Статья №2. «Degradation of fatty acid methyl esters in biodiesels exposed to sunlight and seawater».

Rima Raffoul Khoury, Diako Ebrahimi, Leila Hejazi, Martin P. Bucknall, Russell Pickford, D. Brynn Hibbert

Degradation of fatty acid methyl esters in biodiesels exposed to sunlight and seawater.	Деградация метиловых эфиров жирных кислот в биодизельном топливе под действием солнечного света и морской воды.
Abstract The degradation of fatty acid methyl esters (FAMEs) has been characterized in selected biodiesels exposed to sunlight and seawater, and markers are identified that can be used to match a weathered biodiesel spill to its source. Samples of one synthetic and three commercial biodiesels were subjected to a regime of controlled weathering for 71 days. Experiments were designed to promote photo-oxidation, biodegradation or a combination of both processes. The FAME compositions of the biodiesels were measured by GC–MS at various times. Unsaturated FAMEs were preferentially degraded by photo-oxidation. Saturated C16 and C18 FAMEs were the most persistent compounds. The diagnostic ratio C16:0/(C16:0 + C18:0), calculated from the peak area of the total ion chromatograms (TICs), varied by less than 2% during 71 days of weathering and could be used to distinguish among the biodiesels studied.	Аннотация Деградация метиловых эфиров жирных кислот (МЭЖК) в отобранном биодизельном топливе, осуществляемая под действием солнечного света и морской воды, была установлена с помощью маркера, который показывает соотношение выветривания разлива биодизельного топлива по сравнению с его источником. Образцы одного синтетического и трех коммерческих биодизельных топлив подвергались режиму контролируемого выветривания в течение 71 дня. Эксперименты проводились при поддержке фотоокисления или биодеградации, или при сочетании обоих процессов. МЭЖК в составе биодизельного топлива были измерены ГХ-МС в разное время. Ненасыщенные МЭЖК преимущественно разлагались фотоокислением. Насыщенные С16 и С18 МЭЖК – самые устойчивые соединения. Исследуемое соотношение С16:0/(C16:0+C18:0), рассчитанное по площади пика хроматограммы полного ионного тока (ТИКи), отличается меньше чем на 2% в течение 71 дня выветривания и может быть использовано в качестве характеристического для изученных биодизельных топлив.
1. Introduction The production and use of biodiesels is seen as a possible step toward replacing fossil fuels by a renewable and cleaner source of energy [1]. Biodiesels are made of the esters of vegetable and animal fats, mostly fatty acid methyl esters (FAMEs) which possess physico-chemical properties similar to those of petroleum diesel oils [2,3]. Although fatty acid methyl esters contribute the majority of the compounds to a biodiesel, higher molecular weight compounds including mono- and di-glycerides are also found [4]. Biodiesels can be used as a substitute for, or additive to, diesel oils without engine conversion or sacrificing efficiency [3]. Biodiesels range from B2 (2% biodiesel, 98% petroleum diesel) to B100 (100% biodiesel) [1]. A list of the standard fuel properties of different biodiesels is given in ASTM D6751 [5]. Being free of metals, sulphur and carcinogenic aromatic hydrocarbons, biodiesels reduce smoke, soot and noxious exhaust emissions [6]. They also close the carbon cycle as the carbon dioxide produced by the combustion of biodiesels can be captured by plants that become the source of new biodiesel [7]. The replacement of fossil fuels by biodiesel thus contributes to measures taken against global warming. In combination, biodiesels additionally facilitate the degradation of crude oils during a spill clean-up by dissolving and mobilizing them and providing the necessary enzymes for the microbial degradation of petroleum oil [7–9]. Biodiesel FAMEs can be analysed directly by gas chromatography–mass spectrometry (GC–MS) [10], and also by liquid chromatography (LC) [11]. Marriot has recently reported analysis by 2D-GC [12] and Catharino by a direct infusion electrospray MS method [4]. Despite being generally considered clean fuels, biodiesels can be harmful to the environment. They easily break down to generate free fatty acids and methanol after spillage [13,14]. Biodiesel spills tend to spread and form a sheer thick layer of clear to light milky white colour on top of sea water. To institute suitable remedial action in the case of a fuel spill, knowledge of the fate of that fuel when exposed to the environment, and of the dominant mechanisms by which its individual compounds degrade is necessary. This information can also be used in forensic investigations to identify the source of pollution. In this respect petroleum oils have been extensively studied. Compounds in petroleum oils, both aromatic and non-aromatic, have been shown to degrade by four major mechanisms namely ‘biodegradation’, ‘photo-oxidation’, ‘dissolution’ and ‘evaporation’. To identify the source(s) of petroleum oil spills several methods have been proposed, among which two methods, published by the American Society for Testing and Materials (ASTM D 5739-00) and the Nordisk Innovations Centre (Nordtest) are the main approaches using GC–MS [7,15]. In both methods, in order to minimize the effect of weathering and to maximize the discrimination power, only the data (m/z channels) from a few ‘weathering stable’ and ‘source-specific’ compounds are used in assessments. Identification of the source of an oil spill in the ASTM method is based on the visual comparison of the extracted ion chromatograms (EICs) of the petroleum oil spill and those of each of the suspected sources [15,16]. In the Nordtest methodology however, a number of diagnostic ratios (DRs, ratios of chosen isomer peak areas) are calculated and compared between the spill oil and each suspected source. We have recently critically compared these two approaches [17,18]. There have been no such comprehensive studies on the weathering of biodiesels. With increasing use of biodiesels it is timely to investigate the fate of biodiesels in the environment, particularly as the differences between biodiesels and petroleum products might cause established approaches to clean-up and remediation to be reassessed. The aim of this work was to investigate weathering mechanisms of four biodiesel samples and to evaluate suitable DRs for identifying the sources of biodiesel spills.	