Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при нефтезагрязнении. Монография

1.2. Источники техногенного загрязнения почвы нефтью

федеральные округа – 40,7 и 42,3 млн т/год. Для Южного феде- рального округа характерна добыча нефти порядка 28 млн т/год.

На территории Южного федерального округа расположены са- мые плодородные почвы России – черноземы. Наибольшее содержа- ние черноземов классифицировано в Ростовской области, Красно- дарскомиСтавропольскомкраях. Натерриторииобластинаходится несколькопредприятийпопереработкенефти. Приэтомпутитранс- портировки зачастую проходят в непосредственной близости от па- шен, садов, угодий с овощными и масличными культурами.

Источники загрязнения нефтью компонентов окружающей сре- ды могут возникать на следующих стадиях: добычи сырья, перера- ботки нефтяного сырья, транспортировки, эксплуатации.

На первой стадии происходит добыча сырья или освоение месторождения. Данная стадия разделена на три этапа. Первый этап – разработка или освоение нефтяных и газовых месторожде- ний – включает выкачивание нефти и газа по пласту к скважинам. Второй этап – эксплуатация нефтяных и газовых скважин – вклю- чает прокачивание нефти и газа от забоев скважин. Третий этап – сбор продукции скважин и подготовка нефти и газа к транспорти- рованию потребителям.

На второй стадии основные источники аэротехногенных вы- бросов при нефтепереработке вызваны неплотностью фланцевых соединений трубопроводов, сальников насосов и компрессоров; ре- зервуаров товарно-сырьевых парков; клапанов технологических установок; факелов попутных газов; очистных сооружений сточ- ных вод (градирни, песколовки, нефтеотделители, амбары, пруды- отстойники, аэротенки, шламонакопители); дымовых труб техно- логических установок и собственных котельных.

После переработки на третьей стадии нефть транспортирует- ся при помощи магистрального транспорта. Чаще всего в качестве такового используют железнодорожный транспорт. Основные ис- точники загрязнения связаны с неплотностью запорно-регулиру- ющей арматуры, сальников насосов и компрессоров, резервуаров и т. д. После транспортировки нефти до пункта назначения происхо- дит отгрузка и размещение в бункерах хранения.

На четвертой стадии происходит переработка очищенной не- фти для различных целей. При перегонке нефти получают свет-

11

Глава 1. Влияние загрязнения нефтью на свойства почв и экосистем

лые нефтепродукты: бензин (tкип от 40 до 150–200 °С), лигроин

(tкип 120–240 °С), керосин (tкип 150–300 °С), газойль – соляровое масло (tкип выше 300 °С), остальное – мазут.

Мазут перегоняют под уменьшенным давлением для предуп- реждения разложения и выделяют смазочные масла: веретенное, машинное, цилиндровое и др. Из мазута некоторых сортов нефти выделяют вазелин и парафин. Остаток мазута после отгонки назы- вают нефтяным пеком или гудроном.

1.3.Влияние загрязнения нефтью на компоненты экосистем

Изменение состояния поверхностных и подземных вод. При не-

фтеразливах состояние водных экосистем существенно изменяет- ся. Аварии на нефтепродуктопроводах приводят к значительному загрязнению водоемов и почв. При попадании нефти в водоемы концентрация органических веществ достигает 200–300 мг/л, что превышает допускаемые нормы содержания нефти в воде. Соглас- но Л. Ф. Ушивцевой с соавторами (2015), особую опасность пред- ставляют участки подводных трубопроводов. В России на более чем 140 тыс. км магистральных газопроводов эксплуатируется около 1200 подводных переходов через крупные реки, водохрани- лища, озера и каналы, из них более 250 переходов через реки Вол- га, Обь, Енисей.

Изменение компонентов растительного и животного мира.

Основными источниками нарушения наземных экосистем являют- ся аварии на этапах строительства транспортных магистральных путей и транспортировки нефти (Солнцева, 1998). Так, проклад- ка трубопроводов и строительство объектов инфраструктуры ока- зывают многофакторное негативное воздействие на окружающую среду, вызывая:

–разрушение почвенно-растительного слоя и естественных гидрологических условий полосы земельного отвода;

–возникновение опасных русловых процессов и береговой эро- зии;

12

1.4.Влияние загрязнения нефтью на биологические свойства почв

–ухудшение условий обитания, а иногда и уничтожение ихтио- фауны, нерестилищ и зимовальных ям, зон обитания и нагу- ла рыб;

–нарушение путей естественной миграции животных; сокра- щение и уничтожение отдельных биопопуляций.

