Распределение органических соединений в торфе болота Средне-Васюганское

Определение основных факторов, влияющих на содержание биологически активных соединений в торфе. Исследование содержания и состава стероидов, терпеноидов и токоферолов в торфе болота Средне-Васюганское методом газовой хроматографии-масс спектрометрии.

Рубрика Геология, гидрология и геодезия
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 10.04.2017
Размер файла 2,0 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Институт электронного обучения

Направление подготовки - Химическая технология

Кафедра - Химической технологии топлива и химической кибернетики

Бакалаврская работа

тема работы Распределение органических соединений в торфе болота Средне-Васюганское

Студент Группа З-2Д2С3 Зоркальцева Агата Андреевна

Руководитель Ассистент Дучко М.А.

Консультанты:

По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» Доцент Криницына З.В. к.т.н., доцент

По разделу «Социальная ответственность» Доцент Гусельников М.Э. к.т.н, доцент

Допустить к защите: Зав. кафедрой ХТТ и ХК ФИО Доцент Юрьев Е.М. к.т.н., доцент

Томск - 2016

Запланированные результаты

Код результата

Результат обучения (выпускник должен быть готов)

Профессиональные компетенции

Р1

Ставить и решать инновационные задачи инженерного анализа, связанные с созданием и обработкой материалов и изделий, с использованием системного анализа и моделирования объектов и процессов сепарации.

Р2

Разрабатывать новые технологические процессы, проектировать и использовать новое оборудование и инструменты для обработки материалов и изделий, конкурентоспособных на мировом рынке.

Р3

Внедрять, эксплуатировать и обслуживать современные высокотехнологичные линии автоматизированного производства, обеспечивать его высокую эффективность, соблюдать правила охраны здоровья и безопасности труда на производстве, выполнять требования по защите окружающей среды.

Общекультурные компенсации

Р4

Демонстрировать глубокие знания социальных, этических и культурных аспектов инновационной инженерной деятельности, компетентность в вопросах устойчивого развития.

Р5

Самостоятельно учиться и непрерывно повышать квалификацию в течение всего периода профессиональной деятельности.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Институт природных ресурсов

Направление подготовки - Химическая технология

Кафедра - Химической технологии топлива и химической кибернетики

УТВЕРЖДАЮ

Зав. каф. ХТТ и ХК, к.т.н., доцент Юрьев Е.М.

Задание на выполнение выпускной квалификационной работы

В форме: бакалаврской работы

Студенту: гр. З-2Д2С3 Зоркальцевой Агате Андреевне

Тема работы: Распределение органических соединений в торфе болота Средне-Васюганское

Утверждена приказом директора (дата, номер) 03.03.2016г. № 1769/с

Срок сдачи студентом работы 01.06.2016

Техническое задание

Исходные данные к работе

Объекты исследования: 13 образцов торфа болота Средне-Васюганское (глубина разреза 352 см).

Перечень подлежащих исследованию, проектированию и разработке вопросов

1) Введение:актуальность исследования органических соединений торфа.

2) Аналитический обзор: характеристика болота Средне-Васюганское, краткое описание процесса образования торфа, состав биомаркеров торфа, газовая хроматография-масс спектрометрия как метод исследования торфа.

3) Экспериментальная часть: пробоподготовка торфа методом экстракции, условия хроматографирования, обработка хроматограмм.

4) Результаты и их обсуждение.

5) Заключение.

Список используемой литературы.

Перечень графического материала

Изменение степени разложения торфа по глубине разреза.

Результаты исследований (таблицы, графики).

Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы

Раздел

Консультант

Финансовый менеджмент

Криницына З.В.

Социальная ответственность

Гусельников М.Э.

Названия разделов, которые должны быть написаны на русском и иностранном языках:

Дата выдачи на выполнение выпускной квалификационной работы по линейному графику 19.11.2015

Задание выдал руководитель: ассистент Дучко М.А. 15.11.15

Задание принял к исполнению студент: Гр. З-2Д2С3 Зоркальцева А.А., 15.11.2015

Реферат

Выпускная квалификационная работа содержит 75 страниц, 20 таблиц, 7 рисунков и 51 литературный источник.

Ключевые слова: торф, стероиды, токоферолы, терпеноиды, газовая хроматография-масс спектрометрия.

Объектом исследования является торф болота Средне-Васюганское, отобранный из скважины глубиной 350 см.

Целью работы было исследование содержания и состава стероидов, терпеноидов и токоферолов в торфе болота Средне-Васюганское.

В работе проводилась экстракция липидов торфа органическими растворителями и анализ группового и индивидуального состава биологически активных компонентов торфа (стероидов, терпеноидов и токоферолов) методом газовой хроматографии-масс спектрометрии.

Область применения: полученные результаты могут использоваться для оценки качества торфа с точки зрения его использования в качестве удобрения или подкормки для скота.

Экономическая эффективность работы: проблема физико-химических исследований торфов болота Средне-Васюганское на сегодняшний день очень актуальна.

Потенциальными потребителями результатов этого исследования являются химические предприятия, расположенные на территории Российской Федерации.

В будущем планируется проанализировать торф других месторождений для выявления факторов, влияющих на состав биологически активных соединений.

Оглавление

  • Список использованных сокращений
  • Введение
  • 1. Литературный обзор
  • 1.1 Васюганские болота
  • 1.2 Процесс торфообразования
  • 1.3 Биологически активные соединения торфа
  • 1.4 Газовая хроматография-масс спектрометрия как метод исследования индивидуального состава торфа
  • 2. Экспериментальная часть
  • 2.1 Общая характеристика исследуемого объекта
  • 2.2Методика проведения работы
  • 3. Результаты и их обсуждение
  • 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
  • 4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения. Определение возможных альтернатив проведения научных исследований
  • 4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования
  • 4.1.2 Анализ конкурентных технических решений
  • 4.1.3 SWOT-анализ
  • 4.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований
  • 4.2.1 Составление перечня работ
  • 4.3 Определение трудоемкости работ
  • 4.4 Построение графика работ
  • 4.5 Бюджет научного исследования
  • 4.5.1 Расчет материальных затрат НТИ
  • 4.5.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ
  • 4.5.3 Расчет заработной платы исполнителей темы
  • 4.5.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления)
  • 4.5.5 Накладные расходы
  • 5.5.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта
  • 4.6 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования
  • 5. Социальная ответственность
  • 5.1 Производственная санитария
  • 5.1.1 Характеристика используемых веществ
  • 5.1.2 Средства коллективной и индивидуальной защиты
  • 5.1.3 Метеоусловия.
  • 5.1.4 Производственное освещение
  • 5.1.5 Шумы и вибрация
  • 5.2 Безопасность
  • 5.2.1 Безопасность при работе с вредными веществами
  • 5.2.2 Электробезопасность
  • 5.2.3 Пожаровзрывобезопасность
  • 5.3 Охрана окружающей среды
  • 5.4 Чрезвычайные ситуации
  • Список использованной литературы

Список использованных сокращений

ГХ и МС - газовая хроматография и масс-спектрометрия

ЭУ - электронный удар

ПХИ - положительная химическая ионизация

ОХИ - отрицательная химическая ионизация

Введение

В последние годы в России и за рубежом повышается интерес к группе природных объектов, таких как торф и сапропель, по причине их дешевизны и доступности сырьевой базы. Исследователи предпринимают попытки изучения фармакологических свойств и разработки лекарственных препаратов на их основе.

Интерес к изучению торфа связан с его огромными запасами и распространением торфяных месторождений по всей земной поверхности. На долю Томской области приходится порядка 1340 торфяных месторождений с площадью в границах промышленной залежи торфа 7,72 млн. га и запасами торфа - 29,34 млрд. т. [1].

Изучение элементного и химического состава торфа является актуальной задачей, как в теоретическом, так и в практическом плане. Торф характеризуется большим разнообразием биологически активных веществ, благодаря чему он может быть использован в качестве удобрения или подкормки для скота. К одним из наиболее важных биологически активных веществ торфа относятся токоферолы, стероиды и терпеноиды.

Смесь токоферолов, представляющих собой витамин Е, является сильнейшим антиоксидантом, способствующим улучшению клеточного питания, обогащению клеток кислородом, замедлению процессов старения.

Стероиды, в особенности, производные холестерола, обеспечивают стабильность клеточных мембран, они необходимы для выработки витамина D3, стероидных гормонов, желчных кислот, которые, в свою очередь, улучшают усвоение жиров пищи.

Терпеноиды активно участвуют в процессах обмена и фотохимических реакциях, протекающих в растениях. Пентациклический терпеноид бетулин обладает сильным противогрибковым, противовирусным, а также пластифицирующим действием [2].

Эти соединения также являются биомаркерами, отражающими источник и условия накопления органического вещества. Их состав свидетельствует о вкладе в торф той или иной группы торфообразующих растений, условиях торфообразования и о процессах, протекавших при разложении торфа.

Целью данной работы было выявление основных факторов, влияющих на содержание биологически активных соединений (стероидов, терпеноидов и токоферолов) торфа по глубине разреза торфа болота Средне-Васюганское.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить содержание, а также групповой и индивидуальный состав стероидов, терпеноидов и токоферолов в торфе болота Средне-Васюганское методом газовой хроматографии-масс спектрометрии.

2. Сравнить содержание биологически активных соединений болота Средне-Васюганское с их концентрациями в торфе болота Темное, расположенного в другой природно-климатической зоне.

3. Определить основные факторы, влияющие на содержание биологически активных соединений в торфе.

1. Литературный обзор

1.1 Васюганские болота

Болото - это экосистема, в которой степень продуцирования органического вещества растениями значительно превышает степень их разложения. Для образования торфа необходимо накопление и сохранение большого количества растительной биомассы. Эффективность процессов торфообразования сравнительно низкая: менее 10% отмерших растений аккумулируются в виде торфа, большая же их часть разлагается в процессе торфообразования. Для болотных экосистем характерно застойное или слабопроточное увлажнение, определяющее специфический характер растительности и особый болотный тип почвообразования, выражающийся в накоплении торфа.

Заболоченность Томской области составляет около 30%. Годовое количество осадков в этих местах превышает испарение, а недостаточный дренаж приводит к застою влаги, в результате чего болота на территории области распространены практически повсеместно. В целом для сильно заболоченных районов Томской области характерно чередование приречных дренированных полос, обычно покрытых лесом, с заболоченными междуречными пространствами.

На территории Томской области расположены крупнейшие в мире болотные системы, одной из которых являются Васюганские болота. Васюганские болота (или правильно - Большое Васюганское болото) - уникальный природный объект, площадь которого около 53 тыс. км2, расположены в Западной Сибири, в междуречье Оби и Иртыша, на территории Васюганской равнины, находящейся большей частью в пределах Томской области, и малыми частями -- Новосибирской и Омской областей и Ханты-Мансийского АО [3].

Большое Васюганское болото расположено на границе двух ботанико-географических подзон -южнотаежных и подтаежных лесов. Особенностью болотной системы является приуроченность к наивысшим отметкам местности, выделяемым как Васюганское куполообразное поднятие. Пестрота почвенного покрова, особенности гидрологических режимов и типов водно-минерального питания обусловили значительное разнообразие растительности по видовому составу и структуре.

Болото - это экосистема, в которой степень продуцирования органического вещества растениями значительно превышает степень их разложения. Для образования торфа необходимо накопление и сохранение большого количества растительной биомассы. Эффективность процессов торфообразования сравнительно низкая: менее 10% отмерших растений аккумулируются в виде торфа, большая же их часть разлагается в процессе торфообразования. Для болотных экосистем характерно застойное или слабопроточное увлажнение, определяющее специфический характер растительности и особый болотный тип почвообразования, выражающийся в накоплении торфа.

1.2 Процесс торфообразования

Торфообразование - это биохимический процесс, осуществляемый микроорганизмами в аэробных условиях в поверхностных слоях залежи и затухающий при затоплении разлагающейся растительной массы грунтовыми водами. Этот поверхностный слой, где наиболее интенсивно протекает процесс торфообразования, носит название торфогенного слоя [4].

