Изучение влияния различных факторов на сорбционные свойства клетчатки относительно цезия-137

Изучение влияния различных факторов на сорбционные свойства клетчатки относительно цезия-137

1

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КЛЕТЧАТКИ ОТНОСИТЕЛЬНО ЦЕЗИЯ-137

Курсовая работа

Исполнитель: студентка гр. Б-42 ________________Печура Л.В.

Научный руководитель: ассистент _________________Тороп Е.И.

Гомель 2003

РЕФЕРАТ

Курсовая работа 34 страницы, 1 рисунок, 5 таблиц, 29 источников.

Ключевые слова: цезий-137, целлюлоза, лигнин, цезиевые сорбенты, ферроционид, солома, радионуклиды.

Объект исследования: цезий связывающие препараты.

Целью данной работы является изучение влияния t и pH среды на сорбционные свойства клетчатки соломы различных видов относительно Cs-137.

Метод, который был использован в данной работе, предложен Бересфордом и Синглетоном и основан на экстрагировании радионуклидов из кормов. В ходе спектрометрии проб был использован прибор МКС-1315 с границей погрешности 0,95 Бк/кг.

Новизна работы заключается в том, что в связи со сложившейся ситуацией ученые вынуждены вести активный поиск веществ (сорбентов), которые можно успешно использовать для связывания радионуклидов в ЖКТ животных, что как следствие снижает уровень их содержания в продуктах животноводства, которые потребляется в пищу человека.

В результате проведенной работы было выяснено, что наибольшими сорбционными свойствами из всех исследуемых видов грубых кормов является пшеничная солома. Экспериментальные данные подтверждаются тем, что в пшеничной соломе содержится 34,2 % клетчатки.

Практическая значимость работы. Эти результаты могут быть применены в сельском хозяйстве для снижения поступления радионуклидов в продукты животноводства. Применение природных сорбентов экономически более выгодно, нежели применение искусственно созданных сорбентов.

СОДЕРЖАНИЕ

Актуальность данной темы заключается в том, что загрязнение сельскохозяйственных угодий радиоактивными веществами может быть фактором, усложняющим ведение сельскохозяйственного производства, особенно в связи с большим разнообразием почвенно-климатических и хозяйственно-экономических условий нашей страны.

Степень опасности загрязнения сельскохозяйственных угодий определяется, прежде всего, тем, какие радионуклиды находятся в почвенном покрове. Физиохимические свойства радионуклидов - один из основных факторов, определяющих их поведение в почвах, биологическую подвижность в системе почва - растение и способность к мигрированию по кормовым и пищевым цепочкам. С точки зрения источников происхождения радионуклидов и возможности появления в окружающей среде Сs-137 относится к продуктам деления тяжелых ядер урана и плутония.

Целью данной работы является изучение влияния t и pH среды на сорбционные свойства клетчатки соломы различных видов относительно Сs-137 .

Новизна полученных результатов заключается в активном поиске веществ (сорбентов), которые можно успешно использовать для связывания радионуклидов в ЖКТ животных, что в свою очередь снижает уровень их содержания в продуктах животноводства, используемых в пищу человека.

В данном случае ведется поиск природных сорбентов. К таковым относятся грубые корма с высоким содержанием клетчатки.

Практическая значимость основана на эффективности использования грубых кормов, в регионе загрязненном радионуклидами, в рационе КРС в силу их сорбирующей способности, а также экономически выгодное положение в целях снижения поступления Сs-137 в продукцию животноводства.

1. Обзор литературы

1.1 История открытия Cs-137

Цезий имеет интересную историю открытия. В 1860г. в лабораторию немецкого ученого Бунзепа врачи прислали воду со шварцвальских источников. Испаривши воду, ученый внес раствор в пламя газовой горелки и стал рассматривать в спектроскоп. Обнаружил, что в пламени появилось новое вещество цвета небесной голубизны. Оно было названо цезием, что в переводе с латинского обозначает «небесно голубой» цезий - один из очень редких элементов, который находится в горных породах, морской воде, небольшая часть его находится в сахарной свекле, зернах какао, чайных листах. Знаком с ним и курильщик: об этом свидетельствует 2 голубые линии в спектре табачного дыма. / 2 /

Цезий давно изучается учеными. Ученые с индийского института геофизических исследований пришли к выводу, что высокая концентрация в воде может быть приметой магматической активности недров.

Повышенная концентрация радиоактивного изотопа Cs-137 обнаружено в деревьях, которые сохранились в районах Тунгунского взрыва, причем изменения характерные для тех слоев ствола, которые относятся к 1908г., когда это произошло. / 3 /

1.2 Общая характеристика Cs-137

Изотоп Cs-137 является фактически единственным источником гамма-излучения, применяющимся в агрономических исследованиях для определения плотности и влажности почв, несмотря на то, что имеются и другие источники гамма-излучения. Удобство этого источника усиливается еще и тем, что он имеет 30-летний период полураспада, вследствие чего отпадает необходимость в ежедневной корректировке радиоактивного распада. Относительно низка также стоимость этого изотопа. / 4 /

Радиоактивные изотопы цезия, являющиеся химическими аналогами калия, отличаются высокой биологической подвижностью. При наличии в почвах они интенсивно поступают в растение. Размеры перехода радионуклидов из почвы в растения часто определяют величиной коэффициента накопления (КН) растениями.

Коэффициент накопления представляет собой отношение содержания радионуклида в единице растительной массы (Ср) к содержанию радионуклида в единице массы почвы (Сп):

(1)

В таблицу 1 занесены коэффициенты о накоплении радионуклидов в соломе на различных видах почвы.

Таблица 1- Коэффициент накопления радионуклидов в соломе

Так, при поступлении из почвы в растения коэффициент накопления

Cs-137 может достигать 2. / 2 /

Исходя из пяти основных рационов КРС, полученных из кормов, выращенных на основных четырех типах почв (дерново-подзолистые песчаные, супесчаные, суглинистые, и торфяно-болотные) проведены расчеты предельно-допустимого уровня (ПДУ) загрязнения сельскохозяйственных угодий радионуклидами Cs-137 в зависимости от содержания обменного калия в почве (80-500 мг/кг).

ПДУ Cs-137, где в почве содержалось 80 и менее мг/кг калия для дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почв составили 0,37-1,09 МБк/м2 , суглинистых 0,51-1,53 МБк/м2 ,торфяно-болотистых (калий 250 мг/кг и менее) 0,09-0,14 МБк/м2 ./6/

Цезий - химический элемент 1 группы периодической системы Д.И.Менделеева. Щелочной металл. Атомная масса 132,91. В природе существует один стабильный изотоп Cs-133. Встречается главным образом в рассеянном состоянии в минералах лепирлите и карполлите. Образует и самостоятельные минералы поллуцит и родицит.

Цезий серебристо-белый металл, мягкий, тягучий. Во всех соединениях одновалентен. Плотность 1,903 г/см3 (при 20? С), температура плавления

28,5?С, температура кипения 670?С. Обладает селективным фотоэлектрическим эффектом. На воздухе моментально воспламеняется с образованием перекиси Сs2Оз. Воспламеняется при взаимодействии с галогенами. С серой и фосфором взаимодействует со взрывом, так же протекает взаимодействие его с кислотой и водой. При 300?С разрушает стекло и кварц, вытесняя кремний. Простые соли цезия (хлориды, сульфаты и др.), хорошо растворимы в воде, двойные и комплексные - плохо. Цезий извлекается из природных минералов вместе с рубидием. В разных почвах действие цезия различно: в глинистых, выщелоченных, обедненных калием он закрепляется прочно, плохо поступает из них в корни растений, в почвах, богатых органикой, хорошо усваивается корневой системой растений (частично этому способствует большая обменная катионная емкость органических почв). Цезий легко передвигается в самих растениях. Накапливается в лишайниках (иногда в 10 раз больше, чем в растениях юга), осоке, хвощах. / 7 /

Среднее содержание его в растениях примерно 0,022% сухого вещества. В значительных количествах он накапливается в организме беспозвоночных животных - 0,0138% (на сухое вещество), в организме позвоночных его в 4 раза меньше. Цезий поступает в организм животных преимущественно с растительной пищей, легко всасывается в желудочно-кишечном тракте (50-80%) и свободно циркулирует по всему телу. Основная часть его депонируется в мышцах (80%) и костях (около 8%). Причем более активные мышцы поглощают цезий в больших количествах. У лактирующих животных значительная доля цезия переходит в молоко, у кур - в яйца. Выводится из организма с мочой и калом. Жвачные выводят цезий в больших количествах, чем другие животные. / 8 /

Из пищевых продуктов цезием богаты хлеб, картофель, различная зелень. При парентеральном введении в организм выведение его с мочой и калом значительно увеличивается при обогащении рациона калием, и наоборот, снижение содержания калия в рационе приводит к снижению выведения цезия. О токсическом действии цезия в условиях его непрерывного поступления в организм с рационом данных нет. У разных видов животных уровни накопления различные. Например, в тканях коровы цезия значительно больше, чем в тканях овцы, поскольку масса мягких тканей у коровы примерно в 7 раз больше. / 9 /

Радиоактивный изотоп Cs-137бета - излучатель. Распадается с испусканием двухкомпонентного бета-спектра. Ев = 511,7 кэВ (94,8%), Ев = 1173,4 кэВ (5,2%). Максимальная энергия 0,52 Мэв, средняя 179 кэВ. Этому изучению сопутствует гамма-излучение, испускаемое дочерним радиоактивным барием, с энергией 661,662 кэВ и рентгеновские лучи с энергией 32-36,5 кэВ. Поскольку цезий при попадании в организм циркулирует по всему телу, дозы облучения всех органов примерно одинаковы, и поэтому возможны генетические и соматические повреждения. Влияние Cs-137 на продолжительность жизни и другие эффекты одинаково при разных путях поступления в организм. При попадании на кожу Cs-137 всасывается по кровеносным сосудам и лимфатическим капиллярам, период полувыведения его из кожи равен одним суткам. Период полувыведения Cs-137 из организма различен у разных видов животных, например, у собак он равен 42 суткам, а у крыс 6 . При инкорпорации Cs-137 в организм возможно развитие лейкемии, рака молочной железы и печени, подавление лимфоидного кроветворения, угнетение функции костного мозга, опухоли кожи.

Допустимые уровни активности Cs-137 в открытых водоемах 1,5 10-8 Ки/л (555 Бк/л), воздуха рабочей зоны - 1,4 10 -11 Ки/л (0,52 Бк/л), в атмосферном воздухе - 4,9 10-13 Ки/л (0,02 Бк/л). / 10 /

1.3 Строение, свойства и значение клетчатки

Клетчатка - основной структурный полисахарид растений. Из клетчатки (целлюлозы) состоят в основном стенки растительных клеток. В древесине содержится до 60% целлюлозы, в вате и фильтровальной бумаге до 90%.

Чистая целлюлоза - белое твердое вещество, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях, но хорошо растворимое в аммиачном растворе гидроксида меди II (ректив Швейцара). Из этого раствора кислоты осаждают целлюлозу в виде волокон (гидрат целлюлоза). / 11 /

Состав целлюлозы выражается формулой (С6Н10О5)n .Значение n в некоторых видах целлюлозы достигает 40000, а молекулярная масса доходит до нескольких миллионов. Молекулы ее имеют линейное (неразветвленное) строение, вследствие чего целлюлоза образует волокна. Макромолекулы целлюлозы состоят из остатков молекул бета - глюкозы.

Клетчатка является - полигликозидом, так как остатки глюкозы соединены друг с другом -1,4 - гликозидными связями. / 12 /

Целлюлоза - структурный компонент растений их линейный полисахарид, состоящий из остатков глюкозы. Значение ее для организма заключается в том, что она активирует моторику желудка и кишечника, стимулирует выделение пищеварительных соков и создает чувство сытости./13/

Целлюлоза прочно связана с особым веществом - лигнином, принадлежащим к соединениям ароматического ряда; богаче углеродом и беднее кислородом, чем клетчатка, имеет в своей структуре бензольную основу. / 14 /

Лигнин - это сложное органическое соединение, промывающее оболочки клеток растений при их одревеснении. Сырье для химической промышленности. / 15 /

Формула лигнина С57Н60О10. Он проявляется в оболочке как инкрустат, заполняющий межмицеллярные промежутки, что придает тканям большую прочность, защиту от микроорганизмов. Повышение прочности клеточных стенок особенно необходимо деревьям, стволы которых выдерживают груз из веток, листьев и плодов, поэтому внутренность таких стволов почти сплошь состоит из древесины. Лигнин отсутствует у низких растений (кроме бурых ламинарий).

Лигнин (с латинского - древесина) является распространенным не углеводным компонентом матрикса. Это смешанный аморфный полимер фенольного ряда (производный ароматических спиртов), нерастворимый в воде.

Лигнификация предохраняет клетки, потерявшие тургор, от снятия смежными живыми клетками отложения лигнина начинается обычно только с началом второго утолщения и происходит, прежде всего, в первичной оболочке. Затем лигнификация распространяется наружу (в серединную пластинку) и внутрь (в растущую вторичную оболочку). В конце концов, концентрация лигнина оказывается наивысшей в срединной пластинке, постепенно снижаясь по направлению к полости клетки. Например, в трахеидах древесины ели 30-60% лигнина сосредоточено в первичной оболочке и срединной пластинка, объем которых по сравнению со вторичной оболочкой невысок. Из-за лигнификации первичная оболочка может стать неотличимой от срединной пластинки, в этом случае их вместе называют срединным слоем или сложной срединной пластинкой. / 16 /

Одревеснение оболочки легко устанавливается раствором флороглюцина (с соляной кислотой), капля которого окрашивает древесину в красный цвет. Или фенола, который окрашивает ее в синий цвет. Первые признаки лигнификации появляются в срединной пластине, где происходит интенсивное одревеснение пектиновых соединений. Наибольшее количество приходится именно на срединную пластинку. При слабой лигнификации клетки могут оставаться живыми и даже способны делиться. / 17 /

Лигнин может быть переведен в растворимое состояние обработкой древесины гидросульфитом и сернистой кислотой. На этом основан способ удаления лигнина из древесины, идущей на приготовление целлюлозы и бумажной массы, причем в качестве отброса получаются так называемые сульфитные щелока.

Огромные количества технического лигнина образуются в качестве отхода на гидролизных заводах при гидролизе древесины кислотами. Такой лигнин используется для изготовления разнообразных прессованных изделий. По-видимому, он с успехом может быть применен для получения активированных углей, синтетических смол и пластических масс. / 18 /

1.4 Цезиевые сорбенты

После аварии на Чернобыльской атомной электростанции на территории наиболее загрязненных районов Гомельской области проводились испытания различных препаратов на сельскохозяйственных животных и птице с целью снижения поступления радиоцезия из рациона в продукты животноводства (молоко, мясо). Анализ результатов этих исследований и литературных данных показывает, что из всех испытанных сорбентов, в том числе и природных, наиболее эффективными оказались сорбенты группы ферроционидов (ферроцин, соли Гизе и Нигровича), которые в наибольшей степени снижают поступление Сs-137 из рациона в организм сельскохозяйственных животных и полученные от них продукты. В этих экспериментах было установлено, что длительное скармливание ферроциона лактирующим коровам и козам, а также животным на откорме не оказывает отрицательного воздействия на их физиологическое состояние и продуктивные показатели. Физико-химические, бактериологические и органолептические показатели молока и мяса

после применения ферроцина крупному и мелкому рогатому скоту соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

Проведенные эксперименты позволили разработать и испытать различные формы применения ферроционидных препаратов - в виде болюсов, солебрикетов и в составе комбикорма. Использование солебрикетов не позволяет равномерно дозировать, а применение болюсов требует привлечения большого количества специалистов для их введения. Для разработки технических условий на производство комбикормов с ферроционидами были проведены научно-производственные испытания опытной партии комбикорма с добавлением 0,6% процентов соли Нигровича. Этот ферроционид был выбран для использования в Республике Беларусь из-за его более низкой стоимости по сравнению с ферроцином российского производства, несмотря на более низкую эффективность сорбции Сs-137 . / 19 /

Ферроцин - темно-синий мелкодисперсный порошок. Он связывает радиоактивные изотопы цезия, предупреждая их всасывание из кишечника в другие органы и ткани организма животного. Оптимальной дозой ферроцина для взрослого крупного рогатого скота являются 3-4 г. вещества на одну голову в сутки. Данную дозу можно применять однократно или дробно в течение дня. Разработаны и утверждены наставления по применению ферроцина в составе комбикорма, соли-лизунца, болюсов. / 20 /

Соль-лизунец с ферроцином представляет собой прессованные брикеты массой 4,5-5 кг. Содержание ферроцина в ней 3 процента и 10 процентов. В настоящее время эти брикеты выпускаются Тереховским комбинатом строительных материалов (Добрушский район).

Болюсы с ферроцином предназначены для введения с помощью болюсодавателя в рубец крупному рогатому скоту в количестве 2-3 штук на голову. Болюсы содержат: ферроцина - 15 процентов и пчелиного воска - 10 процентов. Масса болюса 200 грамм.

В рубце животных болюсы медленно, в течение 2-3 месяцев, растворяются, при этом из них высвобождается ферроцин, который связывает изотопы цезия. Технология получения болюсов разработана в Норвегии. В нашей республике их производят в Белорусском НИИ экспериментальной ветеринарии./ 21 /

Эффективность сорбции радиоцезия с помощью ферроцина при всех формах во введения в организм животных может снижать содержание радионуклидов в продукции от 3 до 17 раз. Максимальная эффективность достигается при использовании коллоидной (жидкой) формы ферроцина, когда им производят орошение загрязненных кормов перед скармливанием животным.

На основе проведенных исследований в 1999 г. были разработаны технические условия «Комбикорма-концентраты с ферроционидами для крупного и мелкого рогатого скота» ТУ РБ 00495326.001-99, согласованные с соответствующими ведомствами и зарегистрированные в Белстандарте. В соответствии с этими техническими условиями комбикорма могут производиться с добавлением как ферроцина, так и соли Нигровича. Разработаны и утверждены наставления по применению комбикормов-концентратов с ферроционидами для крупного и мелкого рогатого скота.

В 2000 г. начато постоянное производство комбикормов с добавлением ферроционида (соль Нигровича) для распределения в частном секторе наиболее радиоактивно загрязненных районов. Планируемый объем выпуска комбикормов с ферроционидами составил 1300 т. по Гомельской области, 1460 т. по Брестской и 180 т. по Могилевской областям.

Следует отметить, что на Птичском комбикормовом заводе не всегда удается равномерно дозировать содержание ферроционида в комбикорме. Между различными пробами, отобранными из одной партии, часто наблюдаются существенные различия по содержанию ферроционида (от 0,45 до 0,8 процентов). Это вызвано использованием устаревшего оборудования при дозировке компонентов комбикорма. / 22 /

В настоящее время население сразу получает комбикорм, который должен равномерно использоваться в течение всего года (лактационного периода). Здесь возникает две проблемы. Во-первых, гарантийный срок хранения комбикормов с ферроционидами составляет два месяца, тогда как даже в условиях оптимального хранения (что практически невозможно в условиях личных подсобных хозяйств) комбикорм нежелательно хранить более 6 месяцев. Во-вторых, если использовать годовую норму комбикорма в течение нескольких первых месяцев, то в дальнейшем содержание Сs-137 в молоке о пять повысится и не будет наблюдаться с ферроционидами. Кроме того, могут наблюдаться трудности с распределением комбикорма по подворьям, поскольку мешок комбикорма весит 30 кг. Наиболее удобно было бы отгружать комбикорм населению в отдельных мешках, а не развешивать его при раздаче. Поскольку лактационные периоды коров в личных подсобных хозяйствах не синхронизированы, наиболее целесообразно в радиологическом плане снабжения населения комбикормами с ферроционидом проводить ежеквартально из расчета мешок комбикорма (30 кг.) на одну корову. В таком случае население будет использовать комбикорм с ферроционидом (120 кг. на корову, по 0,5 кг. ежедневно) в течение всего лактационного периода./ 23 /

Страницы: 1, 2