Растительный мир – это достаточно информативный индикатор нарушения процессов в наземной экосистеме. Высшие растения весьма чувствительны к загрязнению нефтью. Растения занимают центральное положение во всех наземных экосистемах. Они опре- деляют существование и состав биологических компонентов биоге- оценозов (Работнов, 1978; Звягинцев и др., 1992; 1993). Негатив- ное воздействие нефти на биологические объекты, как известно, непосредственно отражается на физической структуре и химичес- ком составе почв (Гузев и др., 1989; Халимов и др., 1996). Измене- ния прежде всего связаны со снижением поступления кислорода к почвенным частицам. При этом высокая токсичность нефтеза- грязненной почвы может быть вызвана легкими фракциями угле- водородов нефти (Оборин и др., 1988). При нефтяном загрязнении количество почвенных грибов, продуцирующих токсичные вещест- ва, возрастает, вследствие чего растения погибают (Киреева и др., 2000; Назаров, 2000; Иларионов и др., 2003). По данным ряда авто- ров, полная гибель высших травянистых растений происходит при объеме утечки 1,1 л/м2 (0,5 % нефти в 15-сантиметровом слое поч- вы), прекращение роста растений наблюдается обычно при содер- жании в почве 3500 мг нефти на кг почвы (Mcgill, 1977; McGrath, 1988). На клеточном уровне нарушения происходят при поврежде- нии мембраны хлоропластов, митохондрий, мембраны клеток кор-

ня (Буадзе, 1988; Gilfillan et al., 1989).

1.4. Влияние загрязнения нефтью на биологические свойства почв

В статье С. И. Колесникова с соавторами (2012) утверждается, что увеличение концентрации нефти и нефтепродуктов в чернозе- ме слитом на Майкопском полигоне приводит к увеличению мор-

13

Глава 1. Влияние загрязнения нефтью на свойства почв и экосистем

фотипов и снижению степени доминирования Bacillus megaterium. Однако подобные тенденции не характерны для бурой лесной поч- вы, устойчивость которой к мазутному загрязнению выражена слабее, что показано авторами в предыдущих публикациях (Гай- воронский, Колесников, 2008; Ротина, Колесников, 2008). В иссле- довании С. И. Колесникова с соавторами (2010) представлено, что численность аммонифицирующих бактерий, целлюлозолитичес- кая активность при загрязнении почв юга России нефтью, так же как и мазутом, с ростом концентрации снижается на 20–30 % отно- сительно контроля.

Современные подходы к биоремедиации почв включают добав- лениеэкзогенныхнефтеразрушающихбактерий(методбиоаугмен- тации) илидобавлениехимическихвеществ, такихкакповерхност- но-активные вещества, для эмульгирования нефти и увеличения ее биодоступности бактериям – биостимуляции (Gong, 2012; SilvaCastro et al., 2013). Активизация нефтеразрушающей биоты за- ключается в использовании углеводородов как в качестве источ- ника пищи непосредственно из почвенного раствора, так и путем адгезии с небольшими каплями нефти (Mishra, Singh, 2012; AbdelMegeed et al., 2014). Хотя эмиссия СО2 – косвенный показатель био- логической активности почвы, определение этого показателя дает экспрессную оценку степени разложения нефти в почвах. В неко- торых исследованиях указывалось, что корневые выделения вли- яют на количество почвенных микроорганизмов, на биодоступ- ность полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), на процессы адсорбции и десорбции ПАУ в почве (Meng, Zhu, 2011; Bielská et al., 2012). Биодоступность ПАУ как летучего компонен- та нефтепродуктов обусловлена тем, что все их фракции способны проникать в клеточную мембрану организмов, включая не только биодоступные, но и потенциально биодоступные фракции в почве

(Crampon et al., 2016).

Система информативных биоиндикаторов почв после техноген- ного воздействия рассмотрена в ряде работ (Акименко и др., 2015, 2017; Киреева и др., 2009; Колесников и др., 2016; Эркенова и др., 2016; Минникова и др., 2017; Minnikova et al., 2017). Биоремедиа-

ция почв – это достаточно эффективный комплекс мероприятий по очистке почв, что отмечено в ряде исследований (Štursová, Baldri-

14

1.4. Влияние загрязнения нефтью на биологические свойства почв

an, 2011; Souza et al., 2014). Технологии ремедиации нефтезагряз- ненных почв непосредственно влияют на состояние микробного со- общества и ферментативную активность почв (Dawson et al., 2007; Gong, 2012). Ферментативная активность почв, в частности оксидо- редуктаз (каталаза, дегидрогеназы), демонстрирует применитель- но к деградации ПАУ разрушение бензольных колец (Štursová, Baldrian, 2011). Активность инвертазы, фосфатазы и уреазы как гидролазных ферментов может косвенно влиять на деградацию органических загрязнителей путем изменения метаболической активности деградиентов посредством питания. Данные различ- ных исследований, посвященных оценке состояния нефтезагряз- ненных почв после мелиорации с помощью активности дегидроге-

наз, каталазы и уреазы (Maila, Cloete, 2005; Wu et al., 2016; Polyak et al., 2018), представляют эффективность использования мелио- рантов. Эффективность применения методов биоремедиации при очистке нефтезагрязненных почв зависит от условий, которые влияют на биодеградацию нефти: тип и характеристики почвы, микробная активность, влажность, температура, рН, окислитель- но-восстановительные условия, питательные вещества (Varjani, Upasani, 2017).

Активность наиболее информативного фермента класса оксидо- редуктаз – каталазы и класса гидролаз – инвертазы – снижалась при внесении нефти на 20–30 % (Колесников и др., 2007, 2010; Ко- лесников, Татлок, 2012). По чувствительности микробиологичес- ких показателей и ферментативной активности авторы строят сле- дующий ряд:

обилие бактерий рода Azotobacter ≥ активность каталазы ≥

≥активность инвертазы ≥ целлюлозолитическая способность >

>численность микромицетов > численность аммонифицирующих

бактерий.

Авторами замечена низкая токсичность почв для растительных тест-культур (редиса) и естественной растительности на полигоне (Колесников и др., 2012). Ранее авторами отмечено, что наиболее устойчивыми к загрязнению мазутом были показатели фитоток- сичности: всхожесть, длина корней и надземных побегов редиса (Ротина, Колесников, 2008).

15

Глава 1. Влияние загрязнения нефтью на свойства почв и экосистем

Согласно рассчитанному авторами интегральному показателю состояния почв (ИПБС), который включает шесть биологических показателей, наибольшая чувствительность наблюдалась у серо- песков и бурой лесной почвы, наименьшая – у чернозема обык- новенного и дерново-карбонатных почв (Колесников и др., 2010). По устойчивости почв Майкопского полигона к мазутному загряз- нению авторами также был рассчитан ИПБС (Колесников и др., 2012). Авторами подтверждена большая устойчивость чернозема слитого как к нефтяному, так и к мазутному загрязнению по срав- нению с бурой лесной почвой, как в предрекультивационный пе- риод, так и после биологической рекультивации.

Пролонгированное (хроническое) токсическое действие на рас- тительный покров обусловлено медленным самоочищением за- грязненных почв. Почвы загрязнены нефтепродуктами, если кон- центрация УВ в почве достигает уровня, при котором наблюдаются следующие изменения (по Трофимову с соавторами, 2000):

–происходит угнетение или деградация растительного покрова;

–снижается продуктивность сельскохозяйственных земель;

–нарушается равновесие в почвенном биоценозе;

–происходит вытеснение растительности остальных видов;

–ингибируется деятельность микроорганизмов;

–исчезают виды альгофлоры, мезофауны;

–происходит вымывание нефтепродуктов (НП) из почв в под- земные или поверхностные воды;

–изменяются водно-физические свойства и структура почв;

–возрастает доля углерода НП в органическом углероде почв (более 10 % от всего органического углерода).

1.5. Восстановление нефтезагрязненных почв биологическими методами

Для восстановления состояния почв после нефтезагрязнения используют различные биологические вещества. Внесение биоло- гических веществ происходит в рамках процесса биоремедиации. Биоремедиация нефтезагрязненных почв подразумевает пред- намеренное использование процедур биологической деградации

16

1.5. Восстановление нефтезагрязненных почв биологическими методами

для удаления или уменьшения концентрации нефти в объектах окружающей среды в местах их сброса. При этом концентрации загрязняющих веществ снижаются до уровней, считающихся при- емлемыми для оптимального функционирования окружающей среды. Процесс разложения нефти в почве достаточно длитель- ный и может занимать, в зависимости от концентрации нефти, от нескольких недель до нескольких месяцев и даже лет. Количест- во нефтеразрушающих бактерий в аборигенной почвенной биоте ничтожно мало по сравнению с количеством, необходимым для разложения нефти.

Основная цель при биоремедиации нефтезагрязненных почв – достичь такого уровня процесса, когда биологическое восстановле- ние стимулирует разложение нефти, а не способствует трансфор- мации нефти из одной среды в другую. Процесс биоремедиации не оказываетпагубноговоздействиянасостояниеназемныхэкосистем, как техническая рекультивация с изъятием верхнего плодородно- го слоя почвы. Экономическая рентабельность обработки нефтеза- грязненной почвы при использовании технологий биоремедиации значительно выше, чем при обычных методах очистки почв.

Современные технологии ускоряют процессы разложения не- фти и включают механические или технические методы очистки почвы и биоремедиации. Условно эти методы рекультивации де- лят на ex situ (механическое удаление нефтезагрязненной почвы)

иin situ (биологическое разложение нефти при помощи микроор- ганизмов-нефтедеструкторов и биологически активных веществ).

Рекультивация земель – это комплекс мер по экологическому

иэкономическому восстановлению земель, плодородие которых

врезультате человеческой деятельности существенно снизилось. Техническая очистка почвы (ex situ) включает сорбирование не- фти с помощью различных поглотителей и сорбентов, изъятие за- грязненного слоя почвы и вывоз на полигон ТБО. Процесс изъятия почвы влечет за собой изменение морфологического состава, на- рушает течение поверхностных и подземных вод (Кузнецов и др., 2015). Биоремедиация (in situ) нефтезагрязненной почвы предпо- лагает мероприятия по очистке почв от нефти и восстановлению состояния биоценоза. Для восстановления почв используют два ос- новных приема: биоаугментацию и биостимуляцию.

17

Глава 1. Влияние загрязнения нефтью на свойства почв и экосистем

Стимуляция аборигенной микробиоты (биостимуляция) про- исходит при добавлении биологически активных веществ. Под

биологически активными веществами понимают вещества, спо-

собствующие улучшению условий существования аборигенной микробиоты, без токсического воздействия на флору и фауну почв. Подобные препараты не содержат генетически модифицирован- ных бактерий и не требуют дополнительных мероприятий по очис- тке почвы. Подобные вещества близки по своим свойствам к при- родным регуляторам роста (Михайлова и др., 2011; Helmy et al., 2015).

Биодеградация нефти начинается в благоприятных для роста микробиоты условиях через 1–4 недели после попадания нефти в окружающую среду. Нефть состоит из углеводородов различных фракций: бензиновой фракции с температурой кипения до 140 °С; лигроиновой (тяжелая нафта) в диапазоне 140–180 °С; керосино- вой в диапазоне 140–220 °С; дизельной (легкий или атмосферный газойль, соляровый дистиллят) в диапазоне 180–350 °С; мазута при температуре выше 350 °С. Углеводороды, входящие в состав нефти, могут окисляться почвенной микробиотой до углекислого газа и воды (Хазиев и др., 1988; Халимов и др., 1996). Наиболее ак- тивные штаммы показаны среди бактерий, актиномицетов и дрож- жей. По степени доступности микроорганизмы для окисления не- фти и нефтепродуктов располагаются в такой последовательности

(Солнцева, 1998):

алифатические → ароматические→ смолы → асфальтены.

Активно окисляются углеводороды (УВ) с прямой цепью, н-алканы с длиной углеродной цепи С12–С22. По Н. П. Солнцевой (1998), гораздо труднее окисляются микроорганизмами изоалка- ны, циклоалканы и ароматические УВ. Примеси в нефти оказы- вают существенное влияние на ее биодеструкцию. Например, при повышенном содержании серы биодеструкция нефти снижается. Физические факторы окружающей среды также существенным об- разом влияют на скорость разложения нефти в среде. Нормальная температура для большинства углеводородокисляющих организ- мов 30–40 °С. При температуре выше 50 °С микроорганизмы-де- структоры погибают. При температуре ниже 25 °С затрудняется

18

1.5. Восстановление нефтезагрязненных почв биологическими методами

утилизация с большей длиной углеводородной цепи. Низкие сред- негодовые температуры затрудяют восстановление нефтезагряз- ненных почв в нефтеперерабатывающих регионах севера России.

Помимо температуры, на утилизацию нефтепродуктов в почве влияет содержание влаги. Оптимальное содержание влаги в почве для активности микроорганизмов составляет 50–80 %. При мень- шей влажности происходит образование водно-нефтяной эмуль- сии, которая токсична для биодеструкции УВ.

Внесение в нефтезагрязненную почву торфа, растительных ос- татков (солома, древесные опилки), навоза крупного рогатого ско- та, пищевых и непищевых отходов производства наиболее эф- фективно. Отходы вовлекают УВ в процессы соокисления с более доступными органическими субстратами и стимулируют рост мик- роорганизмов, потребляющих продукты распада УВ.

Поэтому дефицит биогенных элементов зачастую является ли- митирующим фактором для развития деятельности микроорганиз- мов-нефтедеструкторов. Исоответственно, прибиоремедиациивза- грязненныепочвывносятдополнительноминеральныеудобрения. Оптимальное для почвенной биоты соотношение C:N изменяется

взависимости от типа почв, содержания нефтепродуктов, используемойтехнологииочистки. Приочисткеin situ соотношение составляет 100–500:1. При ex situ очистке интенсивными методами

вбиореакторах соотношение C:N может составить 10–20:1 (Korda et al., 1997; Ягафарова, 2001).

При нефтезагрязнении почв происходит нарушение соотно- шения азота и углерода. Недостаток азота можно восполнить, по данным многочисленных исследований, с помощью минеральных удобрений (Салангинас, 2003; Назаров и др., 2010; Попов, 2010). Возникшее после загрязнения нефтью состояние почвы вызыва- ет нарушение азотного режима, т. е. аммонификации и нитрифи- кации, и, как следствие, ведет к снижению содержания основных питательных элементов. Именно достаточное обеспечение почв биогенными элементами определяет восстановление почв после загрязнения путем разложения нефти (Деградация и охрана почв, 2002). При снижении отношения C:N возрастает минерализация органического вещества (Шамраев, Шорина, 2009). По И. М. Габ- басовой с соавторами (1997), в нефтезагрязненной почве соотноше-

19

Глава 1. Влияние загрязнения нефтью на свойства почв и экосистем

ние C:N колеблется от 50 до 400–420, что приводит к ухудшению азотного режима почв и, как следствие, нарушению корневого пи- тания растений.

При нефтезагрязнении рекомендуется внесение минеральных природных адсорбентов, таких как глауконит, вермикулит и др. Эти адсорбенты различаются по своему составу, поглотительной способности и действию. По литературным данным, внесение сор- бента необходимо проводить вместе или с последующим внесением минеральных удобрений в количестве 1,0–1,5 т/га (Кузнецов и др., 2015). Вносимые в почву цеолиты усиливают активность азотфик- сирующих микроорганизмов, и потому количество вносимых азот- ных удобрений уменьшается на 30–50 кг.

В не загрязненных нефтью почвах содержится достаточное ко- личество нефтедеструкторов (Салангинас, 2003). Нефтедеструкто- рами могут быть не только бактерии, но и микромицеты (Галиулин и др., 2010; Григорьева и др., 2013). Для стимуляции аборигенной микробиоты используют различные соли гуминовых кислот. На- личие в молекулах гуминовых кислот широкого спектра функцио- нальных групп (карбоксильные, гидроксильные и др.) в сочетании с присутствием ароматических фрагментов обусловливает их спо- собность вступать во взаимодействие с различными типами экоток- сикантов, такими как тяжелые металлы, радионуклиды и органи- ческие соединения, снижая их токсическое воздействие на живые организмы и экосистемы (Molson et al., 2001; Wang et al., 2005).

Для рекультивации сред, загрязненных гидрофобными орга- ническими соединениями, нужны гуминовые препараты, облада- ющие повышенным родством по отношению к загрязняющим ве- ществам, т. е. тоже гидрофобные.

20