1.Введение Получение и применение биодизелей рассматривается в качестве возможного шага к замене природного топлива возобновляемым и чистым источником энергии. Биодизель, полученный из растительных эфиров и животных жиров, в основном, метиловых эфиров жирных кислот (МЭЖК), обладает физико-химическими свойствами, аналогичными нефтяному дизельному топливу. Хотя метиловые эфиры жирных кислот составляют большую часть соединений биодизеля, в нем так же найдены соединения с большим молекулярным весом, включая моно- и ди-глицериды. Биодизель так же может использоваться в качестве замены дизельного топлива или добавки к нему, без сильного изменения двигателя или снижения эффективности его работы. Марки биодизеля колеблются в диапозоне от В2 (2% биодизеля, 98% нефтяного дизеля) до В100 (100%биодизель). Список стандартных свойств топлива различных биодизелей представлен в ASTM D6751. Биодизель, очищенный от металлов, серы и канцерогенных ароматических углеводородов, понижает объем выбросов дыма и вредных выхлопных газов в атмосферу, уменьшает образование сажи[6]. Он имеет закрытый углеродный цикл, такой же, как в диоксиде углерода, полученный за счет сгорания биодизеля, который может быть поглощен растениями, чтобы те становились источником нового биодизельного топлива [7]. Таким образом, замена ископаемого топлива биодизельным – мера, вносящая значительный вклад в борьбу с глобальным потеплением. Топливо, содержащее примеси биодизеля, дополнительно способствует деградации нефти при очистке топливного разлива, путем ее растворения и концентрации, и обеспечивая необходимыми ферментами микробную деградацию нефтяных топлив [7-9]. МЭЖК биодизеля могут быть проанализированы с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС) [10] или методом жидкостной хроматографии (LC) [11]. Марриот недавно рассказал в [12] об анализе методом 2Д-ГХ с прямым впрыскиванием МС и в Катарино [4] – об анализе с электронным впрыском. Несмотря на то, что биодизель, как правило, считается экологически чистым топливом, он может быть вредным для окружающей среды. Биодизель легко расщепляет свободные жирные кислоты и метанол, образованные после утечки топлива [13,14]. Разливы биодизельного топлива, как правило, растекаются по поверхности и образуют на поверхности морской воды сплошную толстую пленку молочно-белого цвета, хорошо заметную днем. В случае разлива топлива необходимо организовать соответствующие меры по ликвидации последствий аварии, поведении этого топливного пятна при воздействии на него окружающей среды, и на основании механизмов, под действием которых его соединения разлагаются. Данную информацию также можно использовать в судебно-медицинских экспертизах, для определения источника загрязнения. Поведение нефтяных топлив при разливе и установление их связи с источником загрязнения хорошо изучены. Известно, что соединения нефтяных топлив (как ароматические, так и неароматические) осложняют четыре основных механизма – «биодеградацию», «фотоокисление», «растворение» и «испарение». Для установления источника(-ов) нефтяного разлива были предложены несколько методов, среди которых два с применением ГХ-МС [7,15] – являются основными, что подтверждают публикации Американского общества по испытанию материалов (ASTM D 5739-00) и Нордиский центр инновации (Нордтест). В обоих методах, для того, чтобы свести к минимуму влияние выветривания и максимально увеличить разрешающую способность, в качестве оценки использовали только данные (отношение m/z) соединений "стабильных к выветриванию» и «конкретных источников". Идентификация источника нефтяного разлива по методу ASTM основана на визуальном сравнении хроматограмм по выделенному иону (EICs) разлива дизельного топлива с каждым из предполагаемых источников [15,16]. Однако, в методике Нордтеста число диагностических коэффициентов (DRs, отношения площадей пиков выбранных изомеров) рассчитываются и сравниваются между разливами нефтяного топлива и каждым подозрительным источником. Мы недавно критично сравнивали эти два подхода [17,18]. Ранее процесс выветривания биодизеля не изучался так подробно. С расширением использования данного топлива настало время исследовать поведение биодизельного пятна в окружающей среде. Например, необходимо пересмотреть различия между биодизелем и нефтепродуктами, которые могут привести к созданию подхода их очистки и восстановления. Целью данной работы было изучение механизма выветривания четырех образцов биодизеля и оценка пригодности DR для идентификации источников разлива биодизеля.
