Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1. Нефть и специфика нефтяного загрязнения почв 9
1.2. Миграция нефти по почвенному профилю 13
1.3. Действие нефти, нефтепродуктов и выбросов нефтехимических производств на здоровье людей 14
1.4. Влияние нефти на растения 17
1.5. Влияние нефти на почвенные микроорганизмы 18
1.6. Естественное восстановление и самоочищение нефтезагрязненных почв 24
1.7. Рекультивация почв, загрязненных нефтью 27
1.8. Нормирование нефти и нефтепродуктов в почве 29
Глава 2. Материалы и методы исследований 37
Глава 3. Гигиеническая оценка почвы, загрязненной нефтью 52
3.1. Изучение влияния нефти на почвенный микробоценоз и биологическую активность почвы 52
3.2. Изучение самоочищающей способности нефтезагрязненных почв 95
Глава 4. Изменение видового состава почвенных микроорганизмов под влиянием нефтяного загрязнения 109
Глава 5. Оценка нефтезагрязненных почв методами биотестирования 118
5.1.У становление экотоксичности модельных нефтезагрязненных почв 118
5.2. Оценка суммарной мутагенной активности в тесте Эймса 124
5.3. Мультисубстратное тестирование 126
Глава 6. Изучение состояния почв городов - мегаполисов 135
6.1. Содержание нефтяных углеводородов в почвах г. Москвы их воздействие на почвенный микробоценоз и санитарное состояние 135
6.2.Содержание нефтяных углеводородов в почвах г. Уфы и их влияние на почвенную микрофлору 145
Глава 7. Обсуждение результатов исследований 149
Выводы 165
Список литературы 167
Приложения 184
Внедрение результатов в практику 229
- Действие нефти, нефтепродуктов и выбросов нефтехимических производств на здоровье людей
- Изучение самоочищающей способности нефтезагрязненных почв
- Изменение видового состава почвенных микроорганизмов под влиянием нефтяного загрязнения
- Оценка суммарной мутагенной активности в тесте Эймса
Действие нефти, нефтепродуктов и выбросов нефтехимических производств на здоровье людей
Несомненно, особенно важно с гигиенических позиций, воздействие нефти, нефтепродуктов и отходов нефтехимических производств на здоровье людей. В основном это определяется влиянием нефти и ее производных на контактирующие среды: воду, воздух, почву. Прямое поступление вредных веществ с почвой в организм человека (почва-человек) ограничено и имеет место только при прямом контакте человека с почвой. Основное же количество химического вещества из почвы поступает в организм человека не прямым путем, а по биологическим цепям: почва - вода - человек; почва воздух - человек; почва - растения - человек; почва - растение- животное человек; почва-пищевые продукты - человек [17; 82; 101].
Прямой контакт с нефтью возможен при нарушении технологического процесса при добыче нефти или на нефтехимическом производстве. Пары и газы могут поступать в организм через органы дыхания, а жидкие вещества воздействовать на кожу, причем ряд веществ (бензин, бензол, дихлорэтан, этиловая жидкость и др.) может поступать в организм через неповрежденную кожу. При добыче малосернистой нефти (до 0,5 % серы) в воздух поступают газообразные углеводороды (метан, этан, бутан), а при добыче многосернистой нефти (свыше 2% серы) - сероводород и меркаптаны. Некоторые вредные вещества оказывают наркотическое действие; альдегиды, кетоны, спирты - раздражающее действие; фенолы и кислоты -прижигающее действие. Нефть и нефтепродукты могут вызывать дерматиты, экземы, фолликулиты, кератозы, бородавки, папилломы, а при постоянном контакте - рак кожи [53].
Основными проявлениями хронической интоксикации нефтепродуктами являются изменения центральной нервной системы в виде астено вегетативного, астено-невротического синдрома или вегето-сосудистой дистопии, а также нервно-психические расстройства [124]. Изменения органов являются результатом нарушения нейроэндокринной регуляции их деятельности или дистрофических процессах. Описаны синдромы изменения сердечно-сосудистой системы (сердечно-сосудистая дистопия, миокардиодистрофия), органов пищеварения (токсико-химическое поражение печени, нарушение двигательной функции желудочно-кишечного тракта, желчевыводящих путей), крови (лейкопения, снижение функциональной способности лейкоцитов, анемия). Под влиянием нефтепродуктов обнаружена патология органов дыхания, указывающая на аллергизацию организма, возникающие приступы затрудненного дыхания и удушья, снижение бронхиальной проходимости. В некоторых случаях, при вдыхании паров нефти, возможно возникновение пневмоний [101].
В работе Сабировой З.Ф. [95] проведено сравнение двух башкирских центров нефтехимии (Уфы и Стерлитамака) с городом Белебеем, где воздух загрязняется в основном автотранспортом. Анализ данных о заболеваемости и смертности показал, что неблагоприятное влияние загрязнения окружающей среды продуктами нефтепереработки проявляется: а) в повышении общих коэффициентов смертности населения по стандартизированным показателям; б) в сверхсмертности мужчин 25-39 лет (смертность мужчин этого возраста выше смертности женщин того же возраста в двух городах с развитой нефтехимией в 4-7- раз, тогда как в контрольном городе в 2,2-3 раза); в) в повышении смертности от злокачественных образований, болезней органов дыхания и пищеварения.
В районах добычи нефти (Лениногорск, Старо-Кувакский и Шугуровский участки) была проанализирована заболеваемость населения и выявлена зависимость здоровья от качества компонентов экологической системы. В результате исследований установлена корреляционная связь болезней органов дыхания с диоксидом серы (г=0,5-0,73), сероводородом (г=0,6 - 0,82); болезни крови и кроветворных органов - с оксидами азота (г=0,58 - 0,79); болезней нервной системы и органов чувств - с сероводородом (г=0,73 - 0,82) [34].
Также изучалась заболеваемость детского населения в нефтедобывающем районе Игринский. Проведенные исследования свидетельствовали о высокой распространенности заболеваний аллергической природы (атопический дерматит, бронхиальная астма, аллергический ринит) у детей дошкольного возраста в этом районе по сравнению с районом, свободным от нефтехимического производства [26]. Проведенное исследование по изучению здоровья детей, проживающих в Перми, где располагается крупнейшее предприятие нефтеперерабатывающей промышленности, показало наличие в организме пациентов (по результатам анализов крови и мочи) токсикантов - бензола, толуола, этилбензола, сероводорода, фенола, о-, м-, п-ксилола, которые являются приоритетными химическими компонентами выбросов нефтеперерабатывающего предприятия. Идентификация исследуемых органических веществ в организме детей, проживающих в зоне нефтеперерабатывающего предприятия, обуславливает риск формирования пред- и патологических реакций, характеризующих дестабилизацию системы окислительно-восстановительных процессов - антиоксидантная защита, специфическую и неспецифическую сенсибилизацию, угнетение гуморального иммунитета, депрессию гемопоэза, вегетативные нарушения [58]. В последние годы появились единичные работы по изучению содержания токсичных видов почвенных грибов в почвах с разным уровнем антропогенной нагрузки и конкретно в почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами [9; 60; 63].
Изучение самоочищающей способности нефтезагрязненных почв
Самоочищение природной среды (почва, вода) - это сочетание природных процессов, направленных на восстановление ее первоначальных свойств и состава. Самоочищение происходит непрерывно и протекает в связи с круговоротом веществ в природе. Врачи-гигиенисты еще в XIX в., указывали, что для гигиены не так важно развитие болезнетворных бактерий, как определение условий, благоприятных их появлению и распространению. Исследования, в которых почву рассматривали как субстрат, не загрязняющий окружающую среду, а, наоборот, способствующий ее очищению, заложили основы санитарного почвоведения в нашей стране [4].
Основным контролем самоочищения почв от нефти является химический анализ ее остаточного содержания.
С этой целью мы провели химические исследования для установления остаточных количеств нефти и в модельных почвенных образцах.
Остаточное количество нефти в почве определяли весовым методом и методом инфракрасной спектрометрии (ИК-спектрофотометрии). Исследовались образцы урбанозема и дерново-подзолистой почвы с внесением нефти в концентрациях 21 г/кг - № 1,41 г/кг - № 2, 82 г/кг - № 3, 165 г/кг - № 4, 247 г/кг - № 5 и 412 г/кг - № 6.
Результаты исследований по содержанию нефти в почве в течение эксперимента методом ИК-спектрофотометрии представлены в таблицах
Уже на вторые сутки количество нефти в почвенных образцах урбанозема сократилось на 12-64% от количеств, внесенных в начале эксперимента (табл. 3.2.2). Следует отметить, что меньше всего остаточной нефти (в расчете от внесенной), было обнаружено в почвенном образце с самым высоким изначальным уровнем загрязнения - 412 г/кг. По экспериментальным данным на 2-е сутки эксперимента в этом образце количество нефти сократилось до 147 г/кг (35,7 %) нефти.
В течение эксперимента (на 140-е сутки) содержание нефти в образцах сократилось до 13,6-45 %. К концу инкубации образцов урбанозема (180-сутки) было обнаружено, что содержание остаточной нефти в образцах №№ 1-5 сократилась приблизительно до одного уровня, независимо от количества внесенной нефти. Количество нефти колебалось от 22-30 %.
Несколько отличались результаты, полученные в образце с наибольшим количеством внесенной нефти 412 г/кг. Здесь, как и в начале эксперимента, было отмечено самое низкое содержание остаточной нефти - 11,3 %.
Данные остаточного содержания нефти, полученные по результатам весового метода, отличались от данных ИК-спектрофотометрии для двух образцов с самым высоким содержанием нефти - №№ 5 и 6 (табл. 3.2.1). После месяца инкубации нефтезагрязненных образцов, количество остаточной нефти в образце №1 составляло 57% от начального количества, в образце № 2 - 54 %, в № 3 - 34 %, № 4 - 81 %, № 5 - 80 % и в образце с самой большой дозой 412 г/кг (№6) - 73 %. Тогда как на второй день инкубации методом ИК-спектрофотометрии в образцах №№ 5 и 6 было обнаружено всего 63,5 и 35,7 % от начального количества соответственно.
Полученные данные после проведенных исследований весовым методом на 140-е сутки инкубации также разнились с параллельными данными ИК-спектрофотометрии (табл.3.2.1).
Количество нефтепродуктов, полученное после их отгонки из почвы горячим методом составляло в образце №1 - 43 %, №2 - 41 %, №3 - 37 %, №4 - 52 %, №5 - 45 % и №6 - 36 %. Данные, полученные из этих же образцов в то же время методом ИК - спектрофотометрии следующие - № 1 -25 %, № 2 - 36 %, № 3 - 45 %, № 4 - 37 %, № 5 - 29 % и № 6 - 14 % нефти в почве от количества первоначально внесенной.
Предположительно, неточные результаты, полученные методом ИК-спектрофотометрии, при изучении урбанозема с высокими дозами содержания нефти (247 г/кг и выше) были получены потому, что метод рассчитан на содержание нефти в почве не более 10000 мг/кг.
Анализируя алифатическую часть нефти методом газожидкостной хроматографии, было обнаружено, что в образце с самым малым нефтяным загрязнением - 21 г/кг, нефть через месяц инкубации практически полностью разложилась, тогда как в образце №6 (412 г/кг) процесс микробиологического разложения алифатической части нефти только начался. Образцы дерново-подзолистой почвы были пронумерованы в аналогичном порядке.
Исследования, проведенные методом ИК-спектрофотометрии, показали, что на 90-е сутки эксперимента в образце № 1 дерново-подзолистой почвы, количество остаточной нефти составило 28 %, в образцах №2-№5 оно было примерно на одном уровне, вне зависимости от количества первоначально внесенной нефти и составляло 43-46 % и в №6 количество ее составило 51 % (табл. 3.2.3).
В конце эксперимента, на 150-е сутки, количество остаточной нефти сократилось в образце №1 - до 12 %, в №2 - до 33 %, В №4 - до 37 %.
