Экологические проблемы при углеводородном загрязнении, самоочищение и реабилитация почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

«ВНИИ Агроэкоинформ»

Московский НИИСХ «Немчиновка»

Экологические проблемы при углеводородном загрязнении,

самоочищение и реабилитация почв

Федорова Т.Н., Синиговец М.Е., Саранин Е.К., Кузьмич М.А.

Аннотация

загрязнение самоочищение земля биологический

Статья посвящена описанию катастрофического загрязнения нефтью и нефтепродуктами территории Российской Федерации, включая земли сельскохозяйственного назначения. Дается характеристика земель по способности к самоочищению. Рассматриваются различные биологические методы очистки и рекультивации загрязненных земель.

Ключевые слова: экология, почва, углеводороды, почвенная биота, самоочищение, реабилитация

К приоритетным загрязнителям биосферы относятся нефть и нефтепродукты.

Основными причинами загрязнения земель и вод нефтью и нефтепродуктами являются: аварии на магистральных и промысловых нефтетрубопроводах, аварии при транспортных перевозках нефтепродуктов, выбросы нефти на буровых скважинах, отходы прибрежных нефтеочистительных заводов, операции по обслуживанию транспорта, промышленные отходы нефтеперерабатывающих предприятий, системы отопления, работающие на нефтепродуктах (НП) и другие.

Определить объемы нефти, попадающей в природные объекты при всех авариях, крайне сложно, но можно предполагать, что только для рядовых происшествий эта величина составляет около 10 тыс. т в год. Например, комитетом по охране природы Ханты-Мансийского автономного округа выявлено 878 случаев загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами. При этом на почву и в водоемы попало примерно 7616 т нефти. Всего по автономному округу выявлено 306 га, загрязненных нефтью, нефтепродуктами, буровыми растворами и другими отходами. Только на Тюменском Севере масштабы экологического ущерба составляют примерно 6 млн. га оленьих пастбищ (12,5% общей площади), загрязнено мазутом 30 тыс. га земель. Около 73 тыс. га лесов оказались загрязненными газовыми выбросами и химическими реагентами. Поэтому в тундре России в результате разработки месторождений нефти и газа, развития энергетического комплекса и транспортной инфраструктуры деградация растительного покрова за последние годы достигла 70 млн. га. В местах освоения месторождений нефти и газа в Западной Сибири выявлено более 200 тыс. га земель, загрязненных нефтью, с толщиной пораженного слоя не менее 5 см. Наблюдения показали, что тяжелые фракции нефти сохраняются в течение нескольких лет в почве, а более легкие - смываются поверхностными стоками в водоемы и проникают в грунтовые воды. В отдельных районах Тюменской и Томской областей концентрация нефти в почвах превышает фоновые значения в 150-200 раз [1].

На магистральных нефтепроводах при крупных авариях залповые выбросы могут составлять сотни и тысячи тонн углеводородов. Так, при аварии в НГДУ «Мамонтонефть» суммарный выброс составил 3344 т. К основным причинам этого (95%) следует отнести старение трубопроводных систем с одновременным увеличением агрессивности перекачиваемых жидкостей.

Кроме этого, значительный вклад в загрязнение почв и водоемов нефтью и нефтепродуктами вносят «бесхозные» скважины, пробуренные геологоразведочными предприятиями. Гостехнадзором России только в Западно-Сибирском регионе учтено более 3,5 тысяч таких скважин, многие из которых находятся под давлением и с другими проявлениями нефти и газа. Общее количество ликвидированных и законсервированных скважин невозможно определить точно, поскольку они находятся на участках нераспределенного фонда или на лицензионных участках нефтедобывающих предприятий, не берущих их на свой баланс. Однако воздействие на окружающую природную среду таких скважин выражается в загрязнении атмосферы выбросами вредных веществ; сбросе загрязняющих веществ в поверхностные и подземные воды, на рельеф местности; извлечении с нефтью высокоминерализованных попутных вод; изменении прилегающего ландшафта в результате земляных работ, изъятия земель для строительства объектов нефтедобычи; вырубке лесов, загрязнении почвы нефтепродуктами, разрушении пластов недр, захоронении отходов бурения. Многие владельцы скважин разлитую нефть сгребают бульдозерами со снегом и выбрасывают за пределы своей площадки.

В экологическом отношении наибольшую опасность представляет загрязнение нефтепродуктами больших территорий поверхности суши и водных объектов, а также проникновение нефтепродуктов в водоносные горизонты. Выявлять, ликвидировать (консервировать) «бесхозные» нефтяные скважины, как считают в Минпромэнерго РФ, необходимо при выдаче лицензий на предоставление участков недр в пользование нефтедобывающим компаниям, то есть это должно быть одним из обязательных условий лицензирования, в том числе при ликвидации «бесхозных» скважин.

Экономический рост в стране в условиях увеличения показателей природоемкости и энергоемкости во многих отраслях промышленности ведет как к исчерпанию невозобновляемых природных ресурсов, так и к дальнейшей деградации окружающей среды. В создавшейся ситуации большинство экспертов видят выход в использовании резервов экономии наших топливных ресурсов, в том числе нефти и нефтепродуктов, за счет структурной перестройки технологий в сторону энергосберегающего оборудования и снижения энергоемкости большинства отраслей экономики. Одновременно это приведет к снижению техногенной нагрузки на природную среду и улучшению экологической ситуации в стране в целом. Вместе с тем в условиях экономического роста будет еще сложнее предотвратить дальнейшую деградацию природы в нефтедобывающих регионах [2].

Чеченская республика несколько последних десятилетий относилась к числу самых неблагоприятных в экологическом отношении территорий на Северном Кавказе. Крайне опасные масштабы негативного воздействия на природную среду республики были связаны, в первую очередь, с добычей и переработкой нефти и газа.

Загрязнение недр Чеченской республики различными нефтепродуктами началось практически с момента зарождения нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей. Как показывает промысловая практика, утечки нефти на нефтепромыслах оценивают примерно в 1-2% от годовой добычи. Суммарная добыча нефти из недр Чеченской республики за более чем 100-летнюю историю разработки нефтяных месторождений достигла 329 млн. т. Таким образом, общий объем утечек нефти на нефтепромыслах можно оценить в пределах 3-5 млн. т [3].

Мощное техногенное давление на окружающую среду Чеченской республики оказали многочисленные аварии на нефтяных скважинах в период с 1999 до 2004 гг., когда на небольшом временном интервале в открытом фонтанировании перебывало 48 скважин 16 нефтяных месторождений. В результате длительное время все компоненты геосферы были подвержены интенсивному углеводородному загрязнению. Большая часть этих скважин (56%) открыто фонтанировала с возгоранием нефти [4].

В целом во всех нефтегазодобывающих и нефтеперерабатывающих регионах на Северном Кавказе имеется широкая сеть магистральных нефтекоммуникаций протяженностью свыше 2500 км. Некоторые из них сооружены еще в конце XIX-го века (нефтепровод Грозный - Туапсе). Экологический ущерб от весьма частых аварийных прорывов этих нефтепродуктопроводов до сих пор не оценивался, но предполагается весьма масштабным. Так, по оценкам Чечено-Ингушской республиканской Госкомприроды, только по территории этой республики при протяженности магистральных нефтяных продуктопроводов в 500 км среднегодовые аварийные утечки составляли порядка 12 тыс. т. Исходя из этого, для всего Северо-Кавказского региона можно предполагать объем среднегодового поступления нефтепродуктов в подземную гидросферу и зону аэрации в 55-60 тыс. т [5].

Огромный урон экономическому состоянию земельных ресурсов нанесли мини-заводы по кустарной переработке техногенных залежей углеводородов, обнаруженных еще с 60-х годов в промышленной зоне г. Грозного и его пригородов. Начиная с 1996 года, на территории Чеченской республики действовало более тысячи мини-заводов, в результате их деятельности нарушено более 2102 га земель [6].

Продукты, полученные при кустарной переработке нефти на мини-установках, относятся в Чеченской республике к числу наиболее распространенных и опасных веществ, загрязняющих водоемы, почвы, воздух и отравляющих флору и фауну.

Загрязнение окружающей среды происходит за счет сжигания кубового остатка на мини-установках по кустарной переработке нефти, горящих и фонтанирующих нефтяных скважин, эксплуатации мини-нефтезаводов и их уничтожения, добычи техногенных нефтепродуктов открытым способом (путем рытья колодцев), тяжелых металлов, содержащихся в снарядах и минах, пожаров лесных, мазутных и нефтяных емкостей и др. [7].

Для улучшения экологической обстановки в нефтедобывающих регионах, а также в целях обеспечения экологической безопасности в нефтяной отрасли России, по мнению ученых и экспертов, необходимо принятие на федеральном и региональных уровнях мер, направленных на:

- совершенствование законодательной базы, регламентирующей природоохранную деятельность, в том числе в области возмещения вреда окружающей среде и реабилитации территорий, загрязненных и нарушенных в результате деятельности предприятий нефтегазового комплекса;

- нормативное обеспечение рекультивации нефтезагрязненных территорий и акваторий, в том числе разработку региональных нормативов допустимого остаточного содержания нефти в почвах после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ;

- организационное, финансовое и материально-техническое обеспечение мониторинга состояния окружающей среды в районах нефтегазодобычи и проведение инвентаризации земель, рыбохозяйственных водоемов и нерестилищ, выведенных из строя в результате деятельности предприятий нефтегазового комплекса;

- практическую реализацию системы льгот, предусмотренных природоохранным законодательством, в том числе при инвестировании и налогообложении предприятий нефтяного комплекса, осуществляющих целенаправленную и планомерную работу по обеспечению экологической безопасности и оздоровлению экологической обстановки в районах деятельности, в частности, по ликвидации «бесхозных» скважин, не входящих в границы лицензионных участков. Формирование реестра фонда скважин на нефтяное сырье должно рассматриваться как составная часть указанных мер, а сам реестр - как основа систематизированного учета и оценки влияния объектов нефтяного комплекса на окружающую среду [8].

