научная статья по теме ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ДОЗ БЕНЗ[А]ПИРЕНА НА СОСТАВ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПЕСЧАНОЙ КУЛЬТУРЕ Сельское и лесное хозяйство

АГРОХИМИЯ, 2015, № 6, с. 90-96

Экотоксикология

УДК 632.122.2:547.814:547.912

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ДОЗ БЕНЗ[а]ПИРЕНА НА СОСТАВ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

В ПЕСЧАНОЙ КУЛЬТУРЕ*

© 2015 г. Е.В. Яковлева, Д.Н. Габов, В.А. Безносиков

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения 167982, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28, Россия E-mail: кaleeva@ib.komisc.ru

Поступила в редакцию 29.01.2015 г.

Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в песчаной культуре, загрязненной бенз[а]пиреном в разных дозах, идентифицировано 14 структур полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Обнаружен эффект селективного образования ПАУ в субстрате, обусловленный дозами бенз[а]пирена. Предположено, что образование ПАУ в субстрате обусловлено разложением внесенного бенз[а]пирена и отмерших растительных остатков в результате жизнедеятельности растений и микробиоты, образовавшейся в их ризосфере. Установлено, что поглощение ПАУ растениями из субстрата минимально, наличие ПАУ в растениях определяется внутриклеточным синтезом.

Ключевые слова: бенз[а]пирен, полициклические ароматические углеводороды, песчаная культура.

ВВЕДЕНИЕ

В силу высокой биологической активности канцерогенного, мутагенного, тератогенного действия бенз[а]пирен (БП) относится к суперэкоге-нотоксикантам 1-го класса опасности и подлежит обязательному контролю в объектах окружающей среды [1, 2].

Сведения о загрязнении почвы БП приводят к необходимости оценить вероятность поглощения БП растениями и исследовать реакцию растительного организма на его воздействие, что позволит в перспективе использовать растения как индикаторы загрязнения среды ПАУ [3].

Почвы и растительные сообщества функционируют в тесной сопряженности. Несмотря на это обстоятельство, особенности накопления полиаренов в растениях и почвах недостаточно исследованы. Роль загрязненной почвы в накоплении ПАУ растениями остается дискуссионной. Наряду со сведениями о поглощении растениями полиаренов из почвы [4, 5], имеются данные об отсутствии такого поглощения [6, 7]. Ряд ученых

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 12-04-31189 мол_а, № 11-04-00086-а и программы УрО РАН - № 12-У-4-1003.

считает, что способность накапливать ПАУ - видовой признак растений [8, 9]. Многими авторами показана возможность синтеза полиаренов в растениях [10, 11]. Анализ процесса накопления стойких органических соединений растениями позволил предположить, что коэффициенты накопления являются нелинейной функцией содержания их в почвах. Это объясняется в случае невысоких концентраций сорбцией полиаренов почвой, при высоких - угнетающим действием на растения [12].

Результаты исследований авторов позволили выявить изменения молекулярного состава ПАУ почвы при загрязнении почвы бенз[а]пиреном и выращивании растений. Обнаружен эффект селективного образования ПАУ в почвах, обусловленный количеством внесенного бенз[а]пире-на [13]. Изменения молекулярного состава ПАУ в почве определяются различными факторами. ПАУ способны взаимодействовать с гуминовыми и фульвокислотами из-за высокого сродства к ним посредством донорно-акцепторных связей [14, 15]. При постоянном разрушении гумусовые вещества могут образовывать структуры полициклических ароматических углеводородов. В настоящее время установлено, что ПАУ входят в состав почвенных липидов [16]. Процессы разрушения

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ДОЗ БЕНЗ[а]ПИРЕНА.

91

полиаренов в почве во многом связаны с деятельностью растений и почвенных микроорганизмов [17]. Авторы предположили, что образование полиаренов возможно и в процессе трансформации бенз[а]пирена, внесенного в почву.

Цель работы - исследовать механизмы образования полиаренов в системе субстрат-растение в песчаной культуре под действием различных доз бенз[а]пирена.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В модельном эксперименте использовали ячмень (Hordeum vulgare L.) сорта Новичок. Сорт Новичок создан методом индивидуального отбора из сложной гибридной популяции 2-го поколения при скрещивании сортов Адам х Дуэт. Разновидность nutas, тип куста промежуточный, окраска листа - от зеленой до темно-зеленой, ушки серповидные, окрашены. Стеблевые узлы антоциановые, средняя высота растения - 71 см, колос двурядный. Отличительная черта сорта - высокая общая и продуктивная кустистость. Продолжительность вегетационного периода - около 70 сут [18].

Эксперимент проведен на песчаной культуре (для исключения образования ПАУ из органических веществ почвы) в контролируемых условиях. Субстрат - предварительно прокаленный боровой песок. Прокаливание проводили в муфельной печи при температуре 700°С. Повторность в опыте девятикратная. Использовали стеклянные сосуды, масса песчаного субстрата в каждом сосуде составляла 700 г. В сосудах устанавливали дренаж. В сосуды в водном растворе вносили питательную смесь солей следующего состава: 0.334 г NH4NO3, 0.166 г KNO3, 0.70 г Ca3(PO4)2, 0.25 г Fe2(SO4)3, 0.614 г KCI, 0.50 г MgSO4 • 7H2O, 0.50 г CaSO4 • 2H2O в расчете на 1 кг песка. Данная питательная смесь считается наилучшей для пшеницы, ячменя, гречихи и ряда других культур. БП вносили в дозах 1, 2, 3 и 4 мкг/100 г субстрата. Контрольный вариант - без внесения БП. Полиарены в исходном песчаном субстрате отсутствовали. Бенз[а]пирен в субстрат вносили в виде водного раствора соответствующей концентрации, приготовленного из сухого вещества, предварительно растворенного в ацетонитриле. Раствор БП в ацетонитриле был предварительно проанализирован на содержание БП и сопутствующих ПАУ для уточнения полученной концентрации. ПАУ (помимо БП) в приготовленном растворе обнаружены не были. В загрязненный субстрат высаживали предварительно проро-щенные семена ячменя, по 7 семян/сосуд. Полив проводили регулярно дистиллированной водой.

Опыт проводили в экспериментальной теплице Института биологии Коми НЦ УрО. По окончании опыта проведен химический анализ субстрата и растений на содержание ПАУ.

В основу определения ПАУ в песке положена методика ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.39-03 [19]. Экстракцию проводили при комнатной температуре смесью гексан : ацетон (1 : 1) с УЗ-обработкой экстракционной системы на УЗ-ванне Branson 5510 (США), руководствуясь методикой (US EPA Method 3550b) [20]. Погрешность измерения ПАУ в песке для доверительной вероятности P = 0.95 составляла 35% для диапазона измерений от 0.5 до 4 мкг/100 г и 25% для диапазона от 4 до 200 мкг/100 г включительно. Для определения содержания ПАУ в растениях использовали методику [13]. Качественное и количественное определение содержания ПАУ в песке осуществляли методом обращенно-фазовой ВЭЖХ в градиентном режиме и спектрофлуориметрическом детектировании на хроматографе "Люмахром" ("Люмэкс", Россия).

Статистическую обработку для оценки достоверности расхождений средних данных проводили при помощи i-критерия Стьюдента при Р = 0.95. Данные в работе приведены с указанием стандартного отклонения от среднего.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ПАУ в песчаном субстрате. Химический анализ образцов песчаного субстрата на содержание полиаренов в конце эксперимента позволил идентифицировать 11 структур ПАУ: нафталин, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, бенз[а] антрацен, хризен, бенз[к]флуорантен, бенз[а]пи-рен, дибенз[а,й]антрацен, бенз[дй/]перилен. ПАУ в исходном образце субстрата отсутствовали. В субстрате контрольного варианта был обнаружен только фенантрен - компонент, имеющий преимущественно природное происхождение. Фенант-рен в большом количестве синтезируется растениями. Лабораторно подтверждено образование фенантрена из стеролов в результате деструкции алифатических структур [11].

Фенантрен присутствовал в субстрате во всех вариантах опыта приблизительно в равных количествах, что также подтверждает его образование в результате жизнедеятельности растений (рис. 1).

Следует отметить, что в субстрате в вариантах загрязнения 0, 1, 2 мкг БП/100 г бенз[а]пирен в конце эксперимента отсутствовал. Суммарное содержание ПАУ без фенантрена при загрязнении субстрата 1 мкг БП/100 г было равно количеству

0.3 -,

---Сумма ПАУ

---Сумма легких ПАУ

■ Сумма тяжелых ПАУ

■ Содержание бенз[а]пирена в почве в конце эксперимента Исходные дозы загрязнителя

■ Содержание фенантрена

1 -----Сумма ПАУ без

4 фенантрена

0 12 3

Доза бенз[а]пирена, мкг/100 г

Рис. 1. Содержание ПАУ в субстрате в конце опыта, нмоль/г.

ОН

Рис. 2. Окисление полиаренов по Елину [22].

бенз[а]пирена, внесенного в субстрат; при загрязнении 2, 3 мкг БП/100 г массовая доля полиаренов проявляла тенденцию к увеличению. При малых дозах БП, предположительно, разлагался микробиотой, сформировавшейся в ризосфере растений, и их корневыми выделениями преимущественно до легких структур ПАУ - флуоранте-на и пирена. В процессе роста и развития растений происходило частичное отмирание корней и биоты субстрата с образованием различных органических соединений, в том числе пентацикличе-ских терпанов, карбоциклических ароматических структур, а также структур с диеновыми или по-лиеновыми связями в алифатических углеводородных цепях, липидов, которые могли служить дополнительным источником полиаренов [21].

При дозах 3, 4 мкг БП/100 г в субстрате появлялись тяжелые ПАУ: бенз[а]пирен, бенз[к]флуо-

рантен, бенз[дй/]перилен. Бенз[а]пирен использовался растениями и микроорганизмами в качестве углеродсодержащего субстрата, при этом происходило разложение БП, о чем свидетельствовало снижение содержания БП в субстрате в конце опыта. Деструкция ПАУ микроорганизмами осуществлялась последовательно и начиналась с гид-роксилирования только одного ароматического кольца (рис. 2). При низких дозах бенз[а]пирена в субстрате (1, 2 мкг/100 г) микроорганизмы были способны разлагать органические вещества до легких полиаренов, прирост которых и наблюдали в субстрате. При высоких дозах бенз[а]пирена в соответствии с правилом последовательного окисления происходило накопление полиядерных веществ, в том числе и тяжелых ПАУ, в субстрате. Возможно, этот процесс был обусловлен явлени-

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ДОЗ БЕНЗ[а]ПИРЕНА... Вынос ПАУ растениями в модельном опыте в песчаной культуре, н

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.