ХИМИЯ ПОЧВ
УДК [504.43+504.73].054:547.912
ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ НИЖНЕГО ЯРУСА ЮЖНОЙ КУСТАРНИКОВОЙ ТУНДРЫ
В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА* © 2014 г. Е. В. Яковлева, Д. Н. Габов, В. А. Безносиков, Б. М. Кондратенок
Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, 167982, Сыктывкар, Коммунистическая ул., 28 e-mail: кaleeva@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 07.10.2013 г.
Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в почвах и растениях южной кустарниковой тундры обнаружено 15 полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Полиарены в выбросах, органогенных горизонтах почв и растениях были представлены в основном низкомолекулярными ПАУ: нафталином, флуореном и пиреном. Суммарное содержание ПАУ в почвах и растениях загрязненного участка превышало фоновые значения в 3—5 раз. Распределение полиаренов по органам исследуемых растений неравномерно и зависит от вида растения и уровня техногенной нагрузки на территорию. Среди исследованных растений выявлены как виды гипераккумуляторы полиаренов — Pleurozium schreberi, так и виды индикаторы присутствия ПАУ в почве — Polytrichum commune. В Pleurozium schreberi, как наиболее обильном виде на исследуемых площадках, сконцентрирована наибольшая массовая доля ПАУ. Выявлены различия в накоплении ПАУ растениями тундровой и таежной зоны.
Ключевые слова: полиарены, почва, растения, тундра.
Б01: 10.7868/80032180X14060124
ВВЕДЕНИЕ
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) представляют собой высокомолекулярные органические вещества, основным элементом структуры которых является бензольное кольцо. В бензольном кольце атомы водорода могут быть замещены алкильной группой [15]. Актуальность исследований ПАУ обусловлена их повышенной токсичностью, канцерогенной и мутагенной активностью по отношению к живым организмам. ПАУ внесены в списки Европейского сообщества и Агентства по охране окружающей среды США как приоритетные загрязнители [25]. Из 49 соединений ПАУ, подвергнутых международной экспертной оценке, выделено 10, потенциально опасных для животных и человека. Среди них бенз[а]антрацен, бенз[Ь]флуарантен, бенз[а]пирен (БП), дибенз[а,И]антрацен, инде-но[1,2,3-её]пирен и др. [14, 29]. ПАУ имеют низкие предельно допустимые концентрации (ПДК). На данный момент в России существуют ПДК для бенз[а]пирена, пирена, нафталина, фенантрена в
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 12-04-31189 мол_а, № 11-04-00086-а и программы РАН № 12-П-4-1008.
воздухе рабочей зоны и для водоемов [8, 18]. В почве обязательному контролю подлежит лишь бенз[а]пирен. Он признан показателем присутствия ПАУ в окружающей среде. ПДК бенз[а]пи-рена для почвы — 20 нг/г [9].
Углеводороды, продуцируемые в результате работы промышленных предприятий, образуют техногенные ореолы различной плотности [24]. По некоторым данным [3, 7], диффузия загрязнения в атмосфере способствует распространению канцерогенных ПАУ на значительное расстояние (до 10 км) за пределы территории предприятий. Наибольшие концентрации бенз[а]пирена в снеге и почве отмечали на расстоянии 1 км от предприятий, а по мере удаления от источников загрязнения их содержание уменьшалось. По данным Шилиной [19], до 10% БП выпадает на подстилающую поверхность в радиусе ближайших 30 км от источников эмиссии. Основная же часть его (до 80%) перемещается вместе с тонкодисперсными аэрозолями воздуха на расстояние свыше 100 км. Максимальная дальность переноса бенз[а]пирена, по данным того же автора, составляет 2000 км.
Установлено, что 60% глобальной эмиссии бенз [а] пирена приходится на процессы, связан-
ные со сжиганием угля [17]. В тундровой зоне широко распространена добыча каменного угля. Развитие угольной промышленности оказывает негативное влияние на здоровье населения. Пространственные исследования показали корреляцию между распространенностью угольных шахт и появлением врожденных пороков у детей [26]. Растения выполняют основную роль в поглощении разнообразных поллютантов из почвы и являются первичными звеньями трофических цепей. Изучение накопления ПАУ растениями в зонах действия угольных шахт представляет наибольший интерес.
Воркута — центр угольной промышленности, вблизи города сконцентрировано шесть угольных шахт, что ведет к негативным изменениям в окружающей среде, в том числе в растительном покрове. Комплексные исследования уровня загрязненности Печорского бассейна, северо-востока европейской части России, включающего и тундровую зону (в том числе Воркутинский р-н) проведены Walker et al. [30]. В рамках исследования было оценено содержание полиаренов и тяжелых металлов в донных осадках тундровых озер. ПАУ в осадках были найдены в следовых количествах и соответствовали фоновым значениям. Группой российских исследователей [12] проведена оценка содержания тяжелых металлов, мышьяка и углеводородов в верхних органических горизонтах основных типов целинных почв Большеземельской тундры. Показано, что содержание ртути, свинца, цинка и никеля в почвах фоновых ландшафтов значительно меньше установленных ориентировочно допустимых концентраций.
