Определение летучих органических соединений в почвах (обзор литературы)

Летучие органические соединения (ЛОС) являются одними из основных загрязнителей окружающей среды, из-за высокой мобильности проникают во все её объекты, представляют экологическую угрозу и несут риски для здоровья. Попадая в почву, ЛОС ухудшают её качество, поэтому их содержание требует надёжного контроля. В настоящей работе представлен обзор литературы, посвящённой методам Агентства по охране окружающей среды США, и нормативно-методических документов Российской Федерации, регламентирующих отбор, хранение, подготовку и анализ проб почвы при изучении содержания ЛОС. Основным методом контроля ЛОС признана газовая хроматография с различными видами детекторов. Для многокомпонентного анализа сложных объектов применяют газовую хроматографию с масс-селективным детектированием, поскольку масс-детектор имеет наиболее широкие возможности. Универсальным методом масс-спектрометрии, используемым в аналитических лабораториях, является масс-спектрометрия с ионизацией электронным ударом. Для исследовательских целей используют современные высокочувствительные методы: масс-спектрометрию, основанную на реакции переноса протона PTR-MS, масс-спектрометрию с ионной ловушкой PIT-MS, ионизационную масс-спектрометрию отрицательных ионов NI-PT-CIMS, времяпролётную масс-спектрометрию реакции переноса протона PTR-TOF-MS. Отбор и хранение проб для анализа на содержание ЛОС требуют соблюдения регламентов предотвращения потери аналитов и загрязнения проб. Подготовка проб включает такие методы, как вакуумная и азеотропная дистилляция, термодесорбция, жидкостная экстракция, различные варианты статического и динамического парофазного анализа.

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование выполнено в рамках государственного задания, шифр «Мониторинг».

Поступила: 09.07.2024 / Поступила после доработки: 31.07.2024 / Принята к печати: 02.10.2024 / Опубликована: 19.11.2024

1. Insam H., Seewald M.S.A. Volatile organic compounds (VOCs) in soils. Biol. Fertil. Soils. 2010; 46: 199–213. https://doi.org/10.1007/s00374-010-0442-3

2. Minnich M. Behavior and Determination of Volatile Organic Compounds in Soil: A Literature Review. Las Vegas; 1993.

3. Yadav R., Pandey P. A review on Volatile Organic Compounds (VOCs) as environmental pollutants: fate and distribution. Int. J. Plant Environ. 2018; 4(2): 14–26. https://doi.org/10.18811/ijpen.v4i02.2

4. Li A.J., Pal V.K., Kannan K. A review of environmental occurrence, toxicity, biotransformation and biomonitoring of volatile organic compounds. Environ. Chem. Ecotoxicology. 2021; 3: 91–116. https://doi.org/10.1016/j.enceco.2021.01.001

5. Zhou X., Zhou X., Wang C., Zhou H. Environmental and human health impacts of volatile organic compounds: A perspective review. Chemosphere. 2023; 313: 137489. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.137489

6. Lei R., Sun Y., Zhu S., Jia T., He Y., Deng J., et al. Investigation on distribution and risk assessment of volatile organic compounds in surface water, sediment, and soil in a chemical industrial park and adjacent area. Molecules. 2021; 26(19): 5988. https://doi.org/10.3390/molecules26195988

7. Breus I.P., Mishchenko A.A. Sorption of volatile organic contaminants by soils (a review). Eurasian Soil Sci. 2006; 39(12): 1271–83. https://doi.org/10.1134/s1064229306120015

8. Pérez Pavón J.L., García Pinto C., Guerrero Peña A., Moreno Cordero B. Headspace mass spectrometry methodology: application to oil spill identification in soils. Anal. Bioanal. Chem. 2008; 391(2): 599–607. https://doi.org/10.1007/s00216-008-2061-5

9. Галактионова Е.Б., Сафарова В.И., Теплова Г.И., Фатьянова Е.В., Шайдулина Г.Ф., Ступин А.П. и др. Исследование загрязнения донных отложений реки Белой летучими органическими соединениями. Башкирский химический журнал. 2007; 14(4): 103–8. https://elibrary.ru/jryavj

10. Wang S., Song L., He H., Zhang W. Volatile Organic Compounds (VOCs) in soil: transport mechanisms, monitoring, and removal by biochar-modified capping layer. Coatings. 2024; 14(3): 270. https://doi.org/10.3390/coatings14030270

11. Pérez Pavón J.L., Del Nogal Sanchez M., Pinto C.G., Fernández Laespada M.E., Cordero B.M., Peña A.G. A method for the detection of hydrocarbon pollution in soils by headspace mass spectrometry and pattern recognition techniques. Anal. Chem. 2003; 75(9): 2034–41. https://doi.org/10.1021/ac0263667

12. Ma W., Hu J., Li J., Gao P., Okoli C.P., Wang P., et al. Distribution, sources, and health risk assessment of VOCs/SVOCs in soils obtained from petrochemical-contaminated sites in Guangzhou, a subtropical coastal megacity in southern China. J. Clean. Prod. 2023; 426(10): 139198. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.139198

13. Малышева А.Г., Калинина Н.В., Юдин С.М. Химическое загрязнение воздушной среды жилых помещений как фактор риска здоровью населения. Анализ риска здоровью. 2022; (3): 72–82. https://doi.org/10.21668/health.risk/2022.3.06 https://elibrary.ru/pilzfs

14. Малышева А.Г., Шелепова О.В., Козлова Н.Ю., Юдин С.М. Хромато-масс-спектрометрическое исследование летучих выделений эфироносных растений для оценки химической безопасности их применения в закрытых помещениях. Гигиена и санитария. 2017; 96(10): 975–9. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2017-96-10-975-979 https://elibrary.ru/zwsrtd

15. Li G., Cheng Y., Kuhn U., Xu R., Yang Y., Meusel H., et. al. Physicochemical uptake and release of volatile organic compounds by soil in coated-wall flow tube experiments with ambient air. Atmospheric Chem. Phys. 2019; 19(4): 2209–32. https://doi.org/10.5194/acp-19-2209-2019

16. Ahn J., Rao G., Mamun M., Vejerano E.P. Soil-air partitioning of volatile organic compounds into soils with high water content. Environ. Chem. 2020; 17(8) 545–57. https://doi.org/10.1071/EN20032

17. Parlin A.A., Kondo M., Watanabe N., Nakamura K., Wang J., Sakamoto Y., et al. Role of water in unexpectedly large changes in emission flux of volatile organic compounds in soils under dynamic temperature conditions. Sci. Rep. 2022; 12(1): 4418. https://doi.org/10.1038/s41598-022-08270-5

18. Mancuso S., Taiti C., Bazihizina N., Costa C., Menesatti P., Giagnoni L., et al. Soil volatile analysis by proton transfer reaction-time of flight mass spectrometry (PTR-TOF-MS). Appl. Soil Ecol. 2015; 86: 182–91. https://dx.doi.org/10.1016/j.apsoil.2014.10.018

19. Monard C., Caudal J.P., Cluzeau D., Le Garres J.L., Hellequin E., Hoeffer K., et. al. Short-term temporal dynamics of VOC emissions by soil systems in different biotopes. Front. Environ. Sci. 2021; 9: 650701. https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.650701

20. Galaktionova E.B., Safarova V.I., Teplova G.I., Kudasheva F.Kh. Determination of organic compounds in bottom sediments by gas chromatography/mass spectrometry coupled with static headspace analysis. J. Anal. Chem. 2012; 67(6): 555–9. https://doi.org/10.1134/s1061934812060020

21. Method 8260D Volatile Organic Compounds by Gas Chromatography. Mass Spectrometry. Revision 4 February 2017. Available at: https://epa.gov/sites/default/files/2017-04/documents/method_8260d_update_vi_final_03-13-2017.pdf

22. Halogenated and aromatic volatile organic Compounds (VOCs) by Gas Chromatography SW-846 Methods 8010A and 8020A or Method 8021A. Revision 12/13/1999. Available at: https://epa.gov/sites/default/files/2015-06/documents/8021.pdf

23. Method 8021B. Aromatic and halogenated volatile organic Compounds by Gas Chromatography using photoionization and/or electrolytic conductivity detectors. Revision 3 July 2014. Available at: https://epa.gov/sites/default/files/2015-12/documents/8021b.pdf

24. Method 5021A. Volatile organic Compounds in various Sample Matrices using equilibrium Headspace Analysis. Revision 2 July 2014. Available at: https://epa.gov/sites/default/files/2015-12/documents/5021a.pdf

25. Method 5030C. Purge-and-Trap for aqueous Samples. Revision 3 May 2003. EPA Method 5030C (SW-846): Purge-and-Trap for Aqueous Samples. Available at: https://epa.gov/sites/default/files/2015-07/documents/epa-5030c.pdf

