Введение к работе
диссертационного совета Никифорова Алла Сергеевна
Актуальность темы. Оценка экологического состояния почв как центрального звена экосистемы, является одним из важнейших составляющих в системе мониторинга окружающей среды. Главным маркером загрязнения почв полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), подлежащим обязательному контролю во всем мире, является бенз(а)пирен (БаП) – канцероген и мутаген 1 класса опасности. Актуальность комплексных исследований поведения БаП в почвах и растениях обусловлена повышенной опасностью и масштабностью загрязнения почвенного и растительного покрова этим соединением. Активными источниками загрязнения окружающей среды ПАУ являются предприятия энергетической отрасли. Наиболее мощным предприятием энергетической отрасли в Ростовской области является филиал ОАО "ОГК-2" Новочеркасская ГРЭС (НчГРЭС), общий объем выбросов которой составляет более 90 тысяч тонн в год, из них около 10% приходится на долю ПАУ.
Поскольку стандартные методы химического анализа почв на сегодняшний день являются сложными, трудоемкими и весьма дорогими, актуальной задачей является разработка новых альтернативных методов извлечения поллютантов из почв. Одним из решений этой проблемы является замена токсичных органических растворителей и концентрированных кислот экологически чистыми жидкостями, такими как СО2 и вода, в суб- и суперкритических состояниях. В последнее время появились работы (Другов и др., 2001; Ярощук и др., 2003; Heltai, 1996; Priego-Capote, 2004) по использованию методов субкритической водной экстракции различных загрязнителей, и в частности БаП, из почв и растений. Установлено, что вода при температуре менее 350С и давлении менее 218 атм. является универсальной средой для осуществления любых химических реакций и превращений, выполняя функции нетоксичного растворителя. Субкритическая вода – это вода, находящаяся в жидком состоянии, при температуре от 100С до 374С и давлении выше давления насыщенных паров при соответствующей температуре, удерживающем воду от перехода в газообразное состояние (Галкин, Лунин, 2005). Однако многие вопросы по применению субкритической воды и возможности ее использования для различных объектов окружающей среды остаются мало изученными.
Цель работы: оценить содержание БаП в почвах и растениях зоны влияния Новочеркасской ГРЭС с использованием метода экстракции субкритической водой.
Задачи исследования:
-
Разработать методы экстракции БаП из почв и растений субкритической водой.
-
Сравнить результаты экстракции БаП из почв и растений субкритической водой с известными методами извлечения, основанными на использовании органических растворителей.
-
Оценить содержание и распределение БаП в почвах и растениях мониторинговых площадок зоны влияния НчГРЭС.
-
Исследовать биологическую активность исследуемых почв при техногенном загрязнении.
-
Изучить тенденции накопления БаП в почвах и растениях исследуемых территорий по результатам многолетних мониторинговых наблюдений.
-
Дать оценку химического загрязнения почв, находящихся под воздействием аэротехногенных выбросов НчГРЭС.
Научная новизна исследований. Впервые на основании многолетних мониторинговых исследований выявлены закономерности накопления и распределения БаП в почвах и растениях территории НчГРЭС в результате аэротехногенного загрязнения. Показано, что содержание БаП в почве и растениях является индикатором уровня техногенной нагрузки территорий, основным загрязняющим агентом которых являются продукты сгорания углеводородного топлива. Для повышения полноты извлечения поллютанта из почвы адаптирована методика определения БаП в донных отложениях путем омыления липидной фракции. Разработана методика экстракции БаП субкритической водой для почв и растений и подобраны оптимальные условия экстракции. Проведен сравнительный анализ различных методов определения поллютанта в почвах и растениях. Выявлена высокая степень извлечения субкритической водой БаП из почв и растений - до 96% и 98% соответственно. Изучены тенденции накопления БаП в почвах и растениях зоны влияния НчГРЭС за 10-летний период мониторинговых наблюдений, дана оценка степени загрязнения почв и растений этим ксенобиотиком.
Практическая значимость работы. На основании мониторинговых исследований территории, прилегающей к НчГРЭС, проводимых начиная с 2000 года по настоящее время, выявлены локальные участки загрязнения почв и растений БаП – одним из наиболее важных представителей полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Предложен метод экстракции БаП из почв и растений с использованием субкритической воды, который отличается от известных методов большей экономичностью и экологичностью за счет использования минимального количества органического растворителя и упрощения процесса экстракции. Дана оценка степени загрязнения БаП почв и растений района НчГРЭС. Приведены практические рекомендации по использованию данных территорий, которые в настоящее время применяются для выращивания сельскохозяйственной продукции и выпаса скота. Полученные данные позволят уточнить границы санитарно-защитной зоны в районе максимального влияния выбросов НчГРЭС.
Защищаемые положения
-
Экстракция БаП из почвы и растений субкритической водой - экологически чистый и эффективный метод извлечения поллютанта.
-
Накопление БаП в почвах и растениях зависит от свойств изучаемых почв, интенсивности эмиссии загрязняющих веществ.
-
Экологическое состояние исследуемых территорий непосредственно связано с содержанием БаП в почвах и растениях.
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, были доложены и обсуждены на Венчурной выставке – ярмарке «TechConnect World», Бостон, США, 2011; Практикуме по коммерциализации технологий, CRDF, г. Ростов-на-Дону, 2010 (победитель практикума); XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012», Москва, 2012; V и VI Международных конференциях по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации) для изучения окружающей среды, Ростов-на-Дону, 2009, 2011; The 11th International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements (ICOBTE), Florence, Italy, 2011; The 6th International Symposium of Interactions of Soil Minerals with Organic Components and Microorganisms, Montpellier, France, 2011; Межд. научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2011», Москва, 2011; VII ежегодной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, Ростов-на-Дону, 2011; Ежегодной Всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции "Актуальные проблемы экологии и природопользования", г. Севастополь, 2011; III Общероссийской студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум», г. Москва, 2011; III Международной научно-практической конференции «Сверхкритические флюидные технологии: инновационный потенциал России», г. Ростов-на-Дону, 2006.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ № 553.49.2011, РН № 49392011, ГК № 16.740.11.0528, № НШ-363.2008.3, Соглашение № 14.А18.21.0641; Государственного задания ВУЗам № 3.5193.2011; РФФИ № 11-05-90351-РБУ_а, ОФИ-М № 11-03-12141; Гранта президента РФ МК-4425.2011.3; Американского фонда гражданских исследований и развития (США) по Российско-американской программе «Фундаментальные исследования и высшее образование» гранты BP3C04, BP1M04; Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «СТАРТ» ГК № 10382р/18365 от 04.06.12.
Исследования выполнялись совместно с д.б.н., проф. О.Г. Назаренко, к.х.н., доц. Н.И. Борисенко., к.б.н. О.Н. Горобцовой, к.б.н. С.С. Манджиевой.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 33 работы, включая 5 статей в журналах списка ВАК; 2 заявки на патент, зарегистрированные ФИПС РФ (Заявка о патенте ФИПС №2012101597/002163 от 17.01.2012 г. МПК C01B, E02B13/00, A01G25/00 «Способ оценки степени деградации техноландшафта при химическом загрязнении»; Заявка о патенте ФИПС № 2012104969 от 13.02.2012 г. МПК B01J8/06, C07C, «Способ извлечения БаП из почв, донных отложений и осадков сточных вод») и 1 заявка на полезную модель (Заявка о патенте ФИПС № 2012113680/05 (020688) от 06.04.12 г. «Реактор для проведения реакций в среде субкритической воды»).
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность за неоценимую помощь в работе над диссертацией научным руководителям – д.б.н., профессору кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета, Т.М. Минкиной, д.б.н., заведующему кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета В.С. Крыщенко. Автор благодарит за помощь в проведении исследований, консультации по методам количественного химического анализа и предоставление уникального аналитического оборудования к.ф.-м.н., доцента, директора Эколого-аналитического центра ЮФУ, Н.И. Борисенко; заведующую лабораторией Эколого-аналитического центра ЮФУ, Е.В. Максименко; директора ФГУ ГЦАС «Ростовский», д.б.н., проф., О.Г. Назаренко; к.б.н. О.Н. Горобцову, к.б.н. С.С. Манджиеву.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, приложения, изложена на 198 страницах машинописного текста. Содержит 36 таблиц, 35 рисунков. Список литературы включает 264 наименования, в том числе 79 иностранных источников. Приложение включает 4 таблицы.
