ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 11, с. 1314-1329
= ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.4
ФАКТОРЫ И МОДИФИКАЦИИ УГЛЕВОДОРОДНОГО
СОСТОЯНИЯ ПОЧВ*
© 2015 г. А. Н. Геннадиев, Ю. И. Пиковский, А. П. Жидкин, Р. Г. Ковач, Т. С. Кошовский,
М. А. Смирнова, Н. И. Хлынина, А. С. Цибарт
Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: alexagenna@mail.ru Поступила в редакцию 06.04.2015 г.
Для характеристики углеводородного состояния (УВС) почв использован набор количественных параметров, которые могут быть получены при массовых лабораторных исследованиях почвенных образцов. Это общая количественная и качественная характеристика гексановых битумоидов и индивидуальных наиболее распространенных в природных объектах полициклических ароматических углеводородов. Для определения состава и содержания газообразных углеводородов проводили полевое опробование почвенного воздуха. Модификации и факторы формирования УВС почв исследовали в почвах восьми ключевых участков в лесных, степных и сухостепных ландшафтах на территории европейской части России. Критерием их выбора было, помимо зонального разнообразия, наличие какого-либо местного аномального природного или техногенного фактора, который мог повлиять на характер УВС почв (газовые эманации из глубин литосферы, специфические почвооб-разующие породы, выпадение поллютантов из атмосферы, приуроченность к нефтяному промыслу и др.). Показано, что, подобно тому, как гумусовое и солевое состояние почв стали их важными интегральными характеристиками, изучение УВС почв позволяет выйти на новый уровень знаний о сущности почв и происходящих в них процессах. Параметры УВС почв достаточно адекватно отражают особенности биоклиматических и тополитологических факторов почвообразования, свойства почв и уровень техногенного воздействия на почвенный покров. Для более углубленного изучения УВС почв необходимо накопление нового фактического материала и детализация почвенно-геогра-фических исследований.
Ключевые слова: битуминозные вещества, полициклические ароматические углеводороды, загрязнение почв, нефть, факторы почвообразования, техногенез почв.
DOI: 10.7868/S0032180X15110076
ВВЕДЕНИЕ
Для оценки современного состояния почв важное значение имеет характеристика находящихся в них углеводородных соединений, которые повсеместно присутствуют в почвенном покрове и отражают своим составом и свойствами воздействие на почву природных и техногенных факторов. В настоящее время существует большое количество работ, в которых приводятся результаты исследований тех или иных классов углеводородов (УВ) в почвах. Однако, как правило, они не базируются на комплексном подходе к изучению целостной гаммы этих соединений. Обычно в каждом из исследований дается характеристика только одного какого-либо компонента УВ комплекса почв (суммарных нефтяных УВ, полициклических ароматических УВ, тех или иных УВ газов и др.) [3, 5, 18, 21—31].
* Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект №14-17-00193).
Между тем, подобно тому, как гумусовое и солевое состояния почв стали их важными интегральными характеристиками, изучение углеводородного состояния почв, охватывающее широкий спектр УВ, также может обеспечить новый уровень знаний о сущности и динамике почв, о происходящих в них процессах транслокации и трансформации вещества, быть полезным при разработке методов мониторинга экологического качества почв и противодействия их деградации. Особую актуальность изучению УВС почв придает тот факт, что все более значимой становится глобальная циркуляция УВ техногенного происхождения, обусловленная добычей и транспортировкой нефти и газа, распространением и использованием нефтепродуктов, технологическими выбросами УВ в окружающую среду промышленными предприятиями. Но и анализ природных факторов формирования УВС почв представляется не менее важным, поскольку такие вопросы, как связь почвенных УВ с эндогенными углеводородными потоками из глубин земной ко-
ры, с вулканической и гидротермальной деятельностью, с лесными и степными пожарами естественного происхождения, очень слабо освещены в литературе.
Термин и понятие "углеводородное состояние почв" ранее были предложены некоторыми из авторов настоящей статьи и использовались при изучении ряда фоновых и техногенно-изменен-ных почв южнотаежных ландшафтов европейской территории России [11, 12]. Одним из итогов этих работ стало выделение и диагностика основных типов УВС почв, обусловленных различными группами природных и техногенных процессов. К таким процессам были отнесены: биохимические процессы генерации углеводородов в почвах при участии микроорганизмов; эманаци-онные процессы, связанные с восходящими потоками УВ в результате дегазации земной коры; инъекционные процессы внедрения УВ в почву в результате приповерхностных разливов нефти и нефтепродуктов; атмо-седиментационные процессы поступления УВ в почву из атмосферы.
При развитии представлений об УВС почв необходимо иметь в виду, что в наиболее полном виде состав углеводородного комплекса почв включает следующие компоненты: битуминозные вещества, состоящие из жидких и твердых углеводородов разных классов, гетероатомных соединений, высокомолекулярных веществ — смол и асфальтенов; твердые высокоуглеродистые вещества полимер -ной структуры, которые содержат углеводороды, а также углеводородные газы С1—С4.
Битуминозные вещества почв вместе с некоторыми почвенными соединениями липидной природы входят в состав битумоидов — суммы веществ, экстрагируемых из почв различными органическими растворителями. Состав растворителя существенно влияет на состав битумоида. Для информации о применяемом растворителе термин "битумоид" обычно дополняется названием растворителя, которым он был извлечен из среды (гексановый, хлороформный, спирто-бензоль-ный и др.). При изучении УВС почв предпочтительнее пользоваться неполярными и малополярными растворителями, в которые при экстракции переходит меньше веществ липидного характера. Современные методы исследования позволяют изучать в составе битумоидов индивидуальные углеводородные соединения разных классов (алканы, моно- и полициклические циклоалканы, моно- и полициклические ароматические углеводороды). В своей совокупности УВ почв могут содержать значительную и адекватную информацию об источниках УВ, об устойчивости почвенных экосистем, способности последних откликаться на внешние воздействия и контролировать внутри-почвенные процессы.
Важно иметь в виду, что УВС почв меняется не только в пространстве, но и во времени. Это связано с динамикой поступления УВ соединений в
почву извне, с особенностями их метаболизма в почвах и с темпами рассеяния в пределах той или иной территории, что контролируется целым рядом факторов — режимом атмосферных температур и осадков, циклами микробиологической активности почв, ритмичностью воздействия тех или иных техногенных факторов.
Таким образом, изучение УВС почв во всей полноте и исчерпывающей детальности представляется весьма трудоемкой и многоаспектной задачей, которая может потребовать для своего решения определенного, иногда довольно длительного времени. Поэтому представляется целесообразным решать эту задачу поэтапно, постепенно усложняя и корректируя промежуточные цели. Кроме того, для широкого внедрения концепции УВС почв в практическую деятельность, связанную, например, с оценками экологического состояния почв и прогнозами их трансформации, необходимо обоснование массовой оптимизированной методики, которая была бы адаптирована к такой деятельности.
В этой связи цель настоящего исследования — апробация использования рационально ограниченной и в то же время достаточно информативной комбинации характеристик углеводородного комплекса почв для изучения их УВС в разных диапазонах природных условий и вариантах техногенного воздействия.
МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ
Для характеристики УВС почв был использован набор количественных параметров, которые могут быть получены при массовых лабораторных исследованиях почвенных образцов. Это общая количественная и качественная характеристика гексановых битумоидов и идентифицированных в них наиболее распространенных в природных объектах полициклических ароматических углеводородов (в данном случае одиннадцати индивидуальных соединений). Для определения состава и содержания газообразных УВ в почвенном воздухе в ряде случаев применялся метод шпурового опробования почв полевыми газоанализаторами.
Для диагностики битумоидов использовали модернизированные методы люминесцентно-би-туминологического анализа, которые основаны на изучении люминесцентных свойств битумоида в ультрафиолетовой и видимой областях спектра при возбуждении ультрафиолетовыми лучами. Интенсивность свечения зависит от концентрации в битумоиде люминесцирующих компонентов — ароматических и смолистых соединений. Поскольку эти соединения находятся в тесной количественной и качественной связи с другими компонентами битумоида, то характер свечения характеризует вещество в целом [4, 10, 19, 20]. Для извлечения битумоида из почвы использовали от-
носительно мягкий неполярный растворитель — нормальный гексан. Битумоид при этом претерпевает минимальные изменения своего состава.
Исследование общих качественных и количественных характеристик битумоидов почв проводили модернизированным методом люминес-центно-битуминологического анализа на приборах серии "Флюорат- 2М" фирмы ЛЮМЭКС со сменными светофильтрами [4].
Измеряли следующие параметры люминесцентных свойств битумоидов:
1. Выход люминесценции (Л) наиболее низкомолекулярных (легких) компонентов битумоида в ультрафиолетовой области в диапазоне длин волн 300—340 нм (возбуждение светом с длинами волн 240-280 нм);
2. Выход люминесценции ^2) конденсированных углеводородов и высокомолекулярных смолистых веществ в битумоиде в видимой области в диапазоне длин волн 400-580 нм (возбуждение светом с длинами волн 330-390 нм);
3. Цвет люминесценции и ширина люминесци-рующей зоны капиллярной вытяжки - растворенного вещества битумоида, осажденного на стандартной полоске хроматографиче
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.