Механизмы накопления полициклических ароматических углеводородов в почвах и растениях тундровой зоны Республики Коми под влиянием добычи и сжигания угля

экосистемах часто используются разные виды мхов. В мониторинговых исследованиях загрязнения местности Кампания (южная Италия) был использован мох Hypnum cupressiforme. Авторы показали, что уровни техногенной нагрузки в исследованной местности были довольно высоки, и поглощение ПАУ мхом не зависело от точки размещения [5]. Сходные исследования были проведены в Неаполе и Лондоне с использованием мхов Sphagnum capillifolium (Ehrh.) Hedw. и Hypnum cupressiforme Hedw. Было установлено, что Sphagnum capillifolium отличается большей способностью к биоаккумуляции ПАУ [11]. Исследования Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi в районах Южной и центральной Польши позволили выявить, что Hylocomium splendens в большей мере накапливал ПАУ, чем Pleurozium schreberi. Авторы отмечают большое влияние на аккумуляцию ПАУ во мхах топографических особенностей и метеорологических факторов (осадков, инсоляции и температуры) [4]. Есть примеры использования в целях мониторига и сосудистых растений. Исследования содержания ПАУ в листьях Ouercus ilex и эпифитном мхе Leptodon smithii в городских районах показали, что листья дуба с мощной восковой кутикулой более активно накапливали полиарены, чем мох. [3]. Важную роль в поглощении ПАУ играют плотность и площадь поверхности листа. При исследовании накопления полиаренов листьями кизила, клена и лещины обыкновенной, было выявлено, что листья лещины отличались более высоким коэффициентом поглощения, клен стал индикаторным видом для оценки коэффициента поглощения ПАУ пологом леса, из-за высокого индекса площади листа [10].

В связи с этим актуальной задачей современных исследований является установление особенностей аккумуляции ПАУ в растениях, под воздействием разного рода источников полиаренов. Использование растений в целях мониторинга загрязнения позволит осуществлять наблюдение за изменениями состава ПАУ в биоценозе без нарушения почвенного покрова, трудно поддающегося восстановлению в тундровой зоне.

Проведены исследования содержания ПАУ в органогенных горизонтах тундровых почв и растениях южной тундры под воздействием угольной шахты «Воркутинская» и ТЭС-2. Почвы и растения отбирали на расстоянии 0.5; 1.0 и 1.5 км от источников эмиссии в северо-восточном направлении. Отбор проб проводили с учетом розы ветров. Растения отбирали с 3 типичных для исследуемых ландшафтов площадок площадью 1 м². параллельно проводили отбор смешанных проб почв из подстилающих площадки органогенных горизонтов. Исследованы виды растений четырех групп: лишайники рода Peltigera; Peltigera leucophlebia (Nyl.) Gyeln. (в зоне действия шахты) и Peltigera rufescens (Weiss) Humb. (на территории влияния ТЭС), мох - Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt., кустарнички - Vaccinium myrtiHus L.(b зоне действия шахты) и Vaccinium uligindsum L. (на территории влияния ТЭС), кустарник - Betula папа L.

Для определения содержания ПАУ в составе поверхностного загрязнения применяли оригинальную методику [1]. Оценку общего содержания ПАУ в почвах и растениях проводили с использованием системы ускоренной экстракции растворителями ASE-350 (Dionex Corporation. США).

Исследования показали, что содержание всех полиаренов в органогенных горизонтах почв было выше под действием угледобычи, по сравнению со следствиями его сжигания. Для общего содержания кратности составляли 2-3 раза (табл.). Минимальные кратности превышения наблюдали на расстоянии в 1 км от предприятий.

Эго было связано с тем. что пик распространения ПАУ в зоне действия шахты «Воркутинская» приходился на расстояние 0.5 км. в зоне действия ТЭС на расстояние в 1 км. Более дальнее распространение полиаренов в зоне действия ТЭС. вероятно, было связано со значительной высотой трубы ТЭС и меньшим размером частиц, образующихся при сгорании угля, на которых перемещались полиарены, по сравнению с частицами угольной пыли.

Следует отметить, что превышение содержания индивидуальных ПАУ в растениях под действием шахты по сравнению с ТЭС было видоспецефично. Значения массовой доли полиаренов в кустарничках при загрязнении от обоих источников примерно одинаково. Такие же закономерности характерны и для Карликовой березки. Содержание ПАУ в лишайниках рода Peltigera в зоне действия шахты в 2-3 раза выше, чем в зоне действия ТЭС. Для мха Pleurozium schreberi не характерно равномерное повышение содержания индивидуальных структур под действием шахты, в большей степени возрастало количество 2-3 и 5-6 -ядерных полиаренов. Кратности превышения содержания ПАУ во мхе зоны действия шахты, по сравнению с образцами, отобранными в районе ТЭС. закономерно убывали по мере удаления от предприятий. Наивысшие кратности были отмечены в 0.5 км, так как мхи Pleurozium schreberi на этом расстояние от шахты были загрязнены в большей степени, в зоне действия ТЭС максимум накопления ПАУ мхами приходился, как и для почв на 1 км от источника. Для видов рода Peltigera кратности превышения так же снижались с удалением, но в меньшей степени, максимум накопления полиаренов в лишайниках вблизи ТЭС был харктерен для 0.5 км расстояния.

