CC BY
74
УДК 631.41
СОДЕРЖАНИЕ 3,4-БЕНЗ(А)ПИРЕНА В РАСТИТЕЛЬНОСТИ, РАСПОЛОЖЕННОЙ В
ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ НОВОЧЕРКАССКОЙ ГРЭС
© 2006 г. О.Н. Горобцова, О.Г. Назаренко, Т.М. Минкина, Н.И. Борисенко
Method of preparing the plants for analysis of 3,4-Benzpyrene content using high effective liquid chromatography method has been tested. Content of 3,4-Benzpyrene in vegetative and root parts of plants growing in the zone of Novocherkassk electric station has been determed.
В настоящее время важнейшим аспектом экологических исследований агроландшафтов, расположенных в пределах индустриальных центров, является не только оценка их состояния, но и прогноз экологической ситуации в сложившихся условиях техногенной нагрузки. Для решения этих задач необходим анализ данных по накоплению и распределению в компонентах экосистем таких поллютантов, которые могут служить индикатором состояния окружающей среды [1, 2]. Одним из веществ, отвечающих этим требованиям, является поллютант 1 класса опасности 3,4-бенз(а)пирен - представитель полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), сильнейший канцероген и мутаген, подлежащий обязательному экологическому контролю [3, 4].
Из органических соединений ПАУ являются наиболее многочисленными группами в перечне химических соединений, которые могут накапливаться в живых организмах, проявлять мутагенную и канцерогенную активность. Уровень канцерогенной загрязненности объектов окружающей среды ПАУ оценивается по содержанию наиболее сильного и стабильного соединения 3,4-бенз(а)пирена (БП) [5].
Основным источником загрязнения природной среды канцерогенными ПАУ является углеводородное топливо (твердое, жидкое, газообразное), сжигаемое в промышленных печах, котлах, транспортных двигателях, отопительных системах. При этом создаются условия для образования 3,4-бенз(а)пирена, причем количество его зависит от вида топлива, способа его сжигания и т.д. [6].
ПАУ в результате выброса загрязняющих веществ попадают в атмосферу, затем в водоемы и почву, далее в растения, продукты питания [7, 8]. Следует отметить, что в растения ПАУ попадают двумя путями: из атмосферы и из почвы через корневую систему.
Общеизвестна важная роль растений как в геохимическом круговороте, так и в поступлении загрязнений в пищевые цепи. Растения могут накапливать загрязнители в тканях или на поверхностях вследствие больших возможностей адаптации к изменениям окружающей среды [9]. Они являются промежуточным резервуаром, через который поллютанты переходят из почв, воды, воздуха в организм человека и животных. При циркуляции канцерогенных веществ в природе растения являются одним из важных звеньев, обеспечивающих очистку окружающей среды от этих соединений путем их биотрансформации в растительной клетке.
В настоящее время считается, что растения наряду с ультрафиолетовым излучением солнца и некоторыми видами микроорганизмов способны трансформировать многие ПАУ и в том числе канцерогенный 3,4-бенз(а)пирен [10].
Усвоение ПАУ происходит через листья и корни, но протекает, используя разные механизмы. Гидрофобные молекулы ПАУ хорошо растворимы в жирах, благодаря чему могут проникнуть в листья растения через липидные компоненты клеточной стенки (воск, липидный слой мембран) и через кутикулу, которая покрывает лист. Поглощение корнями ПАУ происходит с питательной средой путем диффузии в свободное пространство клеточной стенки и зависит от растворимости в воде, температуры, концентрации, молекулярной массы, рН среды, вида и возраста растений. Опыты с радиоактивными ПАУ показали, что наиболее радиоактивны корни, затем стебель и листья при поглощении ПАУ из корней, а при усвоении из листьев радиоактивны прежде всего листья, затем стебель и корни [11].
Установлено, что усвоение ПАУ растениями зависит от растворимости канцерогена в воде. С повышением температуры и концентрации ПАУ в среде учитывается степень поглощения канцерогенов. Поглощение ПАУ растениями связанно с процессами биотрансформации их в растительной клетке. Водорастворимые метаболиты ПАУ выделяются из корней и переходят в питательный раствор, а из листьев вырабатывается радиоактивный углекислый газ, что указывает на деградацию ароматических колец канцерогенных веществ в растениях [7].
