Влияние нефтепродуктов на рост и развитие растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»

Кафедра экологии

Курсовая работа

по дисциплине «Основы экотоксикологии»

Влияние нефтепродуктов на рост и развитие растений

Исполнитель: студентка агрохимического факультета

специальности «Агроэкология» группы АЭ-51

Кожевникова М.И.

Руководитель:

Пименова Е.В.

Пермь 2009

Содержание

Введение

1. Нефть и ее токсичность

2. Источники поступления нефти в почву

3. Влияние нефти и нефтепродуктов на свойства почвы

4. Влияние нефтяного загрязнения на рост и развитие растений

5. Чувствительность растений к нефтяному загрязнению

Выводы

Библиографический список

Введение

Нефтяное загрязнение почв по масштабам проявления и глубине последствий занимает одно из ведущих мест в «рейтинге» экологических проблем современности. Загрязнение почв нефтью является неизбежным последствием использования технологических процессов ее добычи, переработки и транспортировки.

В связи с увеличением количества чрезвычайных ситуаций на объектах нефтяной отрасли, негативное воздействие разливов нефти на окружающую среду становится все более существенным. Экологические последствия при этом носят трудно учитываемый характер, поскольку нефтяное загрязнение нарушает многие естественные процессы и взаимосвязи, что приводит к глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов.

Важнейшим компонентом экологических потерь, возникающих вследствие загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами, является сокращение продуктивности экологической системы. Усилия по ликвидации загрязнения и его последствий, в свою очередь, являются дополнительными экономическими потерями.

Не менее важным аспектом является загрязнение нефтью и нефтепродуктами подземных вод, в результате чего площади и объемы загрязнения в десятки и сотни раз увеличиваются. А также серьезна и актуальна проблема загрязнения нефтью почв сельскохозяйственных угодий, в результате чего они теряют свою народнохозяйственную ценность. Загрязнение нефтью сельхозугодий приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Острота защиты растений от вредного воздействия нефтедобычи состоит в том, что нефтетранспортировкой заняты большие территории, более трети суши земного шара, причем значительная часть земель еще не изъята из сельскохозяйственного пользования. Поэтому изучение степени воздействия нефти и нефтепродуктов на характер и скорость трансформации растительного покрова в районах нефтедобывающих комплексов становится на сегодняшний день актуальной задачей при разработке рекультивационных мероприятий нефтезагрязненных земель.

Целью курсовой работы является изучение влияния нефтяного загрязнения почв на рост и развитие растений.

В рамках этой цели были поставлены следующие задачи:

1) Описать нефть и токсичность ее компонентов;

2) Рассмотреть источники поступления загрязнителей в почву;

3) Рассмотреть влияние нефти на свойства почвы с точки зрения косвенного влияния на растения;

4) Изучить прямое влияние нефти на растения;

5) Рассмотреть чувствительность различных растений к нефтяному загрязнению.

1. Нефть и ее токсичность

Нефть является экологически опасным веществом, которое при попадании в окружающую среду (в почву, в водоемы) нарушает, угнетает и заставляет протекать иначе все жизненные процессы. Степень воздействия зависит от ее количественного и качественного состава.

Нефть представляет собой естественную смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть (80-90%) - жидкие углеводороды с числом атомов углерода в молекуле от 1 до 40 (C₁-C₄₀) и гетероатомные органические соединения (смолы), преимущественно сернистые, азотистые и кислородные, содержание которых в нефти не более 4-5%.

Остальные компоненты - растворенные углеводородные газы с числом атомов углерода в молекуле от 1 до 4, их содержание в нефти колеблется от десятых долей до 4%; вода (от следов до 10%); минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1-4000 мг/л и более); растворы солей органических кислот, а также механические примеси (частицы глины, песка, известняка).

Классификация нефти основана на характере содержания ее компонентов: углеводородного состава, легких фракций, парафина, серы (Физико-химическая характеристика нефти, 1975).

Нефть характеризуется рядом физико-химических характеристик, таких как плотность, вязкость, содержание отдельных элементов и т.д.

В составе нефти выделяют легкие фракции (начало кипения 200° С), где преобладают метановые углеводороды (алканы). Содержание легких фракций в нефтях разных месторождений и даже разных продуктивных горизонтов одного и того же месторождения сильно изменяются.

В легкой фракции нефти низкомолекулярные нормальные алканы составляют 50-70% (пентан, гексан, гептан и др.), они хорошо растворимы в воде и легко проникают в клетки через мембраны, оказывая токсическое действие на живые организмы. Значительная часть легкой фракции нефти разлагается и улетучивается еще на поверхности почвы. С уменьшением содержания легкой фракции ее токсичность уменьшается, однако возрастает токсичность ароматических соединений, относительное содержание которых растет (Гольберг В. М., 2001).

Ароматические углеводороды (арены) - циклические углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец. Основную массу ароматических структур составляют моноядерные углеводороды - бензол и его гомологи.

Арены являются наиболее токсичными компонентами нефти. Так, с увеличением ароматичности нефти растет их гербицидная активность.

Наиболее опасна группа полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) состоят из 2 и более ароматических колец и содержатся в нефти от 1 до 4%. Среди ПАУ особое внимание уделяется 3,4-бензпирену, как наиболее распространенному представителю канцерогенных веществ. Его содержание в нефтях колеблется от 250 до 8050 млрд^-1 (мкг/кг). При этом в продуктах переработки нефти его содержание увеличивается.

Моноядерные углеводороды оказывают более быстрое токсическое воздействие на организмы, чем ПАУ, так как ПАУ медленнее проникают через мембраны клеток. Однако, в целом, ПАУ действуют более длительное время, являясь хроническими токсикантами. Многие ароматические углеводороды характеризуются ярко выраженной мутагенностью и канцерогенностью.

Ароматические углеводороды трудно поддаются разрушению. Главным фактором деградации ПАУ в окружающей среде, в особенности в воде и воздухе, является фотолиз, инициированный ультрафиолетовым излучением. В почве этот процесс может происходить только на ее поверхности.

