Способ контроля численности вредителей, обитающих на поверхности воды
Изобретения могут быть использованы при дезинфекции поверхности воды водоемов. Способ контроля цветения фотосинтезирующих микроорганизмов, обитающих на поверхности водной системы, включает распределение по поверхности воды плавучей диффундирующей композиции, содержащей по меньшей мере один флотирующий агент и по меньшей мере один ингибитор фотосинтезирующего микроорганизма в условиях, которые индуцируют по меньшей мере 50% снижение численности фотосинтезирующего микроорганизма в течение определенного периода времени. При этом концентрация ингибитора фотосинтезирующего микроорганизма в водной системе через указанный период времени составляет величину ниже допустимой концентрации в питьевой воде. Флотирующий агент выбран из группы, состоящей из насыщенных углеводородов, смолистых материалов, воска, природного или синтетического латекса и их комбинаций. Изобретения обеспечивают снижение количества микроорганизмов, загрязняющих водную среду водоемов, при низкой дозировке ингибитора в плавучей диффундирующей композиции, медленно выделяющей ингибитор в окружающую среду. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 7 ил., 4 табл., 7 пр.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к области дезинфекции воды.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ниже перечислены источники, рассматриваемые в качестве релевантных объекту настоящего изобретения:
- Berg, K.A., Lyra, C., Sivonen, K., Paulin, L., Suomalainen, S., Tuomi, P., and Rapala, J. (2008) High diversity of cultivable heterotrophic bacteria in association with cyanobacterial water blooms. ISME J3: 314-325.
- Broza, M. and Halpern, M. (2001) Chironomid egg masses and Vibrio cholerae. Nature 412: 40.
- Deng L. and Hayes P.K. (2008) Evidence for cyanophages active against bloom-forming fresh water cyanobactera. Fresh Water Biology 53: 1240-1252.
- Di Domenico, D., Ruggeri, L., and Trentini, M. (2006) The use of sodium hypochlorite as ovicide against Aedes albopictus. Journal of the American Mosquito Control Association 22: 346-348.
- Drabkova, M., Marsalek, B., and Admiraal, W. (2007) Photodynamic therapy against cyanobacteria. Environ Toxicol 22: 112-115.
- Eiler, A. and Bertilsson, S. (2004) Composition of freshwater bacterial communities associated with cyanobacterial blooms in four Swedish lakes. Environmental Microbiology 6: 1228-1243.
- Falconer, I.R., Beresford, A.M., and Runnegar, M.T. (1983) Evidence of liver damage by toxin from a bloom of the blue-green alga, Microcystis aeruginosa. The Medical Journal of Australia 1: 511.
- Gardes, A., Iversen, M.H., Grossart, H.P., Passow, U., and Ullrich, M.S. (2010) Diatom-associated bacteria are required for aggregation of Thalassiosira weissflogii. ISME J
- Hatchett, S.P. (1946) Chlorine as a possible ovicide for Aedes aegypti eggs. Public Health Reports (1896-1970) 61: 683-685.
- Hullebusch, E.V., Deluchat, V., Chazal, P.M., and Baudu, M. (2002) Environmental impact of two successive chemical treatments in a small shallow eutrophied lake: Part II. Case of copper sulfate. Environmental Pollution 120: 627-634.
- Iredale, R.S., McDonald, A.T., and Adams, D.G. (2012) A series of experiments aimed at clarifying the mode of action of barley straw in cyanobacterial growth control. Water Research 46: 6095-6103.
- Jacups, S.P., Ball, T.S., Paton, C.J., Johnson, P.H., and Ritchie, S.A. (2013) Operational use of household bleach to "crash and release" Aedes aegypti prior to Wolbachia-infected mosquito release. Journal of Medical Entomology 50: 344-351.
- Jones, B.E., Grant, W.D., Duckworth, A.W., and Owenson, G.G. (1998) Microbial diversity of soda lakes. Extremophiles 2: 191-200.
- Kaplan, A., Harel, M., Kaplan-Levy, R.N., Hadas, O., Sukenik, A., and Dittmann, E. (2012) The languages spoken in the water body (or the biological role of cyanobacterial toxins). Frontiers in Microbiology 3.
- Kolmakov, V.I. (2006) Methods for prevention of mass development of the cyanobacterium Microcystis aeruginosa Kutz emend. Elenk. in aquatic systems. Microbiology 75: 115-118.
- Matthijs H.C.P., Visser P.M., Reeze В., Meeuse J., Slot P.C., Wijn G., Talens R., Huisman J. (2012) Selective suppression of harmful cyanobacteria in an entire lake with hydrogen peroxide. Water Research 46: 1460-1472.
- Sigee, D. (2005) Biodiversity and Dynamic Interactions of Microorganisms in the Aquatic Environment. In Freshwater Microbiology. Chichester, UK: John Wiley & Sons, pp. 328-338.
- Swaen, G.M., van Vliet, C, Slangen, J.J., and Sturmans, F. (1992) Cancer mortality among licensed herbicide applicators. Scandinavian journal of work, environment & health 18: 201-204.
- Xiao, X., Huang, H., Ge, Z., Rounge J.B., Shi, J., Xu, X. et al. (2014) A pair of chiral flavonolignans as novel anti-cyanobacterial allelochemicals derived from barley straw (Hordeum vulgare): characterization and comparison of their anti-cyanobacterial activities. Environmental Microbiology 16:1238-1251.
Цитирование вышеприведенных источников в настоящем документе не должно означать, что они каким-либо образом имеют отношение к патентоспособности сущности настоящего изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Фотосинтезирующие микроорганизмы, как правило, приводят к сезонному цветению водоемов, например, прудов, озер, отстойников сточных вод и океанов. Эти вспышки цветения представляют собой массивное увеличение количества клеток, которое может достигать 106-107 кл/мл и концентрации хлорофилла а более 50 мкг/л. Это явление можно видеть невооруженным глазом, когда вода становится темно-зеленой, красной или коричневой. Хотя цветение воды вызывают главным образом микроорганизмы, способные преобразовывать энергию света посредством фотосинтеза, они сосуществуют с многими другими микроорганизмами, что поддерживает существование всего сообщества (Gardes et al., 2010). В некоторых случаях вследствие биотических и абиотических условий некоторые из видов, а именно сине-зеленые водоросли, более известные как цианобактерии, используя свои газовые везикулы, располагаются на поверхности воды в виде биопленок (выглядящих как пена или коврики). Цианобактерии представляют собой разнородную группу кислородных фотосинтезирующих прокариот, которая обладает универсальной физиологической устойчивостью и способна переносить широкий диапазон условий окружающей среды, что способствует их успешной конкуренции в разнообразных средах. За последние более чем 40 лет эти организмы активизировались в озерах, водохранилищах, реках и соленых водоемах по всему миру. Их цветение сопровождается затхлым запахом и, что более серьезно, образованием токсинов. Вредоносное цветение цианобактерий (ВЦЦ) указывает на тревожную ситуацию для водоснабжения, окружающей среды и учреждений здравоохранения, поскольку оно отражает проблемы с эвтрофикацией, а также сопровождается секрецией огромного количества метаболитов, некоторые из которых высокотоксичны для эукариот (Kaplan et al., 2012).
В настоящее время применяют несколько способов подавления цветения водорослей, например, последовательную обработку сульфатом алюминия (Al2(SO4)3) и сульфатом меди (Hullebusch et al. 2002), пероксидами (Drabkova et al, 2007) или гербицидами (т.е. диуроном, симазином, атразином). Однако эти процедуры связаны с серьезными последствиями для окружающей среды (Falconer et al, 1983; Kolmakov, 2006; Swaen et al., 1992), а также дороги (обработка Al2(SO4)3 оценивается от 750000 до 1000000 долларов США/км2).
Соответственно, доступные способы обработки в основном применяют в небольших прудах, бассейнах и небольших мелководных озерах, где экологический аспект передозировки не имеет решающего значения. Эти процедуры неэффективны для больших водоемов и непригодны для многократного применения из-за токсичности и воздействия на окружающую среду, их относительно высокой стоимости и необходимости очень больших вложений для их равномерного распределения.
Еще одним средством для предотвращения ВЦЦ является сброс ячменной или рисовой соломы в водные экосистемы, хотя получаемый эффект плохо воспроизводится (Iredale et al., 2012). Недавнее открытие активных соединений соломы (флавонолигнанов - салколина А и В) (Xiao et al., 2014) продемонстрировало их литическую эффективность по отношению к Microcystis aeruginosa. Однако эти активные соединения недоступны для приобретения и еще не получили необходимого разрешения и согласования природоохранных и регулирующих органов.
Теоретически предполагается существование цианофагов - лизирующих вирусов, специфически атакующих цианобактерии, однако на практике их никогда не обнаруживали и не применяли (Deng и Hayess, 2008).
Matthijs et al., (2012) использовали диспергирующее устройство и полностью обработали объем мелкого озера площадью 0,12 км2 жидким Н2О2 в концентрации ~60 мкМ. Эта процедура являлась дорогостоящей из-за высокой стоимости устройства, требовала много времени и была рискованной из-за использования жидкого пероксида водорода. Кроме того, этот химикат регистрировали в воде через два дня после обработки. Более того, частое воздействие Н2О2 на больших площадях и с высокой частотой может вызвать у цианобактерий устойчивость к данному соединению в долгосрочной перспективе.
Хирономиды (Diptera; Chironomidae; Chironomus) являются насекомыми, широко распространенными в пресных водах по всему миру. Они проходят полный метаморфоз в четыре стадии; три из них являются водными (яйца, личинки, куколки), а последняя, взрослая стадия, протекает на суше. Самки откладывают яйцекладки (по 400-1000 яиц), заключенные в плотный гелеобразный матрикс, у берега водоемов.
Хирономиды (также известные как комары-звонцы) наносят серьезный экологический и экономический ущерб. Массивные рои взрослых хирономид, выходящих из водной среды обитания в городских районах или поблизости от них, влияют на туризм и стоимость недвижимости и ассоциированы с аллергическими реакциями у человека. Их личинки закупоривают водопроводные трубы и могут проникать в бытовые системы водоснабжения («красные черви»). Кроме того, сообщают, что гелеобразные яйцекладки хирономид являются естественным резервуаром Vibrio cholera (Broza and Halpern (2001)). В настоящее время мероприятия по предотвращению холеры основаны на комбинациях санитарно-гигиенических мер. Пестициды, применяемые против личинок хирономид, обладают ограниченной эффективностью, поскольку обнаружено, что при длительном применении комары приспосабливаются и приобретают устойчивость к ним. Кроме того, пестициды обладают широкой специфичностью и могут наносить вред окружающей среде, в том числе человеку.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение основано на неожиданном открытии, что плавучие составы различных отбеливающих агентов эффективно снижают численность популяций цианобактерий в обработанной воде. Кроме того, показана эффективность этих составов в качестве овицидов для уничтожения морских насекомых, что значительно снижает количество здоровых личинок, выходящих из яиц.
Таким образом, в первом из аспектов настоящего изобретения предложен способ контроля количества вредителей, обитающих на поверхности водных систем, причем указанный способ включает:
a. Получение композиции, содержащей по меньшей мере один агент для дезинфекции воды, представляющий собой соединение, высвобождающее активный агент, и по меньшей мере один флотирующий агент; и
b. обработку водной системы указанной композицией в условиях, вызывающих снижение, подавление или устранение роста указанного вредителя в водной системе.
В одном варианте реализации указанный по меньшей мере один агент для дезинфекции воды представляет собой окислительный агент для дезинфекции воды.
В одном варианте реализации указанный по меньшей мере один агент для дезинфекции воды выбирают из группы, состоящей из агента, высвобождающего хлор, агента, высвобождающего бром, перекисного соединения, соли меди, соли алюминия и любой их комбинации. В конкретном варианте реализации агент для дезинфекции воды представляет собой гипохлорит кальция (Са(OCl)2) или дихлоризоцианурат натрия (NaDCC).
В одном варианте реализации флотирующий агент выбирают из группы, состоящей из производных целлюлозы, биомассы наземных растений, насыщенных углеводородов, смолистых материалов, пены и природного или синтетического латекса.
В конкретном варианте реализации флотирующий агент представляет собой древесную муку.
В еще одном конкретном варианте реализации флотирующий агент представляет собой парафин.
В еще одном конкретном варианте реализации флотирующий агент представляет собой канифоль.
В еще одном конкретном варианте реализации флотирующий агент представляет собой экструдированный или пористый пенополистирол.
В еще одном конкретном варианте реализации флотирующий агент представляет собой силиконовый пенопласт.
В некоторых вариантах реализации количество по меньшей мере одного агента для дезинфекции воды составляет приблизительно 10% масс/масс., или приблизительно 20% масс./масс, или приблизительно 30% масс./масс., или приблизительно 40% масс./масс., или приблизительно 50% масс./масс., или более от общей массы композиции.
В некоторых вариантах реализации композиция представлена в форме частиц, гранул, хлопьев, порошка, драже, таблеток, раствора или их комбинации.
В одном варианте реализации указанный рост вредителей выбирают из группы, состоящей из роста цианобактерий, роста водорослей, роста микроорганизмов, роста планктона и насекомых, обитающих на поверхности воды.
В одном варианте реализации этап обработки следует за обнаружением вредоносного цветения водорослей в водной системе.
В конкретном варианте реализации обработку осуществляют в начале эпизода цветения.
В еще одном варианте реализации этап обработки осуществляют при обнаружении указанного
роста вредителей.
В конкретном варианте реализации указанный вредитель представляет собой цианобактерию, а указанный агент для дезинфекции воды вводят в концентрации от приблизительно 0,005 г/м2 до приблизительно 50 г/м2 или от приблизительно 0,5 м.д. до приблизительно 50 м.д. активного агента.
В одном варианте реализации указанная обработка приводит к появлению следовых количеств активного соединения, согласно измерениям в воде через 0,5 часа, 1 час, 2 часа, 3 часа, 24 часа или более после каждой обработки.
В конкретном варианте реализации указанные следовые количества активного соединения не превышают 3 м.д., согласно измерениям через 24 часа или более после каждой обработки. В еще одном варианте реализации указанный вредитель представляет собой насекомых, обитающих на поверхности воды, а указанный дезинфицирующий агент вводят в концентрации от приблизительно 50 м.д. до приблизительно 1000 м.д.
В конкретном варианте реализации указанные насекомые, обитающие на поверхности воды, представляют собой комаров Culex sp., Aedes sp., Anopheles sp.или Chironomidae sp. s.
В некоторых вариантах реализации указанный дезинфицирующий агент представляет собой овицид.
В одном варианте реализации указанный этап обработки включает однократное, двукратное или многократное введение агента для дезинфекции воды.
В некоторых вариантах реализации этап обработки осуществляют три раза в день, или два раза в день, или раз в день, или раз в неделю, или раз в две недели, или раз в три недели, или раз в месяц, или через более длительные интервалы.
В конкретном варианте реализации этап обработки осуществляют раз в день или два раза в день в течение 1 дня, 2 дня, 3 дня, 4 дня, 5 дней или более.
В одном варианте реализации осуществляют двукратные или многократные введения одного и того же или различных дезинфицирующих агентов.
В некоторых вариантах реализации обработку осуществляют с использованием ручных или механических распылителей или путем распределения жидкого раствора, например, с лодки или самолета.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предложена композиция для применения при контроле вредителей, обитающих на поверхности водной системы, причем указанная композиция содержит по меньшей мере один агент для дезинфекции воды, представляющий собой соединение, высвобождающее активный агент, и по меньшей мере один флотирующий агент.
В одном варианте реализации указанный по меньшей мере один агент для дезинфекции воды представляет собой окислительный агент для дезинфекции воды.
В одном варианте реализации указанный по меньшей мере один агент для дезинфекции воды выбран из группы, состоящей из агента, высвобождающего хлор, агента, высвобождающего бром, перекисного соединения, соли меди, соли алюминия и любой их комбинации.
В конкретном варианте реализации агент для дезинфекции воды представляет собой гипохлорит кальция или NaDCC.
В одном варианте реализации флотирующий агент выбирают из группы, состоящей из производных целлюлозы, биомассы наземных растений, насыщенных углеводородов, смолистых материалов, пены и природного или синтетического латекса.
В конкретном варианте реализации флотирующий агент является древесной мукой.
В еще одном конкретном варианте реализации флотирующий агент представляет собой парафин.
В еще одном конкретном варианте реализации пла флотирующий вучий агент представляет собой канифоль.
В еще одном конкретном варианте реализации флотирующий агент представляет собой экструдированный или пористый пенополистирол.
В еще одном конкретном варианте реализации флотирующий агент представляет собой силиконовый пенопласт.
В некоторых вариантах реализации количество по меньшей мере одного агента для дезинфекции воды составляет приблизительно 10% масс./масс., или приблизительно 20% масс./масс., или приблизительно 30% масс./масс., или приблизительно 40% масс./масс., или приблизительно 50% масс./масс., или более от общей массы композиции.
В некоторых вариантах реализации композиция представлена в форме частиц, гранул, хлопьев, порошка, драже, таблеток или раствора.
В одном варианте реализации указанный рост вредителей выбирают из группы, состоящей из роста цианобактерий, роста водорослей, роста микроорганизмов, роста планктона и насекомых, обитающих на поверхности воды.
В одном варианте реализации композицию вводят после обнаружения вредоносного цветения водорослей в водной системе.
В конкретном варианте реализации композицию вводят в начале эпизода цветения.
В еще одном варианте реализации обработку осуществляют при обнаружении указанного роста вредителей.
В конкретном варианте реализации указанный вредитель представляет собой цианобактерию, а по меньшей мере один указанный агент для дезинфекции воды вводят в концентрации от приблизительно 0,005 г/м2 до приблизительно 50 г/м2 или от приблизительно 0,5 м.д. до приблизительно 50 м.д. активного агента.
