Five bis(quaternary ammonium salts) were synthesized and studied for biodegradability by detn. of declining the water-sol. org. C content. The surfactants were also characterized by mass spectroscopy. The bis(quaternary ammonium salts) showed lower biodegradability than the usual quaternary ammonium salts.
Wykonano badania podatności na biodegrada- cję w warunkach tlenowych zsyntezowanych po- dwójnych czwartorzędowych soli amoniowych, stanowiących klasę surfaktantów gemini oraz dwóch czwartorzędowych soli amoniowych za- liczanych do grupy surfaktantów tradycyjnych.
Powszechność stosowania, całkowita rozpuszczalność w wodzie oraz rozproszona dystrybucja środków powierzchniowo czynnych stwarzają zagrożenie dla środowiska, a zwłaszcza dla jego zasobów wodnych.
Globalna produkcja środków powierzchniowo czynnych wynosi obecnie ponad 12 mln t/r, z czego produkty handlowe stanowią ok. 75%.1, 2) W tro- sce o środowisko naturalne Unia Europejska wprowadziła regulacje praw- ne3), dotyczące ograniczeń i zakazów stosowania syntetycznych środków powierzchniowo czynnych w detergentach, gdzie podstawowe kryterium oceny stanowi całkowita biodegradacja tlenowa i poziom podatności na biodegradację3). Czwartorzędowe sole amoniowe pomimo światowego trendu rozwoju niejonowych środków powierzchniowo czynnych, wciąż są
Instytut Ciężkiej Syntezy Organicznej "Blachownia", Kędzierzyn-Koźle
I
wonaS
zwach, R
enataK
uleSza*, e
dytaK
ulISzewSKa, B
oguSławP
oźnIaKStudy on biodegradability of bis-quaternary ammonium salts used as gemini surfactants
Badania podatności na biodegradację
podwójnych czwartorzędowych soli amoniowych jako surfaktantów gemini
DOI: 10.15199/62.2015.3.8
Instytut Ciężkiej Syntezy Organicznej “Blachownia” , ul. Energetyków 9, 47-225 Kędzierzyn-Koźle, tel.: (77) 487-35-68, fax: (77) 487-30-60, e-mail: kulesza.r@icso.com.pl
Dr Iwona SZWACH w roku 1987 ukończyła stu- dia na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Jest zastępcą dyrektora ds. naukowo-badaw- czych Instytutu Ciężkiej Syntezy Organicznej
“Blachownia” w Kędzierzynie-Koźlu. Specjalność – ochrona środowiska.
Dr inż. Renata KULESZA w roku 1992 ukoń- czyła studia na Wydziale Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej im.
Tadeusza Kościuszki. Jest adiunktem w Instytucie Ciężkiej Syntezy Organicznej “Blachownia”
w Kędzierzynie-Koźlu. Jest kierownikiem Zakładu Analitycznego. Specjalność – analityka che- miczna.
* Autor do korespondencji:
powszechnie stosowane w preparatach do płukania tkanin, w handlowych i przemysłowych środkach dezynfekujących, w kompozycjach kosmetycz- nych, w preparatach farmaceutycznych, w środkach konserwujących do żywności i jako katalizatory przeniesienia fazowego. Stanowią one ok. 10%
stosowanych środków powierzchniowo czynnych4, 5). W ostatnich latach prowadzone są prace badawcze nad syntezą, oceną aktywności powierzch- niowej, wyznaczaniem krytycznego stężenia micelizacji (CMC) i zastoso- waniem podwójnych czwartorzędowych soli amoniowych, zwanych gemi- ni lub dimerycznymi związkami powierzchniowo czynnymi. W stosunku do konwencjonalnych kationowych surfaktantów charakteryzują się one większą aktywnością powierzchniową i nawet 100-krotnie niższą wartością CMC6–13). Wykazują również bardzo wysoką aktywność wobec bakterii, wirusów, grzybów i drożdży, a minimalne stężenie hamujące (MIC) tych związków jest w niektórych przypadkach nawet o 3 rzędy wielkości niższe niż ich monomerycznych analogów14–19).Środki powierzchniowo czynne typu gemini w wielu przypadkach traktowane są jako „zielone surfaktanty”, ponieważ ich lepsza wydajność w zastosowaniu prowadzi do zmniejszenia obciążenia środowiska wodnego.
