерах слоевища подобные изменения легко выявляются визуально, что позволяет осуществлять двухуровневую индикацию (рекогносцировочную визуальную и диагностирующую спектроскопическую), которая включает следующие этапы: поиск локальных экотопов с более высокой концентрацией поллютантов в воздухе посредством визуального анализа слоевищ; количественная и качественная оценка загрязнения с помощью ИК-спектрального анализа;

5. Двухуровневая индикация атмосферного загрязнения с использование ИК-спектрального анализа обеспечивает оперативность сбора информации о наличии поллютантов, снижает экономические и временные затраты благодаря уменьшению числа необходимых для спектрального анализа проб, что способствует повышению эффективности мониторинговых исследований.

Изобретение иллюстрируется Фиг.1, Таблицами 1-2.

Фиг.1. ИК-спектры образцов Parmelia sulcata: 1 - фоновая зона; 2 - испытавших воздействие 1% (NH4)2SO4; 3-5% (NH4)2SO4.

Таблица 1. Значения отношения Av2925, рассчитанные из ИК-спектров индикаторных видов лишайников, экспонированных над водным раствором (NH4)2SO4. Примечание: «-» - нет полосы поглощения в ИК-спектре образца лишайника.

Таблица 2. Краткая характеристика пунктов сбора лишайника Parmelia sulcata.

Для имитации воздействия полютанта, влажные образцы Parmelia sulcata, собранные в фоновой зоне, помещают в эксикатор над водным раствором (NH4)2SO4. В воде (NH4)2SO4 подвергается гидролитической диссоциации:

.

Слабое основание NH4OH диссоциирует с выделением NH3, a H2SO4 в водных растворах разлагается на ионы:

,

.

Таким образом образцы оказываются в аэрозоли NH3 и/или N H 4 + и H2SO4 и/или S O 4 2 .

Получение стандартов

Образцы Parmelia sulcata прикрепляют к внутренней поверхности крышки эксикатора V=1 л над 30 мл водного раствора NH4NO3 различной концентрации 1,0-5,0%. Экспонирование образцов поллютантом осуществляют при комнатной температуре 22-24°C в течение 7 дней.

Для записи ИК-спектров экспонированные образцы таблетируют с бромидом калия. Для этого 3 мг образца лишайника высушивают при температуре 25-35°C, измельчают в вибромельнице, смешивают с 0,7 г порошка KBr. Затем смесь прессуют под давлением 20 атм в специальной пресс-форме при комнатной температуре с вакуумной откачкой с получением прозрачной таблетки, пригодной для регистрации спектров на Фурье-ИК-спектрометре «Equinox 55» фирмы «Bruker» в диапазоне 400-000 см-1 с разрешением 4 см-1 и количеством сканов - 32. Для проведения количественного спектрального анализа используется программа OPUS-NT, позволяющая рассчитать оптическую плотность анализируемой полосы (Av) по формуле:

A=k·c·d,

где A - оптическая плотность (поглощение); c - концентрация поглощающих центров - осцилляторов или колеблющихся химических группировок; d - толщина образца, соответствующая длине пути, пройденного светом; k - коэффициент поглощения данного осциллятора.

С целью исключения влияния толщины образца на количественные результаты оптическую плотность анализируемой полосы поглощения (Av) относят к оптической плотности полосы стандарта (AC):Av/AC. В качестве полосы стандарта выбирают полосу на частоте 2925 см-1, характеризующую валентные колебания СН2-группы в образце. По зависимости Av/AC(Av2925) определяется относительная концентрация исследуемых химических групп и судят об их изменениях в процессе реакции.

О присутствии в приземном слое атмосферы аэрозолей N H 3 ( N H 4 + ) и H 2 S O 4 ( S O 4 2 ) можно судить по появлению в ИК-спектрах образцов Parmelia sulcata изменений, связанных с образованием нескольких типов соединений - сульфонов (R-SO2R), сульфатов (R-O-SO2-OR1) и аммонийной соли (R-COONH4). На сульфоны в ИК-спектрах образцов указывают полосы при 1313 va(SO2), 780, 668 и 518 см-1 v(S-O-C); сульфаты - 1451(±3) va(SO2) и 873(±2) см-1 v(S-O-C); аммонийную соль - 1402 или 1384 см-1 δ(N-H) (Фиг.1).