В одном варианте реализации введение указанной композиции в водную систему приводит к появлению следовых количеств активного соединения, согласно измерениям в воде через 0,5 часа, 1 час, 2 часа, 3 часа или более после каждой обработки.
В конкретном варианте реализации указанные следовые количества активного соединения не превышают 3 м.д., согласно измерениям через 24 часа или более после каждой обработки.
В еще одном варианте реализации указанный вредитель представляет собой насекомых, обитающих на поверхности воды, а указанный по меньшей мере один агент для дезинфекции воды вводят в концентрации от приблизительно 50 м.д. до приблизительно 1000 м.д.
В конкретном варианте реализации указанные насекомые, обитающие на поверхности воды, представляют собой комаров Culex sp., Anopheles sp.или Chironomidae sp.s.
В некоторых вариантах реализации указанный дезинфицирующий агент представляет собой овицид.
В одном варианте реализации указанную композицию вводят в водную систему однократно, двукратно или большее количество раз.
В некоторых вариантах реализации композицию вводят три раза в день, или два раза в день, или раз в день, или раз в неделю, или раз в две недели, или раз в три недели, или раз в месяц, или через более длительные интервалы.
В конкретном варианте реализации композицию вводят раз в день или два раза в день в течение 1 дня, 2 дня, 3 дня, 4 дня, 5 дней или более.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания сущности настоящего изобретения и пояснения его возможной практической реализации в настоящем документе описаны варианты его реализации посредством неограничивающих примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
На фиг. 1 показаны снимки стеклянной банки, наполненной ВЦЦ; (А) до обработки, (б) после обработки плавучим составом гипохлорита кальция в течение ночи.
На фиг. 2 показаны снимки стеклянной банки, наполненной ВЦЦ и обработанной гипохлоритом кальция в различных концентрациях; (А) без обработки, (В) 0,5 г/м2 Са(OCl)2, (С) 1,0 г/м2, (D) 5,0 г/м2.
Фиг. 3А представляет собой график концентрации хлорофилла-а (мкг/л) на поверхности воды в зависимости от времени (сут).
Фиг. 3В представляет собой график концентрации хлорофилла-а (мкг/л) на глубине 50 см в зависимости от времени (сут).
Фиг. 3С представляет собой график рН в зависимости от времени (сут).
Фиг. 3D представляет собой график концентрации растворенного кислорода (мг О2/л) на поверхности воды в зависимости от времени (сут).
На фиг. 4 показаны изображения типичных камер (А) без обработки, (В) обработанных тремя капсулами, (С) обработанных 6 капсулами и (D) обработанных 9 капсулами.
Фиг. 5 представляет собой график, на котором показана концентрация цианобактерий (кл/мл) в камерах, обработанных 3, 6 или 9 капсулами, или без обработки (0), в два момента времени (в 12:00 и 15:00).
На фиг. 6 показаны снимки поверхности воды в камере (А) без обработки, (В) после обработки 6 капсулами.
На фиг. 7 показаны изображения пробирок, содержащих воду, взятую с поверхности камер после обработки двумя дозами капсул. Левая пробирка - без обработки, последующие пробирки слева направо - 3, 6 и 9 капсул, соответственно.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к плавучим композициям, содержащим отбеливающие соединения (или окислители), пригодные для контроля вредителей, обитающих на поверхности воды.
В частности, настоящее изобретение относится к плавучим диффундирующим составам, содержащим гипохлорит кальция, дихлороизоцианурат натрия (NaDCC) или перкарбонат натрия (или другие альгициды контактного действия), пригодные для контроля вредителей, обитающих на поверхности воды, в первую очередь вредоносного цветения цианобактерий (ВЦЦ) и насекомых, обитающих на поверхности, а также к способам их получения.
Настоящее изобретение частично основано на неожиданном открытии, что плавающий состав гипохлорита кальция или NaDCC демонстрировал отличную эффективность против массивных пленок цианобактерий при «общей концентрации Cl» (общей концентрации Cl в толще воды), значительно сниженной по сравнению с уровнем хлора, допустимым в питьевой воде.
Гипохлорит и другие окислители применяются на протяжении многих десятилетий в качестве очищающих агентов в системах питьевого водоснабжения. Аналогичным образом, небольшие водоемы, например, бассейны для плавания и отдыха, часто очищают от водорослей и бактерий, систематически обрабатывая их гипохлоритом в высоких концентрациях. Это решение, очевидно, не подходит для больших водоемов, например, озер или стариц, из-за высоких расходов, связанных с необходимостью использования больших количеств соединения, неспецифического поражающего действия отбеливателя на фауну и флору всей экосистемы.
Настоящее изобретение основано на понимании того, что пагубные последствия применения агентов для дезинфекции воды контактного действия можно исправить путем снижения фактической концентрации соединения в толще воды. Это достигается путем поддержания градиента дезинфицирующего агента (например, гипохлорита или пероксида водорода) в толще воды за счет медленного высвобождения соединения из плавучего диффундирующего состава. Градиент концентрации дезинфицирующего агента получают за счет диффузии соединения в воду, а также, возможно, его быстрого взаимодействия с органическим материалом в воде (в том числе с фитопланктоном). Большое количество цианобактерий располагается на поверхности воды в виде толстых пленок, и, следовательно, нанесение плавучего состава согласно настоящему изобретению на поверхность воды может сдерживать потенциальную вспышку цветения токсичных водорослей.
Новая концепция обработки связана с неожиданным открытием, что относительно небольшое количество окислителя является достаточным для инициирования подавления популяций фитопланктона и особенно цианобактерий. Этого эффекта можно достичь путем применения плавучих составов окислителей. При повторении с определенной частотой (в зависимости от исходного содержания и состава цианобактерий, а также общего количества органического материала в воде) количество клеток цианобактерий начинает снижаться, что в конечном итоге приводит к резкому снижению численности популяции организмов, вызывающих ВЦВ, и, возможно, к колонизации толщи воды конкурирующими безвредными организмами. Этот способ обеспечивает простоту обработки при очень низких исходных требованиях к распределению окислителей и способствует экономному применению способов массового распределения (например, с лодок и самолетов для опыления сельскохозяйственных культур). Кроме того, из-за низкой дозировки окислителей и в связи с высокой органической нагрузкой в очищенной воде общая доступная концентрация окислителя в воде получается значительно ниже, чем концентрация, допустимая в обработанной питьевой воде (1-3 м.д. доступного хлора), что обеспечивает безопасную и простую обработку с минимальными нежелательными последствиями для окружающей среды.
Безотносительно к теоретическим представлениям, гипохлорит в толще воды реагирует с обильным органическим веществом на поверхности и, таким образом, не накапливается в толще воды. Каждая молекула хлора реагирует с органическим веществом, присутствующим в водной системе и, следовательно, концентрация доступного или общего хлора очень быстро становится практически не обнаруживаемой.
Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает простое и недорогое решение по сравнению с существующими процедурами, при которых применяют сульфат алюминия. Решение, предлагаемое в настоящем изобретении, приблизительно в 15-20 раз дешевле, чем современные способы обработки Al2(SO4)3, значительно более эффективно, а также значительно менее токсично для окружающей среды.
Обработка может значительно снизить количество водорослей и цианобактерий. Как следствие, можно избежать или значительно снизить высвобождение токсинов, которое, как правило, связано с лизисом клеток цианобактерий в конце сезона, что позволяет избежать вредного воздействия ВЦЦ на качество воды и значительного ущерба для организмов, обитающих в воде.
Таким образом, в настоящем изобретении предложен способ контроля вредителей, обитающих на поверхности водных систем, причем указанный способ включает:
(a) Получение композиции, содержащей по меньшей мере один агент для дезинфекции воды, представляющий собой соединение, высвобождающее активный агент, и по меньшей мере один флотирующий агент; и
(b) обработку водной системы указанной композицией в условиях, вызывающих снижение, подавление или устранение указанных вредителей в водной системе.
В настоящем документе термин «контроль вредителей, обитающих на поверхности» относится к снижению, ингибированию, предотвращению накопления, или устранению роста указанных вредителей в водной системе.
В настоящем документе термин «вредитель» охватывает микроорганизмы и организмы, обитающие на поверхности воды, в том числе водоросли (например, цианобактерии, вызывающие вредоносное цветение водорослей (ВЦЦ)) и организмы, вызывающие такие явления, как красные приливы (вызываемые динофлагеллятами) или морская пена, бактерии, планктон, фитопланктон, насекомых, обитающих на поверхности воды (т.е. взрослых особей, яйца или личинок кровососущих двукрылых, Chironomidae (Tanypodinae) или Culicidae, например, Culex quinquefasciatus или Anopheles stevensi), но не ограничивается ими. Следовательно, неограничивающие примеры насекомых, обитающих на поверхности воды, включают Culex sp., Aedes sp., Anopheles sp. и Chironomidae sp.
В конкретном варианте реализации вредитель представляет собой цианобактерию и вредоносное цветение цианобактерий (ВЦЦ).
