Сорбция и десорбция бенз(а)пирена почвами прибрежной зоны Таганрогского залива, Россия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В модельном эксперименте изучены процессы сорбции и десорбции бенз(а)пирена (БаП) – наиболее опасного представителя ПАУ – в образцах почв: чернозема обыкновенного карбонатного, аллювиальной луговой насыщенной и аллювиальной луговой насыщенной слоистой, отобранных из разных горизонтов. Десорбцию БаП изучали с использованием водорастворимого органического вещества, выделенного из этих же почв. Показано, что модель Дубинина–Радушкевича наилучшим образом описывает изотермы адсорбции по сравнению с моделями Ленгмюра, Фрейндлиха и Генри. Это свидетельствует о преимущественно полислойном характере адсорбции и объемном заполнении БаП микропор исследуемых почв. Изотермы десорбции БаП из почв растворами водорастворимого органического вещества имеют вид, близкий к линейному или параболическому. Величины максимальной адсорбционной емкости и прочности связи сорбированного БаП в гумусовых горизонтах почв выше, чем в минеральных, и закономерно снижаются при уменьшении содержания органического вещества. Установлено, что сорбционная способность почв по отношению к БаП снижается в ряду: чернозем обыкновенный карбонатный > аллювиальная луговая насыщенная > аллювиальная луговая насыщенная слоистая. С уменьшением содержания органического углерода и с увеличением содержания БаП в исходном растворе при насыщении степень десорбции возрастает.

Об авторах

Т. С. Дудникова

Южный федеральный университет

Email: annemceva@sfedu.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

Т. М. Минкина

Южный федеральный университет

Email: annemceva@sfedu.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

Г. К. Васильева

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: annemceva@sfedu.ru
Россия, ул. Институтская, 2, корп. 2, Московская область, Пущино, 142290

Д. Л. Пинский

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: annemceva@sfedu.ru
Россия, ул. Институтская, 2, корп. 2, Московская область, Пущино, 142290

С. Н. Сушкова

Южный федеральный университет

Email: annemceva@sfedu.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

Е. Г. Шуваев

Южный федеральный университет

Email: annemceva@sfedu.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

А. А. Немцева

Южный федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: annemceva@sfedu.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