О содержании аэрозолей N H 3 ( N H 4 + ) и H 2 S O 4 ( S O 4 2 ) ((NH4)2SO4) в атмосфере можно судить по величине Av/A2925 (Табл. 1).

В образцах Parmelia sulcata при низких концентрациях поллютанта 1,0% регистрируются аммонийная соль и сульфоны, а при высоких концентрациях 5% - аммонийная соль и сульфаты.

На сульфоны в ИК-спектрах образцов указывают полосы при 1313, 780, 668 и 518 см-1; сульфаты - 1451 va(SO2) и 872 см-1 v(S-O-C); аммонийную соль - 1402 или 1384 см-1 δ(N-H).

Способ осуществляется следующим образом:

1. Сбор образцов Parmelia sulcata.

Сбор осуществляют с деревьев, на высоте 1,2-1,5 м от земли, растущих в районе функционирования животноводческих или свиноводческих комплексов.

2. Запись ИК-спектров.

Для записи ИК-спектров образцов используют метод таблетирования с бромидом калия. Для этого 3 мг образца высушенного лишайника при температуре 25-35° тщательно измельчают в вибромельнице и смешивают с 0,7 г порошка KBr. После смесь прессуют под давлением 20 атм в специальной пресс-форме при комнатной температуре в вакууме с получением прозрачной таблетки. ИК-спектры образцов записывают на спектрометре в диапазоне 400-4000 см-1, разрешение составляло 4 см-1, количество сканов - 32. Для анализа полученных ИК-спектров: спектры образцов лишайников из загрязненной (район животноводческих комплексов) совмещались с ИК-спектром фоновой (чистой) зоны; устанавливались полосы поглощения, связанные с накоплением поллютантов - N H 3 ( N H 4 + ) и H 2 S O 4 ( S O 4 2 ) (NH4)2SO4.

При обнаружении ИК-полос поглощения в образце лишайника на частотах 1402, 1313, 780, 668 и 518 см-1, связанных с образованием сульфонов и аммонийной соли, делается вывод о присутствии в атмосфере (NH4)2SO4, по содержанию - эквивалент 1% водному раствору (NH4)2SO4.

При обнаружении ИК-полос поглощения в образце лишайника на частотах 1384, 1451 и 872 см-1, связанных с образованием сульфатов и аммонийной соли, делается вывод о присутствии в атмосфере (NH4)2SO4, по содержанию - эквивалент 5% водному раствору (NH4)2SO4.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта (возможность получения интегральной характеристики состояния экосистемы по содержанию в атмосфере поллютантов, способствующих образованию сульфата аммония (NH4)2SO4, выявление следов воздействия поллютантов на экосистему в прошлом) и достигаемым техническим результатом (повышение эффективности мониторинговых исследований, высокая точность идентификации поллютантов рассматриваемой группы) существует следующая причинно-следственная связь.

1. Слоевища эпифитных лишайников накапливают поллютанты рассматриваемой группы и частично с ними взаимодействуют.

2. Продукты этого взаимодействия различны и зависят от уровня содержания в атмосфере данных поллютантов. Продукты взаимодействия сохраняются в слоевище продолжительный промежуток времени.

3. Благодаря этому спектральный анализ продуктов взаимодействия позволяет оценивать общее состояние экосистемы по уровню содержания в атмосфере поллютантов, способствующих образованию сульфата аммония, выявлять следы воздействия на биологические объекты поллютантов, поступивших в атмосферу в прошлом.

4. Отмеченные зависимости существенно расширяют возможности мониторинговых исследований, повышают их эффективность, обеспечивают высокую точность идентификации поллютантов, что дает возможность объективно оценивать статус анализируемой территории с точки зрения загрязнения атмосферы поллютантами и организовывать дальнейшее наблюдения, направленные на выявление динамики изменения состояния экосистем.

