CC BY
55
дигиена и санитария. 2016; 95(4)
DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-4-336-339_
Оригинальная статья
О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2016
УДК 614.77:546.132]-074
Баева Ю.И., Черных Н.А.
ОЦЕНКА МИГРАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЛИХЛОРИРОВАННЫХ БИФЕНИЛОВ В СИСТЕМАХ «ПОЧВА - РАСТЕНИЕ» И «ПОЧВА - ДОЖДЕВЫЕ ЧЕРВИ»
ФГАОУВО «Российский университет дружбы народов», экологический факультет, 115093, Москва
В статье дана гигиеническая оценка загрязнения почв г. Серпухова Московской области полихлорированными бифенилами. Впервые изучена способность ПХБ мигрировать в системе «почва - дождевые черви», рассчитаны коэффициенты биоаккумуляции при различном уровне загрязнения почв. Проведена сравнительная оценка накопления данных загрязняющих веществ высшими наземными растениями и представителями пе-добионтов (дождевые черви Lumbricina), а также выявлены четкие различия в данных процессах. Показана возможность использования дождевых червей в качестве высокочувствительных биоиндикаторов при мониторинге загрязнения почвенного покрова СОЗ даже при низких концентрациях.
Ключевые слова: загрязнение почв; полихлорированные бифенилы; растения; дождевые черви; биоаккумуляция.
Для цитирования: Баева Ю.И., Черных Н.А. Оценка миграционной способности полихлорированных бифенилов в системах «почва - растение» и «почва - дождевые черви». Гигиена и санитария. 2016; 95 (4): 336-339. DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-4-336-339
Baeva Yu.I., Chernykh N.A.
EVALUATION OF MIGRATION ABILITY OF POLYCHLORINATED BIPHENYLS IN THE "SOIL - PLANT" AND "SOIL- EARTHWORMS"
Peoples 'Friendship University of Russia, Ecological faculty, 115093, Moscow, Russian Federation
In the article there is given a hygienic assessment ofpolychlorinated biphenyls (PCBs) contamination of soils of the city of Serpukhov of the Moscow region. For the first time there was investigated the PCB's ability to migrate in the system "soil-earthworms", and were calculated bioaccumulation factors at the different level of soil contamination. There was performed a comparative evaluation of the accumulation of given contaminants by higher terrestrial plants and representatives of soil paedobionts (Lumbricidae worms), and revealed clear differences in these processes. There was shown the possibility of the use of earthworms as a highly sensitive bio-indicators in monitoring for soil contamination by persistent organic pollutants, even at low concentrations.
Keywords: soil pollution; polychlorinated biphenyls; plants; earthworms; bioaccumulation.
For citation: Baeva Yu.I., Chernykh N.A. Evaluation of migration ability of polychlorinated biphenyls in the "soil - plant" and "soil-earthworms".
Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal) 2016; 95(4): 336-339. (In Russ.). DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-4-336-339
For correspondence: Yuliya I. Baeva, MD., PhD., Associate Professor of the Department of judicial ecology. E-mail: baeva_ [email protected]
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Funding. The study had no sponsorship. Received 29 January 2015 Accepted 04 June 2015
Введение
Одной из важнейших экологических проблем, сопутствующих развитию научно-технического прогресса в последние сто лет, является возрастающее загрязнение окружающей природной среды чужеродными химическими соединениями. Среди них особо опасной считается группа стойких органических загрязнителей (СОЗ), которые характеризуются высокой токсичностью, долговременным периодом полуразложения, способностью к биоаккумуляции и трансграничному переносу. К данным соединениям относят прежде всего полихлорированные дибензо-диоксины (ПХДД), дибензофураны (ПХДФ) и полихлорированные бифенилы (ПХБ) [1].
ПХБ - это смесь соединений с разным содержанием хлора (от 40 до 60%), возникающая при хлорировании бифенила. Их синтез впервые был описан еще в 1881 г., а их промышленное производство на-
Для корреспонденции: Баева Юлия Игоревна, канд. биол. наук, доц. кафедры судебной экологии, ФГАОУВО «Российский университет дружбы народов», Экологический факультет, 115093, Москва. E-mail: [email protected].
чалось в конце 1920-х годов [2]. По данным литературы, общее количество произведенных ПХБ в мире оценивается в 1,5 млн тонн [3]. В СССР ПХБ в массовом количестве производили с 1934-го вплоть до конца 1995 г. Их применяли в основном в качестве диэлектрических жидкостей в трансформаторах и конденсаторах под названиями «Совтол» и «Совол», а также пластификаторов при производстве полимерных материалов, смазок и фунгицидов для защиты древесины [2, 3].
При этом данные соединения долгое время не рассматривались как опасные, а промышленные смеси на их основе и ПХБ-содержащая продукция производились и использовались во многих странах мира практически без ограничений в электротрансформаторах и конденсаторах, в виде лаков, восков, синтетических смол, эпоксидных красок и красок для подводных частей кораблей, покрытий, смазочно-ох-лаждающих эмульсий, жидких теплоносителей, рабочих жидкостей и др. Поэтому практически в любой индустриально развитой стране имеются сильно загрязненные территории, нуждающиеся в очистке [4].
Одной из таких территорий в нашей стране является Серпухов, расположенный на юге Московской области. Здесь в течение 25 лет источником загрязнения ОС служил НПО «Конденсатор», использовавший ПХБ для заполнения конденсаторов.
Миграция ПХБ в окружающей среде определяется физико-химическими свойствами этих поллютантов. Непосредственно из источника загрязнения, а также вследствие атмосферного переноса они попадают на поверхность почвы, растительности и водоемов. Относительно низкая летучесть, малая растворимость в воде, липофильность и высокая сорбционная способность делают ПХБ устойчивыми к физико-химическому и биологическому разложению, способствуют их накоплению в пищевых цепях и являются определяющими критериями экотоксичности. Так, содержание ПХБ в длинных пищевых цепях может возрастать в 107 раз по сравнению с начальным звеном [5].
Для оценки последствий загрязнения почвенного покрова ПХБ используют коэффициент биологического поглощения, который отражает уровень биогенной миграции загрязнителя и показывает, во сколько раз содержание того или иного элемента больше в живом организме по сравнению со средой обитания [6]. Так как ПХБ могут поглощаться из почвы не только растениями, но и педобионтами, весьма информативным представляется исследование возможности перехода ксенобиотиков в дождевых червей (ЬитЬпста), для которых среда обитания является одновременно и источником питания. Кроме того, значительное содержание жиров в тканях дождевых червей способствует растворению в них липофильных ПХБ, их аккумуляции и дальнейшему переходу по пищевым цепям. Актуальность и недостаточная изученность данного вопроса послужили предпосылками для настоящего исследования. При этом в качестве основных задач работы были поставлены следующие:
1. Гигиеническая оценка качества почвенного покрова в г. Серпухов, подверженного влиянию НПО «Конденсатор»;
2. Изучение миграционной способности ПХБ в системах «почва - растение» и «почва - дождевые черви»;
3. Сравнительная характеристика накопления данных загрязняющих веществ высшими наземными растениями и представителями педобионтов.
Материалы и методы
Для оценки миграционной способности ПХБ в системах «почва - растение» и «почва - дождевые черви» в качестве объекта исследования были выбраны почвенный и растительный покров г. Серпухова Московской области, где источником эмиссии ПХБ в окружающую среду долгое время служил расположенный в черте города конденсаторный завод. Работа выполнена на базе Центра коллективного пользования РУДН.
Отбор проб почвы производился из поверхностного слоя глубиной до 10 см с 12 площадок размером
Hygiene & Sanitation (Russian Journal). 2016; 95(4)
_DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-4-336-339
Original article
Таблица 1
Содержание ПХБ в почвах Серпухова
Точка пробоотбора Расстояние от завода Суммарная концентрация ПХБ, нг/г ПДК ПХБ в почве, нг/г
№ 1 (1-3-я площадки) 250 м 2800 ± 900 60
№ 2 (4-7-я площадки) 500 м 2,3 ± 0,3
№ 3 (8-11-я площадки) 1000 м 1,3 ± 0,4
Фон (12-14-я площадки) 10000 м 1,2 ± 0,2
10 х 10 м на различном удалении от завода (250, 500, 1000 и 10 000 м). С каждой площадки образцы отбирали из пяти точек. Каждый образец на точке про-боотбора составляли из 5 проб массой не менее 100 г, взятых методом конверта с площадки площадью 1 м2. В тех же точках отбирались растения и особи дождевых червей (Lumbricina), которые впоследствии подвергались заморозке с предварительным освобождением кишечника от почвы (сборная проба составляла 100 г).
Количественное определение полихлорирован-ных бифенилов в образцах проводили с помощью метода газовой хроматомасс-спектрометрии (ГХ МС) на хроматомасс-спектрометре Thermo Focus DSQ II. Подготовку образцов для анализа осуществляли с помощью ускоренной экстракции растворителем (Accelerated Solvent Extraction - ASE) [7]. Идентификацию ПХБ осуществляли путем сравнения масс-спектра (в режиме полного ионного тока) и на основании определенных в результате анализа стандартного образца смеси «Арохлор 1254» индексов удерживания Ковача для используемой в анализе капиллярной колонки. Для количественного определения ПХБ в качестве внутреннего стандарта использовали 4,4-дибромбифенил [8].
Результаты и обсуждение
Изучение степени загрязнения почвенного покрова Серпухова ПХБ началось еще 26 лет назад. Первые исследования были проведены НПО «Тайфун» в 1987-1988 гг. Именно тогда и были зафиксированы чрезвычайно высокие уровни содержания ПХБ в почвах, которые составили десятки тысяч мг/кг [9, 10]. К настоящему времени в поверхностном почвенном слое города содержание ПХБ уменьшилось более чем на 40%. Площадь почв с уровнями загрязнения ниже 1 ПДК увеличилась до 74% от всей территории города [11].
Результаты проведенного исследования подтверждают вышесказанное. Из табл. 1 видно, что почвенный покров г. Серпухова неравномерно загрязнен ПХБ, что обусловлено влиянием таких факторов, как естественная деструкция и пространственный перенос ксенобиотиков с почвенными и подземными водами по элементам рельефа и по почвенному профилю, а также миграция с воздушными потоками вместе с пылью, в виде аэрозолей или парогазовой фазы по направлению преобладающих ветров. При этом максимальное загрязнение приурочено к территории, непосредственно прилегающей к заводу «Конденсатор» с южной стороны и служившей в
гиена и санитария. 2016; 95(4)
DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-4-336-339_
Оригинальная статья
Таблица 2
Содержание ПХБ в почвах Серпухова
Точка отбора Суммарная концентрация ПХБ, нг/г Коэффициент биоаккумуляции
пробы растения Lumbricina растения Lumbricina
№ 1 962 ± 288 28 000 ± 800 0,34 10
№ 2 0,8 ± 0,1 4,6 ± 0,4 0,35 2
№ 3 0,3 ± 0,1 3,2 ± 0,3 0,23 2,5
Фон 0,4 ± 0,1 1,7 ± 0,5 0,33 1,4
прошлом производственной площадкой. Здесь суммарная концентрация ксенобиотиков превышает значение ПДК в 47 раз. Уровни, не превышающие ПДК, отмечаются уже на расстоянии 0,5 км от завода -0,04 ПДК. А зарегистрированное нами минимальное содержание ПХБ, не имеющее достоверных различий с фоном, наблюдалось в точках, расположенных в 1 км от промзоны в парке им. Олега Степанова, -0,02 ПДК.
Для определения способности растений и дождевых червей накапливать в себе токсические вещества в нашем исследовании использовали коэффициент биоаккумуляции, который рассчитывали как отношение суммарной концентрации конгенеров ПХБ в живом организме к их концентрации в почве (Кб = Со/Сп). Результаты расчета коэффициента перехода ПХБ в растения и в дождевых червей представлены в табл. 2.
Содержание ПХБ как в биомассе растений, так и в биомассе дождевых червей прямо зависит от их содержания в почвах (табл. 2). Так, наивысшие концентрации ПХБ отмечены в растительности и дождевых червях, отобранных непосредственно у завода (962 ± 288 и 28 000 ± 800 нг/г соответственно), а минимальные - в парке им. Олега Степанова (0,3 ± 0,1 и 3,2 ± 0,3 нг/г).
Анализ коэффициента биоаккумуляции ПХБ выявил четкие различия в процессах накопления данных поллютантов растениями и педобионтами. В растения переходит только порядка 30% ксенобиотиков, содержащихся в почве (коэффициенты биоаккумуляции колеблются в диапазоне от 0,23 до 0,34). При этом наблюдается в основном корневое загрязнение, а для стеблей, листьев и плодов накопление СОЗ не характерно [12-14]. Это, по-видимому, можно объяснить тем, что корневое поглощение лимитируется в основном диффузией, и гидрофобные органические вещества не способны к транслокации из корневой системы в надземную часть растения, поэтому основная часть ксенобиотиков концентрируется в корнях [15, 16]. В надземные части ПХБ поступают из воздуха, источником вторичного загрязнения которого служит загрязненная поллютантами почва [5,
17].
В отличие от растений рассчитанные коэффициенты биоаккумуляции ПХБ тканями дождевых червей имеют довольно высокие значение и изменяются в интервале 2-10. Такое увеличение концентрации ПХБ в биомассе Lumbricina свидетельствует о процессе биоконцентрирования, обусловленном
значительным содержанием жиров в биомассе земляных червей [18], которое в свою очередь способствует растворению в жирах ПХБ и их накоплению в тканях, не вызывая при этом острых токсических эффектов [19]. Полученные данные полностью подтверждаются аналогичными исследованиями миграции диоксинподобных загрязняющих веществ в системе «почва - дождевые черви», проведенными ранее другими авторами [12].
Выводы
1. Загрязнение почвенного покрова ПХБ характеризуется неравномерностью и локализованностью: на территории, непосредственно прилегающей к заводу «Конденсатор», почвы относятся к категории «чрезвычайно опасные», на расстоянии 0,5 км от завода они характеризуются как «чистые», а в 1 км от промзоны содержание ПХБ в почвах не имеет достоверных различий с фоновыми значениями.
2. Уровни биогенной миграции ПХБ прямо коррелируют с их концентрацией в почвах. При этом наибольшее количество данных поллютантов отмечено в растительности и дождевых червях непосредственно у завода, а минимальное - на удалении в 1 км.
3. Выявлены четкие различия в процессах накопления ПХБ растениями и педобионтами. В отличие от растений, в которые переходит лишь третья часть загрязняющих веществ, содержащихся в почве, дождевые черви выступают как мощные биоконцентраторы.
4. Способность дождевых червей Lumbricina накапливать в себе СОЗ обусловливает возможность их использования в качестве высокочувствительных биоиндикаторов при мониторинге загрязнения почвенного покрова ПХБ, особенно для выявления их низких концентраций.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Литература (п.п. 1, 4, 10, 13-17, 19 см. References)
2. Программа ООН по окружающей среде. ПХБ-трансформаторы и конденсаторы: от эксплуатации и регламентирования до реклассификации и удаления. Выпуск 1. Женева; 2002.
3. Майстренко В.Н. Эколого-аналитический мониторинг стойких органических загрязнителей. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний; 2009.
5. Мотузова Г.В. Химическое загрязнение биосферы и его экологические последствия. Учебник. М.: Издательство МГУ; 2013.
6. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа; 1975.
7. Клюев Н.А. Определение полихлорированных бифенилов в окружающей среде и биоте. В кн. Полихлорированные бифе-нилы. Супертоксиканты XXI века. Информационный выпуск № 5 Всероссийского института научной и технической информации РАН. М.; 2000: 31-63.
