Для выявления органических соединений ксенобиотической природы (в данном случае нефтепродуктов) необходимо определение в исследуемых образцах содержания неспецифических и специфических соединений [4, 6, 8, 11]. На загрязненных нефтью почвах повышается содержание органического углерода, что вполне логично, так как нефть представляет собой сложную смесь углеводородов, содержащую в среднем 83–87 % углерода. Характеристика объекта и светло-каштановой почвы описаны ранее [3, 7–10].
Целью данного исследования является определение содержания нефтепродуктов в почве несколькими методами.
Нами проведено определение НП в почве тремя стандартными методами с различными экстрагентами [8–10].
Результаты определения на АН-2 в 2–8 раз выше, чем на Флюорате и в 1,1–4,3 раза – чем гравиметрически. Анализ НП гравиметрическим методом дает результаты в 1,5–3,7 раза выше, чем на Флюорате (табл. 1). Одна из основных причин, по нашему мнению, различная природа экстрагентов (табл. 2).
Экстракция n-гексаном при определении НП на «Флюорате» показала наименьшие значения из всех трех методов. Вероятно, что данный анализ объективен при незначительных концентрациях нефтепродуктов в почвах и преобладании в их составе легкорастворимых фракций (в парообразном и жидком легко подвижном состоянии или в свободной и растворенной водной или водно-эмульсионной фазе). В первую очередь n-гексан извлекает из почвы наиболее растворимые органические соединения, затем происходит разрушение хелатов, органических коллоидов, органо-минеральных соединений [1, 5].
При анализе содержания НП гравиметрическим методом используют такие операции, как многократная экстракция хлороформом, хроматографирование, выпаривание, получение гексанового раствора нефтепродуктов, с последующим испарением n-гексана. Получение конечного результата взвешиванием, а не в результате реакции снижает точность определения гравиметрическим методом.
Таблица 1
Содержание нефтепродуктов в почвах, полученное разными аналитическими методами, мг/кг
|
Номер разреза, горизонт |
Флюорат |
АН-2 |
Гравиметрический |
Доля НПп, % от общего |
|
Разрез 1, А |
75,8 |
146,4 |
112 |
51,78 |
|
В1 |
16,0 |
64,5 |
59 |
24,81 |
|
С |
39,0 |
215,4 |
78 |
18,11 |
|
Разрез 2, А |
42,7 |
347,0 |
80 |
12,31 |
|
В1 |
23,0 |
51,1 |
44 |
45,01 |
Таблица 2
Наиболее интенсивные полосы поглощения в ИК-спектрах экстрагентов почвы.
|
Экстрагент |
νС=О |
νОН |
νС-Н |
|
Хлороформ |
1688 |
3266 |
3050 |
|
n-гексан |
1700 |
3342 |
3000 |
|
ЧХУ |
1700 |
3400 |
2950 |
Наибольшие значения НП при их определении с помощью четыреххлористого углерода (ЧХУ) на приборе АН-2 могут свидетельствовать о наиболее полном извлечении органического углерода не только легких и тяжелых фракций НП, но и из хелатных и органо-минеральных комплексов. Такой сильный растворитель как ЧХУ способен извлекать НП, находящиеся в сорбированной форме на частицах породы, почвы, гумуса; в поверхностном слое почвы в виде плотной органо-минеральной массы; в свободном неподвижном состоянии, играя роль цементирующего материала частиц и агрегатов почвы.
С некоторой долей условности мы можем полученные результаты представить как общее содержание НП в почве (анализ на АН-2 с ЧХУ) и доля в их составе легкорастворимых фракций, НП в легко подвижном состоянии или в растворенной фазе (по результатам их определения на «Флюорате» (экстракция n-гексаном), которые, суммируя, можно назвать подвижной фракцией нефтепродуктов (НПп). Соотношение доли подвижных НПп (Флюорат) от их общего содержания (АН-2) представлены в табл. 1.
Разрез № 2 сделан напротив коксобитумной установки, которая является источником выброса большего числа органических поллютантов, что является причиной больших величин НП.
Для подтверждения полученных результатов были получены ИК-спектры почв, экстрагируемых гексаном, хлороформом и ЧХУ и произведена их дешифровка [2]. В ИК-спектрах экстрактов почвы различными растворителями присутствуют полосы поглощения, характерные для карбонильной группы в структуре карбоновых кислот. Природа растворителя (экстрагента из почвы) влияет на спектры поглощения растворенных соединений (табл. 3).
Полоса поглощения, соответствующая группе СООН, смещается в n-гексане и в ЧХУ в сторону более высоких волновых чисел за счет разрушения ассоциатов в неполярной среде по сравнению с более полярным хлороформом, что свидетельствует об образовании карбоновых кислот в процессе окисления углеводородов в почве.
Наибольшие изменения в спектрах происходят при растворении полярного соединения в полярном растворителе из-за сильных дипольных взаимодействий. В протонных растворителях образуются водородные связи, что сильно изменяет характер спектра [2]. У n-гексана, как представителя класса предельных углеводородов, химические реакции могут происходить только за счет разрыва связи С–Н (реакция замещения водорода или разрыва связи С–С (реакция расщепления молекулы). Галогенпроизводные углеводороды растворяются в органических растворителях и сами являются растворителями [5].
В ИК-спектрах поглощения (табл. 3) выявлены полосы поглощения в коротковолновой (3000–1800 см–1) и длинноволновой областях спектра (1500–400 см–1). Выделены диапазоны 3100–3000, 1700–1500, 1300–1200 см–1, где каждая из полос имеет четко выраженные раздельные максимумы.
Небольшие уступы в областях 3400–3266, 2300 см–1 проявляются во всех спектрах и соответствуют наличию гидроксильных групп. Сравнительно узкие полосы в диапазоне 1300 см-1, соответствуют свободным гидроксилам воды, хорошо разрешены во всех спектрах, их интенсивность снижается в ряду от n-гексана к хлороформу и ЧХУ. Деформационные колебания С–Н в СН2 (1450–1440 см–1), вторичных и первичных спиртов (1150–1100, 1050 см–1). Валентные колебания метильных и метиленовых групп проявляются в области 2950–2900 см–1.
В интервалах 1720–1700, 1250–1230 см–1 находятся полосы поглощения, обусловленные карбонильной группой С=О, частично ОН, входящих в состав карбоксильных групп. Максимумы поглощения в интервале 1720–1700 см–1 соответствуют карбонильной группе, которая может быть представлена альдегидами, кетонами, карбоновыми кислотами, углеводами, белками, пептидами.
Сопряженные С=С связей ароматических ядер идентифицированы по наличию полос поглощения в областях 1610 и 1510 см–1. В спектрах экстрактов хлороформа и четыреххлористого углерода отчетливо прослеживается полоса поглощения связи С–Сl в области 690–600 см–1. Анализ ИК-спектров поглощения позволил выявить, что природа растворителя влияет на исследуемые спектры поглощения растворенного соединения следующим образом (табл. 3).
Характер ИК-спектров позволяет установить наличие в экстрактах ароматических соединений. Отчетливый максимум в области 1610 см–1 вызван присутствием С=С связи бензольных структур, частично карбонилов. Полосы поглощения в этой области спектра могут свидетельствовать о наличии бензольных колец с высоким (более трех) числом заместителей [2, 6].
Таблица 3
Интенсивность полос поглощения ИК-спектров различных экстрагентов
|
Группы и их колебания |
Волновое число, ν, см–1 |
Интенсивность |
|
С–Сl |
600-690 |
Только в спектрах хлороформа и ЧХУ |
|
ОН |
1300 |
Максимальна в хлороформе по сравнению с гексаном, в спектрах ЧХУ не проявляется |
|
С–Н |
3100 |
Очень резко снижается в ряду гексан → хлороформ → ЧХУ |
|
С–Н в СН2 |
1450–1400 |
Снижается в ряду гексан → хлороформ → ЧХУ |
|
С–Н в СН2 |
1200 |
Выше в экстрактах ЧХУ |
|
С=О в СООН |
1688–1700 |
Смещается в сторону более высоких волновых чисел, соответственно с 1688 к 1700 см–1 в экстрактах гексана по сравнению с хлороформом и ЧХУ |
|
С=С |
1610 |
Интенсивность полосы поглощения 1в экстрактах ЧХУ в 7 раз выше, чем в экстрактах гексана, и в 4 раза, чем в экстрактах хлороформа. |
|
=С–Н |
3030 |
Очень четкая в спектре гексана и отсутствует в спектрах ЧХУ. |
Полоса поглощения спиртовых гидроксилов (ОН) смещается с 3400 до 3342 и 3266 см–1 в ряду n-гексан → хлороформ → ЧХУ, их интенсивность снижается. Полоса поглощения в области 2300 см–1 (ОН) выражена слабо, но наиболее четкая полоса поглощения в спектре хлороформа. Интенсивность поглощения ОН группы в области 1300 см–1 выше в хлороформе, чем в n-гексане. В спектрах с ЧХУ эта полоса поглощения не проявляется. Снижение доли спиртовых гидроксилов может быть вызвано процессами дегидратации и свидетельствует об их большем извлечении экстрактом ЧХУ.