Содержание циклоалканов (С_nН_2n, n >3) в нефти колеблется от 35 до 65%. О токсичности нафтеновых углеводородов сведений почти не имеется. Вместе с тем имеются данные о нафтенах как о стимулирующих веществах при действии на живой организм (лечебная нефть Нафталанского месторождения в Азербайджане).

Содержание высокомолекулярных метановых углеводородов (С₁₂-С₂₇) в составе нефти обычно составляет 0,2-3%. Они практически нерастворимы в воде, и их токсичность слабее, чем у низкомолекулярных структур.

Твердые метановые углеводороды (парафины) не токсичны для живых организмов, но вследствие высокой температуры застывания (+18 °С) и растворимости в нефти (при +40^оС), в условиях земной поверхности они переходят в твердое состояние, лишая нефть подвижности и могут надолго закрыть часть порового пространства почвы, нарушая тем самым водный и воздушный баланс почвы (Гольберг В. М., 2001).

В жидких углеводородах нефти растворены высокомолекулярные смолисто-асфальтеновые вещества. Это соединения играют важную роль в составе нефти, определяя ее физические свойства и химическую активность. Смолы представляют собой вязкие мазеподобные вещества темно-бурого цвета, они содержат больше водорода и меньше углерода, по сравнению с асфальтенами. Асфальтены - хрупкие твердые вещества, обычно черного цвета и представляют собой продукты конденсации 2-3 молекул смол. Они не растворимы в низкомолекулярных углеводородах. Смолисто-асфальтеновая фракция нефти устойчива к разложению и поэтому может надолго задерживаться в верхних горизонтах почвы, ухудшая ее водно-физические свойства. Кроме того с этими группами соединений связана основная часть микроэлементов нефти. Наиболее высоки концентрации V и Ni, а на отдельных месторождениях в нефтях и углеводородных газах довольно много Hg и As.

Важными с экологических позиций компонентами нефти являются присутствующие в ней соединения серы (элементарная, сероводородная, сульфидная, меркаптановая).

Серосодержащие соединения, входящие в состав нефти, могут оказывать вредное действие на живые организмы, и особенно сильным токсическим действием отличается сероводород. Он присутствует в нефти в растворенном состоянии и может образовываться при загрязнении сернистой нефтью почв с избыточным увлажнением (Физико-химическая характеристика нефти, 1975).

Главной особенностью сырой нефти как загрязняющего вещества является постоянное наличие таких сопутствующих компонентов, как минерализованные пластовые воды, соли щелочных металлов, сероводород, углеводородные газы, без которых в чистом виде нефть в природе не существует. Поэтому воздействие сырой нефти и нефтепродуктов на почвенный покров является комплексным, многоплановым и обусловлено, прежде всего, количеством, химическим составом, а также свойствами различных органических и неорганических веществ и соединений, входящих в состав данных поллютантов.

Нефть и нефтепродукты загрязняют природную среду в широких масштабах, так как для них характерна большая подвижность. Перемещение нефтяных компонентов в почвенном пространстве может происходить как в радиальном направлении, то есть в глубь почвенного профиля, так и в латеральном направлении - в соответствии с уклоном поверхности. При этом на процесс миграции оказываю влияние различные факторы: климатические условия, тип почвы, влажность и гранулометрический состав почвы, а также количество и химический состав нефтяных компонентов, их вязкость, температура замерзания и длительность присутствия в почвенном профиле.

Нефть и нефтепродукты в естественных условиях разлагаются полностью в течение многих лет, все это время нанося природе ущерб. Они нарушают функционирование природных экосистем, происходит катастрофическая деградация сельскохозяйственных угодий. На нефтезагрязненных почвах замедляется рост и развитие растений, значительно снижается урожайность сельскохозяйственных культур. Это связанно, в первую очередь, с прямым фитотоксичным действием нефти на растения (Водопьянов В. В., 2004).

Для того чтобы полностью восстановить жизнеспособность загрязненного нефтью участка, необходимо максимально полно очистить почву от нефтяного загрязнения (Кузнецов Ф. М., 2003).

2. Источники поступления нефти в почву

Нефть и нефтепродукты являются наиболее масштабными загрязнителями окружающей среды. Основные источники загрязнений - добывающие предприятия, системы перекачки и транспортировки, нефтяные терминалы и нефтебазы, хранилища нефтепродуктов, железнодорожный транспорт, речные и морские нефтеналивные танкеры, автозаправочные комплексы и станции. Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов на данных предприятиях приводят к длительному загрязнению природных ландшафтов (Киреева Н. А. и другие, 2005). Немалая доля таких происшествий связана с авариями на нефтехранилищах и их ненадлежащей эксплуатацией. При этом даже после прекращения эксплуатации таких нефтехранилищ они долгие годы остаются источниками загрязнения (Поляков И. Н., 2005).

К основным сооружениям нефтепромысла относятся скважины, компрессорно-насосные станции, нефтехранилища, пункты первичной подготовки нефти, трубопроводы, амбары, отстойники. Каждое из этих сооружений может представлять собой потенциальный источник химического загрязнения окружающей среды (Поляков И. Н., 2005).

Нефть извлекается на поверхность с другими элементами геологической среды:

1) пластовая жидкость, состоящая из сырой нефти, газа, высокоминерализованных пластовых вод, и формирующая техногенные потоки от эксплуатирующихся скважин или при аварийном прорыве трубопроводов;

2) соленые сточные воды, полученные в процессе первичной переработки нефти, которые попадают в почвы и водоемы в результате аварий на компрессорно-насосных станциях или самопроизвольных разливов на законтурных скважинах;

3) подземные воды, аналогичные по составу со сточными водами, использующиеся для поддержания пластового давления в продуктивных пластах;

4) буровые растворы с различными химическими добавками (кислотами, солями, поверхностно-активными веществами), применяемые для промывки стволов скважин во время бурения.

Попадание этих вод в окружающую среду происходит в результате нарушения технологии, износа оборудования, аварийных ситуаций.

На территории России находится 1600 нефтебаз и хранилищ нефтепродуктов, около 30 нефтеперерабатывающих предприятий, эксплуатируется примерно 140 тыс. скважин. Общая протяженность магистральных трубопроводов - 207 тыс. км, ненамного меньшую протяженность имеет внутрипромысловая сеть. Магистральные трубопроводы проходят вблизи населенных пунктов и промышленных предприятий, 15000 раз пересекают железные и шоссейные дороги, 2000 раз - реки, каналы и озера.

К настоящему времени значительная часть магистральных трубопроводов на территории России устарела - 30% газопроводов и 46% нефтепроводов эксплуатируются более 20 лет, а 5% газопроводов, 25% нефтепроводов и 34% продуктопроводов построены более 30 лет назад. В таком же "преклонном" возрасте и 30% перекачивающих агрегатов. По этой причине на магистральных трубопроводах аварии, в том числе с тяжелыми экологическими последствиями, происходят все чаще. В среднем за год на каждые 3000 км магистральных трубопроводов приходится по одной аварии.

Износ внутрипромысловых трубопроводов достигает 80%, поэтому частота их разрывов на два порядка выше, чем на магистральных, и составляет 1,5-2 разрыва на 1 км, или около 30 тыс. в год (Поляков И. Н., 2005).

Также мощным фактором трансформации природных ландшафтов являются буровые скважины. На обустройство одной скважины отчуждается 2 -3 га земли. Бурение сопровождается образованием значительных объемов буровых сточных вод (в среднем 4-5 тыс. м³ на 1 скважину) и бурового раствора (до 1 тыс. м³ на 1 скважину). Буровые стоки содержат нефтепродукты, различные органические вещества, соли, химические реагенты, щелочи, тяжелые металлы и т.д. В процессе бурения так же извлекается значительное количество выбуренных пород или буровых шламов. Буровые стоки и шламы поступают для хранения в земляные котлованы (амбары) глубиной до двух метров и объемом не менее 2 тыс. м³. В пределах буровой площадки размещается 2 - 3 таких амбара, которые являются постоянно действующими источниками загрязнения почв, поверхностных и грунтовых вод. Кроме амбаров источниками загрязнения являются склады горюче-смазочных материалов и химреагентов, а так же трубопроводы, дизельные установки и автотранспорт (Гусев А. П., 2008).

Потери при прорывах нефтепроводов варьируются в интервале от нескольких тонн до десятков тысяч тонн.

Локальные аварии представляют повышенную опасность для почв, так как нефть с сопутствующими пластовыми водами проникает в более глубокие слои почвенного профиля и не всегда может быть обнаружена при экологическом мониторинге данного участка. Наиболее сильное загрязнение почв жидкими углеводородами происходит при сбросах сырой или товарной нефти. Поступление же в почвы сточных вод, буровых растворов и т.д. не приводит к высокой степени нефтезагрязнения из-за небольшой исходной концентрации нефтяных компонентов в этих потоках, однако эти воды содержат большое количество хлоридов, солей натрия и магния и являются основной причиной засоления почв.

3. Влияние нефти и нефтепродуктов на свойства почвы

Почва, а точнее ее твердая фаза является главным сорбентом загрязняющих веществ, в том числе нефти и нефтепродуктов. Попадая в почву, они подвергаются интенсивному воздействию внешних агентов, способствующих их выветриванию, трансформации и т. д. К числу наиболее активных агентов относятся солнечная радиация, режим температуры и влажности, минеральный состав почвы и активность биологических и микробиологических процессов (Курочкина Г. Н. и другие, 2004).

По данным Пиковского Ю. И. (1988), содержание нефти в почве резко снижается в первые месяцы после загрязнения - на 40-50 %. В дальнейшем это снижение идёт очень медленно.

Загрязнения сырой нефтью и нефтепродуктами представляют большую опасность для нормального функционирования почв. Оно проявляется в изменении их физико-химических свойств, в торможении интенсивности биологических процессов, снижении растворимости большинства микроэлементов, резком увеличении соотношения между углеродом и азотом. Нефтяное загрязнение препятствует нормальному тепло- и газообмену почвы. При высоких дозах механические элементы и структурные агрегаты почвы покрываются нефтяной пленкой, которая изолирует питательные вещества от корневых систем растений. Почвенные частицы слипаются, а при старении и частичном окислении компонентов нефти последняя загустевает, и почвенный слой превращается в асфальтоподобную массу, которая совершенно не пригодна для роста растений. Происходит ухудшение структуры почвы, реакция почвенного раствора сдвигается в щелочную сторону, общее содержание углерода увеличивается в 2-10 раз, а количество углеводородов - в 10-100 раз. Общая численность и видовое разнообразие почвенных микроорганизмов при этом претерпевают значительные изменения (Зволинский В. П. и другие, 2005).

Содержание подвижного фосфора при нефтяном загрязнении снижается так же, как и обменного калия. По данным Хазиева Ф. Х. (1981) в загрязнённых 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.

В почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, происходит изменение содержания и состава органического вещества.

При загрязнении почв органическими соединениями изменяется качественный состав гумуса: уменьшается относительное содержание гуминовых и фульвокислот, в 1,5-3 раза увеличивается количество негидролизуемого остатка, который в свою очередь подвергается очень медленному разложению и надолго выпадает из биологического круговорота, что является одной из причин ухудшения плодородия почв (Пиковский Ю. Н., 1988)

Скорость минерализации органических соединений в почве определяется, в основном, соотношением углерода и азоту (С:N). Избыток углеродсодержащих соединений приводит к ухудшению азотного режима почв и нарушению корневого питания растений.

Также нефтяное загрязнение вызывает существенные изменения в режимах почв. В исследованиях Звягенцева Д. Г. (1989) было установлено, что 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. Большое влияние на условия увлажнения и аэрации оказывает наличие смолисто-асфальтеновых компонентов, которые изменяют водно-физические свойства почв. Смолисто-асфальтеновые компоненты нефти гидрофобны, и, обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги. В результате нарушается свободный влагообмен, почвы теряют способность впитывать и удерживать влагу.

