Degradare - degradarea abiotica prin hidroliza in functie de ph

DEGRADARE - DEGRADAREA ABIOTICA PRIN HIDROLIZA IN FUNCTIE DE pH

1. METODA

Aceasta metoda se bazeaza pe liniile directoare de testare (1) OECD.

INTRODUCERE

Hidroliza este o reactie importanta de control a degradarii abiotice. Aceasta reactie este importanta mai ales pentru substantele cu biodegradabilitate scazuta si poate influenta persistenta substantei in mediul ambiant.

Cele mai multe reactii de hidroliza sunt pseudo reactii de ordin intai si de aceea timpii de injumatatire nu depind de concentratie. Aceasta permite de obicei extrapolarea rezultatelor gasite la concentratia de laborator la conditiile de mediu.

Mai mult, s-au raportat cateva exemple (2) care au aratat un acord satisfacator intre rezultatele gasite in apele pure si naturale pentru cateva tipuri de substante chimice.

Este util sa avem informatii preliminare despre presiunea de vapori a unei substante pentru a realiza acest test.

Aceasta metoda este aplicabila numai in cazul substantelor solubile in apa. Impuritatile pot afecta rezultatele.

Comportarea hidrolitica a substantelor chimice trebuie examinata la valori ale

pH -ului gasite de obicei in mediul ambiant (pH 4 - 9).

1.2. DEFINITII SI UNITATI

Hidroliza se refera la reactia unui compus chimic RX cu apa. Aceasta reactie poate fi reprezentata prin schimbul net al grupului X cu OH:

RX + HOH = ROH + HX [1]

Viteza cu care scade concentratia lui RX este data de :

viteza = k [H₂O] . [RX] [2]

Deoarece apa este prezenta in exces in comparatie cu substanta chimica, acest tip de reactie este descris de obicei ca o pseudo reactie de ordin intai in care constanta de viteza observata este data de relatia:

k_obs = k x [H₂O] [3]

Aceasta constanta se poate determina pentru o valoare a pH-ului si a temperaturii, T, folosind formula:

k_obs = [4]

in care :

t = timp

C_o = concentratia substantei la timpul 0

C_t = concentratia substantei la timpul t si

2,303 = factorul de conversie intre logaritmul natural si logaritmul in baza 10

Concentratiile sunt exprimate in g/l sau mol/l.

Dimensiunea acestei constante k_obs este (timp)^-1

Perioada de injumatatire t_1/2 este definita ca timpul necesar pentru a reduce concentratia substantei de testat cu 50% adica,

C_t = 1/2 . C_o [5]

Din formulele (4) si (5) se poate demonstra ca

t_1/2 = 0,693 / k_obs [6]

1.3. SUBSTANTE DE REFERINTA

Nu este necesar sa se foloseasca substante de referinta in toate cazurile cand se investigheaza o substanta noua. Aceastea trebuie sa serveasca in principal pentru a verifica performanta metodei, din cand in cand, si pentru a permite compararea cu rezultatele obtinute prin alta metoda.

S-au folosit urmatoarele substante de referinta (1) :

Acid acetilsalicilic (aspirina)

Acid fosforotioic 0,0-dietil 0-(6-metil-2-(1- metiletil)4-pirimidinil)ester. (Dimpilat, Diazinon)

1.4. PRINCIPIUL METODEI DE TESTARE

Substanta este dizolvata in apa la o concentratie scazuta; se controleaza pH-ul si temperatura.

Scaderea concentratiei substantei in timp este urmarita prin orice procedura analitica adecvata.

Se reprezinta logaritmul concentratiei in functie de timp si daca diagrama este o linie dreapta se poate obtine constanta vitezei de ordinul intai din aceasta panta (a se vedea punctul 2).

Cand nu este practic sa se determine direct constanta vitezei pentru o anumita temperatura, de obicei se poate estima constanta prin folosirea relatiei Arrhenius, care da dependenta de temperatura a constantei vitezei. Din diagrama liniara a logaritmului constantei vitezei asa cum a fost determina la temperatura adecvata, ca o functie de valoarea reciproca a temperaturii absolute, K, se poate extrapola valoarea constantei vitezei care nu se poate obtine direct.

1.5. CRITERII DE CALITATE

In referinta (2) se raporteaza ca masuratorile constantelor vitezei de hidroliza pe 13 clase de structuri organice pot fi de mare precizie.

Repetabilitatea depinde in special de controlul pH-ului si temperatura si poate fi afectata de prezenta microorganismelor si, in cazuri speciale, de concentratia de oxigen dizolvat.

1.6. DESCRIEREA METODEI DE TESTARE

Reactivi   

1.6.1.1. Solutii tampon

Testul se face la 3 valori ale pH ului : 4,0 , 7,0 si 9,0.

In acest scop trebuie pregatite solutii tampon folosind reactivi de puritate chimica si apa distilata sau deionizata sterila. Unele exemple de sisteme tampon sunt prezentate in anexa.

Sistemul tampon folosit poate influenta viteza hidrolizei; daca exista o dovada in acest sens, trebuie folosit un sistem tampon alternativ. In referinta (2) se recomanda folosirea tampoanelor borat sau acetat in loc de fosfat.

Daca nu este cunoscuta valoarea pH-ului solutiilor tampon la temperatura folosita in timpul testului, aceasta poate fi determinata cu un pH-metru calibrat la temperatura selectata cu o precizie de 0,1 unitati pH.

1.6.1.2. Solutii de testat

Substanta de testat trebuie dizolvata in tamponul selectat, astfel incat concentratia sa nu sa depaseasca 0,01 M sau jumatate din concentratia de saturatie, oricare este mai mica.

Folosirea solventilor organici miscibili in apa se recomanda numai pentru substantele cu solubilitate scazuta in apa.

Cantitatea de solvent trebuie sa fie mai mica de 1% si nu trebuie sa interfere cu procesul hidrolitic.

Aparatura

Trebuie folosite vase de sticla cu dop, dar trebuie evitata grasimea pe imbinarea slefuita.

Daca substanta chimica sau sistemul tampon este volatil, sau daca testul se face la temperaturi ridicate, se prefera vase etansate sau inchise cu sicane; se evita spatiul la partea de sus.

Metoda analitica

Metoda trebuie sa fie specifica pentru a permite determinarea substantei de testat la concentratiile solutiei de testat si poate consta dintr-o combinatie a unor tehnici analitice adecvate.

Metoda analitica folosita va depinde de natura substantei si trebuie sa fie suficient de exacta si sensibila pentru a detecta o reducere de 10 % a concentratiei initiale.

Conditii de testare

Testele se efectueaza folosind un termostat sau o baie cu temperatura constanta avand o abatere de 0,5 ^oC din temperatura aleasa.

Trebuie evitata prin mijloace adecvate interferenta fotolitica.

Pentru substantele care se oxideaza usor este necesar sa se elimine oxigenul dizolvat (de exemplu, prin barbotare cu azot sau argon 5 minute inainte de pregatirea solutiei).

Procedura de testare

1.6.5.1. Testul preliminar

Pentru toate substantele trebuie efectuat un test preliminar la 50 ^oC ± 0,5 ^oC la trei valori ale pH-ului: 4,0 , 7,0 si 9,0. Se face un numar suficient de masuratori pentru a putea estima daca, pentru fiecare valoare a pH-ului la 50 ^oC, timpul de injumatatire (t_1/2) este mai mic de 2,4 ore, sau mai putin de 10% din hidroliza este observata dupa 5 zile (se poate estima ca aceste valori corespund respectiv timpilor de injumatatire mai mici de 1 zi sau mai mari de 1 an, in conditiile cele mai reprezentative asemanatoare celor din mediul ambiant (25 ^oC)). Daca testul preliminar arata ca 50 % sau mai mult din substanta de testat a fost hidrolizata in 2,4 ore, la 50 ^oC, sau mai putin de 10 % a fost hidrolizata dupa 5 zile, la fiecare din cele 3 valori ale pH-ului (4, 7 si 9), nu mai este necesara o testare suplimentara.

In alte cazuri si pentru valori individuale ale pH-ului pentru care aceasta conditie nu este respectata se realizeaza testul 1.

1.6.5.2. Test 1

Testul 1 se realizeaza la o singura temperatura, preferabil la 50 ^oC 0,5 ^oC, si daca se poate in conditii sterile, la acele valori ale pH-ului pentru care testul preliminar a aratat necesitatea unei testari ulterioare.

Trebuie ales un numar suficient de probe (nu mai putin de 4) pentru a acoperi domeniul de 20 %- 70 % de hidroliza, pentru a testa daca hidroliza se comporta ca o pseudo reactie de ordin intai la valorile pH-ului specificate.

Pentru fiecare valoare a pH ului la care se realizeaza testul 1 se determina ordinul reactiei.

Estimarea constantei de viteza la 25 ^oC

Procedura experimentala va depinde de concluzia rezultata din testul 1 si anume daca reactia este de pseudo ordin intai sau nu.

Daca nu se poate concluziona cu precizie din testul 1 ca reactia este de pseudo ordin intai trebuie facute alte experimente asa cum se descrie la testul 2.

Daca se poate concluziona cu siguranta din testul 1 ca reactia este de pseudo ordin intai trebuie efectuate alte experimente asa cum sunt descrise in testul 3. (Alternativ, in circumstante speciale, se pot calcula constantele de viteza la 25 ^oC din constantele la 50 ^oC calculate folosind rezultatele din testul 1 (a se vedea 3.2.)).

1.6.5.3. Test 2

Acesta se efectueaza la fiecare valoare a pH-ului pentru care rezultatele testului 1 au aratat necesitatea de a reface testul:

- fie la o temperatura mai scazuta de 40 ^oC,

- fie la 2 temperaturi peste 50 ^oC, diferind una de alta cu cel putin 10 ^oC.

Pentru fiecare valoare a pH-ului si a temperaturii la care se efectueaza testul 2 trebuie alese cel putin 6 puncte distantate adecvat astfel incat gradele de hidroliza sa fie in domeniul 20-70% .

Pentru fiecare valoare a pH-ului si a temperaturii, determinarea se face de doua ori. Cand testul 2 se efectueaza la 2 temperaturi peste 50 ^oC, de preferinta a doua proba se testeaza la cea mai scazuta dintre aceste doua temperaturi.

Pentru fiecare valoare a pH-ului si a temperaturii la care se efectueaza testul 2 se va face, unde se poate, o estimare grafica a timpului de injumatatire (t_1/2).

1.6.5.4. Test 3

Acesta se efectueaza la fiecare valoare a pH-ului pentru care rezultatele testului 1 au aratat necesitatea de a reface testul:

- fie la o temperatura mai scazuta de 40 ^oC,

- fie la 2 temperaturi peste 50 ^oC, diferind una de alta cu cel putin 10 ^oC.

Pentru fiecare valoare a pH-ului si a temperaturii la care se efectueaza testul 3, se aleg trei puncte, primul la timpul 0,iar al doilea si al treilea cand gradul de hidroliza este mai mare de 30%; trebuie calculate constantele k_obs si t_1/2.

2. DATE

Valorile k_obs ale pseudo reactiilor de ordin intai pentru fiecare dintre valorile pH-ului si ale temperaturii (din testele efectuate) pot fi obtinute din diagramele logaritmilor concentratiei fata de timp, folosind expresia:

k_obs = - panta x 2,303 [7]

Mai mult, t_1/2 se poate calcula conform ecuatiei (6).

Evaluati k₂₅^o_C prin aplicarea ecuatiei Arrhenius dupa caz.

3. RAPORT

3.1. RAPORTARE

Daca se poate, raportul de testare trebuie sa includa urmatoarele informatii:

- specificatia substantei;

- toate rezultatele obtinute cu substantele de referinta;

- principiul si detaliile metodei analitice folosite;

- pentru fiecare test: temperatura, valoarea pH-ului, compozitia sistemului tampon si un tabel cu toate datele concentratie - timp;

- pentru pseudo reactiile de ordin intai, valorile k_obs si t_1/2, precum si modul lor de calcul;

- pentru ne-pseudo reactiile de ordin intai, se reprezinta rezultatele ca logaritm al concentratiei in functie de timp;

- toate informatiile si observatiile necesare pentru interpretarea rezultatelor.

3.2. INTERPRETAREA REZULTATELOR

Se pot calcula valori acceptabile ale constantei de viteza (la 25^oC) ale substantelor de testat, avand in vedere ca exista deja valori experimentale ale energiei de activare pentru omologi ai substantei de testat si ca se poate presupune ca energia de activare a substantei de testat este de acelasi ordin de marime.

BIBLIOGRAFIE

OECD, Paris, 1981, Test Guideline 207, Decision of the Council C(81) 30 final.

Edwards, C.A. and Lofty, J.R., 1977, Biology of Earthworms, Chapman and Hall, London, 331 pp.

Bouche, M.B., 1972, Lombriciens de France, Écologie et Systématique, Institut National de la Recherche Agronomique, 671 pp.

Litchfield, J.T. and Wilcoxon, F., A simplified method of evaluation dose effect experiments. J. Pharm. Exp. Therap., vol. 96, 1949, p.99.

Commission of the European Communities, Development of standardized laboratory method for assessing the toxicity of chemical substances to earthworms, Report EUR 8714 EN, 1983.

Umweltbundesamt/Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft, Berlin, 1984, Verfahrensvorschlag "Toxizitätstest am Regenwurm Eisenia foetida in künstlichem Boden", in: Rudolph/Boje, Őkotoxikologie, ecomed, 1986.