Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ КОЛИЧЕСТВ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ВОДОРАСТВОРИМЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В ПОЧВОГРУНТАХ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Лукашов С.В. 1 Надточей Е.П. 1 Иванченкова О.А. 2
1 ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет им. акад. И.Г. Петровского»
2 ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический университет»
В данной работе проанализированы подходы к классификации и описанию химического состава нефтепродуктов и водорастворимых минеральных загрязнителей почвогрунтов. Обосновано выделение основных источников загрязнения почвогрунтов нефтепродуктами, бенз-а-пиреном и водорастворимыми минеральными солями. Выполнена сравнительная оценка методов определения суммарного содержания нефтепродуктов, определения остаточных количеств бенз-а-пирена и водорастворимых неорганических загрязнителей почвогрунтов урбанизированных территорий. Предложены критерии выбора оптимальных физико-химических методов количественного определения нефтепродуктов и минеральных загрязнителей в почвогрунтах. Усовершенствована методика количественного определения суммарного содержания нефтепродуктов в почвогрунтах. Показано, что предлагаемая нами методика отвечает требованиям экспрессности и позволяет определять суммарное содержание нефтепродуктов в различных типах почвогрунтов урбанизированных территорий. Достоверность предложенной методики доказана методами математической статистики. Определены остаточные количества нефтепродуктов, бенз-а-пирена, хлоридов, фосфатов и сульфатов в почвогрунтах, отобранных в четырех различных зонах урбанизированных территорий. Остаточные количества бенз-а-пирена определены методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Пробы для определения остаточных количеств бенз-а-пирена подготавливали по оригинальной методике: очищали на смеси окиси алюминия и сульфата натрия, элюирование проводили гексано-хлористометиленовой смесью. На конкретных примерах рассмотрено определение массовой концентрации ионов хлорида, сульфата и фосфата в пробах почвогрунтов (водорастворимая форма) методом ионной хроматографии. Результаты исследований были проанализированы в соответствии с нормируемыми показателями допустимого содержания в почвогрунтах по каждому виду загрязнителей. Показано, что полученные данные могут быть положены в основу экологического мониторинга почвогрунтов урбанизированных территорий с целью прогнозной оценки перспектив их использования.
нефтепродукты
почвогрунт
урбанизированная территория
бенз-а-пирен
минеральные загрязнители
нормируемые показатели
экологический мониторинг
1. Тимергазина И.Ф., Переходова Л.С. К проблеме биологического окисления нефти и нефтепродуктов углеводородоокисляющими микроорганизмами // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2012. № 1. С. 1–28.
2. Титов К.В., Ильин Ю.Т., Коносавский П.К., Муслимов А.В., Рыбальченко О.В., Орлова О.Г., Мено А. Изменение физических свойств загрязненного нефтепродуктами песка при бактериальном воздействии // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2012. № 5. С. 455–469.
3. Гаджиев Н.Г., Гакаев Р.А. Внедрение культурных фитоценозов с целью улучшения состояния нарушенных почв (на примере Чеченской Республики) // Актуальные проблемы экологии и природопользования: сборник научных трудов (Москва, 10–12 апреля 2014 г.). М.: РУДН, 2014. С. 227–230.
4. Гакаев Р.А. Биоэкологические особенности реабилитации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами // Биоэкономика и экобиополитика. 2016. № 1 (2). С. 216–218.
5. Астахов А. Анализ нефтепродуктов с помощью хроматографических методов // Аналитика. 2013. № 3. С. 48–52.
6. Околелова А.А., Капля В.Н., Лапченков А.Г. Оценка содержания нефтепродуктов в почвах // Научные ведомости. Серия: Естественные науки. 2019. Т. 43. № 1. С. 76–86.
7. Сушкова С.Н., Минкина Т.М., Назаренко О.Г., Манджиева С.С., Лекарь А.В. разработка метода экстракции 3,4-бенз(а)пирена из почв субкритической водой // Плодородие. 2012. № 3. С. 44–46.
8. Каменцев М.Я., Мамедова С.Н., Москвин Л.Н., Якимова Н.М. Определение хлорид- и сульфат-ионов в воде высокой чистоты методом капиллярного электрофореза // Журнал аналитической химии. 2015. Т. 70. № 2. С. 169–173.
9. Хаустов А.П., Редина М.М. Трансформация нефтепродуктов как источник токсичных загрязнений природных сред // Экология и промышленность России. 2012. № 12. С. 38–44.
10. Лукашов С.В., Иванченкова О.А. Анализ состояния почвогрунтов урбанизированной территории как элемент инженерно-экологических изысканий // Успехи современного естествознания. 2020. № 5. С. 56–62.
11. Акт правительства Российской Федерации «Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами» от 27 декабря 1993 № 04-25, № 61-5678 [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/9033369 (дата обращения: 15.03.2021).

Рост объемов промышленного производства на современном этапе развития общества напрямую связан с добычей и потреблением углеводородного топлива. Различные виды жидких топлив, представляющих отдельный тип нефтепродуктов, являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды. При этом следует отметить, что потери нефтепродуктов, приводящих к загрязнению окружающей среды, оцениваются приблизительно десятью миллионами тонн в год [1].

При транспортировке, хранении нефтепродуктов, эксплуатации автомобильного транспорта и котельных, работающих на жидком топливе, происходит загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы. Загрязнение почвогрунтов нефтепродуктами следует отнести к особо опасным видам загрязнений, так как оно сопряжено с загрязнением гидросферы – попадая из почвогрунта в грунтовые и подземные воды, углеводороды уже при концентрациях 0,5 мг/л делают невозможным их использование в качестве питьевых [2].

В состав нефтепродуктов входит большое число органических веществ (углеводороды, ароматические соединения, гетероциклы) и неорганических веществ (неорганические соли и микроэлементы), которые оказывают прямое и косвенное биогеохимическое воздействие на почвогрунты. Поскольку нефтепродукты имеют многокомпонентный состав, их токсичность нельзя определить исходя из вклада в загрязнение отдельных соединений, так как одни из них могут деструктурировать другие, например в процессе окислительно-восстановительных процессов, протекающих под воздействием микроорганизмов. В связи с этим при загрязнении почвогрунтов нефтепродуктами целесообразно выделять следующие экологические факторы: многокомпонентность состава нефтепродуктов; динамику экосистемы; абиотические факторы среды (температура, давление, освещенность и др.) [3; 4]. Результатом суммарного действия указанных экологических факторов является частичная деструкция нефтепродуктов, в результате которой образуются органические кислоты, изменяющие химический состав почвогрунтов и обуславливающие рост минерализации поровой влаги.

Поэтому геоэкологический мониторинг загрязнения почвогрунтов нефтепродуктами имеет важное практическое значение, так как позволяет оценить степень их загрязнения, изменение ее во времени, а также служит основой прогнозной оценки использования загрязненных территорий.

Основу геоэкологического мониторинга загрязнения почвогрунтов нефтепродуктами составляют физико-химические методы, позволяющие определять суммарное содержание нефтепродуктов, сопутствующих особо опасных загрязнителей, таких как бенз-а-пирен и минеральные соли.

Так, например, для определения нефтепродуктов используют метод газовой хроматографии с применением детектора вакуумной ультрафиолетовой абсорбции (GC-VUV). Данный метод позволяет проводить определение по временным интервалам и обеспечивает высокую степень достоверности при идентификации совпадающих пиков в сложных углеводородных смесях. Метод изократической ВЭЖХ на колонке с неполярным гидрофобным сорбентом с детектором по поглощению света на 254 нм позволяет получать хроматографические фингерпринты нефтепродуктов и осуществлять процесс идентификации до того момента, когда она становится невозможной вследствие их деструкции [5]. Известны методы определения нефтепродуктов ИК-фотометрией. Анализу предшествует экстракция нефтепродуктов из почвогрунта четыреххлористым углеводородом (ССl4) [6]. Количественное определение бенз-а-пирена выполняют различными методами: методом низкотемпературной люминесценции, методом экстракции субкритической водой и др. Для количественного определения минеральных солей в почвогрунтах применяют методы капиллярного электрофореза, комплексонометрического определения и др. [7; 8].

Следует отметить, что большинство применяемых в настоящее время методов определения нефтепродуктов, минеральных солей и бенз-а-пирена в загрязненных почвогрунтах характеризуются высокой стоимостью анализа, сложностью аппаратурного оформления, низким пространственным разрешением. В связи с этим совершенствование известных методов определения нефтепродуктов в почвогрунтах, поиск новых методов является актуальной задачей.

Цель работы заключалась в описании на конкретных примерах методологии определения остаточных количеств нефтепродуктов, бенз-а-пирена и водорастворимых минеральных загрязнителей в почвогрунтах урбанизированных территорий в рамках геоэкологического мониторинга для прогнозной оценки возможности их использования в хозяйственной деятельности.

Материалы и методы исследования

Определение остаточных количеств нефтепродуктов, бенз-а-пирена и минеральных солей в образцах почвогрунта выполняли в рамках геоэкологического мониторинга четырех районов г. Брянска и Брянской области с целью определения перспектив использования данных территорий в хозяйственной деятельности.

Пробы почвогрунта отбирали в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.4.02-2017.

Количественное определение суммарного содержания нефтепродуктов проводили с помощью усовершенствованной нами методики.

Бенз-а-пирен количественно определяли методом ВЭЖХ на флуориметрическом детекторе в соответствии с MUK 4.1.1274-03. Пробы почвогрунта подготавливали по оригинальной методике: очищали на смеси окиси алюминия и сульфата натрия, элюирование проводили гексано-хлористометиленовой смесью.

Определение массовой доли хлоридов, сульфатов, фосфатов в образцах почвогрунта (водорастворимая форма) проводили методом ионной хроматографии в соответствии с РД 52.18.572-96.

Прогнозную оценку возможности использования загрязненных территорий в хозяйственной деятельности выполняли с учетом СП 11-102-97.

Статистическую обработку результатов анализа проводили с использованием программы Mathcad.

Результаты исследования и их обсуждение

В соответствии с поставленными задачами на первоначальном этапе нами были проведены теоретические исследования, в ходе которых были проанализированы подходы к классификации нефтепродуктов и выделены основные источники загрязнения почвогрунтов нефтепродуктами.

За основу нами была выбрана иерархическая классификация нефтепродуктов, регламентированная ГОСТ 26098-84. В соответствии с данным источником нефтепродукты подразделяют на типы, группы, подгруппы, марки и сорта. При этом следует отметить, что в один тип объединяются нефтепродукты одинакового функционального назначения. Группа и подгруппа включают нефтепродукты, имеющие сходные свойства, показатели качества и области применения. Марка и сорт нефтепродуктов соответствуют индивидуальным нефтепродуктам, свойства и показатели качества которых регламентированы нормативно-технической документацией.

Поскольку в рамках данной работы выполнялось определение остаточных количеств нефтепродуктов в образцах почвогрунта, целесообразно взять за основу их тип, так как невозможно оценить по отдельности вклад группы, подгруппы, а тем более марки и сорта, в общее загрязнение территории.

Поскольку тип нефтепродуктов включает весь спектр потенциальных загрязнителей, целесообразно определять суммарное остаточное содержание нефтепродуктов в образцах почвогрунта, не подразделяя их на более узкие категории.

Выбор методов количественного контроля нефтепродуктов в почвогрунтах напрямую связан с определением источника загрязнения, так как от последнего зависит характер и степень загрязнения. В соответствии с данными [9] основными источниками загрязнения природных сред нефтепродуктами являются предприятия по нефтедобыче, производству, хранению и транспортировке нефтепродуктов, автомобильный транспорт, а также котельные, вырабатывающие тепловую энергию в результате сжигания жидкого углеводородного топлива. Отмечается, что атмосферный перенос следует выделять как отдельный источник загрязнения окружающей среды нефтепродуктами. Вклад данного источника в общее загрязнение обусловлен неполным сгоранием жидких нефтяных топлив, поступлением нефтепродуктов и особо опасных веществ, например бенз-а-пирена, в атмосферу. В газообразном состоянии нефтепродукты могут находиться в атмосфере от полугода до двух лет, попадая затем в почву. Так как в настоящей работе объектом исследования являются почвогрунты урбанизированной территории, то в качестве основных источников загрязнения целесообразно рассматривать предприятия по хранению, транспортировке нефтепродуктов, источники сжигания жидких нефтяных топлив и атмосферный перенос. Поскольку перечисленные источники загрязняют окружающую среду к тому же и неорганическими соединениями, например минеральными солями, нами также было проведено количественное определение данных соединений в образцах почвогрунта.

В качестве объекта исследования нами были выбраны почвогрунты четырех районов г. Брянска и Брянской области. Точки пробоотбора расположены в пределах урбанизированных территорий и характеризуются следующими особенностями: участок 1 – территория, прилегающая к нефтебазе (расстояние 450 м); участок 2 – территория, граничащая с автозаправочной станцией (расстояние 150 м); участок 3 – территория реконструкции аэропорта (расстояние 700 м); участок 4 – территория, примыкающая к автомобильной дороге (расстояние 350 м) (рис. 1).

missing image file

Рис. 1. Участки отбора почвогрунтов

В пределах каждого участка было отобрано по три усредненных образца почвогрунта с различной глубины: 0.2, 0.5, 1 м. Образцы проб почвогрунта были последовательно пронумерованы.

В ходе общего физического анализа и классификации установлено, что образцы, отобранные с участка 1, представляют несвязанный минеральный грунт (песок), содержащий включения твердых коммунальных отходов. Основным компонентом почвогрунта с участков 2, 3, 4 является суглинок.

В соответствии с принципами выбора методов исследования [6; 10] нами была усовершенствована методика определения суммарного количества нефтепродуктов в почвогрунтах. Методика основана на измерении массовой доли нефтепродуктов в почвогрунтах флуориметрическим методом. В качестве анализатора использовали «ФЛЮОРАТ-02». Для определения брали навеску подготовленной пробы почвогрунта массой 1 г. Нефтепродукты экстрагировали гексаном в течение 15 минут при перемешивании и определяли на флюорате значение в мВ, соответствующее аликвоте полученного экстракта. Данное значение использовали в последующем расчете содержания нефтепродуктов в образце почвогрунта. Методика позволяет определять массовые доли нефтепродуктов в диапазоне 5-20000 мг/кг. Достоверность предлагаемой методики подтверждена статистическими методами (рис. 2).

missing image file

Рис. 2. Результаты определения концентрации нефтепродуктов в образцах почвогрунта различными методиками в сравнении с серией стандартов

Из данных, представленных на рис. 2, видно, что усовершенствованная нами методика характеризуется высокой степенью сходимости с известной методикой ПНД Ф 16.1:2.21-98. Рассчитанный коэффициент корреляции составил 0,94, что свидетельствует о высокой степени достоверности. Также следует отметить, что предлагаемая методика позволяет упростить ход анализа и отвечает требованиям экспресс-анализа и может быть использована в процессе геоэкологического мониторинга.

Данные по определению суммарного содержания нефтепродуктов и бенз-а-пирена представлены в таблице.

Суммарное содержание нефтепродуктов и бенз-а-пирена в образцах почвогрунта

№ пробы

Содержание, мг/кг

№ пробы

Содержание, мг/кг

нефтепродуктов

бенз-а-пирена

нефтепродуктов

бенз-а-пирена

1

7,3

<0,005

7

125,4

0,012

2

7

<0,005

8

125,1

0,012

3

6,9

<0,005

9

124,7

0,010

4

31,9

0,007

10

312

0,014

5

31,6

0,006

11

307

1,013

6

30,9

<0,005

12

303

0,010

Допустимые концентрации бенз-а-пирена в образцах почвогрунта оценивали по ГН 2.1.7.2041-06, в соответствии с которыми ПДК бенз-а-пирена составляет 0,02 мг/кг. На основании данных, представленных в таблице, можно сделать вывод, что наименьшее содержание данного вещества (0,005-0,007 мг/кг) наблюдается в пробах почвогрунта с участка № 1 (пробы 1, 2, 3) и участка № 2 (пробы 4, 5, 6). По-видимому, это связано с тем, что данные участки удалены от автомобильных магистралей. Более высокие концентрации бенз-а-пирена (от 0,010 до 0,014) выявлены в переделах участков № 3 (пробы 7, 8, 9) и № 4 (пробы 10, 11, 12). По нашему мнению, это можно объяснить расположением данных территорий вблизи аэропорта и автомобильной дороги соответственно, так как загрязнение бенз-а-пиреном почвогрунтов происходит за счет продуктов сгорания топлива. В пределах участка № 1 содержание бенз-а-пирена равномерно распределено по всей глубине и составляет <0,005 мг/кг, тогда как на участках № № 2, 3, 4 более высокие концентрации наблюдаются в верхних слоях почвогрунта на глубине 0,2 м. Выявленную закономерность можно объяснить природой почвогрунта: в пределах участков № № 2, 3 и 4 основным компонентом почвогрунта является суглинок, что препятствует миграции бенз-а-пирена по глубине. Вместе с тем следует отметить, что концентрация бенз-а-пирена в пределах обследованных участков не превышает ПДК.

По данным [6], для нефтепродуктов предельно допустимая концентрация не установлена, это связано с тем, что нефтепродукты содержат в своем составе соединения, которые характерны для различных типов почв. В настоящее время уровни загрязненности земель нефтью и нефтепродуктами определяются [11], на основании которого можно сделать вывод, что загрязнение почвогрунтов обследуемых территорий нефтепродуктами не превышает фоновых значений.

Данные по определению количественного содержания минеральных солей в образцах исследуемого почвогрунта представлены на рис. 3.

missing image file

Рис. 3. Содержание минеральных солей в образцах почвогрунта

Предельно допустимые концентрации хлоридов, сульфатов и фосфатов в соответствии с ГН 2.1.7.2041-06 в почвогрунтах составляют соответственно 360, 160 и 200 мг/кг. Содержание фосфатов во всех исследуемых образцах почвогрунта не превысило 1 мг/кг. Из данных, представленных на рисунке 3, следует, что максимальное содержание хлоридов установлено в пределах участка № 4 (250 мг/кг), что объясняется расположением данной территории рядом с автомобильной дорогой. Содержание сульфатов (в пересчете на элементарную серу) находится в пределах ПДК.

Таким образом, по результатам проведенного анализа почвогрунтов на содержание нефтепродуктов и минеральных солей можно сделать вывод, что с учетом содержания данных загрязнителей в почвогрунте территории обследуемых участков пригодны для промышленной или жилищной застройки.

Выводы

Проанализированы подходы к классификации и описанию химического состава нефтепродуктов и водорастворимых минеральных загрязнителей почв. Обосновано выделение основных источников загрязнения почв нефтепродуктами, бенз-а-пиреном и водорастворимыми минеральными солями.

На конкретном примере описана методология определения остаточных количеств нефтепродуктов, бенз-а-пирена и водорастворимых минеральных загрязнителей в почвогрунтах урбанизированных территорий.

Усовершенствованы методики определения суммарного содержания нефтепродуктов в образцах почвогрунта и подготовки проб при анализе бенз-а-пирена.

Предлагаемый подход определения содержания нефтепродуктов, бенз-а-пирена и минеральных солей в почвогрунтах может быть использован в рамках геоэкологического мониторинга для прогнозной оценки возможности их использования в хозяйственной деятельности.


Библиографическая ссылка

Лукашов С.В., Надточей Е.П., Иванченкова О.А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ КОЛИЧЕСТВ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ВОДОРАСТВОРИМЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В ПОЧВОГРУНТАХ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 3. – С. 65-71;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37595 (дата обращения: 08.02.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685