Содержание к диссертации
Введение
1. Предприятия нефтеперерабатывающего комплекса и проблемы экомониторинга окружающей среды (Обзор литературы) 9
1.1. Роль нефтеперерабатывающего комплекса в загрязнении окружающей среды 9
1.2. Влияние загрязнения нефтепродуктами на состояние почвенного покрова 19
1.3. Флора и фауна в условиях загрязнения окружающей среды выбросами нефтеперерабатывающего комплекса 26
1.4. Трансформация нефтепродуктов в почве 33
1.5. Проблемы идентификации нефтепродуктов в объектах окружающей среды 38
2. Условия, объекты и методы исследования 52
2.1. Краткая физико-географическая характеристика района исследований 52
2.2. Антропогенная трансформация ландшафтов района исследований 56
2.3. Выбор пробных площадей для полевых исследований 60
2.4. Объекты исследований 60
2.5. Методика исследований 61
2.6. Математическая обработка данных и иллюстративный материал 79
3. Эколого-агрохимические особенности почв района исследований 81
4. Особенности роста и развития высших растений в зоне влияния КНПЗ 102
4.1. Растительный покров района исследований 102
4.2. Влияние выбросов КНПЗ на морфологические признаки растений 112
4.3. Оценка жизненного состояния древесных растений, произрастающих в зоне влияния КНПЗ 115
5. Результаты модельных экспериментов по изучению поведения углеводородов в почвах и влияния углеводородного загрязнения на состояние системы почва-растения 125
5.1. Влияние углеводородного загрязнения на всхожесть семян боба русского и уровень фитотоксичности исследуемых почв 125
5.2. Изучение вертикальной миграции углеводородов нормального строения в почве в условиях модельного эксперимента 135
Заключение 145
Выводы 150
Список использованных источников и литературы 152
Приложения 180
- Роль нефтеперерабатывающего комплекса в загрязнении окружающей среды
- Краткая физико-географическая характеристика района исследований
- Эколого-агрохимические особенности почв района исследований
Введение к работе
Актуальность темы
С прогрессивным ростом урбанизации, расширением производственной и сельскохозяйственной деятельности, транспортных сетей и других коммуникаций негативные последствия для окружающей среды становятся всё более ощутимыми. Очень серьёзной экологической проблемой на этом фоне выступает загрязнение природных экосистем, происходящее при добыче, транспортировке и переработке нефти. Нефтепродукты входят в список приоритетных химических веществ, содержание которых в окружающей среде строго контролируется. Отличительной особенностью техногенного пресса предприятий нефтеперерабатывающего комплекса является постепенно повышающейся уровень загрязнения во всех основных компонентах природной среды - почвах, растениях, атмосфере, водных объектах, а также в подземных водах.
Для Самарской области характерны высокие объемы добычи, транспортировки и переработки нефти, поэтому изучение эколого-биологических особенностей системы почва-растения, проявляющихся в условиях продолжительного комплексного воздействия нефтеперерабатывающего предприятия, актуально и имеет серьезную практическую значимость. Результаты таких исследований позволяют оценить вклад конкретного нефтеперерабатывающего предприятия в загрязнение прилегающих территорий, а также определить границы, в которых его действие проявляется особенно сильно, а природная среда утрачивает способность к самовосстановлению.
Целью работы являлось изучение техногенной трансформации природной среды в зоне действия предприятий нефтеперерабатывающего комплекса на примере Куйбышевского нефтеперерабатывающего завода (КНПЗ).
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) Изучить основные агрохимические характеристики почвенного покрова района исследований. Выявить качественные и количественные осо-
бенности углеводородного загрязнения почв в зависимости от расстояния до источника загрязнения (КНПЗ).
Определить видовой и экоморфный состав растительности прилегающих к КНПЗ территорий, оценить жизненное состояние растений, выделить растения-доминанты, изучить влияние углеводородного загрязнения природной среды на рост и развитие растений.