26. Method 5031. Volatile, nonpurgeable water-soluble Compounds by azeotropic Distillation. Revision 0 December 1996. Method 5031: Volatile, Nonpurgeable, Water-Soluble Compounds by Azeotropic Distillation, part of Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods. Available at: https://epa.gov/sites/default/files/2015-12/documents/5031.pdf

27. Method 5032. Volatile organic Compounds by Vacuum Distillation. Revision 0 December 1996. Method 5032: Volatile Organic Compounds by Vacuum Distillation, part of Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods. Available at: https://epa.gov/sites/default/files/2015-12/documents/5032.pdf

28. Method 5035. Closed-System Purge-and-Trap and Extraction for volatile organics in Soil and Waste Samples. Revision 0 December 1996. Method 5035: Closed-System Purge-and-Trap and Extraction for Volatile Organics in Soil and Waste Samples, part of Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods. Available at: https://epa.gov/sites/default/files/2015-12/documents/5035.pdf

29. Другов Ю.С., Родин А.А. Анализ загрязненной почвы и опасных отходов. М.: Бином. Лаборатория знаний; 2015. https://elibrary.ru/sdsyzb

30. Danner H., Samudrala D., Cristescu S.M., Van Dam N.M. Tracing hidden herbivores: time-resolved non-invasive analysis of belowground volatiles by proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS). J. Chem. Ecol. 2012; 38(6): 785–94. https://doi.org/10.1007/s10886-012-0129-3

31. Warnekea C., Roberts J.M., Veres P., Gilmana J., Kuster W.C., Burling I., et. al. VOC identification and inter-comparison from laboratory biomass burning using PTR-MS and PIT-MS. Int. J. Mass Spectrom. 2011; 303(1): 6–14. https://doi.org/10.1016/j.ijms.2010.12.002

32. Veres P., Roberts J.M., Warneke C., Welsh-Bona D., Zahniserd M., Herndond S., et al. Development of negative-ion proton-transfer chemical-ionization mass spectrometry (NI-PT-CIMS) for the measurement of gas-phase organic acids in the atmosphere. Int. J. Mass Spectrom. 2008; 274(1-3): 48–55. https://doi.org/10.1016/j.ijms.2008.04.032

33. Soukoulis C., Cappellin L., Aprea E., Costa F., Viola R., Märk T.D., et al. PTR-TOF-MS, a novel, rapid, high sensitivity and non-invasive tool to monitor volatile compound release during fruit post-harvest storage: The case study of apple ripening. Food Bioprocess Technol. 2013; 6: 2831–43. https://doi.org/10.1007/s11947-012-0930-6

34. Витенберг А.Г. Статический парофазный анализ. Физико-химические основы и области применения. Российский химический журнал. 2003; 47(1): 7–22.

35. Rodinkov O.V., Bugaichenko A.S., Moskvin L.N. Static Headspace Analysis and its current Status. J. Anal. Chem. 2020; 75(1): 3–18. https://doi.org/10.1134/s106193482001013x

36. Сотников Е.Е., Загайнов В.Ф., Михайлова Р.И., Милочкин Д.А., Рыжова И.Н., Корнилов И.О. Парофазный анализ летучих органических соединений в питьевой воде методом газовой хроматографии. Гигиена и санитария. 2014; 93(2): 92–6. https://elibrary.ru/sbkjlz

37. Cellucci A.P., Durand R., Swift J., Kunce E. Preservation Techniques for volatile organic Compounds (VOC) Soil Sample Analyses WSC # 99-415. Commonwealth of Massachusetts Executive Office of Environmental Affairs Department of Environmental Protection one Winter Street, Boston, MA 02108 617-292-5500. Available at: https://mass.gov/files/documents/2016/08/ty/99-415.pdf

38. Volatile Organic Compounds in Soil – PBM Organics. Revision Date: Sept 15, 2017. Available at: https://www2.gov.bc.ca/assets/gov/environment/research-monitoring-and-reporting/monitoring/emre/methods/sept2017/bc_lab_manual_voc_in_soil_15sept2017.pdf

39. Wypych J., Mañko T. Determination of Volatile organic compounds (VOCs) in water and soil using solid phase microextraction. Chem. Anal. (Warsaw). 2002; 47: 507–30.

40. Brown R.W., Mayser J.P., Widdowson C., Chadwick D.R., Jones D.L. Dependence of thermal desorption method for profiling volatile organic compound (VOC) emissions from soil. Soil Biol. Biochem. 2021; 160: 108313. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108313