ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2008, № 11, с. 1334-1343
УДК 631.423.4
ХИМИЯ
почв
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПОЧВАХ СЕВЕРНОЙ И СРЕДНЕЙ ТАЙГИ
© 2008 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 Поступила в редакцию 01.06.2006 г.
Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в градиентном режиме проведено комплексное изучение качественного и количественного составов полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в системе атмосферные осадки-почва-лизиметрические воды. Показано, что накопление низкомолекулярных ПАУ (фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, бенз[а]антрацен, хризен) в почвах происходит как в результате трансформации органического вещества, так и вследствие регионального переноса и осаждения их с атмосферными осадками на подстилающую поверхность. Высокомолекулярные полиарены (бенз[Ъ]флуорантен, бенз[к]флуорантен, бенз[а]пирен, ди-бенз[а,Ь]антрацен, бенз[§Ы]перилен, индено[1,2,3-сй]пирен) образуются в основном в процессе разложения органического вещества почв.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования ПАУ в почвах обусловлены повышенной опасностью и масштабностью загрязнения почвенного покрова этими соединениями. Почвы - главный депонирующий ПАУ компонент ландшафта. От свойств почв и биоклиматических условий территории зависят интенсивность накопления, миграционные характеристики, возможность консервации и последующей мобилизации данной группы органических соединений в окружающей среде. Выделяют четыре группы факторов, способствующих образованию ПАУ: космические, эндогенные геологические, биогеохимические и техногенные [6, 8, 9, 22, 23, 26, 30, 33]. Образование ПАУ происходит в результате разложения биогенного материала (например, молекул каротиноидов и стероидов) или в процессе синтеза в организмах и биокосных системах. Это пока малоизученный источник ПАУ в природных средах. Известно о внутриклеточном синтезе ПАУ живыми организмами, которые могут попадать в почву после их разложения, причем результаты проводимых в этой области экспериментов носят противоречивый характер [12, 14, 15, 26, 32, 38, 39, 40]. По данным одних исследователей, формирование фонового уровня углеводородов в почве определяется масштабами биосинтеза ПАУ высшими растениями, фитопланктоном и микроорганизмами [21]. Другие считают, что только некоторые ПАУ образуются в водорослях, зоопланктоне, растительных и животных организмах [25, 32, 38]. В живой материи встречаются соединения, имеющие карбо-
циклическую ароматическую структуру, а также структуру с диеновыми или полиеновыми связями в алифатических углеводородных цепях. Преобразование таких структур в ПАУ - наиболее термодинамически выгодный процесс, протекающий в достаточно мягких условиях на ранних стадиях осадконакопления в современных отложениях и, возможно, в почвах.
Способность живых организмов утилизировать ПАУ путем включения их в свой метаболизм была отмечена у многих видов аэробов [23]. Процессы химического и биологического окисления индивидуальных ПАУ, протекающие в природных средах, имеют разную направленность. Химической трансформации в первую очередь подвергаются реакционноспособные высокомолекулярные ПАУ, а процессам биологической деструкции в большей степени подвержены низкомолекулярные. Указанные процессы дополняют друг друга, обеспечивая в итоге единый процесс биогеохимической трансформации ПАУ [31].
В настоящее время установлено, что ПАУ входят в состав почвенных липидов [17, 35]: идентифицированы фенантрен, флуорантен, бензфлуо-рантены, пирен, хризен, бензантрацен, бензпи-рен, перилен. Эти соединения могут быть источниками конденсированных систем для гуми-новых кислот.
Бионакопление ПАУ в почвах зависит от их сорбционной способности. Установлено [7], что адсорбция ПАУ на органо-минеральных почвенных коллоидах протекает аналогично адсорбции гумусовых веществ. Применительно к почвам
специальные исследования ПАУ большей частью касаются вопросов устойчивости этих соединений при различной микробиальной активности, их сорбции органическими и минеральными веществами [27, 37, 39, 41-43].
Практически во всех природных объектах ПАУ могут подвергаться различным химическим превращениям и биологической деградации, фотохимической деструкции в поверхностном слое, а также удаляться из почвы в результате вымывания. Многокомпонентная система полиаренов в почве находится в состоянии подвижного равновесия. С одной стороны, постоянный привнос некоторых компонентов из атмосферы, адсорбция ПАУ почвенными частицами и процессы их биодеградации контролируют уровни содержания аллохтонных структур в почвах. С другой стороны, изменение содержания педогенных ПАУ может быть связано как с новообразованием, так и с их разложением или вовлечением в качестве ядер поликонденсации в процесс образования высокомолекулярных гумусовых соединений [8].