В модельных экспериментах оценить влияние углеводородов нормального строения с числом углеродных атомов Сц- Сзо на всхожесть семян, рост и развитие модельного растения боба русского черного (Vicia /aba L.), изучить роль растений и самой почвы в процессах вертикальной миграции и деградации углеводородов в почвенном покрове.
Предложить оптимальную методику контроля за состоянием природной среды в зоне влияния предприятий НПК.
Научная новизна работы
Впервые в условиях степной зоны в границах Самарской области проведена комплексная оценка состояния почв, расположенных в зоне влияния предприятия нефтеперерабатывающего комплекса. Осуществлено геоботаническое описание растительности района исследований, изучена динамика ее экоморфного состава, жизненного состояния и важнейших биометрических показателей у растений-доминантов в период 2000 - 2004 гг. В почвах, подвергающихся хроническому воздействию выбросов нефтеперерабатывающего предприятия, определены реальные концентрации и качественный состав органических загрязнителей - углеводородов нормального строения с числом углеродных атомов С12- Сзо, изучены процессы их вертикальной миграции и деградации в почвах. Определена биологическая активность и фи-тотоксичность почв района исследований, оценено влияние постоянного и залпового загрязнения почв углеводородами на всхожесть семян, рост и развитие растений. Предложен коэффициент «условной реактивности почв», позволяющий оценить способность почвы к самовосстановлению.
Теоретическая значимость работы
Материалы, научные положения и выводы, изложенные в работе, вносят существенный вклад в промышленную экологию, экологию растений и почв.
Практическая значимость работы
Результаты диссертационной работы могут быть использованы в мониторинге состояния природной среды, подвергающейся воздействию предприятий нефтеперерабатывающего комплекса, а также для установления границ их санитарно-защитных зон; для оценки качества работы очистных сооружений и разработки оптимальных методов рекультивации загрязненных территорий в зоне влияния предприятий НПК.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями
Диссертационные исследования связаны с планом основных научно-исследовательских работ Самарского государственного университета по теме «Проблемы охраны экосистем и биомониторинг в условиях лесостепной и степной зоны» по приоритетному направлению фундаментальных исследований в области биологических наук «Биология популяций, биоценозы, биоразнообразие», включенной в планы работы РАН по программе «Проблемы экологии биологических систем» Головного совета «Охрана окружающей среды» Министерства образования и науки РФ по программе «Фундаментальные проблемы окружающей среды и экологии человека».
Реализация результатов исследований
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс в Самарском государственном университете по специализации «Экология и охрана природы», а также использованы при преподавании курсов «Экология», «Экология города», «Экологический мониторинг» и «Мониторинг городской среды» в Самарском муниципальном институте управления.
Апробация работы
Результаты исследований докладывались на IV Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспери-
ментальной химии» (г. Саратов, 23-25 июня 2003 г), 1 - ом международном форуме «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 12-15 сентября 2005 г), 3-ей международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в системе образования» (Тамбов, 2005 г), международной научно-практической конференции «Качество науки - качество жизни» (г. Тамбов, 24-25 февраля 2006 г) и международной научной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (г. Томск, 11-16 сентября 2006 г), на VI Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоана-литика-2006» (г. Самара, 26-30 сентября 2006 г).
Публикация результатов исследований
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Декларация личного участия автора
Автором лично определены цель и задачи диссертации, выполнены полевые и лабораторные исследования (2000-2005 гг.), проведена математическая обработка полученных результатов, написан текст диссертации.
В диссертации использованы работы, опубликованные в соавторстве (7). Доля личного участия автора в написании и подготовке этих публикации составляет 60 - 90%.
Основные положения, выносимые на защиту
В зоне влияния нефтеперерабатывающего предприятия (КНПЗ) происходит существенная техногенная трансформация почв, проявляющаяся в снижении их биологической активности и повышении фитотоксичности. Растительный покров характеризуется обеднением видового и экоморфного состава, угнетением всхожести семян и ростовых процессов, появлением видимых повреждений (хлорозы, некрозы), снижением жизненного состояния.
В выбросах нефтеперерабатывающего предприятия (КНПЗ) преобладают нормальные углеводороды, основным депо которых на прилегающей к нему территории являются почвы. Суммарное содержание и фракционный
состав углеводородов в почвах зависят от расстояния до источника загрязнения. В их фракционном составе преобладают углеводороды с алкилыюй цепью менее 16-17, содержится некоторое количество углеводородов с алкиль-ной цепью 17-18 и 18-29 и полностью отсутствуют углеводороды с алкиль-ной цепью более 29.
3. Углеводородное загрязнение почв характеризуется качественной и количественной динамикой, отражением которой является вертикальная миграция углеводородов по почвенному профилю и определенная их деградация. На основе анализа этих процессов установлен экологический параметр качества почв, определяемый с помощью коэффициента условной реактивности Кш, величина которого позволяет оценить способность почвы к самоочищению от углеводородов. Данный коэффициент может быть использован для экологического зонирования территории в зоне влияния предприятия нефтеперерабатывающего комплекса по степени техногенной нагрузки. Почва, утратившая способность к самовосстановлению, характеризуется Kw близким или равном 1.
Объем и структура диссертации
Диссертация изложена на 211 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка использованных источников и литературы и 29 приложений. Работа иллюстрирована 41 рисунком и содержит 12 таблиц. Библиография включает 254 литературных источника, из которых 41 на иностранных языках.
Автор выражает свою признательность и глубокую благодарность за всестороннюю поддержку и неоценимую помощь всем сотрудникам кафедры экологии, ботаники и охраны природы. Особо благодарит профессора Матвеева Н.М. за предоставленную возможность проведения исследований на базе кафедры и научные консультации.
Роль нефтеперерабатывающего комплекса в загрязнении окружающей среды
Основными источниками загрязнения окружающей среды являются металлургическое, металлообрабатывающее, коксохимическое производства, нефтеперерабатывающие комплексы (далее в тесте НПК), электростанции, предприятия промышленного и бытового комплекса, такие как автотранспорт, железнодорожный транспорт, сельское хозяйство, пищевая промышленность и другие источники опасных веществ (Охрана окружающей среды, 1985).
В зависимости от технологии производства, все эти промышленные предприятия выбрасывают в воздух и сбрасывают в виде сточных вод и твёрдых отходов разные химические вещества, которые присутствуют в воздухе в аэрозольной форме и оседают на поверхности почвы и надземных органах растений (Дедю, 1989). С воздушными потоками, грунтовыми и поверхностными водами токсичные выбросы перемещаются на значительные расстояния от источника загрязнения, что существенно затрудняет анализ истинного уровня загрязнения окружающей среды конкретным предприятием (Управление промышленной..., 2005). В зависимости от источника образования, промышленные отходы подразделяются на следующие группы: отходы металлургической промышленности, энергетики и машиностроения; лесной, деревообрабатывающей, целюлозно-бумажной, полиграфической отраслей; горной, горно-химической промышленности; нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности (фосфо-гипс, пиритные огарки, электротермофосфорный шлак, отработанные нефтепродукты, растворители, катализаторы, кислые гудроны, нефтяные шла мы, активный ил биологических очистных сооружений, кубовые остатки, некондиционные жидкие продукты и другие вещества) (Глазков, 1977; Новиков, 1979; Пиковский, 1993).