По данным Т.В. Девдариани [10], поглощение ПАУ растениями и их транспорт протекает по сосудам и трахеидам ксилем, а также по ситовидным трубкам флоэм. Опыты с радиоактивными ПАУ показали, что эти соединения более интенсивно перемещаются от корней к листьям, чем из листьев к корням.
Изучение накопления и трансформации ПАУ в растениях позволит оградить внутреннюю среду человека от высокотоксичных и канцерогенных метаболитов, инициирующих бластомогенез, мутагенез, аллергию и другие заболевания, а также позволит рекомендовать растения для очистки и охраны окружающей среды.
Основные источники выброса ПАУ в окружающую среду связаны с различными технологическими процессами и, в первую очередь, с процессами сжигания углеводородного топлива - угля, нефти и газа [9]. Новочеркасская ГРЭС (НчГРЭС), работающая в ос-
новном на угле, несомненно, представляет крупнейший в городе источник выброса ПАУ [3,10].
Целью настоящего исследования являлось оценка тенденций накопления 3,4-бенз(а)пирена в растительности, расположенной в зоне влияния НчГРЭС.
Объект и методы исследования
В 2000 г. были заложены десять мониторинговых площадок. Часть их (N° 1, 2, 3, 5, 6, 7) расположены по радиусу на разном удалении (1-3 км) от источника загрязнения и приурочены к точкам единовременного отбора проб воздуха при составлении экологического паспорта НчГРЭС. В соответствии с розой ветров было определено так называемое «генеральное направление» - прямая, проходящая от источника загрязнения через селитебные зоны г. Новочеркасска и станицы Кривянской. Номера мониторинговых площадок линии «генерального направления» № 4, 8, 9, 10.
Методы исследования: на территории мониторинговых площадок отбирались образцы вегетативной и корневой части растительности. Видовой состав представлен травянистыми дикорастущими растениями, типичными для степной зоны: овсюг обыкновенный (Avena fatua), бодяк полевой (Cirstum аrvense), полынь горькая (Artemisia fbsinthium), мышей зелёный (Sitaria viridis), пырей ползучий (Agropyrum repens), просо куриное (Echinochloa crus galli), пастушья сумка (Capsella bursa pastoris), вьюнок полевой (Convolvulus arvensis), марь белая (Cnenopodium album), амброзия полыннолистная (Ambrosia artemisifolia), подорожник большой (Plantago major). Образцы отбирались ежегодно во второй декаде июня в период максимального развития вегетативной части растительности.
Нами успещно апробирована методика пробопод-готовки растений методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Исследование содержания 3,4-бенз(а)пирена в вегетативной и корневой части растений методом ВЭЖХ проводилось на базе научно-образовательного эколого-аналитиче-ского центра системных исследований, математиче-
ского моделирования и геоэкологической безопасности юга России.
Методика пробоподготовки почвенных образцов заключалась в трехчасовом кипячении образца растений весом в 1 г в 7%-м растворе КОН в этаноле, в результате чего происходило омыление липидной части растений. Затем производили троекратную экстракцию гексаном, перешедшего из растения в перкалят 3,4- бенз(а)пирена. Экстракцию проводили по 15 минут на механическом встряхивателе. С помощью делительной воронки отделяли гексан от перкалята, упаривали экстракт досуха на роторном испарителе, добавляли 1 мл ацетонитрила и анализировали методом ВЭЖХ.
Хроматографическое качественное и количественное определение 3,4-бенз(а)пирена проводили методом обращено-фазной ВЭЖХ с флуорисцентным детектором. Измерения проводились на ВЭЖХ - хроматографе фирмы TSP (Thermo-Separation Produkt) с флуорисцентным детектированием (Spextra System FI-300) с использованием колонки Экохром-3 (150-4,0) в условиях изокритического элюирования смесью аце-тонитрила и воды в соотношении 70:30 при скорости котона 0,7 мл/мин (насос Spektra Sysstem-P200), температура колонки 28° (термостойкой колонки Ietstream plus фирмы Nhermotechnik Produts CMBH) и детектирование флуорисцентным детектором при длинах волн возбуждения и испускания 290 и 400, соответственно. Обработка данных производилась с учетом пакета программ РС 1000 версия 3.0.1. Sooftware; интерфейс SN400.