Pomimo szeroko prowadzonych i publikowanych badań nad syntezą i zastosowaniem surfaktantów gemini niewiele można znaleźć prac doty- czących badania ich biodegradacji czy ich losu w środowisku naturalnym.
Brycki i współpr.2) podjęli próbę usystematyzowania wiedzy na ten temat.
Biodegradacja dimerycznych alkiloamonowych surfaktantów, określana jako biologiczne zaporzebowanie na tlen wynosi 2–70% w przypadku obec- ności grup karbonylowych w łańcuchach węglowych. Stopień biodegradacji alkiloamonowych monomerycznych i dimerycznych związków powierzch-
Dr Edyta KULISZEWSKA w roku 2003 ukończyła studia na Uniwersytecie Opolskim. W 2007 r.
uzyskała stopień doktora na Uniwersytecie Wiedeńskim z zakresu chemii organicznej.
Obecnie jest zatrudniona na stanowisku adiunk- ta w Zakładzie Środków Powierzchniowo Czynnych Instytutu Ciężkiej Syntezy Organicznej
“Blachownia” w Kędzierzynie-Koźlu. Specjalność – synteza organiczna.
Dr Bogusław P. POŹNIAK w roku 1988 ukoń- czył studia na Wydziale Chemii Uniwersytetu Wrocławskiego. W 1995 r. uzyskał stopień dokto- ra nauk przyrodniczych na Case Western Reserve University w Cleveland, USA. Pracuje w Instytucie Ciężkiej Syntezy Organicznej “Blachownia”
w Kędzierzynie-Koźlu. Specjalność – spektrosko- pia masowa i techniki z nią sprzężone.
niowo czynnych zależy od struktury tego związku, procesów adsorpcji i desorpcji na osadzie czynnym, typu mikroorganizmów i obecności anionów. Coraz szersze stoso- wanie podwójnych czwartorzędowych soli amoniowych powoduje zwiększenie ich zawartości w wodach powierzchniowych i osadach zbiorników wodnych. Ocena ich podatności na biodegradację w warunkach tlenowych staje się zatem ważna.
Praca miała na celu uzyskanie odpowie- dzi na pytanie, w jakim stopniu podwójne czwartorzędowe sole amoniowe ulegają biodegradacji w warunkach środowisko- wych, z uwagi na ich aktywność antybak- teryjną oraz czy ich budowa ma istotny wpływ na stopień biodegradacji.
Część doświadczalna Materiały
W badaniach stosowano bromek N,N,N-trimetylo-1-dodecylo-amoniowy (nr CAS 1119-94-4) ≥ 98%, prod. Sigma- Aldrich, bromek N,N,N-trimetylo-1-heksa- decylo-moniowy (nr CAS 57-09-0) ≥ 99%
oraz podwójne czwartorzędowe sole amo- niowe typu gemini zsyntezowane w ICSO
“Blachownia”20, 21). Otrzymane związki miały postać białych proszków (tabela 1).
Do badania podatności na biodegradację wykorzystano osad czynny z komory napowietrzania z oczyszczalni ścieków w Kędzierzynie-Koźlu.
Metodyka badań
Do oceny podatności na biodegradację zastosowano badanie spadku zawartości roz- puszczonego węgla organicznego (RWO).
Badania wykonano zgodnie z zalecenia- mi zawartymi w wytycznej OECD22) oraz w rozporządzeniu unijnym3) zakładając, że badane związki są jedynym źródłem węgla w środowisku innym niż ścieki, co pozwa- lało na oznaczenie rozkładu biologicznego
z wykorzystaniem organizmów tlenowych. Początkowe stężenie badanych związków odpowiada wartościom RWO w zakresie 10–40 mg/dm3 a stężenie innokulum 30 mg suchej masy/dm3. Badanie prowadzone jest w świetle rozproszonym w zakresie temp. 20–25°C.