В настоящем документе термин «цветение водорослей» относится к быстрому увеличению или накоплению популяции водорослей (обычно микроскопических) в водной системе. Цветение водорослей может произойти в пресной воде, а также в морской среде, и также относится к пене или плавучим толстым пленкам водорослей. Термин «вредоносное цветение водорослей» (НАВ) относится к цветению водорослей (или цианобактерий), приводящему к негативным последствиям для других организмов за счет продукции токсинов, механического повреждения других организмов, или иным путем. Данный термин охватывает любые фотосинтезирующие макро- или микроорганизмы, в том числе зеленые водоросли, а также цианобактерии, например (но не ограничиваясь ими), Microcystis, Andbaena, Planktothria, Nostoc, Nodularia, Oscillatoria sp., Cylindrosperum, Planktothrix spp., Aphanizomenon spp., Lyngbya и такие виды, как Anabaena flos-aquae и A. plcmktonica, а также морских динофлагеллят, которые связаны с красными приливами во время вредоносного цветения морских водорослей.
Композиция согласно настоящему изобретению, и, в конкретном варианте реализации, композиция, содержащая гипохлорит или пероксид водорода, влияет не только на цветение воды, но и на синантропные виды бактерий, ассоциированные с ВЦЦ. Известно, что различные виды бактерий играют важную роль в существовании ВЦЦ (Eiler and Bertilsson, 2004; Jones et al., 1998; Sigee, 2005). Некоторые из них независимо оказывают нежелательное действие на здоровье человека и животных (Berg et al., 2008).
Кроме того, композиции согласно настоящему изобретению и, в частности, композиции, содержащие гипохлорит или пероксид водорода, обладают косвенным поражающим действием на насекомых. В частности, на насекомых, обитающих на границе раздела вода-поверхность, по меньшей мере во время некоторых стадий их жизненного цикла, например,, на хирономид, комаров рода Anopheles и других насекомых, но не ограничиваясь ими.
В некоторых аспектах мишенями способов согласно настоящему изобретению являются неподвижные яйца насекомых. Гипохлорит в концентрации 250-500 м.д. приводил к тому, что из 95% яиц не появлялись личинки. Из других яиц личинки появлялись преждевременно, причем большая часть появившихся личинок не созревала до взрослых особей.
Безотносительно к теоретическим представлениям, уничтожение яйцекладок в окружающей среде не только влияет на популяцию хирономид, но и уменьшает способность V. cholerae к распространению в воде или вероятность его поглощения и, следовательно, передачи человеку. В настоящем документе термин «водная система» охватывает природные или искусственные системы, например, озера, реки, фонтаны, пруды (например, рыбные пруды), каналы, аквариумы, хозяйства, занимающиеся культивированием водных организмов, системы хранения или транспортировки воды, водохранилища, открытые водоемы с питьевой водой, соленые водоемы, сточные воды и океаны.
В настоящем документе термин «агент для дезинфекции воды» относится к соединению, способному удалять, инактивировать или уничтожать микроорганизмы в воде. В предпочтительных вариантах реализации агент для дезинфекции воды является соединением, высвобождающим активный агент. В еще одном варианте реализации агент для дезинфекции воды представляет собой окислительный агент для дезинфекции воды.
Неограничивающие примеры агентов для дезинфекции воды согласно настоящему изобретению включают: соединения на основе хлора (также называемые «агентами, высвобождающими хлор») (например, гипохлорит (OCl-), гипохлорит кальция, гипохлорит натрия, дихлоризоцианурат натрия (NaDCC, обезвоженный моногидрат или безводный), дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ)), сульфат меди, соединения на основе брома (также называемые «агентами, высвобождающими бром»), иод (I), иодофоры, перманганат калия (KMnO4) и соединения, образующие пероксид (например, пероксид водорода, перкарбонат натрия, пероксид кальция, отвержденные комплексы пероксида водорода и ПВП, перборат натрия (тетрагидрат или моногидрат), надуксусную кислоту). Предпочтительно, агент для дезинфекции воды является окислителем, который вступает в реакцию с водой и с органическим материалом в воде с образованием нетоксичных продуктов, которые не накапливаются или не изменяют водную среду.
Например, подходящие реакционноспособные хлор- или бромсодержащие окислители включают гетероциклические N-бром- и N-хлоримиды, например, трихлоризоциануровую, трибромциануровую, дибромциануровую и дихлоризоциануровую кислоты и их соли с водорастворимыми катионами, например, калия и натрия (например, обезвоженный дихлоризоцианурат натрия (NaDCC) или безводный NaDCC). Дополнительные агенты включают хлорамин Т (натриевую соль N-хлор-4-метилбензолсульфонамида), дихлорамин Т (N,N-дихлор-4-метилбензолсульфонамид), или четвертичное соединение аммония, высвобождающее хлор (например, хлорид бензалкония, хлорид бензетония и хлорид цетилпиридиния). Кроме того, можно использовать соединения гидантоина, например, 1,3-дихлор-5,5-диметилгидантоин. В настоящем изобретении также можно применять сухие измельченные водорастворимые безводные неорганические соли, например, гипохлорит и гипобромит лития, натрия или кальция, а также хлорированный тринатрийфосфат.
Например, подходящие перекисные соединения включают органические пероксикислоты. Пероксикислоты, которые можно применять в настоящем изобретении, являются твердыми и, предпочтительно, практически нерастворимыми в воде соединениями. В одном варианте реализации типичные монопероксикислоты, которые можно применять в настоящем изобретении, включают алкилпероксикислоты и арилпероксикислоты, например, пероксибензойную кислоту и замещенные по кольцу пероксибензойные кислоты, например, перокси-альфа-нафтойную кислоту или алифатические и замещенные алифатические монопероксикислоты, например, пероксилауриновую кислоту и пероксистеариновую кислоту.
Неорганические пероксид-образующие соединения также можно применять в качестве материала ядра частиц согласно настоящему изобретению. Примерами таких материалов являются соли моноперсульфата, сульфат меди, моногидрат пербората, тетрагидрат пербората и перкарбонат. В еще одном варианте реализации агенты для дезинфекции воды представляют собой альдегиды (например, формальдегид или глутаральдегид) и их отвержденные соединения. В одном варианте реализации композиция согласно настоящему изобретению содержит смесь всевозможных вышеперечисленных соединений, например, сульфата меди и любого соединения гипохлорита, но не ограничивается ими. Предпочтительно, такая смесь должна приводить к синергетическому эффекту.
В одном варианте реализации способ согласно настоящему изобретению включает последовательное введение композиции согласно настоящему изобретению, причем при каждом введении применяют другой агент для дезинфекции воды.
Термин «агент для дезинфекции воды» также охватывает отбеливающие агенты или соединения. Неограничивающие примеры активных агентов, высвобождаемых соединением, высвобождающим активный агент, представляют собой хлор (Cl2), диоксид хлора (ClO2), озон (О3), галогены (например, бром (Br2), хлорид брома (BrCl), металлы (например, медь (Cu2+), серебро (Ag+), квасцы, фенолы, спирты, мыла и детергенты.
В конкретном варианте реализации агент для дезинфекции воды представляет собой любое соединение, подходящее для дезинфекции воды, которое образует хлорноватистую кислоту или пероксид водорода в качестве активного соединения.
В конкретных вариантах реализации указанный вода агент для дезинфекции воды представляет собой гипохлорит кальция, дигидрат дихлоризоцианурата натрия (NaDCC) или перкарбонат натрия.
В настоящем документе термин «флотирующие агенты» относится к соединениям, способным плавать на поверхности воды. Неограничивающие примеры флотирующих агентов включают производные целлюлозы, биомассу наземных растений, насыщенные углеводороды, смолистые материалы, пену и природный или синтетический латекс.
В одном варианте реализации флотирующий агент представляет собой древесную муку (также называемую опилками). В конкретном варианте реализации композиция содержит опилки и гранулы гипохлорита кальция. Композицию получают, например, путем добавления гранул гипохлорита кальция (например, размером 14-50 меш) к опилкам, соединения частично герметизируют силиконовым клеем, тщательно перемешивают и затем измельчают до частиц желательного размера.
В одном варианте реализации флотирующий агент представляет собой парафин. В конкретном варианте реализации композиция содержит гипохлорит кальция и парафин. Композицию получают, например, путем смешивания порошка гипохлорита кальция в соотношении 1:2 масс./масс. с парафином при температуре плавления парафина, а затем экструдируют или охлаждают и получают хлопья размером 3-4 мм.
В одном варианте реализации флотирующий агент представляет собой канифоль. В конкретном варианте реализации композиция содержит гипохлорит кальция и канифоль. Композицию получают, например, путем смешивания порошка гипохлорита кальция в соотношении 1:2 масс./масс. с канифолью при температуре плавления канифоли, а затем экструдируют или охлаждают и получают хлопья размером 3-4 мм.
Флотирующий агент может представлять собой пену, например, любой пенообразователь с подходящей устойчивостью к окислению, например, стиропенопласт или силиконовую пену. Таким образом, в еще одном варианте реализации флотирующий агент представляет собой экструдированный или пористый пенополистирол. В конкретном варианте реализации композиция содержит гипохлорит кальция и экструдированный или пористый пенополистирол. Композицию получают, например, путем смешивания гранул гипохлорита кальция с вязким полимерным раствором пенообразователя, а затем отверждения.
В еще одном варианте реализации флотирующий агент представляет собой силиконовый пенопласт. В конкретном варианте реализации композиция содержит гипохлорит кальция и силиконовый пенопласт. Композицию получают, например, путем смешивания гранул гипохлорита кальция с вязким полимерным раствором пенообразователя, а затем отверждения.
В конкретном варианте реализации флотирующий агент представляет собой водный раствор пены, содержащий пенообразующее вещество, способное образовывать пену при смешивании с газом, например, воздухом.
В конкретном варианте реализации композиция согласно настоящему изобретению содержит водную пену, содержащую диоксид хлора. Водный раствор, содержащий дезинфицирующий агент и способный образовывать пену, получают, например, путем добавления пенообразователя, т.е. подходящего поверхностно-активного вещества к воде. Затем к раствору можно добавить диоксид хлора или получить его на месте путем реакции окислителя или катионообменной смолы в кислой форме или кислоты с хлоритом металла, растворенного в нем.
Полученный раствор пены можно затем вспенить путем смешивания с воздухом в генераторе пены.
В еще одном варианте реализации флотирующий агент представляет собой гелеобразователь, например, гидроксипропилметилцеллюлозу. В конкретном варианте реализации композиция содержит обезвоженную натриевую соль дихлоризоциануровой кислоты (NaDCC) и гидроксипропилметилцеллюлозу.
В некоторых вариантах реализации композиция может дополнительно содержать по меньшей мере один связующий агент, например, глицерилстеарат. Безотносительно к теоретическим представлениям, добавление глицерилстеарата снижает хрупкость таблеток и увеличивает плавучесть.
В некоторых вариантах реализации композиция может дополнительно содержать по меньшей мере один агент, способствующий набуханию, например, цитрат натрия, лимонную кислоту или бикарбонат натрия.
Безотносительно к теоретическим представлениям, бикарбонат натрия и лимонная кислота реагируют и высвобождают углекислый газ при контакте с водой и тем самым дополнительно снижают время растворения соединения.
Таким образом, в одном конкретном варианте реализации композиция содержит NaDCC, гидроксипропилметилцеллюлозу, глицерилстеарат и хлорит натрия или лимонную кислоту и бикарбонат натрия.
В еще одном варианте реализации композиция содержит гипохлорит кальция, покрытый по меньшей мере одним слоем пленкообразующего латекса в углеводороде. Плотность частиц с покрытием зависит от пористости гранул гипохлорита кальция и характера покрытия. Количество по меньшей мере одного агента для дезинфекции воды в композиции может составлять приблизительно 10% масс./масс., или приблизительно 20% масс./масс., или приблизительно 30% масс./масс., или приблизительно 40% масс./масс., или приблизительно 50% масс./масс., или более от общей массы композиции.
В некоторых вариантах реализации композицию можно получить путем смешивания, прессования, затвердения или покрытия с образованием твердых частиц.
В некоторых вариантах реализации композиция представлена в форме частиц, хлопьев, порошка, таблеток, драже или раствора.
В одном варианте реализации указанный этап обработки (b) выполняют путем диспергирования композиции на водной поверхности. Диспергирование можно выполнить путем распыления композиции над водной системой, например, путем создания аэрозоля.
В одном варианте реализации обработку начинают в начале сезона цветения водорослей, необязательно под контролем обычной системы мониторинга.
В конкретном варианте реализации композицию распределяют до или в начале эпизода цветения водорослей, что предотвращает потенциальную вспышку цветения токсических водорослей. Частота обработки может составлять раз в день, раз в неделю или раз в месяц - например, в соответствии с количеством органики, разнообразием другого фитопланктона и популяцией микроорганизмов и типом вредных микроорганизмов.
Обработку можно повторить через несколько дней, приостановить, а затем возобновить в случае возрастания количества клеток.
Пленки водорослей перемещаются по поверхности воды течением и ветром. Плавучий состав согласно настоящему изобретению перемещается вместе с его мишенью, за счет чего осуществляется обработка только областей скопления водорослей, а не всей поверхности воды.
Специалист в данной области техники может определить эффективный протокол обработки в соответствии с локальными условиями в водной системе. Обработку можно осуществлять путем однократного диспергирования или многократного диспергирования. Частоту обработки можно определить в соответствии с локальными условиями; она может составлять, например, три раза в день, или два раза в день, или раз в день, или раз в неделю, или раз в две недели, или раз в три недели, или раз в месяц, или через более длительные интервалы. В одном варианте реализации обработку проводят один раз в начале сезона с появлением цианобактерий и повторяют при необходимости.
Снижение, ингибирование или устранение роста водорослей легко определить с помощью различных способов. Неограничивающие примеры включают: визуальное обнаружение, например, путем проверки цвета и/или консистенции воды, анализ генетических маркеров, например, распространенности специфической ДНК, происходящей из этих организмов, например, ДНК, кодирующей их рибосомы, измерение содержания хлорофилла а, микроскопические измерения количества клеток цианобактерий, измерение концентрации растворенного кислорода в воде, или измерение рН воды, причем увеличение рН указывает на увеличение количества клеток цианобактерий.
В одном варианте реализации общая концентрация окислителя (например, гипохлорита кальция или NaDCC) в воде водной системы значительно ниже уровня хлора, допустимого в питьевой воде, и предпочтительно составляет от 0,003 мМ до 0,03 мМ, или 0,05-50 г/м2 водной поверхности или ниже, или между приблизительно 0,5 м.д. и приблизительно 50 м.д. активного агента. Например (см примеры 1 и 2 ниже), авторы изобретения показали, что нанесение лишь 5 г/м2 на поверхность сильно загрязненной воды, полученной из небольшого пруда в Иерусалимском зоопарке, содержащей более 109 клеток Microcystis/мл, было достаточным для полной ликвидации пленки водорослей. Для сравнения, для мелкого озера Грин-Лейк (Сиэтл, США) с площадью поверхности 1,05⋅106 м2 и объемом воды 4,12⋅106 м3 можно использовать лишь 5 тонн Са(OCl)2 плавучего состава по сравнению с 44 т аналогичного не плавучего состава для получения допустимого диапазона гипохлорита в питьевой воде.
Кроме того, внесение лишь 1,2 или 1,6 г NaDCC в камеру объемом приблизительно 270 литров было достаточным для полного устранения заражения цианобактериями (как показано в примерах 5 и 6 ниже).
Количество диспергированных окислителей в соответствии с способом согласно настоящему изобретению зависит от количества органических веществ в воде. Гипохлорит кальция или NaDCC взаимодействуют с органическим веществом при контакте, за счет чего их эффективная концентрация быстро снижается. А именно, активное соединение плавучего состава непосредственно взаимодействует с органическим материалом, присутствующим в воде, не оставаясь в воде в обнаруживаемом количестве и не накапливаясь в окружающей среде.
В настоящем изобретении также предложен плавучий состав отбеливателя с замедленным высвобождением. В частности, в настоящем изобретении предложен флотирующий ингибитор роста водорослей, флотирующий овицид, поражающий насекомых, обитающих в воде, или плавучая композиция, содержащая соединение, уничтожающее яйцекладки насекомых на воде. Безотносительно к теоретическим представлениям, в настоящем изобретении предложены простые и экономичные способы вмешательства в экологические ниши цианобактерий или зеленых водорослей (фитопланктона). Это вмешательство обеспечивает временное преимущество конкурентным микроорганизмам в той же среде и позволяет им сменить вредоносный фитопланктон и успешно конкурировать с ним. А именно, способы согласно настоящему изобретению направлены не на полное уничтожение цианобактерий или зеленых водорослей, как обычно при использовании антибиотиков, а на временное изменение их экологической ниши. Такой подход никогда не использовался в больших водных бассейнах.
В еще одном варианте реализации, и, в частности, для обработки обитающих в воде насекомых, яиц или личинок, общая концентрация окислителя (например, гипохлорита кальция или NaDCC) составляет приблизительно 50 м.д. или 100 м.д. или 200 м.д. или 250 м.д. или 300 м.д. или 400 м.д. или 500 м.д. или 600 м.д. или 700 м.д. или 800 м.д. или 900 м.д. или 1000 м.д. или более активного агента. В одном варианте реализации общая концентрация окислителя составляет от приблизительно 50 м.д. до приблизительно 1000 м.д. активного агента.
Предпочтительно, общая концентрация окислителя составляет от приблизительно 50 м.д. до приблизительно 500 м.д. активного агента.
По отношению к насекомым, обитающим в воде, отбеливатель ранее не предлагали в качестве коммерческого овицида, вероятно, ввиду невозможности достижения и поддержания высокого уровни окислителя в области расположения яиц на поверхности воды (Di Domenico et al., 2006; Hatchett, 1946; Jacups et al., 2013).