Так, в качестве отходов производства в воздух выделяются газы и их смеси. Например, оксиды серы, азота, двуокись углерода, сероводород, аммиак и окись углерода - ядовитые газы, находящиеся в списке основных загрязняющих веществ, выделяемых в атмосферу промышленными предприятиями (Вредные химические вещества, 1990).Кроме неорганических веществ и их соединений, воздух, вода и почвы загрязняются органическими соединениями, выделяющимися в результате работы предприятий нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической промышленности (Дедю, 1989). К числу органических веществ, загрязняющих окружающую среду, относятся насыщенные и ненасыщенные, ароматические, полиароматические и гидроароматические углеводороды, и их производные: спирты, альдегиды, кетоны, эфиры, кислоты жирного ряда и другие соединения (Шурубор, 2000). В процессе синтеза с участием реакций термического разложения углей, сланца, торфа и древесины, крекинга и пиролиза нефти и нефтепродуктов в окружающую среду выделяются канцерогенные вещества, представленные в основном полициклическими аренами, такими как бенз-(а)-пирен и бензантрацен (Радионов и др., 1985). Эти же соединения выделяются в результате работы двигателя внутреннего сгорания (Уорк, Уорнер, 1980; Соколов, Базилевич, 1983). Кроме полициклических аренов канцерогенными свойствами обладают полиароматические углеводороды (ПАУ), легко растворимые в воде, они переносятся грунтовыми и поверхностными водами на большие расстояния (Дедю, 1989; Шибаева, Василевская, 2003).
И, несмотря на то, что разработано и реализовано на практике большое количество технологий и методов нейтрализации загрязнения почвенного покрова, систематизированная информация по вопросам комплексной очистки загрязненных территорий в настоящее время представлена лишь в небольшом количестве источников (Новые технологии..., 2001; Технологии восстановления..., 2001; Логинов, и др., 2002; Шибаева, Василевская, 2003; Сироткина, Новосёлова, 2005; Управление промышленной..., 2005).
В России площадь земель, загрязненных в разной степени выбросами промышленных предприятий, достигла 62 млн. га, а сами выбросы составляют ежегодно 30-35 млн. т вредных веществ (Экология и безопасность, 1992). Сильное техногенное загрязнение отмечается на площади свыше 4 млн. га, высокая степень загрязнения (в десятки, сотни раз выше фоновых значений) наблюдается на площади свыше 300 тыс. га. (Солнцева, 1998; Бобылёв и др., 1999).
Ежегодно, по различным оценкам, в атмосферу планеты выбрасывается от 50 до 90 млн.т. углеводородов. Значительная часть этих выбросов приходится на предприятия нефтеперерабатывающего комплекса (Кавнев, и др., 1989; Makeev etc., 2000). Так как прибыльность производства горючесмазочных материалов постоянно повышается, количество крупных и средних предприятий, перерабатывапющих сырую нефть в продукты потребления неуклонно растет. С появлением новых, современных технологий нефтепереработки и новых эффективных средств оценки опасности выбросов и очистки выбросов на стадии их образования, количество и токсичность выбросов уменьшаются, но тем не менее задачи разработки методов безотходного производства и методов контроля и предотвращения утечек остаются приоритетными.
В Самарской области самыми мощными источниками загрязняющих веществ были и остаются нефтеперерабатывающие заводы. Так, выбросы Новокуйбышевского НПЗ составляют 22% всех выделяющихся загрязняющих веществ по области, Куйбышевского НПЗ -16%.
Как видно из вышеизложенного, нефтепродукты и вещества, выбрасываемые нефтеперерабатывающими комплексами, в частности Куйбышевским нефтеперерабатывающим заводом, являются опасными загрязни телями окружающей среды, поэтому проблема деградации земель должна серьёзно исследоваться.
Краткая физико-географическая характеристика района исследований
Наши исследования осуществлялись на территории Самарской области, которая расположена на юго-востоке Русской равнины, в среднем течении р. Волги, в умеренных широтах Северного полушария (5438 и 5Г45 с. ш.) и в западной части Восточного полушария (4755 и 5237 в. д.). Ее максимальная протяженность с севера на юг составляет 335 км, а с запада на восток -315 км (Атлас земель..., 2002).
Куйбышевское и Саратовское водохранилища р. Волги разделяют Самарскую область на две различные по рельефу части - правобережное Пред-волжье (5,7 тыс. км ) и левобережное Заволжье (47,9 тыс. км ) (Столяров, 1958; Захаров, 1971; Почвы..., 1985; Природа..., 1990).
Территория Самарской области относительно компактна. Она имеет сердцевидную форму, уплощенную с севера и сужающуюся к югу и лишена четко выраженных естественных границ. На севере территория области ограничена низинами Ульяновского Заволжья, на северо-востоке и востоке - Бу-гульминско-Белебеевской возвышенностью, на западе Приволжской возвышенностью, на юге - низинами Саратовского Заволжья и увалами Общего Сырта (Атлас мира, 1982; Физическая карта..., 1978; 1990).
Город Самара, на территории которого проводились наши полевые исследования, расположен в центральной части Самарской области. Географическое положение г. Самары определяют координаты 53 12" северной широты и 5006"восточной долготы (Куйбышевская область ... 1957). Город расположен на левом возвышенном берегу р. Волги при впадении в нее р. Самары, где Волга образует крутую излучину - Самарскую Луку. Большая часть города разместилась в междуречье Волги и ее левых притоков - Самары и Сока, за исключением Куйбышевского городского района, расположенного к югу от р. Самары (Куйбышевская область..., 1957; Климат Куйбышева, 1983). Город вытянут вдоль берега Волги до устья р. Самары и далее, к настоящему времени площадь его территории составляет 470 кв. км и занимает разные формы рельефа.
Исследуемая территория непосредственно примыкает к промышленной площадке Куйбышевского нефтеперерабатывающего завода (далее в тексте КНПЗ) и жилым кварталам, принадлежащим Куйбышевскому району г. Самары. Этот район расположен в степной зоне в пониженной припойменной и пойменной части левого берега р. Самары. Общая площадь района составляет 149,1 кв. км. Протяженность с запада на восток 11 км, с севера на юг - 9 км. Это самый большой район, значительно превосходящий по площади все остальные районы г. Самары. Рельеф
В силу специфики географической локализации, особенности, присущие рельефу, геологии, почвам, формируют неповторимый ландшафтный облик г. Самары, который можно определить как террасированные долины р.Волги и Самары. Куйбышевский район города Самары является одним из специфических городских районов. Из-за расположения в пониженной части рельефа - в пойме - значительную долю его территории составляют многочисленные протоки, затоны, старицы и озера. Геология и почвообразующие породы
Вся южная часть г. Самары вплоть до р. Самары занята элювиальными глинами и суглинками водораздельных поверхностей и только вдоль правого берега р. Самары тянется узкая полоса аллювиально-элювиальных отложений глинистого и тяжелосуглинистого характера. Аналогичные отложения прослеживаются и в левобережье р. Самары в Куйбышевском районе. Но в его части, примыкающей к левому берегу р. Самары, залегают аллювиальные суглинки (Почвенная карта..., 1988; Атлас земель..., 2002). Климат
Климат г. Самары континентальный, засушливый с холодной снежной зимой и сравнительно тёплым летом. Среднегодовая температура воздуха составляет + 4 С (по различным данным - от + 3,7 С до + 4,2 С), абсолютный минимум - 46 С, абсолютный максимум + 39 С. Средняя температура января - 13 С, средняя температура июля + 21 С. Наибольшая глубина промерзания почвы - 150 см. В среднем за год выпадает 589 мм атмосферных осадков. Максимальная высота снежного покрова в многолетнем разрезе составляет 52 см. Средняя скорость ветра в Самаре - около 3,5 м/с. Относительная влажность воздуха колеблется в районе 72 % . Сумма часов солнцестояния в Самаре - 1500-1700 час/г (Кобышева, Хайрулин, 2005).
Эколого-агрохимические особенности почв района исследований
Оценка влияния нефтеперерабатывающего производства на природную среду сопряжена с выбором экосистем для сравнения,сходных по основным природным характеристикам: климату, рельефу, почвам, растительному покрову, биоразнообразию. Пробные площади, заложенные нами в зоне влияния КНПЗ (ПП1-3), а также контрольный участок (КУ) в основном отвечают этим требованиям. Почва является главным природным компонентом, представляющим депонирующую среду для загрязнителей. В данной главе рассматриваются результаты эколого-агрохимического анализа почвенного покрова изучаемых пробных площадей.
Визуальный осмотр показал, что почва на ПП1 твердая, уплотненная, в ней содержится много включений техногенного происхождения, таких как части бетонных конструкций, щебень, металлические фрагменты. По восточной границе ПП1 проходит частично разрушенная бетонная ограда завода. Поверхность почвы местами покрыта сажей.
ПП2 находится на месте осушенного болота, что объясняет повышенную влажность почвы, которая проявляется даже на глубине 20 см. Почва содержит значительное количество щебня и песка, но в ней отсутствуют металлические фрагменты. В непосредственной близости от ПП2 проходит железнодорожная ветка, предназначенная для подвоза сырья в цех первичной очистки нефти. В настоящее время линия не используется, но пропитка для шпал (креозот) и следы смазочных материалов для рельсов выявляются визуально на поверхности почвы у северной границы площади. Из-за повышенной влажности местами на поверхности почвы выступает водное зеркало, затрудняющее проникновение нерастворимых в воде нефтепродуктов в глубь почвы, поэтому они в основном сосредоточены в ее приповерхностных слоях. На основной части почвенного покрова ПП2 сажевый налет визуально не был обнаружен, но он имел место на листьях растений.
ППЗ расположена между жилым домом и зданиями складов КНПЗ. Почва там содержит очень небольшое количество включений, представленных щебнем, деревянной стружкой и бытовым мусором. Лишь на восточной границе пробной площади локально располагались фрагменты металлической арматуры, строительные отходы, в том числе и большие куски камней. На ощупь почва однородная, сухая и легко растирается пальцами. Почвенные частицы верхнего слоя покрыты сажей.
Почва контрольного участка (КУ) однородна по своему составу, не содержит включений и легко растирается пальцами. В непосредственной близости от этого участка расположен дачный массив и сельскохозяйственные угодья, в настоящее время отведенные под посадку овощных культур. От автодороги его отделяет полоса искусственных лесопосадок шириной около 100 м. В непосредственной близости от КУ нет ни одной бензозаправочной станции и каких-либо других источников нефтепродуктов. Почва этой площади более светлая, чем почва пробных площадей из района КНПЗ, сажевый налет не обнаружен.
Структурное состояние и гранулометрический состав почв опытных и контрольной пробных площадей изучали в период с 2000 по 2004 гг. За время исследований эти показатели не изменялись. На всех пробных площадях почвы имели хорошее структурное состояние и тяжелосуглинистый гранулометрический состав (табл. 3.1).
Сроки отбора почв для анализа (15 июля 2000-2004 гг.) были выбраны нами потому, что легкокипящие углеводороды подвергаются вымыванию и испаряются довольно быстро, тогда как углеводороды с количеством атомов углерода более 5 разлагаются поэтапно и длительность первого этапа разложения составляет 3 месяца (Одинцова, 2003). Именно в этот период трансформация углеводородов идёт наиболее интенсивно.
Как видно из табл. 3.1, структурное состояние почв экспериментальных и контрольной пробных площадей сходно, что исключает возможность влияния на результаты опытов структуры самой почвы.
Коэффициент структурности (К) для почв с ПП2, ППЗ и КУ равен 1,86. Такой коэффициент структурности свидетельствует о хорошем структурном состоянии почв (Щербаков, Протасова и др., 1996). КПП! равен 1,5. Разница незначительна, состояние почв на ПП1 аналогично остальным участкам. Для экологических исследований гранулометрический состав почвы имеет большое значение, так как он во многом определяет условия накопления и миграции химических веществ. Например, глинистые почвы накапливают больше макро- и микроэлементов, чем песчаные (Степочкина, Демиденко, 2002). Почвы со всех пробных площадей были определены как тяжелосуглинистые, что свидетельствует о низкой вероятности вымывания нефтепродуктов из почв.