2. Material and methods 2.1. Biodiesels Four biodiesels were studied. Two commercially-produced biodiesels were obtained from the Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts (labelled as oils 1 and 2) and a third B100 biodiesel (oil 3) was purchased from a local service station in Sydney. A fourth biodiesel (oil 4) was synthesized, using sodium methoxide [19], from canola oil which was purchased from a local store. The biodiesels chosen here contain all the major FAMEs and are considered representative of the range of biodiesels in current use. A standard mixture of FAMEs (Supelco 37 FAMEs, C4-C24, 100 mg) was purchased from Sigma–Aldrich, Australia. Individual FAMEs are referenced here by the number of carbon atoms of their corresponding fatty acid followed by the degree of unsaturation and position and geometry of double bonds. For example C16:0 refers to palmitic acid (hexadecanoic acid) and C16:1 cis-9 refers to palmitoleic acid (9-cis-hexadecenoic acid).	2. Материалы и методы 2.1. Биодизель Изучили четыре образца биодизельного топлива. Два биодизеля коммерческого производства получили от Министерства по охране окружающей среды, водным ресурсам, культурно-исторических ценностей и искусств (топливные образцы обозначены под номерами 1 и 2) и третий B100 биодизель (образец №3) был получен от станции местного обслуживания в Сиднее. Четвертый биодизель (образец топлива №4) был синтезирован из рапсового масла, с использованием метилата натрия [19], который приобрели в местном магазине Образцы биодизелей, выбранные нами для анализа, содержат все основные МЭЖК и считаются характерными для большинства растительных топлив, используемых в настоящее время. Стандартная смесь МЭЖК (Supelco 37 FAMEs, С4-С24, 100 мг) была получена от Sigma-Aldrich, из Австралии. В данной смеси индивидуальные МЭЖК располагаются в порядке увеличения числа атомов углерода, в зависимости от соответствующих им жирных кислот, за которыми следует степень ненасыщенности и конфигурация двойных связей. Например, С16:0 относится к пальмитиновой кислоте (гексадекановой кислоте) и С16:1 относится к цис-9-пальмитолеиновой кислоте (9-цис-гексадеценовой кислоте).
2.2. Chemical analysis About 4 mg of each sample was dissolved in 4 mL of 99% n-hexane containing 50 µg/mL nonanoic acid methyl ester (C9:0) as the internal standard. Identification of the FAMEs was achieved by comparing the mass spectra and elution time of the biodiesel components with those of the known 37 standards. The mass spectral identification was verified using the NIST 98 library of mass spectra. Duplicates of each sample were analyzed using a Thermo Fisher Trace DSQ II mass spectrometer (GC–MS) equipped with a Thermo Triplus auto-sampler (Thermo Fisher Scientific Inc, Waltham, MA, USA). 1.0 µL of each sample or 2.0 µL of the 37 FAMEs standard mix was injected via a splitless injector at 240°C to a highly polar GC column (BPX-70, 70% cyanopropyl polysilphenylene-siloxane, 60 m, 0.25 mm i.d., 0.25 µm film thickness). The helium carrier gas was set to an initial column head pressure of 80 kPa and thereafter operated in pressure-programmed constant flow mode. This gave a theoretical linear flow velocity of approximately 22 cm/s, corresponding with the height equivalent to a theoretical plate (HETP) minimum on the column’s Van Deemter curve. An oven temperature of 60°C was held constant for 2 min, then increased by 10°C/min to 230°C and held constant for 20 min. The solvent delay was 6.5 min and the total run time was 30 min. The MS was operated in full scan electron impact mode EI+, scanning over the range m/z 100–800. Other GC–MS parameters were either optimized using the instrument’s tune algorithm or set to standard values as recommended by the manufacturer. The instrument’s m/z axis was calibrated using standard heptacosa perfluorotributylamine (PFTBA) prior to the commencement of each sample analysis sequence. The data were collected using Xcalibur 6.0 software.	2.2. Химический анализ Около 4 мг каждого образца растворяли в 4 мл 99% н-гексана, содержащего 50 мкг/мл метилового эфира нонановой кислоты (C9:0), в качестве внутреннего стандарта. Идентификацию МЭЖК проводили путем сравнения масс-спектров и времен элюирования компонентов биодизельного топлива со стандартной смесью, содержащей 37 компонентов известного состава. Идентификация МЭЖК подтверждена библиотекой масс-спектров NIST 98. Дубликаты каждого образца проанализировали с помощью масс-спектрометра Thermo Fisher Trace DSQ II (GC-MS), оснащенного автосамплером Thermo Triplus (Thermo Fisher Scientific Inc, Waltham, MA, USA). При 240°C вводят пробу без деления потока, в полярную колонку GC (BPX-70, 70% цианопропил полифенил-силоксан, длина - 60м, внутренний диаметр - 0,25мм, толщина пленки капилляра - 0.25мкм) вводили 1,0мкл каждого образца или 2,0мкл стандартной смеси МЭЖК, содержащей 37 компонентов. Газ-носитель – гелий, подавали на входе в колонку при заданном давлении 80 кПа, а затем работали в режиме программируемого давления при постоянном расходе газа. Данный режим, в теории, привел к линейной скорости потока газа, порядка 22 см/с, при которой высота эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ) соответствует минимуму на кривой Ван Деемтера. Температуру термостата (60°C) поддерживали постоянной в течение 2мин, затем ее увеличивали на 10°C/мин до 230°C и поддерживали постоянной в течение 20 мин. Время выхода растворителя составило 6,5 мин, а общее время анализа – 30 мин. Масс-спектрометр работал в режиме полного сканирования положительных ионов (ионизация электронным ударом EI+). Сканирование осуществлялось в диапазоне m/z 100-800. Остальные параметры ГХ-МС были оптимизированы либо с помощью инструментальной настройки алгоритма или набором стандартных значений, в соответствии с рекомендациями производителя. Приборная ось m/z была откалибрована с использованием стандарта гептакоза-перфторотрибутиламина (PFTBA) перед началом каждой серии анализов проб. Данные были собраны с помощью программного обеспечения Xcalibur 6.0.