В настоящем документе термин «овицид» относится к агенту, уничтожающему или повреждающему яйца насекомых, тем самым предотвращая регулярный выход личинок из них и развитие личинок во взрослые особи.
Как показано в примере 5 ниже, хлорноватистая кислота в естественных условиях быстро исчезает из воды (за счет реакции с органическими веществами любого рода). Хотя эти концентрации хлорноватистой кислоты очень эффективно влияют на фитопланктон - как показано в примере 5 - они не оказывают эффективного влияния на яйца или личинок комаров, которые избегают активного соединения, уплывая от него. В противоположность этому, серия экспериментов на различных видах водных насекомых, представленная в примере 7, показала, что для уничтожения яиц насекомых требуются относительно высокие концентрации отбеливателя (например, NaDCC). Поскольку эти насекомые, как правило, откладывают яйца в крупных водоемах, их обработка неплавучим составом приведет к разбавлению отбеливателя во всей толще воды, что не позволяет достичь эффективных концентраций для влияния на яйца или преждевременного появления личинок насекомых из яиц. Плавучий состав согласно настоящему изобретения, таким образом, обеспечивает эффективное решение, позволяющее вводить высокие концентрации (например, 50-500 м.д.) окислителя, необходимые для эффективной обработки поверхности воды, и за счет этого получать требуемый овицидный эффект.
Кроме того, процесс кладки яиц самками москитов исследовали в течение многих десятилетий. Безотносительно к теоретическим представлениям, самки могут обнаруживать вредоносные среды перед кладкой яиц на поверхность воды. Таким образом, ожидается, что плавучие составы отбеливателей с замедленным высвобождением должны значительно снижать количество отложенных яиц в этих системах.
Примеры
Пример 1: Определение чувствительности цианобактерий к гипохлориту
4-литровую стеклянную банку (∅=65 мм, Н=1210 мм) наполняли свежеотобранным образцом ВЦЦ из Библейского зоопарка в Иерусалиме (фигура 1А). Богатая популяция водорослей состояла в основном из Microcystis sp. Загрязненную воду обрабатывали в течение ночи с применением флотирующего состава гипохлорита кальция. Плавучий состав получали путем помещения частиц гипохлорита кальция на плавающий лист бумаги. Вода постепенно смачивала бумагу, и частицы гипохлорита кальция постепенно растворялись в банке, взаимодействуя с органическим материалом и образуя градиент концентрации в воде. После обработки воды в течение ночи с применением плавучего состава, содержащего 0,5 мг гипохлорита кальция на см2 (фигура 1В), средняя концентрация гипохлорита в банке составила 0,03 мМ, что значительно ниже допустимого уровня (0,075 мМ) в питьевой воде. Поверхностные водоросли лизировали. Эукариотические водоросли на дне банки не пострадали из-за низкой концентрации гипохлорита кальция в области дна банки. Запах хлора не обнаруживался на любой стадии экспериментов.
Пример 2: Проверка различных концентраций гипохлорита кальция
Эксперимент проводили, как показано выше в примере 1, с применением различных концентраций гипохлорита кальция. Различные концентрации Са(OCl)2 добавляли в стеклянную банку объемом 4 л, как показано на фигуре 2: (А) без обработки, (В) 0,05 мг/см2 Са(OCl)2, (С) 0,1 мг/см2, (D) 0,5 мг/см2. В конце эксперимента 2 мл с поверхности каждого резервуара переносили в 10-мл флакон и оставляли на несколько минут для оседания. На фигуре 2 продемонстрировано влияние различных концентраций. Каждая из протестированных концентраций снижала количество особей в популяции водорослей.
Пример 3: Получение плавучей композиции безводного NaDCC с пчелиным воском
Безводный NaDCC (Sigma # 218928) интенсивно перемешивали с предварительно нагретым до 50°С пчелиным воском при соотношении масс 1:1. Это привело к образованию мелких частиц NaDCC, частично инкапсулированных в воск, что обеспечивало плавучесть активного ингредиента на поверхности воды.
Пример 4: Получение типичного плавучего состава, содержащего NaDCC
Типичный состав продукта содержал следующие компоненты:
Активный ингредиент: Дигидрат натриевой соли дихлоризоциануровой кислоты (NaDCC) (получен из Acros Chemical) - 39,4% масс./масс., от общей формулы
Гелеобразователь: Гидроксипропилметилцеллюлоза (Methocel 40-202 PCG, получена из DOW Chemical) - 42,4% масс./масс. от общей формулы
Связующий агент: Глицерилстеарат (получен из Making Cosmetics) - 10,2% масс./масс., от общей формулы
Агент, обеспечивающий набухание: NaCl (получен из Sigma Aldrich) - 8% масс./масс. от общей формулы. В качестве альтернативы, лимонная кислота (получена из Sigma Aldrich) и бикарбонат натрия (получен из Chem-Impex INT'L Inc.) - по 4% масс./масс. от общей формулы
Процедура получения
Состав продукта получали следующим образом: NaCl, лимонную кислоту и дигидрат дихлоризоцианурата натрия (NaDCC) измельчали в отдельных контейнерах до размера частиц от приблизительно 0,2 до 0,7 мм. В качестве альтернативы, NaCl заменяли глицерилстеаратом и бикарбонатом натрия. Это позволяло получить частицы, которые можно равномерно распределить по всему продукту. Затем Methocel 40-202 PCG, глицерилстеарат, дигидрат натриевой соли дихлоризоциануровой кислоты, лимонную кислоту и бикарбонат натрия объединяли в большом контейнере и смешивали до тщательного перемешивания всех ингредиентов. После тщательного перемешивания полученную смесь подавали в пресс-гранулятор с диаметром 12 мм. Пресс регулировали с целью получения гранул толщиной приблизительно 7 мм и массой приблизительно 500 мг. Затем гранулы инкубировали в печи при 115°С в течение 3 минут, извлекали из печи и давали остыть.
Исследование растворения
Способность гранул высвобождать свободный хлор из растворимого NaDCC воды колориметрически измеряли в зависимости от времени. Три гранулы выбирали случайным образом из полученной килограммовой партии. Записывали размеры и массу каждой гранулы, вносили гранулы в 800-мл химический стакан из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) с деионизованной водой и накрывали алюминиевой фольгой. Размеры и масса случайно выбранных гранул приведены в таблице 1. NaDCC (0,1975 г) вносили в отдельный 800-мл пластиковый химический стакан в качестве контроля. 0,8-мл аликвоты каждого раствора переносили пипеткой в 50-мл мерные колбы и доводили до объема деионизированной водой. 10-мл аликвоты этих разбавленных растворов смешивали с 100 мкл 0,1% ортотолуидина во флаконе, получая прозрачный желтый раствор. Раствор вносили в кювету и анализировали на спектрофотометре Shimadzu UV160U UV-VIS при длине волны 436 нм.
Отбор исходного образца происходил через 15 минут после добавления гранул и контрольного образца в воду. Дополнительный отбор выполняли приблизительно через 2, 9, 11, 13, 15, 17, 24 и 36 часов.
Под действием воды NaDCC разрушался, высвобождая свободный хлор, который действовал как ингибитор роста водорослей. Ортотолуидин реагировал с хлором, что приводило к изменению окрашивания, позволявшему выполнять колориметрический анализ для составления графика растворения NaDCC. Концентрацию NaDCC, высвобожденного в каждый момент времени, рассчитывали путем построения калибровочной кривой ответа свободного доступного хлора в зависимости от начальной концентрации NaDCC. Расчет начальной концентрации NaDCC показан в уравнении 1. Исходную аликвоту контрольного образца, взятую на 15-й минуте, использовали для получения стандартов в диапазоне 25-250 м.д. Сигнал прибора на каждый стандартный раствор показан в таблице 2.
Уравнение 1:
Концентрация исходного NaDCC = исходная масса NaDCC/объем деионизированной воды
197,5 мг/0,800 л = 246,9 м.д.
Концентрацию NaDCC, высвобожденного из гранул с течением времени, рассчитывали с использованием соотношения между концентрацией и ответом, найденного по калибровочной кривой, которое также показано в уравнении 2. Ответ каждой случайно выбранной гранулы (с маркировкой «А», «В» и «С») и стандартного контроля приведен в таблице 3. Ответ преобразовывали в концентрацию в таблице 3, используя уравнение 3.
Уравнение 2: Ответ (ОП)=0,0085 × концентрация (м.д.)
Уравнение 3: Концентрация (м.д.)=ответ (ОП)/0,0085
Как показано выше, типичный состав плавал и медленно высвобождал NaDCC с течением времени.
Высвобождение NaDCC происходило с относительно линейной скоростью до 15 часов. После 15 часов скорость высвобождения сильно замедлялась. На момент 15 часов высвобождалось приблизительно 85% NaDCC, а на момент 24 часов - приблизительно 90%.
Пример 5: Применение плавучего состава для снижения плотности клеток цианобактерий [I]
Камеры [полиэтиленовые прозрачные трубы радиусом 20 см (площадь поверхности 0,125 м2)] устанавливали в аэрируемом рыбном пруду (пруд S10, Обернский университет, Оберн, штат Алабама, США), зараженном токсичными цианобактериями Oscillatoria sp.(преобладающий вид) при концентрации хлорофилла ~150 мкг/л и уровне микроцистинов 0,2 мкг/л. Задавали три независимых анализа и выполняли обработку с применением капсул (гранул), содержащих ~200 мг дигидрата дихлоризоцианурата натрия (NaDCC) в качестве активного ингредиента. Капсулы получали, как показано в примере 4. Камеры устанавливали открытым концом к дну пруда; воду в пруду ежедневно перемешивали с помощью принудительного аэратора, который работал каждое утро по несколько часов. Применяли четыре различных способа обработки: 8 капсул (в общей сложности 1,6 г обезвоженного NaDCC) в виде (1) разовой дозы только в день 1; (2) одной дозы каждое утро в течение 5 дней, (3) одной дозы два раза в день в течение 5 дней, и (4) без обработки. Из всех камер отбирали образцы через три часа после утренней обработки. Концентрацию хлорофилла а измеряли на поверхности воды и на глубине 50 см. Эти показания принимали в качестве прямого показателя плотности клеток фитопланктона. Кроме того, определяли уровень растворенного кислорода (DO), рН (на всех глубинах), общее количество суспендированных твердых веществ (TSS) на поверхности, электропроводность и затухание света. Получили следующие неожиданные результаты:
1. Через три часа после первой обработки на поверхности воды наблюдали 50-70% снижение концентрации хлорофилла а, причем снижение на 99,96% достигалось в течение 5 дней при повторных сеансах обработки (фиг. 3А). Как ни странно, повторная обработка также влияла на толщу воды, на что указывало 50-99% снижение уровня хлорофилла а на глубине 50 см по сравнению с исходным моментом и контролем без обработки (фиг. 3В).
2. Снижение количества цианобактерий также привело к снижению выхода фотосинтеза: пониженное потребление СО2 в системе восстанавливало угольную кислоту и приводило к повышенной концентрации бикарбоната и, следовательно, снижению уровня рН. рН снижался с 8,0 до 4,0 (фиг. 3С).
3. Кроме того, ожидалось снижение уровня растворенного кислорода (DO) вследствие падения выхода фотосинтеза: концентрация О2 в воде очень быстро снижалась, а именно, через день концентрация О2 снижалась на ~50%, что продолжалось в течение 5 дней измерений (фиг. 3D).
4. Как ни странно, затухание света при измерении в толще воды, а также TSS или проводимость не менялись, несмотря на значительное снижение численности фитопланктона.
Безотносительно к теоретическим представлениям, показания рН и DO ясно показывают, что физиология цианобактерий изменилась в начале обработки еще до того, как клетки цианобактерий начали исчезать из воды. Эта гипотеза подтверждалась отсутствием изменений в показаниях коэффициента затухания света, электропроводности и общего содержания взвешенных твердых веществ (TSS). Кроме того, показания этих трех параметров оставались неизменными на протяжении всего анализа и воспроизводились во всех 3 блоках эксперимента, что указывало на занятие экологической ниши популяциями других микроорганизмов с момента снижения количества цианобактерий. В качестве альтернативы, популяции других микроорганизмов могли расти на питательном содержимом клеток цианобактерий.
Это утверждение дополнительно подтверждалось тем, что концентрация хлора практически не обнаруживалась на протяжении всего анализа ни в толще, ни на поверхности воды и не превышала 0,1-0,3 м.д. через три часа после обработки. В данной камере объемом ~270 л внесение 1,6 г дигидрата NaDCC теоретически должно было приводить к концентрации доступного хлора, равной 5,9 м.д. или ~3,4 м.д.; в то же время концентрация хлора не прослеживалась как при обработке раз в день, так и два раза в день. Другими словами, влияние обработки на плотность клеток, а также дополнительные параметры было невозможно объяснить только за счет прямого токсического действия соединения.
Кроме того, как отмечалось ранее, эта камера располагалась на расстоянии ~20 м от мощного аэратора, который ежедневно перемешивал воду прудов, и, возможно, смешивал воду пруда с водой в камере путем распыления воды сверху или прокачивания воды через открытый конец камеры снизу. Корреляция всех параметров (концентрации хлорофилла а на поверхности и на глубине 50 см, рН и DO (фиг. 3A-D) независимо друг от друга во всех 3 блоках исследования ясно демонстрировала, что обработка с применением плавучего состава, содержащего минимальные концентрации хлорноватистой кислоты, может привести к полному коллапсу популяции вредоносных цианобактерий и, возможно, расчистить путь для других конкурирующих приспосабливающихся микроорганизмов.
Пример 6: Применение плавучего состава для снижения плотности клеток цианобактерий [II]
В еще одном эксперименте камеры (состоящие из прозрачной полиэтиленовой трубы длиной 40 см) устанавливали в аэрируемом мелком (глубиной 30-100 см) рыбном пруду (пруд G16, Обернский университет, Оберн, штат Алабама, США), сильно зараженном цианобактерией Oscillatoria sp. при исходной плотности клеток ~106 нитей/мл. Камеры помещали в воду открытыми концами как к поверхности воды, так и к дну пруда. Применяли следующие способы обработки: (1) контроль без обработки, (2) обработка 3 капсулами плавучего состава NaDCC, (3) обработка 6 капсулами плавучего состава NaDCC, и (4) обработка 9 капсулами плавучего состава NaDCC (см. фиг. 4, на котором показаны типичные камеры). Каждая капсула содержала 200 мг дигидрата NaDCC в качестве активного соединения плавучего состава, как описано в примере 4. Обработку выполняли в 19:00 в 1 день, затем в 8:00 во 2 день, а затем в третий и последний раз в полдень того же дня.
Шесть капсул (в общей сложности 1,2 г дигидрата NaDCC, как указано выше) успешно удаляли всю пену в камере (фиг. 5 и 6). Кроме того, это было проиллюстрировано на пробирках, заполненных поверхностной водой из камеры с целью продемонстрировать относительную мутность в ходе обработки (фиг. 7). В ходе обработки количество клеток на поверхности воды резко снижалось (на порядок). Значение рН на поверхности снизилось с рН 9,5 до рН 8, что указывало на снижение активности фотосинтеза. Общее измерение хлора выполняли с использованием регистратора (карманный регистратор Pocket Tracer, код 1740, LaMotte, США), позволившего выявить на момент окончания обработки общую концентрацию хлора, равную 0,3 м.д. при обработке с применением 3 капсул, 0,43 м.д. при обработке с применением 6 капсул и 1,22 м.д. при обработке с применением 9 капсул (что было значительно ниже теоретически ожидаемых концентраций, равных 8, 16 и 24 м.д., соответственно, при объеме 43 литра).
Пример 7: Определение влияния безводного дихлороизоцианурата натрия (NaDCC) на различных опасных водных насекомых
Бытовой отбеливатель в 3% концентрации не повреждал яйца Anopheles stevensi, хотя при умеренных концентрациях хлора личинки многих видов насекомых появлялись из яиц раньше, чем в контроле без обработки. Преждевременное вылупление изменяло их развитие и мешало их превращению во взрослых особей.
Серия экспериментов на различных видах водных насекомых, представленная ниже, показала, что для уничтожения яиц насекомых требуются относительно высокие концентрации отбеливателя.
a. Culex quinquefasciatus (G quinquefasciatus)
Яйца комара получили из Центра по контролю за заболеваниями (Center for Disease control) в Форт-Коллинз, штат Колорадо, США. Яйца подсчитывали и переносили в многолуночные планшеты, содержащие 8 мл безводного раствора NaDCC раствора в концентрации 0, 50, 500, 5000 и 50000 м.д. Каждую концентрацию, используемую для обработки, и контроль (0 м.д.) воспроизводили 3 раза в одном и том же планшете и переносили в инкубатор при температуре 30°С и 12-часовом цикле светлого и темного времени на 25 часов. Немедленно после переноса яиц в воду в контрольном образце начинали вылупляться и плавать многочисленные личинки. Через 25 часов после начала биологического анализа подсчитывали живых, вылупившихся мертвых или невылупившихся мертвых личинок. Личинок считали вылупившимися только в том случае, если они полностью освобождались от оболочки яиц. Данные анализировали посредством пробит-анализа с использованием процедуры PROBIT в SAS (версия 9.2, Кэри, Северная Каролина, США), получая LC95 и скорость естественного ответа. LC95 для С.quinquefasciatus составила 93,8 м.д. Оболочки яиц растворялись и не обнаруживались при обработке в концентрации 50000 м.д., и по большей части растворялись при обработке в концентрации 5000 м.д.; форма личинок указывала, что они не вылупились.
b. Anopheles stevensi
Яйца Anopheles stevensi получили из коллекции основного фонда инсектария и культур паразитов медицинской школы университета Нью-Йорка. Отсчитывали 60 яиц и переносили их в многолуночные планшеты, содержащие 8 мл безводного раствора NaDCC раствора в концентрации 0, 0,58, 5,8, 58, 580 и 5800 м.д. Каждую обработку и контроль воспроизводили 2 раза в одном и том же планшете и переносили в инкубатор при температуре 30°С и 12-часовом цикле светлого и темного времени на 72 ч. Данные анализировали посредством пробит-анализа с использованием процедуры PROBIT в SAS (версия 9.2, Кэри, Северная Каролина, США). Через 72 часа после начала биологического анализа подсчитывали живых, вылупившихся мертвых или невылупившихся мертвых личинок. Особей считали вылупившимися только в том случае, если они полностью освобождались от оболочки яиц. LC95 для Anopheles stevensi составила 270 м.д.
c. Aedes aegypti
Яйца A. aegypti получили из Центра по контролю за заболеваниями (Center for Disease control) в Форт-Коллинз, штат Колорадо, США. Яйца подсчитывали и переносили в экспериментальные или контрольные лунки многолуночного планшета и помещали в инкубатор. Через 72 часа после начала биологического анализа подсчитывали живых, вылупившихся мертвых или невылупившихся мертвых личинок. Личинок считали вылупившимися только в том случае, если они полностью освобождались от оболочки яиц. Данные анализировали посредством пробит-анализа с использованием процедуры PROBIT в SAS (версия 9.2, Кэри, Северная Каролина, США), получая LC95 и скорость естественного ответа. LC95 для A. aegypti составила 470 м.д. Оболочки яиц растворялись и не обнаруживались при обработке в концентрации 50000 м.д., и по большей части растворялись при обработке в концентрации 5000 м.д.; форма личинок указывала, что они не вылупились.
d. Chironomidae
Яйца звонцов (Chironomidae: Tanypodinae) получили из пруда в городском парке Оберна, штат Алабама, США. Яйца подсчитывали и переносили в многолуночные планшеты, содержащие 8 мл безводного раствора NaDCC раствора в концентрации 0, 50, 500, 5000 и 50000 м.д. Каждую обработку и контроль воспроизводили 3 раза в одном и том же планшете и переносили в инкубатор при температуре 30°С и 12-часовом цикле светлого и темного времени на неделю. Данные анализировали посредством пробит-анализа с использованием процедуры PROBIT в SAS (версия 9.2, Кэри, Северная Каролина, США). Личинок считали вылупившимися только в том случае, если они полностью освобождались от оболочки яиц. LC95 для Tanypodinae составила 205,7 м.д., а расчетная естественная смертность - 2,8%.
1. Способ контроля цветения фотосинтезирующих микроорганизмов, обитающих на поверхности водной системы, причем указанный способ включает:
нанесение плавучей композиции, содержащей по меньшей мере один флотирующий агент и по меньшей мере один ингибитор фотосинтезирующего микроорганизма, на поверхность указанной водной системы в условиях, которые индуцируют по меньшей мере 50% снижение численности указанного фотосинтезирующего микроорганизма в течение определенного периода времени в указанной водной системе, причем концентрация указанного по меньшей мере одного ингибитора фотосинтезирующего микроорганизма в указанной водной системе через указанный период времени составляет величину ниже допустимой концентрации в питьевой воде, и при этом указанный флотирующий агент выбран из группы, состоящей из насыщенных углеводородов, смолистых материалов, воска, природного или синтетического латекса и их комбинаций.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один ингибитор фотосинтезирующего микроорганизма содержит окислительный агент для дезинфекции воды.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что указанный агент для дезинфекции воды выбран из группы, состоящей из агента, высвобождающего хлор, агента, высвобождающего бром, перекисного соединения, соли меди, соли алюминия и любой их комбинации.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанный агент, высвобождающий хлор, выбран из гипохлорита кальция и дихлоризоцианурата натрия (NaDCC).
5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что концентрация указанного ингибитора фотосинтезирующего микроорганизма составляет приблизительно 10% мас., приблизительно 20% мас., приблизительно 30% мас., приблизительно 40% мас., приблизительно 50% мас. или более в указанной композиции.
6. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанная композиция представлена в форме частиц, гранул, хлопьев, порошка, драже, таблеток, раствора или их комбинации.
7. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один фотосинтезирующий микроорганизм выбран из группы, состоящей из цианобактерии, водоросли, планктона и их комбинаций.
8. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что нанесение выполняют после обнаружения цветения в указанной водной системе.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что нанесение осуществляют во время сезонного цветения.
10. Способ по любому из пп. 1-4 и 9, отличающийся тем, что указанный период времени составляет три часа.
11. Способ по любому из пп. 1-4 и 9, отличающийся тем, что указанный период времени составляет по меньшей мере три дня и указанное по меньшей мере 50% снижение представляет собой по меньшей мере 99% снижение.
12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный фотосинтезирующий микроорганизм представляет собой цианобактерию и указанную композицию наносят на указанную поверхность в концентрации от приблизительно 0,005 г/м2 до приблизительно 50 г/м2 или от приблизительно 0,5 м.д. до приблизительно 50 м.д. указанного ингибитора.
13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что указанное нанесение повторяют с интервалом несколько часов.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что указанное нанесение приводит к появлению следовых количеств указанного ингибитора согласно измерениям в воде через 0,5 часа, 1 час, 2 часа, 3 часа, 24 часа или более после каждого нанесения.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что указанные следовые количества активного соединения равны или составляют величину менее 3 м.д. согласно измерениям через 24 часа или более после каждого нанесения.
16. Способ по любому из пп. 1-4, 9, 12-15, отличающийся тем, что нанесение осуществляют три раза в день, или два раза в день, или раз в день, или раз в неделю, или раз в две недели, или раз в три недели, или раз в месяц, или через более длительные интервалы.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что нанесение осуществляют раз в день или два раза в день в течение 1 дня, 2 дней, 3 дней, 4 дней, 5 дней или более.
18. Способ по любому из пп. 1-4, 9, 12-15 и 17, дополнительно включающий нанесение второго ингибитора на указанную поверхность.
19. Способ по любому из пп. 1-4, 9, 12-15 и 17, отличающийся тем, что нанесение осуществляют с использованием ручных или механических распылителей или путем распределения жидкого раствора или пены с лодки или самолета.
20. Способ по любому из пп. 1-4, 9, 12-15 и 17, отличающийся тем, что указанная плавучая композиция после нанесения перемещается совместно с микроорганизмами, вызывающими цветение в указанной водной системе.
21. Способ по любому из пп. 1-4, 9, 12-15 и 17, отличающийся тем, что площадь поверхности указанной водной системы составляет по меньшей мере 1 км2.
22. Способ по п. 1, дополнительно включающий измерение концентрации указанного по меньшей мере одного ингибитора фотосинтетического микроорганизма после нанесения указанной композиции.
23. Способная к диффундированию плавучая композиция для применения при контроле цветения фотосинтезирующего микроорганизма, обитающего на поверхности воды, в водной системе, причем указанная способная к диффундированию плавучая композиция содержит ингибитор фотосинтезирующего микроорганизма и флотирующий агент и характеризуется тем, что указанная композиция адаптирована к медленному высвобождению указанного ингибитора на указанную поверхность, и при этом указанный флотирующий агент выбран из группы, состоящей из насыщенных углеводородов, смолистых материалов, воска, природного или синтетического латекса и их комбинаций.
24. Композиция по п. 23, отличающаяся тем, что указанный ингибитор фотосинтезирующего микроорганизма представляет собой окислительный агент для дезинфекции воды.
25. Композиция по п. 24, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один агент для дезинфекции воды выбран из группы, состоящей из агента, высвобождающего хлор, агента, высвобождающего бром, перекисного соединения, соли меди, соли алюминия и любой их комбинации.
26. Композиция по п. 25, отличающаяся тем, что агент для дезинфекции воды представляет собой гипохлорит кальция или дихлоризоцианурат натрия (NaDCC).
27. Композиция по любому из пп. 23-26, отличающаяся тем, что указанная композиция представлена в форме частиц, гранул, хлопьев, порошка, драже, таблеток или раствора.
28. Композиция по любому из пп. 23-26, отличающаяся тем, что указанное цветение фотосинтезирующего микроорганизма выбрано из группы, состоящей из роста цианобактерий, роста водорослей, роста микроорганизмов и роста планктона.
29. Композиция по любому из пп. 23-26, отличающаяся тем, что указанная композиция подходит для введения в указанную водную систему после обнаружения вредоносного цветения в указанной водной системе.
30. Композиция по п. 23, отличающаяся тем, что микроорганизм представляет собой цианобактерию и указанный по меньшей мере один ингибитор фотосинтезирующего микроорганизма вводят в концентрации от приблизительно 0,005 г/м2 до приблизительно 50 г/м2 или от приблизительно 0,5 м.д. до приблизительно 50 м.д. активного агента.
31. Композиция по любому из пп. 23-26, отличающаяся тем, что количество по меньшей мере одного ингибитора фотосинтезирующего микроорганизма составляет приблизительно 10% мас., или приблизительно 20% мас., или приблизительно 30% мас., или приблизительно 40% мас., или приблизительно 50% мас., или более от общей массы композиции.
