Временные изменения содержания полиаренов в почвах и растениях нижнего яруса южной тундры под воздействием угледобывающей промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН

Е.В. Яковлева

Д.Н. Габов

В.А. Безносиков

г. Сыктывкар

В связи с быстрым развитием промышленности во всем мире усиливается загрязнение окружающей среды полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). Тундровые экосистемы наряду с высоким ресурсным потенциалом характеризуются низкой устойчивостью к антропогенным воздействиям. Целью исследования было изучение возможностей использования органогенных горизонтов почв, растений и лишайников для диагностики временных изменений содержания ПАУ в фитоценозах южной тундры при аэротехногенном воздействии. Были проведены мониторинговые исследования содержания ПАУ в органогенных горизонтах почв и растениях нижнего яруса южной тундры. Почвы и растения отбирали на фоновом участке и в районе действия угольной шахты «Воркутинская» на расстоянии 0,5; 1,0 и 1,5 км от источника эмиссии с учетом розы ветров в северо-восточном направлении. В зоне действия угледобывающего предприятия отбор был осуществлен в 2013 и 2015 годах. В качестве модельных видов были выбраны лишайник - Peltigera leucophlebia Nyl., мох - Pleurozium schreberi Brid. и листья кустарничка - Vaccinium myrtillus L. Для извлечения ПАУ из почв и растений использовали систему ускоренной экстракции растворителями ASE-350 (Thermo Fisher Scientific, США). Содержание ПАУ в пробе определяли методом ВЭЖХ.

В органогенных горизонтах почв, растениях и лишайниках исследованных участков было идентифицировано 13 структур ПАУ. Основным источником ПАУ в почвах и растениях зоны действия шахты Воркутинская, была угольная пыль. В состав ПАУ почв и растений максимальный вклад вносили легкие полиарены, при этом их доля оставалась устойчивой во времени на разном удалении от шахты, что свидетельствует о постоянном характере загрязнения в течение исследованного периода. Уменьшение содержания полиаренов в растениях за двухлетний период свидетельствовало о снижении интенсивности воздействия шахты на изучаемые фитоценозы. Растения быстрее реагировали на изменение потоков полиаренов в тундровых фитоценозах по сравнению с органогенными горизонтами почв, поэтому они могут быть использованы как более чуткие индикаторы изменения состояния окружающей среды. Среди исследованных видов растений наибольшим накоплением полиаренов в условиях загрязнения отличался мох Pleurozium schreberi, который в силу своей широкой распространенности и способности к активной аккумуляции ПАУ может быть использован в целях биоиндикации уровня загрязнения в зонах действия угледобывающей промышленности.

Ключевые слова: полициклические ароматические углеводороды, почва, растения, временные изменения

Основная часть

В настоящее время в результате активной работы различных промышленных предприятий в Арктике усиливается антропогенное воздействие на природные экосистемы. Часто в состав выбросов предприятий входят различные органические вещества токсиканты, в том числе ПАУ. Полиарены характеризуются повышенной канцерогенной, мутагенной и токсичной активностью и высокой мобильностью. ПАУ - распространены повсеместно, загрязнение почв полиаренами, хотя и не значительное, было выявлено даже в Антарктиде и высоких широтах [1]. ПАУ из атмосферы попадают на поверхность растений, активно аккумулируются в них. В дальнейшем полиарены мигрируют и накапливаются по всей пищевой цепи. В этой связи актуальной задачей современных научных исследований, становится подбор чувствительных индикаторов, дающих возможность постоянной диагностики содержания ПАУ в природных экосистемах.

Многолетний мониторинг загрязнения окружающей среды ПАУ проводится с использованием различных методов. Так, в городских районах Белграда, были проведены мониторинговые исследования содержания ПАУ в аэрозольных частицах, исследовались изменения содержания полиаренов за трехлетний период с 2009 по 2011 годы. Авторами было выявлено: повышение уровня загрязнения ПАУ городской среды, которое происходило в основном за счет увеличения городского трафика; 3 основных источника поступления ПАУ - стационарные источники, трафик и локальное сжигание на открытом воздухе [2]. Подобные исследования были проведены в Корее с 2006 по 2008 годы. Исследователи показали, что изменение состава ПАУ зависело от уровня антропогенной активности. Содержания полиаренов были близкими в торговых, промышленных и сельскохозяйственных областях, для фоновых районов они были в 2 раза ниже. Была отмечена сезонность в изменении содержания ПАУ в аэрозолях с минимумом в июне и максимумом в декабре. Декабрьский максимум связан с увеличением выбросов от отопительных систем и выхлопов автомобилей в холодное время года. За двухлетний период в большинстве районов выявлено незначимое повышение массовой доли полиаренов [3]. Однако следует отметить, что по составу аэрозолей трудно оценить воздействие полиаренов на биологические системы.

