1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Науки о Земле
  4. T. 491, № 1, 2020

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 491, № 1, стр. 77-81

ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ В ГОРОДСКИХ ПОЧВАХ, ЗАПЕЧАТАННЫХ АСФАЛЬТОМ

Е. М. Никифорова 1, *, академик РАН Н. С. Касимов 1, Н. Е. Кошелева 1

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Москва, Россия

* E-mail: nikiforova_geo@mail.ru

Поступила в редакцию 16.01.2020
После доработки 16.01.2020
Принята к публикации 20.01.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Впервые определено содержание 11 полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в городских запечатанных почвах (экраноземах) и асфальтобетоне дорожного покрытия Восточной Москвы. Cреднее суммарное содержание ПАУ в экраноземах составляет 14.5 мг/кг, что в 4.5 раза выше, чем в незаасфальтированных почвах и в 142 раза выше, чем в фоновых почвах. Аккумуляции под асфальтом имеют нафталиновый тип загрязнения ПАУ, в фоновых дерново-подзолистых почвах доминирует фенантрен. Максимум суммы ПАУ наблюдается под слоем асфальта в гумусово-аккумулятивном горизонте AYur. Техногенные аномалии с высоким и очень высоким содержанием бенз(а)пирена (0.25–0.5 и >0.5 мг/кг, или 12.5–25 и >25 ПДК) приурочены к экраноземам транспортной и рекреационной зон. Вскрытие асфальта приведет к изменению окислительно-восстановительных условий и усилению миграционной способности ПАУ, что создаст угрозу для здоровья горожан при их включении в биологический круговорот и пищевые цепи.

Ключевые слова: ПАУ, запечатанные почвы, анаэробные условия, асфальтобетон, техногенные аккумуляции

В городах природные почвы сильно видоизменяются под влиянием антропогенного воздействия, их поверхность обычно закрывается искусственными покрытиями, застраивается зданиями и сооружениями. В России такие запечатанные почвы называют экраноземами [1], за рубежом – sealed soils [2]. В крупных городах мира они занимают до 70–90% площади, но их свойства, особенности функционирования и уровень загрязнения еще изучены слабо.

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ, или полиарены), поступающие из атмосферы с газопылевыми выбросами в городские почвы, обладают высокой токсичностью и канцерогенностью [3, 4]. Это органические соединения, в химической структуре которых присутствуют конденсированные бензольные кольца. Выделяют низко- (с 2–4 кольцами) и высокомолекулярные (5 и более колец) ПАУ. Экраноземы наследуют ПАУ от незапечатанных почв. После запечатывания ПАУ вместе с дорожной пылью поступают в профиль экраноземов по трещинам в асфальте во время дождей. Разрушение асфальтобетона начинается уже в первые годы его эксплуатации – в гумидной зоне проектный срок износа покрытия составляет 10 лет. В Москве и других городах России ПАУ изучались только в открытых (незаасфальтированных) почвах [5].

Цель данной работы – определить источники, содержание и особенности распределения ПАУ в экраноземах по сравнению с открытыми и фоновыми почвами на примере Восточной Москвы. Актуальность работы обусловлена высокой экологической опасностью, связанной с усиленным накоплением ПАУ в анаэробных условиях, которые возникают под слоем асфальта и при которых они могут сохраняться в почвах несколько десятков и даже сотен лет [6]. При снятии искусственных покрытий и восстановлении естественных экосистем [2] накопившиеся в экраноземах ПАУ могут мигрировать, включаться в биологический круговорот и пищевые цепи, что создаст угрозу для здоровья населения. Однако количественные данные о накоплении ПАУ в экраноземах отсутствуют.

Основными источниками ПАУ в экраноземах являются промышленные и транспортные выбросы, включая частицы шин, тормозных колодок и дорожного покрытия. В Европе автотранспорт поставляет 23.8% от всех выбросов ПАУ, из них 82.5% приходится на нафталин, вклад промышленных источников оценивается в 15.1% [7]. В Москве транспортные выбросы дают более 90% всех выбросов загрязняющих веществ [8].

Выбросы ПАУ от автотранспорта в составе частиц РМ2.5 (диаметром 2.5 мкм) составляют 62.2%, вклад ПАУ, образующихся при износе дорожного покрытия, тормозных колодок и шин, оценивается в 22.1% и 19.3% соответственно [9]. В  выбросах преобладают флуорантен, пирен, хризен, бенз[а]антрацен, бенз[а]пирен (БаП), бензо[b]флуорантен, бензо[hi]перилен, индено[1,2,3-cd]пирен и коронен. Наибольший вклад вносят выбросы грузовиков с дизельными двигателями, которые на 85% состоят из 4-кольчатых ПАУ [10]. У легковых автомобилей выбросы ПАУ в 4–5 раз меньше [11], в их составе преобладают высокомолекулярные ПАУ в мелкодисперсных частицах [12].

Значительные выбросы ПАУ дают мусоросжигательные заводы, нефтехимическая промышленность, черная металлургия и тепловые станции, работающие на угле или мазуте [2]. При низких температурах сжигания их отходов образуются ПАУ преимущественно с низкой молекулярной массой, а при высоких – высокомолекулярные [13].

ПАУ могут поступать в экраноземы из асфальтобетона дорожных покрытий, которые производятся на основе битума – органического вяжущего материала, представляющего собой твердые и полужидкие остатки перегонки нефти. В их составе присутствуют ПАУ, унаследованные от смол и асфальтенов нефти [14].

В основу работы положены данные почвенно-геохимической съемки экраноземов летом 2016 и 2017 гг. в южной части Восточного административного округа (ВАО) Москвы, которая испытывает значительную техногенную нагрузку со стороны автотранспорта и промышленности. Слой асфальта и верхний горизонт почв мощностью до 70 см опробовались во вскрышных ямах, заложенных городскими службами. Пробы отбирались в промышленной, транспортной, жилой и рекреационной зонах ВАО. Всего отобрано 30 проб почв и 4 пробы асфальтобетона, использовались также данные авторов с открытых участков почв ВАО и Национального парка “Мещера”, в 150 км к востоку от города. Содержание 11 ПАУ определялось методом низкотемпературной спектрофлуориметрии [15] на установке “Флюорат–Панорама” в лаборатории углеродистых веществ биосферы географического факультета МГУ.

В пробах асфальтобетона, отобранных в разных функциональных зонах ВАО, обнаружено высокое содержание ПАУ с максимальными концентрациями низкомолекулярных структур (табл. 1): гомологов нафталина, дифенила, фенантрена и флуорена (93% от суммы ПАУ). Судя по доминирующему полиарену, для асфальтобетона характерен нафталиновый тип загрязнения. Среднее содержание в асфальтобетоне бенз(а)пирена (БаП), одного из наиболее опасных ПАУ [4], превышает его ПДК в почвах (0.02 мг/кг) в 9 раз.

Таблица 1.

Содержание ПАУ (мг/кг) и % от их суммы в асфальтобетоне дорожных покрытий в ВАО Москвы

Показатель Дифенил Гомологи нафталина Флуорен Фенантрен Антрацен Хризен Пирен Тетрафен Бенз(а)-пирен Бенз(ghi)-перилен Перилен Сумма ПАУ
Среднее 14.3 61.0 4.99 6.64 0.27 0.87 1.92 1.42 0.187 1.63 0.19 93.5
Min 0 10.1 0 0 0 0 0.612 0.313 0.066 0 0 14.8
Max 33.3 85.4 12.7 24.1 0.901 1.39 2.69 2.76 0.338 5.22 0.755 128
% от суммы ПАУ 15.3 65.3 5.34 7.11 0.29 0.93 2.06 1.52 0.2 1.74 0.20 100

Профиль экраноземов ВАО представлен различными слоями и прослойками искусственного или природного генезиса с резкими переходами и довольно ровными границами. Обычно в экраноземах верхний горизонт отсутствует (срезан), остальные слои сильно видоизменены. Наиболее сильно трансформирован профиль экраноземов в промышленной и транспортной зонах, где полностью отсутствуют природные горизонты и доминируют техногенные слои. Анализ профильного распределения суммарного содержания ПАУ в экраноземе промышленной зоны “Перово” показал ее убывание с глубиной. Максимальное содержание суммы ПАУ (128 мг/кг) обнаружено в дорожном покрытии. В расположенном ниже гумусово-аккумулятивном горизонте AYur суммарное содержание ПАУ в 6 раз меньше (21.2 мг/кг), в нижней части профиля оно минимально – около 10 мг/кг.

В верхней части экраноземов восточной Москвы ПАУ представлены смесью 2–6-кольчатых полиаренов. Их сумма равна в среднем 14.5 мг/кг, что почти в 4.5 раза больше, чем в открытых почвах, и в 142 раза выше, чем в фоновых (табл. 2). В составе ПАУ преобладают низкомолекулярные структуры: гомологи нафталина (61.0% от суммы ПАУ) и фенантрен (16.2%). Высокомолекулярные ПАУ присутствуют в небольших количествах, среди них доминирует бенз(ghi)перилен (7.6% от суммы ПАУ). Накопление ПАУ под асфальтом объясняется их консервацией гумусовыми кислотами почв в анаэробных условиях. Дополнительным фактором накопления ПАУ является слабопромывной водный режим, затрудняющий их выщелачивание из почвенного профиля.

Таблица 2.

Среднее содержание (над чертой) и пределы колебаний (под чертой) ПАУ, мг/кг (1) и % от их суммы (2) в фоновых почвах Мещеры, открытых и запечатанных почвах восточной Москвы

ПАУ (кольчатость) Фоновые почвы (n = 10) Открытые почвы (n = 26) Экраноземы (n = 22)
1 2 1 2 1 2 Кс Kэ
Дифенил (2) – – – – $\frac{{0.134}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.41}}$ 0.93 – –
Гомологи нафталина (2) $\frac{{0.014}}{{0.7{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.9}}$ 13.7 $\frac{{0.494}}{{0.007{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 2.30}}$ 15.2 $\frac{{8.85}}{{0.023{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 109}}$ 61.0 632 17.91
Фенантрен (3) $\frac{{0.056}}{{3.1{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 7.2}}$ 54.9 $\frac{{0.413}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 2.61}}$ 12.7 $\frac{{2.35}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 13.2}}$ 16.2 42 5.69
Флуорен (3) – – – – $\frac{{0.306}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 6.70}}$ 2.11 – –
Антрацен (3) – – – – $\frac{{0.144}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.01}}$ 1.00 – –
Хризен (4) $\frac{{0.01}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.5}}$ 9.8 $\frac{{0.081}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.09}}$ 2.49 $\frac{{0.546}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 2.78}}$ 3.77 55 6.74
Пирен (4) $\frac{{0.01}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.8}}$ 9.8 $\frac{{0.927}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 5.22}}$ 28.5 $\frac{{0.457}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 3.64}}$ 3.15 46 0.49
Тетрафен (4) $\frac{{0.011}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 2.1}}$ 10.8 $\frac{{0.203}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.50}}$ 6.24 $\frac{{0.324}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 2.11}}$ 2.23 29 1.60
Бенз(а)пирен (5) – – $\frac{{0.644}}{{0.034{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 3.45}}$ 19.8 $\frac{{0.159}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 0.585}}$ 1.09 _ 0.25
Перилен (5) $\frac{{0.001}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 0.6}}$ 1.0 $\frac{{0.299}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 3.77}}$ 9.18 $\frac{{0.128}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 0.951}}$ 0.88 128 0.43
Бенз(ghi)перилен (6) – – $\frac{{0.195}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.57}}$ 5.99 $\frac{{1.101}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 15.0}}$ 7.59 _ 5.64
% 2–4-кольчатых ПАУ 99%   65%   90%      
Сумма ПАУ $\frac{{0.102}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 7}}$ 100 $\frac{{3.26}}{{0{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 5215}}$ 100 $\frac{{14.5}}{{0.202{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 122}}$ 100 142 4.45

Доля БаП в сумме ПАУ в среднем 1.1%, что объясняется преобладанием в экраноземах низкомолекулярных ПАУ, однако его среднее содержание в верхней части профиля экраноземов ВАО в 8 раз превышает ПДК. Техногенные аномалии с высоким и очень высоким содержанием БаП (0.25–0.5 и >0.5 мг/кг, т.е. 12.5–25 и >25 ПДК) обнаружены в экраноземах транспортной и рекреационной зон (рис. 1). Аномалии БаП со средним уровнем загрязнения (0.1–0.25 мг/кг) приурочены в основном к промышленным зонам с высокой и средней степенью запечатанности почв. Допустимый и низкий уровень загрязнения БаП характерен для селитебной зоны и небольших внутрирайонных улиц.

Рис. 1.

Уровни содержания БаП в верхней части профиля экраноземов ВАО г. Москвы.

Таким образом, среднее содержание ПАУ в экраноземах Восточного округа Москвы в 4.5 раза выше, чем в открытых почвах, а содержание БаП в 8 раз превышает ПДК. Так как способность экраноземов к самоочищению весьма ограничена, это может иметь опасные экологические последствия при снятии асфальта. Как показали последние экспериментальные исследования [3], в анаэробных условиях ее можно усилить только с помощью специальных рекультиваций.

Список литературы

  1. Прокофьева Т.В., Мартыненко И.А., Иванников Ф.А. // Почвоведение. 2011. № 5. С. 611–623.

  2. Levin M.J., Kim K.-H.J., Morel J.L., (eds). Soils within Cities. Global approaches to their sustainable management – composition, properties, and functions of soils of the urban environment. IUSS Working Group SUITMA IV, Catena-Schweizerbart, Stuttgart. 2017. 253 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89602-1

  3. Alegbeleye O.O., Opeolu B.O., Jackson V.A. // Environmental Management. 2017. V. 60 (4). P. 758–783. https://doi.org/10.1007/s00267-017-0896-2

  4. Nisbet C., LaGoy P. // Regulatory Toxicology and Pharmacology. 1992. V. 16. P. 290–300.

  5. Kasimov N.S., Kosheleva N.E., Nikiforova E.M., et al. // Atmospheric Chemistry and Physics. 2017. V. 17. P. 2217–2227. https://doi.org/10.5194/acp-17-2217-2017

  6. Чернянский С.С., Алексеева Т.А., Геннадиев А.Н. и др. // Почвоведение. 2001. № 11, С. 1312–1322.

  7. Shen H., Huang Ye., Wang R., et al. // Environ Sci Technol. 2013. V. 47(12). P. 6415–6424. https://doi.org/10.1021/es400857z

  8. Доклад “О состоянии окружающей среды в городе Москве в 2017 году” / Под ред. А.О. Кульбачевского. М.: ДПиООС, 2018. 358 с.

  9. Fang X., Wu L., Zhang Q., et al. // Transportation Research Part D: Transport and Environment. In press. Available online 28 March 2018. https://doi.org/10.1016/j.trd.2018.02.021

  10. Perrone M.G., Carbone C., Faedo D., et al. // Atmospheric Environment. 2014. V. 82. P. 391–400. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2013.10.040

  11. Ahmed T.M., Bergvall C., Westerholm R. // Fuel. 2018. V. 214. P. 381–385. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.11.059

  12. Pratt G.C., Herbrandson C., Krause M.J., et al. // Atmospheric Environment. 2018. V. 179. P. 268–278. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2018.02.035

  13. Morillo E., Romero A.S., Maqueda C., et al. //Journal of Environmental Monitoring. 2007. V. 9. № 9. P. 1001–1008. https://doi.org/10.1039/B705955H

  14. Пиковский Ю.И., Исмаилов Н.М., Дорохова М.Ф. Основы нефтегазовой геоэкологии. М.: ИНФРА-М, 2015. 400 с. https://doi.org/10.12737/7682

  15. Алексеева Т.А., Теплицкая Т.А. Спектрофлуориметрические методы анализа ароматических углеводородов в природных и техногенных средах. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 215 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал