научная статья по теме ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ПОЧВАХ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ Геология

Текст научной статьи на тему «ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ПОЧВАХ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ»

ГЕОХИМИЯ, 2010, № 6, с. 606-617

ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ПОЧВАХ

ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ

© 2010 г. Д. Н. Габов, В. А. Безносиков, Б. М. Кондратенок, Е. В. Яковлева

Институт биологии Коми НЦ УрО РАН 167982, Республика Коми, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28 E-mail: gabov@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 28.08.2008 г.

Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в градиентном режиме проведено комплексное изучение качественного и количественного состава полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в системе атмосферные осадки—почва—лизиметрические воды аэротехногенных загрязненных ландшафтов. Характерная особенность состава атмосферных осадков и лизиметрических вод — наличие в них только низкомолекулярных полиаренов: фенантрена, антрацена, флуорантена, пирена, бенз[а]антрацена и хризена. В почвах достоверно зафиксирован прирост ПАУ за счет фенантрена, флуорантена и пирена из атмосферных осадков. Отсутствие тяжелых ПАУ (бензфлуорантены, бенз[а]пирен, дибенз[а,Ь]антрацен, бенз[§Ы]перилен и индено[1,2,3-сё]пирен) в атмосферных осадках и их идентификация в почве дает основание утверждать, что их накопление обусловлено, главным образом, трансформацией органического вещества в процессе педогенеза. Проведена оценка техногенного воздействия и предложен критерий степени загрязнения почв ПАУ.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Полициклические ароматические углеводороды — соединения, проявляющие по отношению к живым организмам канцерогенные, мутагенные и токсичные свойства [1—4].

ПАУ включены в список приоритетных загрязнителей как Европейским сообществом (ЕС), так и Агентством по охране окружающей среды США (ЕРА). В России нормирование и контроль содержания канцерогенных ПАУ в природных объектах осуществляют по бенз[а]пирену. В России ПДК бенз[а]пирена в почве — 20 нг/г [5].

Значительные количества ПАУ попадают в почву в результате хозяйственной деятельности. Исходными продуктами для их образования служат нефть, нефтепродукты, угли, горючие газы, используемые в качестве химического сырья или горючего на промышленных предприятиях и транспорте [6—9]. При сгорании или термической обработке перечисленных веществ образуются многоядерные арены. Степень влияния производственной деятельности на уровень загрязнения канцерогенными углеводородами зависит прежде всего от температурного режима технологического процесса [10, 11]. Полиароматические соединения, образующиеся при горении, в основном лишены боковых заместителей и представлены преимущественно структурами пери-конденсированного типа (пирены, бензпирены, бензперилены и др.). При понижении температуры количество образующихся замещенных ПАУ возрастает (метил-, этил-, ди- и триалкилы). Сажа, об-

разующаяся при лесных пожарах, отличается от сажи из антропогенных источников высоким содержанием алкилированных ПАУ вследствие более низкой температуры горения древесины. Сгорание табака также дает уникально высокое содержание алкилированных ПАУ, образующихся во время пиролиза. В природных объектах, измененных антропогенным воздействием, распространены и ПАУ с пятичленным фрагментом (флуорантены, бензфлуорантены и др.).

По данным инвентаризации источников ПАУ, проведенной для оценки величины поступления бенз[а]пирена в природную среду, глобальная эмиссия этого углеводорода составляет около 5000 т в год: 60% приходится на процессы, связанные с сжиганием угля, 20% — на производство кокса, 4% — на сжигание древесины, 8% — на открытое сжигание леса и сельскохозяйственных культур, 1% — на выбросы транспорта и лишь 0.15% — на сжигание нефти и газа [12]. Массовое появление в окружающей среде техногенных ПАУ произошло на стыке 19—20 вв. и было обусловлено бурным развитием в этот период тяжелой промышленности. В последние годы снижение эмиссии ПАУ происходит как в результате уменьшения использования угля в пользу природного газа, нефтепродуктов, ядерного топлива, так и за счет мер, ограничивающих промышленные выбросы и особенно открытое сжигание.

Углеводороды, продуцируемые в результате работы промышленных предприятий, образуют техногенные ореолы различной плотности [13]. По

некоторым данным [14], диффузия загрязнения атмосферы способствует распространению канцерогенных ПАУ на значительное расстояние (до 10 км) за пределы территории предприятий органического синтеза. Наибольшие концентрации бенз[а]пирена в снеге и почве отмечались на расстоянии 1 км от предприятий, а по мере удаления от источников загрязнения их содержание снижалось. По данным [15] до 10% бенз[а]пирена выпадает на подстилающую поверхность в радиусе ближайших 30 км от предприятий. Основная же часть его (до 80%) перемещается вместе с тонкодисперсными аэрозолями воздуха на расстояние свыше 100 км от источника загрязнения. Максимальная дальность переноса бенз[а]пирена, по данным того же автора, составляет 2000 км. Данные [16] позволяют говорить о важной роли промышленных центров и городов в формировании глобального фона полиядерных ароматических углеводородов.