Группы растений атмосферного питания образуют торф верхового типа, а торфообразователи, питающиеся грунтовыми водами, - низинный торф [5]. Различный исходный материал и обширный диапазон изменения условий торфонакопления являются причиной многообразия свойств торфа, что определяет широкий спектр его применения.

Торф издавна рассматривается как комплексное сырье для получения различных видов продукции. Помимо использования всей массы торфа (органические удобрения, торфяные брикеты, горшочки и др.), методом экстракции из него получают гуминовые кислоты, битумы, различные биологически активные вещества, нашедшие широкое применение в животноводстве и растениеводстве. Вместе с тем, торф хорошо известен как один из наиболее активных сорбентов, способных накапливать в себе в определенных условиях значительные количества различных металлов, в том числе токсичных и радиоактивных[6].

Торф применяется во многих сферах: разведении животных, биохимической промышленности, медицине, но главными отраслями использующими его, являются энергетическая промышленность и сельское хозяйство. Развитие современных технологий производства позволяет получить высокопродуктивные почвы для выращивания продуктов питания, удобрения, вещества-стимуляторы роста и развития семян, изоляционные и упаковочные материалы, углеродный восстановитель метала, активные угли, графит. Но основные сферы применения можно условно разделить на две группы: энергетика и сельское хозяйство.

Использование торфа как топлива обусловлено его составом: большим содержанием углерода, малым содержанием серы, вредных негорючих остатков и примесей [7].

Торф является легкодоступным природным материалом и источником биологически активных веществ, широко используемых не только в сельском хозяйстве, но и в медицине [8]. В литературе описывается широкий спектр положительного влияния торфа и различных препаратов на его основе на живые организмы. Они оказывают стимулирующее действие на пищеварение, рост и иммунную систему животных [9]. Одним из наиболее важных биологически активных веществ являются стероиды, терпеноиды и токоферолы. Их состав свидетельствует о вкладе в формирование торфа той или иной группы торфообразующих растений и о процессах, протекавших при разложении торфа [10].

Разложение торфа является сложным биологическим, химическим и физическим процессом. Степень разложения торфа оценивается по процентному содержанию в нем бесструктурной части, включающей гуминовые кислоты и мелкие частицы негумифицированных остатков растений.

1.3 Биологически активные соединения торфа

Биологически активные вещества являются особой группой органических соединений. С их помощью осуществляются и регулируются процессы обмена веществ, роста и развития живых организмов. Некоторые биологически активные вещества, выделяемые организмами, оказывают влияние на особей своего и других видов. Например, животные с помощью различных биологически активных веществ способны привлекать особей противоположного пола или отпугивать врагов, а растения -- угнетать или стимулировать рост других растений, почвенных микроорганизмов. К биологически активным веществам относятся витамины, гормоны, ферромоны, алкалоиды, антибиотики и др.

Cложный и многоуровневый процесс регуляции обмена веществ в организме осуществляется при участии нервной и эндокринной систем. Это происходит как на уровне клетки и отдельных ее органелл, так и на физиологическом уровне, где задействованы центральные и периферические звенья регуляции. Одними из наиболее важных биологически активных веществ являются стероиды, терпеноиды и токоферолы.

Стероиды -- вещества животного или, реже, растительного происхождения, обладающие высокой биологической активностью. Стероиды имеют циклическое строение. В основе их структуры лежит скелет стерана, состоящий из трёх конденсированных циклогексановых колец (А, В и С) в нелинейном сочленении и циклопентанового кольца (D).

Общая структура стероидов и принятая нумерация атомов в стеране приведены ниже:

Рисунок 1. Общая структура стероидов

Характерная особенность большинства природных стероидов - наличие кислородосодержащего заместителя у С-3, метильных групп С-18 и С-19, а также алифатического заместителя R у С-17.

Стероидные гормоны играют важнейшую роль в эндокринной системе, контролирующей обменные процессы. Эти гормоны стимулируют биологические реакции в различных тканях организма, оказывают влияние на половую дифференциацию, репродуктивную функцию, поддержание солевого баланса и метаболизм сахара. Они также участвуют в реакции организма на стресс и влияют на поведение .Однако в отличие от животных и людей, у растений нет централизованных органов для производства гормонов, поэтому у растений собственные стероиды приходится вырабатывать каждой клетке. Клетки животных и людей, как правило, отвечают на воздействие стероидов при помощи молекулярных рецепторов, находящихся в ядрах клеток. Однако таких рецепторов нет у растений, здесь есть лишь рецептороподобные киназы, которые прикреплены к внешним стенкам клеток и связаны с внутренними структурами через сеть мембран.

Ученым уже на протяжении некоторого времени известен механизм регуляции роста и развития растений при помощи особого растительного стероида - брассиностероида однако до сих пор неизвестными оставались некоторые моменты, касающиеся производства и регуляции этого растительного стероида.

Последние исследования показали, что брассиностероиды оказывают прямое воздействие на внешние раздражители, способствуют росту клеток и увеличивают стойкость растений к патогенам. Все это будет полезно в сельском хозяйстве, уверены ученые. По их словам, до недавнего времени оставалось неясным, как один стероид может регулировать так много функций[11].

Геостероиды, повсеместно встречающиеся в органическом веществе осадков, происходят от стеринов, которые входят в структуру клеточных стенок эукариотов [12]]. Они контролируют проницаемость и жесткость клеточных мембран. Современные осадки характеризуются большим разнообразием стеролов с двойными связями и различными функциональными группами - гидроксигруппами, алкильными и другими заместителями.

Биологические стероиды обычно содержат 27, 28 и 29 атомов углерода. Cтерины состава С27 являются общими у животных и красных водорослей, C28 содержатся в микроводорослях (например, диатомовых) и грибах, в то время как стерины состава C29 в основном синтезируются наземными растениями. Присутствие в торфе соединений, имеющих растительное происхождение в неизменном виде указывает на незрелость органического вещества [13].

Терпены - это углеводороды, имеющие общую формулу (С5Н8)n, терпены и терпеноиды могут быть соединениями алифатического, гидроцик-лического или ароматического ряда. Но, несмотря на их принадлежность к столь различным классам органических соединений, они построены по одному «архитектурному плану»; наблюдается кратность углеродных атомов в их скелете. Большинство известных терпенов построено из изопреновых фрагментов, которые образуются за счет связывания друг с другом по типу присоединения «голова к хвосту» - (изопреновое правило).

Терпеноиды -- это кислородсодержащие терпены. Считается, что терпены и терпеноиды по численности превосходят все другие вещества вторичного происхождения. Терпены -- это ненасыщенные углеводороды с числом углеродных атомов, кратным пяти. Терпены можно рассматривать как производные изопрена[14].

Терпеноиды широко распространены в природе, главным образом, в растительных, реже - в животных организмах. Терпеноиды обнаружены практически во всех тканях растений (содержатся в эфирных маслах, скипидаре, смолах, бальзамах), найдены в продуктах жизнедеятельности некоторых бактерий и грибов. Происхождение дитерпеноидов может быть связано с преобразованием абиетиновой кислоты, широко распространенной в смоле высших растений. Растения, относящиеся к семейству сосновых, характеризуются высоким содержанием таких дитерпеноидов как абиетаны и пимараны.

Большое число важнейших тритерпеноидов, обнаруженных в составе организмов, рассматривается в качестве прямых предшественников углеводородов древних осадков и нефтей. Хотя для высших растений весьма характерны различные тритерпеноиды, в клетках бактерий и синезеленых водорослей в относительно высокой концентрации присутствуют лишь соединения ряда гопана. Другие тритерпеноиды встречаются только у высших растений [15]. К тритерпеноидам растительного происхождения относятся производные олеанана, лупана, и тараксастана.

Терпеновые соединения являются активными участниками обменных процессов, протекающих в растительном организме, о чем свидетельствует их высокая реакционная способность. Терпеноиды служат вторичными метаболитами смешанного биосинтеза, к ним относятся алкалоиды, флавоноиды, олигосахариды и т.д. Растущий интерес к природным тритерпеноидов вызван не только научными аспектами структурного анализа этих соединений, но и широким спектром их биологической активности. Они обладают бактерицидным, противогрибковым, противовирусным, цитотоксическим, болеутоляющим, противоопухолевым и противоаллергическим действием, а также способствуют работе сердечно-сосудистой системы [16].

Терпеноиды служат вторичными метаболитами смешанного биосинтеза, к ним относятся алкалоиды, флавоноиды, олигосахариды и т.д. Растущий интерес к природным тритерпеноидов вызван не только научными аспектами структурного анализа этих соединений, но и широким спектром их биологической активности. Они обладают бактерицидным, противогрибковым, противовирусным, цитотоксическим, болеутоляющим, противоопухолевым и противоаллергическим действием, а также способствуют работе сердечно-сосудистой системы[17].

Витамины представляют собой группу органических соединений разнообразной химической структуры. Большинство из них поступает в организм человека с пищей в виде витаминов как таковых или их предшественников-провитаминов. Они участвуют во всех процессах обмена веществ, предупреждают избыточное отложение холестерина на стенках кровеносных сосудов и имеют существенное значение для поддержания нормального состава крови и предупреждения физиологического увядания организма.

Важными биологически активными веществами липофильной природы являются токоферолы (витамин Е). По химической природе токоферолы относятся к семейству терпеноидов (содержат в своей структуре изопрен) и являются производными хромана (бензо-g-дигидропирана) [18].

Группа веществ, объединяемых общим названием «Витамин Е» включает несколько соединений -- производных хромана, являющихся природными антиоксидантами, которые предотвращают окисление ненасыщенных липидов, предохраняют от разрушения клеточные мембраны и вследствие этого широко применяются для профилактики и лечения ряда заболеваний. К настоящему времени выделены из природных источников или получены синтетически восемь различных веществ, обладающих Е-витаминной активностью.

Токоферолы (витамин Е) известны своими антиоксидантными, иммуноукрепляющими, противовоспалительными и антитромбоцитарными свойствами Витамин Е используется в клинических условиях для предотвращения сердечно-сосудистых заболеваний, рака, катаракты, осложнений сахарного диабета, а также для улучшения иммунной функции [19].

Основной биологически активной формой является RRR-б-токоферол. Свободная ОН-группа обуславливает свойства витамина Е как антиоксиданта.

Рисунок 2. Структура б-токоферола

Кроме токоферолов к группе витамина Е относятся б, в, г и д-токотриенолы - аналоги соответствующих токоферолов, которые отличаются от последних наличием двойных связей в боковой цепи. Токоферолы - прозрачные, светло-желтые, вязкие масла, хорошо растворимые в большинстве органических растворителей. Медленно окисляются на воздухе, разрушаются под действием УФ-лучей [20].

Токоферолы играют важнейшую роль во всех репродуктивных процессах: оплодотворении, развитии плода, росте организма, развитии и функционировании половой системы.

Различные токоферолы имеют неодинаковую биологическую активность. Физиологическое действие ослабевает в последовательности: a-токоферол > b-токоферол > g-токоферолы > d-токоферол. При этом замечено, что продукты метаболизма также обладают Е-витаминной активностью [21].

Токоферолы (витамин Е) известны своими антиоксидантными, иммуноукрепляющими, противовоспалительными и антитромбоцитарными свойствами [19].

Химический состав болотных растений и торфов Западной Сибири в настоящее время изучен слабо [22]. В работе представлены данные об элементном составе и содержании основных групп органических веществ в фускум-торфе и сфагновом мочажинном торфе с низкой степенью разложения, отобранных на южнотаежных верховых болотах Западной Сибири. Были идентифицированы следующие классы соединений: н-алканы, терпеноиды, токоферолы, карбоновые кислоты, кетоны, би- и трициклические ПАУ.

Работа посвящена сравнительному исследованию различных торфов болота Тёмное. Были идентифицированы различные биологически активные вещества: фенольные соединения, битумы, гуминовые вещества, гуминовые кислоты, фульвокислоты и др. [23].

