УДК 550.47:556.54
Новые данные о распределении органических соединений в снежно-ледяном покрове
Восточной Антарктиды
© 2010 г. И.А. Немировская, Н.Г. Чернявский
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва nemir@ocean.ru
Статья принята к печати 3 июня 2009 г.
Липиды, морской лёд, органические соединения, припай, углеводороды.
Fast ice, hydrocarbons, lipids, organic compounds, sea ice.
Приводятся данные по содержанию и составу органических соединений - липидов и углеводородов в снежно-ледяном покрове припайных льдов и материковых озёр Восточной Антарктиды. Установлено, что аккумулирование органических соединений наблюдается в слоях, где наиболее интенсивно протекают автохтонные процессы (в основном на границе снег-лёд и лёд-вода). Эти зоны даже при низких температурах остаются активной биогеохимической средой. Сравниваются данные по распределению и составу органических соединений в антарктических льдах, полученные в 2001, 2003 и 2008 гг. в этих районах.
В рамках Международного полярного года проведено исследование органических соединений (ОС), а в их составе — липидов и углеводородов (УВ), и сопоставлено распределение их взвеси в снеге, льдах, подлёдной воде и поверхностных водах в прибрежных районах Восточной Антарктиды (от моря Лазарева до моря Дейвиса) и на материке, в районе российских станций Новолазаревская, Прогресс, Дружная, Мирный (третий этап 53-й РАЭ; март-апрель 2008 г., рис. 1). Работы по изучению различных морских льдов и снега, а также осадочного вещества проводили по программе, которая выполняется в Арктике и Антарктике на протяжении нескольких лет сотрудниками Института океанологии им. П.П. Ширшова.
Большинство работ, касающихся изучения снежно-ледяного покрова Антарктиды, посвящено структуре и физическому составу льдов [1, 2, 15 и др.], а также их биологическим свойствам [4, 7, 8, 16, 20 и др.]. Исследование в Антарктиде ОС, имеющих самую разную природу, интересно с нескольких точек зрения. Вся деятельность человека в этом районе связана с перегрузкой и потреблением топлива. На многих антарктических станциях происходят нефтяные разливы [17, 19]. Высокоширотные акватории наиболее уязвимы к разливам нефти, поскольку экстремальные условия - низкие температуры, ледяной покров и полярная ночь - замедляют самоочищение их природных систем. Именно поэтому при мониторинге влияния научной деятельности и транспортных операций, проводимых в Антарктиде, на окружающую среду важная роль отводится различным ОС и углеводородным классам [11]. Кроме того, даже при низких температурах в морской среде
образуются автохтонные ОС, синтезируемые главным образом фитопланктоном [9].
Необходимо учитывать также, что снег и лёд содержат ОС, поступающие с эоловой взвесью, которая может иметь терригенное происхождение. Изучение ОС в снеге позволяет проследить их поступление в результате атмосферного переноса. Органические соединения из различных источников распределяются между снегом, льдом, морской водой, взвесью и донными осадками. Особенно важно исследовать геохимические барьерные зоны, где наиболее интенсивно протекают процессы рассеивания и концентриро-
Рис. 1. Основные районы работ в Антарктиде Fig. 1. Location of the main sites studied in Antarctica
вания различных соединений: вода—атмосфера, снег—лёд, лёд—вода, вода—дно и т.д.
Цель настоящего исследования — установить изменения в содержании и составе ОС липидов и углеводородов (алифатических УВ и полициклических ароматических углеводородов ПАУ) по мере роста припайных льдов разного типа и сравнить с распределением их во взвеси, а также в снежно-ледяном покрове материковых озёр Антарктиды. Такие данные необходимы для изучения глобальной системы круговорота углерода и определения фоновых уровней соединений, имеющих природное или антропогенное происхождение.
Методика исследования
При отборе и анализе проб снега, льда и воды соблюдали меры, необходимые для предотвращения загрязнения [9]. Керн льда отбирали на снежно-ледовых полигонах с помощью ручного титанового кольцевого бура (d = 14,5 см), затем его распиливали на части с одинаковым строением. Блоки керна помещали в специальные баки. Для получения большого количества воды одновременно растапливали 10—15 образцов керна. Время плавления керна — 2—2,5 суток.
Пробы шуги отбирали с борта судна специальным сетчатым треугольным экраном (размер пор 1 мм2), рекомендованным для отбора проб поверхностного микрослоя [14]. Взвесь для изучения ОС из растопленных проб снега и льда получали путём фильтрации на стекловолокнистых фильтрах GF/F; для изучения взвеси использовали также ядерные фильтры, количество её определяли гравиметрически.
Исследование ОС вели с помощью методов, принятых при анализе природных и антропогенных соединений [9, 13]. Липиды экстрагировали метилен-хлоридом. Концентрацию липидов (до колоночной хроматографии на силикагеле) и алифатических УВ (после колоночной хроматографии на силикагеле) определяли ИК-методом на приборе IR-435 Shimadzu (Япония). В качестве стандарта использовали следующую смесь (по объёму): 37,5 % изоокта-на, 37,5 % гексадекана и 25 % бензола. Стандарт приготовлен из ампулы стандартного раствора ГСО 7248—96; разработчик — АОЗТ «Экрос». Этот метод используется в качестве арбитражного при анализе нефтяных УВ [13].