2.3. Weathering procedure Eighty beakers of 250 mL volume, 12 cm height and 6 cm internal diameter were filled with 100 mL sea water collected from the Cronulla beach, Sydney and topped with 2.5 mL biodiesel which formed a layer about 2 mm thick. Watch glasses were placed over the beakers and weighted in place, to provide some protection from rain and other material. They were placed on top of the roof of a 12-storey building at UNSW, Sydney. The weathering experiment took place between 1st July 2008 and 9th September 2008, during winter and early Spring in the Southern Hemisphere. Sydney weather varied between clear and sunny to windy and heavy rains during that period. The temperature and weather aspects were recorded on daily bases from the Bureau of Meteorology Sydney, at the nearby Sydney Airport. Average daily temperatures were between 8°C and 17°C. The weather was typical for the time of year. At each time point, eight beakers containing two replicates of each of the four biodiesels described above were removed from the roof top after they had been weathered for 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 19, 28 and 71 days. The seawater was extracted using dichloromethane or chloroform (2×10 mL), and dried over anhydrous sodium sulfate. The solvent was removed and the resultant biodiesel was kept at 4°C until analysis. All samples were analysed by GC–MS as a single batch.	2.3. Процесс выветривания Восемьдесят стаканов объемом 250мл, высотой 12см и внутренним диаметром 6см, были заполнены 100мл морской воды, отобранной на пляже Кронулла в Сиднее, и покрыты сверху 2,5мл биодизеля, который образовал пленку толщиной около 2мм. На стаканы сверху положили часовые стекла и придавили, чтобы обеспечить защиту от дождя и других веществ. Стаканы были размещены на крыше 12-этажного здания Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. Эксперимент по выветриванию проводили с 1 июля 2008 года по 9 сентября 2008, в течение всей зимы и ранней весной в южном полушарии. Погода в Сиднее в этот период колебалась от ясной и солнечной до ветреной с проливными дождями. Температурные и погодные условия получали от Бюро Метеорологии Сиднея, расположенном в соседнем аэропорту города, и записывали ежедневно. Среднесуточные температуры колебались от 8°C до 17°C. Такая погода характерна для этого времени года. После выдерживания в течение 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 19, 28 и 71 дней, каждый раз с крыши удаляли по восемь стаканов, содержащих по два одинаковых образца, всех четырех описанных выше биодизелей. Морскую воду экстрагировали дихлорметаном или хлороформом (2×10 мл) и осушили безводным сульфатом натрия. Растворитель удаляли, а полученный биодизель хранили при 4°C до анализа. Все образцы проанализированы один раз с помощью ГХ-МС.
2.4. Photo- and bio-degradation To compare the impact of biodegradation and photo-oxidation on the biodiesel constituents, two independent sets of 20 samples were prepared. In the first set 2.5 mL of oil 1 were placed in each of 20 clean and sterile beakers. Because of the high boiling temperature of FAMEs, no mass loss due to evaporation was observed and in the absence of biological activity photo-oxidation was assumed to be responsible for the degradation of the biodiesel components. The second set contained 20 beakers, each filled with 100 mL seawater then topped with 2.5 mL of oil 1. The samples were wrapped with aluminium foil and enclosed inside a thick opaque box and were kept in a dark room. Because FAMEs are hydrophobic [8] and have high boiling points [2,20], no water dissolution or significant evaporation was expected or observed. Biodegradation was likely the dominant degradation mechanism in this sample set. The samples were allowed to degrade for ten days. In each case a sample of the same biodiesel was retained in a dark refrigerator, and analysed as a control.	2.4. Фото- и био-деградация Для сравнения влияния биодеградации и фотоокисления на компоненты биодизельного топлива, были подготовлены две независимые группы образцов по 20 штук. В первой группе поместили 2,5мл топлива №1 в каждый из 20 чистых стерильных стаканов. Из-за высокой температуры кипения МЭЖК, не наблюдалась потеря массы за счет испарения, при отсутствии биологической активности фотоокисления, которая как предполагалось, отвечает за деградацию компонентов биодизельного топлива. Вторая группа содержала 20 стаканов, каждый из которых заполнен 100мл морской воды и сверху добавлено 2,5 мл топлива №1. Образцы были обернуты алюминиевой фольгой и помещены внутрь толстой непрозрачной коробки, которая хранилась в темной комнате. Поскольку МЭЖК гидрофобные [8] и имеют высокие точки кипения [2,20], их растворения в воде или значительного испарения не ожидали и не наблюдали. В этой группе образцов биологическое разложение, скорее всего, является доминирующим механизмом деградации. Образцы подвергали разложению в течение десяти дней. В каждом случае образец того же биодизеля хранили в темном холодильнике и анализировали в качестве контрольного образца.
2.5. Calculations and representation of data The TIC peak area of an identified compound was divided by that of the internal standard (C9:0) to give a normalized peak area. The peak area ratio was converted to an amount ratio using response factors calculated from the published mass fractions and experimentally determined relative FAME intensities, obtained by analysis of the 37 FAME standard mixture, spiked with internal standard. Each measurement was performed in duplicate and standard deviations were calculated from the differences of duplicates (di) for each sample , where n (typically 8) is the number of samples (see page 89 in Ref. [21]). As standard deviation varied with concentration the values were modelled as s = a + bR, where R is the measured concentration ratio (compound to internal standard). This allowed a standard deviation to be assigned to each measurement, where full data was not available (such as those from literature quoted in Fig. 5). Uncertainty was propagated in ratio calculations by the methods published in The Guide to Uncertainty in Measurement [22]. Where results are given as 95% probability intervals a coverage factor of 2 has been used. The extent of degradation is calculated as the ratio of the normalized peak area of the weathered sample to the normalized peak area of a fresh (control) sample measured in the same run. In these calculations the response factors cancel.	2,5. Расчеты и представление данных Для качественного определения соединения – площадь пика на хроматограмме полного ионного тока (ТИК), делили на внутренний стандарт (С9:0), и получали стандартную площадь пика. Отношение общей площади пика было преобразовано в соотношение количества используемых факторов отклика, рассчитанное на основе опубликованных массовых долей и экспериментально определенных относительных интенсивностях МЭЖК, полученных путем анализа стандартной смеси МЭЖК, содержащей 37 соединений, с маркировкой внутреннего стандарта. Каждое измерение было проведено два раза и стандартные отклонения были рассчитаны из разностей дубликатов (di) для каждого образца , где n (как правило, 8) – это количество образцов (см. стр. 89 в [21]). Стандартное отклонение изменяется в зависимости от значения концентрации по уравнению: s = a + bR, где R – измеренное отношение концентраций (соединение внутреннего стандарта). Это позволило найти стандартное отклонение для каждого измерения, где были доступны неполные данные (например, из литературы указанной на рис. 5). Погрешность была передана в расчете коэффициента методами, опубликованными в Руководстве по погрешностям измерений [22]. В Руководстве результаты приведены с 95%-ной вероятностью, пользовались интервалом коэффициента запаса, равном 2. Степень деградации рассчитана, как отношение стандартной площади пика образца после выветривания к стандартной площади пика свежеприготовленного (контрольного) образца, измеренная в том же опыте. В этих расчетах коэффициенты чувствительности не учитывались.
3. Results and discussion Using a highly polar column the most volatile and the least polar components elute first.	3. Результаты и их обсуждение При использовании высокополярной колонки, самые нестабильные и наименее полярные компоненты элюируются в первую очередь.
3.1. Composition of FAMEs in the biodiesel samples Chromatography of the standard mixture of 37 FAMEs gave well-resolved peaks from which each compound could be unequivocally identified (see Supplementary Information, Fig. S1). With known retention times and mass spectra, identities for the FAME components of biodiesel samples were easily assigned. Fig. 1 shows the TIC trace for each of the fresh biodiesel samples, with individual component peaks labelled. Mass fractions of the each FAME are given in Table 1. C18:1 cis-9 is the most abundant constituent in all four biodiesels [10]. Table 1 shows that the biodiesels analyzed have many compounds in common such as the methyl esters of C12:0, C14:0, C16:0, C17:0, C17:1 cis-10, C18:0, C18:1 cis-9, C18:2 cis-9,12, and C18:3 cis-9,12,15. These fatty acids are common in most of the fat sources (soybean oil, sunflower oil, rapeseed oil, palm oil, olive oil, corn oil, safflower oil, coconut oil, lard, butter, tallow) used to make biodiesel [23,24]. The properties of biodiesels are very much dependent on the structure of their FAMEs [1,20]. Biodiesels from natural sources contain predominantly FAMEs with an even number of carbon atoms that range between 12 and 22 and the cis configuration dominates when double bonds are present [23,25]. Compounds with four or more double bonds are abundant in fish oils; they have not been used to make biodiesel fuels because of their instability in air and at high temperatures. The major difference between the commercial biodiesels and synthetic canola-based biodiesel is the presence of C18:3 (cis-9,12,15, cis-6,9,12) isomers in the latter. Home-made biodiesels are deficient in the anti-oxidants and fuel additives used in commercial products, causing instability during storage and handling [1].	3.1. Состав МЭЖК в образцах биодизельного топлива Хроматографический анализ, метод стандартной смеси МЭЖК, содержащей 37 компонентов, дал хорошее разделение пиков, которое позволяет однозначно идентифицировать любое соединение (см дополнительную информацию, рис. S1). Зная времена удерживания и масс-спектр компонентов МЭЖК, сходные по составу образцы биодизеля было легко найти. На рис. 1 показана хроматограмма полного ионного тока (ТИК) для каждого из свежеприготовленных образцов биодизеля, на которой отмечены пики индивидуальных компонентов. Массовые доли каждого из МЭЖК приведены в таблице 1. C18:1цис-9 наиболее распространенный компонент во всех четырех биодизелях [10]. Таблица 1 показывает, что исследуемые биодизели имеют много общих соединений, таких как метиловые эфиры С12:0, С14:0, С16:0, С17:0, С17:1цис-10, С18:0, С18:1цис-9, С18:2цис-9,12 и