8. Клюев H.A. Масс-спектрометрический анализ смесей полихлорированных дифенилов с различной степенью хлорирования. Журнал аналитической химии. 1990; 45 (10): 19942003.
9. Хакимов Ф.И., Попова А.Ю., Керженцев А.С. Экологическая ситуация в городе Серпухове и перспективы ее улучшения. М.: ПОЛТЕКС; 2000.
11. Севостьянов С.М., Деева Н.Ф., Ильина А.А., Демин Д.В., Шульженко Ю.В. Пространственно-временные аспекты распределения полихлорированных бифенилов в почвенном покрове г. Серпухова. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010; 12 (1): 1-4.
12. Криволуцкий Д.А., Курамшина Н.Г., Амирова З.К., Лебедева Н.В., Курамшин З.К. Накопление диоксинов земляными червями Lumbricus terrestris в России. Ekologija (Vilnius). 2002; 4: 30-3.
18. Покаржевский А.Д. Геохимическая экология наземных животных. М.: Наука; 1985.
References
1. Soil Guideline Values for dioxins, furans and dioxinlike PCBs in soil. Report SC050021 / Dioxins SGV. Bristol: Environment Agency; 2009.
2. United Nations Environment Programme. PCB Transformers and Capacitors From Management to Reclassification and Disposal. First Issue. Geneva; 2002.
3. Maystrenko V.N. Ecological and Analytical Monitoring of Persistent Organic Pollutants [Ekologo-analiticheskiy monitoring stoykikh organicheskikh zagryazniteley]. Moscow: BINOM. Laboratoriya znaniy; 2009. (in Russian)
4. Freeman R.A., Hileman F.D., Noble R.W., Schroy J.M. Experiments on the mobility of 2,3,7,8-tetrachIorodibenzo-p-dioxin at Times Beach, Missouri. In: Exner J.H. ed. Solving Hazardous Waste Problems. Washington: ACS Symposium Series Num; 1987: 338.
5. Motuzova G.V. Chemical Pollution of the Biosphere and its Environmental Impacts. Textbook [Khimicheskoe zagryaznenie biosfery i ego ekologicheskie posledstviya. Uchebnik]. Moscow: Izdatel'stvo MGU; 2013. (in Russian)
6. Perel'man A.I. Geochemistry Landscape [Geokhimiya land-shafta]. Moscow: Vysshaya shkola; 1975. (in Russian)
7. Klyuev N.A. Determination of polychlorinated Biphenyls in the Environment and Biota. In: Polychlorinated Biphenyls. Supertoxicants XXI Century. Information Bulletin № 5 Russian Institute for Scientific and Technical Information of Russian Academy of Sciences [Po-likhlorirovannye bifenily. Supertoksikanty XXI veka. Informatsion-nyy vypusk № 5 Vserossiyskogo instituta nauchnoy i tekhnicheskoy informatsiiRAN]. Moscow; 2000: 31-63. (in Russian)
8. Klyuev N.A. Mass spectrometric analysis of mixtures of polychlorinated biphenyls with varying degrees of chlorination. Zhurnal analiticheskoy khimii. 1990; 45 (10): 1994-2003. (in Russian)
9. Khakimov F.I., Popova A.Yu., Kerzhentsev A.S. The Ecological Situation in the City of Serpukhov and the Prospects for its
Hygiene & Sanitation (Russian Journal). 2016; 95(4)
_DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-4-339-343
Original article
Improvement [Ekologicheskaya situatsiya v gorode Serpukhove i perspektivy ee uluchsheniya]. Moscow: POLTEKS; 2000. (in Russian)
10. Konoplev A., Alexeeva L., Bobovnikova Ts., Bulgakov A., Chernik G., Popova A. Assessing contamination of soil with PCBs and its health effect in Serpukhov (Moscow region). Organohalogen Compounds. 2005; 67: 1005-7.
