Основные показатели нефтезагрязненных почв и их значимость при экологическом нормировании

ОСНОВНЫЕ  ПОКАЗАТЕЛИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ  ПОЧВ И ИХ ЗНАЧИМОСТЬ ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ  НОРМИРОВАНИИ

      Деградация  нефти на поверхности и в толще  почвы проходит в несколько этапов, на каждом из которых задействованы различные природные механизмы и изменяются разные структурные элементы нефти. Интенсивность реакций деградации на каждом этапе зависит от концентрации и качественного состава нефти, почвенно-климатических и других условий. Выделяются следующие наиболее общие этапы трансформации нефти:

1.  Физико-химическое и частично микробиологическое разрушение алифатических углеводородов.

2.  Микробиологическое  разрушение низкомолекулярных структур разных классов, новообразование смолистых веществ.

3.  Трансформация  высокомолекулярных соединений — смол, асфальтенов, полициклических углеводородов.

      Почвы занимают центральное место в  жизнеобеспечении человечества и функционировании биосферы, именно они определяют устойчивость биосферы и ее очищение от загрязняющих веществ. В настоящее время масштабы загрязнения почв нефтью в результате деятельности нефтедобывающих и транспортных предприятий достигают нескольких сотен тысяч гектаров, и это только на территории России. Следствием воздействия нефти являются глубокие изменения физических и агрохимических свойств почвы, а также токсический стресс, которому подвергается почвенная биота.

      Самоочищение  почвы — совокупность природных процессов, направленных на уменьшение содержания в ней загрязняющих веществ. Устойчивость почвы к различным воздействиям определяется ее способностью возвращаться к нормальному функционированию и противостоять различным стрессам. При углеводородном загрязнении почвы взаимодействуют три экологических фактора:

а) сложность, уникальная поликомпонентность состава  нефти, находящегося в состоянии постоянного изменения;

б) сложность, гетерогенность состава и структуры любой экосистемы, находящихся в процессе постоянного развития и изменения;

в) многообразие и изменчивость внешних факторов, которые воздействуют на экосистему.

      Природные экосистемы обладают большим потенциалом к самоочищению, в них активно действуют физико-химические и микробиологические процессы разрушения углеводородов. Нормирование нефтепродуктов в почвах зависит от сочетания многих факторов, таких как тип, состав и свойства почв и грунтов, климатические условия, состав нефтепродуктов, тип растительности, тип землепользования и др. Эти нормы должны различаться в зависимости от климатических условий и типов почвообразования.

      Для нормирования нефтезагрязнений следует  установить уровень концентрации нефтепродуктов в почвах и грунтах, выше которого почва не может сама справиться с загрязнением. И для каждого типа почвы (и загрязнителя) это будет свое значение. Кроме того, необходимо исследовать, для какой почвы (и загрязнителя) какие показатели будут наиболее информативные, так как попытки нормирования нефти по различным показателям вредности приводят к концентрациям, уровень которых колеблется в очень широком диапазоне.

      В связи с этим особую важность приобретают  вопросы изучения влияния нефтяного загрязнения на естественный почвенный микробоценоз, самоочищающую способность и биологическую активность почвы для различных типов почвы и нефти, что и послужило целью данных исследований. Основные задачи и направления работы включали:

- определение остаточного содержания углеводородов нефти в воде и почве для различных типов почвы и нефти;

- изучение почвенного микробоценоза и самоочищающей способности почвы;

- выявление наиболее чувствительных и информативных микробиологических показателей загруженности.

      Для установления наиболее информативных  показателей загрязненности был  проведен модельный опыт с имитацией естественных условий (оптимальная температура, водный режим) с использованием двух типов почвы: чернозем типичный умеренно промерзающий и не смытая дерново-подзолистая среднесуглинистая почва (ДП). В эксперименте изучали воздействие двух видов нефти: Иркутской (Н1) и Ванкорской (Н2), различающихся по физико-химическим показателям.

В эксперименте использовали загрязнения нефтью, соответствующие (по ГОСТ 17.4.3.06—86, СТ СЭВ 5301—85) степени слабозагрязненных (менее 1 %), среднезагрязненных (1-5 %) и сильнозагрязненных (более 5 %) объектов. Эти же концентрации показательны и для описания микробиологической деятельности, так как соответствуют зонам гомеостаза (менее 0,1 %), стресса (0,1; 0,5; 1 %) и зоне резистентное (5 и 10 %).

      Начальная стадия загрязнения нефтью характеризуется преобладанием физико-химических процессов ее трансформации — выветривание, испарение, вымывание, окисление. Процессы миграции и рассеяния углеводородов в грунтах определяются их свойствами и параметрами среды. Как свободные, так и малоподвижные связанные формы нефти отдают летучие фракции в атмосферу, а растворимые соединения в воду. Этот процесс полностью не прекращается со временем, так как под влиянием постоянно действующих микробиологических процессов происходит трансформация углеводородов и, соответственно, образование летучих и водорастворимых продуктов их метаболизма.

      Общая тенденция преобразования нефти в почвах — это возрастание содержания наиболее устойчивых высокомолекулярных соединений и новообразование смолисто-асфальтеновых веществ в результате биодеградации алифатических и некоторых циклических углеводородов. Эти устойчивые соединения остаются в почве в виде прочного органогенно-минерального комплекса, они являются недоступными для микробиологического разрушения и не всегда извлекаются из почвы органическими растворителями. Установлено, что при высоком нефтяном загрязнении в почвах преобладают процессы консервации, а при более низком, напротив, усиливаются процессы трансформации нефтяных компонентов.

      Как известно, основные причины снижения содержания нефти в почвах следующие: испарение легких фракций (15-60 %, в зависимости от типа нефти); минерализация нефти (5-10 %); физический вынос, гумификация (превращение в нерастворимые в нейтральных органических растворителях продукты микробного метаболизма — 36 % и выше). От соотношения этих факторов и зависит время самоочищения почвы от загрязнения нефтью и нефтепродуктами. Основное же количество остаточной нефти уменьшается за счет гумификации и частично минерализации.

      Как указывалось выше, в проведенном  модельном эксперименте использовалось два типа нефти: Иркутская (плотность 805,5 кг/м3 при температуре 20 °С; вязкость кинематическая 2,28 мм2/с; содержание серы 0,2-0,5 % (массовая); Ванкорская (плотность 905,6 кг/м3 при температуре 20 °С; кинематическая вязкость 23,9 мм2/с; температура застывания -38 °С; содержание серы 0,5-1,0 %).

      Химический  анализ показал, что в Иркутской  нефти содержание

н-алканов  в 1,6 раз больше, чем в Ванкорской, количество легких фракций составляет для Иркутской нефти — 35 %, для Ванкорской — 10 %. Доказано, что основным ингредиентом, загрязняющим почву, является тяжелая фракция нефти (так как не поддается микробиологическому разложению), но основная токсичность связана главным образом с летучими ароматическими углеводородами. Исходя из этого, можно сделать предположение, что Иркутская нефть более токсичная по составу и легкая, Ванкорская — более тяжелая по фракционному составу и менее токсичная.

      Опираясь  на полученные данные газожидкостной хроматографии и ИК-спектроскопии, можно сделать вывод о том, что максимальное количество нефтепродуктов обнаружено в загрязненных Ванкорской нефтью дерново-подзолистых почвах, что связано с ее большей вязкостью и плотностью относительно легко испаряемой Иркутской нефти и с более худшими микробиологическими условиями дерново-подзолистых почв по сравнению с черноземом.

      Те  же тенденции отмечены при химическом анализе сливных вод.

                           Изучение почвенного микробиоценоза и

                                  самоочищающей способности почвы

      Показателями устойчивости почв может быть «скорость самоочищения» от продуктов техногенеза, состав, запас гумуса и биологическая активность, емкость катионного обмена и мощность гумусового горизонта, кинетика трансформации органического вещества, количество питательных элементов. Однако диагностировать все эти изменения весьма затруднительно, и многие из предлагаемых показателей устойчивости являются довольно инертными или слишком «стабильными», изменение которых может произойти только при сильных или катастрофических воздействиях. Поэтому наиболее обещающим индикатором, индексом или показателем устойчивости почв к антропогенным воздействиям может служить микробиологическая оценка почв.

      Характерной особенностью почв, загрязненных нефтепродуктами, является возрастание биологической активности, как показателя одного из первых этапов нарушения экологических свойств почвы.

      Как видно из рис. 1, 3 Н1 «проходит» для  дерново-подзолистой почвы больше по токсическому типу, чем по субстратному, подавляя микробное сообщество в  исследованном диапазоне концентраций, а Н2 легко используется как субстрат, даже увеличивая биоразнообразие и устойчивость сообщества. Для черноземной почвы различия менее выражены, однако тенденция сохраняется. Критической концентрацией для чернозема является концентрация нефти 5 %, для ДП — 1 %, для обоих видов нефти.

Это свидетельствует  о том, что микробный пул чернозема  труднее подвергается перестройке  за счет более благоприятных свойств  самой почвы, главным образом  содержания органического вещества.

      Существенным  фактором ускорения процесса взаимодействия углеводородов с кислородом, сопровождающегося снижением уровня свободной энергии и способного протекать самопроизвольно, является активность катализаторов и, в первую очередь, различных ферментов, выделяемых микрофлорой, почвенными беспозвоночными, высшими растениями.

      На  начальных стадиях нарушений  экосистемы микробное сообщество часто  сохраняет способность сопротивляться отрицательному экологическому влиянию, что выражается в увеличении биохимической активности, дыхания и др.

      Однако  при дальнейшем усилении токсического пресса на микробное сообщество может наступать следующий этап реакции на загрязнение, что выражается в падении уровня биологической активности почвы ниже контрольного. Что касается химических показателей биологической активности почвы, то, как правило, нефтяное загрязнение вызывает снижение подвижных форм азота, снижение роли нитрифицирующих бактерий, увеличение денитрификации (за счет избытка органики, слабощелочной реакции среды и низкого окислительно-восстановительного потенциала), что само по себе нежелательно, так как происходит обеднение почвы азотом и снижение скорости самоочищения.

      Таким образом,  при нефтезагрязнении показатели биологической активности (а именно: эмиссия СО2, денитрификация, азотфиксация), а следовательно, и скорость самоочищения нефтезагрязненных почв зависят от свойств исходной почвы, от особенностей загрязнителя (плотность, кинематическая вязкость, температура застывания) и доз его внесения.