Данные содержания остаточного количества нефти в дерново-подзолистой почве, по нашему мнению, в большей степени отражали действительность. Вероятно, разница в полученных результатах по двум почвам, обусловлена разным химическим и механическим составом изучаемых образцов. Скорость разложения нефти в почве определяли, рассчитывая константу скорости (К) этого процесса. Показателями самоочищения почвы и других природных сред могут также служить период 50%-ного (Т50) исчезновения химического вещества [51]. Константу скорости самоочищения от нефти рассчитывали по формуле экспоненциальной зависимости: где Со - исходная концентрация нефти (г/кг), С - концентрация остаточной нефти в данный момент времени (г/кг), время между внесением нефти в почву и моментом определения его остаточного количества (сут), К -константа скорости (сут " ). Периоды 50%-ного исчезновения нефти рассчитывали по формуле: На примере дерново-подзолистой почвы можно сказать, что константа скорости самоочищения и период 50 %-ного разложения нефти возрастали в зависимости от количества внесенной нефти в образцах почвы (табл. 3.2.3). В работах Мишустина Е.Н. было показано, что ход процесса самоочищения природной среды от различных химических соединений может характеризовать «динамика количества сапротрофных бактерий в загрязненных почвах». Изменения в количестве «сапротрофного» бактериального населения почвы могут быть с успехом использованы для суждения о быстроте самоочищения загрязненных почв [78]. Мы объединили эти показатели (константу скорости самоочищения, период 50%-ного исчезновения (Т50) и количество сапротрофных бактерий) с целью более полно охарактеризовать скорость самоочищения почвы от нефтяного загрязнения (табл. 3.2.2 и 3.2.3, рис. 3.15). Сравнивая результаты химических методов определения нефти в почве и количества выделенных на питательных средах сапротрофных бактерий, можно отметить, что численность микроорганизмов в течение эксперимента заметно увеличивается во всех образцах, за исключением почвы с внесением самой высокой дозы нефти - 412 г/кг. Очевидно, что к концу эксперимента заметно снижается скорость разложения нефти в образцах с дозами внесенной нефти 165 - 412 г/кг. Здесь же можно отметить уменьшение количества сапротрофных бактерий, по количеству которой можно судить о способности почвы осуществлять самоочищение от нефтяного загрязнения. Следовательно, токсическое действие нефти в дозе 165 г/кг и выше, существенно замедляет процессы самоочищения, губительным образом влияя на почвенные микроорганизмы (табл. 3.2.2 и 3.2.3, рис. 3.15).
Изменение видового состава почвенных микроорганизмов под влиянием нефтяного загрязнения
Исследуя почвы, загрязненные нефтью, мы пришли к выводу, что под ее влиянием микробоценоз изменяется не только количественно, но и качественно.
При изучении влияния нефти на почвенные актиномицеты были выделены такие морфотипы как Streptomyces (S.) carpaticus, S.nodosus, S.grizeobrunneus, S.bikiensis, S.clavuligerus, S.spheroids. Нефтяное загрязнение на видовой состав актиномицетов существенного влияния не оказало, как в ряду увеличения вносимых доз нефти, так и в течение экспозиции образцов.
При изучении сапротрофных бактерий, в контрольных образцах исследуемых почв были выделены и идентифицированы такие виды микроорганизмов, как Bacillus globisporiim, В. cereus, Arthrobacter globisporiim, Arthrobacter aurescens, Micrococcus luteus, Cellulomonas, Xanthomonas, Agiiaspirillum, Rhodococciis. В первые дни инкубации с внесенной нефтью, видовой состав сообщества изменился, и в основном был представлен Arthrobacter globisporiim, Arthrobacter aurescens, а также Rhodococciis. Особенное внимание обратили на себя почвенные микромицеты.
Убедительно доказано, что именно почвенные грибы - важнейшие компоненты наземных экосистем, особенно почвенного покрова, которые могут в процессе своей жизнедеятельности воздействовать на здоровье человека, вызывая различные аллергии и заболевания [76; 131; 139].
В Эксперименте №1, видовой состав микроскопических грибов культурозема был представлен такими видами как Penicillium (P.miczynskii, P.funicitlosiim), Acremonium (A. strictum, A.verticillium), Mucor hiemalis, Trichoderma hamatum, представителями семейства Dematiaceae и стерильным белый мицелием (СБМ) (приложение 10, 11, рис. 4.3).
При внесении нефти наблюдались следующие изменения - с 21-го дня инкубации в образце с самой малой концентрацией нефти, помимо видов почвенных грибов, выделенных в контрольном образце, появились колонии гриба Aspergillus niger, нетипичные для почв данной климатической зоны. Этот вид выделялся из образца с дозой нефти 21 г/кг на протяжении 240 дней инкубации, тогда как доминирующие в незагрязненной почве виды Penicilliiim и Acremoniiim выделялись значительно реже и в меньшем количестве. Обилие и встречаемость их заметно снизились (приложение 10, 11, рис. 4.3).
При повышении нефтяной нагрузки до 41 г/кг, в посевах появляются еще 3 вида почвенных грибов, не встречающихся ни в контрольном образце,,ни в образце с меньшей дозой - это Gliocladhim, Fiisariiim и Paecilomyces (а именно - Gliocladhim catenulatum, Fiisariiim oxysporum и Paecilomyces variotii Bainer)- широко известные, как условно патогенные грибы. Примерно такую же картину можно наблюдать в образце с концентрацией нефти 82 г/кг.
К концу инкубации в почвенном образце с концентрацией нефти 165 г/кг из всех видов микромицетов высевались лишь представители рода Aspergillus.
На 210 день инкубации культурозема с нефтью в количестве 247 г/кг был обнаружен еще один ранее не встречавшийся вид микромицета, устойчивого к нефтяному загрязнению - Sporothrix schenckii. Он так же был обнаружен в посевах из образца с самой высокой концентрацией нефти - 412 г/кг, наряду с немногими представителями почвенных микромицетов, выделенных из того же образца: Mucor hiemalis, Trichoderma hamatum и Dematiaceae spp. Следует отметить, что со 120-х суток эксперимента выделялся лишь вид Trichoderma hamatum.
Изменение обилия и встречаемости почвенных грибов под влиянием различных концентраций нефти представлено в приложениях 10, 11 и на рисунке 4.3.
В Эксперименте №2, микромицетный комплекс исходного урбанозема состоял из следующих видов: Penicillium (P.simplicissimum, miczynskii), Acremonium (A.strictum, A.verticillium), Mucor hiemalis, Trichoderma hamatum, Chaetomium sp., Gliocladium catemdatum и MTM (приложение 11, 12, рис. 4.1 и 4.4).
Все изученные концентрации нефти оказались губительными для Chaetomium sp, и способствовали появлению в посевах условнопатогенных микромнцетов Paecilomyces variotii Bainer и Fusariam oxysporum (приложение 11,12, рис 4.1 и 4.4).
Начиная с концентрации внесенной нефти 41 г/кг, увеличивалось обилие и частота встречаемости Dematiaceae spp, безусловных представителей антропогенно-загрязненных почв и уменьшалось количество доминирующих в незагрязненной почве аборигенных родов Penicillium и Acremonium.
В образце с концентрацией нефти 82 г/кг было обнаружено появление микромнцетов Aspergillus niger, Aspergillus versicolor и Sporothrix schenckii, количество которых возрастало в почвах с большими концентрациями нефти.
Начиная с 58-х суток инкубации, в образцах с высокими дозами нефти - 247 и 412 г/кг эти виды выделялись как единственные представители почвенных грибов (приложение 11, 12, рис. 4.1 и 4.4).
Оценка суммарной мутагенной активности в тесте Эймса
Расчет «условной дозы нефти на чашку» (условного количества нефти, в мг, соответствующего вносимому объему экстракта на чашку) для проб № 4 и № 5 представлен в приложении 16.
Данные регрессионного анализа приведены в таблице 5.2.1. Регрессионное уравнение удовлетворительно описывает полученные результаты. Из данных этих уравнений можно рассчитать удваивающую дозу (УД), условную дозу нефти на чашку, индуцирующую количество колоний ревертантов на чашку, равное контрольному уровню. Для пробы № 4 УД составила 118,7 мг на чашку, для пробы № 5 - 249,7 мг на чашку.
Выявленный мутагенный эффект на штамме ТА 98 при СМ+ характерен для полициклических углеводородов и ароматических аминов.