Известно, что микроорганизмы почвы могут разрушить такое количество ПАУ, к которому они "привыкли" [17]. Так, если почва сильно загрязнена и содержит большое количество ПАУ, то ее микрофлора способна трансформировать до 70—80% их исходного количества. Резкое увеличение содержания загрязняющих ПАУ такого типа в почве приведет скорее не к увеличению, а к уменьшению содержания метаболизированных структур. При искусственном загрязнении почв фоновых районов значительными количествами бенз[а]пирена заметного уменьшения его содержания вследствие метаболизма бактериями не происходит.

В процессе самоочищения почв от ПАУ, кроме микробиологического и химического превращений, существенную роль могут играть и другие факторы, например, метаболизм в растениях и беспозвоночных, ферментативная активность, водопроницаемость, газообмен и сорбционная способность почв. В южных районах самоочищение почв от многих загрязняющих веществ, включая ПАУ, осуществляется быстрее, чем в северных [12].

Для конкретных случаев, как правило, удается разделять обнаруженные в почвах природные и техногенные ПАУ по особенностям их состава. Наиболее характерными соединениями для природных процессов, связанных с низкотемпературным преобразованием органического вещества, являются преимущественно ката-конденсированные углеводороды с угловым присоединением бензольных колец: фенантрен, хризен и др. [18]. Исключением в этой группе ката-аннелированных структур является периконденсированная молекула перилена, образование которой очень характерно для некоторых природных процессов. Количественное содержание и распределение этих ПАУ в почвенном профиле зависят от биологической активности почв, интенсивности гумусонакопления и темпов минерализации органического вещества, характера

элювиально-иллювиальных процессов, наличия геохимических барьеров, возраста почв.

Состав и соотношение массовой доли природных и антропогенных ПАУ может служить индикатором деградации и восстановления почв в условиях техногенеза [19].

Цель исследований — исследование количественного и качественного состава полиаренов в системе атмосферные осадки—почва—лизиметри-ческие воды, оценка степени техногенного воздействия ПАУ на почвы техногенных ландшафтов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объекты исследований — атмосферные осадки, лизиметрические воды и торфянисто-подзолисто-глееватые почвы санитарно-защитных зон (СЗЗ) лесопромышленного комплекса (средняя тайга) и сажевого завода (северная тайга); фоновые — атмосферные осадки, лизиметрические воды и торфя-нисто-подзолисто-глееватые почвы Максимовско-го стационара Института биологии Коми научного центра УрО РАН (средняя тайга) и около пос. Тро-ицко-Печорск (северная тайга).

Торфянисто-подзолисто-глееватые почвы в типе болотно-подзолистых почв имеют наиболее обширный ареал распространения. Для их образования достаточен незначительный сдвиг автоморфного водного режима в сторону избыточного увлажнения вследствие временного застоя поверхностных вод. Они формируются на плоскоравнинных водораздельных увалах, пологих склонах, межувальных понижениях под долгомошными и долгомошно-сфагновыми лесами в условиях полугидроморфного и гидроморфного режимов увлажнения [20]. Физико-химическая и морфологическая характеристики почв опубликованы ранее [21—23].

В основу определения ПАУ в почвах положены методика выполнения измерения массовой доли бенз[а]пирена в пробах почв, грунтов, донных отложений и твердых отходов методом ВЭЖХ с использованием анализатора жидкости "Флюорат 02 Панорама" в качестве флуориметрического детектора (М 03-04-2002, аттестованная в соответствии с ГОСТ Р 8.563-96), а также работы [21-24]. Погрешность измерения ПАУ (бенз[а]пирен) в почвах для доверительной вероятности Р = 0.95 составляет 35% для диапазона измерений от 5 до 40 нг/г и 25% — для диапазона от 40 до 2000 нг/г. Определение ПАУ в лизиметрических и талых водах проводили, в соответствии с методиками: РД 52.44.590-98 — "Определение массовой концентрации приоритетных полициклических ароматических углеводородов в атмосферных осадках и поверхностных водах методом обращенной жидкостной хроматографии"; ПНД Ф 14.2:4.70-96 — "Методика выполнения измерений массовой концентрации полициклических ароматических углеводородов в питьевых

и природных водах методом ВЭЖХ". Погрешность измерения ПАУ в лизиметрических и талых водах для доверительной вероятности P = 0.95 составляет 65% для диапазона измерений от 5 до 20 нг/дм3 и 45% — для диапазона от 20 до 100 нг/дм3.

Экстракцию ПАУ из почв проводили при комнатной температуре хлористым метиленом (квалификация "ос.ч.") с УЗ-обработкой экстракционной системы на УЗ-ванне (Branson 5510), мощность 469 Вт, рабочая частота 42 КГц (США). Из лизиметрических и талых вод ПАУ экстрагировали н-гекса-ном с помощью механического экстрактора ЭЛ-1 ("Сибэкоприбор", Россия). Полученные экстракты объединяли и упаривали на концентраторе Кудер-на-Даниша ("Supelco", США).

Для удаления примесей, мешающих определению ПАУ, проводили разделение экстрактов методом колоночной хроматографии, используя оксид

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