Существует ряд исследований посвященных долгосрочному мониторингу бенз[а] пирена в почвах городских [4] и промышленных районов [5]. Исследование изменения содержания бенз[а] пирена на территории г. Москва за период с 1990 по 2006 годы, показали, что его массовая доля за 16 лет увеличилась лишь в 1,3 раз [4]. На основании многолетнего мониторинга с 2002 по 2011 годы выявлены закономерности накопления бенз[а] пирена в почвах, находящихся под влиянием аэротехногенных выбросов Новочеркасской ГРЭС. Установлено, что загрязнению бенз[а] пирена наиболее подвержена 5-километровая зона на северо-запад от электростанции, совпадающая с преобладающим направлением ветра. Максимум накопления бенз[а] пирена отмечали на расстоянии 1,6 км от источника. Авторами показано снижение содержания бенз[а] пирена в почвах до 7 раз за следованный период, что во многом было связано со значительным уменьшением объемов выброса загрязняющих веществ предприятием [5].

Корейскими учеными в 2001-2002 годах были проведены комплексные мониторинговые исследования атмосферных аэрозолей, вод, донных отложений, почв и хвои сосны и листьев дуба в центре и пригороде Сеула. Полученные данные также указывали на повышение концентраций полиаренов в зимний период и демонстрировали высокие коэффициенты корреляции содержания ПАУ в хвое, листьях и атмосферном воздухе [6].

Разные виды мхов часто используются в качестве биомониторов содержания ПАУ в природных экосистемах [7; 8]. Для контроля загрязнения территории нефтеносных песков Аттабаска использовали сфагновые мхи. Исследователями было установлено, что основным источником ПАУ в данном регионе служит нефтекокс, максимальные уровни загрязнения для мха составляли 200 нг/г [9]. В мониторинговых исследованиях загрязнения местности Кампания (южная Италия) был использован мох Hypnum cupressiforme. Мох специально размещали в 40 разных городских и сельскохозяйственных районах и отслеживали содержание Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Ni, Pb, Se, и Zn и ПАУ (на пяти участках). Содержание ПАУ во мхах возрастало на 20-50% относительно первоначальных значений. Авторы показали, что уровни техногенной нагрузки в исследованной местности были довольно высоки, и поглощение ПАУ мхом не зависело от точки размещения [8]. Сходные исследования были проведены в г. Неаполе и г. Лондоне с использованием мхов Sphagnum capillifolium (Ehrh.) Hedw. и Hypnum cupressiforme Hedw. Было установлено, что Sphagnum capillifolium отличается большей способностью к биоаккумуляции ПАУ и тяжелых металлов [10].

Исследования накопления полиаренов в Hylocomium splendens, удаленных районов северной Испании, позволили выявить сезонные изменения в содержании ПАУ во мхах, согласующиеся с сезонностью выбросов ПАУ в атмосферу. Было выявлено, что содержание ПАУ во мхе тесно коррелировало с их растворимостью и липофильными свойствами [11]. Изменение содержание полиаренов в зависимости от сезона были отмечены и для лишайника Pseudevemia furfuracea, при исследовании 40 участков с разными типами землепользования в северо-восточной Италии [12].