Помимо нефти основными загрязняющими веществами в районах нефтедобычи являются пластовые минеральные воды. Своеобразный солевой и микроэлементный состав этих вод резко изменяет состояние экосистем, приводит к деградации биоценозов, подавлению или гибели растительного покрова, причем скорость трансформации почвенного комплекса выше, чем при разливах нефти, а самоочищение идет гораздо медленнее.

При загрязнении пластовыми водами в катионном составе ППК преобладают ионы натрия, нарушено соотношение между кальцием, магнием, натрием, вследствие чего почвы в определенной мере напоминают солончаки и солонцы. Также происходит повышение содержания хлоридов. Все это приводит к утрате почвой своего плодородия и гибели растений.

Помимо изменения свойств почв, нефть вызывает глубокие нарушения в функционировании микробиоты почвы.

Исследования влияния загрязнения нефтью и нефтепродуктами на микробную систему почв, проведенные многими авторами, зафиксировали изменение не только численности, но и состава почвенных микроорганизмов.

Было отмечено увеличение численности аммонифицирующих, азотофиксирующих, денитрофицирующих, сульфатредуцирующих бактерий, микромицетов, дрожжей и уменьшение численности нитрофицирующих и целлюлозоразрушающих бактерий и актиномицетов. Максимум численности микроорганизмов соответствует горизонту ферментации и снижается по профилю почв по мере уменьшения концентраций углеводородов.

Причиной стимулирующего действия нефти и нефтепродуктов на почвенную биоту является то, что при низких концентрациях нефти она служит энергетическим субстратом для микроорганизмов.

Токсичность нефти объясняется присутствием летучих ароматических УВ (толуол, ксилол, бензол), нафталина и ряда других фракций нефти. Эти соединения легко разрушаются и удаляются из почвы. Поэтому период острого токсичного действия нефти сравнительно короток.

Длительное воздействие нефти на почву приводит к изменениям ее микробиологических свойств. В нефтезагрязненной почве обнаруживаются почти все группы микроорганизмов, участвующие в окислительно-восстановительной трансформации азота. Появляются специализированные формы микроорганизмов, способные окислять твердые парафины, газообразные и ароматические углеводороды; это - бактерии рода Arthrobakter, Baccillus, Pseudomonas, спорогенные дрожжи рода Candida, Cryptococcus, и другие. Нефтяное загрязнение влияет на изменение численности актиномицетов, грибов, причем наименее чувствительны виды грибов Rhiropus nigricans, Fusarium moniliforme, Aspergillus flavus и A. ustus.

Чувствительными к воздействию нефти являются нитрофицирующие бактерии. Основными причинами снижения численности нитрофикаторов является снижение количества кислорода в почве, в результате нарушения, под действием нефтяного загрязнения, газового и водного режимов почв. Вторая причина снижения процесса нитрофикации, характеризуется тем, что нитрификаторы - хемолитотрофы очень чувствительны к наличию в среде органических соединений; большое количество легкоусвояемых органических веществ задерживает их развитие. Разложение нефти и нефтепродуктов сопровождается увеличением содержания водорастворимых продуктов метаболизма, что ограничивает рост и развитие нитрифицирующих бактерий (Колесников С. И., 2007).

В свою очередь, снижение нитрофицирующей способности почвы приводит к уменьшению численности целлюлозолитических микроорганизмов, так как развитие этих организмов зависит от содержания подвижных форм азота - важного источника их питания (Курочкина Г. Н. и другие, 2004).

Кроме того, в нефтезагрязненных почвах наблюдается интенсификация процессов денитрификации в результате избытка органики, слабощелочной реакции среды и низкого окислительно-восстановительного потенциала. Процессы денитрификации - нежелательное явление в нефтезагрязненной почве, особенно с точки зрения общего направления самоочистки, так как происходит обеднение почвы азотом, что, в свою очередь, в условиях резкого увеличения биомассы микроорганизмов и иммобилизации азота служит фактором, ограничивающим скорость самоочистки почвы.

Изменение экологической обстановки приводит к подавлению фотосинтезирующей активности растительных организмов. Прежде всего, это сказывается на развитии почвенных водорослей: от их частичного угнетения и замены одних групп другими до выпадения отдельных групп или полной гибели всей альгофлоры. Особенно значительно ингибирует развитие водорослей сырая нефть и минеральные воды (Зильберман М. В., 2005).

Одним из показателей биологической активности почв являются ферментативные реакции, которые могут служить дополнительным диагностическим показателем почвенного плодородия и его изменения в результате антропогенного воздействия.

Выявлено неоднозначное воздействие нефти и нефтепродуктов на активность почвенных ферментов. В зависимости от вида и дозы загрязнителя, типа почв, природных условий, группы почвенных ферментов, продолжительности загрязнения ферментативная активность почв может как усиливаться, так и ослабевать (Колесников С. И., 2007).

Так, в исследованиях Курочкиной Г. Н. (2004), наблюдалось усиление ферментативной активности уреазы и аспарагиназы. Уреаза - фермент, катализирующий гидролиз мочевины до аммиака и углекислого газа. Аммиак служит непосредственным источником азотного питания для высших растений. Изменение уреазной активности находится в полном соответствии с ростом численности аммонифицирующих микроорганизмов. Аспарагиназа - фермент, играющий существенную роль в азотистом обмене, катализируя превращение важного промежуточного продукта обмена веществ - аспарагина в аспарагиновую кислоту и аммиак (Курочкина Г. Н. и другие, 2004).

Помимо того, была отмечена четкая зависимость снижения активности ферментов от степени загрязнения почвы нефтью для карбогидраз. Карбогидразы - ферменты, расщепляющие углеводы различной химической природы и происхождения (инвертаза, целлюлаза, амилаза и др.), являются хорошими показателями биологической активности почвы. В тех же исследованиях Курочкиной Г. Н. (2004), была установлена прямая зависимость активности инвертазы от степени загрязнения почвы. Чем больше доза нефти, тем ниже активность фермента инвертазы.