Снежный покров и в целом атмосферные осадки являются источником накопления ПАУ в почвах. Анализ отечественного и мирового опыта свидетельствует об усилении в последнее время теоретической и прикладной направленности исследований снежного покрова [10, 11, 13, 16, 34]. Снежный покров способен сохранять и накапливать вещества, поступающие на его поверхность из атмосферы, что позволяет проводить интегральные оценки загрязненности почв и почвенного покрова за длительные временные периоды, дифференцировать территории вокруг городов и промышленных центров по степени техногенного воздействия [2]. Это особенно важно в условиях северных ландшафтов, поскольку снежный покров сохраняется в течение 6-8 месяцев. Поэтому выбор снежного покрова как объекта исследований и вероятного источника привноса с ним ПАУ в почвы можно считать наиболее оправданным. Однако публикации о содержании ПАУ в снежном покрове фоновых территорий практически отсутствуют, не оценена их роль в формировании пула полиаренов в почвах.
Поведение ПАУ в почвах зависит от климатических условий и взаимодействия их с органическими и минеральными компонентами почвы, что определяет возможность их накопления в окружающей среде.
Миграция ПАУ представляет собой стадийный физико-химический процесс, протекающий при направленном движении водного потока. Это непрерывное сорбционно-десорбционное взаимодействие ПАУ с химическими соединениями почвы. Но в связи с достаточно незначительной растворимостью в воде и повышенным сродством
к гумусовым веществам ПАУ слабо мигрируют из органогенных горизонтов почв, являющихся геохимическим барьером для миграции полиаренов. Изучение химического состава жидкой фазы почвы с помощью лизиметрического метода позволяет (с учетом методических ограничений) выявить направление процессов миграции подвижных продуктов почвообразования, оценить интенсивность круговорота веществ в системе почва - лизиметрические воды [1,18,19, 28, 29, 36].
Цель работы - выявить закономерности формирования состава полициклических ароматических углеводородов в фоновых подзолистых и бо-лотно-подзолистых почвах Европейского северо-востока России путем комплексного изучения химического состава атмосферных осадков, лизиметрических вод и почв.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объекты исследований: в средней тайге - подзолистые, торфянисто-подзолисто-глееватые почвы Максимовского стационара Института биологии Коми НЦ УрО РАН (61°39'44.6'' с.ш., 50°41'10.4'' в.д.); в северной тайге (зона северотаежных глееподзо-листых почв) - глееподзолистые и торфянисто-подзолисто-глееватые почвы (62°4Г21.0" с.ш., 56°08'59.1'' в.д.). Почвы сформированы на однородных по гранулометрическому, химическому и минералогическому составу покровных суглинках [4, 20, 24]. Объекты исследований находились на значительном удалении от источника загрязнения и не подвергались локальному воздействию техногенеза, то есть изученные почвы являются фоновыми.
В основу определения ПАУ в почвах положены методики М 03-04-2002, аттестованная в соответствии с ГОСТ Р 8.563-96, - 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" в качестве флуориметрического детектора, а также наши опубликованные работы [3-5]. 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 включительно. 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 -методика выполнения измерений массовой концентрации полициклических ароматических углеводородов в питьевых и природных водах мето-
Таблица 1. Средние значения модулей поступления ПАУ из снежного покрова на почвы фоновых территорий, мкг/м2 (п = 8, Р = 0.95)
Соединение Средняя тайга Северная тайга
Фенантрен 2.5 ± 1.6 (60*) 3.2 ± 2.1 (65)
Антрацен 0.09 ± 0.06 (2) 0.10 ± 0.07 (2)
Флуорантен 0.7 ± 0.5 (17) 0.7 ± 0.05 (15)
Пирен 0.5 ± 0.3 (13) 0.6 ± 0.4 (13)
Бензо[я]антрацен 0.09 ± 0.06 (2) 0.05 ± 0.03 (1)
Хризен 0.13 ± 0.08 (3) 0.12 ± 0.08 (2)
БензоВДфлуоран-тен 0 0
БензоЩфлуоран-тен 0.08 ± 0.05 (2) 0.020 ± 0.013 (1)
Бензо[я]пирен 0.040 ± 0.026 (1) 0.030 ± 0.020 (1)
Дибензо^Щан-трацен 0 0
Бензо^Ы]пери-лен 0 0
Индено[1,2,3-сd]пирен 0 0
Сумма ПАУ 4.1 4.8
* В скобках указана доля соединения от суммы ПАУ.
дом ВЭЖХ. Погрешность измерения ПАУ в лизиметрических и талых водах для доверительной вероятности Р = 0.95 составляет 65% для диапазона измерений от 5 до 20 нг/дм3 включительно и 45% для диапазона от 20 до 100 нг/дм3 включительно.
Экстракцию ПАУ из почв проводили при комнатной температуре хлористым метиленом (квалификация "ос. ч.") с УЗ-обработкой экстракционной системы на УЗ-ванне Branson 5510 (США) (мощность 469 Вт, рабочая частота 42 КГц). Из лизиметрических и талых вод ПАУ экстраги
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.