В последнее время широко применяют индикаторные соотношения индивидуальных ПАУ, которое позволяет идентифицировать генезис обнаруженных полиаренов [13; 14]. Разработкой таких критериев активно занимались А.П. Хаустов и М.М. Редина [15]. Как наиболее адекватный критерий авторами был выделен расчет соотношений антрацен / (антрацен + фенантрен) и флуорантен / (флуорантен + пирен). Данные критерии позволяют более точно идентифицировать источники ПАУ по их генезису. Авторами отмечено, что проблема идентификации природы загрязнений осложняется тем, что ПАУ, формируются во многих природных и техногенных процессах. С точки зрения генезиса условно ПАУ подразделяют на пирогенные, образовавшиеся в результате различных процессов горения, биогенные - петрогенные, не связанные с горением, образующиеся в результате долгих геохимических процессов.

Целью данного исследования было изучение возможностей использования органогенных горизонтов почв, растений и лишайников для диагностики временных изменений содержания ПАУ в фитоценозах южной тундры при аэротехногенном воздействии.

Материалы и методы

Проведены мониторинговые исследования содержания ПАУ в органогенных горизонтах почв и растениях нижнего яруса южной тундры. Почвы и растения отбирали на фоновом участке в 6 км от ст. Хановей (30 км от г. Воркуты) и в районе действия угольной шахты «Воркутинская» на расстоянии 0,5; 1 и 1,5 км от источника эмиссии в северо-восточном направлении. Отбор проб проводили с учетом розы ветров. В зоне действия угледобывающего предприятия пробы были отобраны в 2013 и 2015 годах. В качестве модельных видов, на основании предыдущих исследований [16] были выбраны лишайник - Peltigera leucophlebia, мох - Pleurozium schreberi и листья кустарничка - Vaccinium myrtillus.

Территория исследования представляет собой полого-увалистую равнину с сильно дислоцированными палеозойскими породами, перекрытыми толщей наносов ледникового происхождения. Покровные пылеватые суглинки мощностью менее 10 м, подстилаемые мореной, - почвообразующие породы в изучаемом районе [17]. Район исследования относится к воркутинскому климатическому району умеренно континентальной атлантико-арктической климатической области, который характеризуется суровой зимой и прохладным летом. Среднегодовая температура воздуха по метеостанции г. Воркута - 5,8°С. Среднегодовое количество осадков составляет 550-600 мм [18]. Исследования проведены в полосе южных гипоарктических тундр, где кустарниковые тундры являются зональным типом сообществ. Характерная черта растительного покрова - мозаичность и быстрая пространственная смена растительных группировок [17].

В районе исследования распространены тундровые поверхностно-глеевые, торфянисто- и торфяно-тундровые глеевые почвы, которые характеризуются низкой биологической продуктивностью и замедленным биологическим круговоротом. Почвы обладают кислой реакцией среды. По гранулометрическому составу почвы относятся к тяжелым суглинкам. Органогенные горизонты, верхняя часть иллювиальной и криогенной зон являются геохимическими барьерами [19].

Химико-аналитические исследования почв и растений выполняли в ЦКП «Хроматография» Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Для извлечения ПАУ из почв и растений использовали систему ускоренной экстракции растворителями ASE-350 (ThermoFisherScientific, США). Пробу почвы или растения массой 1 г помещали в экстракционную ячейку и трижды экстрагировали смесью хлористый метилен: ацетон (1:1) при температуре 100°С. Затем экстракты концетрировали с применением аппарата Кудерна-Даниша при температуре 70°С, затем 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 гексан: хлористый метилен (4:1). Элюат концентрировали с применением аппарата Кудерна-Даниша при температуре 85°С до объема 5 см³, затем добавляли 3 см³ ацетонитрила и упаривали при температуре 90°С до полного удаления гексана. Концентрат пробы в ацетонитриле анализировали на содержание ПАУ методом ВЭЖХ. Контроль точности результатов измерений проводили с использованием стандартного образца Certified reference material BCR-683 (European commission community bureau of reference). Для исследованных выборок с помощью теста Колмогорова-Смирнова установлено нормальное распределение. Статистическую обработку для оценки достоверности расхождений средних данных проводили с помощью i-критерия Стъюдента, Р = 0,95. Для проведения кластерного анализа использовали программу Statistica-6. При построении дендрограммы сходства для объединения данных применяли метод Варда, в качестве способа определения сходства использовали Евклидово расстояние.

Для оценки происхождения исследуемых ПАУ нами был рассчитан ряд диагностических критериев (табл. 1).

Таблица 1. Идентификация источников ПАУ по их генезису [15]