Разложение нефтяных углеводородов в почве происходит при обязательном участии оксидоредуктаз. В исследованиях Киреевой Н. А. (2002), была установлена высокая чувствительность к загрязнению этой группы ферментов: каталазы в большей степени, чем дегидрогеназы.

Наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению ферменты, трансформирующие вещества ароматической природы - полифенолоксидаза и пероксидаза (Киреева Н. А., 2002).

В настоящее время наименьшее внимание уделяется исследованию трансбиотического влияния нефтяного загрязнения почв на растения. А между тем, в исследованиях некоторых авторов (Несветайлова Н. Г., Викторов С. В., Лебедева Е. В.) отмечалось повышение численности фитопатогенных организмов в условиях нефтяного загрязнения. Также было зарегистрировано увеличение количества почвенных грибов, продуцирующих токсины, которые угнетают и вызывают гибель растений (Оборин А. А., 2008).

Таким образом, загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами вызывает резкие реакции во всех ее компонентах, при этом происходят глубокие и часто необратимые изменения морфологических, физических, физико-химических, микробиологических свойств, что приводит к уменьшению продуктивности естественных и искусственных биоценозов, в частности к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Все это, в конечном счете, может привести к отторжению огромных территорий из сельскохозяйственного землепользования.

4. Влияние нефтяного загрязнения на рост и развитие растений

Воздействие загрязнения почв нефтепродуктами на жизнедеятельность растений носит неоднозначный характер.

Многочисленными работами установлено, что загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами приводит к замедлению роста и развития растений. Главными причинами замедленного развития растений или их гибели в результате загрязнения служат нарушения поступления воды, питательных веществ и кислородного голодания (Колесников С. И., 2007).

В то же время, некоторыми исследователями отмечалось стимулирующее действие нефти на рост растений. Установлено, что решающее значение имеет степень загрязнения (доза нефти), и агрохимический фон (Зильберман М. В., 2005).

В работе Кувшинской Л. В. (2003) указывается, что в почвах с повышенным содержанием органического вещества низкие дозы загрязнения (1г/кг) усиливают рост и развитие тест-культур. Влияние нефтезагрязнения проявляется с дозы 15-30 г/кг. В почвах с низкими агрохимическими показателями внесение загрязнителя сказывается на развитии тест-культур при самых низких дозах.

По мнению И. И. Шиловой (1988), в основе стимулирующего действия углеводородов нефти на растения лежат три фактора:

· действие на растения ростовых веществ, имеющихся в нефти;

· внесение в почву дополнительного органического вещества;

· минеральных элементов, улучшающих питание растений;

· увеличение площади питания выживших растений и уменьшение конкуренции вследствие прореживания травостоя (Восстановление…,1988)

Нефть, как и другие загрязняющие почву химические вещества, помимо косвенного воздействия (нарушая свойства почв) оказывает на растения и прямое действие, которое заключается в поступлении нефти из почвы в растение и нарушении его метаболизма. При этом значительное загрязнение почв нарушает фотосинтетическую активность растений.

Так, в исследованиях проведенных В. А. Веселовской было установлено, что углеводороды нефти оказывают ингибирующее действие на метаболизм клеток, в частности на фотосинтез. При этом было отмечено, что наиболее токсичной для клеток цианобактерий является тяжелая фракция нефти. В ее присутствии уже через несколько дней в культуре, выраженной при температуре 15^оС, погибли все клетки. При этом добавление в среду культивируемых клеток одновременно с тяжелой фракцией легкой снижало биологический эффект тяжелой фракции (Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем, 1988).

Нефть и нефтепродукты поступают в клетки и сосуды растений и вызывают разнообразные токсические эффекты. Многими лабораторными исследованиями показано, что негативное влияние нефти на рост и развитие растений проявляется уже при внесении ее в дозе выше 50 мг/кг.

Токсичные эффекты проявляются в быстром повреждении, разрушении, а затем и отмирании всех живых, активно функционирующих тканей растений в вегетирующем состоянии, на которые попадают ее брызги. Нефть оказывает отрицательное влияние на рост, метаболизм и развитие растений, а так же молодые проростки, подавляет рост надземных и подземных частей растений, в значительной степени задерживает начало цветения; загрязненные нефтью цветки редко образуют семени (Зильберман М. В., 2005).

Рядом исследований показано, что под влиянием битумов у растений и растительных сообществ появляются различные более или менее выраженные аномалии - биологические и морфологические изменения. Примером таких изменений может служить карликовость, искривление стеблей, скручивание листьев и некоторых других признаках. Эти изменения можно объяснить аккумуляцией в клетках растений ПАУ, обладающих канцерогенными и мутагенными свойствами (Иларионов С. А., 2004).

Углеводороды повреждают мембраны хлоропластов, митохондрий, мембраны клеток корня (Оборин А. А., 2008).

На загрязненных участках, при наличии сплошного покрытия нефтяной пленкой, вдоль линии нефтепроводов, отмечается полная гибель растительности.

Высокие концентрации компонентов нефти в почвах всегда угнетают жизнедеятельность растений. При этом воздействие в существенной мере зависит от химической природы углеводородов. Так, например, изучение гербицидных свойств индивидуальных углеводородов показывает, что активность соединений возрастает в такой последовательности: парафины, олефины, нафтены, ароматические углеводороды. Гербицидное действие парафиновых углеводородов усиливается с повышением молекулярного веса, но до известного предела, после чего оно ослабевает (Зильберман М. В., 2005).

При этом следует отметить, что характер физиологического действия углеводорода предопределяется природой растительного объекта, углеводороды, проявляющие высокие гербицидные свойства на одних видах растений, могут быть совершенно неактивными на других.

В исследованиях В. В. Водопьянова (2004) было показано, что наибольшей фитотоксичностью обладают легкие фракции нефти (предельные алканы, алкены и ароматические углеводороды с одним бензольным кольцом), которые даже в малых дозах ингибировали рост растений. Степень токсичности ароматических углеводородов увеличивается при переходе от бензола к толуолу, ксилолам и триметилбензолам. Высокой токсичностью к растениям обладают такие углеводороды как этилбензол, кумол, цимол, амилбензол и другие (Зильберман М. В., 2005).

По данным Угрехелидзе Д. Ш. (1976), ароматические углеводороды характеризуются значительно более высокой физиологической активностью, чем соответствующие алканы и циклоалканы. Бензол in vivo ингибирует ферментные системы растений. Ингибирующее действие бензола связано с продуктами его биологического окисления, в основном с о-бензохиноном, который, вступая в реакцию с аминогруппами белков, инактивирует ферменты. Причём ингибировать металлоферменты способны только хиноны, обладающие хотя бы одной свободной ендионной группировкой.

Отметим, что физиолого-биохимические механизмы воздействия алифатических и ароматических углеводородов на высшие растения до настоящего времени полностью не изучены, однако анализ существующих литературных данных позволяет сделать некоторые выводы. В частности, некоторые экспериментальные данные, указывают на то, что высшие растения способны через корни поглощать углеводороды и трансформировать их, посредством включения в процессы метаболизма. Так, было показано, что проростки пшеницы и ржи, выращенные на различных почвах и питательных растворах, к которым добавляли 3,4-бензпирен, усваивают этот углеводород корнями. При этом усвоенный корнями ржи 3,4-бензпирен транспортируется в надземные органы в неизмененном виде (Зильберман М. В., 2005).

Результаты исследований, проведенных Д. Ш. Угрехилидзе (1976) на большом количестве растений дают основание предполагать, что способность к усвоению и превращению является общим свойством высших растений.

Ранее считалось общепринятым, что высшие растения способны лишь синтезировать соединения ароматического ряда, а использование запасенной в них энергии, разрыв ароматических (бензольных) ядер осуществляется в природе микроорганизмами. После проведенных Запрометовым М. Н. работ, где впервые было показано экспериментальным путём способность растений к расщеплению бензольного ядра, появились многочисленные данные, указывающие на то, что высшие растения используют соединения ароматического ряда в качестве источников энергии и углерода (Зильберман М. В., 2005).

По данным Д. Ш. Угрехилидзе (1976) проводились исследования продуктов превращения бензола 1- 6 С¹⁴ в проростках кукурузы и чая, в побегах клена полевого и лоха узколистого. Бензол вводился через корни в виде насыщенного водного раствора, или через листья в виде пара. Оказалось, что в обоих случаях из бензола образуются одни и те же метаболиты.

Из перечисленных данных видно, что растения могут активно участвовать в трансформации нефтяных загрязнений. Поэтому изучение процессов метаболизма углеводородов в растениях может представлять существенный интерес с точки зрения детоксикации нефти и как способ естественного восстановления почвенных экосистем.

В то же время воздействие нефти, нефтепродуктов и продуктов их трансформации, прямым или косвенным образом отражается на самой жизнедеятельности самих растений.

Как отмечалось ранее, в районах нефтедобычи помимо нефти на поверхность извлекаются и другие элементы геологической среды, в частности пластовые минерализованные воды (ПМВ). Данные воды в своем составе всегда содержат хлор, а также различные соли натрия, магния. Загрязнение почвы такими водами приводит к хлоридно-натриевому засолению, именуемому техногенным галогенезом почвы.

Большинство травянистых растений, как сельскохозяйственных, так и дикорастущих, не выносят содержания солей в субстрате более чем 3 г/л, поэтому при внесении ПМВ в почву происходит резкое уменьшение количества видов растений вследствие отмирания растительных сообществ.

Токсичность ПМВ для растений выражается в образовании некрозов на листьях, остановке роста и развития (задержка цветения и плодоношения) травянистых растений. (Козловская Н. В., 2001).

К непосредственному воздействию нужно отнести также механические нарушения природных ландшафтов в зоне нефтедобычи. Так, бурение нефтяных скважин вызывает значительные нарушения растительного покрова, особенно на начальном этапе строительства: при вырубке леса, прокладывании дорог, коммуникаций, трубопроводов, засыпке естественных элементов рельефа. Механическим нарушениям подвергается не только растительный покров, но и почвы и рельеф. Причем со временем эксплуатации данные нарушения увеличиваются (Гусев А. П., 2008).

Таким образом, влияние на растения нефти при загрязнении почвы можно разделить на прямое, то есть непосредственно токсическое или стимулирующее действие углеводородов и других веществ, содержащихся в нефти, и косвенное (опосредованное) - через изменения физико-химических свойств почвы, трансформацию почвенного микробного сообщества. При этом следует отметить наибольшую значимость косвенного воздействия, так как оно, в отличие от прямого, в значительной степени зависит от других экологических факторов и может сильно варьировать в зависимости от окружающих условий (Оборин А. А., 2008).

5. Чувствительность растений к нефтяному загрязнению

Фотоавтотрофные организмы 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.

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

Истощение ресурсов экосистемы, связанное с нефтяным загрязнением, определенным образом влияет 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 Л. В., Яранцева Л.Д., 1976).

По наблюдениям многих исследователей, наиболее отрицательно нефть воздействует на сельскохозяйственные культуры. Среди последних наибольшей чувствительностью к содержанию нефти в почве обладают зерновые (особенно озимые) культуры и другие однодольные растения, а среди них - лугопастбищные; малочувствительным является клевер белый, а также некоторые растения из семейства крестоцветных (Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем, 1988).

И. И. Шилова изучала влияние на рост ряда растений трех степеней загрязнения почв нефтью, л/м³: 22 (сильного), 7,3 (среднего) и 2,4 (слабого). По ее данным, наименее подвержены сильному загрязнению такие растения, как ежа сборная, полевица луговая и белая, овсяница красная, костер прямой, лютик многолетний. Из этих растений только у ежи сборной и полевицы белой наблюдался полный цикл развития (Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем, 1988).

М. Н. Гашева (1990) в своих исследованиях выделила три группы дикорастущих растений, имеющих разную устойчивость к нефтяному загрязнению: 1 - злаки, осоки, ситниковые; 2 - мхи; 3 - таежное разнотравье. С увеличением концентрации нефтепродуктов в почве доля первой группы в общем проективном покрытии увеличивалась, второй - уменьшалась, а третья оставалась приблизительно постоянной.

Особенно чувствительны к углеводородам нефти уязвимые биоценозы северных районов, а также растительность олиготрофных (верховых) болот. При действии на почвенные экосистемы даже незначительных доз нефти снижает видовое разнообразие, а также происходит отмирание молодых растений, особенно страдающих от нефтяного загрязнения. Это можно объяснить неблагоприятными климатическими условиями данного региона, которые замедляют скорость протекания процесса самоочищения почв (Иларионов С. А., 2004).

Наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению растения корневищные и корнеотпрысковые. Отмирание их происходит лишь после загрязнения всей зоны развития корневой системы. Сохранение живого надпочвенного покрова, как правило, зависит от глубины проникновения нефти и соответственно - размещения подземных органов растений (Шабанова Е. Е., 2008).

Слабо реагируют на загрязнение нефтью гидрофитная и водная растительность. Так, отмечалось, что камыш озерный, рогоз узколистный, рогоз широколистный, тростник обыкновенный, осока водная, роголистник темно-зеленый устойчивы к влиянию нефти до дозы 10г/л воды; нефть в дозе 1 г/л обладала стимулирующим эффектом на рост данных растений.

Также высокой устойчивостью к нефтяному загрязнению обладают растения пустынь и полупустынь. В данных условиях на богатых битумами почвах, находящимися над зонами глубинных разломов нефтеносных территорий, отмечалось стимулирование растений. Они имели ярко зеленый цвет в течение всего вегетационного сезона, в то время как вне этих зон растительный покров полностью выгорал к началу июня, высота растений была в 2-3 раза выше, чем на незагрязненных участках, соответственно была выше и продуктивность растительных сообществ (Оборин А. А., 2008).

Устойчивость растений к нефтяному загрязнению сильно зависит от стадии их развития и биомассы. Так, в исследованиях Невзорова В. М. (1976) негативное влияние нефти на подрост сосны высотой до 75 см проявляется при дозе 5 л/м², а высотой 110-130 см - при дозе 10 л/м².

Наиболее чувствительны к токсичному воздействию нефтепродуктов растения находящиеся на ранних стадиях развития, а устойчивы - многолетние взрослые растения, так как у них происходит отрастание новых органов из спящих почек после гибели части растения после загрязнения. Поэтому нефтезагрязненные участки заселяют, прежде всего, виды растений способные к вегетативному размножению, при котором образуются уже вполне развитые растения малочувствительные к нефти в почве. Так, растения высаженные рассадой и корневищами, обладали большей устойчивостью к нефтяному загрязнению почвы, по сравнению с теми растениями, которые были посажены семенами. При этом снижение биомассы у последних, на порядок больше, чем у посаженных рассадой и корневищами растений.

Также было установлено снижение фитотоксичности нефти с увеличением размера семян. Так, растения имеющие крупные семена, при прорастании в нефтезагрязненной почве менее чувствительны к нефтяному загрязнению, чем растения обладающие мелкими семенами (Оборин А. А,, 2008).

Как уже отмечалось ранее, растения способны поглощать и трансформировать химические токсиканты, в том числе и углеводороды. Именно этой особенностью высших растений и можно объяснить их неодинаковую чувствительность по отношению к нефтяным загрязнениям.

Наиболее толерантными видами растений являются (по степени уменьшения нефтетолерантности): ежа сборная, полевица белая, тимофеевка луговая, овсяница луговая, костер безостый, бекмания восточная, а из бобовых - люпин многолетний, лядвенец рогатый, клевер шведский, клевер луговой, ползучий. Из дикорастущих видов: пырей ползучий, вейник наземный, канареечник тростникововидный (Зильберман М. В., 2005).

Данные виды растений наиболее перспективны для использования в фитомелиорации нефтезагрязненных почв, так как они отличаются не только устойчивостью к нефтяному загрязнению, но и способностью к быстрому заселению нефтезагрязненных участков.

Кроме того, эти растения, в особенности бобовые, способны создавать в прикорневой зоне особую микрофлору, которая влияет на процессы, протекающие в почве. Микроорганизмы ризосферы растений способны к деградации самых разнообразных загрязнителей, причем процессы разрушения токсичных веществ, протекают здесь гораздо быстрее, чем в почве без растений (Иларионов С. А., 2004).

Выводы

1. Нефть представляет собой естественную смесь около 1000 индивидуальных веществ. Наиболее фитотоксичными компонентами нефти являются арены (с увеличением ароматичности нефти растет гербицидная активность), а также соединения серы;

2. Масштабное поступление нефти и нефтепродуктов в почву происходит в результате аварийных разливов при добыче и транспортировке нефти;

3. Загрязнение почв нефтью приводит к глубоким и часто необратимым изменениям морфологических, физических, физико-химических, микробиологических свойств, что вызывает уменьшение продуктивности естественных и искусственных биоценозов, в частности снижение урожайности сельскохозяйственных культур;

4. Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами может оказывать как стимулирующее действие на рост и развитие растений, так и угнетающее. Решающее значение имеет степень загрязнения и агрохимический фон;

5. Углеводороды нефти, поступая из почвы в растение, повреждают мембраны хлоропластов, митохондрий, мембраны клеток корня;

6. Аккумулированные растениями ПАУ обладают мутагенным эффектом и вызывают различные морфологические изменения;

7. Растения могут активно участвовать в трансформации углеводородов нефти, в частности предельных и ароматических, что определяет их использование при детоксикации нефти в почве;

8. В зависимости от морфологии и систематической принадлежности различные растения неодинаково реагируют на нефтяное загрязнение: многолетники более устойчивы, чем однолетники, сельскохозяйственные культуру более чувствительны, чем сорные растения, наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению растения корневищные и корнеотпрысковые;

9. Толерантными видами растений являются (по степени уменьшения нефтетолерантности): ежа сборная, полевица белая, тимофеевка луговая, овсяница луговая, костер безостый, а из бобовых - люпин многолетний, лядвенец рогатый, клевер шведский, клевер луговой, ползучий. Использование этих растений наиболее оптимально при фитомелиорации нефтезагрязненных почв.

Библиографический список

токсичность нефтяной загрязнение растение

1. Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. - М.: Наука, 1988. - 254 с.

2. Водопьянов В. В., Киреева Н. А., Тарасенко Е. М. Фитотоксичность нефтезагрязненных почв (математическое моделирование) // Агрохимия. - 2004. - №10. -С.73-77

3. Гашева М. Н., Гашев Н. С., Соромотин А. В. Состояние растительности как критерий нарушенности лесных биоценозов при нефтяном загрязнении // Экология. - 1990. - № 2. - С. 77.

4. Гольберг В. М. Техногенное загрязнение природных вод углеводородами и его экологические последствия / В. М. Гольберг, В. П. Зверев, А. М. Арбузов и др. - М.: Наука, 2001. - 125 с.

5. Гусев А. П. Фитоиндикационная оценка качества рекультивации земель, нарушенных при бурении скважин // Экология и промышленность России. - 2008. - №1. - с. 39-41

6. Етеревская Л. В., Яранцева Л.Д. О влиянии на растения загрязнений почвы при бурении и разведке на нефть и газ // Растения и промышленная среда. - Киев: Наук. думка., 1976. - С. 73.

7. Зволинский В. П., Батовская Е. К., Черных Н. А. Влияние нефти и нефтепродуктов на свойства почв и почвенные микроорганизмы // Агрохимический вестник. - 2005. - № 2. - С. 22-25.

8. Зволинский В. П., Батовская Е. К., Бондаренко А. Н. Экология нефтезагрязненных почв европейской части России // Земледелие. - 2007. - № 4. - С. 13-14.

9. Звягинцев Д. Г., Гузев В. С., Левин С. В. Диагностические признаки различных уровней загрязнения почв нефтью // Почвоведение. - 1989. - № 1.

10. Зильберман М. В., Порошина Е. А., Зырянова Е. В. Биотестирование почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. - ФГУ УралНИИ «Экология», Пермь, 2005. - 111 с.

11. Иларионов С. А. Экологические аспекты восстановления нефтезагрязненных почв. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 194 с.

12. Киреева Н. А. Водопьянов В. В. Мониторинг растений, используемых для фиторемедиации нефтезагрязненных почв // Экология и промышленность России. - 2007. - №9. - С. 46-47.

13. Киреева Н. А. Ханисламова Г. М., Тарасенко Е. М. О возможности биотестирования нефтезагрязненной и рекультивируемой по выживаемости коллембол (Collembolla) // Экология. - 2005. - №5. -С. 397-400.

14. Козловская Н. В. «Трансформация почвы и травяного покрова под влияние пластовых минерализованных вод при нефтедобычи в условиях Удмуртии» Дисс. канд. биол. наук. - Пермь, 2001.

15. Колесников С. И. Биодиагностика экологического состояния почв загрязненных нефтью и нефтепродуктами / С. И. Колесников, К. Ш. Казеев, В. Ф. Вальков и др. - Ростов на /Д: изд-во ЗАО Ростиздат, 2007. - С. 192.

16. Кувшинская Л. В. «Влияние деятельности нефтедобывающего комплекса на почвенный и растительный покровы в условиях Пермской области» Дисс. канд. биол. наук. - Пермь, 2003.

17. Кузнецов Ф. М., Козлов А. П., Пименова Е. В., Середин В. В. Рекультивация нефтезагрязненных почв - ПГСХА, Пермь, 2003.- С. 196.

18. Курочкина Г. Н., Шкидченко А. Н., Амелин А. А. Влияние нового биопрепарата на ремедиацию нефтезагрязненной серой лесной почвы // Почвоведение. - 2004. - № 10. - С. 1241-1249.

19. Мельников Н. Н., Баскаков Ю. А. Химия гербицидов и стимуляторов роста растений. - М.: Госхимиздат, 1962.

20. Невзоров В. М. О вредном воздействии нефти на почву / В. М. Невзоров // Изветия вузов. Лесной журнал. - 1976. - №2. - С. 164-165

21. Оборин А. А. Нефтезагрязненные биоценозы: монография / А. А. Оборин, В. Т. Хмурчик, С. А. Иларионов, М. Ю. Маркарова; УрО РАН; Перм. гос. ун-т; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2008. - 511 с.

22. Пиковский Ю. И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах // Восстановление нефтезагрязнённых почвенных экосистем: Сб.науч.тр. - Наука, 1988. - С. 7-22.

23. Поляков И. Н., Лушников С. В., Негодяев С. В. Устранение последствий масштабного разлива нефтепродуктов на территории нефтехранилища угольного разреза // Экология и промышленность. - 2005. - № 3. - с.31-35

24. Угрехелидзе Д. Ш. Метаболизм экзогенных алканов и ароматических углеводородов в растениях. - Тбилиси.: Мецниереба, 1976 - С. 222.

25. Физико-химическая характеристика нефти СССР. - М.: Химия, 1975. - С. 82.

26. Хазиев Ф. Х., Фатхиев Ф. Ф. Изменение биохимических процессов в почвах при нефтяном загрязнении и активация разложения нефти // Агрохимия. - 1981. - № 10. - С. 102-111.

27. Шабанова Е. Е. «Оптимизация ландшафтов и лесовозобновительных процессов в условиях нефтепромыслов Удмуртской республики» Дисс. канд. сх. наук. - Екатеринбург, 2008