Список литературы

  1. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
  2. Воробьева Л.А. Теория и практика химического анализа почв. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
  3. Геннадиев А.Н., Пиковский Ю.И. Карты устойчивости почв к загрязнению нефтепродуктами и полициклическими ароматическими углеводородами: метод и опыт составления // Почвоведение. 2007. № 1. С. 80–92.
  4. Геннадиев А.Н., Пиковский Ю.И., Цибарт А.С., Смирнова М.А. Углеводороды в почвах: происхождение, состав, поведение (обзор) // Почвоведение. 2015. № 10. С. 1195–1209. https://doi.org/10.7868/S0032180X15100020
  5. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 224 с.
  6. Парфит Г., Рочестер К. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел / Пер. с англ. Тарасевича Б.Н., под ред. Лыгина В.И. М.: Мир, 1987. 235 с.
  7. Перминова И.В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот. Дис. дис. … докт. хим. наук, 2000.
  8. ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.62-09. Методика выполнения измерений массовых долей полициклических ароматических углеводородов в почвах, донных отложениях, осадках сточных вод и отходах производства и потребления методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.
  9. ПНД Ф 14.1:2:4.70-96. Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовых концентраций полициклических ароматических углеводородов в питьевых, природных и сточных водах методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.
  10. Aigberua A.O., Ekubo A.T., Inengite A.K., Izah S.C. Evaluation of total hydrocarbon content and polycyclic aromatic hydrocarbon in an oil spill contaminated soil in Rumuolukwu community in Niger Delta // J. Environ. Treat. Tech. 2016. V. 4. № 4. P. 130–142.
  11. Al-Ghouti M.A., Da’ana D.A. Guidelines for the use and interpretation of adsorption isotherm models: A review // J. Hazard. Mater. 2020. V. 393. P. 122383. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122383
  12. Ali M., Song X., Ding D., Wang Q., Zhang Z., Tang Z. Bioremediation of PAHs and heavy metals co-contaminated soils: challenges and enhancement strategies // Environ. Poll. 2022. V. 295. P. 118686. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.118686
  13. Bayard R., Barna L., Mahjoub B., Gourdon R. Influence of the presence of PAHs and coal tar on naphthalene sorption in soils // J. Contam. Hydrol. 2000. V. 46. P. 61–80. https://doi.org/10.1016/S0169-7722(00)00125-X
  14. Campisi D., Lamberts T., Dzade N.Y., Martinazzo R., Ten Kate I.L., Tielens A.G. Adsorption of polycyclic aromatic hydrocarbons and C60 onto forsterite: C–H bond activation by the schottky vacancy // ACS Earth Space Chem. 2022. V. 6. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsearthspacechem.2c00084.
  15. Cao X., Pang H., Yang G. Sorption behaviour of norfloxacin on marine sediments // J. Soils Sediments. 2015. V. 15. P. 1635–1643. https://doi.org/10.1007/s11368-015-1124-4
  16. Cheng H., Hu E., Hu Y. Impact of mineral micropores on transport and fate of organic contaminants: A review // J. Contam. Hydrol. 2012. V. 129. P. 80–90. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2011.09.008
  17. Dai C., Han Y., Duan Y., Lai X., Fu R., Liu S., Leong H.K., Tu Ya., Zhou L. Review on the contamination and remediation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in coastal soil and sediments // Environ. Res. 2022. V. 205. P. 112423. https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.112423
  18. Diagboya P.N., Olu-Owolabi B.I., Dikio E.D., Adebowale K.O. Concentration-dependent and simultaneous sorption and desorption of pyrene and fluorene on major soil minerals in sub-Saharan Africa // Appl. Clay Sci. 2018. V. 153. P. 257–264. https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.11.037
  19. Dudnikova T., Minkina T., Sushkova S., Barbashev A., Antonenko E., Konstantinova E., Shuvaev E., Nevidomskaya D., Ivantsov A., Bakoeva G., Gorbunova M. Background Content of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons during Monitoring of Natural and Anthropogenically Transformed Landscapes in the Coastal Area Soils // Water. 2023. V. 15. P. 2424. https://doi.org/10.3390/w15132424
  20. Dudnikova T., Minkina T., Sushkova S., Barbashev A., Antonenko E., Bakoeva G., Shuvaev E., Mandzhieva S., Litvinov Yu., Chaplygin V., Deryabkina I. Features of the polycyclic aromatic hydrocarbon’s spatial distribution in the soils of the Don River delta // Environ. Geochem. Health. 2023b. V. 45. P. 9267–9280. https://doi.org/10.1007/s10653-022-01281-1