Степень изменения микробных сообществ под влиянием нефтяного загрязнения оценивали методом мультисубстратного тестирования (МСТ) с помощью автоматизированной системы микробиологического мониторинга «ЭКОЛОГ».
Исследовались почвы, загрязненные нефтью - урбанозем и дерново-подзолистая почва, с концентрациями внесенной нефти - 21, 82, 165, 247, 412 г/кг.
Полученные данные обрабатывались методами статистики и разделены на группы путем кластерного анализа (кластеризация по Варду). Проведена оценка индексов биоразнообразия и индексов стабильности микробных систем на основе анализа ранговых распределений в системе «Eco-log»v4.01.
Почвенное микробное сообщество представляет собой сложную систему, элементы которой располагаются определенным образом в соответствии с ранговым распределением. В случае МСТ, спектр потребляемых субстратов можно рассматривать, как символьные последовательности (текст), который генерируется естественным микробным сообществом. В качестве букв тут выступают субстраты. Интенсивность их потребления - аналог частоты встречаемости букв в языке.
Таким образом, сообщество с «метаболическим языком», близким к языку контрольной группы, можно будет считать относительно благополучным. В противном случае, при сходстве с языком нарушенного микробного сообщества, можно будет сделать вывод о формировании особого микробного сообщества, которое в условиях загрязнения осуществляет процесс самоочищения. В случае динамических процессов, переход системы на другой «язык» означает ее разрушение и происходящие в ней качественные изменения. Параметры модели могут трактоваться следующим образом: Анализ микробных сообществ изученных модельных экосистем методом кластерного анализа позволяет выделить две группы (рис. 5.3.1). В одну группу вошел контрольный образец (без внесения нефти) и образец с низкой концентрацией нефти (21 г/кг), а во вторую - образцы со средней (82-165 г/кг) и высокой концентрацией нефти (247-412 г/кг), отличающиеся от образцов первой группы тем, что в них преобладали микроорганизмы, потребляющие загрязнитель как основной субстрат.
Контрольный образец являет собой микробную систему, характеризующуюся как благополучную, стабильную, избыточную, имеющую максимальный запас прочности (рис. 5.3.2).
В то же время, исходя из параметров биоразнообразия, можно говорить о том, что по мере увеличения концентрации нефти, наблюдалось два момента изменения микробиологической картины почвенных образцов (рис. 5.3.2 и 5.3.3).
В контрольном образце, при достаточно высоком уровне биоразнообразия (высокие энтропийные показатели - индекс Шеннона и выровненности), микробиота - естественное природное сообщество, функцией которого является разложение опада, осуществление цикла углерода и поддержание плодородия, активно выполняет метаболическую работу по поглощению собственного питательного субстрата.
В образце с содержанием нефти - 21 г/кг, биоразнообразие бактериального комплекса (II) и выровнешюсть (Е) несколько снизились, но вместе с тем повысилась производимая им метаболическая работа (W). Это объясняется тем, что с добавлением нового органического субстрата -нефти, наряду с обычной почвенной микрофлорой к его разложению, подключаются резистентные до сих пор углеводородокисляющие бактерии.
Увеличение концентрации до 82 г/кг приводит к тому, что сообщество микроорганизмов видоизменяется - значительно уменьшается индекс Шеннона и увеличивается выровнешюсть, что говорит о том, что в сообществе теперь доминируют углеводородокисляющие микроорганизмы, потребляющие нефть, как основной субстрат.
![Гигиеническая оценка влияния факторов окружающей среды на систему мать - плод и методические принципы использования антропометрических показателей при рождении в системе социально-гигиенического мониторинга [Электронный ресурс]](/i/i/4415/184480.png "Гигиеническая оценка влияния факторов окружающей среды на систему мать - плод и методические принципы использования антропометрических показателей при рождении в системе социально-гигиенического мониторинга [Электронный ресурс] Константинова Юлия Алексеевна")
![Гигиеническая оценка влияния антропогенных факторов окружающей среды на здоровье детей и подростков промышленного города [Электронный ресурс]](/i/i/4471/177037.png "Гигиеническая оценка влияния антропогенных факторов окружающей среды на здоровье детей и подростков промышленного города [Электронный ресурс] Михайлова Елена Вячеславовна")
