Оценка устойчивости почв и наземных экосистем Крыма к химическому загрязнению. Монография

21

комплекс агротехнических и агрохимических работ, то это приведет к снижению урожая вплоть до его гибели.

Метод ионообменных смол является более разработанным. Ионообменные смолы - полимеры, нерастворимые вещества, содержащие подвижные ионы, способные к замене своих ионов на ионы раствора, пропущенного через смолу. Данное явление наблюдается в различных природных системах, в том числе и в почве. Недостатком ионообменного процесса является образование веществ (органические материалы и ионы Fe3+), которые могут загрязнять смолу. Однако преимущества процесса заключается в его долговечности и дешевизне самой смолы, к тому же процесс экологически чистый.

Более современным методом по восстановлению почв сейчас может считаться фиторемедиация которая включает фитостабилизацию и фитоэкстракцию. По мнению Белюченко И.С. (2014), именно этот способ является более щедящим и относительно недорогим по сравнению с рекультивацией. Способ включает такие этапы, как экскавацию загрязненного слоя и его транспортировку на специальные свалки с последующим заземлением участка, химическую обработку почвы с обработкой поверхности участка для устранения просачивания воды, выщелачивание из почв ТМ с помощью кислых растворов и возвращение чистых почв на участок и электрокинетическая чистка почв.

22

ГЛАВА 2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ НЕФТЬЮ

Нефть представляет собой природную маслянистую горючую жидкость со специфическим запахом (ароматические углеводороды). Она состоит, преимущественно из смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых иных химических соединений, где каждое из этих соединений значительно отличается от остальных и может рассматриваться как самостоятельный токсикант (Химическая энциклопедия, 1992)

Восновном месторождение нефти приурочено к осадочным породам, цвет варьирует от темно-желтого до черного, иногда может иметь желтозеленый и чисто зеленый цвет. Запах и цвет обуславливает присутствие азот-, серо- и кислородсодержащих компонентов, которые концентрируются в смазочном масле и нефтяном остатке (Ахатов, 1998).

Нефть в природе всегда существует в комплексе с такими веществами как минерализованные пластовые и сточные воды и рассолы, соли щелочных металлов, сероводород и другие сернистые соединения, углеводородные газы, полициклические углеводороды, тяжелые и радиоактивные металлы и др.

Нефть характеризуется по группам углеводородов, входящих в их состав, по содержанию сернистых соединений, парафиновых углеводородов, смолисто-асфальтеновых веществ. Нефть бывает парафиновой, нафтеновой, ароматической и смешанного типа, в зависимости от месторождения. Наибольшее распространение имеют смолистые и высокосмолистые нефти (Краткая медицинская энциклопедия, 1989-1990; Химическая энциклопе-

дия, 1992).

Всоставе нефти можно выделить легкую фракцию, состоящую из низкомолекулярных метановых (алканы), нафтеновых (циклопарафиновые)

иароматических углеводородов, которая является наиболее подвижной частью нефти. Основу легкой фракции составляют алканы – С5 – С10. Они

23

оказывают наиболее токсическое действие на живые организмы, т.к. способны быстро растворяться в воде и проникать в клеточные мембраны, нарушая тем самым структуру мембран клетки. Однако ввиду их летучести и высокой растворимости они достаточно быстро выводятся из организмов.

Также в нефти содержатся твердые метановые углеводороды (парафины), которые относительно безопасны для живых организмов, однако легко переходят в твердое состояние, лишая нефть подвижности. К циклическим углеводородам в составе нефти относятся нафтеновые (циклоалканы) и ароматические (арены). Их содержание в различных типах нефти колеблется от трети до двух третей всего объема. Одним из голоядерных полициклических ароматических углеводородов является 3,4-бенз(а)пирен. Ему уделяют особое отношение, как наиболее распространенному представителю канцерогенных веществ. В сырой нефти он встречается редко, однако его количество возрастает после переработки.

Смолы представляют собой вязкие мазеподобные вещества, в них содержится больше водорода и меньше углерода, чем в асфальтенах. Асфальтены представляют собой продукты конденсации 2-3 молекул смол. Это твердые вещества, нерастворимые в низкомолекулярных углеводородах. Именно в них и содержится большинство микроэлементов нефти, в том числе ТМ, сероводород, меркаптан.

Понятие нефть и нефтепродукты (НП) имеет два значения – техническое и аналитическое. В техническом значении нефтепродукты – это товарные сырые нефти, прошедшие первичную подготовку на промысле, и продукты переработки нефти, использующиеся в различных видах хозяйственной деятельности: авиационные и автомобильные бензины, реактивные, тракторные и осветительные керосины, дизельное топливо, мазуты, растворители, смазочные масла, гудроны, нефтяные битумы и другие нефтепродукты (парафин, нефтяной кокс, присадки, нефтяные кислоты и др.).

24

В аналитическом значении к НП относятся неполярные и малополярные углеводороды, растворимые в гексане и не сорбирующиеся оксидом алюминия. Под это определение попадают практически все топлива, растворители и смазочные масла, но не попадают тяжелые смолы и асфальтены, являющиеся постоянными компонентами нефти и битумов, а также ряд веществ, образующихся в результате микробиологических и физикохимических процессов из НП при их длительном нахождении в почвах (Рубанова, Цхадая, 2000; Трофимов и др., 2000, Другов, Родин, 2007).

2.1.ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ НЕФТЬЮ

Источники нефти и нефтепродуктов (НП) можно разделить на природные и антропогенные. На протяжении более 100 лет нефть называют «черным золотом». Залежи нефти обнаруживаются в большом количестве в осадочных породах (Рубанова, Цхадая, 2000; Трофимов и др., 2000, Другов, 2007).

А известна человечеству она стала с 5 века до н.э. (первые упоминания). Изначально ее использовали как смазочные, и даже лечебные средства.

Естественные источники нефти встречаются во многих местах. Особенно богато на нефтяные месторождения Северное полушарие Земли. Нефть в таких условиях залегает на больших глубинах и самостоятельно редко когда выходит на поверхность почвенного покрова.

Источник поступления нефти благодаря антропогенному пути, пожалуй, следует соотнести с открытием первой нефтяной скважины глубиной более 20 метров, которую пробурили в штате Пенсильвания США в 1859 году. Именно с этого периода начались активные поиски, добычи, использования и продажи этого «черного золота», которые послужили созданию целой нефтяной промышленности.

25

Нефть стали повсеместно применять как источник энергии, который заменил растительные и животные жиры, а так же уголь. Но настоящий подъем в применении нефти как источника энергии был связан с появлением автомобилей. В 1935 году было произведено первое синтетическое волокно.

В наши дни все без исключения транспортные средства используют для своей работы бензин, дизельное топливо, масла, которые получают из нефти.

В районах наземных нефтепромыслов и нефтепроводов время от времени происходят локальные утечки нефти и нефтепродуктов, которые не распространяются на большие площади. Экологически опасно, если утечка происходит из океанической или морской буровой установки или магистрали. В этом случае нефть расползается по воде тончайшей пленкой на площади в сотни и тысячи квадратных километров, образуя нефтяные пятна.

Таблица 2 Загрязнения нефтью и НП объектов окружающей среды

(www.ooo-monitoring.ru)

26

2.2.ВИДЫ И ПОВЕДЕНИЕ НЕФТИ В ПОЧВАХ

Попав в почву, нефть может находиться в свободном неподвижном состоянии, в жидком подвижном состоянии, в сорбированном состоянии и

ввиде сплошного слоя на поверхности почв (Трофимов и др., 2000).

Впочвенных слоях, поведение нефти будет зависеть от нефтеемкости и нефтеотдачи почвенных субстратов, а также структуры почвенногеохимических барьеров (Мазанко, 2013).

При долгом нахождении нефти на поверхности почвы она начинает деградировать, образуя тем самым высокомолекулярные соединения, в виде корки. Это корковая поверхность достаточно устойчива к разложению, затрудняет прохождению атмосферных осадков в почвенные слои, а так же их аэрацию. При частых разливах тяжелой нефти образуются твердые покровы (Петрова, 2014). Такие твердые корки приводят к заболачиванию и смене окислительно-восстановительных условий (Солнцева и др., 1985).

Свободному проникновению нефти вглубь почвы препятствуют почвенные барьеры-экраны и барьеры-аккумуляторы. Первые активизируют внутрипочвенный латеральный сток поллютантов (Солнцева, 1998).

Авторые способствуют удержанию нефти в вертикальном профиле почв. Они являются органосорбционными и минеральносорбционными.

Все вещества, входящие в состав нефти и нефтепродуктов, являются токсичными. Пропитывание нефтью почвенной массы приводит к изменениям химического состава, свойств и структуры почв. Прежде всего, это сказывается на гумусовом горизонте; количество углерода в нем резко увеличивается, но ухудшается свойство почв как питательного субстрата для растений. Гидрофобные частицы нефти затрудняют поступление влаги к корням растений, что приводит к физиологическим изменениям последних. Продукты трансформации нефти изменяют состав почвенного гумуса. На первых стадиях загрязнения это относится, в основном, к липидным и ки-

27

слотным компонентам. На дальнейших этапах увеличивается содержание нерастворимого гумина. В почвенном профиле возможно изменение окис- лительно-восстановительных условий, увеличение подвижности гумусовых компонентов и ряда микроэлементов.

Нефть включает себя фракции, отличающиеся физико-химическими свойствами. Поэтому их поведение в почве различно. Различная нефть сильно отличается по составу. В легкой нефти обычно больше бензина, нафты и керосина. В тяжелой – газойля и мазута. Наиболее распространены нефти с содержанием бензина 20-30%. (Патин, 2001).

Легкие фракции обладают наибольшей проникающей способностью, затягивающие капиллярными силами на глубину до 1 метра. Легкие фракции быстро испаряются, и при загрязнении ими почва способна к самоочищению. Тяжелые фракции проникают на глубину не более 12 см. Тяжелые фракции нефти являются твердыми аморфными веществами, адсорбируясь из раствора почвенных частицам верхнего слоя, склеиваясь с ними и застывая, образуют твердую корку. В результате почва не способна самоочиститься (Шеин, 2007).

2.3.ВЛИЯНИЕ НЕФТИ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

Токсичность нефти объясняется присутствием толуола, ксилола, бензола, нафталина и ряда других фракций нефти. Эти соединения легко разрушаются и удаляются из почвы. Поэтому период острого токсического действия нефти сравнительно мал.

Но, тем не менее, живые организмы подвергаются ее воздействию, которое на них накладывает определенный отпечаток.

Загрязнение нефтью проявляется в разной степени по отношению к почвенным водорослям вплоть гибели всей альгофлоры. (Алексахина, 1984)

28

Растения являются первичными продуцентам биоценозов, в процессе жизнедеятельности выделяют в окружающую среду и поглощают из нее много органического вещества. Опасность загрязнения нефтью и нефтепродуктами связана, прежде всего, с высокой чувствительностью к нему высших растений.

Наблюдается индивидуальная реакция растений на нефть в зависимости от их морфологии и систематической принадлежности. В целом многолетники более устойчивы, чем однолетники.

Истощение почвенных ресурсов, связанное с нефтяным загрязнением, влияет в целом на видовой состав растительного сообщества. При этом сорные растения (обладающие низкой пищевой ценностью) оказываются более устойчивыми к антропогенным воздействиям вообще, и к загрязнению почв нефтепродуктами в частности (Етеревская, 1976).

Причиной замедленого роста и развития растений и почвенных водорослей в результате загрязнения нефтью и нефтепродуктами служат нарушения поступления воды, питательных веществ и кислородного голодания (Колесников, 2007; Андерсон и др., 1997).

Это влияние проявляется прямо и косвенно. В первом случае нефтепродукты поступают в клетки и сосуды растений и вызывают токсическое нарушение метаболизма, в частности фотосинтеза (Веселовский, 1988). Токсические эффекты проявляются в повреждении, разрушении, а затем и отмирании всех живых, активно функционирующих тканей растений в вегетирующем состоянии. Нефть оказывает отрицательное влияние на рост, особенно опасна она для молодых проростков, поскольку подавляется рост их надземных и подземных частей, карликовость, скручивание стеблей и листьев, в значительной степени задерживается начало цветения; загрязненные нефтью цветки редко образуют семени (Зильберман, 2005). Кроме того, токсичность проявляется на генетическом уровне, которое выражает-

29

ся в достоверном повышении уровня соматических мутаций, белых мутантных событий, угнетения клеточного деления морфологических аномалий. Углеводороды повреждают мембраны хлоропластов, митохондрий, мембраны клеток корня (Оборин, 2008).

Косвенное влияние нефть оказывает через нарушение физикохимических и биологических свойств почвы, при которой отмечается полная гибель растительности.

С другой стороны, упомянутое стимулирующее действие нефти на растения заключается в том, что нефть - это продукт, который содержит вещества, присущие растениям (изопреноиды, тиофены и пр.) и обладающие порой полезными свойствами, в частности, рост-регулирующими и фунгицидными свойствами, способствует всхожести семян (в концентрации до 1%). Кроме того, ряд циклических соединений в составе нефти аналогичны гуминовым кислотам и фульвокислотам почвы, определяющим ее плодородие.

Различным уровням нефтяного загрязнения почв соответствуют особые микробные системы (Звягинцев, 1986).

Низкому уровню загрязнения соответствуют флуктуационные изменения микробной системы почв, затрагивающие интенсивность микробиологических процессов. Средний уровень загрязнения приводит к возникновению сукцессионных изменений, которые выражаются в перераспределении степени доминирования микробных видов. Этот уровень загрязнения сопровождается устойчивыми нарушениями нормального функционирования почвенной микробиоты. Высокий уровень загрязнения характеризуется нарастанием сукцессионных изменений в микробной системе, полной сменой состава микроорганизмов. Доминирующее положение занимают микроорганизмы, резистентные к данному загрязняющему веществу. Так, при кратковременном ингибировании возрастает количество углеводоокис-

30

ляющих бактерий, количество которых возрастает в относительно незагрязненных почвах. Основное увеличение микробиологической активности приходится на процесс естественной деградации нефти. При практически полном ее разложении уровень микроорганизмов приближается к фоновым, однако уровень углеводоокисляющих бактерий еще долго сохраняется повышенным.

Очень высокому уровню загрязнения соответствует полное подавление активности микроорганизмов (Мазанко, 2013).

Наряду с влиянием на микробные сообщества, нефть и нефтепродукты оказывают влияние на активность различных почвенных ферментов. Ингибируются оксидредуктазы (каталаза, ферриредуктаза, протеаза, нитратредуктаза, дегидрогеназа), но повышается активность гидролаз (уреаза и инвертаза) (Киреева и др., 2002; Колесников и др., 2005).

Под действием нефти происходит накопление в почве органического вещества в форме гумуса и запасенной в нем энергии (Киреева и др., 1998), нарушается азотный режим, вследствие подавления нитрификации и азотфиксации, что приводит к азотному голоданию (Кобзев, 1980), изменяется интенсивность дыхания почвы.

Несмотря на все опасные последствия от загрязнения нефтью и нефтепродуктами, при низких концентрациях нефть и некоторые ее компоненты оказывают стимулирующее действие на почвенную биоту. (Лозановская и др., 1998).

По характеру воздействия на человека нефтетоксиканты разделяют на 3 вида: нервные (тяжелые углеводороды, сероводород,меркаптаны, тетраэтилсвинец), кровяные (монооксид углерода, образующий стойкий карбоксигемоглобин) и раздражающие (оксид серы и азота) (Давыдова, 2002).