Содержание и состав ПАУ определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) в градиентном режиме от 75 до 100 % ацето-нитрила на приборе Милихром-02-Эконова (РФ). Измерения проводили при 254 нм; идентификацию вели по времени выхода индивидуальных полиаре-нов, полученных из лаборатории Environmental Protection Agency (США). Пороговая чувствитель-
ность метода по антрацену — 0,4 нг в пике. Были идентифицированы следующие незамещенные полиарены: фенантрен (Ф), антрацен (А), флуоран-тен (ФЛ), пирен (П), трифенилен (ТР), хризен (ХР), перилен (ПЛ), бенз(а)пирен (БП), бенз(к)флуоран-тен (БкФЛ), 1,12 бензперилен (БПЛ).
Результаты и обсуждение
Полученные результаты показали, что в рыхлом фирнизированном мелкозернистом свеженаметён-ном снеге в районе ледяного барьера станции Новолазаревская содержание ОС низкое; концентрация УВ составила всего 3—4 мкг/л (табл. 1, рис. 2). Эти величины значительно ниже установленных в фирне барьера в 2003 г., когда содержание УВ во взвеси снега достигало 60 мкг/л [10]. Очевидно, из атмосферы со снегом поступает незначительное количество УВ, так как антарктическая атмосфера характеризуется крайне низким содержанием терригенного аэрозоля [5]. Поэтому, несмотря на малую растворимость, УВ содержатся в основном в растворённой форме. Ранее в свежевыпавшем снеге на поверхности континентальных озёр их содержание было всего 2—3 мкг/л [10]. ПАУ также содержатся в основном в растворённой форме. В их составе доминируют низкомолекулярные природные соединения — фенантрен, хризен и перилен.
Концентрации УВ в фирне в районе станции Мирный (4—12 мкг/л) также оказались более низкими, чем в 2003 г., особенно во взвешенной форме, где они колебались от 7 до 11 мкг/л (см. табл. 1). Такие содержания могут свидетельствовать о незначительном загрязнении снежного покрова в результате деятельности станции.
На континенте льдам присуще довольно однородное строение. Керн, отобранный на барьере станции Новолазаревская, в верхнем слое 0—11 см, представлен фирном без прослоек (описание льдов сделано Л.М. Саватюгиным, ААНИИ). Слой 12—81 см состоял из однородного крупнозернистого льда с многочисленными воздушными включениями цилиндрической формы, ориентированными горизонтально. При отсутствии непосредственного загрязнения концентрации ОС варьировали незначительно и отличались низкими величинами, как и у снега (2—6 мкг/л; см. табл. 1, рис. 2). Однако концентрации ПАУ при переходе от снега ко льду в растворённой форме уменьшались в 3 раза — соответственно 45,3 и 14,5 нг/л. При этом в их составе увеличивалась доля флуорантена и пирена, имеющих пирогенное происхождение.
На станции Новолазаревская в прозрачном льду оз. Верхнее концентрации взвеси (0,3 мг/л) и УВ (2 мкг/л) также оказались низкими: в 5,4—9 раз ниже, чем в подлёдной воде (см. табл. 1). В 2003 г.
Таблица 1. Распределение органических соединений в снежно-ледяном покрове на Антарктическом материке*
Проба Горизонт, см Липиды Углеводороды Углеводороды, % от липидов
мкг/л
Ледовый барьер (район перегрузки оборудования на станцию Новолазаревская)
Снег 0-10 8,0 3,9 48,8
4,8 2,8 57,2
Лёд 0-11 9,0 4,1 44,9
11,3 5,0 63,4
Лёд 12-81 2,6 1,8 23,8
13,3 5,8 43,6
Станция Новолазаревская, оз. Верхнее
Лёд 0-30 3,9 1,9 49,0
7,3 2,2 29,8
Подлёдная вода 19,49 10,36 53,1
31,53 19,76 62,7
Обсерватория Мирный
Фирн 0-10 20,0 12,0 60,1
7,2 4,5 63,1
Лёд 0-50 34,6 4,8 13,7
266,0 61,8 23,2
Станция Прогресс, оз. Степпед
Снег 0-10 49,2 37,4 76,0
32,8 21,9 66,8
Снег 10-20 31,3 26,1 83,3
134,2 82,4 61,4
Лёд 0-20 49,9 42,5 85,1
119,4 49,9 41,8
Лёд 21-38 54,2 34,8 64,2
21,9 12,6 57,4
Подлёдная вода 12,0 4,5 37,8
56,7 29,4 51,8
*Здесь и в табл. 3 в числителе — растворённая форма, в знаменателе — взвешенная.
лёд на озере отсутствовал, однако в поверхностной воде содержание взвеси достигало 4,4 мг/л, а УВ во взвеси — 81 мкг/л. Столь значительная вариабельность в величинах УВ, возможно, объясняется различной циркуляцией атмосферных потоков из оазиса Ширмахера, а также более низкой температурой воздуха в 2008 г. В результате талые воды, которые ранее приносили взвесь в озеро, отсутствовали, что способствовало повышению содержания взвеси и ОС во взвеси.
Напротив, в эпишельфовом оз. Степпед (район российской станции Прогресс и китайской станции Зонгшан) содержание УВ в снеге в 2008 г. оказалось значительно выше (до 82 мкг/л во взвеси снега), чем в 2003 и 2001 гг. (< 6 мкг/л; см. рис. 2). При этом в слое 11—20 см концентрации УВ были больше величин, установленных в слое 0—10 см (свеженаметён-ный снег), почти в 4 раза, а ПАУ — в 2 раза (соответственно 467 и 959 нг/л). При этом в составе ПАУ
в верхнем слое снега доля природных соединений — фенантрена и хриз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.