Pomiary RWO wykonywano na początku oraz po 7, 14, 21 i 28 dniach prowadzenia badań za pomocą Analizatora TOC multi N/C firmy Analytik Jena AG.
Na podstawie uzyskanych wyników, będących wartością średnią z trzech pomiarów, obliczono ubytek RWO i dokonano oceny podat-
ności na rozkład biologiczny badanych preparatów w środowisku wodnym.
Wartość procentową rozkładu osiągniętą na końcu doświadcze- nia określano jako biodegradację wg wzoru:
(1) w którym Rt oznacza stopień usunięcia związju testowanego w czasie t w %, Ct średnią wartość RWO w naczyniu testowym po czasie t
100
1 ×
−
− −
=
BA A
B
t Ct C
C R C
Table 1. Cationic surfactants used
Tabela 1. Stosowane kationowe związki powierzchniowo czynne
Symbol Nazwa Struktura
cząstecz-Masa kowa,
u
1A Bromek N,N,N-trimetylo-1-dodecyloamoniowy
Br- CH3 N C12H25 CH3 C
H3 + 308
1B Bromek N,N,N-trimetylo-1- heksadecylomoniowy
Br- CH3 N C16H33 CH3 C H3 +
Br- CH3 N C16H33 CH3 C
H3 + 364
2A Dibromek etano-bis(dimetylo-heksadecylo amoniowy) H3C N C12H25 CH3
+ CH3
CH3
C12H25
N+
Br 2
614
2B Dibromek heksano-bis(dimetylodo- decylo amoniowy)
Br H3C
CH3 CH3 C12H25 N+ +N
CH3 C12H25
2
670
2C Dibromek heksano-bis(dimetylohek- sadecylo amoniowy)
Br H3C
CH3 CH3 C16H33 N+ +N
CH3 C16H33
2
782
2D Dibromek heksano-bis(etoksymetylo- dodecylo amoniowy)
CH3 Br
C12H25
N+ OH
+N CH3 C12H25 O
H
2
732
2E Dibromek dietyloksyetyl-2,2’- bis(dimetylododecylo amoniowy)
Br H3C
CH3 CH3 C12H25 N
CH3 C12H25
O O N+
+
2
702
Dr Edyta KULISZEWSKA w roku 2003 ukończyła studia na Uniwersytecie Opolskim. W 2007 r.
uzyskała stopień doktora na Uniwersytecie Wiedeńskim z zakresu chemii organicz- nej. Obecnie jest zatrudniona na stanowisku adiunkta w Zakładzie Środków Powierzchniowo Czynnych Instytutu Ciężkiej Syntezy Organicznej
“Blachownia” w Kędzierzynie-Koźlu. Specjalność – synteza organiczna.
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 m/z, Da
0.0 2.0e5 4.0e5 6.0e5 8.0e5 1.0e6 1.2e6 1.4e6 1.6e6 1.8e6 2.0e6 2.2e6 2.4e6 2.6e6 2.8e6 3.0e6 3.2e6
Intensity, cps
)y p ( )
(
p p
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
m/z, Da 0.0
5.0e7 1.0e8 1.5e8 2.0e8 2.5e8 3.0e8 3.5e8 4.0e8 4.5e8 5.0e8
Intensity, cps
a) b)
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
m/z, Da 0.0
2.0e7 4.0e7 6.0e7 8.0e7 1.0e8 1.2e8 1.4e8 1.6e8 1.8e8 2.0e8 2.2e8 2.4e8
Intensity, cps
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
m/z, Da 0.0
1.0e7 2.0e7 3.0e7 4.0e7 5.0e7 6.0e7 7.0e7 8.0e7 9.0e7 1.0e8 1.1e8 1.2e8 1.3e8 1.4e8 1.5e8 1.6e8 1.7e8 1.8e8
Intensity, cps
a) b)
Fig. 1. The mass spectra of the synthesized compound 2A; a) positive ion mass spectrum, b) spectrum main fragmentation ion Rys. 1. Widma mas zsyntezowanego związku 2A; a) widmo mas jonów dodatnich, b) widmo fragmentacyjne jonu głównego
Fig. 2. The mass spectra of the synthesized compound 2B; a) positive ion mass spectrum, b) spectrum main fragmentation ion Rys. 2. Widma mas zsyntezowanego związku 2B; a) widmo mas jonów dodatnich, b) widmo fragmentacyjne jonu głównego
w mg/dm3. CA średnią wartość RWO w naczyniu testowym po czasie t w mg/dm3, CB średnią wartośc RWO w naczyniu ze ślepą próbą po czasie 3 h w mg/dm3, CAB średnią wartość RWO w naczyniu ze ślepą próbą po casie t w mg/dm3.