Вместе с тем опасность загрязнения и самоочищение почвы от нефти и нефтепродуктов в отдельных ландшафтных зонах и областях существенно различаются. В пределах почвенно-климатических зон и провинций усиление накопления нефтепродуктов при их попадании в почву возрастает с юга на север, от песчаных почв - к глинистым, от среднеувлажненных - к переувлажненным, от обрабатываемых - к целинным. Закономерности накопления и деградации нефти и нефтепродуктов в почвах определяются исходными свойствами почв, способами использования земель, наличием в почвах геохимических барьеров.

Почвы с самой низкой потенциальной устойчивостью к загрязнению нефтью (низкая скорость деградации и слабое рассеивание) простираются на севере Азиатской части России, занимая часть Западно-Сибирской низменности, Средне-Сибирское плоскогорье между Енисеем и Леной. Это арктические тундровые глеевые и тундрово-болотные и торфяные почвы холодного и очень холодного теплового режима.

Обширная часть Европейской России обладает наиболее благоприятными среди земель РФ условиями для разложения и рассеивания углеводородов, однако порог допустимых концентраций не должен завышаться. Почвы с высокой устойчивостью могут только выдерживать более высокие нагрузки, но они также будут деградировать [9].

Результаты научных исследований свидетельствуют об огромной роли потенциала самоочищения почв от НП, который зависит от свойств самих почв, а также физико-географических условий, включая, в первую очередь, климатические факторы. Составлены карты районирования РФ по типам возможных изменений природной среды при нефтедобыче и потенциальной опасности загрязнения земель углеводородами [10]. Почвы России по потенциальной способности самоочищаться от НП разделены на категории:

- мерзлотно-тундрово-таежные районы (с холодным климатом, мерзлотными условиями в почве, широким распространением торфяников и восстановительных условий в почвенном профиле) - характеризуются очень низкой и низкой способностью почв к самоочищению;

- таежно-лесные районы (с умеренным климатом, высокой влажностью, вегетационным периодом растений от 3 до 5 месяцев) - имеют почвы со средней способностью к самоочищению;

- лесостепные и степные районы (с умеренным и теплым климатом, длительным - свыше 5 месяцев - вегетационным периодом растений) - богаты почвами с высокой и очень высокой способностью к самоочищению при высокой влажности и средней - при пониженной влажности;

- полупустынные и пустынные районы (с теплым климатом, низкой влажностью почв) - характеризуются высокой способностью почв к самоочищению при умеренной дозе осадков и средней - при низкой дозе [11].

Предложенная градация почв учитывает как главные факторы условия биологического и физико-химического разложения углеводородов в почвах.

Биологическое разложение происходит за счет биологической активности почв, с которой связана интенсивность деятельности углеводородокисляющих микроорганизмов, которая, в свою очередь, зависит от продолжительности вегетационного периода, наличия влаги в почве, создающей благоприятную среду для микробиологической деятельности и теплового режима почв. Самой низкой скоростью биологической деградации НП в почве характеризуются холодные и очень холодные почвы с относительно низкой биологической активностью. Высокой скоростью деградации обладают умеренно холодные и умеренно теплые почвы со средней и высокой биологической активностью.

Самой высокой скоростью физико-химического разложения углеводородов обладают почвы с окислительным режимом в профиле, где годовая сумма температур выше 10^оС превышает 1500. Закреплению НП в почвенном профиле способствуют сорбционные барьеры (органогенные и гумусовые горизонты), а также механические барьеры, препятствующие миграции НП. Годовое количество осадков и водный режим почв, определяющий характер промывания почвенного профиля, являются главными факторами выноса НП за пределы почвенного профиля [5].

В почве нефтепродукты могут находиться: в жидком подвижном виде в свободной, растворенной водной или водно-эмульсионной фазе в порах; в свободном неподвижном состоянии в порах и трещинах, выполняя роль цемента между почвенными частицами и агрегатами; в сорбированном состоянии, связанном с органической или органо-минеральной массой; в виде сплошного слоя на поверхности почвы. Тяжелые фракции нефти образуют на поверхности почвы корки, весьма устойчивые к разложению, а если разливы НП были многократными на одном и том же месте, образуются твердые устойчивые покровы. Смолисто-асфальтеновые компоненты нефтепродуктов сорбируются большей частью верхними горизонтами почв, прочно цементируя их, что ухудшает водно-воздушные свойства почв, приводит к заболачиванию и смене окислительно-восстановительных условий. В более глубокие горизонты нефть проникает по ходам корней растений, трещинам. Поэтому этим горизонтам свойственно неравномерное распределение нефти. На почвах с легким гранулометрическим составом нефтепродукты просачиваются фронтально на глубину 1,5-2 м. На загрязненных нефтепродуктами почвах нарушается поступление воды и питательных веществ, вследствие вытеснения почвенного воздуха нефтью и разрушения структуры почвы наступает кислородное голодание растений [12]. Начинают интенсивно развиваться нефтеокисляющие микроорганизмы, которые потребляют минеральные элементы и, таким образом, выступают в роли конкурентов растениям, отбирая у них питательные вещества. Если почвенные частицы полностью покрыты нефтяной пленкой, они теряют способность впитывать и удерживать влагу, из-за чего снижаются гигроскопическая влажность, водопроницаемость, влагоемкость; затрудняется транспирация влаги через загрязненные горизонты почвы. Состав гумуса меняется: уменьшается относительное содержание гуминовых кислот и фульвокислот, увеличивается содержание негидролизуемого остатка, увеличивается общее содержание органического углерода. Изменение аэрации приводит к анаэробным условиям, снижающим окислительно-восстановительный потенциал и подщелачивающим почвенный раствор. Почвенные коллоиды, покрытые нефтяной пленкой, утрачивают поглотительную способность [13].

С увеличением загрязнения серых лесных почв НП происходило снижение кислотности (рН менялась от 4,9 до 6,8). Подщелачивание сопровождалось резким снижением гидролитической кислотности, возрастала сумма поглощенных оснований. Это связано с заменой ионов водорода в почвенном поглощающем комплексе (ППК) на ионы натрия, поскольку его доля в загрязненной нефтью почве резко возрастает. Ухудшается азотный режим с ослаблением нитрификации азота, что, естественно, приводит к азотному голоданию растений [14].

Таким образом, в целом нефть и нефтепродукты, попадая в почву, вызывают значительные отрицательные, а порой и необратимые, изменения агрохимических свойств: уменьшается сумма поглощенных оснований, подщелачивается среда почвенного раствора, снижается активность почвенных ферментов, повышается содержание тяжелых металлов и канцерогенных полициклических хроматических углеводородов и так далее. Это приводит к потере плодородия почв и отторжению таких территорий из сельскохозяйственного пользования.

Почвы считаются загрязненными нефтепродуктами, если концентрация их достигает уровня, при котором:

- начинается угнетение или деградация растительного покрова;

- падает продуктивность сельскохозяйственных земель;

- нарушается природное равновесие в почвенном биоценозе;

- происходит вытеснение одним - двумя бурно произрастающими видами растительности остальных видов, ингибиpуется деятельность микроорганизмов, исчезают виды альгофлоры, мезофауны и т.п.;

- происходит вымывание нефтепродуктов из почв в подземные или поверхностные воды;

- изменяются водно-физические свойства и стpуктуpа почв;

- заметно возpастает доля углерода НП в органическом углероде почв (до более 10% от всего органического углерода) [15].

Определение этапов трансформации нефти в почвах позволяет определить давность загрязнения и приблизительные сроки восстановления почв, что повышает эффективность контроля загрязнения природной среды нефтью и нефтепродуктами. Существуют три этапа деградации нефти в почве:

- на первом этапе преобладают физико-химические процессы - выветривание, испарение, вымывание, окисление; в почве увеличивается численность микроорганизмов;

- примерно через два года в природных условиях наступает второй этап, когда происходит биологическое окисление почти всех углеводородов; возрастает не только численность, но и видовое разнообразие микроорганизмов, увеличивается роль зеленых и сине-зеленых водорослей; продолжительность этого периода 6-18 лет;

- время третьего этапа определяется по исчезновению парафиновых углеводородов и составляет 15-25 лет.

Следовательно, процесс естественной трансформации (деградации) попавшей в почву нефти и улучшения почвы - очень длительный и составляет около 40-45 лет и более [5].

Однако проблема экологической обстановки не только в районах расположения нефтегазовых комплексов, но и загрязнение нефтепродуктами всей территории РФ, приобрела государственное значение, поэтому реабилитация земель требует незамедлительного решения.

Существующие методы искусственного ускорения процесса деградации нефти и нефтепродуктов позволяют сравнительно быстро восстанавливать экологическую чистоту загрязненных участков. Примером может служить работа цеха по ликвидации последствий аварий и утилизации отходов производства ОАО «Славнефть-Мегионнефтьгаз». За 10 лет работы сотрудниками цеха восстановлено более 200 гектаров загрязненных земель, образовавшихся в результате нефтеразливов в ранние годы эксплуатации месторождений ОАО. Однако этот метод высокозатратный.

В биодеградации нефтепродуктов в почве главная роль принадлежит микроорганизмам. Использование микробиологических средств при ликвидации нефтяных загрязнений почвы часто является единственно возможным способом восстановления экологически чистой обстановки в природных условиях без нарушения естественного биоценоза.