Дымовым с соавт. [11] рассмотрены особенности формирования почв и почвоподобных тел на техногенных грунтах в г. Воркуте. Показано, что в почвах и почвоподобных телах города происходит существенное увеличение содержания тяжелых металлов, подщелачивание верхних горизонтов по сравнению с фоновыми почвами. Содержание бенз[а]пирена в большинстве проанализированных проб больше ПДК, максимальные превышения достигают 80 ПДК. По экологическому показателю суммарного загрязнения, рассчитанному относительно фонового содержания, все верхние горизонты исследуемых почв и почвоподобных тел характеризуются как опасные и чрезвычайно опасные. На настоящее время существуют работы, посвященные оценке экологического состояния тундровой зоны, однако мало внимания уделяется оценке уровня загрязнения растительности в районах, подверженных воздействию угледобывающей промышленности. Поэтому определение содержания полиаренов в растениях тундровой зоны является актуальной задачей для современных экологических исследований.
Цель данной работы — изучение особенностей биоаккумуляции ПАУ разными видами растений нижнего яруса тундровой зоны при техногенезе.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проведены в Большеземельской тундре Воркутинского р-на Республики Коми. В данном районе распространена массивно-островная многолетняя мерзлота. Территория представляет собой полого-увалистую равнину в северной части Печорской низменности в бассейне верховьев р. Уса и ее притоков рек Воркута и Сей-да, сложенную сильнодислоцированными палеозойскими породами, перекрытыми толщей наносов ледникового происхождения. Почвообразую-щими породами являются четвертичные верхнеплейстоценовые гляциальные и флювио-гляциальные отложения. В Воркутинском р-не почвообразующие породы — покровные пылева-тые суглинки мощностью менее 10 м, подстилаемые мореной [2, 10, 13]. Район исследования относится к умеренно континентальной атлантико-арктической климатической области, воркутин-ского климатического района, характеризуется суровой зимой и относительно прохладным летом. Среднегодовая температура воздуха по метеостанции г. Воркута — 5.8°С. Среднегодовое количество осадков — 550—600 мм [1]. Район исследования расположен в южной полосе подзоны южных гипоарктических тундр. Зональный тип сообществ в данном районе — кустарниковые тундры. Наибольшее распространение имеют разные варианты ерниковых, ивняковых и кустарниковых тундр, а также плоскобугристые болота. Характерной чертой растительного покрова является мозаичность, быстрая пространственная смена растительных группировок и соответственно изменчивость и комплексность их распределения [2].
В районе исследования распространены тундровые поверхностно глеевые, тундровые торфянисто- и торфяно-глеевые почвы. Их морфологические особенности — наличие поверхностной торфяной подстилки (10—30 см) и четко выраженного глеевого тиксотропного горизонта. Верхняя граница многолетней мерзлоты, служащая водоупором, залегает на глубине 55—80 см. Иллювиальная толща малой мощности, почвенный профиль слабо дифференцирован. Деформация почвенного профиля вызвана перемещением насыщенных влагой почвогрунтов при оттаивании и замерзании. Почвы характеризуются замедленным биологическим круговоротом и низкой биологической продуктивностью. Органогенные горизонты, верхняя часть иллювиальной и криогенной зон являются геохимическими барьерами. Почвы обладают кислой реакцией сре-
ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ПОЧВАХ i
1600 ir 1400 1200
и Я
П1000 к 800 % 600
t 400
о
^ 200 0
Ж
J' j? J- # J- ^ J* J- ¿P
,ЛГГ ¿-W -S/ -S/ 4V -S.» 4V ..-л-' JCT -S.» лУ
^ /
sí*
6Г
4
Рис. 1. Содержание ПАУ в пробах угля шахты "Воркутинская".
ды. Гранулометрический состав — средний или тяжелый суглинок [4].
Проведены исследования содержания ПАУ в органогенных горизонтах тундровых поверхност-но-глеевых почв и растениях нижнего яруса кустарниковой тундры. Растения отбирали на фоновом участке и в районе действия угольной шахты "Воркутинская". Для отбора растений на каждом участке были заложены 3 пробных площадки. На каждой площадке проводили отбор почв органогенного горизонта и всех растений. Размер площадок 100 х 50 см. После отбора растения взвешивали. Образцы почв и растений высушивали при комнатной температуре, измельчали и проводили химический анализ на содержание полиаре-нов. Всего было проанализировано 18 смешанных проб почвы и 110 растительных проб.
В основу определения ПАУ в почвах положены методики US EPA 8310, ПНД Ф 16.1:2:2. 2:3. 39-03 [16], аттестованной в соответствии с ГОСТ Р 8.563, а также методики, приведенные в работах Габова с соавт. [5, 6]. Погрешность измерения ПАУ в почвах для доверительной вероятности P = = 0.95 составляет 35% для диапазона измерений от 5 до 40 нг/г включительно и 25% для диапазона от 40 до 2000 нг/г включительно. В основу определения ПАУ в растениях положена оригинальная методика выделения углеводородных компонентов [21]. Качественное и
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.