  21. Dudnikova T., Minkina T., Sushkova S., Barbashev A., Antonenko E., Shuvaev E., Nemtseva A., Maksimov A., Litvinov Yu., Nevidomskaya D., Mandzhieva S., Gülser C., Kızılkaya R. Profile distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in coastal soils of the Lower Don and Taganrog Bay, Russia // Eurasian J. Soil Sci. 2024. V. 13. P. 111–124. https://doi.org/10.18393/ejss.1403723
  22. Ferrara L., Trifuoggi M., Toscanesi M., Donadio C., Barra D., Aiello G., Arienzo M. Source identification and eco-risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons in the sediments of seawaters facing the former steel plant ILVA, Naples, Italy // Reg. Stud. Mar. Sci. 2020. V. 35. https://doi.org/101097. 10.1016/j.rsma.2020.101097
  23. Gao Y., Xiong W., Ling W., Wang X., Li Q. Impact of exotic and inherent dissolved organic matter on sorption of phenanthrene by soils // J. Hazard. Mater. 2007. V. 140. P. 138–144. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.06.053
  24. Gennadiev A.N., Tsibart A.S. Pyrogenic polycyclic aromatic hydrocarbons in soils of reserved and anthropogenically modified areas: factors and features of accumulation // Eurasian Soil Sci. 2013. V. 46. P. 28–36. https://doi.org/10.1134/S106422931301002X
  25. Guo X., Luo L., Ma Y., Zhang S. Sorption of polycyclic aromatic hydrocarbons on particulate organic matters // J. Hazard. Mater. 2010. V. 173. P. 130–136. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.08.065
  26. Hamid S., Yaseen A., Kamili A.N., Yatoo A.M. Pollution in aquatic environs: sources and consequences. Bioremediation and Biotechnology. Springer, Cham, 2020. V. 4. P. 21–38.
  27. Hobson J.P. Physical Adsorption Isotherms Extending from Ultrahigh Vacuum to Vapor Pressure // J. Phys. Chem. 1969. V. 73. P. 2720–2727. https://doi.org/10.1021/j100842a045
  28. Huang W., McDowell W.H., Zou X., Ruan H., Wang J., Ma Z. Qualitative differences in headwater stream dissolved organic matter and riparian water-extractable soil organic matter under four different vegetation types along an altitudinal gradient in the Wuyi Mountains of China // Appl. Geochem. 2015. V. 52. P. 67–75.
  29. Hwang S., Ramirez N., Cutright T.J., Ju L.K. The role of soil properties in pyrene sorption and desorption // Water, Air, Soil Pollut. 2003. V. 143. P. 65–80. https://doi.org/10.1023/a:1022863015709
  30. IARC. List of classifications, volumes 1-123 // IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. Lyon: International Agency for Research on Cancer, 2020. https://monographs.iarc.fr/list-of-classifications-volumes/
  31. Jin J., Sun K., Wang Z., Han L., Pan Z., Wu F., Liu X., Zhao Ye., Xing B. Characterization and phthalate esters sorption of organic matter fractions isolated from soils and sediments // Environ. Pollut. 2015. V. 206. P. 24–31. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2015.06.031
  32. Kasimov N.S., Bezberdaya L.A., Vlasov D.V., Lychagin M.Y. Metals, metalloids, and benzo[a]pyrene in PM 10 particles of soils and road dust of Alushta city // Eurasian Soil Sci. 2019. V. 52. P. 1608–1621. https://doi.org/10.1134/S1064229319120068
  33. Konstantinova E.Yu., Minkina T.M., Nevidomskaya D., Lychagin M., Bezberdaya L.A., Burachevskaya M.V., Rajput V.D., Zamulina I., Bauer T.V., Mandzhieva S.S. Potentially toxic elements in urban soils of the coastal city of the Sea of Azov: Levels, sources, pollution and risk assessment // Environ. Res. 2024. V. 252. P. 119080. https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.119080
  34. Kopinke F.D., Georgi A., Mackenzie K. Sorption of pyrene to dissolved humic substances and related model polymers. 1. Structure− property correlation // Environ. Sci. Technol. 2001. V. 35. P. 2536–2542. https://doi.org/10.1021/es000233q
  35. Krauss M., Wilcke W. Predicting Soil− water partitioning of polycyclic aromatic hydrocarbons and polychlorinated biphenyls by desorption with Methanol− water mixtures at different temperatures // Environ. Sci. Technol. 2001. V. 35. P. 2319–2325. https://doi.org/10.1021/es001616r
  36. Kumar M., Bolan N.S., Hoang S.A., Sawarkar A.D., Jasemizad T., Gao B., Keerthanan S., Padhye L.P., Singh L., Kumar S., Vithanage M., Li Ya., Zhang M., Kirkham M.B., Vinu A., Rinklebe, J. Remediation of soils and sediments polluted with polycyclic aromatic hydrocarbons: to immobilize, mobilize, or degrade? // J. Hazard. Mater. 2021. V. 420. P. 126534. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126534
  37. Lamichhane S., Krishna K.B., Sarukkalige R. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) removal by sorption: a review // Chemosphere. 2016. V. 148. P. 336–353. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.01.036
  38. Li F., Zhang Y., Wang S., Li G., Yue X., Zhong D., Chen Ch., Shen K. Insight into ex-situ thermal desorption of soils contaminated with petroleum via carbon number-based fraction approach // Chem. Eng. J. 2020. V. 385. P. 123946. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123946
  39. Luthy R.G., Aiken G.R., Brusseau M.L., Cunningham S.D., Gschwend P.M., Pignatello J.J., Reinhard M., Traina S.J., Weber Jr. W.J., Westall J.C. Sequestration of hydrophobic organic contaminants by geosorbents // Environ. Sci. Technol. 1997. V. 31. P. 3341–3347. https://doi.org/10.1021/es970512m
  40. Mantel S., Dondeyne S., Deckers S. World reference base for soil resources (WRB). Goss, Margaret Oliver Encyclopedia of Soils in the Environment. Elsevier, 2023. P. 206–217.
  41. Minkina T., Fedorenko G., Nevidomskaya D., Konstantinova E., Pol’shina T., Fedorenko A., Chaplygin V., Mandzhieva S., Dudnikova T., Hassan T. The Morphological and functional organization of cattails Typha laxmannii Lepech. and Typha australis Schum. and Thonn. under soil pollution by potentially toxic elements // Water. 2021. V. 13. P. 227. https://doi.org/10.3390/w13020227
  42. Moradi-Rad R., Omidi L., Kakooei H., Golbabaei F., Hassani H., Abedin-Loo R., Azam K. Adsorption of polycyclic aromatic hydrocarbons on activated carbons: kinetic and isotherm curve modeling // Int. J. Occup. Hyg. 2014. V. 6. P. 43–49.
  43. Nikiforova E., Kosheleva N., Kasimov N. Accumulation of polycyclic aromatic hydrocarbons in sealed soils and their environmental hazard for eastern Moscow // Polycyclic Aromat. Compd. 2021. V. 41. P. 1767–1783. https://doi.org/10.1080/10406638.2019.1696380
  44. Pignatello J.J. Dynamic interactions of natural organic matter and organic compounds // J. Soils Sediments. 2012. V. 12. P. 1241–1256. https://doi.org/10.1007/s11368-012-0490-4
  45. Piwowarska D., Kiedrzyńska E. Xenobiotics as a contemporary threat to surface waters // Ecohydrol. Hydrobiol. 2022. V. 22 P. 337–354. https://doi.org/10.1016/j.ecohyd.2021.09.003
  46. Pokrovskiy V.A., Bogillo V.I. Adsorption and chemisorption of organic pollutants on solid aerosol surfaces // Stud. Surf. Sci. Catal. 1999. V. 120. P. 571–634. https://doi.org/10.1016/S0167-2991(99)80373-5
  47. Prikhodko V.D., Kazeev K.S., Vilkova V.V., Nizhelskiy M.S., Kolesnikov S.I. Changes in enzyme activity in postpyrogenic soils (physical model experiment) // Eurasian Soil Sci. 2023. V. 56. P. 101–109. https://doi.org/10.31857/S0032180X22600743
  48. Pulikova E., Ivanov F., Gorovtsov A., Dudnikova T., Zinchenko V., Minkina T., Mandzhieva S., Barahov A., Sherbakov A., Sushkova S. Microbiological status of natural and anthropogenic so15ils of the Taganrog Bay coast at different levels of combined pollution with heavy metals and PAHs // Environ. Geochem. Health. 2023. V. 45. P. 9373–9390. https://doi.org/10.1007/s10653-022-01405-7
  49. Qu Y., Gong Y., Ma J., Wei H., Liu Q., Liu L., Wu H., Yang Sh., Chen Y. Potential sources, influencing factors, and health risks of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the surface soil of urban parks in Beijing, China // Environ. Pollut. 2020. V. 260. P. 114016. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114016
  50. Ren X., Zeng G., Tang L., Wang J., Wan J., Liu Y., Yu J., Yi H., Ye Sh., Deng R. Sorption, transport and biodegradation–an insight into bioavailability of persistent organic pollutants in soil // Sci. Total Environ. 2018. V. 610. P. 1154–1163. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.089
  51. Rhodes A.H., Riding M.J., McAllister L.E., Lee K., Semple K.T. Influence of activated charcoal on desorption kinetics and biodegradation of phenanthrene in soil // Environ. Sci. Technol. 2012. V. 46. № 22. P. 12445–12451. https://doi.org/10.1021/es3025098
  52. Rivas F.J. Polycyclic aromatic hydrocarbons sorbed on soils: a short review of chemical oxidation based treatments // J. Hazard. Mater. 2006. V. 138. P. 234–251. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.07.048
