Влияние сочетанного химического и электромагнитного загрязнения на биологические свойства почв. Монография

21

Глубина, которую затрагивают изменения морфологических и физикохимических свойств почв зависит от состава и концентрации компонентов нефти, продолжительности загрязнения, ландшафтно-геохимических особенностей территории. Может произойти смещение кислотности почвенного раствора в щелочную сторону, повышение общего содержания углерода в 2-10 раз, а количества углеводородов - в 10-100 раз (Трофимов и др., 2000; Геннадиев, 2007; Логинов, 2002).

Важную роль в изменении почвенных свойств играют параметры загрязнения - химическая природа и концентрация загрязняющих веществ, срок от момента загрязнения. Важную роль играют свойства самой почвы, такие, как структура почвы, влажность почвы, гранулометрический состав, активность микробиологических и биохимических процессов и др. Как уже было сказано выше, нефть в почвах с легким гранулометрическим составом проходит дальше в глубь профиля, с другой стороны, высокая аэрация подобных почв увеличивает интенсивность испарения и окисления нефти. Высокая влажность почвы, напротив, замедляет проникновение гидрофобных нефтепродуктов.

Внешние факторы, такие, как температура воздуха, ветреность, уровень солнечной радиации, интенсивность ультрафиолетового излучения, растительный покров способны оказать значительное влияние на скорость очищения почвы от нефти и нефтепродуктов. Чем выше температура воздуха, тем выше будет скорость окислительных процессов, участвующих в разложении нефти. Соответственно нефть быстрее разлагается летом; легкие фракции испаряются, тяжелые окисляются. Большинство тяжелых фракций нефти при отрицательной температуре переходят в твердое состояние и потому зимой их окисление прекращается. Основная часть процессов разложения нефти происходит именно летом. Ультрафиолетовое излучение ускоряет разложение нефти в поверхностном слое почвы, так как усиливает окислительные реакции разложения. На поверхности воды влияние ультрафиолетового излучения ещё более значительно. Если загрязнение нефтью велико, растительный покров вымирает. Но при слабом загрязнении он остаётся и может способствовать очищению почвы. Растительный опад создает

22

над загрязненным слоем чистый гумусовый слой, богатый аэробной микрофлорой, которая, в свою очередь, может вести окисление лежащих ниже нефтепродуктов (Пиковский, 1993; Трофимов и др., 2000; Шамраев, Шорина, 2009; Лившиц и др., 2008; Костерин, Софинская, 2004; Phanikumar, Hyndman, 2003).

В настоящее время единой классификации степени загрязнения почв нефтепродуктами не существует. ПДК для нефти не разработаны, и, по мнению многих исследователей, единые для всех типов почв разработаны быть не могут, так как разные экосистемы обладают разным потенциалом к самоочищению (Трофимов и др., 2000; Рубанова, Цхадая, 2000 и др.).

Поэтому для каждого типа почв необходимо определение допустимого уровня содержания нефти в почве, т.е. такого уровня, при котором обеспечивается выполнение почвой своих экологических функций и не происходит негативного воздействия на сопредельные среды (воздух, воду), растения и человека.

По мнению Трофимова с соавторами (2000), почву следует считать загрязненной, если

начинаются угнетение или деградация растительного покрова или существенная перестройка структуры растительного сообщества;

нарушается функционирование почвенного биоценоза: происходит резкое упрощение структуры комплекса почвенной биоты, снижается интегральная биологическая активность и др.

падает продуктивность сельскохозяйственных земель;

происходит вымывание нефтепродуктов из почв в подземные и поверхностные воды.

Деградация почв идёт сходным образом во всех почвах, вне зависимости от типа почвы и климатической зоны. В ходе физико-химических и микробиологических процессов происходит минерализация почвы, её переход в нерастворимые или малоподвижные формы. Но скорость естественного самоочищения почв зависит от сочетания факторов почвообразования, от состава нефти или нефтепродуктов (Пиковский, 1993; Геннадиев, 2007). Именно поэтому единого уровня пре-

23

дельно допустимых концентраций нефтепродуктов для почв России разработано быть не может, а допустимый уровень для каждого типа должен устанавливаться опытным путем.

1.2.2. Влияние загрязнения нефтью на свойства почвы и живые организмы

Нефтяное загрязнение оказывает значительное влияние на биологические свойства почвы.

Нефтяное загрязнение влечет за собой необратимые изменения морфологических, физико-химических, физических, микробиологических свойств, может произойти изменение всего почвенного профиля, что приводит к потере плодородия и вывода загрязненных территорий из сельскохозяйственного использования.

При загрязнении нефтью почвы происходит усиление кутанообразование, цветовые характеристики почвенного профиля изменяются в сторону преобладания серо- и темно-коричневых оттенков, в итоге формируются почвенные ареалы, обладающие необычными для данных зональных условий чертами. В итоге зональные типы сменяются техногенными модификациями, снижается продуктивность почв, причём вплоть до вывода загрязненных земель из сельскохозяйственного оборота (Хазиев и др., 1988; Гилязов, 1999, 2002, 2003; Трофимов и др., 2000; Ammosova, Golev, 1998).

Нефтепродукты вытесняют почвенный воздух поэтому нарушается доступ кислорода в почву. Помимо этого, начинают разрушаться структуры почв в результате склеивания механических частиц. В итоге в нефтезагрязненных почвах складываются анаэробные условия, снижается окислительно-восстановительный потенциал, происходит подщелачивание почвенного раствора (Орлов, Аммосова, 1994; Ammosova, Golev, 1998, Мирошниченко, 2008).

Почвенные частицы при загрязнении покрываются нефтяной плёнкой, и почвы теряют способность впитывать и удерживать влагу. Происходит нарушение водно-физических свойств почв: снижаются значения гигроскопической влажности, влагоемкости, водопроницаемости, влажность подповерхностных горизонтов увеличивается, а верхних – уменьшается, затрудняется испарение влаги через за-

24

грязненные нефтью горизонты почвы, так как они обладают высокими гидрофобными свойствами (Трофимов и др., 2000; Мирошниченко, 2008).

Загрязнение нефтью влияет и на количество гумуса и общее содержание органического углерода. Уменьшается относительное содержание гуминовых кислот и фульвокислот, и при этом увеличивается содержание негидролизуемого остатка (Трофимов и др., 2000).

Загрязнение нефтью ухудшает пищевой режим почв (Славнина и др., 1989; Леднев, 2005; Трофимов и др., 2000; Назарюк и др., 2007).

Далее следует рассмотреть влияние на почву отдельных фракций нефти. Многочисленные исследования посвящены изучению действия на почву бензина, керосина, дизельного топлива, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), флуорана и бенз(а)пирена, полихлорированных бифенилов, продуктов окисления нефти, топливного масла (Frankenberger et al., 1982; Исмаилов, 1988;

Геннадиев и др., 1990; Wilke, 1997; Wilke, Koch, 1998; Киреева и др., 1998; Popa, 1999, 2000). Наибольшее ингибирующее действие оказывают ароматические углеводороды (Киреева и др., 2002).

Значительное воздействие на почву оказывают сильно минерализованные пластовые воды (Солнцева, 1988; 1998; Сулейманов, Назырова, 2007). Загрязнение пластовыми водами приводит к хлоридно-натриевому засолению, возникает так называемое техногенное осолонцевание. Происходит трансформация почвенного поглощающего комплекса, изменение физико-химических свойств почв, состава почвенных растворов. Существенно увеличивается содержание органического углерода в гумусовом профиле, изменяется групповой состав гумуса. Происходит усиление восстановительных процессов, формы миграции и уровни концентрации элементов, изменяются миграционная активность (Орлов и др., 1991).

При низких концентрациях некоторые компоненты нефти способны оказывать стимулирующее действие на микроорганизмы почв. Многие почвенные микроорганизмы способны использовать нефть как энергетический субстрат, так же нефть стимулирует рост некоторых почвенных грибов, таких, как Раесilоrу, Fusarium. Многие медленнорастущие микроорганизмы, не выдерживающие конкурен-

25

ции за субстрат с более быстрорастущими видами, но способные к разложению макромолекул, при поступлении в почву нефтепродуктов способны частично изпод пресса и увеличить свою численность. Клетки подобных бактерий могут ассимилировать сложные соединения алканов с длиной цепи С18 и более (Каретникова, Жиркова, 2005; Звягинцев и др., 1986; Кожевин, 2001).

Исследования загрязненных почв выявили изменения численности и состава почвенной системы микроорганизмов (Рахимова и др., 2005; Колесников и др., 2006; Coulon et al., 2004; Ваккеров-Коузова, 2005, Мазанко и др., 2013). Отмечено увеличение численности аммонифицирующих, азотфиксирующих, денитрифицирующих, сульфатредуцирующих бактерий, микромицетов, дрожжей. С другой стороны, численность нитрифицирующих бактерий, целлюлозоразрушающих и актиномицетов падает (Рыбак и др., 1984; Исмаилов, 1983; Киреева и др., 2002а, 1994; Киреева, Галимзянова, 1995). В других исследованиях не наблюдалось существенных изменений в процессах нитрификации при загрязнении почвы нефтью

(Deni, Penninckx, 1994).

Основную токсичность нефти придают летучие ароматические углеводороды (толуол, ксилол, бензол), нафталины и ряд других фракций нефти. Подобные соединения достаточно легко разрушаются или испаряются из почвы, поэтому период острого отравления почвы нефтью недолог. Такие соединения, как метан и пропан, способны разрушаться аэробными грамотрицательными бактериями, к

примеру Pseudomonas, Methylococcus, Methylocinus, Methylobacter. Бактерии дан-

ных родов широко распространены в районах нефтяных месторождений и нефтяных загрязнений, в газоносных районах, и могут являться индикаторами.

Если уровень загрязнения низок, в почве могут происходить флуктуационные изменения микробной системы почв, которые затрагивают интенсивность микробиологических процессов, но значительно не влияют на численность и структуру почвенных сообществ. При среднем уровне загрязнения начинают происходить сукцессионные изменения, происходит перераспределение степени доминирования микробных видов. Существенно нарушается функционирование почвенной биоты. Если же уровень загрязнения продолжает расти, то может про-

26

изойти полная смена структуры почвенного сообщества. Существенно снижается биоразнообразие сообщества, начинает доминировать небольшое количество резистентных видов, что приводит к падению устойчивости сообщества (Назаров и др., 2010; Juck et al., 2000; Evans et al., 2004).

Помимо этих изменений, начинают появляться специализированные микроорганизмы, которые способны окислять твердые парафины, ароматические и газообразные углеводороды. К таким микроорганизмам следует отнести бактерии родов Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas, Brevibacteriun, Rhodococcus, Nocardia, дрожжи родов Candida, Sporobolpmyces, Cryptococcus, Rhodotorula, Torulopsis, Rhodosporidium, Trichosporon. Нефтяное загрязнение так же влияет на изменение численности актиномицетов и почвенных грибов (Звягинцев и др., 1986; Оборин и др., 2008; Watanabe, 2000; Saadoun, 2002).

Многие исследователи отмечают серьёзное влияние нефти и нефтепродуктов на ферментативную активность почв (Хазиев и др., 1988; Киреева и др., 2002; Колесников и др., 2006; Даденко, Казеев, 2006). Она может, как усиливаться, так и снижаться в зависимости от типа почвы, вида и дозы загрязнителя, группы почвенных ферментов, природных условий, продолжительности загрязнения (Анто-

ненко, Занима, 1992; Киреева и др., 2001; Margesin, 1999, Хазиев, Фатхиев, 1981;

Антоненко, Занима, 1992; Габбасова, 2001; Киреева и др., 2002).

Ингибирующее действие на ферменты можно объяснить тем, что нефтепродукты обволакивают почвенные частицы, и это препятствует взаимодействию ферментов с субстратом, также нарушается иммобилизация ферментов на их носителях, например, на гумусовых кислотах (Киреева и др., 1998; Илларионов, 2004). Ароматические фенолы, а также растворенные в нефти побочные вещества, к примеру, тяжелые металлы, способны ингибировать ферментативную активность (Пиковский, 1988; Киреева и др., 1998, 2002). Такое же действие оказывают продукты окисления некоторых углеводородов, такие как гексадециловый спирт, пальмитиновая, салициловая, бензойная кислоты (Исмаилов, 1988; Киреева и др., 1998 и др.).

27

Наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению почвенные ферменты, которые трансформируют вещества ароматической природы: полифенолоксидаза и пероксидаза, при этом разложение нефти в почве проходит при их обязательном участии (Антоненко, Занима, 1992). С другой стороны, такие ферменты, как оксидоредуктазы каталаза и дегидрогеназа, которые так же участвуют в разложении нефти, проявляют высокую чувствительность (Хазиев, Фахтиев, 1981; Пиковский, 1988; Габбасова, 2004).

Активность карбогидраз находится в четкой зависимости от нефтяного загрязнения, особенно изучен в этом плане фермент инвертаза. Целлюлазная (целлюлозоразрушающая) активность, играющая немаловажную роль в круговороте веществ, так же высокочувствительна к нефтяному загрязнению (Паников и др., 1984; Хазиев, Багаутдинов, 1987; Киреева и др., 2000 и др.).

Под действием нефти в почве накапливается органическое вещество в форме гумуса и запасенной в нем энергии (Киреева и др., 1998), при этом нарушается азотный режим вследствие подавления нитрификации и азотфиксации, в связи с чем может наступить азотное голодание (Исмаилов, 1983, 1988; Кобзев, 2001), и измениться интенсивность дыхания почвы (Margesin et al., 2000).

Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами приводит к замедлению роста и развития растений, происходит снижение урожайности сельскохозяйственных культур (Андресон и др., 1980; Биоиндикация загрязнений …, 1988; Савицкая и др., 1988; Хазиев и др., 1988; Шилова, 1988; Лесные экосистемы …, 1990; Шматков, Грицен, 1990; Гецен, Груздев, 1992; Киреева и др., 1996b; 2001a; Солнцева, 1998; Колесников и др., 2006; Назарюк и др., 2007 и др.).

Нефть способна прямо и косвенно воздействовать на растения. В первом случае нефтепродукты поступают в клетки и сосуды растений, вызывают разнообразные нарушения метаболизма, токсические эффекты (Веселовский, Вшивцев, 1988; Ammosova, Golev, 1998). Косвенное влияние нефть оказывает при нарушении биологических и физико-химических свойств почвы. Если почва покрыта нефтяной пленкой, растения на этой территории чаще всего погибают.

28

Почвенные животные также угнетаются высокими дозами нефти. Причем в первую очередь погибают крупные беспозвоночные, простейшие же более устойчивы.

Многие авторы уделяют внимание вопросам трансформации нефти и нефтепродуктов в почве, а также самоочищению и рекультивации почв (Глазовская, Пиковский, 1985; Шилова, 1988; Гайнутдинов и др., 1988; Киреева и др., 1996a; Анд-

ресон и др., 1994; 1997; Стом и др., 2003; Lee, Swindoll, 1993; Margesin et al., 2000

и др.).

Большинство методов очищения почв связано с применением микроорганизмов, которые способны использовать углеводороды нефти в качестве источника питания и энергии (Дядечко и др., 1990; Вальков, 1995; Коронелли, 1996; Логинов и др., 2002). Для повышения скорости минерализации применяют минеральные или органоминеральные удобрения, активный ил микробиологических производств (Киреева и др., 1996a; 2002a; Назарюк, 2002; Илларионов, 2004; Mils, Prankenberger, 1994, Чугунов и др., 2000, Бурмистрова и др., 2003). Помимо этого разрабатываются методы по активации непосредственно аборигенной почвенной микрофлоры, для этого оптимизируют агрофизические и агрохимические свойства загрязненных почв. Также изучается влияние на активность микроорганизмов растительного покрова (Исмаилов, Пиковский, 1988; Голодяев, 1991; Жегневская, Барахнина, 1996; Логинов и др., 2002 и др. Лифшиц и др., 2001; Филатов и др., 2011; Truu et al., 2003).

Окисление нефти начинается как только она попадает в почву, и в этом процессе возможно выделить три этапа. Не первом этапе происходит физикохимическое и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов. На следующем этапе происходит микробиологическое разложение низкомолекулярных структур различных классов и образование смоляных веществ. На третьем этапе происходит трансформация высокомолекулярных соединений: смол, асфальтенов, циклических углеводородов.

Иногда с загрязненной территории вывозится минимальное количество загрязненной земли и свозится в места захоронения или используется там, где от нее

29

не требуется плодородных свойств (например, при нанесении дамб). Далее производится завоз нового плодородного слоя и вскрышных пород, имеющих хорошие почвообразующие свойства, формирование нужного рельефа. После производится обеспечение нужного водного режима, защита от эрозии, оползней и т.д.

1.3. Экологические последствия электромагнитного воздействия на почву 1.3.1. Электромагнитные излучения в природной среде.

Электромагнитные поля (ЭМП) в окружающей среде за последние 50-70 лет существенно изменились за счет техногенной составляющей. В отдельных частотных диапазонах уровень электромагнитного излучения техногенного происхождения в 103–106 раз превосходит естественный уровень (Денисова и др., 2011).

Основными количественными характеристиками, которые используют при описании ЭМП, являются: напряженность и плотность магнитного потока, или магнитная индукция, частота, форма импульса, экспозиция, локализация, градиент, вектор (Физический энциклопедический…, 1983).

Физиологическое влияние ЭМИ на живые организмы, определяется магнитной индукцией (В), измеряемой в физических единицах Тесла (Тл) (Денисова и др., 2011). Понятие «магнитная индукция» чаще, чем «напряженность магнитного поля», используется для описания магнитного поля, генерируемого проводами электропередачи и подстанциях (Магнитные поля, 1992).

Внешние электромагнитные поля или можно разделить на три группы: естественного происхождения, антропогенного происхождения и биологической природы (Экология…, 2000).

Среди естественных электромагнитных полей можно выделить несколько компонентов, относящихся к земному, околоземному и космическому происхождению: это геомагнитное поле Земли (ГМП), электрическое поле Земли и переменные электромагнитные поля в диапазоне частот от 103 до 1012 Гц. По структуре геомагнитное поле Земли можно разделить на постоянное (период его изменения равен сотням лет) и переменное (период изменения составляет меньше года). Вертикальная компонента постоянного магнитного поля (ПМП) достигает макси-

30

мального значения (67 мкТл) на магнитных полюсах и сходит к нулю на магнитном экваторе. Горизонтальная компонента максимальна (33 мкТл) на магнитном экваторе, а на магнитных полюсах равна нулю. Уровень ГМП равен примерно 50 мкТл (Бинги, 2002). Плотность потока естественных переменных магнитных полей (ПеМП) снижается приблизительно с 10-7 до 10-14 Тл, частота атмосферных электромагнитных полей возрастает примерно с 0,1 Гц до 3 кГц (Магнитные поля, 1992).

На Земле основным источником внешнего ЭМИ является Солнце. Помимо этого Земля постоянно испытывает влияние космических излучений, а также воздействие гравитационных, магнитных, электрических сил космического происхождения (Магнитные поля, 1992).

Выделяют следующие источники антропогенных электромагнитных загрязнений. Низкочастотные электромагнитные загрязнения (с частотой 0-3 кГц) вызываются системами производства, передачи и распределения электроэнергии (как ЛЭП, так и электропроводка), бытовая техника, электротранспорт и его инфраструктура (в метрополитене при отправлении состава величина электромагнитного поля на платформе составляет 50-100 мкТл и более, самом же вагоне при этом отмечается величина магнитной индукции до 150-200 мкТл), а также автомобильный транспорт. Высокочастотные электромагнитные излучения частотой 3-300 кГц вызываются радиовещательными и телевизионными передаточными информационными устройствами, станциями сотовой связи, средствами спутниковой связи, навигационные и радиолокационные средства, СВЧ-печи, мониторы ПК и телевизоров (Слукин, 2010).

Уровень антропогенных ЭМП превышает естественный электромагнитный фон в десятки тысяч раз. За последние 50 лет мощность радиоизлучений увеличилась более чем в 50000 раз. В настоящее время электромагнитные поля стали опасным экологическим фактором (Сподобаев, Кубанов, 2000).