Дальность распространения полициклических ароматических углеводородов в тундровой зоне под воздействием ТЭС

Полный текст

Введение В результате активной работы различных промышленных предприятий в тундровой зоне усиливается антропогенное воздействие на природные экосистемы. Часто в состав выбросов предприятий входят различные органические токсиканты, в том числе полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) [1]. ПАУ характеризуются повышенной канцерогенной, мутагенной и токсичной активностью [2; 3]. По данным литературы основными источниками поступления ПАУ в окружающую среду являются процессы, связанные со сжиганием угля [4; 5]. Поэтому исследование воздействия теплоэлектростанции (ТЭС) на уязвимые тундровые экосистемы наиболее интересно. Исследования содержания ПАУ в органогенных горизонтах почв, мхах и сосудистых растениях вблизи ТЭС, расположенной на архипелаге Шпицберген в районе пос. Баренцбург [1], показали, что ПАУ могут распространяться на расстояния более 6 км. При этом оседание полиаренов происходит преимущественно вблизи источника, что авторы объясняют особенностями рельефа. ПАУ в данном случае оседали в основном на подветренном склоне горы. Влияние на аккумуляцию ПАУ во мхах Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi топографических особенностей и метеорологических факторов отмечали и другие исследователи [6; 7]. Сходные данные получены для зоны воздействия Новочеркасской ГРЭС (государственной районной электростанции), работающей на угле и природном газе. Авторами установлено, что загрязнению бенз[a]пиреном наиболее подвержены почвы и травянистые растения пятикилометровой зоны на северозападе от электростанции, совпадающей с линией преобладающего направления ветров, с максимумом накопления на расстоянии около 1,6 км от источника [4; 8]. Хорватскими учеными исследовано содержание ПАУ в органогенных горизонтах почв, отобранных на расстояний 200, 300, 400 и 800 м от ТЭС и зольных отвалов в соответствии с преобладающим направлением ветра. Максимальное загрязнение ПАУ выявлено в непосредственной близости от источника. Полиарены с меньшим количеством колец могли распространяться на более дальние расстояния по сравнению с тяжелыми структурами [9]. Рядом авторов отмечено, что ПАУ могут переноситься на расстояния в несколько сотен километров и загрязнять геологическую среду вдали от их источника, что ставит вопрос об идентификации источников полиаренов [10]. Методы идентификации (соотношение различных структур ПАУ), предложенные авторами, хорошо применимы к аэрозолям и атмосферным осадкам, для почв и растений их применение усложняется наличием в данных объектах полиаренов природного происхождения. Наши предыдущие исследования продемонстрировали, что Pleurozium schreberi может быть использован при мониторинге загрязнения тундровых экосистем ПАУ. Данный вид мха широко распространен в тундровой зоне. В Pleurozium schreberi Brid. сосредоточена основная массовая доля ПАУ среди растений южной тундры [11; 12]. Его вклад в потребление ПАУ составляет 70-80 % от накопления ПАУ в растениях нижнего яруса и 56-63 % от суммарного накопления в тундровых фитоценозах. В Pleurozium schreberi очень чутко реагирует на изменения содержания полиаренов как во временном аспекте [13], так и с расстоянием [14]. Дальность распространения ПАУ в условиях тундровой зоны ранее не исследовали. В связи с отсутствием в тундре древесной растительности полиарены могут распространяться на дальние расстояния, что ведет к нарушению естественных процессов в тундровых фитоценозах. Поэтому исследование дальности распространения ПАУ с использованием Pleurozium schreberi в качестве индикатора интересно как в прикладном плане, так и с точки зрения фундаментальной науки. Цель данного исследования - оценить дальность распространения ПАУ в условиях тундровой зоны на примере воздействия теплоэлектростанции. Материалы и методы Работы проводили в Большеземельской тундре в Воркутинском районе Республики Коми. Исследовано поверхностное накопление и общее содержание ПАУ в Pleurozium schreberi Brid. и органогенном горизонте тундровых поверхностно-глеевых почв (Stagnic Cambisols) на фоновом участке (в 6 км от ст. Хановей) и удалении от ТЭС 0,5; 1; 1,5; 3; 5 и 12 км с учетом преобладающего направления ветра в северо-восточном направлении. Мхи на каждом участке отбирали в трех повторностях с площадок 100×100 см. Живую и отмершую часть мха анализировали отдельно. С этих же площадок отбирались смешанные пробы почв органогенного горизонта. Химико-аналитические исследования почв и растений выполняли в ЦКП «Хроматография» Института биологии Коми НЦ УрО РАН. При подготовке проб растений к химическому анализу поверхностного загрязнения использовали оригинальную методику, описанную А.Г. Горшковым [15]. Нерастертые высушенные пробы растений массой 1 г помещали в коническую колбу объемом 100 см3 и проводили ультразвуковую экстракцию образцов 60 см3 гексана в течение 30 мин. Экстракты декантировали через фильтр «красная лента». Полученный фильтрат концентрировали с применением аппарата Кудерна - Даниша при температуре в термостате 85 ºС до объема 5 см3, затем добавляли 3 см3 ацетонитрила и упаривали при температуре 90 ºС до полного удаления гексана. Концентрат пробы в ацетонитриле анализировали на содержание ПАУ методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Для полного извлечения ПАУ из растений и почв использовали систему ускоренной экстракции растворителями ASE-350 Dionex Corporation (США). Пробу растения массой 1 г помещали в экстракционную ячейку и трижды экстрагировали смесью хлористого метилена с ацетоном (1:1) при температуре 100 ºС. Затем экстракты концентрировали с применением аппарата Кудерна - Даниша при температуре в термостате 70 ºС и заменяли растворитель на гексан. Полученный концентрат пробы объемом 3 см3 очищали от неорганических примесей методом колоночной хроматографии с использованием оксида алюминия II степени активности по Брокману. В качестве элюэнта использовали 50 см3 смеси гексана с хлористым метиленом (4:1). Элюат концентрировали с применением аппарата Кудерна - Даниша при температуре в термостате 85 ºС до объема 5 см3, затем добавляли 3 см3 ацетонитрила и упаривали при температуре 90 ºС до полного удаления гексана. Концентрат пробы в ацетонитриле анализировали на содержание ПАУ методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Контроль точности результатов измерений проводили с использованием стандартного образца Certified reference material BCR-683 (European commission community bureau of reference) для растительных образцов. Standard Reference Material 1944 «New York/New Jersey Waterway Sediment» (National Institute of Standards & Technology, USA) использовали в качестве образца для контроля для почв. Для исследованных выборок с помощью теста Колмогорова - Смирнова установлено нормальное распределение. Статистическую обработку для оценки достоверности расхождений средних данных проводили при помощи t-критерия Стьюдента, Р = 0,95. Построение графиков, гистограмм и расчет средних арифметических с определением ошибки средней выполнены в программе Microsoft Excel 7.0. Корреляционный и кластерный анализ проводили в программе Statistica 6.0. На рисунках отражены средние значения полученных данных, в качестве погрешностей указано стандартное отклонение среднего. При построении дендрограммы сходства для объединения данных применяли метод Варда, в качестве способа определения сходства использовали Евклидово расстояние. Результаты и обсуждение Мох Pleurozium schreberi активно аккумулирует полиарены, что позволяет использовать его для индикации загрязнения экосистем данными экотоксикантами. ПАУ могут иметь как природное, так и техногенное происхождение, поэтому в небольших количествах присутствуют и в естественных биоценозах. Согласно полученным данным, во мхах Pleurozium schreberi фонового участка выявлено присутствие 12 структур ПАУ: нафталин, флуорен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, бенз[a]антрацен, бензо[b]флуорантен, бензо[k]флуорантен, бенз[a]пирен, бенз[ghi]перилен. На загрязненных участках дополнительно обнаружен дибенз[a,h]антрацен. Результаты, ранее полученные для снежного покрова исследованных участков на расстоянии от 0,5 до 5 км от ТЭС, показали, что на расстоянии в 0,5 км от источника выявлено минимальное содержание ПАУ в снежном покрове. По мере удаления от ТЭС содержание ПАУ и в большей степени тяжелых структур полиаренов возрастало и достигало максимума на удалении 3 км от ТЭС. С дальнейшим удалением от источника происходило снижение содержания ПАУ [14]. Для мхов обнаружена сходная тенденция накопления ПАУ: некоторое увеличение содержания ПАУ во мхе выявлено на расстоянии в 1 км от ТЭС, а максимум накопления отмечен на расстоянии в 3 км. С дальнейшим удалением содержание полиаренов в Pleurozium schreberi снижалось и достигало фонового уровня на расстоянии 12 км от источника. Полученные закономерности характерны как для легких 2-4-ядерных, так и для тяжелых 5-6-ядерных структур ПАУ. Кратности превышения фоновых содержаний ПАУ на расстоянии в 1 и 3 км от предприятия составили 5 раз, на удалении в 1,5 км - 3,5 раз, в 5 км - 3 раза. Аналогично изменялось содержание легких ПАУ во мхах. Превышение содержание тяжелых ПАУ более выражено на расстоянии в 3 км - в 5 раз, по сравнению с расстоянием в 1 км, где оно составляло 3 раза. Также более выраженным являлось снижение массовой доли тяжелых ПАУ на расстоянии в 5 км - до кратностей превышения фоновых значений в 2 раза. То есть содержание низкомолекулярных ПАУ изменялось более плавно в связи с их большей летучестью по сравнению с тяжелыми структурами. Высокомолекулярные структуры, по-видимому, перемещались с воздушными потоками от трубы ТЭС на расстояние до 3 км, где выпадали на поверхность мхов, легкие же могли перемещаться дальше. Такой факт во многом связан с концентрированием тяжелых и легких структур на частицах разного диаметра. Исследования, направленные на изучение золы с ТЭЦ, работающей на каменном угле, позволили выявить изменения состава полиаренов в зависимости от размера частиц. Содержание 2, 3, 4-ядерных ПАУ уменьшалось с увеличением размера частиц сажи, для тяжелых полиаренов выявлена обратная тенденция [16]. Индийские исследователи показали, что тяжелые ПАУ преобладали в летучей золе, легкие ПАУ в зольной пыли [17]. Массовая доля ПАУ, нг/г (PAH content, ng/g) 700 a b 600 500 400 300 200 100 0 фон 0,5 км 1 км 1,5 км 3 км 5 км 12 км Расстояние от ТЭС, км (Distance from TPP, km) Рис. 1. Общее содержание ПАУ в Pleurozium schreberi, нг/г: а - ∑ легкие ПАУ; b - ∑ тяжелые ПАУ [Figure 1.Тotal PAHs content in Pleurozium schreberi, ng/g: а - ∑ light PAH; b - ∑ heavy PAH] Следует отметить, что во мхе фонового и загрязненных участков в большей степени представлены легкие полиарены, доля тяжелых структур от общего содержания ПАУ варьировала в пределах 4-6 %. Исследование содержания полиаренов на поверхности мхов позволило выявить одиннадцать структур ПАУ. На большинстве исследованных участков обнаружено десять структур полиаренов: флуорен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, бенз[a]антрацен, бензо[b]флуорантен, бензо[k]флуорантен, бенз[a]пирен. Дибенз[a,h]антрацен обнаружен на поверхности мха только на расстоянии в 1,5 км от источника, в тканях растения данный компонент обнаружен также на расстоянии в 1 и 3 км, в снежном покрове в 1,2 км от источника. Это позволяет утверждать, что дибенз[a,h]антрацен мог распространяться лишь на незначительные расстояния от ТЭС. Бенз[ghi]перилен отсутствовал в снежном покрове, а следовательно, и на поверхности мхов, то есть его накопление могло быть связано с внутриклеточным синтезом в растениях. Следует отметить, что на поверхности растений как фонового, так и загрязненного участка не выявлено присутствие нафталина, при его значительном содержании в тканях Pleurozium schreberi. Нафталин в растениях фонового участка мог формироваться в процессе внутриклеточного синтеза, так как имеет сходную структуру с витаминами и гормонами. В условиях загрязнения в растения поступало дополнительное количество нафталина, и он, по-видимому, благодаря своей высокой растворимости и небольшому молекулярному весу, легко проникал в ткани растения, не концентрируясь на поверхности. Природное сходство низкомолекулярных ПАУ с витаминами и гормонами также может оказывать определенное стимулирующее воздействие на проницаемость клеточных мембран [18]. ПАУ на поверхности растений представлены в основном легкими полиаренами на 83-96 % на загрязненных участках и на 98 % на фоновом. Массовая доля ПАУ, нг/г (PAH content, ng/g) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 a b фон 0,5 км 1 км 1,5 км 3 км 5 км 12 км Расстояние от ТЭС, км (Distance from TPP, km) Рис. 2. Содержание ПАУ на поверхности Pleurozium schreberi, нг/г: а - ∑ легкие ПАУ; b - ∑ тяжелые ПАУ [Figure 2. PAH content on the surface of Pleurozium schreberi, ng/g: а - ∑ light PAH; b - ∑ heavy PAH] Суммарное содержание полиаренов на поверхности мхов примерно одинаково на фоновом и загрязненных участках, что свидетельствует о поддержании мхом определенных концентраций полиаренов на поверхности. Исключением является участок на расстоянии в 3 км, где отмечено резкое повышение массовой доли поверхностных ПАУ - в 3 раза относительно других участков. Такое повышение обусловлено резким возрастанием массовой доли 4-5-ядерных полиаренов: флуорантена, пирена, бенз[a]антрацена, хризена, бензо[b]флуорантена, бензо[k]флуорантена, бенз[a]пирена. Можно предположить, что данные структуры перемещаются на пылевых частицах и выпадают на расстоянии в 3 км. Из-за повышенного содержания 4-5-ядерных структур на поверхности затрудняется их проникновение в ткани растений. Сравнение уровня накопления ПАУ на поверхности и в тканях Pleurozium schreberi позволило выявить, что на фоновом участке и максимально приближенном к нему по содержанию ПАУ в 12 км от ТЭС доля поверхностного накопления составила 17-18 % (рис. 3). На участках, подверженных загрязнению от ТЭС (0,5; 1; 1,5; 5 км) - 5-6 %. То есть в условиях загрязнения активизировались процессы биоаккумуляции ПАУ, и полиарены с поверхности мха активно транспортировались внутрь растения. Исключением являлся участок в 3 км от ТЭС, где доля поверхностного накопления достигала 13 % при максимальном загрязнении. Возможно, в данном случае у Pleurozium schreberi включались защитные механизмы, связанные с резким увеличением поступления в фитоценоз 4-5-ядерных структур, главным образом флуорантена, хризена, бензо[b]флуорантена и бензо[k]флуорантена, для которых отмечено повышение не только поверхностного, но и общего содержания в растениях. Как результат, поступление ПАУ внутрь мха снижалось и полиарены в значительной степени концентрировались на поверхности мха. Доля поверхностного накопления, % (The share of surface accumulation, %) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% a b фон 0,5 км 1 км 1,5 км 3 км 5 км 12 км Расстояние от ТЭС, км (Distance from TPP, km) Рис. 3. Вклад поверхностного накопления в общее содержание ПАУ в Pleurozium schreberi, %: а - ∑ содержание ПАУ в тканях; b - содержание ПАУ на поверхности [Figure 3. The contribution of surface accumulation to the total PAH content in Pleurozium schreber, %: а - PAH content in tissues; b - PAH content on the surface] Сравнение накопления ПАУ в живой и отмершей части мха показало, что различия между ними незначимы на фоновом участке, где полиарены преимущественно концентрировались в активной живой части, и на большинстве расстояний в условиях загрязнения, где преобладало накопление ПАУ в отмершей части Pleurozium schreberi (рис. 4). Значимые превышения содержания ПАУ в отмершей части мха характерны лишь для расстояния в 3 км, характеризующегося максимальным поступлением полиаренов. Таким образом, пик накопления ПАУ в живой части мха наблюдали в 1 км от ТЭС, а пик накопления в отмершей части - в 3 км. Такой факт позволяет предположить, что для правильной идентификации пиков поступления полиаренов необходимо использовать отмершую часть Pleurozium schreberi или мох в целом. Массовая доля ПАУ, нг/г (PAH content, ng/g) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 a b фон 0,5 км 1 км 1,5км 3 км 5км 12 км Расстояние от ТЭС, км (Distance from TPP, km) Рис. 4. Содержание ПАУ в живой и отмершей частях Pleurozium schreberi, нг/г: а - живая часть; b - отмершая часть [Figure 4. PAH content in the living and dead parts of the Pleurozium schreberi, ng/g: а - living part, b - dead part] Массовая доля ПАУ, нг/г (PAH content, ng/g) 1200 a b 1000 800 600 400 200 0 фон 0,5 км 1 км 1,5 км 3 км 5 км 12 км Расстояние от ТЭС, км (Distance from TPP, km) Рис. 5. Содержание ПАУ в органогенных горизонтах почв, нг/г: а - ∑ легкие ПАУ; b - ∑ тяжелые ПАУ [Figure 5. PAH content in organogenic soil horizons, ng/g: а - ∑ light PAH; b - ∑ heavy PAH] Повышение массовой доли ПАУ во мхах, составляющих основу биомассы тундровых фитоценозов, ведет к возрастанию содержания полиаренов в почвах (рис. 5). В составе органогенных горизонтов почв всех исследованных участков идентифицировано 13 структур ПАУ: нафталин, флуорен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, бенз[a]антрацен, бензо[b]флуорантен, бензо[k]флуорантен, бенз[a]пирен, дибенз[a,h]антрацен, бенз[ghi]перилен. Изменения в содержании полиаренов в органогенных горизонтах почв идентичны изменениям, характерным для Pleurozium schreberi. Максимальное содержание как легких, так и тяжелых структур выявлено в 3 км от ТЭС. Такое повышение обусловлено резким возрастанием массовой доли 4-5ядерных полиаренов: флуорантена, пирена, бенз[a]антрацена, хризена, бензо[b]флуорантена, бензо[k]флуорантена, бенз[a]пирена и 6-ядерного бенз[ghi]перилена - в 2-3 раза по сравнению с другими загрязненными участками. ПАУ поступают в органогенные горизонты почв при отмирании тундровой растительности, поэтому составы ПАУ в почвах и растениях близки между собой. Коэффициенты корреляции составляют r = 0,85-0,97 (при P = 0,95; n = 13). Кратности превышения фоновых значений легких полиаренов в почве составили 3 раза для участков в 0,5; 1,5; 5 и 12 км от источника. На расстоянии в 1 км от ТЭС кратности превышения достигали 4 раз, на расстоянии в 3 км - 5 раз. Для тяжелых ПАУ кратности превышения фоновых значений также максимальны на расстоянии в 3 км и составляют 3 раза, для других участков - до 2 раз. В целом для мхов и почв наблюдались сходные закономерности в аккумуляции полиаренов. При этом изменения в содержании тяжелых ПАУ в органогенных горизонтах почв проявлялись не так явно, как в растениях. Этот факт во многом связан с тем, что источником высокомолекулярных полиаренов в почве могут служить не только антропогенные процессы, но и процессы почвообразования, в растениях же в естественных условиях тяжелые полиарены отсутствуют или представлены в следовых количествах. Так, повышение содержания 6-ядерного бенз[ghi]перилена в условиях загрязнения при его отсутствии в выбросах ТЭС, возможно, обусловлено его образованием в почве в процессе перекомбинации других структур полиаренов или разложения более сложных органических веществ под действием почвенной микробиоты, активизировавшейся в условиях значительного поступления ПАУ в почву. Возможность педогенного происхождения ПАУ - хорошо доказанный факт. Рядом авторов показано, что источниками образования ПАУ в почве служили пентациклические терпены, ароматические структуры, структуры с диеновыми или полиеновыми связями в алифатических углеводородных цепях, липидах [19; 20]. Другими авторами установлено, что аценафтен, флуорен, пирен, дибенз[a,h]антрацен, нафталин и бенз[ghi]перилен имели преимущественно биопедогенное происхождение и синтезировались в восстановительных условиях в сильно обводненных горизонтах коллювиальных почв [21]. Кроме того, не наблюдалось снижения содержания ПАУ в органогенных горизонтах почв на расстоянии в 12 км, что, возможно, связано с более длительной аккумуляцией полиаренов в почве и ее более низкой чувствительностью к изменениям в уровне поступления загрязнителей в тундровые экосистемы. Эти данные подтверждают информацию, полученную ранее, о более высокой чувствительности Pleurozium schreberi по сравнению с почвенным покровом [13; 14]. Для оценки сходства в накоплении ПАУ мхами и почвами использовали кластерный анализ. Данные кластерного анализа подтверждают, что на расстоянии в 12 км от ТЭС массовая доля полиаренов во мхах достигает фоновых значений (рис. 6). Рис. 6. Диаграмма сходства в накоплении полиаренов Pleurozium schreberi и органогенными горизонтами почв, метод Варда: почва: а - фоновый участок; b - 0,5 км; с - 1 км; d - 1,5 км; e - 3 км; f - 5 км; g - 12 км; Pleurozium schreberi: h - фоновый участок; i - 0,5 км; j - 1 км; k - 1,5 км; l - 3 км; m - 5 км; n - 12 км [Figure 6. Similarity diagram in the polyarenes accumulation of Pleurozium schreberi and organic soil horizons, the Ward method: soil: a - background area; b - 0.5 km; c - 1 km; d - 1.5 km; e - 3 km; f - 5 km; g - 12 km; Pleurozium schreberi: h - background area; i - 0.5 km; j - 1 km; k - 1.5 km; l - 3 km; m - 5 km; n - 12 km] Содержание ПАУ в Pleurozium schreberi и органогенном горизонте почвы фонового участка объединены в один кластер с массовой долей ПАУ во мхе в 12 км от ТЭС. Также в отдельные кластеры выделяются содержание ПАУ в Pleurozium schreberi на удалении 0,5; 1; 1,5 и 5 км от ТЭС и концентрация полиаренов органогенных горизонтах почв всех загрязненных участков. К почвенному кластеру присоединяется содержание ПАУ во мхе максимально загрязненного участка, что, вероятно, связано со значительным содержанием полиаренов в растениях на расстоянии в 3 км, в частности 4-5-ядерных структур. В целом содержание полиаренов в почвах и Pleurozium schreberi загрязненных участков характеризуется высоким уровнем сходства и значительно отличается от фоновых показателей. Заключение На основании полученных данных можно констатировать, что ПАУ в условиях тундры способны перемещаться на значительные расстояния. Приближенные к фоновым значения содержания ПАУ в Pleurozium schreberi выявлены лишь на расстоянии в 12 км от ТЭС, для органогенных горизонтов почв значения близкие к фоновым не выявлены. Подтверждены данные о большей чувствительности Pleurozium schreberi к изменениям в уровне загрязнения тундровых биоценозов по сравнению с органогенными горизонтами почв. Отмечено снижение доли накопления ПАУ на поверхности мха с ростом уровня загрязнения по сравнению с фоновым участком. При повышении уровня загрязнения биоаккумуляция ПАУ мхом интенсифицируется. При максимальном загрязнении доля поверхностного накопления несколько возрастала, не достигая фоновых значений, что может быть объяснено включением защитных механизмов растения под влиянием активного поступления 4-5 ПАУ в фитоценоз. На поверхности мха не выявлено присутствие нафталина, что, возможно, связано с его активным поглощением с поверхности из-за сродства с природными компонентами растений. В целях мониторинга рекомендуется использовать мох Pleurozium schreberi в целом или его отмершую часть, что позволит более точно идентифицировать пики накопления полиаренов в тундровых экосистемах.

Об авторах

Евгения Вячеславовна Яковлева

Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: kaleeva@ib.komisc.ru
SPIN-код: 7916-3710

кандидат биологических наук, научный сотрудник отдела почвоведения Института биологии

Российская Федерация, 167982, Республика Коми, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28

Дмитрий Николаевич Габов

Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук

Email: gabov@ib.komisc.ru
SPIN-код: 2777-7762

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник экоаналитической лаборатории Института биологии

Российская Федерация, 167982, Республика Коми, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28

Список литературы