Результаты исследований
В нашей работе представлены усреднённые данные за три года исследования - 2002 - 2004 гг. Анализ вегетативной массы растений, отобранных на мониторинговых площадках, показал, что содержание 3,4-бенз(а)пирена в наземной части колеблется от 21 до 315 нг/г воздушно-сухой массы растений. В подземной части растений содержание 3,4-бенз(а)пирена варьировало от 9 до 74 нг/г (таблица).
№ площадки Удаленность и направление от источника загрязнения Вегетативная часть растений Корневая система растений.
Содержание 3,4 БП, нг/г Превышение фоновых концентраций Содержание 3,4 БП, нг/г Превышение фоновых концентраций
1 1,0 северо-восточное 58 5,8 18 1,8
2 3,0 юго-западное 36 3,6 9 -
3 2,7 юго-западное 21 2,1 11 1,1
4 1,6 северо-западное 315 31,5 74 7,4
5 1,2 северо-западное 124 12,4 28 2,8
6 2,0 северо-северо-западное 47 4,7 12 1,2
7 1,5 северное 37 3,7 17 1,7
8 1,0 северо-западное 80 8,0 26 2,6
9 15 северо-западное 42 4,2 15 1,5
10 20 северо-западное 76 7,6 22 2,2
Содержание 3,4-бенз(а)пирена (БП) в сухой массе растительности мониторинговых площадок.
Усреднённые данные за 2002-2004 гг.
Фоновая концентрация 3,4-бенз(а)пирена в сухой массе растительности составляет 10 нг/г [10]. Таким образом, содержание 3,4- бенз(а)пирена в вегетативной части рассматриваемых растений превышено на территории всех мониторинговых площадок как минимум вдвое, а в корневых частях не превышает фоновых концентраций лишь в образцах мониторинговой площадки № 2. Содержание 3,4 бенз(а)пирена в подземной части растений не столь контрастно, но повторяет закономерности, выявленные при оценке его содержания в вегетативной массе.
Максимальное накопление 3,4-бенз(а)пирена в надземной и корневой частях растений изучаемых территорий отмечено на площадке № 4, которая находится на расстоянии 1,6 км на северо-запад от НчГРЭС и является начальной точкой «генерального направления». Содержание изучаемого поллютанта в вегетативной части растений здесь составляет 315 нг/г, что превышает фоновую концентрацию в 31,5 раза, в подземной части растительности содержание токсиканта составило 74 нг/г, превышение ПДК в 7,4 раза. При удалении от основного источника загрязнения вдоль линии «генерального направления» содержание 3,4-бенз(а)-пирена постепенно снижается и на мониторинговых площадках № 8 и 9, расположенных в 5 и 15 км от НчГРЭС, содержание его в вегетативной массе составляет 79 и 42 нг/г соответственно. Однако в вегетативной части растений мониторинговой площадки № 10, расположенной на расстоянии 20 км от источника эмиссии, наблюдается резкий скачок в накоплении 3,4-бенз(а)пирена до 76 нг/г. Аналогичная закономерность наблюдается и в корневой части растений. Можно предположить,что в этом случае сказывается близость автомобильной трассы Ростов - Воронеж. Следовательно, резкое возрастание содержания поллютанта на значительном расстоянии (20 км) от основного источника эмиссии обусловлено не корневым питанием, а влиянием атмосферного загрязнения усиленного влиянием автомобильных выхлопов.
Необходимо отметить, что влияние такого важного дополнительного загрязнителя, как автомобильные выхлопы, в которых содержание 3,4-бенз(а)пирена очень высоко, можно предположить и в растительности мониторинговой площадки № 1, расположенной также в непосредственной близости от оживлённой автомагистрали, связывающей г. Новочеркасск и пос. Донской. Содержание поллютанта в вегетативной массе растительности этой площадки составляет 57 нг/г, что превышает фоновые концентрации почти в 6 раз.