C18:3цис-9,12,15. Эти жирные кислоты широко распространены в большинстве источников жира (соевое масло, подсолнечное масло, рапсовое масло, пальмовое масло, оливковое масло, кукурузное масло, сафлоровое масло, кокосовое масло, свиное сало, сливочное масло, жир) и используются в приготовлении биодизеля [23,24]. Свойства биодизелей очень сильно зависят от структуры их МЭЖК [1,20]. Биодизель, полученный из природных источников, содержит преимущественно МЭЖК с четным числом атомов углерода, которые варьируются в пределе от 12 до 22 атомов и когда присутствуют двойные связи ‒ доминирует цис-конфигурация, [23,25]. Соединения с четырьмя или более двойными связями ‒ в изобилии в рыбьем жире; но они не использовались в приготовлении биодизельного топлива из-за их неустойчивости в воздухе, и при высоких температурах. Основное отличие коммерческих биодизелей от синтетического биодизеля на основе рапса, в присутствии С18:3 (цис-9,12,15, цис-6,9,12) изомеров в последнем. В биодизелях собственного изготовления, не хватает антиоксидантов и топливных присадок, используемых в коммерческих продуктах, отсутствие которых приводит к нестабильности при работе и хранении топлива[1].
3.2. Degradation during weathering The oils all darkened in colour during the weathering procedures. The commercial oils, which have added antioxidants became brown, while the laboratory-prepared sample was an orange–brown colour. In separate electrospray mass spectrometry experiments (not detailed here) we have observed higher mass compounds in the range 500–900 Da in fresh and weathered samples. The nature of these species is presently being investigated. The total ion chromatograms of biodiesels during weathering are shown in Supplementary Information Figs. S2–S5. For the samples weathered on seawater and exposed to the sun, the rate of degradation of the individual FAMEs depended on their structure, level of unsaturation, double bond configuration, presence/absence of conjugation and double bond position (Fig. 2). For a given carbon chain length, the degradation rate increased with the number of double bonds and extent of conjugation. C18:3 cis-9,12,15 degraded completely after 3 days, C18:2 cis-9,12 decreased dramatically in 3 days and disappeared totally after 10 days. C18:1 cis-9 had the highest peak when the sample was fresh. It decreased slowly with weathering and showed a lower intensity than that of C18:0 after 71 days. By 19 days the whole TIC profile had changed in terms of both relative and absolute intensities. After 28 days C16:0 became the major compound. Saturated compounds were more persistent than unsaturated compounds. Long chains (20 carbon atoms and above) and short chains (12 carbon atoms and below) degrade faster than medium chains such as C16:0 and C18:0 which have very similar stabilities. For the same number and the same position of double bond(s), isomers with cis configuration degraded faster than those with trans geometry. The cis double bonds are more vulnerable to oxidation from the unprotected side. In fresh samples C18:1 trans-9 showed a much less intense peak than that of C18:1 cis-9 (most intense peak). After 28 days C18:1 trans-9 still persisted in the TIC (reduced to 69% of its initial value) while C18:1 cis-9 had decreased significantly (reduced to 3% of its initial value). Two new peaks (at 26.40 min and 26.93 min) appeared in the TICs of all the biodiesels after they had been weathered for 10 days. Their mass spectra show fragments at m/z 155, 187 and 199, representative of methyl 9,10-epoxy-octadecanoate [26], oxidation products of C18:1 cis-9 and C18:1 trans-9 [26].	3.2. Деградация в процессе выветривания Все топлива изменили цвет (потемнели) в процессе выветривания. Коммерческие топлива, в которые добавили антиоксиданты ‒ стали коричневого цвета, в то время как в лабораторных условиях получили образец оранжево-коричневого цвета. В отдельных экспериментах методом масс-спектроскопии с электрораспылением (здесь не описаны) мы наблюдали большое количество молекул с массами в диапазоне 500-900 Да в свежеприготовленных, чем в выдержанных образцах. Природа и характер этих образцов в настоящее время исследуются. Полные ионные хроматограммы биодизелей в процессе выветривания приведены в дополнительной информации, на рис. S2-S5. Для образцов, выветриваемых с поверхности морской воды под воздействием солнечного света, скорость деградации отдельных МЭЖК зависит от их структуры, степени ненасыщенности, конфигурации двойной связи, наличия/отсутствия сопряженных двойных связей и их расположение (рис. 2). При заданной длине углеродной цепи, скорость разложения увеличивается с числом двойных связей и степенью сопряжения. С18:3 цис-9,12,15 разложились полностью после 3 дней, С18:2 цис-9,12 резко уменьшилось в течение 3 дней и полностью исчезали после 10 дней. C18:1 цис-9 был самым высоким пиком, в свежеприготовленном образце. Он медленно уменьшается в процессе выветривания, и показал наименьшую интенсивность, чем С18:0 после 71 дня. К 19 дню, весь профиль полной ионной хроматограммы (ТИК) изменился, с точки зрения как относительных, так и абсолютных интенсивностей. После 28 дней С16:0 стало основным соединением. Насыщенные соединения более стойкие, по сравнению с ненасыщенными соединениями. Длинные цепи (20 атомов углерода, и выше) и короткие цепочки (12 атомов углерода, и ниже) разлагаются быстрее, чем средние цепи, такие как С16:0 и С18:0, которые обладают очень схожей устойчивостью. Изомеры с цис-конфигурацией разлагаются быстрее, чем соединения, с тем же числом и таким же положением двойной(-ых) связи(-ей), которые имеют транс-конфигурацию. Цис-конфигурации двойных связей больше подвержены окислению с незащищенной стороны. В свежих образцах С18:1 транс-9 показал гораздо менее интенсивный пик, чем С18:1 цис-9 (наиболее интенсивный пик). После 28 дней С18:1 транс-9 по-прежнему сохраняется пик в ТИК (пониженный до 69% от ее исходного значения), тогда как C18:1 цис-9 значительно уменьшился (снижен до 3% от его исходного значения). Два новых пика (на 26,40 мин и на 26,93мин) появились на всех ТИКах биодизелей, после того как они были подвержены выветриванию в течение 10 дней. Их масс-спектры показали фрагменты m/z = 155, 187 и 199, характерные для метил-9,10-эпокси-октадеканоата [26], продукта окисления С18:1 цис-9 и C18:1 транс-9 [26].