Изучение активности микробиологических процессов в загрязненных нефтепродуктами почвах Уральского региона показали, что грибы были самыми устойчивыми к нефтяному загрязнению микроорганизмами в серой лесной почве благодаря их способности усиливать процесс спорообразования в неблагоприятных условиях. Среди наиболее чувствительных к нефтяному загрязнению микроорганизмов оказались аэробные целлюлозоразрушающие бактерии, которые считаются одним из основных индикаторов плодородия почв. Они чутко реагируют на загрязнение почв НП, их численность снижается и не восстанавливается до исходного уровня в течение многих лет, что отрицательно сказывается на плодородии этих почв. Участвующие в круговороте азота микроорганизмы (аммонофицирующие, нитрифицирующие, денитрифицирующие, азотфиксирующие) под влиянием нефтяного загрязнения в небольших дозах получают стимул к развитию вследствие внесения в почву свежего органического материала. Высокие дозы НП, в первую очередь, угнетают нитрифицирующие бактерии, численность которых не восстанавливается до фонового уровня и через 10 лет после загрязнения. Продуцирование СО₂ почвой как интегральный показатель активности микробиологических процессов увеличивается при низких дозах нефтяного загрязнения. При средних и высоких дозах (25 л/м²) интенсивность дыхания почвы снижается. Как установлено проведенными исследованиями, активность окислительно-восстановительных ферментов после загрязнения почв НП достоверно снижалась в темно-серой лесной почве по сравнению с контрольной почвой и восстанавливалась до исходного уровня в течение года при слабом загрязнении, чего не наблюдалось при сильном загрязнении. Ферменты азотного обмена (уреаза, протеазы, аспарагиназы, глутаминазы) ведут себя по-разному. В нефтезагрязненных почвах активность уреазы возрастала, а активность гидролитических ферментов азотного обмена, наоборот, снижалась. В этом проявляется действие «компенсационных механизмов» в почве, стремящихся к сохранению в норме динамики азота при высокой концентрации нефти в почве. Активность гидролитических ферментов, участвующих в круговороте углерода в почве (карбогидразы, инвертазы, целлюлазы, амилазы), снижается. Вследствие этого замедляются процессы распада растительных остатков, что в целом ухудшает трансформацию органических соединений. Ферменты фосфорного обмена (фосфогидролазы) обеспечивают усвоение растениями недоступных форм фосфора, отщепляя его от органических соединений. В ходе исследований было установлено, что загрязнение серой лесной почвы снижает активность фосфатазы, что вызывается, по мнению авторов, обволакиванием почвенных частиц нефтью, препятствующим поступлению субстрата, а также ингибирующим действием тяжелых металлов, концентрация которых в нефтезагрязненных почвах увеличивается. Попадание нефти в почву приводит к нарушению фосфорного режима, уменьшению содержания подвижных фосфатов, инактивации фосфогидролаз. В результате ухудшается фосфорное питание растений, обеспеченность их доступными формами фосфора. Исследователи пришли к выводу о том, что загрязнение почвы НП влияет на ферментную активность по всему профилю почвы. При этом изменяется активность ферментных комплексов, что, в свою очередь, нарушает обмен основных органогенных элементов: углерода, азота, фосфора. Активность некоторых ферментов: каталазы, уреазы, нитрит- и нитратредуктазы, амилазы, - можно использовать в качестве индикаторных показателей загрязненности почв НП, так как степень изменения активности этих ферментов прямо пропорциональна дозе загрязнителя и времени пребывания его в почве [16].

Последствия загрязнения почвы НП зависят от природы вещества, его концентрации и распределения в почве, срока экспозиции и др. По степени увеличения численности группы микроорганизмы образуют ряд: актиномицеты > аммонифицирующие бактерии > спорообразующие бактерии > грибы, т.е. происходит существенная перестройка комплекса почвенных микроорганизмов и изменение структуры доминирования в почвенном микробиоценозе. У грибов наблюдается уменьшение разнообразия, а у бактерий - его рост.

Загрязнение НП ингибирует активность почвенных ферментов. По степени чувствительности ферменты располагаются так: ферриредуктаза > каталаза > уреаза > инвертаза. Оксидоредуктазы более чувствительны, чем гидролазы, а потому более информативны, что позволяет эффективно использовать их при биологическом мониторинге и диагностике. Нарушение экологических функций, выполняемых почвой, происходит уже при содержании НП до 1% [17].

Предлагается использовать полимерные материалы для фотолюминисцентной активизации микрофлоры на нефтезагрязненных почвах. Изучено стимулирующее влияние солнечного света, трансформированного фотолюминисцентной полимерной пленкой, на динамику численности, окислительные ферментативные процессы и дыхание аборигенной микрофлоры. Использование пленки в качестве укрывного материала стимулировало увеличение численности микрофлоры под пленкой в 100 раз (!), интенсивности дыхания почвы и активности каталазы - в 2,5 и 3 раза, соответственно. Биодеструкция углеводородов за 60 суток составила 70% от исходного загрязнения, а в контроле - 30%. Коэффициент биодеградации нефти увеличился в 6 раз.

Данный метод реабилитации загрязненных НП почв экологически безопасен, эффективен, но может быть использован на ограниченных площадях [18].

Нефтеокисляющий микромицет, выделенный из природных образцов нефтесодержащих почв Республики Башкортостан (штамм Fusarium sp. № 56), обладает выраженной способностью биотрансформировать нефть, тяжелые и легкие ее фракции. Микромицет не патогенен, растет при 5-10^оС, что имеет большое практическое значение при использовании его для биологической очистки почвы и воды от НП в холодных климатических условиях. Штамм способен использовать не только легкие фракции, такие как парафин, дизельное топливо, но и тяжелые фракции нефти, такие как универсин В, то есть способен разлагать широкий спектр углеводородов. Выявлена способность данного штамма очищать от НП и промышленные стоки (содержание НП уменьшалось со 100 до 8 мг/л) [19].

Для биотрансформации нефти создавались искусственные штаммы микроорганизмов, но они не нашли широкого применения из-за своей дороговизны и неустойчивой эффективности при внесении в различных климатических условиях. Поэтому предпочтительней использовать аборигенную микрофлору в сочетании со стимуляторами ее активности.

При однократном разливе нефти на средних по гранулометрическому составу почвах проникновение ее составляет 18-25 см, но это приводит к угнетению и резкому снижению микроорганизмов как в пахотном (0-25 см), так и в подпахотном горизонтах. В таблице 1 показано содержание микроорганизмов в загрязненной нефтью почве через 20 дней после разлива [20].

Таблица 1. Содержание микроорганизмов в почве, загрязненной нефтью, через 20 дней после разлива [по 20]

Общая биогенность загрязнений почвы в пахотном горизонте снизилась в 6 раз, а в подпахотном - в 3 раза. При этом в верхнем слое резко снизилось содержание бактерий, а в подпахотном - актиномицетов.

Для реабилитации загрязненных нефтью и НП почв разработана технология, предусматривающая глубокую аэрацию почвы путем вспашки на глубину 40-45 см с периодичностью 3-4 дня для удаления легких, токсичных для биоты, фракций нефти. Для создания благоприятных физических свойств почвы и активизации микрофлоры необходимо внести до 15 т/га извести и до 300 т/га свежего соломистого навоза КРС (биогенность свежего навоза в 40 раз выше перепревшего и в 400 раз выше фонового).

Для дальнейшей аэрации почвы необходима трехкратная перепашка с оборотом пласта с периодичностью в 10-12 дней.

Результаты обследования почвы, проведенного через 50 дней после начала работ, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительное изучение образцов почв в слое 0-25 см на фоновых, загрязненных НП и реабилитированных участках [по 20]

Общая биогенность рекультивированной почвы, по сравнению с загрязненной, возросла в 10 раз и в 2 раза превысила фоновую. Загрязненность НП снизилась в 100 раз, но еще в 15 раз превышала загрязненность фоновых почв за счет тяжелых углеводородов: битумов и асфальтенов. Содержание гумуса удвоилось за счет высоких доз навоза и трансформации части углеводородов на стадии гуминовых кислот ППК в почвенный гумус.

Заключительным этапом реабилитации земель является фитомелиорация, предусматривающая посев любых культур: донник белый, рапс, редька масличная, амарант метельчатый и др.

Через 4-9 лет после рекультивации аналитические показатели сравнялись с фоновыми, а общая биогенность почвы была в 2 раза выше, что говорит об отсутствии в почве угнетающих факторов [20].

В НИИ биологии и биофизики Томского ГУ разработан способ микробиологической рекультивации нефтезагрязненных территорий с применением аборигенной микрофлоры. Используемый в рекультивационных работах консорциум микробов-деструкторов состоит из микроорганизмов, активно разлагающих нефть и нефтепродукты. Отбор микробов, входящих в консорциум, ведется по способности микроорганизмов утилизировать различные фракции нефти и концентрации нефтепродуктов в водной и почвенной среде. Учитываются антагонистические свойства микроорганизмов по отношению друг к другу. Для каждого типа почв создается свой консорциум микробов с учетом физико-химических особенностей почв [21].

Биодеградация нефти под действием микробных сообществ, содержащихся в торфе, является актуальной экологической проблемой в регионах Сибири и Севера. В СибНИИ торфа Сибирского отделения РАСХН разработан способ биологической рекультивации нефтепродуктов в почве, в основе которого лежит принцип активации процесса микробиологической деструкции НП [22]. На основе торфа здесь получен экологически чистый безотходный мелиорант - инокулят из торфа. Использование торфа как сырья для получения мелиоранта нефтезагрязненных почв обусловлено его хорошей сорбционной способностью по отношению к НП и повышенной численностью активной углеводородокисляющей микрофлоры. Сорбционная активность торфа по отношению к нефти зависит от степени разложения и составляет для верхового торфа 8-10 г нефти / 1 г абс. сух. вещ. торфа, для низинного - 6-8 г нефти / 1 г абс. сух. вещ. торфа. Гидрофобизация торфа повышает его сорбционную емкость в 1,5-2 раза.

Микрофлора торфяников, развивающаяся в присутствии большого количества полуразложившихся органических соединений, обладает сильной деструктивной активностью и при попадании в среду, содержащую нефть, не требует адаптационного периода. Численность углеводородокисляющих микроорганизмов в нативном торфе в 5-7 раз превышает аналогичный показатель для минеральной почвы. После физико-химической активации торфа количество в нем углеводородокисляющих микроорганизмов возрастает в 100 раз и составляет в среднем 500 млрд. клеток / 1 г абс. сух. вещ. торфа. Углеводородокисляющее сообщество торфа весьма разнообразно в видовом отношении. Основу его составляют мезофильные бациллы, актиномицеты и проактиномицеты (бактерии р. Nocardia).