Изобретение позволяет фиксировать в атмосфере животноводческих комплексов N H 3 ( N H 4 + ) и H 2 S O 4 ( S O 4 2 ) (NH4)2SO4; получать интегральную характеристику состояния экосистемы по содержанию в атмосфере поллютантов, способствующих образованию сульфата аммония (NH4)2SO4; выявлять степень стабильности воздействия поллютантов на биологические объекты, в том числе поллютантов, поступивших в атмосферу в прошлом; организовывать эффективные мониторинговые исследования, прогнозировать динамику изменения состояния экосистем.

Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующими примерами.

Для демонстрации практической ценности ИК-спектральных исследований химического состава лишайника, испытавшего влияния поллютантов, при оценке загрязнения атмосферы был осуществлен сбор лишайников в экологически чистой (загородной) зоне, а также в районе функционирования животноводческого комплекса ОАО племзавод «Заволжский» Таблица 2. Спектры образцов по стандартной методике были записаны на ИК-спектрометре.

В ИК-спектрах образцов Parmelia sulcata, собранных в районе ОАО племзавод «Заволжский», обнаружены изменения при 1402, 1313, 780, 668 и 518 см-1. Данные изменения связаны с образованием сульфонов и аммонийной соли, что указывает на присутствие в воздухе атмосферы аэрозоли N H 3 ( N H 4 + ) и H 2 S O 4 ( S O 4 2 ) (NH4)2SO4. Сопоставление ИК-спектров образцов, собранных в районе функционирования ОАО племзавод «Заволжский», и ИК спектров образцов, выдержанных над 1%-ном раствором (NH4)2SO4 в течение 1 недели, показало их соответствие. Сопоставление ИК-спектров лишайников района ОАО племзавод «Заволжский» с ИК-спектром лишайника, выдержанного над 5%-ном раствором (NH4)2SO4, не выявило изменений, связанных с образованием сульфатов и аммонийной соли.

Способ определения аммонийных соединений в атмосфере животноводческих комплексов, содержащий сбор образцов лишайника с деревьев, растущих в фоновой зоне, не имеющей выбросов поллютантов в атмосферу, моделирование процесса взаимодействия лишайника фоновой зоны с выбросами поллютантов в лабораторных условиях, сравнение образцов лишайника, собранных в зоне выброса в атмосферу поллютантов, со стандартами методом ИК-спектроскопии, отличающийся тем, что в качестве лишайника используется Parmelia sulcata.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при определении химического состава материалов, содержащих кусковой металл, используемых в качестве сырья при производстве чугуна.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для прогнозирования ранней стадии апоптоза лимфоцитов. Для этого выделяют клетки, инкубируют их 48 часов при температуре 37°C и 5% содержании CO2 с добавлением индуктора апоптоза дексаметазона в концентрации 10-4 моль/мл.
Способ определения величины свободнорадикальной активности твердых материалов относится к области экологического тестирования, контроля качества строительных и др.
Изобретение относится к способу оценки антиоксидантной активности растительного сырья из сабельника болотного (Comarum palustre L.). Способ оценки антиоксидантной активности растительного сырья из сабельника болотного (Comarum palustre L.) заключается в определении антиоксидантной активности в водных настоях сабельника болотного по снижению уровня свободно-радикального окисления, который определяют по уровню малонового диальдегида (МДА) методом взаимодействия с тиобарбитуровой кислотой в модельной системе перекисного окисления липидов, представленной полученными из лецитина липосомами.

Изобретение относится к области радиобиологии и экспериментальной медицины. Способ оценки фармакологических и токсикологических свойств веществ заключается в том, что исследуемое вещество вносят в питательную среду личинок и мух Drosophila melanogaster, сочетающих в своем геноме гипоморфные мутации ss- и СG5017-генов.

Изобретение относится к области экологии и предназначено для мониторинга загрязнения природной среды от техногенного точечного источника аэрозольно-пылевых загрязнений.