3.3. Photo-oxidation versus biodegradation Separate experiments allowing only photo-oxidation or only biodegradation show clearly that the preferential degradation of unsaturated compounds in the outdoor environment is largely due to photolytic effects (Figs. 3 and 4). For saturated compounds both modes of degradation independently lead to persistence levels of around 60% after ten days. In the presence of esterase secreting b-proteobacteria FAMEs break down to give methanol and free fatty acid which is released into the medium. The free fatty acid follows a b-oxidation path that eliminates two carbon units per cycle to finally give CO2 and H2O [13,14]. b-oxidation requires the presence of a range of enzymes and cofactors and it is only a continuous reaction when the substrate fatty acid is saturated and presents an even number of carbon atoms [14,27]. When fatty acids contain double bonds, boxidation is interrupted and two additional reactions are required to convert the double bond to a single bond and allow the completion of the b-oxidation reaction [28]. When the fatty acid chain contains an odd carbon atom number, three additional reactions are required to add an extra carbon unit to the hydrocarbon chain and change its odd carbon atom number to an even number compatible with the enzymes and cofactors of the b-oxidation path. We found evidence of a slower rate of degradation of odd carbon number compounds in the present study. Accordingly, more b-oxidation cycles are needed to complete the oxidation of longer fatty acid chains [13]. Shorter fatty acid chains are more quickly and completely biodegraded than their long-chain counterparts.	3.3. Фото-окисление в сравнении с биодеградацией Отдельные эксперименты, под воздействием только фотоокисления или только биодеградации показывают, что предпочтительными для разложения ненасыщенных соединений являются уличные условия, в значительной степени объясняющие фотолитические эффекты (рис. 3 и 4). Для насыщенных соединений в обоих случаях разложение независимо приведет к сохранению на уровне 60% после десяти дней. В присутствии эстеразы выделяются b–протеобактерии МЭЖК, при разложении которых образуется метанол и свободные жирные кислоты, выделяющиеся в среду. Свободные жирные кислоты следуют по пути b-окисления, который удаляет два углеродных атома в каждом цикле, чтобы, наконец, дать CO2 и H2O [13,14]. Для b-окисления необходимо присутствие ряда ферментов и кофакторов, и необходима непрерывная реакция, когда подложка жирной кислоты является насыщенной и представляет собой четное число атомов углерода [14,27]. Когда жирные кислоты содержат двойные связи ‒ окисление прерывается, и для преобразования двойной связи в одинарную связь, чтобы завершить реакцию b-окисления, необходимы две дополнительные реакции [28]. Если цепь жирной кислоты содержит нечетное число атомов углерода, то необходимо три дополнительных реакции: добавить дополнительный атом углерода в углеводородную цепь, и заменить ее нечетное число атомов углерода четным числом, совместимым с ферментами и кофакторами в направлении b-окисления. В данном исследовании мы нашли доказательства более медленного разложения соединений с нечетным числом атомов углерода. Соответственно, необходимо больше циклов b-окисления, для завершения окисления длинных цепей жирных кислот [13]. Более короткие цепи жирных кислот быстрее и более полно биодеградируют, чем их длинноцепочечные аналоги.
3.4. Diagnostic ratios (DR) ‘‘Diagnostic ratios’’ (DR) of stable compounds are useful to identify a particular biodiesel during weathering [29, 30]. The concept was introduced by the Nordisk Innovations Centre (Nordtest) in 1991 (NT CHEM 001) and is a powerful and robust tool used to obtain chemical fingerprints of spilled oils and suspected sources [30,31]. In Nordtest methodology, compound(s) favoured by bacteria and sunlight are excluded and the diagnostic ratios are calculated based upon stable target compounds. In this study we have concentrated on FAMEs which all, eventually, degrade. However as seen above saturated FAMEs degrade by either mechanism (photo- or bio-degradation) at about the same rate. Therefore ratios of chosen saturated compounds might be sufficiently stable to afford useful diagnostic ratios. The most stable ratio was C16:0/ (C16:0 + C18:0) which had relative standard deviations, over 71 days of weathering, of less than 2% for the four oils studied (see Table 2). Plots of DR’s for different combinations of saturated FAMEs for the studied biodiesels are shown in Supplementary Information Fig. S6, and in the case of C16:0/C18:0 for the literature values of single biodiesels in Fig. S7. How the DR fares with a range of biodiesels is shown in Fig. 5. We have taken data from Table 1 of Catharino et al. [4] of the compositions of fresh biodiesels, calculated the DR