Результаты опыта представлены в таблице 3. В варианте с нерасфракционированной нефтью на протяжении всего периода наблюдений отмечалось постепенное снижение массы остаточной нефти. На 30-е сутки опыта масса остаточной нефти составила всего 28% от исходно внесенной, что свидетельствует об активном характере деструкции нефти под воздействием углеводородокисляющей микрофлоры торфа.

В образцах остаточной нефти по сравнению с исходной наблюдается постепенное и заметное снижение содержания парафинонафтеновых углеводородов. Содержание ароматических, полициклоароматических углеводородов и смол также уменьшается, хотя и с меньшей степенью распада. Возросшее содержание карбоксильных групп в хроматографических фракциях остаточной нефти в сравнении с исходной указывает на активно протекающие окислительные процессы.

Применение мелиорантов на основе активированного торфа способствует высокой степени (55-88 %) очистки нефтезагрязненных почв. Под действием торфяных мелиорантов происходят глубокие деструктивные изменения в составе парафино-нафтеновых углеводородов нефти. При этом в почве при средней степени загрязнения нефтью происходило 60-кратное увеличение численности углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ). При высокой степени загрязнения численность УОМ увеличивалась только в 4 раза [23].

Таблица 3. Изменения, происшедшие с нефтью в процессе биодеградации [по 22]

В последние годы разработана технология, при которой за 4-5 месяцев очистки достигается снижение концентрации нефтепродуктов с 50 до 3 г/кг (то есть в 17 раз) [24].

Вместе с тем одним из основных факторов, определяющих фитотоксичность нефтезагрязненной почвы, является стимуляция жизнедеятельности микромицетов в прикорневой зоне. Использование противогрибковых препаратов «Агат-25К», «Триходермин» и ниститина (антибиотика) существенным образом интенсифицирует фитомелиоративный этап рекультивации нефтезегрязненных почв [25].

Внесение удобрений в почву интенсифицирует процессы минерализации нефти, особенно при использовании перегноя и комплекса NРК + перегной. За год при этом разлагалось 42,2-48,3 % нефти. В полевых условиях за год разлагалось 58,3% нефти, а при внесении удобрений - на 13,8-17,2 % больше, т.е. применение минеральных и органических удобрений оказывает стимулирующее действие на процессы биодеградации нефтяных углеводородов в почве, но восстановления биологической активности загрязненной почвы до исходного уровня не происходит.

При изучении приемов рекультивации установлено, что биологическую активность загрязненных почв в большей мере восстанавливает использование зеленой массы различных видов растений в качестве сидератов. Так, в первый год наибольший эффект исследователи наблюдали при использовании зеленой массы донника. В последующие годы и другие сидераты (вико-ячменная смесь и овес) также способствовали активизации окислительно-восстановительных процессов в почве, что приводит к восстановлению численности основных физиологических групп микроорганизмов до исходного контрольного уровня во всех вариантах опытов. Такой эффект от применения сидеральных культур сохранялся и в последующие годы. Установлено, что внесение в загрязненную почву сидератов уже через 3 месяца повышает интенсивность дыхания почвы и значительно быстрее уменьшает содержание остаточной нефти в почве [16].

Таким образом, комплекс рекультивационных мероприятий на нефтезагрязненных почвах включает: частое рыхление нефтезагрязненных почв, применение различных доз минеральных удобрений, перегноя и их сочетаний, внесение различных сидератов, сточных вод животноводческих ферм, биогумуса, использование поверхностно-активных веществ, активного ила, содержащего углеводородокисляющие дрожжи. Все эти мероприятия направлены на создание оптимальных условий жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, стимуляцию их деятельности и повышение метаболической деструктивной активности.

Кроме того, для решения проблемы рекультивации нефтезагрязненных территорий в каждом конкретном случае должен разрабатываться комплекс агротехнических мероприятий, направленных на оптимизацию деятельности выделенной из аборигенной микрофлоры культуры микробов-деструкторов. Это позволяет в течение одного-двух сезонов полностью рекультивировать загрязненные участки. Применение микробов-деструкторов, выделенных из естественного микробоценоза, исключает непредсказуемые экологические последствия, возможные при использовании посторонних видов микроорганизмов.

Значимость проблемы загрязнения биосферы для здоровья населения требует создания адекватных систем слежения за уровнем этого загрязнения и, в частности, за наличием в среде обитания мутагенов и канцерогенов. Последние представляют наибольшую опасность, поскольку характер их действия связан с поражением наследственных структур клеток всех видов микроорганизмов, растений и животных, включая человека.

Для обеспечения безопасности почв необходимо проведение, особенно в пригородных ландшафтах, государственной экологической экспертизы, а также мероприятий агрохимического и агротехнического характера, регулирующих качество земель сельскохозяйственного назначения.

Список использованных источников

1. Солнцева Н.П., Садов А.П. Закономерности миграции нефти и нефтепродуктов в почвах лесотундровых ландшафтов Западной Сибири // Почвоведение. 1998, № 3. С. 334-341.

2. Романенко Ю.В. Экологические проблемы в районах добычи и транспортировки нефти и газа в Западной Сибири. Материалы международ. науч. конф. Курск, 1999. С. 208-218.

3. Керимов И.А., Уздиева Н.С., Даукаев А.А. Оценка загрязнения геосферы Чеченской республики нефтяными углеводородами // Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. «Наука, образование и производство». Грозный, 2006. С. 1231-1236.

4. Уздиева Н.С. Исследования и реабилитация геосферы при углеводородном загрязнении вследствие открытого фонтанирования нефтяных скважин. Автор. дисс. кан. техн. наук. Краснодар, 2005. 23 с.

5. Солнцева Н. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М., МТУ, 1998. 405 с.

6. Банкурава Р.У., Гайрабеков У.Т. Экологическое состояние земельных ресурсов Чеченской республики // Матер. регион. научн. практ. конф. «Вузовская наука - народному хозяйству». Грозный, 2003. С. 95.

7. Орцуева З.Ш. К проблеме загрязнения поверхностных вод в Чеченской республике нефтепродуктами. Труды ГГНИ. Грозный, 2003, вып. 3. С. 207-229.

8. Баздырев Г.И. Фитосанитарное состояние почвы в условиях интенсивного земледелия // Известия ТСХА, 1983, вып. 3. С. 28-33.

9. Геннадиев А.Н., Пиковский Ю.И. Карты устойчивости почв к загрязнению нефтепродуктами и полициклическими ароматическими углеводородами: метод и опыт составления. Почвоведение, 2007. № 1. С. 80-92.

10. Глазовская М.А., Пиковский Ю.И., Коронцевич Т.И. Комплексное районирование территории СССР по типам возможных изменений природной среды при нефтедобыче. Ландшафтно-геохимическое районирование и охрана среды. Вопросы географии. 1983. Сб. 120. С. 84-108.

11. Пиковский Ю.И., Геннадиев А.Н., Голованов Д.П., Сахаров Г.Н. Картографическая оценка потенциала самоочищения почв от техногенных углеводородов на территории России. М.: ГЕОС, 2000. С. 286-303.

12. Никифорова Е.М., Солнцева Н.П., Кабанова Н.В. Геохимическая трансформация пахотных дерново-подзолистых почв под воздействием нефти. Влияние промышленных предприятий на окружающую среду. М.: Наука, 1987. С. 241-253.

13. Орлов Д.С., Аммосова Я.М. Методы контроля почв, загрязненных нефтепродуктами. Почвенно-экологический мониторинг. М., 1994.

14. Шаркова С.Ю., Надеждина Е.В. Агрохимические свойства серых лесных почв при загрязнении их нефтью». «Плодородие», 2008, № 4. 45 с.

15. Трофимов С.Я., Аммосова Я.М., Орлов Д.С. и др. Влияние нефти на почвенный покров и проблема создания нормативной базы по влиянию нефтезагрязнения на почвы // Вестник МГУ. Почвоведение, 2000, № 2. С. 30-34.

16. Киреева Н.А. Микробиологические процессы в нефтезагрязненных почвах. Автореф. дисс. докт. биол. наук. Башкирский ГУ, 1996.

17. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Татосян М.Л. и др. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологическое состояние чернозема обыкновенного. Почвоведение, 2006, № 5. 616 с.

18. Сваровская Л.И., Алтунина Л.К., Филатов Д.А. Полимерные материалы для фотолюминесцентной активизации аборигенной микрофлоры нефтезагрязненных почв. Прикладная биохимия и микробиология, 2008, т. 44, № 6. 647 с.

19. Ягафарова Г.Г., Гатауллина Э.М., Барахнина В.Б. и др. Новый нефтеокисляющий микромицет Fusarium sp. // Прикладная биохимия и микробиология, 2001, т. 37, № 1. С. 77-79.

20. Бурлак В.А. Микробиологическая активность почв при загрязнении их нефтью. Плодородие, 2007, № 4. 36 с.

21. Романенко И.В. Особенности рекультивации нефтезагрязненных территорий микробиологическим способом // Экология сегодня (Томский государственный университет, НИИ биологии и биофизики при ТГУ, сборник работ научной молодежи ТГУ, 2001, в. 1.)

22. Алексеева Т.П., Бурмистрова Т.И., Терещенко Н.Н. Биодеградация нефти под действием микробных сообществ, содержащихся в торфе. Проблемы стабилизации и развития сельскохозяйственного производства Сибири, Монголии и Казахстана в ХХ1 веке. Новосибирск, 1999, ч. 1. С. 9-10.

23. Бурмистрова Т.И., Алексеева Т.П., Перфильева В.Д. и др. Биодеградация нефти и нефтепродуктов в почве с использованием мелиорантов на основе активированного торфа // Химия растительного сырья, 2003, № 3. С. 69-72.

24. Пинчук Н.П., Кизуб Н.И., Кулындышев В.А. и др. Концепция контролируемого экологического состояния геологической среды // Разведка и охрана недр. 2005, № 7. С. 42-46.

25. Назаров А.В., Иларионов С.А. Изучение причин фитотоксичности нефтезагрязненных почв // Альтернативная энергетика и экология. 2005, № 1. С. 60-65.

Размещено на Allbest.ru