Высокое содержание изучаемого поллютанта наблюдается в вегетативной и корневой частях растительности мониторинговой площадки № 5 - 124 и 27 нг/г. Эта площадка расположена в подфакельном пространстве (в непосредственной близости от начальной точки «генерального направления») и по уровню загрязнения занимает второе место среди изучаемых образцов. Превышение фоновых концентраций в вегетативной части здесь составляет 12,4 раза.
В образцах растительности мониторинговых площадок № 6 и 7, расположенных на северо-северо-запад и на север от основного источника загрязнения,. также зафиксирован достаточно высокий уровень загрязнения 3,4-бенз(а)пиреном, превышающий фоновые кон-
центрации в вегетативной части в 4,7 и 4,0 раза. В корневых остатках растительности этих площадок содержание изучаемого токсиканта хотя и снижается в 3,8 и 2,3 раза по сравнению с надземной частью, но всё же несколько превышает фоновые концентрации.
Интересен показатель соотношения содержания 3,4-бенз(а)пирена в вегетативной части растений и корневой системе. Он колеблется от 1,9 до 4,5. Однако нужно отметить, что при максимальном загрязнении основная масса поллютанта накапливалась в надземной части растений. Учитывая, что анализируемые растения в основном однолетники, можно предположить, что содержание 3,4-бенз(а)пирена в надземной вегетативной массе растений в основном определяется атмосферным источником загрязнения.
Таким образом, на основании полученных данных установлено:
- уровень содержание 3,4-бенз(а)пирена в вегетативных частях растений изучаемых территорий как минимум вдвое превышает фоновые концентрации;
- преимущественное накопление его в тканях растений наблюдается на мониторинговых площадках «генерального направления»;
- превышение содержания изучаемого поллютанта в вегетативной части растительности по отношению к корневой в 2-4 раза указывает, что источником высокого содержания 3,4-бенз(а)пирена является не корневое питание, а атмосферное загрязнение;
- многократное превышение фоновых концентраций поллютанта 1 класса опасности канцерогена и мутагена в растительности участков, расположенных по линии «генерального направления» в непосредственной близости от НчГРЭС не позволяет использовать указанные территории для сельскохозяйственного производства.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 04-04-96804) и ФЦП «Интеграция» (проект № Б0103) и ведомственной научной программы Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы».
Литература
1. Геннадиев А.Н. и др. // Почвоведение.1990. № 10. С.75-85.
2. Геннадиев А.Н. и др. Геохимия полициклических ароматических углеводородов в горных породах и почвах: Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды г. Новочеркасска в 1997 году». Новочеркасск, 1998.
3. Перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых количеств (ОДК) химических веществ в почве. Т / Минздрав СССР. Утв. зам. главн. госуд. санитарного врача СССР 19.11.91. № 6229-91. М.:, 1991.
4. Клар Э. Полициклические ароматические углеводороды. М., 1971. Т. 1.
5. Кизильштейн Л.Я. и др. Элементы-примеси в углях, продуктах сгорания, растениях, почвах и атмосфере района тепловой электростанции. Ростов н/Д, 1990.
6. Акопова Г.С. // Безопасность жизнедеятельности. 2002. № 9. С.21-27.
7. Хесина А.Я., Маховер М.С., Хитрово И.А. // Экспериментальная онкология. 1998. Т.11. № 2. С.3-8.
Вальков В. Ф. Экология почв Ростовской области. Ростов н/Д, 1994.
Экология Новочеркасска. Проблемы, пути решения /Под ред. Н.В. Белоусовой. Ростов н/Д, 2001.
10. Девдариани Т. В. Биотрансформация некоторых канцерогенных полициклических ароматических углеводородов в растениях: Автореф. дис..., д-ра. биол. наук. Тбилиси, 1992.
Ростовский государственный университет Донской государственный аграрный университет
15 августа 2006 г.
