Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
1.1. Нефть и специфика нефтяного загрязнения почв 9
1.2.1 Следствия загрязнения почв нефтью 14
1.2.1. Изменение свойств почв под влиянием загрязнения нефтью 14
1.2.2. Влияние нефти на растения 19
1.2.3. Влияние нефти на почвенных животных 21
1.2.4. Влияние нефти на почвенные микроорганизмы 23
1.2.5. Влияние нефти на микробную трансформацию азота и ферментативную активность почв 27
1.2.6. Действие нефти, нефтепродуктов и выбросов нефтехимических производств на здоровье людей .29
1.2.7. Особенности процессов трансформации нефти и почвах.. 30
1.2.8. Естественное восстановление и самоочищение нефтезагрязненных почв 34
1.2.9.Рекультивация почв, загрязненных нефтью.. 42
1.3 Нормирование нефти и нефтепродуктов в почве... 45
1.3.1. Проблемы нормирования нефти и нефтепродуктов в почве 45
1.3.2. Методы и подходы к обоснованию ПДК нефти в почвах 51
1.3.3 Сущиствующно нормативы и их обоснование 55
1.3.4. Методы контроля нефтяных загрязнений в почвах 64
СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 69
2.1. Характеристики объектов исследования 69
2.2. Схема проведения модельного эксперимента
2.3. Микробиологические исследования почвенных образцов. 76
2.4 Методы определения нефтепродуктов в почвах 85
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ НЕФТИ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОЧВ И СПОСОБНОСТЬ К САМООЧИЩЕНИЮ 90
3.1. Изучение влияния различных типон нефти на почвенный микроооцеиоз 90
3.2. Изучение влияния различных типов нефти на биологическую активность почв 104
3.3. Изучение са.чоочищагащей способности пефтезагрязнепных почв 126
3.4. Оценка нефтезагрязненных почв методами биотестяроваиия. Мультксубстратное тестирование 14 ]
Глава 4. ПРОВЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ ПРИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЯХ ПОЧВ 164
Глава 5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 178
ВЫВОД1.1 184
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 186
ПРИЛОЖЕНИЯ 206
- Изменение свойств почв под влиянием загрязнения нефтью
- Характеристики объектов исследования
- Изучение влияния различных типон нефти на почвенный микроооцеиоз
Введение к работе
Актуальность работы.
Вопрос охраны окружающей среды для предприятий нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в настоящее время является весьма актуальным. Вредные выбросы, содержащие токсичные компоненты, попадая на поверхность почвы, проникают в нижележащие горизонты, негативно воздействуют на биоту и изменяют самоочищающую способность почвы. Загрязнение вызывает большие изменения физико-химических и химических свойств, а также структуры почвы (Славина, 1981; Тишкина, 1989; Орлов, 1996; Гилязов, 1999; др.).
Проблема диагностики и нормирования содержания нефти и нефтепродуктов в почвах, несмотря на продолжительный период изучения и актуальность, все еще далека от оптимального и комплексного разрешения. Отсутствие до сегодняшнего дня научно-обоснованных и утвержденных государственных стандартов на допустимое содержание нефти и ее компонентов в почвах (ПДК, ОБУВ) допускает их произвольное и достаточно субъективное нормирование. В настоящее время в имеющейся нормативной литературе предлагается широкий диапазон уровней содержания нефти в почве, оказывающих токсическое воздействие на почвенные организмы (McGill, 1977; Алиев, 1977; Кодина, 1988; Оборин, 1988; Глазовская, 1997; Назаров, 2001; Трофимов, 2002 и др.). Это приводит к высоким затратам природопользователей на проведение почвоохранных мероприятий при их низкой экологической эффективности.
