Курсовая работа - Влияние нефтяного загрязнения на свойства почвы - файл n1.doc

Курсовая работа - Влияние нефтяного загрязнения на свойства почвы
скачать (211.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc212kb.24.11.2012 02:43скачать

n1.doc

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Пермская государственная сельскохозяйственная академия

имени академика Д.Н. Прянишникова

Эколого-агрономический институт

Агрохимический факультет

Кафедра экологии

Курсовая работа по дисциплине «Основы экотоксикологии» на тему:

«Влияние нефтяного загрязнения на свойства почвы»

Выполнила:

студентка агрохимического факультета

специальности агроэкология

группы Аэ-51а

Канаева А.М
Проверила:

доцент кафедры экологии

Пименова Е.В.

Пермь, 2009

Содержание

Введение




1. Общие закономерности процессов, происходящих при загрязнении почв нефтепродуктами




2. Миграция и распределение нефти в почвенном профиле




3. Изменения характеристик почв вследствие нефтяного загрязнения




3.1 Изменение физических свойств почв




3.2 Физико-химические процессы трансформации нефти в почве




3.3 Изменение состава и свойств органического вещества почв




3.4 Трансформация состава и численности педобионтов




3.5 Влияние нефтяного загрязнения на целлюлозную активность

почвы




3.6 Изменение агрохимических свойств при загрязнении нефтью




3.7 Изучение питательного режима почв, загрязненных нефтью




4. Самоочищение почвы от нефти




5. Пригодность почв, загрязненных нефтью, для

Сельскохозяйственного использования




6. Методы рекультивации нефтезагрязненных почв




Выводы




Библиографический список






Введение
В результате освоения новых и эксплуатации уже действующих нефтяных месторождений состояние окружающей среды претерпевает значительные изменения. Вследствие аварийного загрязнения на месторождениях нефти в окружающую среду поступает большое количество нефти и нефтепродуктов, а также химреагентов, используемых при добыче нефти.

Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами, является одним из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды антропогенного происхождения. В процессе нефтедобычи на месторождениях, а также при транспортировке нефти неизбежно происходят розливы нефти, ведущие к нарушению экологического равновесия и приносящие несомненный урон природным экосистемам.

Цель: оценить влияние нефтяного загрязнения на свойства почвы.

Задачи:

1- выявить общие закономерности при загрязнении почв нефтепродуктами;

2- рассмотреть изменение характеристик почв при нефтяном загрязнении;

3- изучить миграцию и распределение нефти в почвенном профиле;

4- изучить физико-химические процессы трансформации нефти в почве;

5- методы рекультивации нефтезагрязненных почв


1. Общие закономерности процессов, происходящих при загрязнении почв нефтепродуктами

Нефть представляет собой естественную смесь множества органических соединений. Основным и наиболее ценным с точки зрения промышленного использования компонентом нефти являются углеводородные соединения. Кроме того, в нефти содержатся так называемые смолы, которые представлены в основном высокомолекулярными соединениями, включающими кроме углерода и водорода, кислород, азот, серу и другие элементы.

С точки зрения химического состава нефти разделяют на метановые, метеновые и ароматические. В первых, преобладают ациклические углеводороды, во вторых – неароматические циклические углеводороды, в третьих – ароматические соединения.

Нефть характеризуется рядом физико-химических характеристик, таких как плотность, вязкость, содержание отдельных элементов и т.д. Но, в любом случае, нефть представляет собой смесь огромного количества индивидуальных химических соединений. При переработке нефти эти соединения объединяются в более или менее однородные фракции по признаку сходства физико-химических свойств, например, температуры кипения, способность к адсорбции на пористых адсорбентах, растворимость в определенных растворителях.

Переработка нефти сводится к выделению из исходной природной смеси органических соединений отдельных узких фракций, обладающих определенными свойствами или индивидуальных химических соединений.

При эксплуатации промышленных объектов, предназначенных для добычи, транспортировки и переработки нефти происходит частичное рассеяние перерабатываемых соединений в окружающую среду, в том числе в почву. Наиболее масштабные загрязнения почв нефтью и продуктами ее переработки возникают при разливах этих веществ.

С экологической точки зрения наиболее значимым последствием нефтяного загрязнения является угнетение жизнедеятельности растений. При высоких уровнях загрязнения возможно полное уничтожение растительности на загрязненном участке. Одновременно имеет место интенсификация жизнедеятельности почвенного микробиологического сообщества, сопровождаемая существенными изменениями численности отдельных видов микроорганизмов.

Воздействия загрязнения почв нефтью на экологическую систему, поддерживаемую загрязненной территорией многогранно, и отражается в изменении свойств загрязненных почв. При этом определение тех или иных характеристик загрязненных почв является единственным источником информации об уровне их загрязнения (Пиковский Ю.И., 1988).

По этой причине был выполнен анализ современных представлений об изменениях возникающих в почве под действием нефтяного загрязнения. Эти изменения касаются химического состава и физико-химических свойств почвы, а также характера функционирования компонентов экологической системы, поддерживаемой загрязненным участком территории.

Изменения, возникающие в почве при загрязнении нефтью, касаются практически всех ее морфологических признаков. Их выраженность зависит как от интенсивности загрязнения, так и от свойств самих почв, их использования и наличие тех или иных биохимических барьеров. В районах интенсивного загрязнения возможна полная деградация отдельных генетических горизонтов вплоть до исчезновения их первичных признаков. Для понимания происходящих изменений весьма существенным являются представления о миграции нефти по почвенному профилю:

1. фронтальное просачивание

2. гравитационное стекание по каналам миграции.

Для верхней части профиля характерен первый тип миграции, что приводит к равномерному пропитыванию почвенной толщи. В более глубокие горизонты нефть проникает по ходам корней, трещинам и другим ослабленным зонам. Этим горизонтам свойственно неравномерное распределение нефти (Пиковский Ю.И., 1988).

Глубина проникновения нефти определяется механическим составом почвы. В песчаных почвах создается сплошной фронт продвижения нефти. В почвах легкого механического состава, например, серо-бурых, происходит фронтальное просачивание нефти на глубину 1,5-2 м. В тяжелых суглинках нефть сорбируется в отдельных горизонтах, определяя мозаичную, пятнистую картину загрязнения почвенного профиля. Создаются своеобразные «нефтяные макротекстуры» почвенного профиля: равномерная, трещинно-корневая, селективно-насыщенная и др.

Для загрязненных почв характерен более темный цвет по сравнению с фоновыми аналогами с преобладанием черных, серо-коричневых и темно-коричневых оттенков в верхней части профиля и темно-бурых, коричнево-бурых – в нижней.

Вертикальному продвижению нефти вдоль почвенного профиля сопутствует хроматографический эффект, приводящий к дифференциации состава нефти: в верхнем, гумусовом горизонте сорбируются высокомолекулярные компоненты нефти, содержащие много смолисто-асфальтеновых веществ и циклических соединений; в нижние горизонты проникают в основном низкомолекулярные соединения, имеющие более высокую диффузионную способность, чем высокомолекулярные компоненты. Легкие углеводороды, как правило, высокотоксичны и трудно усваиваются микроорганизмами, поэтому долго сохраняются в нижних частях почвенного профиля в анаэробной обстановке.

При химическом анализе почв, загрязнение нефтью и нефтепродуктами сказывается в первую очередь на содержании битумоидов – органических соединений, способных к экстракции из почвы неводными растворителями. Соединения, обладающие этими свойствами, являются естественными компонентами почвы.

Применительно к районам нефтедобычи все разнообразие битумоидов, характерное для почв промысла и прилегающих территорий, подразделяется на три группы:

1. нефтяные битумоиды, представляющие собой компоненты нефти, впитавшиеся в почву и сорбированные почвенными частицами;

2. смешанные битумоиды - смесь почвенных липидов и продуктов регионального загрязнения почв, находящихся в близких друг другу количественных соотношениях;

3. собственно почвенные битумоиды – липидная фракция органического вещества почв.

Собственно почвенные битумоиды представленные липидами, составляют часть органического вещества почвы (гумуса), объединяемые по характеру растворимости органическими растворителями. Главным компонентом этой группы являются воска и смолы. Доля липидов в составе органического вещества минеральных горизонтов колеблется от 2-4 до 10-12% от Собщ. В органогенных горизонтах Ао и торфах липиды накапливаются в значительно больших количествах до 15-20 от Собщ. Липиды в максимальных количествах накапливаются в бактериях (до 40%), грибах (до 20%) и беспозвоночных животных (до 15%).

Таким образом, липидную часть органического вещества почвы, извлекаемую органическими растворителями, содержание которой соответствует природному составу почв исследуемой территории можно считать фоновым содержанием битумоидов. Выявлено, что в незагрязненных почвах на территориях месторождений нефти в любых физико-географических условиях содержится определенное количество битумоидов, и они создают региональный фон. Четкой связи между содержанием битумоидов и другими показателями химического состава в зональном ряду почв не выявлено, но отчетливо проявляется прямая зависимость содержания битумоидов от содержания гумуса (Солнцева Н.П., 1988).

В любом случае начальным этапом загрязнения почвы является попадание загрязняющего вещества(нефти или нефтепродуктов) на ее поверхность. В дальнейшем распространении загрязняющих веществ, связанного, как правило, с попаданием на поверхность почвы жидких углеводородных смесей, важнейшую роль играют процессы фильтрации.

2. Миграция и распределение нефти в почвенном профиле
Нефть, попавшая в природные ландшафты из скважин содержит помимо собственно нефтяного вещества попутную пластовую воду, находящуюся с нефтью в различных соотношениях. Вследствие этого образуется комплексный загрязнитель, воздействие которого на почвы определяется количеством, составом и свойствами как органических, так и неорганических соединений.

Свойства нефти как гетерогенной системы определяют характер ее фракционирования в почвах: частичную дифференциацию вещества по плотности, вязкости, активности взаимодействия с почвенной массой и др. Почвы при этом играют роль хроматографической колонки, в которой происходит расслоение самого нефтяного потока на нефтяные компоненты, задерживающиеся в верхних почвенных горизонтах, и минерализованные воды, которые, будучи более тяжелыми и менее вязкими, быстрее проникают в нижние горизонты. С течением времени дифференциация вещества углубляется, в частности при движении нефтяных компонентов по почвенному разрезу вниз происходит сорбция асфальтово-смолистых компонентов нефти. В нижних горизонтах почвенного профиля уменьшается как количество, так и молекулярный вес нефтяных компонентов.

Характер распределения нефтяных компонентов в почвах зависит от ряда факторов, основными из которых являются: морфологические, структурные, вещественные и генетические особенности конкретного почвенного профиля, его положение в системе геохимических сопряжений ландшафтных фаций, количество и состав поступившей нефти, время, прошедшее с момента загрязнения.

Основными факторами здесь выступают водно-термический режим почв и их механический состав.

Основным механизмом проникновения нефти в более глубокие горизонты является гравитационное стекание по ослабленным зонам – каналам миграции, что сопровождается насыщением нефтью объемов магистральных каналов, активным всасыванием в межпадные плоскости и диффузией в межтрещинную массу.

Вертикальное продвижение нефти вдоль почвенного профиля создает хроматографический эффект, приводящий к дифференциации состава нефти: в верхнем гумусовом горизонте сорбируются высокомолекулярные компоненты нефти, содержащие в большом количестве смолисто-асфальтеновые вещества и циклические соединения; в нижние горизонты проникают в основном низкомолекулярные соединения, имеющие более высокую растворимость в воде, более высокую диффузионную способность, чем высокомолекулярные компоненты. Легкие углеводороды, как правило, высокотоксичны и трудно усваиваются микроорганизмами, поэтому долго сохраняются в нижних частях почвенного профиля в анаэробной обстановке. В песчаных почвах создается сплошной фронт продвижения нефти. В тяжелых суглинках нефть проникает по трещинам, вдоль корневых систем растений, сорбируется в отдельных горизонтах, определяя мозаичную пятнистую картину загрязнение почвенного профиля. Создаются своеобразные «нефтяные макротекстуры» почвенного профиля: равномерная, трещинно-корневая, селективно-насыщенная и др. (Пиковский Ю.И., 1988).

Определенной защитой от проникновения основной массы нефти в самые нижние части почвенного профиля и в горизонты грунтовых вод в суглинистых почвах являются сорбционные барьеры, которыми служат органогенные горизонты в верху профиля и верхняя часть горизонта В в средней части профиля. Каналы миграции часто заканчиваются в иллювиальной части почвенного профиля, в котором создается горизонт повышенной битуминозности. В этом горизонте сорбируется основная часть асфальтово-смолистых компонентов, преодолевших верхний сорбционный барьер.

3. Изменения характеристик почв вследствие нефтяного загрязнения

Содержание нефти в почве резко снижается в первые месяцы после загрязнения – на 40-50%. В дальнейшем это снижение идет очень медленно. В первые недели и месяцы после загрязнения происходят в основном абиотические процессы изменения нефти в почве. За счет пространственного распространения загрязнения и частичного испарения легких фракций происходит локальное снижение концентрации загрязнения.

Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами оказывает влияние практически на все характеристики почвенного покрова.

Так происходит изменение спектральной отражательной способности почвы, в результате обволакивания почвенных частиц, снижение окислительно-восстановительного потенциала почв. Благодаря нейтральной и слабощелочной реакции нефти в процессе загрязнения происходит подщелачивание почвенного раствора и увеличение рН среды.

Наблюдается также уменьшение емкости поглощения, что связано с обволакиванием почвенных коллоидов нефтяной пленкой и образованием механического барьера между почвенными частицами. На изменение этой характеристики оказывает влияние тип почвы. Например, в изменении количества поглощенных оснований в черноземах и ненасыщенных нечерноземных почвах наблюдаются различия. В последних, при загрязнении происходило увеличение содержания поглощенных оснований, в то время как в черноземе, почвенный поглощающий комплекс подвергался меньшему изменению с некоторым уменьшением количества поглощенного кальция.

Содержание подвижного фосфора при нефтяном загрязнении снижается также, как и обменного калия. В загрязненных дерново-подзолистой и серой лесной почвах содержание подвижного фосфора в 1,5-2 раза ниже, чем в почвах естественного состояния. До полного исчезновения изменяется содержание нитратов, что свидетельствует о подавлении нитрификационных процессов в почве.

При загрязнении почв наблюдается увеличение общего содержания углерода. Качественный состав гумуса также претерпевает изменения: уменьшается относительное содержание гуминовых и фульвокислот, в 1,5-3 раза увеличивается количество негидролизуемого остатка. Отношение суммы гуминовых и фульвокислот к негидролизуемому остатку в загрязненных почвах узкое и составляет 0,25-0,43. Негидролизуемый остаток подвергается очень медленному разложению и надолго выпадает из биологического круговорота, что является одной из причин ухудшения плодородия почв.

Скорость минерализации органических соединений в почве определяется, в основном, соотношением углерода к азоту (С:N). Избыток углеродсодержащих соединений, обусловленный загрязнением почв нефтью или нефтепродуктами резко увеличивает это соотношение. Одним из последствий этого эффекта является ухудшение азотного режима почв и нарушение корневого питания растений.

Характер влияния нефтяного загрязнения определяется главным образом естественной буферностью почвы. Малобуферные с меньшим содержанием гумуса и поглощенных оснований дерново-подзолистые и серые лесные почвы более контрастно реагируют на нефтяное загрязнение, чем черноземы.

Нефтяное загрязнение вызывает существенные изменения всего комплекса структурно-механических, гидрофизических и агрохимических свойств почв. Эти изменения оказывают серьезное влияние на все биологические процессы, происходящие в почвенном пространстве. Главной причиной торможения развития растений и их гибели в результате загрязнения нефтью является нарушение поступления воды, питательных веществ и кислородное голодание.

В качестве причин, вызывающих недостаток кислорода отмечают вытеснение почвенного воздуха нефтью, разрушение структуры почв в результате склеивания структурных отдельностей, ведущее к нарушению аэрации. В верхней части почвенного профиля возможно образование плотного битуминизированного слоя, особенно при загрязнении нефтью с высоким содержанием парафина, который очень медленно разрушается на воздухе, в результате чего он может надолго «запечатать» поры почвенного покрова. Особенно тяжелые последствия наблюдаются при полном покрытии почвенных частиц нефтяной пленкой. Большое влияние на условия увлажнения и аэрации также может оказывать наличие смолисто-асфальтеновых компонентов, которые в свою очередь изменяют водно-физические свойства почв. Смолисто-асфальтеновые компоненты гидрофобны, и обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги. В результате нарушается и свободный влагообмен, почвы теряют способность впитывать и удерживать влагу, для них характерны более низкие гигроскопическая влажность, водопроницаемость, влагоемкость и влаговместимость, значительно снижается коэффициент фильтрации воды. Установлено также, что увеличивается дисперсность почв и уменьшается структурность и степень агрегатности.

Воздействие нефтяного загрязнения на экологическую систему, поддерживаемую загрязненной территорией, обуславливается изменением комплекса структурно-механических, гидрофизических и агрохимических свойств почв, но не ограничивается этими изменениями.

Другим аспектом этого воздействия является изменение характера функционирования этой экологической системы, причем на отдельных компонентах этой системы эти изменения сказываются по-разному. Происходит адаптация и перестройка функциональной структуры микробиологического сообщества, и оно начинает активную деятельность по окислению нефтяных углеводородов. Внутри почвенного профиля главная роль в окислении углеводородов принадлежит именно биологическому окислению. Катализаторами этого процесса являются ферменты, вырабатываемые микроорганизмами, растениями и животными, которые способны избирательно действовать на отдельные классы соединений.

Конечными продуктами метаболизма нефти в почвах являются:

1. углекислота, которая может связываться в карбонаты и воду;

2. кислородные соединения (спирты, кислоты, альдегиды, кетоны и др.), которые частично входят в почвенный гумус, частично растворяются в воде и удаляются из почвенного профиля;

3. твердые нерастворимые продукты метаболизма – результат дальнейшего уплотнения высокомолекулярных продуктов или связывание их в органо-минеральные комплексы;

4. твердые корочки высокомолекулярных компонентов нефти на поверхности почвы.

Биологическое окисление компонентов нефти по существу является процессом сомоочистки почвы, но на этот процесс отвлекаются ресурсы, необходимые для жизнедеятельности всех компонентов экологической системы. При этом эффекты дефицита кислорода и питательных веществ, обусловленные изменением комплекса структурно-механических, гидрофизических и агрохимических свойств почв усугубляются.

Таким образом, можно заключить, что при попадании нефти в почвенное пространство, происходит изменение структурно-механических и гидрофизических свойств почвы, приводящих в свою очередь, к появлению сложных и многообразных процессов агрофизической деградации, падению как эффективного, так и потенциального плодородия почв.
3.1 Изменение физических свойств почв

Главная причина торможения развития растений и их гибели в результате загрязнения – нарушение поступления воды, питательных веществ и кислородное голодание. Причины недостатка кислорода являются вытеснение почвенного воздуха нефтью, разрушение структуры почвы в результате склеивания структурных отдельностей, ведущее к нарушению аэрации. Отмечены случаи образования в верхней части профиля плотного битуминизированного слоя. Особенно тяжелые последствия наблюдаются при полном покрытии почвенных частиц нефтяной пленкой. Это может происходить при уровне загрязнения почвы свыше 10%. Почвы, насыщенные нефтепродуктами, теряют способность впитывать и удерживать влагу, для них характерны более низкие гигроскопическая влажность, водопроницаемость, влагоемкость и влаговместимость по сравнению с фоновыми аналогами. При нефтяном загрязнении увеличивается дисперсность почв и уменьшается структурность и степень агрегатности. Значительно снижается коэффициент фильтрации воды (Аммасова Я.М. и др, 1999).

3.2 Физико-химические процессы трансформации нефти в почве

Поведение нефти и нефтепродуктов при их попадании в ландшафты, особенно процессы их внутриландшафтной миграции и метаболизма, крайне сложны и очень длительны. С течением времени происходит внутрипочвенная деструкция поступившего загрязнителя, включающая физико-химическое разрушение нефти, сорбцию-десорбцию составляющих нефть компонентов, их растворение, деградацию, образование и разрушение эмульсий и т.д. Выделяется несколько основных этапов преобразования нефти в природных системах, не зависящих ни от состава поллютанта, ни от почвенно-климатических условий. На первом этапе превалирует физико-химические разрушения, дегазация, вынос нефти, ультрафиолетовая деструкция. Концентрация поллютантов в верхних – самых загрязненных горизонтах – наиболее активно уменьшаются в первые месяцы после поступления нефти за счет рассеяния ее компонентов в большом объеме почвенно-грунтового пространства, смыва поверхностными водами и испарения. Содержание нефти может снижаться на 40-50%. После полугода экспозиции в почвах скорость процесса резко снижается. Если почвы достаточно аэрированы, то в среднем первый этап деградации длиться 1-1,5 года, но может существенно возрастать в зависимости от объемов разлитой нефти. Параллельно с этим происходит увеличение содержаний смолистых веществ за счет их новообразований в процессе трансформации нефти. Увеличивается абсолютное количество асфальтеновых фракций. Микробиологические процессы на первом этапе развития почв подавлены, но постепенно численность и активность микроорганизмов возрастают.

Длительность процессов разложения нефти в природных системах в значительной степени определяется температурой, влажностью, механическим составом субстратов. Для разложения нефти необходимы температуры не ниже 6-10о, оптимальны 24-30о. Поэтому в холодных экосистемах нефть очень устойчива и ее деградация может длиться десятилетия (Аммасова Я.М. и др, 1999).

Таким образом, в разных биоклиматических условиях процессы деструкции нефти (несмотря на общую направленность ее деградации) специфичны. Критериями сходства – различий могут быть: а) потери загрязнителя из одинакового объема почвенной массы за один и тот же срок, б) количество закрепившихся органических продуктов метаболизма.

Последствия нефтяного загрязнения природной среды определяются совокупностью следующих факторов: количеством и химическим составом загрязняющих веществ, интенсивностью механических повреждений. От совместного действия перечисленных факторов будет зависеть, приспособится ли экосистема к новым условиям и начнет ли восстанавливать свои функциональные звенья или она перейдет от метастабильного состояния к полной деградации.

Воздействие нефтяных компонентов особенно ощутимо проявляется в изменении экологической обстановки: пропитывая почву, обволакивая корни, листья, стебли растений и проникая сквозь мембраны клеток, нефть нарушает водно-воздушный баланс среды и организмов, обмен веществ и трофические связи.

Нефть, попадая в почвы и воды, несет с собой разнообразный набор химических соединений, нарушающий сложившийся геохимический баланс в экосистемах. Эти нарушения возникают под действием различных механизмов: изменение физического состояния среды, нарушение ее водно-воздушного режима; приноса токсических веществ, ингибирующих деятельность отдельных компонентов биоценоза; изменения миграционной способности отдельных микроэлементов в почве; засоления почв сопутствующими солеными пластовыми водами.

Пропитывание нефтью почвенной массы приводит к активным изменениям в химическом составе, свойствах и структуре почв. Прежде всего, это сказывается на гумусовом горизонте: количество углерода в нем резко увеличивается, но битумозное вещество значительно ухудшает свойства почв как питательного субстрата для растений. Гидрофобные частицы нефти затрудняют поступление влаги к корням растений, что приводит к физиологическим изменениям. Продукты трансформации нефти резко меняют состав углеродистых веществ, которыми слагается почвенный гумус. Доля всех собственных компонентов гумуса уменьшается. На первых стадиях это относительно в основном к липидным и кислым компонентам (Аммасова Я.М. и др, 1999).
3.3 Изменение состава и свойств органического вещества почв

В почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, происходит изменение содержания и состава гумуса. При загрязнении наблюдается увеличение общего содержания углерода. Качественный состав гумуса также претерпевает изменения: уменьшается относительное содержание гуминовых и фульвокислот, в 1,5-3 раза увеличивается количество негидролизуемого остатка. Отношение суммы гуминовых и фульвокислот к негидролизуемому остатку загрязненных почвах узкое и составляет 0,25-0,43. последний подвергается очень медленному разложению и надолго выпадает из биологического круговорота, что является одной из причин ухудшения плодородия почв (Аммасова Я.М. и др, 1999).
3.4 Трансформация состава и численности педобионтов

Нефтяное загрязнение создает новую экологическую обстановку, что приводит к глубокому изменению отдельных звеньев естественных биоценозов или их полной трансформации. Общая особенность всех нефтезагрязненных почв – изменение численности и ограничение видового разнообразия педобионтов ( почвенной мезо- и микрофауны и микрофлоры).

Типы ответных реакций разных групп педобионтов на загрязнение неоднозначны. Происходит массовая гибель почвенной мезофауны: через три дня после загрязнения большинство видов почвенных животных полностью исчезает или составляет не более 1 % от контроля (Аммасова Я.М. и др, 1999).

Комплекс почвенных микроорганизмов после кратковременного ингибирования отвечает на нефтяное загрязнение повышением валовой численности и усилением активности. При сильном загрязнении нефтепродуктами полностью исчезают азотфиксаторы. Численность микроорганизмов снижается по профилю почв по мере уменьшения концентрации углеводородов. В течение длительного периода времени после загрязнения численность нефтеокисляющих бактерий превышает фоновое значение.

Нефтяное загрязнение отрицательно сказывается на численном составе почвенных водорослей. Нефть оказывает губительное действие на рост и развитие растений, которое обусловлено нарушением общей экологической обстановки и прямым воздействием содержащихся в нефти нафтеновых кислот и других токсических углеводородов. У растений наблюдаетя хлороз листьев, тенденция к обезвоживанию, истощение, угнетение фотосинтетической активности(Аммасова Я.М. и др, 1999).
3.5 Влияние нефтяного загрязнения на целлюлазную активность почв

В районах с крупной нефтедобывающей и перерабатывающей промышленностью наиболее распространенным загрязнителем окружающей среды являются нефть и продукты ее переработки, которые попадают в почву в процессе добычи, транспортировки и хранения. Они ухудшают водный режим и физические свойства почвы, оказывают токсическое действие на рост растений, изменяют почвенный поглощающий комплекс, резко снижают содержание подвижных соединений азота и фосфора. В результате нарушается экологическое состояние и изменяется структура биоценозов.

Целлюлоза- один из самых распространенных в природе растительных полимеров. Почва содержит значительное количество целлюлозосодержащих растительных субстратов. Целлюлозный комплекс почвы осуществляет гидролиз целлюлозы до глюкозы в несколько этапов. Трансформация клетчатки в почве имеет большое значение и тесно связана с процессами гумусообразования, возникновением прочной структуры почвы. Этот процесс имеет глобальное значение в круговороте углерода в природе.

Изучение целлюлазной активности почвы при загрязнении ее нефтью и построение математической модели, описывающей динамику разложения целлюлозы в зависимости от концентрации нефти.

В течение ряда лет в лабораторных и микрополевых опытах изучали влияние загрязнения серой лесной тяжелосуглинистой почвы ( гумус – 5,1%, рН водный 6,1) тюменской товарной нефтью в различных дозах. Микрополевые опыты проводились на искусственно загрязненных нефтью в дозах 0; 8; 1 и 25 л/м2 площадках размером 1.3х1.3 м. Повторность опытов 4-х кратная. Почвенные образцы для анализов отбирались с глубины 0-20, 20-30 и 40-50 см через 3 дня (Киреева Н.А., 2000).

Разложение клетчатки осуществляется целлюлозоразрушающими микроорганизмами и связано с условиями их нормального функционирования. Среди наиболее чувствительных к нефтяному загрязнению групп микроорганизмов являются аэробные целлюлозоразрушающие микроорганизмы, которые считаются одним из основных индикаторов плодородия почв. Их численность при минимальных дозах загрязнения (1 – 2%) не отличается от исходной. При увеличении степени загрязнения она ниже, чем в контрольном варианте. На развитие целлюлозоразрушающих микроорганизмов большое влияние оказывают условия аэрации и азотного питания. Чем интенсивнее идет в почве нитрификация, тем энергичнее в ней размножаются целлюлозные микроорганизмы. Это подтверждается исследованиями, в которых выявлена прямая корреляция численности нитрофикаторов в загрязненной почве с численностью целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Количество последних уменьшается в течение всего эксперимента в лабораторных и полевых условиях, что указывает на токсичность углеводородов нефти для этих микроорганизмов. В нижележащих горизонтах почвы наблюдается сходная картина ингибирующего действия нефти на эту группу микроорганизмов. В последующие годы и даже через 10 лет численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов также не достигает контрольного уровня. Это свидетельствует о токсичности самой нефти, так и продуктов ее распада для этой группы микроорганизмов.

Для более точного определения влияния нефти на целлюлозоразрушающие микроорганизмы вычислена их численность: V= Sn/Sк , где Sn и Sк – численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов в нефтезагрязненной и контрольной почвой. Полученная относительная численность позволяет отделить влияние сопутствующих факторов (дефицит азота и других элементов питания, температура, влажность, рН и др.) от влияния нефти, так как контрольные площадки находились в тех же условиях, что и загрязненные нефтью. На разных глубинах значения V несущественно отличаются друг от друга в течение трех лет имеют одинаковую динамику изменения. После третьего года при малой и средней дозах загрязнения эти динамически начинают различаться, при высоких же дозах продолжается их совпадение. Это связано с тем, что в почве, загрязненной нефтью, факторам, оказывающим наибольшее влияние на численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов, является сама нефть. В почве загрязненной малой и средней дозами поллютанта, через 4 года разлагается от 70 до 90% нефти и этот фактор уже не оказывает значительного влияния (Киреева Н.А., 2000).

Идентификация обнаруженных микроорганизмов показала, что в нефтезагрязненной почве аэробные целлюлозоразрушающие микроорганизмы представлены в основном микромицетами, причем доминирующими видами являются Aspergillus fumigatus, Penicillium spp, то есть виды типичные для нефтезагрязненных почв. Состав целлюлозоразрушающих микроорганизмов незагрязненных и загрязненных нефтью почв значительно отличается, и если в контрольных почвах целлюлозоразрушающая микрофлора представлена в основном бактериями и актиномицетами, то при загрязнении почв увеличивается численность микромицетов, которые доминируют на сильно загрязненных почвах. Это связано в первую очередь с незначительным сдвигом рН почвы в кислую сторону и с обеднением нефтезагрязненной почвы подвижными соединениями азота, необходимыми для развития целлюлозоразрушающих актиномицетов и бактерий. Почвы с низким плодородием в комплексе целлюлозоразрушающих микроорганизмов преобладают грибы. Сильное уплотнение почвы при загрязнении нефтью также нарушает равновесие между группами целлюлозоразрушающих микроорганизмов в сторону доминирования микромицетов.

Целлюлозоразрушающие микроорганизмы оказываются очень чувствительными в случае загрязнения как нефтью, так и отдельными фракциями углеводородов. Их численность уменьшается в течение всего эксперимента. Ингибирующий эффект отдельных углеводородов для изучаемых микроорганизмов увеличивается пропорционально увеличению концентрации.

Таблица 1

Активность фермента целлюлазы в нефтезагрязненной почве

доза нефти, %

3 сут.

15 сут.

1 мес.

3 мес.

6 мес.

контроль

0,562

0,570

0,567

0,558

0,548

0,5

0,602

0,545

0,530

0,496

0,480

1,0

0,545

0,508

0,503

0,442

0,420

2,5

0,512

0,486

0,450

0,434

0,396

3,5

0,514

0,473

0,432

0,412

0,368

5,0

0,428

0,382

0,301

0,197

0,161

10,0

0,382

0,320

0,242

0,150

0,120

15,0

0,327

0,281

0,223

0,101

0,086

20,0

0,294

0,220

0,180

0,093

0,041

25,0

0,218

0,196

0,115

0,071

0,002


Активность многих ферментов почвы, в том числе и целлюлаз, в наибольшей степени проявляется при иммобилизации их на носителях – гумусовых кислотах. Вероятно, ингибирование активности целлюлазы при загрязнении нефтью можно объяснить нарушения процессов иммобилизации ферментов вследствие изменения насыщенности основаниями почв. Происходит инактивация ферментного комплекса продуктами окисления или сополимеризации нефтяных углеводородов на носителе – гуминовых веществах. Прослеживается четкая зависимость активности целлюлазы от степени загрязнения почвы нефтью (Киреева Н.А., 2000).

Целлюлозолитическая способность почвы – один из показателей общей активности микроорганизмов почвы и ее плодородия.

Свойством нефтяного загрязнения является способность замедлять, но не останавливать процесс разрушения целлюлозы, независимо от вида целлюлозосодержащего материала. При этом скорость процесса закономерно уменьшается при увеличении концентрации загрязнителя.
3.6 Изменение агрохимических свойств при загрязнении нефтью

Земли, нарушенные предприятиями нефтяной промышленности, весьма различны и своеобразны. Если характер нарушения земель при строительстве трубопроводов и скважин и их рекультивация в известной мере сходны с горнотехническим этапом рекультивации отвалов и карьеров, то земли, загрязненные нефтью, существенно отличаются от первых. При загрязнении земель нефтью, как правило, верхний гумусовый слой не удаляется и не засыпается горными породами, существенно не нарушается рельеф местности, но почва, пропитанная нефтью, становится токсичной и на многие годы теряет плодородие. Конфигурация, степень загрязнения участков, глубина проникновения нефти бывают различными в зависимости от интенсивности и продолжительности аварийной утечки, влажности, плотности почвы, рельефа местности и т.д. Загрязненные нефтью участки чаще всего имеют сравнительно небольшую площадь и разбросаны пятнами по сельскохозяйственным угодьям.

Восстановление таких земель позволило бы возвратить в сельскохозяйственный оборот значительные площади. Проблема рекультивации загрязненных нефтью земель может быть успешно решена только при детальном изучении механизма нарушения плодородия, количественных характеристик тех или иных изменений почвенных процессов. Проводилось изучение изменения некоторых агрохимических свойств чернозема, загрязненного сырой нефтью. Объектом исследования был тяжелосуглинистый слабовыщелоченный среднемощный среднегумусный чернозем. В связи с тем что глубина проникновения нефти ограничивается пахотным слоем, основное внимание было уделено изучению этого слоя. В лабораторных условиях почва была искусственно загрязнена сернистой и девонской нефтями, типичной для Татарской области.

Основные агрохимические показатели выщелоченного чернозема представлены в таблице, которые свидетельствуют о значительных сдвигах в агрохимических свойствах почвы при загрязнении нефтью.
Таблица 2

Влияние нефти на некоторые агрохимические свойства выщелоченного чернозема

Вид и доза нефти, г/кг почвы

с

Nобщ

C:N

Т

Нг

V,%

pH

%




Незагрязненная почва (контроль)

4,74

0,32

14,8

47,5

2,3

95

5,6

Девонская нефть, 5

5,09

0,32

15,8

44,9

2,3

95

5,6

60

8,22

0,32

25,8

34,0

2,0

94

5,7

Сернистая нефть, 5

5,23

0,32

16,5

43,3

2,2

95

5,6

60

9,11

0,32

28,3

32,1

2,0

94

5,7


Таблица 3

Влияние загрязнения выщелоченного чернозема нефтью на нитрификационную способность, содержание N-NH4 и подвижных форм фосфора и калия


Вид и доза нефти, г/кг почвы

Нитрификационная способность

N-NH4

Подвижные формы

P2O5

K2O

мг/кг почвы

мг/100 г почвы

Незагрязненная почва (контроль)

+14,5

21,8

5,1

10,5

Девонская нефть, 5

-25,2

24,8

4,8

9,4

60

-21,2

26,9

4,1

8,8

Сернистая нефть, 5

-16,6

28,9

4,9

9,4

60

-22,5

22,5

4,8

9,1


Прежде всего при загрязнении почвы нефтью обнаружено повышенное содержание углерода, что вполне объяснимо, так как нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и в среднем содержит 82-87% углерода. Так, если в незагрязненной почве содержание углерода было 4,74%, то при загрязнении девонской нефтью в дозах 5 и 60 г/кг составляло соответственно 5,09 и 8,22%. Еще более заметное увеличение содержания углерода в почве отмечалось в случае загрязнения сернистой нефтью (Гилязов М.Ю., 1980)

Изменения в содержании общего азота при загрязнении почвы нефтью были незначительными. Увеличение количества углерода при незначительных изменениях в содержание общего азота в почве приводило к нарушению соотношения между азотом и углеродом. Это является одной из причин токсичности нефти и нефтепродуктов. Но, восстановление нарушенного соотношения C:N только внесением азотных удобрений не может восстановить плодородие загрязненной нефтью почвы. В то же время внесение умеренных доз азота может оказаться полезным в связи с заметным снижением нитрификационной способности загрязненной почвы.

Под влиянием сырой нефти произошли заметные изменения в содержании поглощенных катионов. Суммарное количество обменных катионов (емкость поглощения почвы) при загрязнении как девонской, так и сернистой нефтями уменьшилось. Некоторые изменения емкости поглощения почвы наблюдались уже при минимальной дозе нефти – 5 г/кг. При более сильном загрязнении (60 г/кг) емкость поглощения резко снизилась и составила в среднем для двух видов нефти 70% от незагрязненной почвы. Снижение поглотительной способности почвы связано не столько с уменьшением количества поглощенных катионов, сколько с утратой их способности обмениваться благодаря обволакиванию почвенных коллоидов нефтяной пленкой.

При слабом загрязнении почвы нефтью (5 г/кг) не отмечалось заметных изменений гидролитической кислотности и рН. Некоторое снижение гидролитической кислотности и увеличение рН наблюдалось при более сильном загрязнении (60 г/кг), что в определенной мере связано и нейтральной и слабощелочной реакцией нефти (Гилязов М.Ю., 1980).

Таким образом, исследования выщелоченного чернозема, загрязненной сырой нефтью, выявило значительные изменения агрохимических свойств, что является одной из причин нарушения плодородия почв.

3.7 Изучение питательного режима почв, загрязненных нефтью

Воздействие нефти приводит к разрушению структуры почвы, к ее уплотнению и изменению водно-воздушного режима. Происходит увеличение фактора дисперсности, а фактор структурности и степень агрегатности соответственно уменьшаются. Наблюдается значительное снижение коэффициента фильтрации, что свидетельствует об изменении гидростатических условий и нарушении взаимосвязи почва – растение – вода.

Загрязнение нефтью вызывает увеличение содержание углерода в почве, что приводит к высокому соотношению C:N. Кроме того, происходит значительное снижение концентрации подвижного фосфора, что объясняется высоким соотношением C:N в результате внесения нефти, так как организмы, атакующие углеводород, будут иммобилизовывать неорганический фосфор в почве, приводя к уменьшению количество экстрагируемого фосфора (Демиденко А.Я., 1983).

Изменение физических и физико-химических свойств сказалось на прорастании и развитии растений (на примере овса Юбилейный). Влияние загрязнения на всхожесть семян определяли в сосудах в извлечении из почв питательных веществ, на малое количество почвы берется большое число растений (100 экз.). Загрязнение нефтью производили из расчета 5, 10 и 20% от массы смеси путем полива сверху. Через 30 дней был посеян овес.

Заметно влияние загрязнения нефтью на развитие овса и после его прорастания. Он значительно отстает в росте, у пораженных растений наблюдается общий хлороз листьев, тенденция к обезвоживанию, свидетельствующая о нарушении водного режима, что приводит к гибели растений.

В сосудах с загрязнением нефти отмечается гнилостный запах, свидетельствующий о анаэробных условиях. Происходит удушье корней в результате вытеснения воздуха нефтью, а также в результате истощения кислорода при возросшей микробиологической активности углеводородусваивающих микроорганизмов.

Для восстановления плодородия почв, загрязненных нефтью, вносилась композиция, состоящая из клиноптиллолит-морденитовой породы (10% от массы почвы), диспергированного мела (0,5 % от массы тела), и нитрофоса (0,024% от массы почвы). Клиноптиллолит-морденитовая порода и диспергированный мел представляют собой высокодисперсные соединения, обладающие адсорбционно-коагуляционными способностями. Клиноптиллолит-морденитовая порода (CaO 9,2%, Al2O3 16,8%, SiO2 59,2%, H2O 14,8%) играет роль катализатора при разложении нефти и дополнительно удерживает питательные вещества, предотвращая их вымывание из почвы. Диспергированный мел (CaCO3 92-96%, нерастворимый остаток 2,5-5,5%) добавляется в качестве коагулянта, улучшающего водно-воздушный режим почвы и способствующий микробиологической деятельности. Нитрофос применяется для восстановления азотного режима питания растений (Демиденко А.Я., 1983).

После обработки адсорбционными компонентами фильтрационная способность почв увеличилась в 30-50 раз. Так, исходный коэффициент фильтрации почвы, загрязненной нефтью в количестве 10% от массы почвы, составлял 0,5 см/сут, после обработки композицией – 15,3 см/сут. Для почвы загрязненной нефтью в количестве 5% от массы почвы коэффициент фильтрации равнялся в исходной почве 0,9 см/сут, после обработки композицией – 20,5 см/сут.

Отмечены значительные сдвиги в агрохимических свойствах загрязненных почв при внесении композиции. Так, содержание азота, а соответственно и белка, в надземной массе овса увеличилось до контрольных показателей. Это также сказалось и на высоте овса. Улучшились поступление в растение фосфора и калия.

Установлено, что загрязнение нефтью приводит к нарушению водно-воздушного и питательного режима почв, что отрицательно сказывается на развитии растений. После добавления разработанной композиции оптимальные физические свойства почв частично восстанавливаются, наблюдается улучшение роста растений, увеличивается накопление азота, калия и белка в растительных тканях. Для восстановления плодородия почв рекомендуется внесение композиции, ее дозы зависят от степени загрязнения почв нефтью (Демиденко А.Я., 1983).

4. Самоочищение почвы от нефти

Биологические свойства почв являются важнейшим показателем плодородия. Особое значение имеет ферментативная активность. Ферменты- это биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции. Они накапливаются в почве в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, мезофауны и корневой системы растений, участвуют в биохимических процессах, обеспечивают разрушение первичного органического вещества и синтез вторичного, обогащают почву биогенными элементами и гумусом, обеспечивают важнейшую биогеоценотическую функцию почвы – трансформацию вещества и энергии, уже находящихся в ней или поступающих, формируют почвенное плодородие.

В связи с бурным развитием нефтегазовой промышленности в почву в больших количествах поступают нефть и продукты ее переработки, изменяя структуру почвы, направленность биохимических процессов, снижая ее плодородие, что делает земли непригодными для сельского хозяйства. К тому же нефтяные углеводороды через пищевые цепи могут оказывать канцерогенное воздействие на человека.

Почва способна «самоочищаться» от загрязнителя, но этот процесс может длиться десятки лет. Поэтому необходимо найти диагностический критерий самоочищения. В качестве одного их таких критериев можно использовать ферментативную активность почвы, так как она чутко реагирует на изменение внешних условий (Киреева Н.А., 2001).

Оксиредуктазы участвуют в окислительно-восстановительных процессах в почве, формируя ее плодородие. Гидролазы осуществляют гидролитический распад высокомолекулярных органических соединений и играют важную роль в обогащении почвы питательными веществами, доступными для растений.

Детоксикация и минерализация углеводородов нефти происходит при активном участии окислительно-восстановительных ферментов. Уровень их активности является критерием самоочищением почвы от нефтяных углеводородов. Дегидрогеназа принимает непосредственное участие в разложении углеводородов. Кислород, образующийся при разложении перекиси каталазой, улучшает аэробный режим почвы, что благоприятно сказывается на численности микроорганизмов, участвующих в биодеструкции загрязнителя. С ростом дозы нефти активность каталазы через три дня возрастает, а через год уменьшается, но остается на уровне ниже контрольного. Для активности дегидрогеназы через три дня выявляется обратная зависимость и по истечении года уровень загрязнения превышает контрольный, что является свидетельством активной биодеструкции углеводородов.

Определение активности инвертазы, играющей важную роль в круговороте углерода в биогеоценозе через месяц после загрязнения, выявлено что с ростом дозы нефти она пропорционально уменьшается. Это ведет к замедлению распада растительных остатков, ухудшению трансформации органических соединений. Снижение активности инвертазы нефтью обусловлено как ее токсичностью, так и уменьшением площади контакта субстрата с ферментом вследствие обволакивания ею частиц почвы.

Ферменты азотного обмена участвуют в метаболизме азота в почве и обогащают ее усвояемыми формами азота. Так, уреаза превращает азот мочевины в доступную для растений форму. Активность уреазы с увеличением концентрации нефти повышается как через месяц, так и через год после удаления нефти из почвы. Это связано с тем, что уреаза обладает высокой устойчивостью к ингибирующим факторам, а ее активность прямопропорционально зависит от содержания органического углерода в почве.

Фосфор – важнейший элемент питания растений. Недоступные соединения фосфора усваиваются растениями благодаря деятельности фосфогидролаз, отщепляющих фосфор от органических соединений. Нефть оказывает ингибирующее действие на фосфатазную активность, которая не восстанавливается и через год. Тоже происходит и с подвижными фосфатами. Следовательно, снижение фосфатазной активности свидетельствует об ухудшении плодородия загрязненных нефтью почв (Киреева Н.А., 2001).

Значительная роль в процессах трансформации серы в почве принадлежит ферментам серного обмена. Образование сульфатов связано с взаимодействием продуктов разложения органических остатков с минеральной частью почвы. Сера в почве окисляется ферментами в две стадии. Первую стадию – окисление сульфидов до сульфитов – катализируют сульфидоксидазы, вторую – окисление сульфитов до сульфатов – сульфитоксидазы. При загрязнении нефтью с увеличением дозы токсиканта снижается активность сульфитоксидазы. В течение вегетационного периода интенсивность окисления сульфитов возрастает, но ингибирующее действие нефти сохраняется. Снижение скорости окисления сульфитов в нефтезагрязненных почвах ведет к сдвигу серного режима в направлении образования сульфитов и может служить показателем загрязненности почв.

5. Пригодность почв, загрязненных нефтью, для сельскохозяйственного использования

С расширением масштабов загрязнения почв нефтью обостряется проблема их сельскохозяйственного использования. Хотя небольшие количества нефти могут оказывать стимулирующее влияние на рост растений, в большинстве случаев оказывает токсическое действие.

Природное содержание рассеянных углеводородов в почвенном покрове мира колеблется 0,01 до 0,02-0,03 % или от 10 до 200-300 мг/кг. Чаще всего геохимический фон содержания углеводородов в почвах находится в пределах 10-50 мг/кг сухой массы. Но в местах добычи, транспортировки и переработки нефти ее содержание значительно превышает фоновые уровни. Потери нефти, в среднем, составляют 0,25-0,30% от уровня годовой мировой добычи. В России уровень добычи нефти составил 450 млн. т и, следовательно, потери могли превысить 1000 т. Техногенные потоки углеводородов в ландшафтах приводят к утрате продуктивности земель, деградации растительности, образованию так называемых бедленов. Почвы и грунты, сильно загрязненные нефтью и нефтепродуктами, характеризуются неблагоприятными структурными и физико-химическими свойствами, что создает проблемы при их использовании в хозяйственных целях.

Нефть включает в себя множество разновидностей смолисто-углеводородных компонентов и не обладает строго определенным химическим составом, что затрудняет определение ее предельно допустимых концентраций в почвах. Концентрации многочисленных элементов, насчитываемых в нефти, во всем мире изменяются незначительно, в пределах 3 – 4% . Основными нефтеобразующими элементами являются: углерод (83-87%), водород (12-14%), азот, сера, кислород (1-2%). Микроэлементы составляют десятые и сотые доли процента (Афанасьев Р.А., 2006).

Токсические свойства нефти зависят также от региональных почвенно-климатических условий и биологических особенностей растений и почвенной биоты. В разных странах существуют определенные уровни максимально допустимого загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами. Концентрация нефти и нефтепродуктов в почве до 500 мг/кг, если они не содержат много ароматических углеводородов и токсических примесей, не оказывает вредного влияния на окружающую среду. Максимально безопасная концентрация нефтепродуктов в почвах, когда не требуется проведения каких-либо мероприятий по рекультивации этих почв. При загрязнении почв от 1000-5000 мг/кг требуются мягкие мероприятия по усилению процессов их самоочищения: устранение источников загрязнения почв нефтью, выше которого требуются интенсивные мероприятия по их рекультивации, находится в пределах от 5000-10000 мг/кг.

Микрополевые опыты закладывали согласно общепринятым методическим указаниям. Почва дерново-подзолистая суглинистая с исходным содержанием гумуса (по Тюрину) 1,3%, лекгогидролизуемого азота 122 мг/кг, азота нитратного 27 мг/кг, подвижного фосфора (по Кирсанову) 110 мг/кг, калия 138 мг/кг, при рН 4,6.

Схема опыта 1 с редисом: 1) контроль, 2) содержание нефти в почве, мг/кг, 250, 3) 500, 4) 750; опыта 2: 1) контроль, 2) содержание нефти в почве, мг/кг, 1000, 3) 5000, 45) 10000. Опыт 3 с салатом: 1) контроль, 2) содержание нефти в почве, мг/кг, 1000, 3) 5000, 4) 10000. В опыте 4 с культурой картофеля изучали концентрации нефти в почве 0, 500, 1000 и 1500 мг/кг (Афанасьев Р.А., 2006).

Опыты с овощными культурами (редис и салат) проведены в трехкратной повторности в сосудах без дна. Нефть внесли перед набивкой сосудов при тщательном перемешивании ее с почвой. В течение вегетации растений регулярно подливали и подкармливали минеральными удобрениями. Опыт с картофелем, также в трехкратной повторности. Нефть на полиэтиленовой пленке перемешивали с ограниченным объемом почвы, которую затем вносили на поверхность делянки и тщательно перемешивают на глубину обрабатываемого слоя. Площадь делянки – 0,7 м2. делянки между собой разделяли пластмассовыми перегородками, что исключило взаимовлияние вариантов нефтезагрязнения почвы (горизонтальной миграции) на растения. В опыте использована традиционная агротехника возделывания картофеля. При посадке клубней картофеля применяли локально навоз и минеральные удобрения, которые вносили общим фоном на все делянки опыта, включая контрольные.

В опыте с редисом было установлено, что минимальный уровень нефтезагрязнения почвы не влиял на урожайность культуры, средний достоверно повысил ее на 30,7%, а повышенный снижал урожайность корнеплодов на 19,6% по отношению к контролю. В опыте 2 при содержании нефти в почве 1000 мг/кг урожайность редиса снизилась на 32%, а при 5000 и 10000 мг/кг на 72-69% (Афанасьев Р.А., 2006).

Граница между стимулирующим и угнетающим действием загрязнения почвы нефтью на массу отдельных корнеплодов лежала между 500 и 750 мг/кг.

С ростом концентрации нефти в почве содержание нитратов в корнеплодах уменьшилось, заметно увеличилась концентрация витамина С.

Концентрация нефти в почве 500 мг/кг для редиса, 1000 мг/кг для салата и картофеля неоднозначно влияли на качество хозяйственной части урожая. Хотя содержание нитратов у всех культур при слабом нефтезагрязнении почвы соответствовало нормативам безопасности продовольственного сырья, отмечена устойчивая тенденция снижения нитратов с повышением уровня нефтезагрязнения у редиса, менее выраженная у салата и противоположная – у картофеля. В отношении витамина С установлена устойчивая тенденция повышения его концентрации с интенсивностью нефтезагрязнения почвы у редиса и в меньшей мере – у салата. В картофеле при применяемых в опыте уровнях нефтезагрязнения содержание витамина С тесно коррелировало с величиной урожайности (0,93). При этом загрязнение почвы нефтью значительно, на 5-10% превышало содержание крахмала в клубнях (Афанасьев Р.А., 2006).

6. Методы рекультивации нефтезагрязненных почв

Процесс самовосстановления экосистем после нефтяного загрязнения в течение длительного времени. По этой причине разработан ряд технических решений обеспечивающих ускоренное восстановление нефтезагрязненных территорий.

Засыпка загрязненных участков грунтом и вывоз загрязненной почвы в отвалы, считается малоэффективной, поскольку сводится по существу к пространственному перераспределению загрязнения, но не его ликвидации.

Термический способ предусматривает сжигание нефтепродуктов на поверхности почвы, либо в специальных установках. Достоинством этого метода является относительно короткое время исполнения, но этот метод в настоящее время признается малоэффективным и даже вредным по следующим причинам: сжигание возможно, если нефть лежит на поверхности густым слоем или собрана в накопители, пропитанная ею почва или грунт гореть не будут; на месте сожженных нефтепродуктов продуктивность почв, как правило, не восстанавливается, а среди продуктов сгорания, появляется много токсичных, канцерогенных веществ.

Термоэкстракционный способ предусматривает очистку почв в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром. Этот метод хорош для небольших объемов перерабатываемого материала с очень высоким уровнем загрязнения, но становится слишком дорогостоящим и малоэффективным для больших объемов грунта. Во-первых, требуются большие земляные работы для пропускания грунта через установки и укладки его на место, в результате чего разрушается естественный ландшафт; во-вторых, после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды; в-третьих, остается проблема утилизации отходящих экстрактов, содержащих нефтепродукты и другие токсичные вещества.

Технология экстракционной очистки почв путем промывания их поверхностно-активными веществами может обеспечить удаление до 86% нефти и считается наиболее эффективной для глубокозалегающих водоносных горизонтов, по которым фильтруется загрязненная вода. Применение его же в широких масштабах вряд ли целесообразно.

Технология микробиологической рекультивации предусматривает внесение в загрязненную почву штаммов микроорганизмов. Но, следует отметить, что многоступенчатость биохимических процессов разложения углеводородов разными группами микроорганизмов, осложняющаяся разнообразием химического состава нефти, обуславливает сложность регуляции устойчивого процесса их разложения. Возникают также сложные проблемы взаимодействия вносимых в почву популяций с естественной микрофлорой. Определенные трудности связаны с отсутствием современных технических средств и методов непрерывного наблюдения и регулирования многофакторной системы субстрат-микробиоценоз – продукты метаболизма в условиях реальной почвы.

Наиболее оптимальными и безопасными для почвенных экосистем можно считать методы рекультивации, основанные на интенсификации процессов самоочищения. Суть концепции восстановления ландшафтов – максимальная мобилизация их внутренних ресурсов на восстановление своих первоначальных функций. Выделяется три этапа рекультивации почв:

1- первый этап рекультивации соответствует наиболее токсичной геохимической обстановке, максимальному ингибированию биоценозов. На этом этапе целесообразно проводить подготовительные мероприятия: аэрацию, увлажнение, локализацию загрязнения. Цель этих мероприятий интенсификация микробиологических процессов, а также фотохимического и физического процессов разложения нефти, снижения ее концентрации в почве. На этом этапе оценивается глубина изменения почвенной экосистемы, направленность ее естественной эволюции. Длительность первого этапа в разных природных зонах различна, в средней полосе она равна примерно одному году.

2- на втором этапе, на загрязненных участках проводится пробный посев культур с целью оценить остаточную фитотоксичность почв, интенсифицировать процессы биодеградации нефти, улучшить агрофизические свойства почвы. На этом этапе проводится регулирование водного режима и кислотно-щелочных условий почвы, проводятся, в случае необходимости, мероприятия по рассолению.

3- на третьем этапе восстанавливаются естественные растительные биоценозы, создаются культурные фитоценозы, практикуется посев многолетних растений.

Технические мероприятия должны ограничиваться по затратам и срокам проведения таким образом, чтобы восстановить определенные свойства загрязненной экосистемы и вывести ее на траекторию ведущую к самостоятельному достижению естественного состояния.

Выводы

1- воздействия загрязнения почв нефтью на экологическую систему, поддерживаемую загрязненной территорией многогранно, и отражается в изменении свойств загрязненных почв. При этом определение тех или иных характеристик загрязненных почв является единственным источником информации об уровне их загрязнения;

2- при попадании нефти в почвенное пространство, происходит изменение структурно-механических и гидрофизических свойств почвы, приводящих в свою очередь, к появлению сложных и многообразных процессов агрофизической деградации, падению как эффективного, так и потенциального плодородия почв;

3- распределение нефтяных веществ в почвенном профиле зависит от механизма миграции нефти в почве и наличия в ней почвенно-геохимических барьеров;

4- поведение нефти и нефтепродуктов при их попадании в ландшафты, особенно процессы их внутриландшафтной миграции и метаболизма, крайне сложны и очень длительны. С течением времени происходит внутрипочвенная деструкция поступившего загрязнителя, включающая физико-химическое разрушение нефти, сорбцию-десорбцию составляющих нефть компонентов, их растворение, деградацию, образование и разрушение эмульсий и т.д.;

5- мероприятия должны ограничиваться по затратам и срокам проведения таким образом, чтобы восстановить определенные свойства загрязненной экосистемы и вывести ее на траекторию ведущую к самостоятельному достижению естественного состояния.

Библиографический список
Аканов Э.Н. Процессы фотосинтетического и дыхательного газообмена при загрязнении почвы нефтепродуктами // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. – 1998. – № 4. – С. 18-20.

Аммосова Я.М., и др. Нефтезагрязненные почвы / Я.М. Аммосова, С.Я. Трофимов, Н.И. Суханова // Агрохимический вестник. – 1999. – № 5. – С.37-38.

Афанасьев Р.А., Мерзлая Г.Е. Пригодность почв загрязненных нефтью, для сельскохозяйственного использования / Р.А. Афанасьев, Г.Е. Мерзлая // Плодородие. – 2006. – № 3. – С. 33-34.

Влияние нефтяного загрязнения на некоторые компоненты экосистемы / Ф.Х. Хазиев, Е.Н. Тишкина, Н.А. Киреева и др.// Агрохимия. – 1988. – № 2. – С. 56-61.

Гилязов М.Ю. Изменение некоторых агрохимических свойств выщелоченного чернозема при загрязнении его нефтью // Агрохимия. – 1980. – № 12. – С. 73-75.

Демиденко А.Я. Изучение питательного режима почв, загрязненных нефтью / А.Я. Демиденко В.М. Демурджан, Л.Д. Шеянова // Агрохимия. – 1983. – № 9. – С. 100-103.

Зильберман М.В., Порошина Е.А., Зырянова Е.В. Биотестирование почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. – ФГУ УралНИИ «Экология», Пермь, 2005;

Киреева Н.А. Влияние нефтяного загрязнения на целлюлазную активность почв / Н.А. Киреева, В.В. Водопьянов, А.М. Мифтахова // Почвоведение. – 2000в. – № 6. – С. 748-753.

Киреева Н.А. Диагностические критерии самоочищения почвы от нефти / Н.А. Киреева, Е.И. Новоселова, Г.Ф. Ямалетдинова // ЭКиП. – 2001а. – № 12. – С. 34-36.

Лозановская И.Н., Орлов Д.С, Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. – учеб. пособие для хим. и хим.-технол. и биол. спец. вузов. – М.: Высш. шк. – 1998;

Оборин А.А. Нефтезагрязненные биогеоценозы. – УрО РАН, Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2008.

Пиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах // Восстановление нефтезагрязненных почв экосистем. – М.: Наука, 1988. – 254 с.

Солнцева Н.П. Общие закономерности транслокации почв в районах добычи нефти // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. – М.: Наука, 1988. – С. 23-41.





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации