ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2008, том 63, № 8, с. 880-886
^=ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 547.62:582.475.4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ХВОЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (Pinus sylvestris L.) - БИОМОНИТОРЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
© 2008 г. А. Г. Горшков
Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук 664033 Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3 Поступила в редакцию 28.05.2007 г., после доработки 20.09.2007 г.
Разработана методика определения полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в хвое сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), отличающаяся простой и эффективной подготовкой пробы. Методика включает стадии экстракции ПАУ н-гексаном при облучении ультразвуком, осаждение сопутствующих воскоподобных компонентов из экстракта при его охлаждении, очистку фракции ПАУ на патроне с силикагелем (0.5 г) и перерастворение сконцентрированного элюата в метаноле. Количественное определение ПАУ (15 соединений, в том числе 13 приоритетных) с применением метода хроматомасс-спектрометрии в режиме селективного ионного детектирования характеризуется внут-рилабораторной прецизионностью результатов определения ПАУ УКл = 0.059-0.088 при их содержании в хвое от 0.3 до 600 нг/г и пределом обнаружения 0.06 нг/г (соотношение сигнал/шум = 3, масса образца, взятого для экстракции, 10 г). Представлены уровни накопления ПАУ в хвое сосны обыкновенной, впервые исследованной в качестве биомонитора загрязнения атмосферы над южной частью Байкальской природной территории.
О возможности листвы растений и хвои хвойных пород аккумулировать из атмосферы органические вещества впервые было сообщено в работах [1, 2]. Однако, применение этого феномена в мониторинге загрязнения атмосферы не нашло должного отражения, несмотря на открывшийся принципиально новый способ контроля распространения стойких органических загрязнителей (СОЗ). Данное положение объясняется рядом нерешенных аналитических проблем определения СОЗ в растительном материале, которые связаны с многокомпонентным химическим составом растительных объектов, содержанием в них СОЗ на уровне млрд-1 и, главным образом, с наличием в матрицах соединений, которые по своему строению и физико-химическим свойствам подобны органическим загрязнителям. Указанные особенности состава растительного материала проявляются в совместной экстракции СОЗ и компонентов пробы, и далее в их совместном элю-ировании при анализе экстрактов методами хроматографии. Включение метода хроматомасс-спектрометрии (ГХ-МС) в аналитическое окончание методик позволило значительно повысить их селективность и чувствительность. В то же время
широкий спектр способов подготовки растительных образцов для определения в них СОЗ [3-8] отражает, по-видимому, как индивидуальность химических составов данных объектов, так и незавершенность поиска оптимальных путей анализа.
Для Байкальской природной территории (БПТ) как модели территории устойчивого развития мирового значения внедрение современных технологий мониторинга СОЗ имеет особо важное и актуальное значение. В частности, применение биомониторов позволило бы установить границы аэротехногенного загрязнения атмосферы в Южном Прибайкалье по результатам длительного коммуникативного действия загрязняющих веществ на растительные объекты. Цель настоящей работы заключалась в разработке методики определения полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в хвое сосны обыкновенной и в последующей ее апробации в рамках мониторинга загрязнения атмосферы южной части БПТ. Выбор сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в качестве биомонитора обусловлен прекрасными аккумулирующими свойствами ее хвои и доминированием сосны среди лесообразую-
щих пород региона [9]. ПАУ относятся к основным компонентам органической фракции аэрозоля в Прибайкалье [10, 11] и поэтому могут быть информативными трассерами перемещения воздушных масс, загрязненных СОЗ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Отбор проб хвои сосны обыкновенной проводили на БПТ, включающей промышленные районы Прибайкалья, южное побережье оз. Байкал, а также на фоновых участках (северные районы БПТ). На каждой пробной площади с 5-6 деревьев 30-40-летнего возраста срезали ветви верхней части кроны. В лабораторных условиях хвою каждого года жизни отделяли от побегов, каждую пробу тщательно перемешивали и упаковывали в алюминиевую фольгу, масса пробы свежей хвои составляла 2-3 кг. До начала анализа образцы хвои хранили при -5°С. Перед анализом брали две навески хвои ~10 г. В первом образце оценивали влажность хвои, высушивая ее до постоянной массы при температуре +60°С в течение 12-14 ч, из второго - экстрагировали ПАУ. При экстракции к образцу хвои в колбе объемом 250 мл добавляли 100 мл н-гексана и 0.05 мл раствора стандарта (смесь аценафтена-d^, фенантрена-й10, хризена-d^ и перилена-d^ в изо-пропаноле с концентрацией 5 мкг/мл каждого). Экстракцию проводили в течение 0.5 ч при комнатной температуре в ультразвуковой ванне дважды. Экстракты объединяли и выдерживали при +5°С в течение 10-12 ч, затем фильтровали через бумажный фильтр "белая лента", отделяя выпавшие в осадок воскоподобные вещества. Фильтрат концентрировали на роторном испарителе при +45 °С до объема ~1 мл, концентрат переносили в закрывающуюся пластиковую пробирку объемом 2 мл и оставляли на ночь при температуре +5°С. В случае выпадения осадка концентрат центрифугировали при 2500 g в течение 3 мин, надосадочную жидкость отделяли и концентрировали в токе аргона при комнатной температуре до объема 0.1 мл, затем наносили на патрон с силикагелем (500 мг, Discovery® SPE DSC-Si, "Supelco"). Фракцию ПАУ с патрона элюировали 5.5 мл н-гексана, отбрасывая первые 0.5 мл, затем 2 мл смеси (9 : 1) н-гексан : бензол. Объединенный элюат концентрировали на роторном испарителе при температуре +45°С до объема ~0.5 мл, концентрат переносили в пластиковую пробирку объемом 2 мл и в токе аргона при комнатной температуре доводили его объем до ~0.1 мл. К сконцентрированному элюату добавляли 1 мл метанола и энергично встряхивали, оставляли на 0.5 ч при температуре -10°С, выпавший осадок отделяли центрифугированием. Надосадочную жидкость кон-
центрировали в токе аргона при комнатной температуре до объема ~0.5 мл, к концентрату добавляли 0.01 мл стандарта (антрацен-d^ в смеси (95 : 5) изо-пропанол : бензол с концентрацией 15 мкг/мл).
Определение ПАУ проводили на хроматомасс-спектрометре "Agilent, GC System 6890, MSD 5973" при следующих условиях: колонка DB-5ms, 30 м х 250 мкм; температуратурный режим колонки: 95°С в течение 0.5 мин, подъем со скоростью 10°С/мин до 310°С и изократический режим в течение 8 мин при 310°С; температура дозатора 290°С; объем вводимого образца 2 мкл в режиме без разделения потока. ПАУ детектировали в режиме мониторинга молекулярных ионов с ионизацией электронным ударом при 70 эВ, выбор временных интервалов детектирования ионов устанавливали согласно удерживанию аналитов. Количественные определения проводили по методу внутреннего стандарта с применением дейтерированных аналогов - аценафтена-d^, фенантрена^10, хризена-d^ и перилена-d^. Градуировочные характеристики:
тПАУ , ^ПАУ
- = к -
m
ст
ст
имели коэффициенты корреляции не менее 0.985-0.998, где тПАУ - масса ПАУ в анализируемом экстракте, нг; тст - масса стандарта в анализируемом экстракте, нг; 5ПАУ - площадь пика определяемого ПАУ, отн. ед.; 5СТ - площадь пика стандарта, отн. ед.; к - калибровочный коэффициент.
Массу ПАУ в хвое рассчитывали с учетом ее влажности как среднее значение для двух результатов определения в одной пробе. Внутрилаборатор-ную прецизионность методики измерения содержания ПАУ оценивали путем расчета относительных дисперсий отклонений параллельных результатов от средних значений (при числе степеней свободы / равном 30-40) [12]. Проверку однородности дисперсий для выделенных подгрупп проводили по критериям Кохрена и Фишера. Правильность определения концентраций ПАУ проверена методом добавок. При этом добавку к навеске хвои вводили в виде раствора ПАУ в н-гексане, максимально распределяя раствор по поверхности навески. После испарения растворителя проводили экстракцию. Полноту извлечения ПАУ оценивали по зависимостям соотношений площадей пиков суррогатных стандартов аценафтена^10, фенантрена^10, хризе-на^12, перилена^12 и хроматографического стандарта антрацена^10:
Я = kSCCT/Sxcт,
где Я - степень извлечения, %; 5ССт - площадь пика суррогатного стандарта, отн. ед.; 5 ХСт - площадь пи-
ПАУ ПАУ
Рис. 1. Содержание ПАУ в экстрактах хвои, полученных при различных способах подготовки пробы: ц] - по разработанной методике, ^ - с измельчением хвои перед экстракцией до размеров <2 мм;
а -основные компоненты, б - минорные компоненты фракции ПАУ: 5 - фенантрен, 7 - флуорантен, 8 - пирен, 10 - хризен, 13 - бензИ пирен, 14 - бензИ пирен, 16 - индено[1,2,3-c,d]пирен, 17 -бенз^^Д]перилен. Проба хвои отобрана в парковой зоне г. Иркутска, октябрь 2006 г. Возраст хвои 2 года.
ка хроматографического стандарта, отн. ед.; к - калибровочный коэффициент.
Очистку фракции ПАУ методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) проводили на хроматографе "Милихром А-02" с колонкой 75 х 2 мм, заполненной сорбентом Nucleosil 100, C18, PAH. Разделение образца экстракта хвои проводили по методике [13], собирая элюат в интервале от 3 до 11 мин. Собранную фракцию (8 мл за 5 циклов) концентрировали на роторном испарителе при температуре +45°С до объема ~2 мл, к концентрату добавляли 0.4 мл воды и 0.1 мл н-гексана. Смесь энергично встряхивали, центрифугировали 3 мин при 2500 g, надосадочную жидкость анализировали методом ГХ-МС.
Лабораторный фон ПАУ по результатам "холостых" опытов не превышал предела обнаружения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Оптимизация стадии подготовки проб хвои.
Классические способы подготовки образцов растительных объектов для анализа при изучении их химического состава и идентификации отдельных органических компонентов предполагают наличие стадии гомогенизации пробы путем ее измельчения и последующей экстракции с применением, как правило, аппаратов Сокслета. В разработанной ме
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.