Регистрация / Вход
Прислать материал

Изучение механизмов аккумуляции, трансформации и инактивации полициклических ароматических углеводородов в почвах и донных отложениях техногенно загрязненных территорий с использованием экологически чистых методов

ФИО
Сушкова Светлана Николаевна
Surname Name
Sushkova Svetlana
Организация
Южный федеральный университет
Область наук
Науки о Земле, экология и рациональное природопользование
Название доклада
Изучение механизмов аккумуляции, трансформации и инактивации полициклических ароматических углеводородов в почвах и донных отложениях техногенно загрязненных территорий с использованием экологически чистых методов
Project title
Studying the mechanisms of accumulation, transformation and the inactivation of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils and sediments technogenic contaminated territories using environmentally friendly methods
Резюме
Исследование посвящено изучению механизмов аккумуляции, трансформации и инактивации полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в почвах и донных отложениях техногенно загрязненных территорий. Впервые получена детальная информация о геохимических особенностях поведения одной из наиболее опасных групп органических поллютантов – ПАУ, обладающих канцерогенными и мутагенными свойствами по отношению к живым организмам. Теоретическая основа решения поставленной задачи состоит в установлении взаимосвязи между механизмами аккумуляции ПАУ почвами и особенностями их трансформации в особо канцерогенные формы в таких наиболее важных компонентах наземных и водных экосистем, как почвы и донные отложения. В настоящее время важнейшим аспектом экологических исследований ландшафтов, расположенных в пределах индустриальных центров, является не только оценка их состояния, но и прогноз экологической ситуации в сложившихся условиях техногенной нагрузки. Для решения данной проблемы необходим анализ данных по аккумуляции и трансформации соединений ПАУ в почвах и донных отложениях как компонентов природно-антропогенных и техногенных ландшафтов. Накопленные в разных странах сведения о содержании поллютантов в почвах и донных отложениях пополняются, обобщаются и оцениваются. Однако остается нерешенным ряд вопросов, из которых важнейшим является вопрос о показателях экологического состояния загрязненных почв. Поступление ПАУ во все природные объекты (растения, грунтовые и надземные воды, человеческий организм) напрямую связано с процессами их взаимодействия с почвенными компонентами. В связи с этим, большое значение уделяется перераспределению их в главных объектах наземных и водных экосистем – почвах и донных отложениях. Имеющиеся экспериментальные данные по скорости деградации ПАУ в почвах достаточно противоречивы (Кошелева, Никифорова, 2011; Безносиков и др., 2013; Sushkova et al., 2014). Для выяснения этого вопроса необходимы сведения о механизмах аккумуляции и трансформации ПАУ в почвах с различными физико-химическими свойствами и уровнем техногенной нагрузки для создания селективных методов ремедиации техногенно загрязненных почв. Актуальна проблема подбора эффективных методов анализа для экстракции БаП и других ПАУ из почв, растений и донных отложений. Это связано с тем, что все аттестованные и широко используемые методы экстракции данных поллютантов из природных сред являются очень трудоемкими и требуют большого расхода органических растворителей (Wenzl et al., 2006; Rivas, 2006; Baran, 2007). Полученные результаты позволят систематизировать данные в области фундаментальных процессов накопления неспецифических органических соединений в степных почвах и донных отложениях техногенно загрязненных территорий, что позволит выявить влияние системноорганизованных соединений ПАУ на состояние водных и наземных экосистем. Экспериментальная основа решения поставленной задачи состоит в обосновании и апробации современных, экологически чистых методов и технологий, позволяющих получить новую информацию о процессах аккумуляции и трансформации ПАУ в наиболее канцерогенные формы в почвах и донных отложениях, а также в разработке и использовании информативных показателей, отражающих защитные возможности наземных и водных экосистем в условиях загрязнения ПАУ. На основании детального анализа происходящих с ПАУ процессов впервые станет возможным создание системы селективной ремедиации почв для устранения последствий антропогенного воздействия и снижения биологической доступности канцерогенных соединений в сельскохозяйственной продукции.
Ключевые слова
почвы, донные отложения, полициклические ароматические углеводороды, мониторинг, загрязнение, метаболиты, трансформация, экстракция субкритической водой, ультразвуковая экстракция, сорбенты, ремедиация, моделирование, устойчивость
Тезисы

МЕХАНИЗМЫ ПОВЕДЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПОЧВАХ ТЕХНОГЕННО-ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ 

С.Н. Сушкова, Т.М. Минкина, И.Г. Дерябкина (Тюрина), А.А. Нефедова, А.С. Саламова, Е.М. Антоненко, А.В. Шаповалов

Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского Южного федерального университета, Ростов-на-Дону

0dc520683e704snsushkova@sfedu.ru

На основании мониторинговых исследований выявлены биогеохимические особенности поведения главного маркера загрязнения почв полициклическими ароматическими углеводородами - бенз(а)пирена (БаП) в черноземных почвах, находящихся под многолетним влиянием аэротехногенных выбросов Новочеркасской ГРЭС. Изучены тенденции накопления БаП в почвах зоны влияния тепловой электростанции в период с 2010 по 2014 гг., дана оценка степени загрязнения почв БаП. Показано влияние основных свойств почв на миграцию БаП по почвенному профилю. Показано, что содержание БаП в почве является индикатором уровня техногенной нагрузки территорий, основным загрязняющим агентом которых являются продукты сгорания углеводородного топлива. Установлено, что основной территорией, подверженной загрязнению БаП, является 15 километровая зона вокруг предприятия, расположенная по линии преобладающего направления розы ветров.

Среди множества токсичных веществ, образующихся при производстве энергии сжиганием ископаемых видов топлива, производствах химической, нефтехимической, металлургической, целлюлозно-бумажной промышленности, наиболее опасными являются вещества группы полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Наиболее изученным ПАУ является БаП. БаП используют в качестве индикатора, указывающего на присутствие других ПАУ и позволяющего оценивать меру их опасности для человека и природы. Все это определило приоритетное внимание к БаП по сравнению с другими ПАУ. БаП имеет в своей структуре 5 бензольных колец и относится к группе пятикольчатых незамещенных пери-конденсированных ПАУ, т.е. самых активных устойчивых канцерогенов, органических поллютантов 1 класса опасности. Главным источником эмиссии БаП в Ростовской области является предприятие энергетического комплекса - Новочеркасская ГРЭС, общий объем выбросов которой составляет более 90 тысяч тонн в год, из них около 10% приходится на долю ПАУ.

Цель работы - биогеохимические особенностей поведения ПАУ в почвах техногенно-загрязненных территорий юга России на примере БаП.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были использованы залежные почвы территории, прилегающей к НчГРЭС, почвенный покров которого представлен: черноземами обыкновенными тяжелосуглинистыми, лугово-чернозёмными легкоглинистыми и тяжелосуглистыми, аллювиальной песчаной почвой поймы р. Тузлов. Для мониторинговых исследований в 2000 г. на расстоянии 1-20 км от НчГРЭС было заложено 10 площадок отбора почвенных образцов. Частично они были приурочены к точкам единовременного отбора проб воздуха (точки № 1, 2, 3, 5, 6, 7), расположенными в радиусе 1-3 км вокруг источника загрязнения. Мониторинговые площадки № 4, 5, 8, 9, 10 были заложены в соответствии с розой ветров по линии «генерального направления». Образцы почвы отбирались с глубины 0-5 и 5-20 см ежегодно в период с 2010 по 2014 гг. В отобранных образцах почв и растений определяли БаП методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на жидкостном хроматографе (Thermo Separation Product, США, 2000) в соответствии с требованиями международного стандарта качества [1]. Почвенные образцы подготавливались для химического анализа в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.4.02-84 [2]. Извлечение БаП из почв и растений исследуемых объектов проводилось методом экстракции гексаном [3].

