Цивилизация
Ученые из Южного федерального университета выяснили, как токсин бензпирен накапливается в черноземах и яровом ячмене юга России. Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованное в журнале Polycyclic Aromatic Compounds, позволит понять механизм биогеохимических процессов в почвах с участием полициклических ароматических углеводородов и создать теоретические основы в области диагностики экосистемы.
Бензпирен (или бензапирен) – органическое вещество класса полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), накапливающееся в почве и растениях. Бензпирен токсичен для человека, это природный канцероген, при попадании в организм даже малых концентраций он может способствовать развитию злокачественных опухолей. Бензпирен содержится в посевах, прорастающих на загрязненной почве, в том числе и в ячмене – одной из основных зерновых культур юга России. В большинстве почв содержание бензпирена колеблется в пределах 0,1-5 мкг/кг, тогда как в черноземах и торфяных почвах уровень бензпирена существенно выше и достигает 20 мкг/кг.
«На сегодняшний день имеется недостаточно информации о характере поведения бензпирена в почвах, а также о биологически доступном количестве этого соединения для растений. Слабо изучены особенности поведения данных токсинов в черноземах. Соответственно, отсутствуют надежные методы контроля уровней загрязнения почв и растений», — рассказала автор исследования, доктор биологических наук Татьяна Минкина, главный научный сотрудник и заведующая кафедрой почвоведения и оценки земельных ресурсов ЮФУ.
На основе принципов «зеленой химии» ученые разработали новый метод для извлечения бензпирена из образцов растений и загрязненных токсином черноземных почв юга России. Этот метод называется субкритическая водная экстракция. Его суть заключается в том, что вещество (в данном случае бензпирен) извлекается из раствора или сухой смеси с помощью субкритической воды. При высоких температурах и давлениях стирается грань между жидкостью и водяным паром – такое состояние воды называется субкритическим. Для извлечения бензпирена почву обрабатывали субкритической водой в специальной печи при температуре 250°C и давлении 55-60 атмосфер в течение 30 минут без использования органических растворителей и щелочей. После охлаждения образцов операцию повторяли еще два раза, и это позволило извлечь до 96% бензпирена из почвы, а время реакции сократилось с 11-48 часов до 30 минут.
Спустя несколько месяцев после начала эксперимента отобранные образцы почв засеивали тестовой культурой – яровым ячменем. Яровой ячмень исследователи использовали в качестве индикатора содержания бензпирена в почве. Через четыре месяца растения были выкопаны, высушены и отправлены на анализ содержания бензпирена. В результате учены выявили особенности накопления бензпирена в растениях при разных уровнях загрязнения в условиях многолетнего периода роста и развития растений. Наибольшая концентрация токсина наблюдается в корневой части растений.
«Был разработан метод определения бензпирена в растениях и почвах с использованием уникальных свойств субкритической воды, подобраны оптимальные условия экстракции. Последующее определение содержания данного соединения в образцах проводилось при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии — метода разделения и анализа смесей веществ, основанного на распределении веществ между жидкостью и твердым веществом. Также содержание бензпирена определялось при помощи масс-спектрометрического анализа — метода, основанного на определении отношения массы к заряду ионов, — прокомментировала Татьяна Минкина.
По словам ученого, предложенный в работе новый метод имеет ряд преимуществ в сравнении с широко распространенными российскими и международными методами извлечения бензпирена из природных объектов. Достоинствами метода субкритической водной экстракции являются его высокая экологичность и эффективность, а также низкая трудоемкость и себестоимость.
Ученые установили, что бензпирен в почве разрушается за четыре года. После этого растения перестают его накапливать, и их токсичность для человека снижается.
Поля Черноземья подвержены техногенной нагрузке – загрязнению и эрозии из-за хозяйственной деятельности человека. Результаты работы важны для своевременной диагностики ядовитых веществ в почвах и растениях.
«Поддержка Российского научного фонда позволила углубить и расширить проводимые исследования как за счет анализов дополнительных компонентов ПАУ, так и за счет изучения новых природных объектов с катастрофическим уровнем загрязнения почв, а также специально проведенного модельного эксперимента, в котором были созданы разные уровни загрязнения почв бензпиреном», — заключила Минкина.