В работе проводилось моделирование начальной стадии процесса торфообразования. Определяли содержание липидов, водорастворимых компонентов, легкогидролизуемых компонентов, лигнина в осоке, пушице, S. fuscum и S. Magellanicum [24].

1.4 Газовая хроматография-масс спектрометрия как метод исследования индивидуального состава торфа

Хроматография - метод разделения, анализа и физико-химических исследований веществ, основанный на перемещении зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. При этом разделяемые вещества распределяются между двумя несмешивающимися фазами (в зависимости от их относительной растворимости в каждой фазе): подвижной и неподвижной.

Характерными особенностями любых хроматографических методов являются следующие:

* Высокая разрешающая способность процесса разделения, обусловленная высокой эффективностью процесса, дающая возможность разделения даже близких по природе, структуре и свойствам веществ.

* Мягкие условия разделения [25].

Газовая хроматография - метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не реагирует с неподвижной фазой и разделяемыми веществами. Этим требованиям отвечает около 5% известных органических соединений, но именно эти соединения оставляют 70-80 % соединений, которые использует человек в сфере производства и быта [26].

На рисунке 3 представлена принципиальная схема газового хроматографа.

Рисунок 3. Схема газового хроматографа

ГХ-МС -- комбинация двух мощных аналитических инструментов: газовой хроматографии, обеспечивающей высокоэффективное разделение компонентов сложных смесей в газовой фазе, и масс-спектрометрии, позволяющей идентифицировать как известные, так и неизвестные компоненты смеси [27].

Аналитические возможности ГХ и масс-спектрометрии идеально дополняют друг друга, и сочетание методов позволяет получать большой объем информации спектров. Масс-спектрометрия позволяет идентифицировать вещества путем передачи электрического заряда молекулам образца, придания им ускорения при пропускании через магнитное поле, разрушая молекулы на заряженные фрагменты и определяя различные заряды. Участок спектра отображает массу каждого фрагмента.

В камере ускорения скорости заряженных частиц увеличиваются под влиянием ускоряющего напряжения. При каждом значении напряжения только частица с определенной массой ускоряется настолько, чтобы достичь детектора. Ускоряющее напряжение меняется, чтобы покрыть весь диапазон масс, для того, чтобы все фрагменты в итоге достигли детектора.

Заряженные частицы движутся к детектору по кривой траектории. Когда отдельные заряженные частицы сталкиваются с поверхностью детектора, несколько электронов (также заряженных частиц) выбиваются с поверхности детектора. Затем эти электроны ускоряются до столкновения с другой поверхностью, выбивая еще больше электронов, которые бомбардируют другую поверхность. Каждый электрон несет заряд. В конце концов, многочисленные столкновения со многими поверхностями генерируют тысячи электронов, которые излучаются последней поверхностью. В результате происходит усиление первоначального заряда через каскад электронов, приходящих на коллектор. В этот момент прибор измеряет заряд и фиксирует массу фрагмента, которая пропорциональна обнаруженному заряду.

Масс- спектрометр выводит полученные данные в виде массива пиков на графике, «масс-спектр». Каждый пик представляет собой значение для массы осколка. Высота пика растет с увеличением числа обнаруженных фрагментов с одной конкретной массой. Как и в случае с детекторы в газовой хроматографии, пики могут отличаться по высоте в зависимости от чувствительности детектора.

Обычно масс-спектр отражает пик нефрагментированной молекулы образца. Это обычно самый массивный осколок с «родительской массой.» Как картинка на коробке с головоломкой, родительская масса используется для того, чтобы собрать вместе фрагменты, исходя из других пиков в масс- Родительская масса отражает массу молекулы, в то время как другие пики указывают на ее структуру.

Определение родительского пика и, следовательно, молекулярной массы образца, является наиболее трудной частью масс- спектрометрического анализа [28].

Существуют «библиотеки» масс-спектров, содержащие спектры более 70000 органических соединений, по которым можно проводить их идентификацию.

Для каждого класса соединений в хромато-масс-спектрометрии существует свое значение соотношения масса/заряд (m/z), которое зависит от пути фрагментации соединения. Ионы с различными значениями m/z, как правило, разделяются по времени пролета определенного расстояния [29].

Наиболее распространенным вариантом ГХ-МС был и остается анализ с применением ионизации электронным ударом (ЭУ). При проведении скрининга спектры, полученные при нормированных условиях ионизации (70 эВ), сравниваются с библиотечными масс-спектрами. Для повышения селективности применяют альтернативные методы ионизации, чаще всего --химическую ионизацию с детектированием положительных (ПХИ) или отрицательных ионов (ОХИ) [27]. К сожалению, стандартизация спектров ХИ затруднена и является в основном специфичной для каждого прибора. Тем не менее, воспроизводимость спектров на конкретном приборе, как правило, удовлетворительна и позволяет успешно проводить качественный (по молекулярному иону) и количественный анализ конкретных компонентов. ХИ редко применяется как скрининговый метод, чаще всего она используется для целевого определения аналитов или их групп.

2. Экспериментальная часть

2.1 Общая характеристика исследуемого объекта

В качестве объектов исследования были выбраны торфа болота Средне-Васюганское. Болото Средне-Васюганское расположено в подзоне средней тайги Западной Сибири, залегает на I левобережной надпойменной песчаной террасе р. Васюган, в 2 км на север от п. Средний Васюган. Торфяной разрез заложен в типичном сосново-кустарничково-сфагновом (Sphagnum fuscum) фитоценозе - низком ряме. Торфа ряма болота Средне-Васюганское были отобраны из скважины глубиной 352 см. Современная среднегодовая температура воздуха в районе болота Средне-Васюганское составляет -1.7оС.

Болото Темное расположено в южнотаежной подзоне Западной Сибири, на Обь-Чулымском междуречье, II надпойменной песчаной террасе р. Томи. Верховые торфа ряма болота Тёмное были отобраны из скважины глубиной 635 см.

Рисунок 4. Площади отбора торфа

Ботанический состав торфов определяли микроскопическим методом, а степень разложения - методом центрифугирования.