11. Sevost'yanov S.M., Deeva N.F., Il'ina A.A., Demin D.V., Shul'zhenko Yu.V. Spatial and temporal aspects of the distribution of PCBs in the soil cover of Serpukhov. Izvestiya Samarsk-ogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk. 2010; 12 (1): 1-4. (in Russian)
12. Krivolutskiy D.A., Kuramshina N.G., Amirova Z.K., Lebedeva N.V., Kuramshin Z.K. The accumulation of dioxins and poly-chlorinated biphenyls to earthworms Lumbricus terrestris in Russia. Ekologija (Vilnius). 2002; 4: 30-3. (in Russian)
13. Young A., Thalken C., Harrison D. Persistance, bioaccumulation and Doxicity of TCDD in an ecosystem threated with massive guantitaties of 2,4,5-T herbicide. Proc. West. Soc. Weed Sci. 1981; 37: 70-1.
14. Supplementary information for the derivation of SGVs for dioxins, furans and dioxin-like PCBs Science report: SC050021/ Technical Review dioxins, furans and dioxin-like PCBs. Bristol: Environment Agency; 2009.
15. Engwall M., Hjelm K. Uptake of dioxin-like compounds from sewage sludge into various plant species - assessment of levels using a sensitive bioassay. Chemosphere. 2000; 40 (9-11): 1189-95.
16. Zohair A., Salim A., Soyibo A.A., Beck A.J. Residues of poly-cyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs) and organochlorine pesticides in organically-farmed vegetables. Chemosphere. 2006; 63 (4): 541-53.
17. Bobovnikova T.I., Alekseeva L.B., Dibtseva A.V., Chernyk G.V., Orlinsky D.B., Priputina I.V. et al. The influence of a capacitor plant in Serpukhov on vegetable contamination by polychlori-nated biphenyls. Sci. Total Environ. 2000; 246 (1): 51-60.
18. Pokarzhevskiy A.D. GeochemicalEcology of Terrestrial Animals [Geokhimicheskaya ekologiya nazemnykh zhivotnykh]. Moscow: Nauka; 1985. (in Russian)
19. Tala R., Henry DeVito, Michael DeVito. Non-dioxin-like PCBs: effects and consideration in ecological risk assessment. Cincinnati, OH: Ecological Risk Assessment Support Center (ERASC). Office of Research and Development U.S. Environmental Protection Agency; 2003.
Поступила 29.01.15 Принята к печати 04.06.15
О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2016 УДК 614.77:546.3 + 546.23]-074(470.316)
Бакаева Е.А., Еремейшвили А.В.
ОСОБЕННОСТИ СОДЕРЖАНИЯ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И СЕЛЕНА В ПОЧВАХ ЯРОСЛАВСКОГО РЕГИОНА
ФГБОУ ВПО Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова, 150000, Ярославль
Методом инверсионной вольтамперометрии проанализировано содержание подвижных форм микроэлементов (селен, цинк, медь, свинец, кадмий) в почвах Ярославского района Ярославской области, а также содержание цинка, меди, свинца, кадмия в почвенном и снежном покрове Ярославля. По значению концентрации подвижных соединений в почвах определяемые микроэлементы образуют ряд: цинк > свинец > медь > селен > кадмий. Обнаружено недостаточное по сравнению с данными литературы содержание подвижных соединений селена, меди и цинка в обследованных почвах. Максимальные концентрации свинца выявлены в районах, расположенных в непосредственной близости от Ярославля и крупных автомагистралей города, что свидетельствует об антропогенном загрязнении почв данным элементом.
Ключевые слова: микроэлементы; подвижные соединения селена, цинка, меди, свинца и кадмия; почвенный и снежный покров; антропогенное загрязнение.
Для цитирования: Бакаева Е.А., Еремейшвили А.В. Особенности содержания подвижных форм тяжелых металлов и селена в почвах Ярославского региона. Гигиена и санитария. 2016; 95 (4): 339-343: DOI: 10.18821/0016-9900-2016-95-4-339-343