Изобретение относится к области поверхностных явлений и может быть использовано в разных отраслях, в том числе для характеристики дисперсных материалов или раздробленных материалов, песка, цемента и т.п.

(57) Заявленное изобретение относится к области кормопроизводства и предназначено для определения энергетической ценности зерна белого люпина. Энергетическую ценность определяют на основе расчета энергий активации химических компонентов как сумму энергий активации оболочки и ядра зерна белого люпина, умноженную на массовую долю оболочки и ядра в зерне соответственно.

Изобретение относится к ветеринарии и может быть использовано для мониторинга эструса и овуляции животных и планирования предпочтительного времени оплодотворения.

Изобретение относится к области физической и коллоидной химии, нанотехнологиям микродвигателей, а также к другим областям для проведения анализа и характеристики материалов.

Изобретение относится к микроскопии отдельных биологических организмов в жидком образце. Изображения, на которых могут быть идентифицированы отдельные биологические организмы, объединяют для создания наборов оптических срезов биологических организмов, и наборы оптических срезов анализируют для определения значения по меньшей мере одного параметра, описывающего микробную активность указанного отдельного биологического организма в каждом контейнере для образца.

Изобретение относится к области мониторинга радиационной обстановки и установления факта появления в атмосфере облака радиоактивных веществ. С помощью спектрорадиометра инфракрасного излучения определение присутствия в воздухе радиоактивных газов и аэрозолей осуществляется путем установления повышения в воздухе содержания озона, образующегося из кислорода под действием ионизирующих излучений радионуклидов.

Изобретение относится к способу измерения заполняющей способности измельченного табака. Для осуществления способа облучают образец табака лучом в ближнем инфракрасном диапазоне и измеряют спектр пропускания и поглощения или спектр диффузного отражения.

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорам распределения деформации для систем мониторинга различных объектов на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, в частности к сенсорам растяжения на основе регистрации параметров вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для отработки рациональных параметров кусковой люминесцентной сортировки для различных типов руд (например, шеелитсодержащих).
Изобретение относится к способу изготовления сенсора для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР), который представляет собой стеклянный капилляр, на внутреннюю сторону которого нанесены наночастицы серебра.

Изобретение относится к области исследования состава и свойств многокомпонентных углеводородных систем в процессе разработки нефтегазоконденсатных месторождений, а именно к фотометрическим способам определения концентрации диэтиленгликоля в насыщенном (после поглощения влаги из газа) диэтиленгликоле (нДЭГ) и регенерированном диэтиленгликоле (рДЭГ).
Изобретение относится к области нано-, микроэлектроники и аналитического приборостроения и может быть использовано в разработке технологии и в производстве изделий микро- и наноэлектроники, а также в производстве чистых материалов и для диагностики и контроля жидких технологических сред.

Изобретение относится к геологии и может быть использовано для определения палеотемператур катагенеза, что характеризует степень катагенетической зрелости органического вещества (OВ) пород.

Изобретение относится к антенне терагерцового частотного диапазона, в частности к перестраиваемой антенне терагерцового частотного диапазона на основе полупроводникового материала.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в атомной энергетике, охране окружающей среды для высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида 14C в газовой фазе технологического процесса переработки отработавшего ядерного топлива в режиме реального времени. Способ заключается в измерении коэффициента поглощения инфракрасного излучения анализируемой смесью газов, содержащей 14CO2 или 14CO, пропускаемой через однопроходную или многопроходную кювету, при этом измерение коэффициента поглощения излучения проводится в диапазоне длин волн от 1,94 до 2,18 мкм, или от 2,50 до 2,80 мкм, или от 4,00 до 4,50 мкм, или от 14,00 до 17,00 мкм для молекул 14СО2, и в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм или от 4,50 до 5,10 мкм для молекул 14СО. Выбор указанных диапазонов, спектральной точности и типа кюветы обусловлен наличием других основных газовых компонент, образующихся в процессах переработки отработавшего ядерного топлива, а также концентрацией молекул 14CO2 или 14СО и значением общего давления в кювете.7 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх