ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2012, № 3, с. 356-367
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК [504.53+504.73].054:547.912
ЗАКОНОМЕРНОСТИ БИОАККУМУЛЯЦИИ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЯ
БИОЦЕНОЗОВ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ*
© 2012 г. Е. В. Яковлева, В. А. Безносиков, Б. М. Кондратенок, Д. Н. Габов
Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, 167982, Сыктывкар,
ул. Коммунистическая, 28 Поступила в редакцию 08.11.2010 г.
Выявлены закономерности формирования пула приоритетных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в системе почва—растения в лесных биоценозах северной тайги. ПАУ в почвах и растениях представлены, главным образом, 3-4-ядерными структурами. Содержание полиаренов в растениях на техногенно-загрязненных участках превышает фоновые значения в 2—5 раз. Максимальное биопотребление полиаренов отмечено листьями черники, побегами ели сибирской 4—5 года жизни. Наибольшая массовая доля ПАУ в растениях смешанного елово-березового леса северной тайги была идентифицирована в ели сибирской. Выявлено, что содержание полиаренов в вегетативных органах ели увеличивается с возрастом. Установлено, что черника является гипераккумулятором легких ПАУ.
ВВЕДЕНИЕ
Полициклические ароматические углеводороды — соединения, проявляющие по отношению к живым организмам канцерогенные, мутагенные и токсичные свойства. ПАУ являются приоритетными загрязнителями в списках Европейского сообщества и Агентства по охране окружающей среды США. Из 49 соединений ПАУ, подвергнутых международной экспертной оценке, выделено 10 соединений, потенциально опасных для животных и человека. Среди них бенз[а]антрацен, бенз[Ь]флуорантен, бенз[а]пирен, дибенз[а,И]антрацен, индено[1,2,3-её]пирен и др. [7, 18, 20].
Растения напочвенного покрова бореальных лесов по стратегии минерального питания делятся на две группы: поглощающие из атмосферы — зеленые мхи, лишайники и, преимущественно, из почвы — кустарнички, травянистые и древесные растения. Выбросы промышленными предприятиями различных поллютантов приводят к загрязнению атмосферных осадков, которые в виде снега, дождя, аэрозолей выпадают на подстилающую поверхность и аккумулируются в почвенном и растительном покрове [4, 9].
Широкое использование лесных фитоценозов в биоиндикационных целях при оценке техногенных изменений обусловлено, с одной стороны, известным консерватизмом адаптационных механизмов древесных растений, особенно хвойных пород северных популяций, с другой — большим запасом прочности лесных биогеоценозов при
* Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (№ 07-04-00285-аи № 11-04-00086-а).
антропогенных воздействиях. Хвойным древесным растениям принадлежит ведущая роль в формировании лесных биогеоценозов в северном полушарии. В Республике Коми площадь, покрытая лесами, составляет 28.7 млн. га. Лесные экосистемы, с замкнутым круговоротом химических элементов, значительной вертикальной мощностью и большой внутренней поверхностью, отличаются сильными буферными свойствами, что позволяет им противостоять разрушительному воздействию различных веществ-загрязнителей и обеспечивать поддержание стабильной природной обстановки на занимаемых ими территориях в условиях слабого и среднего техногенного загрязнения [15]. В системе почва—растение наибольшие количества бенз[а]пирена были определены в листьях березы, дернине, растительной ветоши, сельскохозяйственных культурах и разнотравье [1, 2]. При исследовании содержания бенз[а]пи-рена, флуорантена и бенз[§,ИД]перилена в листьях растений-озеленителей (калины, боярышника), березы, ивы и хвое сосны, наибольшее количество загрязнителей было обнаружено в растениях, растущих в черте города [12].
Уровень загрязнения экосистем ПАУ определяется, главным образом, низкомолекулярными полиаренами, незначительный вклад вносят полиарены средней массы. Высокомолекулярные ПАУ находятся в почвах и растениях в следовых количествах [19].
Данные об аккумуляции ПАУ различными видами растений лесных экосистем Республики Коми отсутствуют, хотя подобные работы актуальны, так как в этом регионе располагается целый
ряд мощных индустриальных предприятии, в выбросах которых углеводороды составляют значительную часть.
Цель работы: исследовать закономерности биоаккумуляции ПАУ в системе почва—растение лесных биоценозов Республики Коми.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В качестве объектов исследовании были выбраны торфянисто-подзолисто-глееватые почвы и растения фоновых (62°4Г21.0" с.ш., 56°08'59.1" в.д.) и аэротех-ногенно-нарушенных участков (63°00'04.2" с.ш., 54°36'57.8" в.д.) северной тайги Республики Коми.
Сопряженный пробоотбор почв и растений проведен в зоне воздействия Верхнеижемского сажевого завода на расстоянии 0.5, 1.0, 1.5 км от источника эмиссии, на плоской вершине водораздельного увала под смешанным елово-березо-вым лесом. Отбор проб был проведен по "розе ветров" в северо-восточном направлении от предприятия. На каждом участке было заложено по пять пробных площадок на каждый вид растений (исключая древесные). На каждой площадке пробоотбор проводили из 15 кустарничков черники (Vaccinium myrtillus Ledeb), брусники (Vac-cinium vitis-idaea Ledeb) и мхов (Rhitidiadelphus tri-quietrus, Hylocomium splendens), из которых формировали смешанный образец. На площадках отбирали индивидуальные образцы почв, из которых составляли смешанную пробу. Размер площадок 100 х 100 см.
Образцы вегетативных органов древесных растений ели сибирской (Picea obovata Ledeb), березы повислой (Betula pendula Ledeb) и рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia Ledeb) отбирали с пяти деревьев на пяти площадках для обеспечения репрезентативности средней выборки при 5-процентном уровне значимости. Побеги срезали в верхней трети кроны с южной стороны дерева. Для ели сибирской проводили разделение побегов по возрастам с первого по пятый год жизни [10, 11, 15]. После отбора образцы высушивали при комнатной температуре и измельчали. Затем проводили химический анализ проб почвы и растений на содержание полиаренов. Кустарнички перед анализом разделяли на корни, стебли и листья, у древесных растений отдельно анализировали ветви и листья (хвоя), мхи анализировали полностью.
При изучении лизиметрических вод был использован метод врезанных лизиметров Шиловой [28, 29] с рабочей площадью пластмассовых поддонов 500 см2. Лизиметры устанавливали в разрезах исследуемых почв по горизонтам А0 (О)—A2hg—A2Bg в трехкратной повторности. В качестве приемников растворов использовали 10-литровые канистры. Лизиметры с приемниками соединены силиконовыми шлангами.
Расчет поступления ПАУ с жидкими и твердыми осадками проведен за годичный цикл. Количество жидких осадков в районах исследований взято по средним многолетним данным, по твердым — проведена снегосъемка. Отбор проб снежного покрова был выполнен в соответствии с РД 52.04.186-89 "Руководство по контролю загрязнения атмосферы". Перед снеготаянием в каждой точке отбирали 3—5 колонок снега на всю глубину его залегания в один полиэтиленовый пакет. По объему талой воды определяли влагозапас в каждой точке. Содержание исследуемых компонентов в талой воде определяли в единицах массовых концентраций в нг/см3. Для более корректной интерпретации результатов эксперимента полученные результаты пересчитывали в соответствующие значения уровней поступления веществ на поверхность в мкг/м2 по формуле (1):
ЮС„У
P =
Sn
(1)
где Р — масса определяемого компонента, поступившего на единицу площади поверхности земли за весь период сохранения снежного покрова, мкг/м2; СП1 — массовая концентрация компонента в талой воде, нг/см3; V — объем талой воды всей пробы, см3; S — площадь внутреннего поперечного сечения трубы для отбора проб снега, см2; n — число колонок снега, отобранных в данной точке.
ПАУ в почвах определяли, взяв за основу методики US EPA 8310 и ПНД Ф 16.1:2:2. 2:3. 39-03. Навеску почвы 1 г помещали в коническую колбу с притертой пробкой вместимостью 100 см3 и трижды экстрагировали в УЗ-поле смесью ацетон : гексан (1 : 1) порциями по 10 см3. УЗ-обработку экстракционной смеси проводили на каждом этапе в течение 3 мин. Полученные экстракты объединяли и концентрировали с помощью концентратора Кудерна—Даниша до объема 1—2 см3, к остатку приливали 3—5 см3 н-гексана и вновь концентрировали до объема 1—2 см3 (но не досуха!). Разделение экстрактов проводили методом колоночной хроматографии для удаления примесей, мешающих определению ПАУ. Для разделения фракций использовали оксид алюминия и силикагель 2—3 степени активности по Брокману (Silica gel 60 for column chromatography, "Fluka", размер частиц 0.06—0.20 мм). Элюат выпаривали с помощью концентратора Кудерна—Даниша до объема 1—2 см3 и проводили замену растворителя на ацетонитрил. Для приготовления растворов с известными концентрациями ПАУ применяли стандартную смесь EPA 610 (нафталин, аценафтен, аценафтилен, флуорен, фенантрен, антрацен, флу-орантен, пирен, бенз [а] антрацен, хризен, бенз[Ь]флуорантен, бенз[к]флуорантен, бенз[а]пи-рен, дибенз^Щантрацен, бенз[ghi]перилен, инде-но[1,2,3-сё]пирен) ("Supelco", США), с концен-
трациями каждого компонента 100—2000 мкг/см3. Растворы с известным содержанием ПАУ готовили соответствующим разбавлением стандартного раствора 16 ПАУ с содержанием каждого компонента 10 мкг/см3.
Для контроля точности использовали Standard Reference Material 1944 "New YOrk/New Jersey Waterway Sediment" (National Institute of Standards & Technology, USA). Были идентифицированы ПАУ: фенан-трен, антрацен, флуорантен, пирен, бенз[а]антра-цен, хризен, бенз[Ь]флуорантен, бенз[к]флуорантен, бенз[а]пирен, дибенз^Щантрацен, бенз[ghi]пери-лен, индено[1,2,3^]пирен. Стандартное отклонение составило от 3 до 25% от измеренных значений содержания компонентов (программа Statistica 6.0, "Statsoft").
Определение ПАУ в лизиметрических и талых водах проводили, руководствуясь 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 "М
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.