  53. Shen Q., Yu H., Cao Y., Guo Z., Hu L., Duan L., Sun X., Lin T. Distribution and sources of polycyclic aromatic hydrocarbons in surface sediments of the East China marginal seas: Significance of the terrestrial input and shelf mud deposition // Mar. Pollut. Bull. 2024. V. 199. P. 115920. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2023.115920
  54. Syomin V., Sikorski A., Bastrop R., Koehler N., Stradomsky B., Fomina E., Matishov D. The invasion of the genus Marenzelleria (Polychaeta: Spionidae) into the Don River mouth and the Taganrog Bay: Morphological and genetic study // J. Mar. Biolog. Assoc. U.K. 2017. V. 97. № 5. P. 975–984. https://doi.org/10.1017/S0025315417001114
  55. US Environmental Protection Agency. Integrated Risk Information System (IRIS). Washington, DC: Office of Research and Development, 2020. https://cfpub.epa.gov/ncea/iris_drafts/Ato Z.cfm
  56. Vidal C.B., Barros A.L., Moura C.P., De Lima A.C., Dias F.S., Vasconcellos L.C., Fechine P.B.A., Nascimento R.F. Adsorption of polycyclic aromatic hydrocarbons from aqueous solutions by modified periodic mesoporous organosilica // J. Colloid Interface Sci. 2011. V. 357. P. 466–473. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.02.013
  57. Wang B., Zeng D., Chen Y., Belzile N., Bai Y., Zhu J., Shu J., Chen S. Adsorption behaviors of phenanthrene and bisphenol A in purple paddy soils amended with straw-derived DOM in the West Sichuan Plain of China // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2019. V. 169. P. 737–746. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.11.096
  58. Xu H., Qu X., Li H., Gu C., Zhu D. Sorption of Tetracycline to Varying‐Sized Montmorillonite Fractions // J. Environ. Qual. 2014. V. 43. P. 2079–2085. https://doi.org/10.2134/jeq2014.04.0182
  59. Yang L., Jin M., Tong C., Xie S. Study of dynamic sorption and desorption of polycyclic aromatic hydrocarbons in silty-clay soil // J. Hazard. Mater. 2013. V. 244. P. 77–85. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.11.029
  60. Yu H., Huang G.H., An C.J., Wei J. Combined effects of DOM extracted from site soil/compost and biosurfactant on the sorption and desorption of PAHs in a soil–water system // J. Hazard. Mater. 2011. V. 190. P. 883–890. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.04.026
  61. Yuan M., Tong S., Zhao S., Jia C.Q. Adsorption of polycyclic aromatic hydrocarbons from water using petroleum coke-derived porous carbon // J. Hazard. Mater. 2010. V. 181. P. 1115–1120. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.05.130
  62. Zhang X., Wu Y., Hu S., Lu C., Yao H. Responses of kinetics and capacity of phenanthrene sorption on sediments to soil organic matter releasing // Environ. Sci. Poll. Res. 2014. V. 21. P. 8271–8283. https://doi.org/10.1007/s11356-014-2750-x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Степень сорбции (S) БаП образцами из различных горизонтов почв: чернозема обыкновенного карбонатного (a), аллювиальной луговой насыщенной (b) и аллювиальной луговой насыщенной слоистой (c) при исходной концентрации поллютанта в растворе 100, 300, 600, 1200 и 2400 мкг/мл.

Скачать (318KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изотермы адсорбции БаП образцами из различных горизонтов чернозема обыкновенного карбонатного (a), аллювиальной луговой насыщенной (b) и аллювиальной луговой насыщенной слоистой (c).

Скачать (398KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Степень десорбции (Sd) БаП из различных горизонтов почв: чернозема обыкновенного карбонатного (a), аллювиальной луговой насыщенной (b) и аллювиальной луговой насыщенной слоистой (c) под влиянием водорастворимого органического вещества после насыщения их различными концентрациями поллютанта в исходном растворе: 100, 300, 600, 1200 и 2400 мкг/мл.

Скачать (272KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изотермы десорбции БаП образцами из различных горизонтов: чернозема обыкновенного карбонатного (a), аллювиальной луговой насыщенной (b) и аллювиальной луговой насыщенной слоистой (c) почв.

Скачать (516KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Коэффициент связывания (lgKOC) бенз(а)пирена с углеродом почв при адсорбции БаП и углеродом водорастворимого органического вещества (lgKOC(ВОВ)) при десорбции поллютанта из почв в зависимости от глубины отбора образца и содержания БаП в исходном растворе при насыщении.

Скачать (969KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025