Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биодиагностика устойчивости почв Черноморского побережья Краснодарского края к загрязнению нефтью и тяжелыми металлами. Монография
.pdf
11
Группы почв
Элементы, мг/кг
Ni
Cu
Zn
As
Cd
Pb
Песчаные и супесчаные
20
33
55 2 0.5
32
Кислые суглинистые и глинистые (pH
KCI
<5.5)
40
66
110 5 1.0
65
Близкие к нейтральным,
нейтральные суглинистые и
глинистые (pH
KCI
>5.5)
80
120
220
10
2.0
130
В настоящее время значения ПДК разных элементов разработаны для
почвы в целом. Это является недостатком, поскольку не учитывается различное фоновое содержание элементов в почвах, отличающихся по составу. Проблема отчасти решается в концепции ориентировочно допустимых
концентраций (ОДК) тяжелых металлов (для Ni, Cu, Zn, Cd, Pb и As).
Таблица 5
Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК)
тяжелых металлов в почвах (мг/кг) (1994)
При определении ОДК почвы подразделяются на три группы:
(су)песчаные, кислые (су)глинистые и нейтральные (су)глинистые. При переходе от первой к третьей группе почв значения ОДК элементов последовательно возрастают. Это вполне логично и объясняется двумя причинами.
Во-первых, для многих тяжелых элементов, фоновое содержание в почвах
тяжелого гранулометрического состава выше, чем в почвах легкого состава. Во-вторых, катионы металлов прочнее закрепляются в нейтральной
среде, чем в кислой. Именно значения ОДК используют федеральные природоохранные органы для характеристики загрязнения почв (Государственный доклад…, 2008). Таким образом, концепция ОДК отчасти решает
проблему нормирования, хотя бы для шести элементов.
12
1.2. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
НА СВОЙСТВА ПОЧВЫ И ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ
Большая часть тяжелых металлов, которая поступает в окружающую
среду из техногенных источников, рано или поздно поступает в почву (рис.
1). При попадании в почву металлы вступают в ряд физических, химических, физико-химических, биохимических и других взаимодействий, в ходе
которых они аккумулируются, выщелачиваются, осуществляют межфазные
переходы, поступают в растительные и животные организмы. В результате
этих взаимодействий опасность металлов для живых организмов может
существенно меняться.
ТМ из почвы в процессе активного их извлечения корневой системой
растений, могут концентрироваться в сельскохозяйственных культурах, а
также вымываясь поверхностными водами, накапливаться в водных организмах, донных отложениях. Считается, что тяжелые металлы относительно быстро аккумулируются в почве и очень медленно из нее удаляются.
Так для свинца период полуудаления из почв установлен в пределах от 740
до 5900 лет, по сравнению с более опасными кадмием (13 - 110 лет) и медью (310 - 1500 лет) (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
13
Рис. 1. Формы миграции тяжелых металлов в природных и почвенных
водах (по Зубреву и др., 2012)
Тяжелые металлы, как правило, концентрируются в приповерхностном
слое почвы 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов и
в необменной, прочно фиксированной почвенным поглощающим комплексом форме (Холопов, 2003). Особо опасны эти вещества для человека, т. к
он находится на вершине пищевой цепи и может потреблять продукты с
14
концентрацией ТМ в 100–1000 раз больше, чем в почвах (Соколов, Черников, 1999).
Техногенное химическое загрязнение почвы, в том числе и тяжелыми
металлами, вызывает большие перегрузки в отношении самоочищающей
способности почвы. Снижается численность микроорганизмов, меняется
структура микробоценозов, сужается их разнообразие, падает интенсивность основных микробиологических процессов, снижается ферментативная активность, изменяются и свойства самой почвы (Черников и др. 2000;
Звягинцев, 1987; Колесников и др. 2001, Tarafdar, 1997). ТМ подавляют
процесс симбиотической фиксации азота бобовыми культурами. В результате бобовые культуры полностью переходят на использование минерального азота из почвы и удобрений (Проблемы деградации…,2008).
Отмечается снижение нитрифицирующей активности почв. При этом
наблюдается усиленное развитие грибного мицелия и уменьшение количества сапрофитных бактерий (Евдокимова, Мозговая, 1975).
Микроскопические грибы, по сравнению с другими микроорганизма-
ми почв, наиболее устойчивы к воздействию ТМ, вследствие чего они часто доминируют в загрязненных ландшафта (Федоров, Федорова, 2012).
Установлено, что загрязнение почв тяжелыми металлами (Вальков и
др., 1997; Колесников и др., 1999; 2000; 2001; 2009; 2010; 2011; 2012; 2013;
2014; Valkov et al., 1997; Kolesnikov et al., 2000; 2009; 2010; 2011; 2013;
2014; 2015), металлоидами (Колесников и др., 2008; Kolesnikov et al., 2008),
пестицидами (Казеев и др., 2010) и антибиотиками (Акименко и др., 2014;
2015; Akimenko et al., 2014; 2015) в большинстве случаев приводит к снижению биологических показателей, но в некоторых вариантах при «малых»
дозах загрязняющих веществ наблюдалась стимуляция биологической активности почвы.
15
Неотъемлемой частью природных и антропогенных ландшафтов и
важнейшим звеном биогеохимического круговорота веществ являются растения. Анализ литературных данных показал, что химический состав растений изучен достаточно, и установлена способность растений поглощать
из окружающей среды в больших или меньших количествах практически
все известные химические элементы (Полевой, 1989, Bowen, 1966, Виноградов, 1962).
Интенсивность поглощения металла из почвы зависит от вида растений, а также от природы металла. В одних органах и тканях растений концентрация металла может возрастать в зависимости от увеличения его содержания в почве, в других – имеется предел, ограничивающий накопление
металла. Ограничение поглощения характерно для фотосинтезирующих и
репродуктивных органов, что связано с деятельностью защитных механизмов, препятствующих поступлению тяжелых металлов в эти органы; отсутствие ограничения – для корней, коры деревьев, узлов стеблей злаков.
Фитопланктон активно адсорбирует тяжелые металлы. Так синезеленые водоросли Lyngbya spiralis, Tolypothirxtenuis, Stigonema sp.,
Phormidium molle поглощают ртуть на 96, 94, 94 и 93%, соответственно
(Мамбетова).
Загрязнение металлами влияет и на микрофауну почвы. При повреждении лесного покрова в лесной подстилке падает численность насекомых (клещей, бескрылых насекомых), при этом количество пауков и многоножек может оставаться стабильным. Страдают и почвенные беспозвоночные, часто наблюдается гибель дождевых червей.
Для комплексной оценки воздействия химического элемента Н. А.
Черных, Ю. И. Баева предлагают четыре уровня его концентрации:
1. дефицит элемента, когда организм страдает от его недостатка;
16
Металлы, обнаружен-
ные в составе ДНК
Металлы, вызывающие мутации у:
микроорганизмов
растений
насекомых
млекопитающих
Al
As
As
As
As
Cd
Cd
Ba
Ba
Be
Со
Со
Cd
Cd
Cd
Cг
Cr
Cu
Cu
Co
Cu
Cs
Fe
Fe
Cr
Hg
Fe
Hg
Hg
Hg
Mn
Ge
Pt
Pt
Mn
Ni
Hg (?)
Sr (?)
Sr
Ni
Pt
Ir
Co
Pb
Pb
Zn
Mn
Cr
Co
Pt Os
Mn
Cr
Se Pb (?)
Ni
Mn
Li (?)
Pt
Se
Ni
Sb Rh
Au (?)
Zn
Те Se
Be
Li (?)
Zn Те
Rb
W
Ti
Zn
Pa
Pb
Zn
2. оптимальное содержание, соответствующие хорошему состоянию
организма;
3. терпимые концентрации, когда депрессия организма лишь начина-
ет проявляться;
4. губительные концентрации химических элементов для организма
(Черных, Баева, 2004).
Еще в конце прошлого века были получены сведения о мутагенном дей-
ствии ряда металлов на различные живые организмы (табл. 6).
Таблица 6
Элементы, обнаруженные в ДНК и вызывающие мутации
(Metalle in der Umwelt. 1984)
не выяснены, но в общих чертах носят следующий характер: Ионы металлов необходимы для стабилизации и активации большинства белков. Многие белковые макромолекулы имеют свободные сульфгидрильные группы,
Принципы влияния тяжелых металлов на живые организмы полностью
17
способные контактировать с тяжелыми металлами. А при токсикозе необходимые и токсические ионы конкурируют за обладание местами связывания в белках.
1.3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕФТИ КАК ЗАГРЯЗНИТЕЛЯ
Удельный вес запасов нефти России в мировом балансе составляет
6 %. Несмотря на небольшую тенденцию снижения добычи нефти, в Рос-
сии не сокращается площади нарушенных и загрязненных почв, а задолженность по возврату земель только возрастает (Государственный доклад…, 2000).
Как природное химическое вещество нефть — это раствор органических соединений сложного состава. В составе нефти обнаружено более 450
различных веществ, в основном это парафиновые, нафтеновые, ароматические углеводороды.
Соотношение компонентов, входящих в нефть, определяет ее состав,
тип, физические свойства. Нефть в природе разнообразна по фазовому состоянию, по внешнему виду, по химическим и физическим свойствам. По
физическому состоянию — это маслянистая жидкость. По внешнему виду
нефть различается по цвету (от почти бесцветной до темно-коричневой) и
вязкости (от подвижной до густой). На все свойства нефти влияет ее удельный вес, который варьирует от 0,80 до 0,95. Нефти с большим удельным
весом (до 1,04)встречаются достаточно редко (Мотузова, Карпова, 2013).
Особенностью нефти как загрязнителя являются различия в ее составе
и в количестве, попадающего в экосистемы, скорость ее разложения, а также обязательное наличие спутников: минерализованных пластовых и сточных вод, сероводородов и других сернистых соединений, солей щелочных
металлов, полициклических углеводородов, тяжелых металлы, и др.
18
От фракции нефти зависит и ее токсичность. Различают летучие и тяжелые фракции нефти. Летучие фракции воздействуют кратковременно, но
обладают повышенным токсическим эффектом для обитателей почвы. Малоподвижные тяжелые фракции нефти создают в почве устойчивый очаг
загрязнения. Богатые смолами, парафинами, асфальтенами, компоненты
нефти закупоривают каналы и поры почвы, как цемент, связывают почвенные частицы, нарушая влагообмен в почвах и изменяя их водно-физические
свойства (Мотузова, 2007).
Загрязнение нефтью и ее производными приводит к вытеснению воздуха из почвы и образованию в верхней части профиля плотного битуминизированного слоя, что в конечном итоге вызывает недостаток кислорода
в почве. Все это ведет к образованию анаэробных условий, снижению
окислительно-восстановительного потенциала и подщелачиванию почвенного раствора (Орлов, Аммосова, 1994; Ammosova, Golev, 1998). Анаэробная часть почвенной микрофлоры сокращается или полностью исчезает,
растет число анаэробов.
На сегодняшний день отсутствует общепринятая классификация
нефтепродуктов по степени загрязнения почв, т. к. разные экосистемы обладают разным потенциалом самоочищения, и, по мнению многих специалистов, не существует единых норм (ПДК) для областей с разными биоклиматическими условиями (Рубанова, Цхадая, 2000 и др., Трофимов и др.,
2000).
В России не установлены единые ПДК и фоновые концентрации содержания нефти в почве. Разработаны лишь региональные нормативы.
19
1.4. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НЕФТИ НА СВОЙСТВА
ПОЧВЫ И ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ
Основными источниками загрязнения почвенного покрова нефтью и
нефтепродуктами являются, в основном, аварийные ситуации при добыче,
транспортировке и переработке нефти. Большинство производств не отвечает современным требованиям безопасности, оборудование физически изношено и морально устарело, имеет низкую надежность (Гречищева, Мещеряков, 2001).
Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами может привести к значительному изменению ее состава, свойств и структуры (Горникова, Середина, 1985; Трофимов и др., 2000; Колесников и др., 2006; и др.). Прежде
всего, затрагиваются морфологические свойства почвы: в цвете почвенного
профиля преобладают серо- и темно-коричневые оттенки, меняется структура почвы. Увеличивается доля углеводородов, которые имеют гидрофобный характер (Орлов и др.,1996). В итоге формируются почвенные ареалы
с нехарактерными для зональных условий чертами, зональные типы сменяются техногенными модификациями, снижается продуктивная способность почв. Все это может привести к выводу загрязненных земель из сельскохозяйственного обращения (Хазиев и др., 1988; Трофимов и др., 2000).
Изменение состава и численности почвенных микроорганизмов было
зафиксировано при загрязнении почв нефтью и нефтепродуктами (Бирштехер, 1957; Михновська, Тете, 1980; Гусев, Коронелли, 1981; Самосова и др.,
1983; Рахимова и др., 2005; Колесников и др., 2006; Coulon et al., 2004; и
др.). В большинстве случаев было установлено снижение биологических
показателей, и лишь в ряде случаев на «малых» дозах загрязняющих веществ наблюдалась стимуляция биологической активности почвы (Колесников и др., 2006; 2007; 2010; 2013; 2014; Kolesnikov et al., 2006; 2007;
2010; 2013; 2014; 2015). Зафиксирован рост численности аммонифицирую-
20
щих (Рыбак и др., 1984), азотфиксирующих, денитрифицирующих (Исмаилов, 1983), сульфатредуцирующих бактерий, микромицетов (Рыбак и др.,
1984; Киреева, Галимзянова, 1995), дрожжей (Исмаилов, 1983) и снижение
численности нитрифицирующих (Исмаилов, 1983, Киреева, 1994) и целлюлозоразущающих (Киреева, 1994) бактерий и актиномицетов (Рыбак и др.,
1984).
Реакция почвенной биоты на загрязнение нефтью зависит от дозы за-
грязнителя, почвенно-климатических условий зоны, где произошло загрязнение и различается для разных групп почвенных организмов. Известно,
что в низких концентрациях нефть может несколько стимулировать развитие почвенных микроорганизмов, т.к. как источник органических веществ.
Кроме того нефть содержит ряд компонентов, которые могут действовать
как биологически активные вещества. Показано и увеличение активности
некоторых почвенных ферментов при низких дозах загрязнения (Марфенина, 1991; Колесников и др., 2006).
Поведение нефти и нефтепродуктов даже одинакового состава различ-
но в зависимости от типа почвы и природно-климатических условий. На
основании опубликованных данных отечественных и зарубежных материалов скорости самоочищения нефтезагрязненных почв разных природных
зон при уровне загрязнения 5000 мг/кг нефтью среднего состава (плотность
0,85-0,87) – колеблются от 2 до 30 лет и выше (Другов, Родин, 2000).
Влияние нефти и ее производных на ферментативную активность поч-
вы неоднозначно. Установлено, что ферментативная активность почв может, как возрастать (Исмаилов, 1998; Антоненко, Занима, 1992; Киреева и
др., 2001; Margesin, 1999), так и уменьшаться (Хазиев, Фатхиев, 1981; Антоненко, Занима, 1992; Габбасова, 2001; Киреева и др., 2002). Это зависит
от концентрации и вида загрязняющего вещества, природных условий, типа
почвы, группы почвенных ферментов и продолжительности загрязнения.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]