научная статья по теме ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ПОЧВАХ: ИСТОЧНИКИ, ПОВЕДЕНИЕ, ИНДИКАЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ (ОБЗОР) Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ПОЧВАХ: ИСТОЧНИКИ, ПОВЕДЕНИЕ, ИНДИКАЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ (ОБЗОР)»

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2013, № 7, с. 788-802

ХИМИЯ ПОЧВ

УДК 631.4

ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ПОЧВАХ: ИСТОЧНИКИ, ПОВЕДЕНИЕ, ИНДИКАЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ (ОБЗОР)*

© 2013 г. А. С. Цибарт, А. Н. Геннадиев

Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы, 1 e-mail: atsibart@mail.ru, alexagenna@mail.ru Поступила в редакцию 13.12.2012 г.

Приводится обзор современных представлений о полициклических ароматических углеводородах (ПАУ) в почвах. Обсуждаются их природные и антропогенные источники, рассматриваются механизмы поступления этих соединений из других компонентов окружающей среды в почвы. Выделены основные процессы, характерные для ПАУ в почвах, и показаны особенности сорбции, деградации и перемещения полиаренов в почвенном профиле. Уделяется внимание географическим особенностям распространения ПАУ в почвах. Кроме того, обсуждается использование данных о ПАУ в почвах для диагностики различных природных и техногенных процессов.

Ключевые слова: полициклические ароматические углеводороды, диагностика природных и техногенных процессов, загрязнение почв.

Б01: 10.7868/80032180X13070125

ВВЕДЕНИЕ

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ, полиарены) — высокомолекулярные органические соединения, в структуре которых содержится два и более бензольных кольца. Группа ПАУ обширна и включает несколько сотен индивидуальных соединений. Повышенный научный интерес к ПАУ связан с тем, что многие из этих соединений обладают канцерогенной и мутагенной активностью и представляют опасность для здоровья человека. В зарубежной практике нормируются 16 ПАУ, они выбраны на основе их подтвержденной или потенциальной канцерогенной активности. В России показателем присутствия ПАУ в природных средах считают бенз(а)пирен.

Поведение этих соединений в природных средах связано с их химическими свойствами. В целом, в воде ПАУ малорастворимы, и по мере увеличения молекулярного веса их растворимость уменьшается [10, 60]. Для ПАУ характерны реакции замещения атомов водорода на алкильные группы, в результате чего образуются боковые цепи. Кроме этого, полициклические структуры могут включать различные функциональные группы, содержащиеся в бензольном кольце или в боковой цепи.

* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 12-05-31314-мол_а), а также при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение 8339).

ПАУ интенсивно изучаются с 60-х годов XX в., и к настоящему времени накоплен большой массив данных, касающихся их химических и физических свойств. В литературе содержатся и крупные обзоры по поведению ПАУ в отдельных компонентах ландшафта: атмосфере [33], горных породах и почвах [8], почвах [124], лесных экосистемах [39]. Обзоры посвящались и отдельным вопросам их геохимии: продуцированию при сжигании углей [79], биодеградации в природных средах [74]. Возможная роль ПАУ в предбиологи-ческой эволюции углеродистых веществ показана в работе Флоровской с соавт. [20]. Существуют и региональные обзоры по поведению ПАУ в ландшафтах Южной Америки [36], Великих озер [109].

Кроме того, в литературе содержится большое количество данных о загрязнении этими соединениями различных компонентов ландшафта, в том числе атмосферы, природных вод и почв. Вместе с тем, не в полной мере ясными остаются многие вопросы происхождения ПАУ в окружающей среде, а также поведения и геохимической судьбы полиаренов в почвах как депонирующей среде ландшафта.

ПРИРОДНЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПАУ В ПОЧВАХ

ПАУ могут поступать в окружающую среду в том числе в почвы из природных и антропогенных источников. К природным факторам, спо-

собствующим образованию ПАУ, относят: космические, эндогенные геологические и биологические. Антропогенные источники включают производство алюминия, креозота, цемента, нефтехимическую промышленность, производство асфальта [2, 19, 39, 73]. Кроме того, ПАУ продуцируются в процессах выработки энергии, неполного сжигания угля, мусора. Важным источником полиаренов являются выбросы автотранспорта [14]. ПАУ могут поступать в почвы и в ходе полива загрязненными водами [26, 74, 50].

В целом ПАУ можно разделить на: 1) космо-генные; 2) биогенные, 3) петрогенные, то есть поступающие из горных пород и нефтей, 4) пиро-генные, обусловленные процессами сгорания разнообразных материалов [8, 109].

Космогенные источники ПАУ. Известно, что ПАУ довольно широко распространены в космосе [62, 76]. Существуют свидетельства о присутствии этих соединений во многих космических объектах (протопланетные облака, кометы и др.). В них обнаружены бенз(а)пирен, бенз(§Ы)перилен, коронен, антрацен. В образцах космической пыли часто присутствуют нафталин, фенантрен, пирен, перилен и их замещенные производные [76]. Пирены и фенантрены обнаруживают в метеоритах [37], что указывает на возможность синтеза ПАУ в солнечной туманности. Присутствие ПАУ в метеоритах объясняется также пиролизом их углеродистого вещества при прохождении плотных слоев атмосферы. Другой космогенный механизм образования ПАУ состоит в воздействии солнечного ветра на углеродистые поверхности космических тел [25].