Результаты исследования. Распределение БаП в почве в первую очередь зависит от расположения участков по отношению к НчГРЭС. Площадки, находящиеся по линии (№ 4, 8, 9, 10) и вблизи (№ 5) преобладающего направления розы ветров, характеризуются максимальной степенью загрязнения на расстоянии 1,6 км от НчГРЭС, постепенным снижением уровня загрязнения по мере удаления от НчГРЭС, и минимальным количеством БаП в почвах самых отдаленных мониторинговых площадок. Изменение концентраций поллютанта в почве в слоях 0-5 и 5-20 см протекают почти синхронно. Однако в большинстве почв их концентрация в нижележащем слое ниже. Снижение содержания БаП в слое почвы 5-20 см зафиксировано в почвах всех мониторинговых площадок за весь период наблюдений, что позволяет утверждать, что в почвах исследуемых территорий преобладает поверхностная аккумуляция БаП.

Максимальное содержание БаП на протяжении всего периода исследований наблюдается в почвах мониторинговой площадки № 4, расположенной максимально приближенно к источнику эмиссии по линии преобладающего направления розы ветров и составляет от 46,7 до 326,2 нг/г в 5-см слое и от 34,3 до 164,6 в 5-20 см слое почв.

В почвах мониторинговой площадки № 5, расположенной на расстоянии 1,2 км от источника загрязнения, но находящейся севернее линии преобладающего направления розы ветров накопление поллютанта максимально в 2014 году и достигает значения 96,0 нг/г в слое 0-5 см и 52,9 нг/г в слое 5-20 почвенного покрова. Территория мониторинговой площадки № 5 расположена всего на 400 м севернее максимально загрязнённой площадки № 4, при этом уровень загрязнения почвы снижается в среднем в 1,6 раза за период наблюдений.

Содержание БаП равномерно снижается по мере удаления мониторинговых площадок по линии преобладающего направления розы ветров от источника эмиссии. На расстоянии 5-км от НчГРЭС Содержание БаП сниджается в среднем на 70% по сравнению с площадкой №4 за весь период наблюдений. Содержание БаП в почвах площадки № 9 в 5-см слое почв составляет от 12,4 нг/г до 12,4 нг/г и в слое 5-20 см от 7,8 нг/г до 48,9, что ниже ПДК за весь период наблюдений, за исключением 2014 года.

Особое место в описании зоны влияния НчГРЭС занимают почвы мониторинговой площадки № 10, наиболее отдаленной и расположенной в 20 км от НчГРЭС. Содержание БаП в почвах данной площадки составляет до 154,3 нг/г в поверхностном слое и до 61,0 нг/г в слое 5-20 см почвы. Полученные данные свидетельствуют о наличии дополнительных источников эмиссии поллютанта вблизи этой площадки, а именно, автотранспортной магистрали в 350 м от места отбора проб. Территория площадки расположена внутри V – образного пространства, ограждённого двумя автомагистралями - Ростов-Москва с северо-западной стороны и Ростов-Новочеркасск с юго-восточной стороны. Воздух, загрязнённый автомобильными выхлопами, в составе которого находится БаП, перемещается и загрязняет территорию расположения мониторинговой площадки № 10 при различных направлениях ветра. Кроме этого, данная площадка, по-видимому, оказалась под влиянием дымовых шлейфов свалок города Новочеркасска, а также продуктов сгорания, образующихся при печном отоплении домов ст. Грушевской. Однако накопление поллютанта за счет дополнительных источников значительно ниже, чем под влиянием НчГРЭС.

За период исследований наблюдается повышенное содержание изучаемого поллютанта в почве площадки № 1, для которой среднее значение содержания БаП в слое 5-см почв за изучаемый период составляет 92,1 нг/г, а в слое почв 5-20 см – 35,1 нг/г. Содержание загрязнителя в пределах ПДК сохраняется и в слое 5-20 см. Значительное накопление поллютанта в почвах данного участка связаны с непосредственной близостью места отбора проб к источнику эмиссии БаП и подтверждает влияние выбросов НчГРЭС на накопление БаП в почвах изучаемой территории.

Почвы мониторинговых площадок № 6 и 7 расположены в 2,0 и 1,5 км на север от источника эмиссии. На территории данных участков характерно превышение значений ПДК для БаП в 5-см слое почв в период до 2013 года. Это свидетельствует о том, что накопление БаП не происходит в северном направлении, поскольку оно не совпадает с преобладающим направлением розы ветров, т.е. с северо-западным направлением.

Мониторинговые площадки № 2 и 3 располагаются на расстоянии 3,0 и 2,7 км на юго-запад от НчГРЭС. Содержание БаП в 5-см слое почвы площадки № 2 за весь период наблюдений выше чем его содержание в 5-20-см слое. Содержание поллютанта в почве мониторинговой площадки № 3 составляет до 32,4 нг/г в слое 0-5 см почвы и до 28,5 в слое 5-20 см. Различия в количествах и степени накоплении поллютанта в почвах данных площадок, обусловлены отличиями их физических свойств. Аллювиальная почва мониторинговой площадки № 2 имеет лёгкий гранулометрический состав, низкую ёмкость катионного обмена, низкое содержание гумуса и, следовательно, низкую поглотительную способность, что является причиной меньшего накопления в ней БаП. Легкоглинистый гранулометрический состав лугово-черноземной почвы мониторинговой площадки № 3 способствует интенсивной приповерхностной аккумуляции БаП.

Таким образом, в почвах, находящихся на территории НчГРЭС, происходит накопление поллютанта 1-го класса опасности – БаП, содержание и распределение которого зависит от расположения почв по отношению к основному источнику эмиссии и их свойств. Гранулометрический состав почв оказывает существенное влияние на накопление и дифференциацию БаП по почвенному профилю. Основными тенденциями при накоплении БаП почвами в зоне влияния Новочеркасской ГРЭС с 2010 по 2014 гг. является увеличение содержания БаП в почвах всех мониторинговых площадок вокруг НчГРЭС и по линии преобладающего направления розы ветров, что свидетельствует о том, что влияние НчГРЭС на экологическое состояние прилегающей территории на сегодняшний день остается преобладающим.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации № МК-6827.2015.4, РФФИ № 15-35-21134, 16-35-60051.

 

Литература:

1. СТБ ИСО 13877-2005. Качество почвы. Определение полициклических ароматических углеводородов. Метод высокоэффективной жидкостной хроматографии. - М., 2005. - 20 с.

2. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки для химического, бактериологического и гельминтологического анализа. - М.: Издательство стандартов, 1986. - 7 с.

3. Ярощук А.В., Максименко Е.В., Борисенко Н.И. Разработка методики извлечения бенз(а)пирена из почв // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Приложение. – 2003. – № 9. – С. 44-46.

Summary of the project
Research is devoted to the study of the mechanisms of accumulation, transformation and the inactivation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils and sediments technogenic contaminated territories. For the first time obtained detailed information about the geochemical features of the behavior of one of the most dangerous groups of organic pollutants - PAHs are carcinogenic and mutagenic properties with respect to living organisms. Input of PAHs in all natural objects (plants, ground and above-ground water, the human body) is directly related to the processes of their interaction with soil components. In this context, great importance is given to redistribute them to the main sites of terrestrial and aquatic ecosystems - soils and sediments. The available experimental data on the rate of degradation of PAHs in soil rather contradictory (Koshelev, Nikiforov, 2011;. Beznosikov et al, 2013; Sushkova et al, 2014.).
Keywords
soil, sediments, PAHs, monitoring, pollution, metabolites, transformation, extraction with subcritical water, ultrasonic extraction, sorbents, remediation, modeling, stability