В то же время, во многих исследованиях (Atlas, 1972; Пиковский, 2003; Бачурин, 2005 и др.) показано, что установление единых фоновых показателей и унифицированных допустимых концентраций нефти в почвах невозможно, т.к. разные почвы обладают разной устойчивостью (буферностью) к загрязнению и, следовательно, изменение их свойств в одинаковой степени будет происходить при различной концентрации нефти. Адаптация нормативов допустимого остаточного содержания нефтепродуктов в почве должна прямым или косвенным образом учитывать как характер загрязнения, так и особенности загрязненной почвы (Зильберман, 2005; Добровольский, 2002). Это связано с полифункциональностью, разнообразием видов почв и нефтей, различной способностью живых организмов к адаптации, а почв – к самоочищению в различных экологических условиях.
Целесообразнее нормировать загрязнение не по концентрации вещества в почве, а по реакции самой почвы на загрязнение (Пиковский, 2003). Наиболее оптимальным показателем устойчивости почв к нефтяным загрязнениям является состояние микробных сообществ (Domsh, 1993; Ананьева, 2003). Показано, что при загрязнении почв нефтью происходит адаптация и перестройка функциональной структуры почвенного микробного сообщества (Кураков и др., 2006). От стабильности микробных сообществ зависит состояние почв в целом, поскольку их смена и смена их деятельности может негативно отражаться на интенсивности других биологических процессов (Ковда, 1977; Звягинцев, 1989; Freedman, 1989; Coleman, 1992). Для характеристики воздействия нефтяных загрязнений на показатели функционального разнообразия микробных сообществ различных почв в настоящее время успешно используется метод мультисубстратного тестирования (МСТ) (Горленко, Кожевин, 2005).
Таким образом, для определения допустимого уровня загрязнения необходимо установить уровень концентрации нефтепродуктов в почвах и грунтах, выше которого потенциал самоочищения почвы не работает. При этом для каждого сочетания «тип почвы - тип загрязнителя» это будет свое значение.
В связи с этим, особую актуальность приобретают вопросы изучения влияния загрязнения различными видами нефти на естественный почвенный микробоценоз, самоочищающую способность и биологическую активность различных типов почв, что и явилось целью наших исследований.
Цель работы: оценка уровня нефтяного загрязнения почв в зависимости от свойств исходной почвы и загрязнителя.
Задачи исследования:
изучить состояние микробоценозов исследуемых почв, загрязненных различными видами нефти;
оценить остаточное содержание нефтепродуктов в почвах и самоочищающую способность нефтезагрязненных почв;
установить минимально действующие уровни содержания нефти по критерию биологической активности почвы для исследуемых типов почв и видов загрязнителя;
выявить значимые по критериям чувствительности и информативности биологические показатели загрязнения почв нефтью.
Научная новизна работы. Впервые на примере влияния нефти Ванкорского и Иркутского месторождений на дерново-подзолистую почву и чернозем установлено, что показатели биологической активности и остаточное количество нефтепродуктов в почвах зависят от свойств исходной почвы, от особенностей загрязнителя, доз его внесения.
Установлено, что приоритетными микроорганизмами по критерию чувствительности для индикации нефтяного загрязнения явились почвенные сапротрофные бактерии.
По результатам модельного эксперимента минимально действующей концентрацией для чернозема типичного, до которой не происходит перестройки микробного сообщества и необратимых нарушений в микробной системе, является 1%-ое загрязнение для обоих видов нефти. Минимально действующей концентрацией для дерново-подзолистой почвы можно считать 5% для Иркутской нефти и 0,5% - для Ванкорской.
Полученные в проведенном исследовании результаты подтверждают, что для всех районов землепользования не может быть разработано единых нормативов, в связи с этим рекомендована корректировка критериев оценки нефтезагрязненных почв и расширение нормативной базы.
Практическая значимость. Определены количественные значения уровней допустимого содержания нефти в исследуемых почвах и их зависимость от свойств исходной почвы и особенностей загрязнителя. Они могут быть использованы при экологическом нормировании нефтепродуктов в почвах и проведении оценки экологического ущерба, наносимого окружающей среде при нефтяном загрязнении. Оценена эффективность использования микробиологических показателей при экологическом мониторинге нефтезагрязненных почв.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2008), Всероссийской конференции «XII Докучаевские молодежные чтения. Почвы и продовольственная безопасность России» (Санкт-Петербург, 2009), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2009), Всероссийской научной конференции «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» (Краснодар, 2009), Международной научной конференции «Ломоносов - 2009» (Москва, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 7 статей в научно-исследовательских журналах, 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, объектов и методов исследования, результатов и их обсуждения, выводов, списка литературы, включающего 159 отечественных и 47 зарубежных работ. Содержательная часть диссертации изложена на 185 страницах, иллюстрирована 86 рисунками и 37 таблицами.
Изменение свойств почв под влиянием загрязнения нефтью
Нефти представляют собой очень сложного состава смеси газообразных, жидких и твердых углеводородов, различных нк производных и органических соединений других классов. Основными элементами, составляющими нефть, является углерод, массовое содержание которого колеблется в пределах 83-87%, и водород, на ого долю приходится 12-14% (Химия нефти, 1984). В сырой нефти содержатся газообразные углеводороды (до 5%), вода (до 10%), минеральные соли (главным образом хлориды - до 4 г/л), некоторое количество тяжелых металлов, ртути, радиоактивных элементов.
Перечислим важнейшие показатели качества нефти: фракционный состав, плотность, содержание воды, хлористых солей, механических примесей и серы.
Содержание серы в иефтях колеблется в широких пределах: от 0,001 до 14%. Она может встречаться в нефтях в виде меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и входить в органические соединения, содержащие также азот и кислород. Кислородсодержащие соединения могут составлять в нефти до 10%. Они представлены в основном кислотами, фенолами, кетонами и афирами (Сергеенко, 1964; Богомолов, Темянко, 1984; Кураков, Гузев, 2003; Хомякова, 2003).
Плотность является одним из наиболее общих показателей, характеризующих свойства нефти и нефтепродуктов, измерение которого предусмотрено стандартами различных стран. По плотности можно ориентировочно судить об углеводородном составе различной нефти и нефтепродуктов, поскольку ее значение для углеводородов различных групп различно. Например, более высокая плотность указывает на большее содержание ароматических углеводородов, а более низкая - на большее содержание парафиновых УВ. Углеводороды нафтеновой группы занимают промежуточное положение. Таким образом, величина плотности до известной степени будет характеризовать не только химический состав и происхождение продукта, но и ого качество. При характеристике плотности отдельных фракций нефти следует, прежде всего, отметить возрастание плотности с увеличением температуры кипения. Однако это положение, справедливое для большей части случаев, имеет исключения.
Углеводороды нспн представлены главным образом соединениями четырех классов:
1. Парафиновые углеводороды (алканы) -насыщенные циклические соединения, имеющие прямую или разветвленную сетЬ 2. Нафтеновые углеводороды (циклоалканы, нафтены) -насыщенные циклические соединения;
3. Ароматические углеводороды — ненасыщенные циклические соединения ряда бензола;
4. Олефины (алксны) - ненасыщенные, нециклические соединения, имеющие прямую или разветвленную сеть.
Характеристика углеводородной части будет неполной, если не упомянуть о предельных углеводородах линейного сіроенип - этиленовых. Они в природных нефтях содержатся в крайне малых количествах. Их присутствие является, скорее следствием превращений, происходящих с нефтью, нежели их генетической сзя:іью с ее происхождением (Карцев, 1969).
Смолисто-асфальтеновые вещества, растворенные в жидких углеводородах нефти, являются неуглеводородными и наиболее высокомолекулярными. зависимости от содержания в нефти одного или нескольких классов углеводородов различают парафиновые, парафино-нафтено-ароматические, нафтено-ароматические и ароматические нефти. Они различаются также по содержанию смол, асфальтенов и других соединений.
Важнейшим показателем качества нефти является фракционный состав. Фракционный состав определяется при лабораторной перегонке с использованием метода постепенного испарения, в процессе которой при постепенно повышающейся температуре из нефти отгоняют части -фракции, отличающиеся друг от друга пределами выкипания. Каждая из фракций характеризуется температурами начала и конца кипения (Миланоаа, 1986).
По температуре кипения среди углеводородов нефти выделяют несколько фракций: легкую фракцию, выкипающую до 200С (С і-Сю), среднюю фракцию, выкипающую в пределах 200-430С, и тяжелую с температурой кипения свыше 430 С,
По величине удельного песа различают лёгкую ( 0,83 г/см1), среднюю (0,831-0,86 г/см3) и тяжелую ( 0,S6 г/см3).
Характеристики объектов исследования
Для проведения эксперимента на кафедре агроииформатики факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова были пронедены модельные эксперименты с имитацией естественных условий (оптимальний температура, водный режим).
В модельных экспериментах по изучению влияния нефти на почвенный микробоценоз, у исследуемые почвы вносили нефть D концентрациях 0,1г; 0,5г; 1х; 5г; Юг/100 г почвы, что соответствовало 0,1;0,5;);5;10% загрязнению по массе почиы.
Такие величины были выбраны потому, что эти концентрации охватывают диапазон воздействия нефти (по ГОСТу 17.4.3.06-86 СТ СЭВ 5301-85) на почвенные микроорганизмы от слабого (0,1%) - до сильного, в природных условиях соответствующего нефтяным разливам (10%), Эти же концентрации являются показательными и для описания ыикробилогаческой деятельности, т.к. соответствуют зонам гомеостази, (менее 0,1%), стресса (01%, 0,5%, 1%) и зоне резистентности (5% и 101) (Звягинцев, 1У87). Контролем служила почва, используемая в эксперименте, без внесения нефти.
Перед началом экспериментов, евежеотобраниая почва доводилась до воздушно - сухого состояния путем просушивания в хорошо вентилируемом помещении в течение 3-х дней, при комнатной температуре на рассеянном свете. Высушенная почва освобождалась от посторонних включений (камни, корни растений и прочее) и просеивалась через сито с диаметром отверстий 2 мм, взвешивалась по 100 гр в пятикратной повторности, после чего образцы были равномерно загрязнены нефтью и помещены в контейнеры.
Для обеспечения дренажа и свободного тока влаги в дне емкости были проделаны отверстия. Для избегания потери почвенного материала и закупоривания им отверстий, дно емкостей было покрыто речной галькой слоем 2 см, отделенной от почвы с помощью капроновой сетки (размер ячеек около 1 мм) (рис 2.2).
Изучение влияния различных типон нефти на почвенный микроооцеиоз
Влияние нефти на почвенный микробоценоз дерново-подзолистой почвы изучали в лабораторных условиях на почве, отобранной на территории УОПЭЦ Чашниково, (Московская область) слой 0-20 см., по окончании эксперимента. Эксперимент длился 50 суток. Йсньїтьшалосі, воздействие следующих концентраций нефти; I, 5, 10, 50, 100 г/кг ночвы. В результате проведенных исследований было выявлено, что все изученные концентрации оказывают различное влияние на почвенную микрофлору (грибы, сапротрофные бактерии).
Динамика численности почвенных микроскопических грибок В незагрязненном образце дерново-подзолистой почвы количестно микроскопических, грибов составило 2О00±209 КОЕ/г абсолютно сухой почвы. Динамика показаний численности ірибол в почвах, не превышающая 50% от незагрязненного образца, не считалась значительной («Методические рекомендации по гигиеническому обоснованию ЦДК химических веществ в почве», 19S2) (таб. 3.1.1).
Воздействие нефти НІ на ДГПТ приводило к стимуляции роста почвенных грибов (рисунок 3.1), что может быть связано с использованием нефти как дополнительного источника углерода. Максимальная величина стимуляции роста была получена при содержании нефти в почне на уровне 5% загрязнения (эффект воздействия равен 595%). Столь значительное увеличение численности микромнцетов характерно для зоны стресса, при этом формируется неустойчивое сообщество, трофической основой которого являются углеводороды нефти (Гузев и др., L989). Известно, что при