C16:0/(C16:0 + C18:0) and have applied our calculated pooled standard deviations arising from weathering over 71 days to these values. The figure shows the differences across the range of different biodiesels is large compared to the variation in each DR, indicating that a particular sample of biodiesel could be tracked during weathering using the DR. More work needs to be done to see if these ratios are representative for a particular kind of biodiesel, but we note that our biodiesel 4, which was prepared from canola oil, falls next to the ratio for canola calculated from Catharino’s data.	3.4. Диагностические показатели (DR) '' Диагностические коэффициенты '' (DR) стабильных соединений могут быть использованы для идентификации конкретного биодизеля при атмосферном воздействии [29,30]. Понятие было введено Скандинавским Центром Инновации (Нордтест) в 1991 году (NT CHEM 001) и представляет собой мощный и надежный инструмент, используемый для получения химических отпечатков пальцев разлитых топлив и их предполагаемых источников [30,31]. В методе Нордтеста, используются соединение(-я) преимущественно разлагающиеся от бактерий и солнечного света, за исключением диагностических показателей, рассчитанных на основе стабильных целевых соединений. В этом исследовании мы сосредоточились на МЭЖК которые, в конце концов, полностью разрушаются. Однако, как мы видели раньше, насыщенные МЭЖК разлагаются только одним из механизмов (фото- или био-деградацией) примерно с такой же скоростью. Поэтому соотношение выбранных насыщенных соединений, может быть достаточно стабильным, чтобы позволить использовать его в качестве диагностического коэффициента. Самым стабильным показателем было отношение С16:0/(С16:0+С18:0), которое имеет относительное стандартное отклонение менее чем 2% для четырех изученных топлив, в период более 71 дня выветривания (см. таблицу 2). Наземные DR для различных комбинаций насыщенных МЭЖК для изученных биодизелей приведены в дополнительной информации на рис. S6, и в случае C16:0/С18:0 для значений отдельных биодизелей в литературе на рис. S7. Так DR в различном диапазоне биодизелей показаны на рис. 5. Мы взяли данные из таблицы 1 Катарино и др. [4], состав свежих биодизелей рассчитали по DR из соотношения C16:0/(С16:0+С18:0) и применили к нашим расчетам среднее стандартное отклонение для этого значения, возникающее в результате выветривания в течение 71 дня. На рисунке показано на сколько большие отличия между биодизелями в различном диапазоне, по сравнению с изменением в каждом DR, учитывая, что конкретный образец биодизельного топлива может быть отслежен в процессе выветривания с помощью DR. Необходимо провести больше исследований, чтобы увидеть, являются ли эти отношения характеристическими для конкретного вида биодизеля. Однако отметим, что значение DR нашего биодизеля 4, который был приготовлен на основе рапсового масла, стоит рядом с соотношением для рапса, рассчитанного по данным Катарино.
4. Conclusions The fatty acid methyl ester components of biodiesels degrade in the environment in response to biological action, and for unsaturated molecules, by photo-oxidation. As unsaturated FAMEs comprise a large part of biodiesels, the composition changes considerably as a biodiesel weathers. Saturated compounds, particularly C14:0, C16:0 and C18:0 weather slowly and at approximately the same rates. Therefore ratios of the mass fractions of these compounds remain remarkably constant during long periods of degradation. In the absence of stable biomarkers, diagnostic ratios of these compounds are candidates for identifying the sources of biodiesel spills.	4. Выводы Компоненты метиловых эфиров жирных кислот биодизелей разлагаться в окружающей среде под биологическим воздействием на ненасыщенные молекулы, путем фотоокисления. Так ненасыщенные МЭЖК составляют большую часть биодизелей, состав которых при выветривании значительно меняется. Насыщенные соединения, особенно С14:0, С16:0 и С18:0 при выветривании изменяются медленно и примерно одинаковыми темпами. Поэтому соотношение массовых долей указанных соединений остается на удивление постоянной величиной в течение длительных периодов деградации. В отсутствие стабильных биомаркеров, диагностические коэффициенты этих соединений являются кандидатами для выявления источников биодизельных разливов.

doi:10.1016/j.fuel.2011.03.041

Знаков (без пробелов) – 17476

Знаков (с пробелами) – 20675

Анализ перевода

В данной работе представлен перевод двух научных статей узкой специальности, найденных в закрытых англоязычных источниках сети Интернет.

Стиль данных статей ‒ научно-технический. Тип текста – собственно научный, что подтверждено горизонтальной структурой, состоящей из:

§ краткого содержания

§ введения

§ основной части

§ выводов

§ приложений или дополнительных сведений.

Статьи, переведенные в данной дипломной работе, будут полезны научным сотрудникам, изучающим химию, физическую химию, экологию, нефтехимию и новые виды топлива.

Основными трудностями, с которыми сталкиваются переводчики при переводе научных статей и публикаций данной тематики связаны со специальной терминологией, описывающей разливы топлива на поверхности воды, методы их исследования и возможные пути устранения последствий разливов. Соответственно, переводчик должен обладать хорошими знаниями в данной области нефтехимии. Специальная терминология, используемая при переводе научно-технических статей данной работы, представлена в словаре. Перевод грамматических и лексических конструкций не вызывает особых затруднений, благодаря последовательному однородному повествованию.