Fotodegradace rašelinných huminových látek

Výzkum možností minimalizace obsahů organických škodlivin ve zdrojích pitných vod v Krušných horách Fotodegradace rašelinných huminových látek Krtička M. 1, Novák F. 2, Sýkorová A. 3, Novotná M. 3 Říjen 2012 1 ) Výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti, v.v.i., Jíloviště; krticka@vulhm.cz 2 ) BC AV ČR, v.v.i., České Budějovice; novakf@upb.cas.cz 3 ) VŠCHT Praha, Praha; andrea.sykorova@vscht.cz, miroslava.novotna@vscht.cz

Autor: Krtička M. 1, Novák F. 2, Sýkorová A. 3, Novotná M. 3 1 ) Výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti, v.v.i.; Strnady 136, 252 02 Jíloviště, Doručovací pošta: 156 04 Praha 5 Zbraslav; E-mail: krticka@vulhm.cz 2 ) BC AV ČR, v.v.i.; Na Sádkách 7, České Budějovice; E-mail: novakf@upb.cas.cz 3 ) VŠCHT Praha; Technická 5, Praha; E-mail: andrea.sykorova@vscht.cz, miroslava.novotna@vscht.cz Foto: M. Krtička

Obsah Cíl práce 3 Abstrakt 3 Laboratorní experiment 3 Analytické metody 3 Infračervená spektroskopie 4 UV/VIS spektroskopie 4 Výsledky a diskuze 4 RTG analýza 4 Vyhodnocení koeficientu Q 4/6 4 Výsledky z IČ spektroskopie 5 Závěry laboratorního testu 5 Terénní test na studované lokalitě 5 Výsledky terénního testu a jeho diskuse 6 Závěr - souhrn 8 Literatura 8 2

Cíl práce Tato práce je součástí projektu Výzkum možností minimalizace obsahů organických škodlivin ve zdrojích pitných vod v Krušných horách (Ziel3/Cíl3 č. 100018967), který se zaměřuje na hledání odpovědí na otázky, jaká vhodná opatření vedou ke snížení obsahů organických látek (převážně huminových) ve vodách, které jsou využívány jako zdroje pitné vody pro obyvatele regionů na obou stranách hranice. Ve studii jsme se zaměřili na proces fotodegradace huminových látek (HL). Fotodegradace, tedy rozklad organických látek vlivem slunečního záření, je specifický problém s mnoha různými výklady a ne vždy jednoznačnými interpretacemi. Abstrakt Je známo, že huminové látky (HL) v přírodě velmi silně absorbují sluneční UV a VIS záření. Působením tvořících se velmi reaktivních radikálů jako jsou singletový kyslík 1 O 2, peroxidy radikálů (ROO.), peroxid vodíku, solvatovaný (hydratovaný) elektron (e- aq) (Allard et al., 1994; Sýkorová, 2011) se narušují chemické struktury huminových látek (HL). Procesy a produkty rozkladu HL nejsou kvůli značné komplikovanosti struktur zcela známy. Vysoce pravděpodobné však je, že dochází ke snížení molekulové hmotnosti (Il'in et al., 1973). Aby bylo možné stanovit přibližný podíl úbytku organického uhlíku v důsledku slunečního svitu v daných podmínkách, bylo třeba provést dvě základní řady testů. Laboratorní část byla zaměřena primárně na vliv UV a VIS záření, generovaného definovaným zdrojem s charakteristikou blízkou dennímu světlu, a studium jím vyvolaných strukturních změn u HL. Bylo tak možno určit, která část makromolekulární struktury HL je nejvíce náchylná k destrukci. Následným terénním testem bylo ověřeno, nakolik je osvit v daném místě významný pro případný rozklad místních rozpuštěných huminových látek. K tomu byla zvolena metoda vycházející ze zahraniční studie Winter et al. (2007). Byly sledovány změny obsahu fulvokyselin rašelinného původu (nejmobilnější frakce HL) v podmínkách letního osvitu na studované lokalitě (3 a 5 týdnů expozice slunečnímu svitu). Vzorky pro laboratorní testování byly získány z vod odebraných v povodí Rašeliníku nebo vykazujících podobnou chemickou strukturu. Změny koncentrace HL po ozáření byly v obou testech ve srovnání s kontrolními vzorky průkazné. Laboratorní experiment Huminové látky podléhají relativně snadno oxidaci. V laboratoři se k tomu používají různá činidla - oxid mědnatý, manganistan draselný, peroxid vodíku nebo chlor. Výsledky takovýchto oxidačních procesů jsou značně rozdílné a nejsou srovnatelné s podmínkami v přírodě. Pro laboratorní experiment fotodegradace HL byly použity standardní chemikálie čistoty p.a. a huminové látky připravené partnerem projektu (ÚPB, BC AV ČR, v. v. i.) - RB29HK (rašelinné huminové kyseliny), RB29FK (fulvokyseliny) a FL107 (fulvokyseliny izolované z potoka Rašeliník v povodí Flájské nádrže). K měření bylo využíváno standardních laboratorních přístrojů a vybavení (Spektrofotometr Cecil CE 2041, FTIR spektrometr NICOLET 6700). Roztoky huminových látek pro studium degradace vlivem UV záření byly připraveny rozpuštěním 11 mg dané HL v 1 ml demineralizované vody. Poté byly roztoky na 168 h umístěny pod zářivku o příkonu 20 W se spektrální charakteristikou blízkou dennímu světlu (6000 K). Pro měření absorbance při 465 nm a 665 nm byly připraveny roztoky HK o koncentraci c= 160 mg.l -1. Analytické metody Byly použity spektroskopie v IČ a UV/VIS oblasti, protože v těchto oblastech lze nalézt charakteristické absorpční pásy, poskytující dostatečně přesnou informaci o změně 3