Интенсивность полосы поглощения, соответствующая С-Н (3100 см-1), снижается в исследуемом ряду экстрагентов. Это свидетельствует о преобладании в экстрактах гексана более растворимых предельных углеводородов. Деформационным колебаниям С–Н в СН2 соответствует полоса в области 1450–1400 см–1. Ее интенсивность отчетливо снижается в ряду n-гексан → хлороформ → ЧХУ. В области 1200 см–1 полоса поглощения С–Н в группах СН2 менее выражена, но ее интенсивность ниже в экстрактах ЧХУ. Известно, что ее интенсивность возрастает линейно с увеличением метиленовых групп. А если они присоединены непосредственно к карбоксильной, то частота колебаний смещается с 1465 до 1420 см–1 [2].
Полоса поглощения, соответствующая карбоксильной группе, экстрагируемой n-гексаном, незначительно смещается в сторону более высоких волновых чисел, соответственно с 1688 к 1700 см–1 за счет разрушения ассоциатов в неполярной среде по сравнению с более полярными хлороформом и ЧХУ, что свидетельствует о большем экстрагировании карбоновых кислот из полученных водных вытяжек почв.
Содержание ароматических соединений в исследуемых экстрактах по интенсивности полосы поглощения С=С связи ароматических ядер (1610, 1510 см–1) выше в экстрактах ЧХУ. Полоса поглощения =С–Н связи в области 3030 см–1 очень четкая в спектре n-гексана и отсутствует в спектрах ЧХУ, это свидетельствует о замещении атомов водорода в бензольном ядре при их экстракции ЧХУ и о большей экстракции этим соединением специфических органических соединений почв.
Плечо в области 1510 см–1, соответствующее ароматическим С=С связям, подтверждает их наличие в экстрактах. В исследуемых спектрах не проявляются полосы поглощения моно-, ди- и тризамещенных бензольных колец в области 2000–1800 см–1, тем самым подтверждается предположение о том, что ароматическая часть специфических органических соединений почвы представлена четырехзамещенными (и выше) бензольными кольцами, характерными для молекул гуминовых кислот [7].
Выводы
1. Результаты определения на АН-2 в 2–8 раз выше, чем на Флюорате и в 1,1–4,3 раза – чем гравиметрически. Анализ НП гравиметрическим методом дает результаты в 1,5–3,7 раза выше, чем на Флюорате.
2. ИК-спектры поглощения характеризуются одинаковым набором атомных групп, типов связей, элементов строения. Различное их соотношение подтверждается неодинаковой степенью извлечения органических соединений и природой растворителя.
3. Анализ ИК-спектров поглощения с использованием различных экстрагентов выявил, что в ряду n-гексан → хлороформ → ЧХУ возрастает содержание ароматических соединений (полосы поглощения, соответствующая =С–Н и С=С связей) и снижается более растворимых предельных углеводородов (полосы поглощения метильных, метиленовых, карбоксильных и гидроксильных групп).
Рецензенты:Рахимов А.И., д.х.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, директор института химических проблем экологии РАЕН, г. Волгоград;
Егорова Г.С., д.с.-х.н., профессор, зав. кафедрой почвоведения и общей биологии, декан агрономического факультета Волгоградского государственного аграрного университета, г. Волгоград.
Работа поступила в редакцию 26.02.2014.