Zsyntezowane podwójne czwartorzędowe sole amoniowe zostały scharakteryzowane przy użyciu spektrometrii mas za pomocą spektrometru mas 4000Q TRAP, firmy AB SCIEX. Metoda jonizacji – elektrosprej (ESI) w komorze jonizacyjnej typu TurboV. Próbki rozpuszczono w mieszaninie 50/50 woda/acetonitryl, roztwór poda- wano pompą strzykawkową 10 μL/min. Otrzymano widma w trybie dodatnim i ujemnym oraz widma fragmentacyjne poprzez fragmen- tację w drugim kwadrupolu. Jako gaz kolizyjny stosowano azot23). Wyniki badań
Widma mas otrzymanych związków przedstawiono na kolejnych rys. 1–5. Na tych widmach widoczne są jony główne. Obecność pików izotopowych węgla 13C w połowie jednostki masowej oznaczała, że jony główne były jonami podwójnymi, a ich masa była 2 razy większa od masy jonu na widmie. Potwierdzało to budowę podwójną badanych związków powierzchniowo czynnych. Na widmach widoczne są
także jony pochodzące od asocjatu danego surfaktantu z bromem.
Fragmentacja jonu głównego przebiegała poprzez utratę łańcucha alkilowego CxHy- w postaci jonu dodatniego, pozostawiając aminę z jednym azotem trzeciorzędowym a drugim czwartorzędowym.
W przypadku związku 2E dodatkowo pękało wiązanie C-O w pozycji węgla β łącznika (spacer).
Wyniki badania biodegradacji podwójnych czwartorzędowych soli amoniowych oraz dwóch czwartorzędowych soli amo- niowych metodą ubytku RWO przedstawiono w tabeli 2 oraz na rys. 6. Najłatwiej biodegradacji ulegały pojedyncze surfaktanty 1A i 1B. W ich przypadku po 7 dniach zawartość RWO zmalała do kilku procent, a po 28 dniach ubytki RWO wynosiły odpowied- nio 90,6% i 99,4%. Podatność na biodegradację surfaktantów 1A i 1B określona jako biologiczne
Table 2. Biodegradability of the sur- factants
Tabela 2. Podatność surfaktan- tów na biodegradację
Związek Stopień ubytku RWO, %
1A 90,6
1B 99,4
2A 31,5
2B 29,9
2C 29,7
2D 29,9
2E 26,7
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 m/z, Da
0.0 5.0e7 1.0e8 1.5e8 2.0e8 2.5e8 3.0e8 3.5e8 4.0e8 4.5e8 4.7e8
Intensity, cps
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
m/z, Da 0.0
2.0e7 4.0e7 6.0e7 8.0e7 1.0e8 1.2e8 1.4e8 1.6e8 1.8e8 2.0e8 2.2e8 2.4e8 2.6e8 2.8e8 2.9e8
Intensity, cps
a) b)
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 80
m/z, Da 0.0
2.0e6 4.0e6 6.0e6 8.0e6 1.0e7 1.2e7 1.4e7 1.6e7 1.8e7 2.0e7 2.2e7 2.4e7 2.6e7 2.8e7 3.0e7 3.1e7
Intensity, cps
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
m/z, Da 0.0
5.0e8 1.0e9 1.5e9 2.0e9 2.5e9 3.0e9 3.5e9 4.0e9 4.5e9 5.0e9 5.5e9 6.0e9 6.5e9 7.0e9 7.5e9 8.0e9 8.5e9 9.0e9 9.5e9
Intensity, cps
a) b)
Fig. 4. The mass spectra of the synthesized compound 2D; a) positive ion mass spectrum, b) spectrum main fragmentation ion Rys. 4. Widma mas zsyntezowanego związku 2D; a) widmo mas jonów dodatnich, b) widmo fragmentacyjne jonu głównego
Fig. 5. The mass spectra of the synthesized compound 2E; a) positive ion mass spectrum, b) spectrum main fragmentation ion Rys. 5. Widma mas zsyntezowanego związku 2E; a) widmo mas jonów dodatnich, b) widmo fragmentacyjne jonu głównego
p g g p y p
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
m/z, Da 0.0
5.0e7 1.0e8 1.5e8 2.0e8 2.5e8 3.0e8 3.5e8 4.0e8 4.5e8 5.0e8 5.5e8 5.9e8
Intensity, cps
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
m/z, Da 0.0
5.0e7 1.0e8 1.5e8 2.0e8 2.5e8 3.0e8 3.5e8 4.0e8 4.5e8 5.0e8 5.4e8
Intensity, cps
a) b)
Fig. 3. The mass spectra of the synthesized compound 2C; a) positive ion mass spectrum, b) spectrum main fragmentation ion Rys. 3. Widma mas zsyntezowanego związku 2C; a) widmo mas jonów dodatnich, b) widmo fragmentacyjne jonu głównego
zapotrzebowanie na tlen wyniosła odpowiednio 52,4% i 8,3%, podczas gdy wyniki uzyskane metodą MITI wynosiły 100%24). Badania dwiema metodami testowymi Zahn-Wellensa i Confirmatory Test chlorku N,N,N-trimetylo-1-heksadecyloamoniowego wykazały stopnie degra- dacji odpowiednio 60,10% i 82,40%25).
Wartości ubytku RWO uzyskane dla badanych czwartorzędowych soli amoniowych typu gemini nie przekroczyły 30% (tabela 2).
Według danych literaturowych podatność na biodegradację surfak- tantów 2A i 2B określona jako biologiczne zapotrzebowanie na tlen wynosi 2% i <10%26, 27). Na rys. 6 przedstawiono graficznie kinetykę ubytku RWO w wyniku biodegradacji. Powolny zanik zawartości RWO obserwowany przez 14 dni prowadzenia badań świadczył o tym, że badane surfaktanty gemini miały hamujący wpływ na mikroorganizmy osadu czynnego. Jednak po 21 dniach obserwo- wano pewien ubytek RWO (ok. 30%), co świadczyło o adaptacji mikroorganizmów osadu czynnego i wskazywało, że badane sub- stancje przynajmniej częściowo ulegały biodegradacji w warunkach środowiskowych.
Przedstawione na rys. 6 dane potwierdziły, że surfaktanty z dłuż- szym łańcuchem szybciej ulegały biodegradacji. Spośród surfaktantów gemini najłatwiej biodegradacji ulegał surfaktant 2D, w przypadku którego po 7 dniach obserwowano ubytek RWO ok. 20%. Jednak jak już wspomniano po 28 dniach dla wszystkich badanych surfaktantów gemini wartość biodegradacji nie przekroczyła 30%.
flotacji i w przemyśle włókienniczym, m.in. przy impregnowaniu tkanin. Obecnie do produktów handlowych wprowadzone będą też czwartorzędowe sole amoniowe typu gemini, jako środki charakte- ryzujące się większą aktywnością powierzchniową, niższą wartością CMC i bardzo wysoką aktywnością przeciwbakteryjną. Z uwagi na stałe zagrożenie dla środowiska a zwłaszcza dla jego zasobów wodnych, ze strony detergentów, ocena podatności na biodegradację w warunkach tlenowych otrzymywanych nowych surfaktantów gemi- ni wydaje się istotna. Badaniom poddano 5 zsyntezowanych podwój- nych czwartorzędowych soli amoniowych. Uzyskane wartości ubytku RWO po 28 dniach nie przekroczyły 30%, co wskazuje, że badane surfaktanty gemini wykazały hamujący wpływ na mikroorganizmy osadu czynnego. Po 21 dniach obserwowano wzrost szybkości biode- gradacji, co świadczy o adaptacji mikroorganizmów osadu czynnego i wskazuje, że ulegają one częściowej biodegradacji w warunkach środowiskowych.
Otrzymano: 02-12-2015
LITERATURA
1. K. Edser, Focus on Surfactants 2008, nr 11, 1.
2. B. Brycki, M. Waligórska, A. Szulc, J. Hazard. Mater. 2014, 280, 797.
3. Rozporządzenie (WE) Nr 648/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 13 marca 2004 r. w sprawie detergentów (z późn. zm.)
4. J. Przondo, Związki powierzchniowo czynne i ich zastosowanie w pro- duktach chemii gospodarczej, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 2010.
5. R. Zieliński, Surfaktanty, budowa, właściwości, zastosowania.
Wydawnictwo Uniwersytetu Ekonomicznego, Poznań 2009.
6. F.M. Menger, C.A. Littuy, J. Am. Cem. Soc. 1993, 115, 10083.
7. R. Zana, J. Colloid Interface Sci. 2002, 248, 203.
8. R. Zana, Adv. Colloid Interface Sci. 2002, 97, 205.
9. D. Shukla, V.K. Tyagi, J. Oleo. Sci. 2006, 55, 381.
10. T. Aisaka, T. Oida, T. Kawase, J. Oleo. Sci. 2007, 56, 633.
11. E. Kuliszewska, Przem. Chem. 2009, 88, nr 11, 1229.
12. W. Hong i in., Electrochim. Acta 2013, 90, 326.
13. E. Kuliszewska, B. Poźniak, Z. Hordyjewicz-Baran, Przem. Chem. 2013, 92, nr 3, 331.
14. A. Manresa, A. Pinazo, A. Erra, M.R. Infante, J. Chem. Soc., Perkin Trans.
2 1994, 8, 1871.
15. F.M. Menger, J.S. Keiper, Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 1906.
16. A. Laatiris, M. El Achouri, M.R. Infante, Y. Bensouda, Microbiol. Res.
2008, 163, 645.
17. B. Brycki, Pol. J. Microbiol. 2010, 59, 227.
18. B. Brycki, I. Kowalczyk, A. Koziróg, Molecules 2011, 16, 319.
19. K. Kuperkar, J. Modi, K. Patel, J. Surfactants Deterg. 2012, 15, 107.
20. K. Freier, A. Cegielska, E. Kuliszewska, Przem. Chem. 2013, 92, nr 11, 2072.
21. E. Kuliszewska, L. Brecker, J. Surf. Deterg. 2014, 17, nr 5, 951.
22. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, OECD, Paris 1998.
23. B. Poźniak, E. Kuliszewska, Int. J. Mass Spectr. 2013, 348, 29.
24. N. Nishiyama, Y. Toshima, Y. Ikeda, Chemosphere 1995, 30, 593.
25. I. Szwach, R. Cyga-Döhner, Przem. Chem., 2010, 89, nr 10, 1264.
26. T. Banno, K. Toshima, K. Kawada, S. Matsumura, J. Surfactants Deterg.
2009, 12, 249.
27. T. Banno, K. Kawada, S. Matsumura, J. Surfactants Deterg. 2010, 13, 387.
Fig. 6. Biodegradation progress for gemini surfactants and conventional sur- factants
Rys. 6. Postęp biodegradacji surfaktantów gemini i konwencjonalnych surfaktantów
Podsumowanie
Czwartorzędowe sole amoniowe stanowią ważną grupę środków powierzchniowo czynnych, które są powszechnie stosowane w pre- paratach do płukania tkanin, w handlowych i przemysłowych środ- kach dezynfekujących i w kompozycjach kosmetycznych. Mają one również zdolności zwilżające, pianotwórcze, emulgujące i dysper- gujące. Właściwości te pozwalają na ich zastosowanie w procesach