struktury a koncentrace huminových látek obsažených v daných vzorcích. Infračervená spektroskopie Infračervená (IČ, často též FTIR, Fourier Transform Infrared) spektroskopie je nedestruktivní analytická metoda, při které se měří vibrační a rotační energie chemických vazeb. Touto metodou lze provádět kvantitativní i kvalitativní měření, je vhodná pro studium molekulové dynamiky, příp. dalších chemických vlastností molekul, vlivu prostředí na studované molekuly, sledování vzniku a degradace chemické vazby a dalších oblastí. Absorpční pásy huminových látek jsou nejlépe pozorovatelné ve střední IČ spektrální oblasti 3500 až 400 cm -1, kde se nalézají fundamentální absorpční pásy, na nichž lze pozorovat posuny polohy i změny intenzity, které odpovídají vzniku případně rozpadu chemické vazby (Kania, 2008). Pro měření IČ spekter byla využita technika ATR ( Attenuated Total Reflection, zeslabený celkový odraz), jejímž principem je dosažení úplného odrazu záření na fázovém rozhraní měřeného vzorku a měřícího krystalu z materiálu o vysokém indexu lomu a vysoké propustnosti IČ záření. Výhodou této techniky je minimální příprava vzorku (sušení v exsikátoru) a celková rychlost metody. K získání reálných a přesných výsledků je třeba získaná spektra upravit a co možná nejpřesněji odečítat a hodnotit k tomuto účelu bylo užito smíšené Gaussovy a Lorentzovy součtové a profilové metody. UV/VIS spektroskopie Metoda je založena na absorbci záření molekulami testovaného vzorku. Rozsah záření je v UV oblasti 190 400 nm a ve VIS oblasti 400 800 nm. Absorbance vzorků byla měřena na jednopaprskovém spektrofotometru CECIL CE 2041, který měří pouze záření procházející vloženou kyvetou, přičemž je zanedbáván vliv kyvety a rozpouštědla. Je odečten vliv slepého pokusu (kyvety s destilovanou vodou). Pro charakterizaci huminových látek se často využívá koeficientu Q 4/6, který odráží změny struktury HL. Koeficient Q 4/6 byl vypočítán jako poměr absorbancí při vlnových délkách 465 nm a 665 nm. Koeficient je užíván pro orientační stanovení podílu aromatických a alifatických vazeb v molekulách, protože s klesající hodnotou poměru Q 4/6 roste aromaticita huminových látek (Stevenson, 1994). Výsledky a diskuze RTG analýza Abychom vyloučili možnost rušení absorbancí jednotlivých vzorků, byla provedena analýza anorganické složky jednotlivých vzorků pomocí RTG fluorescence. Největší podíl anorganické složky měl vzorek FL107 (6,3 % hm.), RB29HK měl 4,7 % hm. a RB29FK 3,8 % hm. Současně byl v anorganické části stanoven podíl prvků, převažovaly sodík (až 47 %) a síra (33 42 %), z dalších prvků byly významněji zastoupeny železo, chlór a křemík (Sýkorová, 2011). Vyhodnocení koeficientu Q 4/6 Absorbance při vlnových délkách 465 a 665 nm byly stanoveny pro výchozí roztoky HL a pro vzorky po 168 hodinové expozici UV záření. Zjištěné absorbance a koeficient Q 4/6 jsou uvedeny v tabulce I. Po fotodegradaci byl u všech vzorků patrný pokles absorbance především při 465 nm, dokládající snížení koncentrace huminových látek 2-krát až 6-krát. Ze změn koeficientu Q 4/6 je zřejmý nárůst aromaticity huminových molekul. Podobně zaznamenali 50% pokles celkového organického uhlíku po šestihodinovém ozařování vodných roztoků huminových látek Allard et al. (1994), kteří však používali UV záření o vlnové délce 254 nm. 4

Tab. 1: Vliv ozáření roztoků studovaných huminových látek na absorbanci a koeficient Q 4/6 Vzorek A 465 A 665 Q 4/6 Původní vzorky bez ozáření RB29HK 0,433 0,208 2,1 RB29FK 0,142 0,010 14,9 FL107 0,178 0,014 12,9 Vzorky po ozáření RB29HK 0,071 0,038 1,9 RB29FK 0,059 0,009 6,6 FL107 0,085 0,013 6,2 Výsledky IČ spektroskopie Po expozici studovaných vzorků HL měkkým UV zářením v laboratoři (zdroj měl spektrální charakteristiku blízkou dennímu světlu) došlo kromě poklesu koncentrace HL také ke změnám struktury huminových látek. Absorbance při 465 nm, přímo úměrná koncentraci HS, klesla 2-krát až 6-krát (tabulka I), nejvyšší pokles koncentrace byl zaznamenán u huminových kyselin izolovaných z rašeliny, které byly tedy nejcitlivější na fotochemické reakce. Ze změn parametrů FTIR spekter je zřejmé, že při fotodegradaci dochází k dekarboxylaci huminových látek (I 1700 /I 1450 ) a k relativnímu zvýšení obsahu aromatických kruhů (I 1600 /I 1450 ). Z hodnocení dalších parametrů FTIR spekter, které se pro hodnocení degradace organických látek užívají (Špirochová, 2011), je patrné, že v neutrálním i kyselém prostředí dochází k fotooxidaci. V FTIR spektrech byl rovněž pozorován rozklad alifatických řetězců HL, příp. jejich zkracování. Při srovnání tří rašelinných huminových látek huminových kyselin a fulvokyselin izolovaných z rašeliny z ložiska Branná a fulvokyselin izolovaných z vody odebrané v povodí potoka Rašeliník byla zjištěna největší míra dekarboxylace u fulvokyselin, izolovaných z potoka Rašeliník (Novák et al., 2012). Závěry laboratorního testu UV záření ze zdroje se spektrální charakteristikou blízkou dennímu světlu vyvolává fotodegradaci huminových látek. Při fotodegradaci došlo k relativnímu zvýšení obsahu aromatických kruhů v molekulách huminových látek. Nejcitlivější na ozáření byly huminové kyseliny, které mají složitější strukturu a tím i větší možnost interakce se zářením. Nejvyšší míra dekarboxylace byla pozorována u fulvokyselin izolovaných z potoka Rašeliník. Terénní test na studované lokalitě Jakkoli je laboratorní test vždy velmi dobrou ukázkou chování daných materiálů v definovaných podmínkách, v reálných podmínkách obvykle dochází k nezanedbatelným rozdílům. Vzhledem k praktické orientaci projektu na konkrétní podmínky náhorních planin Krušných hor byla proto zvolena praktická metoda testu, která vychází z postupu popsaného v literatuře (Winter et al., 2007). Byl studován vliv osvitu na rašelinné fulvokyseliny (tedy frakci, která nejlépe reprezentuje nejvýznamnější část organického uhlíku ve zdroji pitných vod). Test probíhal v předzdrži na potoce Rašeliník za podmínek blízkých reálným podmínkám 1. Základním testovaným materiálem byla fulvokyselina, označená jako RB20FK, izolovaná dle metody IHSS (Malcolm, 1991) z rašeliny Branná (Rašelina Soběslav, a.s.). Tato frakce huminových látek byla zvolena proto, že tvoří dominující podíl v mobilní složce huminových látek ve vodách je tedy zásadní pro řešení problému vysokých obsahů organických látek v pitných vodách. Roztokem fulvokyseliny v destilované vodě (60 mg.l -1, ph 4,0 a 7,0) byly naplněny testovací kyvety ze sodno-vápenatého a boro-silikátového skla. Koncentrace fulvokyseliny byla zvolena na základě dlouhodobých měření různých zdrojů huminových látek je přibližně dvakrát vyšší než koncentrace ve významnějších zdrojích což umožňuje lépe sledovat daný efekt a snížit vliv případných 1 intenzita osvitu odpovídala podmínkám, vzorky byly ve skleněných kyvetách, nikoli volně na vzduchu 5

limitů stanovení a metod. Hodnoty ph byly upraveny tak, aby odpovídaly jednak hodnotám zjištěným ve vodách vytékajících z rašelinných poloh (kyselejší vzorky), jednak vodám v těch přítocích potoka Rašeliník, u nichž se projevuje dřívější vápnění povodí neutrálním ph. Vzorky pro terénní expozici byly umístěny do uzavřených kyvet, které však nepropouštějí určitou část slunečního záření. Protože bylo třeba tento vliv minimalizovat, byly zvoleny dva druhy skel sodno-vápenaté a boro-silikátové. Propustnost obou skel pro dopadající spektrum slunečního záření byla stanovena z absorbance v UV/VIS oblasti na laboratorním spektrofotometru Libra S22 (obr. 1). A 3.0 Glass absorbance 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 Drazovky (Na-Ca glass) VIAL (Borosilicate glass) 0.0 300 350 400 450 500 λ / nm Obr.1: Test propustnosti skla kyvet (vialek) použitých pro studium fotodegradace. Roztoky fulvokyselin, připravené dle výše uvedeného postupu, umístěné v kyvetách (vialkách) s víčky utěsněnými parafilmem, byly uloženy ve speciálním rámu na hladině předzdrže na potoku Rašeliník. Kontrolní kyvety obsahovaly stejné vzorky, byly však před expozicí slunečním světlem chráněny hliníkovou fólií. Rám s kyvetami byl periodicky (2x týdně) kontrolován a čištěn od případných nánosů bahna. Nádobky byly umístěny tak, aby teplota vzorků odpovídala teplotě v místní předzdrži (nádobky v rámu byly v kontaktu se stabilní vodní hladinou). Obr. 2: Lokalizace testovaných vzorků v terénním testu Doba expozice slunečním světlem byla zvolena 20 dnů (16. 8. 2012 5. 9. 2012), u druhého souboru vzorků 34 dnů (16. 8. 2012 19. 9. 2012). Po expozici byly kyvety vyzvednuty a uloženy v chladničce ve tmě. První odběr byl připraven tak, aby byly k disposici od každé varianty (totožné ph i koncentrace) vždy 4 kyvety a dvě kyvety kontrolní (odběr 5.9.), u druhého odběru byly k disposici 3 kyvety od každé varianty a 2 kyvety kontrolní (odběr 19. 9. 2012). V průběhu testu bylo několik nádobek poškozeno (porušené víčko, rozbitá kyveta) tyto vzorky byly ze zpracování vyloučeny. Po převozu vzorků k analýzám byly měřeny oba soubory současně. Bylo stanoveno ph roztoku, absorbance při 254, 465 a 665 nm, a u jednoho vzorku z každé varianty bylo změřeno spektrum v UV VIS oblasti 200 900 nm. Statistické testy byly provedeny na hladině významnosti 95 % (Statistica 10). Výsledky terénního testu a jeho diskuse Výsledky testování fotodegradace huminových látek v terénních podmínkách jsou shrnuty v tabulce II. U neexponovaných (kontrolních) vzorků s ph 7 byla absorbance vyšší než u kontrolních vzorků s ph 4, což odpovídá obecnému zvyšování absorbance huminových látek se zvyšujícím se ph v důsledku ionizace huminových látek. 6

Tab. 2: Výsledky fotodegradace huminových látek při terénním testu. ph vzorku Expoziční doba [den] úbytek v % hm Ca-Na sklo úbytek v % hm B-Si sklo 4 0 - kontrola 0 4,4 4 20 23,2 20,5 4 34 35,1 28,6 7 0 - kontrola 0 3,5 7 20 29,3 23,2 7 34 34,0 29,4 Expozice slunečním světlem se projevila výrazným a statisticky průkazným poklesem obsahu huminových látek. V kyvetách ze sodno-vápenatého skla (Na-Ca), které propouštějí více UV záření, probíhal rozklad rychleji než v kyvetách z boro-silikátového (B-Si) skla (např. 29,3 % oproti 23,2 % za dvacet dnů při neutrálním ph). Podobně rozklad huminových látek při ph 7 probíhal rychleji než v kyselém prostředí. Při delší expozici se rozdíl mezi variantami s různým ph snížil, rozdíl rychlosti fotodegradace huminových látek u kyvet z různého skla však byl zřejmý i v případě delší expozice. Vlivem částečné nerovnoměrnosti expozice v terénu a pravděpodobně také nerovnoměrné tloušťky skla nejsou vzájemné rozdíly mezi variantami lišícími se použitým sklem nebo hodnotou ph významné na hladině spolehlivosti 0,95. Zaznamenaný pokles koncentrace huminových látek po ozáření však byl statisticky průkazný u všech osmi případů (variant) i přes částečné mechanické poškození světloizolační Al-fólie u jednoho kontrolního vzorku (které zvýšilo rozptyl dat u této kontroly). Poměr Q 4/6 se v průběhu expozice UV záření snižoval, výrazněji u varianty s propustnějším (Na-Ca) sklem. Při aplikaci kinetiky prvého řádu lze pro zjištěný úbytek HL vypočítat poločasy rozkladu HL v daném období (obr. 3): u kyvet z Na-Ca skla byl poločas rozkladu HL 52 dnů (ph 4) a 40 dnů (ph 7). Skutečné poločasy rozkladu huminových látek budou o něco kratší, protože kyvety nepropouštěly část slunečního UV záření (srovnej obr. 1). Pokles koncentrace huminových látek je zřejmý i z poklesu absorbance roztoků po ozáření (viz UV/VIS spektra testovacích roztoků na obr. 4). c HL / % 100 90 80 70 60 50 40 30 0 10 20 30 40 50 60 t / days Obr. 3: Průběh fotodegradace, modelovaný na základě úbytku HL (absorbance) stanoveného po 20 dnech expozice při dvou odlišných ph v kyvetách z Na-Ca skla. A 254 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 200 300 400 600 800 λ / nm Obr. 4: Spektra exponovaných a kontrolních vzorků HL v UV VIS oblasti 200 900 nm, odběr dne 5. 9. 2012, doba expozice 20 dnů. Závěry terénního testu Na-Ca sklo, ph 4 Na-Ca sklo, ph 7 borosilik. sklo, ph 4 borosilik. sklo, ph 7 kontrola ph 4 kontrola ph 7 ph4 ph7 Na vzorcích fulvokyselin bylo prokázáno, že v důsledku osvitu slunečním zářením v podmínkách studovaného povodí dochází k jejich rozkladu. Při expozici v délce 20 dnů byl 7

původní obsah HL snížen při kyselém ph (4) o 23,2 % (v kyvetách z méně propustného skla o 20,5 % hm.). Při neutrálním ph (7) došlo za 20 dní expozice k poklesu koncentrace o 29,3 % (23,2 %). Delší expozice prokázala vyšší úbytek pro ph v kyselé oblasti (ph 4) to bylo 35,1 %, případně 28,6 % hm, v neutrální oblasti byl tento pokles 34,0 %, resp. 29,4 % hm. Bylo tak prokázáno, že při delší době slunečního svitu v letním období dochází v tenkých vrstvách roztoku huminových látek k významnému rozkladu fulvokyselin v důsledku osvitu slunečním zářením. Závěr - souhrn V důsledku fotooxidace vlivem UV záření byly u vzorků huminových látek pozorovány podstatné strukturní změny. Docházelo k významnému štěpení jak v alifatické, tak aromatické části molekul HL. V kyselém prostředí byl výraznější rozklad alifatických částí, v neutrálním aromatických. Při expozici roztoků fulvokyselin (letnímu) slunečnímu záření ve studovaném povodí potoka Rašeliníku na náhorní pláni Krušných hor po dobu 20 a 34 dnů došlo k významnému poklesu obsahu těchto látek o cca 20 35 % hm. V neutrálním prostředí probíhal rozklad rychleji, při delší expozici se vliv ph již tak výrazně neprojevoval. Literatura: Allard B., Borén H., Pettersson C., Zhang G., 1994. Degradation of humic substances by UV irradiation. Environment International 20: 97 101. Il'in N. P., Orlov D. S., 1973. Photochemical destruction of humic acids. Soviet Soil Science 5: 73-81. Kania P., 2008. Infračervená spektrometrie, Návody na laboratorní práce z analytické chemie I, VŠCHT Praha. Malcolm R. L., 1991. Factors to be considered in the isolation and characterisation of aquatic humic substances. In: Humic substances in the aquatic and terrestrial environment. Allard B., Borén H., Grimvall A. (Eds) p. 9 36. Springer Verlag, New York. Novák F., Sýkorová A., Novotná M., Šestauberová M., Hrabal R., 2012. Spectroscopic study of humic substances photodegradation. Chem. Listy 106: 501 502. Stevenson F. J., 1994. Humus chemistry: genesis, composition, reactions, 2 nd ed.; Wiley, New York. Sýkorová A., 2011. Degradace roztoků huminových látek. Semestrální projekt, VŠCHT Praha. Špirochová J., 2011. Studium degradace huminových látek, Diplomová práce, VŠCHT Praha. Winter A., Fish T. A. E., Playle R. C., Smith D. S., Curtis P. J., 2007. Photodegradation of natural organic matter from diverse freshwater sources. Aquatic Toxikology 84: 215 222. Poděkování. Za podnětné připomínky autoři děkují ing. Vladimíru Machovičovi, CSc. 8

POZNÁMKY: 9

Toto dílo vzniklo v rámci Programu na podporu přeshraniční spolupráce mezi Českou republikou a Svobodným státem Sasko.