Результаты, полученные для поверхностного накопления Betula папа. Pleurozium schreberi и лишайников рода Peltigera сходны с данными, полученными для общего содержания. При этом было обнаружено восьмикратное превышение поверхностного накопления кустарничками в зоне действия шахты Воркутинская, что могло быть связано, как с загрязнением угольной пылью в зоне действия шахты, так и с использованием разных видов кустарничков на исследуемых площадках.

Закономерности накопления полиаренов исследованными видами под действием обоих предприятий были сходными (рис.).

Таблица

■ содержание в тканях       ■ поверхностное накопление

Шахта ТЭС Шахта ТЭС Шахта ТЭС

Содержание ПАУ в почвах и растениях под воздействием угольной шахты и ТЭС, нг/г

ПАУ	Россию-яние, км		Почва		Peltigera sp.		Pleurozium schreberi		Vaccinium sp.		Betula папа
			Шахта	ТЭС	Шахта	ТЭС	Шахта	ТЭС	Шахта	ТЭС	Шахта	ТЭС
Епау	0,5 КМ	х	2091,8	732,9	1169,5	397,7	2613,8	522,6	177,6	119,5	178,1	132,2
		Sx	527,8	76,0	153,1	18,1	485,8	43,3	71,9	7,4	12,1	10,1
	1 км	х	1835,4	905,6	657,3	241,7	2018,2	597,1	159,5	157,4	138,8	141,5
		Sx	279,7	15,3	88,6	29,6	260,5	42,9	37,0	33,4	16,5	9,5
	1,5 КМ	х	2049,7	681,2	513,8	254,9	927,8	434,5	163,4	100,3	145,2	148,6
		Sx	295,6	28,4	68,2	18,7	404,2	30,2	68,7	3,2	16,4	15,7
У легких ПАУ	0,5 КМ	х	1867,6	646,9	1068,8	374,2	2465,9	504,0	129,0	119,2	176,5	127,7
		Sx	464,9	70,0	84,4	19,7	488,6	43,6	57,3	7,4	14,8	6,8
	1 км	x	1744,5	816,2	609,1	236,8	1905,5	573,4	134,3	155,7	137,1	137,8
		Sx	252,7	8,2	80,2	30,6	235,1	41,8	37,8	32,6	15,4	10,2
	1,5 КМ	x	1845,0	618,4	429,5	247,1	871,3	410,1	121,0	99,1	143,5	143,5
		Sx	249,3	29,6	8,8	21,6	362,3	21,5	46,4	3,0	19,3	16,3
I тяжелых ПАУ	0,5 КМ	x	224,2	86,0	100,7	23,5	147,9	18,6	48,6	0,3	7,4	4,5
		Sx	28,6	9,0	19,7	3,2	7,6	2,1	18,8	0,1	1,7	4,3
	1 км	x	90,9	89,4	48,2	4,9	112,7	23,7	25,2	1,7	7,4	3,7
		Sx	8,8	15,2	3,5	1,4	11,6	3,7	2,2	1,0	1,3	0,8
	1,5 КМ	x	204,7	62,8	84,3	7,8	56,5	24,3	42,4	U	6,9	5,1
		Sx	30,1	3,5	24,1	3,3	9,1	11,5	6,7	0,8	2,1	2,2

Peltigera sp.         Pleurozium schreberi Vaccinium sp.

Рис. Вклад поверхностного накопления в общее содержание ПАУ в растениях на разных расстояниях от источников загрязнения. %

Для лишайников рода Peltigera в отсутствии загрязнения характерны высокие количества полиаренов. в значительной степени концентрирующиеся на поверхности лишайника. В условиях загрязнения ПАУ начинали активно проникать внутрь, при этом содержание на поверхности оставалось на фоновом уровне (в зоне действия ТЭС) или снижалось (в зоне действия шахты), но его вклад в общее содержание ПАУ резко снижался. Для мха Pleurozium schreberi в естественных условиях не характерно активное накопление ПАУ, большая часть полиаренов сосредоточена внутри растения, что может быть обусловлено и внутриклеточным синтезом. При повышении уровня содержания ПАУ в условиях загрязнения шло активное поглощение полиаренов, поверхностное загрязнение возрастало по сравнению с фоновым уровнем, но его вклад в общее содержание ПАУ в растении снижался. Для мхов и лишайников в условиях загрязнения минимальное поверхностное загрязнение ПАУ было выявлено при максимальном общем содержании ПАУ в растениях, то есть снижение уровня поступления полиаренов вело к снижению уровня биоаккумуляции. Сходные закономерности выявлены нами и для листьев и ветвей карликовой березки Betula папа, в зоне воздействия исследованных предприятий. На фоновом участке 58% ПАУ было сконцентрировано на поверхности листьев, в условиях загрязнения доля поверхностного накопления снижалась до 18% вблизи ТЭС и вновь несколько возрастала до 27-28% с удалением от источника, для шахты «Воркутинская» эти значения составили 25-30%. Таким образом, в естественных условиях ПАУ концентрировались на поверхности ветвей и листьев березки. Под действием аэротехногенных выбросов предприятия, оседавших на поверхности ветвей и листовых пластин, способность к накоплению полиаренов у листьев березки активизировалась.

Обратная закономерность выявлена для коры и корней Betula папа. Доля поверхностного содержания ПАУ в корневой части березки и коре на фоновом участке была ниже, чем на загрязненных. Эго может быть связано с синтезом ПАУ в процессе метаболизма данными органами кустарника в отсутствии загрязнения, при этом полиарены не выделялись на поверхность. В условиях загрязнения, повышение уровня поступления полиаренов на поверхности органов растений приводило к повышению как доли поверхностного накопления ПАУ, так и его абсолютного содержания в органах в целом и на их поверхности. При высоких массовых долях полиаренов в растении, они локализовались на поверхности коры и корней, что затрудняло поступление ПАУ внутрь. С удалением от источника, выявлено снижение вклада поверхностного накопления, его приближение к фоновым значениям.

Для Vaccinium myrtillus и Vaccinium uliginosum на фоновом участке характерно незначительное содержание легких полиаренов, вероятно сформировавшихся в самом растении, так как содержание на поверхности было небольшим. В условиях загрязнения массовая доля полиаренов на поверхности Vaccinium myrtillus (шахта) резко возрастала на поверхности Vaccinium uliginosum (ТЭС) оставалась на фоновом уровне. При этом общее содержание ПАУ в кустарничках увеличивалось незначительно до 2 раз, полиарены концентрировались на поверхности, почти не проникая внутрь растений. Меньшая степень проникновения ПАУ, выявленная для Vaccinium uliginosum, во многом может быть связана с почти полным одревеснением стволиков и корней Vaccinium uliginosum, которые составляют 90% фитомассы данного растения.

Сравнение накопления ПАУ различными видами растений в разных зонах аэротехногенного воздействия показало, что наивысшая способность к биоаккумуляции для обоих предприятий была характерна для Pleurozium schreberi, минимальным накоплением отличались Vaccinium uliginosum, Vaccinium myrtillus и Betula папа. Более высокие содержания ПАУ во мхах и лишайниках объясняются коротким вегетационным периодом и листопадностью кустарников и кустарничков, и их не высокой способностью к аккумуляции ПАУ, по сравнению со мхами и лишайниками, поглощающими загрязнители всей своей поверхностью.

Мох Pleurozium schreberi представляется наиболее удобным индикатором загрязнения тундровых фитоценозов ПАУ, так как закономерности изменения содержания ПАУ во мхе схожи с таковыми для органогенных горизонтов почв. Мхи Pleurozium schreberi широко распространены в тундре и являются мощными аккумуляторами полиаренов, по ним четко можно проследить изменения содержания полиаренов с расстоянием. Для них можно использовать сходные с почвами диагностические критерии происхождения полиаренов. При мониторинге с использованием мха Pleurozium schreberi можно применять как живую, так и отмершую часть растения, так как накопление в них было примерно одинаковым. Вторым видом, который можно использовать для индикации уровня загрязнения является карликовая березка Betula папа, также повсеместно распространенная в тундровой зоне, но в меньшей степени, чем мох Pleurozium schreberi способная к накоплению ПАУ и менее чувствительная к изменению уровня антропогенного воздействия с расстоянием. Однако с помощью листьев Betula папа мы можем проследить краткосрочные изменения в содержании ПАУ, что трудно сделать с помощью мхов. При мониторинговых исследованиях рекомендуется использовать данные общего содержания, так как данные поверхностного накопления отличаются большой вариативностью.

В целом, полученные данные позволяют констатировать, что закономерности накопления полиаренов в почвах и растениях исследованных видов схожи в условиях загрязнения от добычи и сжигания угля, разница выражается в основном в повышенном содержании полиаренов в зоне действия шахты. Возможно, определяющим фактором здесь является то, что для работы ТЭС используется уголь с шахты «Воркутинская».

Выводы:

• 1.    Установлено, что почвы, лишайники и мхи тундровых фитоценозов в большей степени загрязнены полиаренами в зонах воздействия угольных шахт по сравнению с участками подверженными влиянию ТЭС. Для кустарничков и кустарников в зонах действия исследованных

• 2.    Показаны отличия в дальности распространения ПАУ от разных источников: пик распространения ПАУ в зоне действия шахты Воркутинская приходился на 0.5 км расстояния, в зоне действия ТЭС на расстоянии в 1 км от предприятия.

• 3.    Выявлены сходные закономерности накопления полиаренов почвами и растениями разных групп под действием процессов добычи и сжигания угля.

• 4.    В качестве индикаторов загрязнения тундровых фитоценозов от различных источников ПАУ рекомендуется использовать мох Pleurozium schreberi в условиях длительного воздействия и листья Betula папа для оценки краткосрочных изменений в содержании ПАУ.

источников обнаружены сходные уровни загрязнения.

Источники финансирования: Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ и Правительства Республики Коми № 16-44-110581 р_а и госбюджетной темы №АААА-А17-117122290011-5.