Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при нефтезагрязнении. Монография

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Академия биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского

ВЛИЯНИЕ МЕЛИОРАНТОВ НА БИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ

ЧЕРНОЗЕМА ПРИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИИ

Монография

Ростов-на-Дону – Таганрог Издательство Южного федерального университета

2019

Оглавление

3

4.3.Влияние мочевины, гумата калия, глауконита и «Dop-Uni» на ферментативную активность и

4.5.Влияние мочевины, гумата калия, глауконита

и «Dop-Uni» на изменение интегрального показателя

5.3.Влияние мочевины и гумата калия на изменение ферментативной активности и интенсивности

5.6.Влияние мочевины и гумата калия на изменение интегрального показателя биологического состояния

4

Введение

Ежегодно в мире добывается около 4 млрд т нефти, а объем добычи нефти в России за последние годы возрос с 506 (2010 г.) до 548 млн т в (2017 г.). В 2017 г. в России было зафиксировано 3429 фактов разлива нефти и ее производных, что на 381 ед. боль- ше, чем в 2016 г. При этом наибольший объем разлитой нефти за- фиксирован в Южном федеральном округе – 8775 м3. Наибольшей опасности при нефтеразливах подвергаются почвы и поверхност- ные воды.

Территория Ростовской области, как крупного аграрного реги- она России, пронизана сетью железных дорог. Основным товаром, перевозимым по ним, являются нефть и нефтепродукты. А основ- ные почвы региона – черноземы. Черноземы – это самые плодо- родные почвы не только в Ростовской области, но и во всем мире. Сохранение плодородия черноземов влияет на урожайность возде- лываемых культур в непосредственной степени.

Нефть, попадая в грунтовые воды и почву, подвержена различ- ным природным процессам, включая улетучивание, биодеграда- цию, фотодеструкцию, химическое окисление, биоаккумуляцию, дисперсию, диффузию, связывание с почвой и выщелачивание в грунтовые воды. Среди существующих в настоящее время эффек- тивных методов очистки почв при нефтезагрязнении использу- ют методы биоремедиации. Для биоремедиации почв применяют различные химические и органические вещества. В качестве ме- лиорантов часто используют бактериальные препараты, содержа- щие штаммы углеродоокисляющих микроорганизмов и биосорбен- ты (Каниськин и др., 2007; Колесников и др., 2011; Dindar et al., 2013). Однако, учитывая селективность микроорганизмов и их сто- имость, многие ученые рекомендуют использовать удобрения, спо- собствующие активизации естественной микробиоты почв, и фито- ремедианты.

Для восстановления почвы до оптимального состояния, необхо- димого для выращивания сельскохозяйственных культур, требу-

5

Введение

ется внесение органических и неорганических веществ. Использо- вание мелиоранта зависит от типа почв, растительного покрова, климата региона, качественного и количественного состава нефти (Шорина, 2009; Колесников и др., 2011; Эркенова и др., 2016).

При попадании нефти в почву происходит нарушение соотно- шения между необходимыми микроэлементами, такими как уг- лерод (C) и азот (N). Согласно исследованиям, оптимальным для микробиоты почв при нефтезагрязнении является соотношение C:N 1:20–1:100 (Габбасова и др., 1997). Применение мочевины поз- воляет выравнивать эти соотношения. Мочевина – (NН2)2СО – со- держит 46 % азота (N), а также углерод (С) и кислород (О2). При внесении ее в почву происходит реакция с почвенной уреазой, в ре- зультате чего мочевина разлагается на аммиак и углекислый газ. Далее аммиак окисляется бактериями рода Nitrosomonas в нит- рит. Затем бактерии рода Nitrobacter окисляют нитрит в нитрат. Образующиеся в результате этого процесса нитраты поглощаются растениями наряду с аммоний-ионами.

Другим эффективным мелиорантом являются соли гуминовых кислот. Гумат калия относится к типичным солям гуминовых кис- лот. В составе гумата калия более чем 80 % гуминовых кислот. Гу- миновые кислоты имеют сложный органический состав, включаю- щий белки, аминокислоты, почвенные ферменты и антибиотики. Применение солей гуминовых кислот приводит к улучшению фи- зических свойств, механической структуры почвы, ее биологичес- ких характеристик и протекторных свойств.

При превышении уровня загрязнения 5 % от массы почвы заме- чено подавление активности углеводородокисляющей бактериаль- ной микрофлоры на длительный период, от нескольких месяцев до года. Именно поэтому при данном проценте загрязнения рекомен- дуется применение биологических препаратов, стимулирующих биологическую продуктивность почв при внесении минеральных удобрений; интенсивная аэрация зоны нефтяного загрязнения; по- сев фиторемедиантов.

Ферментативную активность почв многие исследователи час- то используют как потенциальный диагностический показатель восстановления почв после различных видов антропогенных воз- действий (Колесников и др., 2006, 2007, 2010, 2011; Киреева и др.,

6

Глава 1

Влияние загрязнения нефтью на свойства почв и экосистем

1.1. Состав нефти и нефтепродуктов

Современные источники тепла и электроэнергии включают твердые и жидкие полезные ископаемые, такие как каменный уголь и нефть. Если использование каменного угля за последние годы сильно сократилось, то относительно нефти наблюдается про- тивоположная тенденция.