Петрогенные источники ПАУ. ПАУ могут поступать в почвы и другие компоненты ландшафта из горных пород и нефтей [8, 136]. Причем они могут синтезироваться из простых соединений углерода в глубинах земли, а также образовываться при термическом воздействии интрузий на органическое вещество вмещающих пород. Полициклические ароматические углеводороды находят в глубинных изверженных породах, гидротермальных системах, рифтовых зонах [8, 54]. ПАУ присутствуют практически во всех гидротермальных рудных образованиях, независимо от характера вмещающих пород и типа руд [20].

Кроме того, ПАУ входят в состав нефтей [8, 102]. Эти соединения представляют собой промежуточное звено между моноциклическими аренами, составляющими основную часть ароматических соединений нефти, и высококонденсирван-ными смолисто-асфальтеновыми веществами. Нефти, не подвергавшиеся горению, характеризуются присутствием нафталина, аценафтена, фенантрена, хризена, бенз(а)пирена, при этом в них относительно высока доля алкилированных

ПАУ [8]. При этом состав и распределение ПАУ в нефти различается между регионами.

Петрогенные ПАУ могут поступать в ландшафты при выветривании горных пород [20], из нефтяных разливов [68], из железнодорожных шпал, пропитанных креозотом [70].

Биогенные источники ПАУ. Есть сведения о том, что ПАУ входят в состав воска на поверхности листьев, кутикул насекомых и липи-дов микроорганизмов [74]. Показано, что древесина тропических лесов содержит нафталины, фенантрен, перилен [71, 124, 125]. Кроме того, компоненты животных мембран таких, как холе-стерол и стероидные гормоны, имеют структуры, сходные с замещенными фенантренами. Некоторые исследователи полагают, что ПАУ могут быть синтезированы водорослями, высшими растениями и бактериями, в то время как другие авторы считают более вероятной аккумуляцию аллохтон-ных ПАУ организмами, чем их биологический синтез [39]. Аккумуляцию полиаренов могут подтверждать данные Smith [114] о том, что в растениях состав ПАУ различается по сезонам года. Вероятно, содержание ПАУ в тех или иных частях растения может указывать на различные источники ПАУ. Количество ПАУ в листьях и хвое обусловлено их присутствием в атмосфере, поэтому растительность часто используется в биомониторинге атмосферного углеводородного загрязнения [101]. С другой стороны, есть мнение, что стебли растений могут получать ПАУ только из внутренних источников — метаболизм растения, продуцирование эндофитными организмами [71].

Синтез нафталинов и перилена возможен в организмах термитов [124]. Экспериментально показано, что в сообществах термитов нафталин продуцируется грибами и бактериями, в то время как другие легкие ПАУ могут разлагаться в экосистемах с гнездами термитов [34].

Продуцирование ПАУ в почвах остается малоизученным. Приводятся данные о том, что при отмирании биоты почва обогащается различными органическими соединениями, в том числе липи-дами, карбоновыми кислотами и другими. После биогеохимических превращений эти соединения теряют алифатические цепи, происходит ароматизация нафтеновых колец и могут образовываться молекулы фенантренового ряда [26, 124].

В целом, восстановительные условия способствуют биогенному продуцированию молекул ПАУ, особенно, нафталина, фенантрена и пери-лена [124]. В том числе в пределах почвенного профиля в восстановительных условиях часто могут фиксироваться максимумы содержания ПАУ. По некоторым данным, концентрации перилена не убывают с глубиной в почвенном профиле в отличие от других ПАУ, кроме того, растворимость его очень низкая, что исключает миграцию

и указывает на его образование в почвах in situ [56]. По данным Atanassova et Brummer [32], аце-нафтен, флуорен, пирен, дибенз(а^антрацен, нафталин и бенз(§Ы)перилен, являются педоген-ными соединениями, они образуются в восстановительных условиях и присутствуют в сильно обводненных почвенных горизонтах. В экспериментальных данных, приводимых Thiele et Brummer [117], в анаэробных условиях из растительности образовывались 4-6-ядерные соединения.

По данным Габова с соавт. [4] и легкие, и тяжелые ПАУ могут быть педогенными. Так, в пределах одной территории количество ПАУ, выпадающих с осадками на два порядка ниже, чем в почвах. При этом состав 3-4-ядерных соединений в снеге и почвах сходны, а 5-6-ядерные соединения отсутствуют в выпадениях, что указывает на их почвенное происхождение.

Пирогенные источники ПАУ. Пиро-генные процессы являются важнейшим фактором образования полиаренов. Преобладающая часть ПАУ, обнаруженных в окружающей среде, относится к пирогенным [1, 33, 39]. Среди источников пирогенных ПАУ можно выделить: 1) вулканизм; 2) сжигание нефти и нефтепродуктов; 3) сжигание материалов растительного происхождения (древесины, травянистой растительности, торфа, угля).

Большая часть ПАУ образуется из ненасыщенных углеводородов, а также пептидов, липидов, углеводов и пигментов листьев, при присоедине

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Сельское и лесное хозяйство»