2.2 Методика проведения работы

Молекулярный состав органических соединений исследовали методом ГХ-МС с использованием магнитного хромато-масс-спектрометра DFS фирмы «Thermo Scientific» (Германия).

Непосредственно перед анализом все образцы были высушены и измельчены.

Схема исследования

Битумоиды были сконцентрированы путем экстракции 7% раствором метанола в хлороформе при 600С, затем экстракт упаривали на роторном испарителе и затем осуществляли ввод в хроматограф.

Режим работы хроматографа: кварцевая капиллярная хроматографическая колонка фирмы «Thermo Scientific» с внутренним диаметром 0.25 мм, длиной 30 м, толщина фазы 0.25 мкм, неподвижная фаза - TR-5MS; газ-носитель - гелий, температура испарителя 250С, температура интерфейса 250С; программа нагрева термостата хроматографа: tнач = 80С, изотерма в течение 2 минут, затем нагрев со скоростью 4 град/мин. до tмакс = 300С. Режим работы масс-спектрометра: метод ионизации - электронный удар; энергия ионизирующих электронов - 70 эВ; температура ионизационной камеры - 250С; диапазон регистрируемых масс - 50-500 а.е.м.; длительность развертки спектра - 1 сек.

Индивидуальные соединения идентифицировали по полным масс-спектрам, для этого использовали спектро-структурные корреляции программы X-Calibur 10, имеющиеся в литературе, а также компьютерную библиотеку масс-спектров NIST, насчитывающую более 163 тыс. наименований. Содержание отдельных структур определяли по площади соответствующих пиков на хроматограммах с использованием внутреннего стандарта и поправочных коэффициентов, определенных для каждого класса соединений.

Концентрации индивидуальных соединений рассчитывали по формуле:

,

где

- площадь пика компонента х на хроматограмме,

- объем экстракта, введенный в испаритель хроматографа (мкл),

- площадь пика стандарта на хроматограмме,

- масса навески донных отложений для экстракции (г).

3. Результаты и их обсуждение

По ботаническому составу торф болота Средне-Васюганское на исследованных глубинах является преимущественно сфагновым с примесями пушицы на глубине 202, 277-297 и 347 см.

Таблица 1. Типы исследованных торфов болота Средне-Васюганское по ботаническому составу и степень разложения.

Глубина отбора, см

Вид торфа

R, %

2

Фускум

0

57

Фускум

8

147

Сфагновый мочажинный

7

202

Пушицево-сфагновый

12

222

Сфагновый верховой

18

247

Комплексный верховой

11

272

Ангустифолиум

13

277

Пушицево-сфагновый

14

287

Пушицево-сфагновый

17

297

Пушицевый-сфагновый

20

302

Сфагновый мочажинный

22

327

Комплексный верховой

33

347

Пушицевый

38

Среднее суммарное содержание биологически активных соединений в торфе болота Средне-Васюганское составляет 179.3 мкг/г.

торф болото токоферол спектрометрия

Рисунок 5. Суммарное содержание терпеноидов, стероидов и токоферолов в торфах болота Средне-Васюганское.

Основные торфообразующие растения характеризуются различным суммарным содержанием липидов с максимальным содержанием в травянистых разностях. Таким образом, торфа с повышенным содержанием травянистых растений в ботаническом составе должны содержать больше биологически активных соединений.

Максимальные суммарные концентрации биологически активных соединений были зафиксированы в сфагново-пушицевом торфе, а также в сфагновом торфе с глубины 222 см (рис 5), где в ботаническом составе торфа высока доля древесных остатков. Облесенность болота способствует развитию густого травяного покрова, что, в свою очередь, приводит к повышению содержания липидов.

Вероятно, период отложения торфов с повышенными концентрациями липидов характеризовался сменой климатических условий с сухих и холодных на теплые и влажные, вызвавших повышение доли трав в растительном сообществе болота. Повышенная влажность замедляет разложение органического вещества, что также способствует сохранению высоких концентраций липидов в торфе.

Болото Средне-Васюганское является типичным низким рямом с достаточно стабильным водным режимом и минимальным откликом на климатические изменения. Поэтому для залежи торфа характерно постепенное повышение степени разложения с глубиной от 0 до 38%.

Содержание три- и пентациклических терпеноидов, стероидов и токоферолов в торфах болота Средне-Васюганское представлено в таблице 1.

Таблица 2. Содержание отдельных классов биологически-активных соединений в торфах

Глубина отбора, см

Трициклические терпеноиды

Стероиды

Пентациклические терпеноиды

Токоферолы

2

3,11

4,78

14,92

7,63

57

0,22

2,98

13,36

2,80

147

1,11

27,92

13,24

6,08

202

1,98

28,44

29,92

8,89

222

9,36

53,19

112,87

24,58

252

4,18

34,20

55,77

17,16

272

2,96

17,99

14,73

6,77

277

5,28

26,15

16,34

8,08

287

4,04

62,78

30,51

18,97

302

1,54

37,71

24,70

9,67

327

9,62

22,05

25,65

9,77

352

40,50

23,47

23,67

10,07

Происхождение дитерпеноидов может быть связано с преобразованием абиетиновой кислоты, широко распространенной в смоле высших растений. Трициклические терпеноиды имеют самую низкую концентрацию среди всех исследованных соединений практически по всему разрезу, их содержание максимально на глубине 352 см, где они преобладают (рис. 5). Среди них резко преобладают УВ, вверх по разрезу относительное содержание УВ в составе дитерпеноидов снижается. Среди дитерпеноидов в верхней части разреза болота Средне-Васюганское доминируют и метилдегидроабиетат и маноол (лабда-8(20),14-диен-3-ол), присутствующий в травянистых растениях. На глубине, превышающей 2 м, начинает преобладать 10, 18-биснорабиета-5, 7, 9 (10), 11, 13-пентаен (рис. 5), отсутствующий в возможных биопродуцентах, но являющийся возможным продуктом частичного гидрирования молекул присутствующего в растительной биомассе ретена.

Рисунок 6. Распределение биологически-активных соединений в торфе болота Средне-Васюганское по глубине разреза

Геостероиды, повсеместно встречающиеся в органическом веществе осадков, происходят от стеринов, которые входят в структуру клеточных стенок эукариотов. Стероиды преобладают на глубине 147, 272, 277, 287 и 302 см, их максимальная концентрация была обнаружена на глубине 287 см и составила 62,78 мкг/г. По разрезу болота Средне-Васюганское среди стероидов преобладает ситостерол, образующийся в результате частичного гидрирования стигмастерола, доминирующего в приповерхностном слое.

Рисунок 7. Структуры биологически-активных соединений, преобладающих в торфах болота Средне-Васюганское: I-лабд-8,14-диен-13-ол, II-метилдегидроабиетат, III-10,18-биснорабиета-5,7,9(10),11,13-пентаен, IV-стигмастерол, V-ситостерол, VI-D-фриедоолеан-14-ен, VII-б-токоферол.

Содержание пентациклических терпеноидов, на 70-90% представленных производными пергидропицена, преимущественно УВ (56-75%), не связано с видовыми особенностями торфа и степенью его разложения. Максимальные концентрации зафиксированы в средней части разреза в сфагновом верховом и комплексном верховом торфах. На глубине 202 и 327 см пентациклические терпеноиды и стероиды содержатся примерно в равных концентрациях. В составе тритерпеноидов в большинстве торфов болота Средне-Васюганское преобладает D-фриедоолеан-14-ен.

Содержание токоферолов в составе идентифицированных соединений меняется по разрезу в пределах 3.2-7.0 % отн. Среди токоферолов во всех торфах значительно преобладает б-форма, повышено содержание г-формы, ацетат б-токоферола обнаружен не был. Самое высокое содержание токоферолов было зафиксировано на глубине 222 см.

Для оценки направленности изменения состава и содержания в торфе отдельных классов органических соединений по разрезу залежей, приуроченных к различным природным зонам, была исследована верховая залежь торфа в южнотаежной зоне (болото Темное).

Суммарное содержание исследованных липидных компонентов в торфе болота Средне-Васюганское в 4.6 раза выше по сравнению с торфом болота Тёмное. Это может быть следствием различия в температуре окружающей среды при торфообразовании. Более низкие температуры на болоте Средне-Васюганское снижали активность микроорганизмов и, как следствие, тормозили преобразование органических соединений, присутствующих в растениях-торфообразователях. Кроме того, низкие концентрации липидов в торфе болота Темное могут быть обусловлены выносом продуктов разложения торфа делювиальными водами, активно поступающими с окружающих суходолов через болото в озеро, и с болотными водами в периоды аридизации климата.

Анализ полученных результатов позволяет заключить, что на набор и содержание органических соединений оказывает влияние не только ботанический состав образца торфа и степень его разложения, но и, видимо, весь видовой состав растительного сообщества, отложившего торфа на данной глубине залежи, а также климатические условия и миграция органических веществ, вызванная горизонтальной и вертикальной фильтрацией болотных вод.

4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение

4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения. Определение возможных альтернатив проведения научных исследований

4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования

Проблема физико-химических исследований торфов болота Средне-Васюганское на сегодняшний день очень актуальна.

Потенциальными потребителями результатов этого исследования являются химические предприятия, расположенные на территории Российской Федерации.

Проведем сегментирование рынка по следующим критериям: размер химического предприятия - существующие расчетно-аналитические методы изучения термической стабильности полупродуктов и реакционных масс в изотермических условиях.

Таблица 3 - Карта сегментирования рынка услуг по исследованию ГК торфов

Размер компании

Методы анализа ГК торфов

ГХ-МС

ИК-спектроскопия

ГЖХ

Крупные

+

+

+

Средние

+

+

-

Малые

-

-

«+» - удобство применения данного метода; «-» - нерациональность использования данного метода компанией.

Как видно из приведенной карты сегментирования, методом хромато-масс-спектрометрии является наиболее универсальным для исследования торфов крупными и средними компаниями.

4.1.2 Анализ конкурентных технических решений

Проведем данный анализ с помощью оценочной карты, приведенной ниже.

Таблица 4 - Оценочная карта для сравнения конкурентных технических решений (разработок)

Критерий оценки

Вес критерия

Баллы

Конкурентоспособность

Бф

Бк1

Бк2

Кф

Кк1

Кк2

1

2

3

4

5

6

7

8

Технические критерии оценки ресурсоэффективности

1. Простота эксплуатации оборудования

0,1

5

5

3

0,5

0,5

0,3

2. Потребность в дополнительных исследованиях

0,2

5

2

4

1

0,4

0,8

3. Универсальность метода

0,13

5

4

5

0,65

0,52

0,65

4. Специальное оборудование

0,05

3

4

3

0,15

0,2

0,15

5. Предоставляемые возможности

0,17

5

3

3

0,85

0,51

0,51

Экономические критерии оценки эффективности

1.Суммарная стоимость оборудования

0,1

5

4

3

0,5

0,4

0,3

2. Конкурентоспособность

0,05

5

4

3

0,25

0,2

0,15

3. Цена исследования

0,1

5

4

3

0,5

0,4

0,3

4.Уровень проникновения на рынок

0,05

4

4

3

0,2

0,2

0,15

5.Сотрудники узкого профиля для работы с методикой

0,05

3

4

3

0,15

0,2

0,15

Итого

1

45

38

33

4,75

3,53

3,46

где Бф- УФ-спектроскопия; Бк1 - ИК-спектроскопия; Бк2- скоростной (экспрессный) метод; Бк3- спектроскопия электронного парамагнитного резонанса.

Анализ конкурентных технических решений определяется по формуле:

(1)

гдеК - конкурентоспособность инженерного решения или конкурента;

- вес показателя (в долях единицы);

- балл i-го показателя

Опираясь на полученные результаты, можно сделать вывод, что метод ГХ-МС является наиболее эффективным и целесообразным способом для исследования состава торфа. Уязвимость конкурентов объясняется наличием таких причин, как наличие дополнительных исследований для получения достоверных результатов, недостаточное удобство в эксплуатации.

4.1.3 SWOT-анализ

SWOT представляет собой комплексный анализ инженерного проекта. SWOT-анализ применяют для того, чтобы перед организацией или менеджером проекта появилась отчетливая картина, состоящая из лучшей возможной информации и данных, а также сложилось понимание внешних сил, тенденций и подводных камней, в условиях которых научно-исследовательский проект будет реализовываться. Он проводится в несколько этапов.

Результаты первого этапа SWOT-анализа представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Матрица SWOT

Сильные стороны научно-исследовательского проекта:

С1. Принципиально новая методика

С2. Наличие опытного руководителя

С3. Способность разрабатываемого метода быть применимым к мало изученным веществам и материалам.

Слабые стороны научно-исследовательского проекта:

Сл1. Малая изученность торфов данного месторождения.

Сл2.Возможность появления новых методов.

Сл3. Могут потребоваться дополнительные испытания

Сл4. Медленный процесс вывода на рынок объекта исследования.

С4. Актуальность разработки.

С5. Не требует уникального оборудования.

Возможности:

В1.Возможность создания партнерских отношений с рядом исследовательских институтов.

В2. Большой потенциал применения метода хромато-массс-спектрометрии в России.

В3. Возможность выхода на внешний рынок.

В4. Рост потребности в обеспечении натуральным сырьем для медицинской и сельскохозяйственной промышленности.

В5. В случае принятия рынком выход на большие объемы

Результаты анализа интерактивной матрицы проекта полей «Сильные стороны и возможности»

1Анализ позволяет использовать данные для определения направленности дальнейшей переработки торфа.

2 Невысокая затратность проекта может привлечь больше сотрудников и исполнителей.

Результаты анализа интерактивной матрицы проекта полей «Слабые стороны и возможности»

1. Повышение квалификации кадров

2. Привлечение новых заказчиков

3.Разработка научного исследования

4. Приобретение необходимого оборудования для анализа опытного образца

Угрозы:

У1. Отсутствие спроса на методики определения группового состава торфа.

У2. Противодействие со стороны конкурентов: снижение цен, усовершенствование текущих методов.

У3. Захват внутреннего рынка иностранными компаниями.

У4.Закрытие фармакологических предприятий на территории РФ.

Результаты анализа интерактивной матрицы проекта полей «Сильные стороны и угрозы»

1. Продвижение новой технологии в медицине с целью появления спроса

2. Изучение фармакологических свойств торфа

Результаты анализа интерактивной матрицы проекта полей «Слабые стороны

и угрозы»

1. Повышение квалификации кадров

2. Привлечение новых заказчиков

3. Продвижение новой технологии с целью появления спроса

Выявим соответствия сильных и слабых сторон научно-исследовательского проекта внешним условиям окружающей среды. Данные соответствие или несоответствие помогут выявить потребность в проведении стратегических изменений. Для этого построим интерактивные матрицы проекта (таблицы 6-9).

Таблица 6 - Интерактивные матрицы проекта

Сильные стороны проекта

Возможности проекта

С1

С2

С3

С4

С5

В1

+

+

-

+

-

В2

+

-

+

+

0

В3

+

0

+

+

0

В4

+

-

0

+

-

В5

+

0

0

0

0

При анализе данной интерактивной таблицы можно выявить следующие коррелирующие сильных сторон и возможности: В1С1С2С4, В2В3С1С3С4, В4С1С4, В5С1.

Таблица 7 - Интерактивные матрицы проекта

Слабые стороны проекта

Возможности проекта

Сл1

Сл2

Сл3

Сл4

В1

0

0

+

0

В2

-

-

0

0

В3

0

-

-

-

В4

0

0

0

-

В5

-

-

-

0

При анализе данной интерактивной таблицы можно выявить следующие коррелирующие слабых сторон и возможности: В1Сл3.

Таблица 8 - Интерактивные матрицы проекта

Сильные стороны проекта

Угрозы проекта

С1

С2

С3

С4

С5

У1

+

-

0

+

0

У2

-

-

+

0

+

У3

-

0

0

0

0

У4

0

-

-

0

0

При анализе данной интерактивной таблицы можно выявить следующие коррелирующие сильных сторон и угроз: У1С1С4, У2С3С5.

Таблица 9 - Интерактивные матрицы проекта

Слабые стороны проекта

Угрозы проекта

Сл1

Сл2

Сл3

Сл4

У1

0

0

0

+

У2

0

0

0

0

У3

-

0

0

0

У4

-

0

-

-

При анализе данной интерактивной таблицы можно выявить следующие коррелирующие слабых сторон и угроз: У1Сл4.

4.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований

Таблица 10 - Морфологическая матрица методов исследования ГК торфов

А. Метод исследования

ГХ-МС

ИК-спектроскопия

ГЖХ

Б. Исследуемые характеристики

Групповой состав органической части торфа

Спектральные характеристики торфа в ИК- области, обнаружение функциональных групп.

Групповой состав органической части торфа

4.2.1 Составление перечня работ

Трудоемкость выполнения ВКР оценивается экспертным путем в человеко-днях и носит вероятностный характер, т.к. зависит от множества трудно учитываемых факторов.

Разделим выполнение дипломной работы на этапы, представленные в таблице 9:

Таблица 11- Перечень этапов, работ и распределение исполнителей

Основные этапы

№ раб

Содержание работ

Должность исполнителя

Разработка задания НИР

1

Составление и утверждения технического задания НИР

Руководитель

Выбор направления исследования

2

Выбор направления исследования

Руководитель

3

Обзор современных методов исследований по выбранному направлению

Бакалавр

4

Календарное планирование работ по теме

Руководитель, Бакалавр

Теоретическое обоснование и проведение экспериментальных исследований

5

Теоретическое обоснование и выбор экспериментальных методов исследований

Руководитель, Бакалавр

6

Построение моделей и проведение экспериментов

Бакалавр

7

Сопоставление результатов экспериментов с теоретическими исследованиями

Бакалавр

Обобщение и оценка результатов

8

Анализ полученных результатов, выводы

Бакалавр, руководитель

9

Оценка эффективности полученных результатов

Бакалавр, руководитель

Оформление отчета по НИР

10

Составление пояснительной записки


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.