Слово «нефть» имеет различное происхождение в разных язы- ках. Так, в английском и ряде других европейских языков слово petroleum образовано сложением др.-греч. πέτρα – камень и лат. oleum – масло, т. е. буквально «каменное масло» (Потонье, 1934; Фасмер, 1973). Похожие значения встречаются в Германии – нем. Еrdö буквальноозначает«земляноемасло»; Венгрии– венг. kőolaj – «каменное масло»; Японии – яп. (сэкию) – «каменное масло»; Финляндии – фин. vuoriöljy – «горное масло». В русском языке сло- во «нефть», вероятно, заимствовано из турецкого (neft – «нефть»), куда оно попало из персидского (ﻥﻑﺕ‎(naft) – «нефть»).

По своему составу нефть представляет собой сложную смесь органических веществ с примесями веществ неорганического происхождения. Нефть состоит из углеводородов (УВ) трех глав- ных групп – парафиновые, нафтеновые и ароматические (арены). Состав и содержание этих компонентов зависят от места добы- чи и происхождения нефти (Рябов, 2004; Ушивцева и др., 2015). В нефти содержатся незначительные количества кислородных, азотных и сернистых соединений, при наличии которых качество нефти и нефтепродуктов изменяется (рис. 1). По своему агрегат- ному состоянию парафины могут включать газообразные, жид- кие и твердые, или Н-парафины (начиная с гексадекана), угле- водороды.

8

1.1.Состав нефти и нефтепродуктов

Взависимости от строения, среди парафиновых УВ различают нормальные или н-парафины, имеющие неразветвленную струк- туру. Парафины такого типа устойчивы к процессам окисления. Однако при повышении температуры (свыше 300 °С) устойчивость н-парафинов снижается.

НЕФТЬ

Рис. 1. Общая структура и состав нефти по Л. Ф. Ушивцевой с соавторами (2015)

В отличие от парафиновых УВ, молекулы нафтеновых заклю- чены в кольца атомов углерода, соединенных между собой вален- тными связями. Моноциклическими называют нафтеновые УВ в легких топливных фракциях, поскольку они включают в себя пять или шесть атомов углерода. При более сложном строении цикло- алканов в качестве углеводородных радикалов выступают цепоч- ки н-парафиновых УВ. Содержание нафтеновых углеводородов ко- леблется в пределах от 20 до 30 % и выше, в масляных фракциях достигает 70 % (Суздорф и др., 1994; Солнцева, 1998).

Ароматические УВ содержат шестичленные циклические коль- цабензола. Влегкихфракцияхнефтиинефтепродуктоввосновном содержатсямоноциклическиеуглеводороды, втяжелых– полицик- лические ароматические углеводороды. Для всех ароматических УВ характерна высокая вязкость, плотность, температура кипения по сравнению с циклическими УВ и алканами с той же молекуляр- ной массой. При понижении температуры вязкость аренов резко возрастает, что отрицательно сказывается на свойствах смазочных масел. В нефти может содержаться от 10 до 50 % ароматических УВ. Количество ароматических УВ возрастает по мере повышения

9

Глава 1. Влияние загрязнения нефтью на свойства почв и экосистем

температуры кипения фракции (Суздорф и др., 1994). Не все УВ содержатся в начальном составе нефти. Так, непредельные УВ об- разуются в процессе термической переработки нефти, содержащей двойные и тройные связи между углеводородами. Именно нали- чие в молекулах алкенов и алкадиенов двойных связей повыша- ет их химическую активность. Количество двойных связей пропор- ционально повышению температуры и, соответственно, процессов окисления. В результате полимеризации образуются высокомоле- кулярные смолисто-асфальтовые вещества.

Другой важной составляющей нефти, по мнению А. Р. Суздор- фа с соавторами (1994), являются органические кислоты. К ним относят соединения, содержащие кислород, например нафтеновые кислоты. Нафтеновые кислоты не вызывают коррозию черных ме- таллов, но с цветными металлами, такими как цинк и свинец, вза- имодействуют интенсивно, образуя соли (Тетельмин, Язев, 2009). Сернистые соединения в нефти могут быть как в виде свободных атомов, так и в составе смолисто-асфальтеновых веществ. Сернис- тые соединения делятся на непосредственно вступающие в реак- цию с металлами, это сероводород, элементная сера, меркаптаны, и неактивные, или нейтральные, такие как сульфиды, которые на металлы не действуют. Нейтральные соединения составляют ос- новную массу сернистых соединений – 70–80 %.

1.2. Источники техногенного загрязнения почвы нефтью

Пути попадания нефти в почву достаточно разнообразны. Раз- личают естественные и антропогенные источники загрязнения не- фтью почв и почвенного покрова. При естественном загрязнении нефтьпопадаетвпочвуврезультатепрорывовнефтяныхместорож- дений без вмешательства человека. При этом загрязнение грунта чаще всего происходит в меньшей степени, чем при антропогенном вмешательстве. В Российской Федерации площади добычи нефти распространены по всей территории. Наибольшая добыча нефти зафиксирована в Приволжском округе, что связано с большим ко- личеством нефтяных скважин. Примерно на треть меньшую на- грузку по добыче нефти испытывают Центральный и Сибирский

10