Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы литературный обзор 9
1.1. Нативные углеводороды в почвах 9
1.2. Специфика загрязнения почв и грунтовых вод УВ 18
1.3. Функционирование почв в условиях загрязнения УВ 25
1.4. Трансформация УВ в почвах 28
1.4.1. Общие принципы трансформации 28
1.4.2. Липиды и битуминозные вещества в почвах 32
1.5. Нормирование содержания УВ в почвах 41
1.6. Подходы к группировке почв, загрязненных УВ 45
1.7. Экологические споры при УВ загрязнении почв 48
Глава 2. Объекты и методы исследования 53
2.1. Объекты исследования 53
2.2. Методы исследования 55
Глава 3. Природных условия факторы почвообразования. почвенный покров 63
3.1. Природные факторы формирования почвенного покрова 63
3.2. Антропогенные факторы формирования почвенного покрова 66
3.2.1. Площадки захоронения промышленных стоков МСПХГ 66
3.2.2. Чкаловский аэродром 68
3.2.3. Автотранспорт 69
3.2.4. Выбросы в атмосферу летучих НП, связанные с эксплуатацией компрессорных станций, авиатранспорта и других промышленных объектов региона 69
3.3. Почвенный покров района исследования 70
Глава 4. Результаты и обсуждение 72
4.1. Особенности загрязнения почв УВ и роль почв в их накоплении .72
4.1.1. Поверхностное загрязнение почв УВ 72
4.1.2. Профильное УВ загрязнение почв 77
4.2. Функционирование почв в условиях загрязнения нефтепродуктами 87
4.3. Трансформация УВ в почвах 94
4.4. Подходы к группировке и классификации загрязненных почв 97
4.5. Загрязнение почвенного покрова углеводородами в условиях комплексного техногенного воздействия и решение экологических споров 99
Выводы 103
Список литературы 105
Приложение 120
- Специфика загрязнения почв и грунтовых вод УВ
- Методы исследования
- Антропогенные факторы формирования почвенного покрова
- Функционирование почв в условиях загрязнения нефтепродуктами
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном мире в условиях возрастающей техногенной нагрузки и дефицита земель проблема загрязнения почв является одной из наиболее актуальных. Среди многочисленных загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду, особо важная роль принадлежит углеводородам (УВ), что связано с интенсивностью их добычи, масштабностью распространения (Глазовская, 1981; Солнцева, 1998; Пиковский, 1993) и опасными свойствами по отношению к живым организмам (Русаков, Рахманин, 2004; Haerpfer, 2001).
В настоящее время основным объектом исследования углеводородного загрязнения являются почвы в районах нефтепромыслов, как правило не использующиеся в сельском хозяйстве и выведенные за пределы массового проживания населения. Однако источниками УВ загрязнения являются не только объекты нефтепромыслов, но и промышленные объекты, прямо или косвенно использующие нефтепродукты. В связи с концентрацией промышленных объектов в пригородных зонах почвы этих районов испытывают комплексное техногенное воздействие, связанное с разнообразием источников и путей поступления поллютантов. При этом загрязнение почв и сопредельных сред в этих районах создает опасность для населения и поэтому особенно актуально для исследования.
Углеводороды, поступая в почвы, испытывают комлпекс трансформаций, при этом изменяя естественное функционирование самих почв. Проблемы поиска консервативных диагностических признаков загрязнения почв УВ и подходов к группировке и классификации загрязненных почв остаются открытыми.
Цель настоящей работы: выявить особенности УВ загрязнения почв в условиях комплексного техногенного воздействия на примере Щелковского района Московской области.
Задачи:
-
Установить роль почвенного покрова в накоплении УВ
-
Выявить особенности пространственного и профильного загрязнения почв УВ
-
Установить взаимосвязь УВ загрязнения и свойств почв
Выявить особенности функционирования почв в условиях УВ загрязнения
Изучить особенности трансформации УВ в почвах
Расширить подходы к группировке почв, загрязненных УВ
Изучить особенности почвенного покрова при загрязнении УВ
Разработать подходы к разделению зон ответственности загрязняющих источников в условиях комплексного УВ загрязнения
Научная новизна. Впервые установлены консервативные диагностические признаки УВ загрязнения почв. Рекомендовано введение сигнального уровня (СУ) загрязнения почв для расширения нормативной базы. Предложены подходы к группировке УВ загрязненных почв по характеру проявления загрязнителя, механизму поступления УВ, их химическому составу и особенностям функционирования загрязненных почв.
Практическая значимость. Результаты работы создают базу для составления оценочных карт, анализа рисков загрязнения почв при строительстве объектов, выступающих источниками поступления УВ в окружающую среду. Предложен подход к разделению зон ответственности загрязняющих источников в условиях комплексного техногенного воздействия, что является этапом судебно-почвоведческой экспертизы в рамках решения экологических споров.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на X международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 2003), Всероссийской конференции «Человек и почва в XXI веке» в рамках международного форума «Сохраним планету Земля» (Санкт - Петербург, 2004), XII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2005), IX Международной научно-практической конференции «Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля», Пенза, 2005.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них 2 статьи.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, включающего 125 отечественных и 39 зарубежных работ, приложения. Содержательная часть диссертации изложена на 115 страницах, иллюстрирована 30 рисунками, 15 таблицами.
Специфика загрязнения почв и грунтовых вод УВ
В почвах нефть и НП находятся в следующих формах: в пористой среде - в парообразном и жидком легкоподвижном состоянии, в свободной или растворенной водной или водно-эмульсионной фазе в трещинах - в свободном неподвижном состоянии, играя роль вязкого или твердого цемента между частицами и агрегатами почвы; в сорбированном состоянии, связанном на частицах горной породы или почвы, в том числе — гумусовой составляющей почв. в поверхностном слое почвы или грунта в виде плотной органо-минеральной массы (Другов, 2001) Глубина проникновения нефтяных компонентов при поверхностном загрязнении обусловлена уровнем грунтовых вод, а характер миграции в почвенном профиле контролируется гумусовыми и иллювиальными сорбционными барьерами (Atlas, 1991). В некоторых случаях загрязнение почв нефтью и НП может происходить как с поверхности, так и в нижних горизонтах почвенного профиля за счет подъема в период половодья грунтовых вод, загрязненных подземными стоками (Габбасова и др., 1997). На миграцию нефти и НП в породах и подземных водах, условия их нахождения в водоносном горизонте существенно влияют физические и физико-химические свойства НП (плотность, вязкость, температура кипения, сорбируемость, растворимость). Температура кипения, являющаяся прямой функцией молекулярной массы, характеризует способность НП к улетучиванию. Плотность зависит главным образом от молекулярного строения. Нефть и большинство НП имеют плотность, меньшую единицы, исключение составляют мазуты, смазочные масла. Вязкость зависит от молекулярной массы и строения, т.е. от фракционного и группового состава НП: чем тяжелее фракционный состав, чем больше асфальто-смолистых веществ, тем выше вязкость. Растворимость в воде НП прежде всего связана с их химическим составом. Растворимость уменьшается в ряду: ароматические-циклопарафины-парафины. Помимо механизма молекулярного растворения переход НП в воду может осуществляться также за счет процессов эмульгирования. Эмульсии образуются при механическом перемешивании двух несмешивающихся жидкостей, а их устойчивость существенно зависит от снижения нормальных значений поверхностного натяжения на границе раздела фаз НП-вода. Существенно влияет на снижение межфазного поверхностного натяжения присутствие эмульгаторов. НП, и особенно сырая нефть, содержат некоторые количества полярных веществ, которые могут действовать как эмульгаторы. Роль эмульгаторов могут играть также некоторые органические вещества почв и подземных вод, а также новообразования, возникающие в процессе биодеградации НП. При проникновении нефти и НП в грунт происходит разделение компонентов указанных веществ, как при колоночной хроматографии (AI2O3). Нефтяные вещества сорбируются на грунтах преимущественно в виде жидкой фазы. В первую очередь происходит сорбция полярных компонентов нефтяных веществ (нафтеновые кислоты, смолы, асфальтены). Способность к сорбции УВ понижается в ряду олефины-ароматические-циклопарафины-парафины (Гольдберг, Газ да, 1984).
Таким образом, почвенный покров играет важную экологическую роль, аккумулируя, перераспределяя и трансформируя поллютанты. Особенности этого процесса зависят как от свойств загрязнителя, так и специфика почвенных экосистем, что требует детальных проработок.
Загрязнение почв зависит не только от непосредственного поступления поллютантов от источников воздействия, но и от загрязнения сопредельных сред, одной из которых являются грунтовые воды. Загрязнение грунтовых вод НП не является локальным процессом, обусловленным только непосредственным воздействием техногенного источника загрязнения. Оно тесно связано с загрязнением окружающей природной среды в целом. Среди природных факторов, влияющих на проникновение загрязняющих веществ в подземные воды, важнейшими являются: -строение и свойства пород зоны аэрации (мощность, литология, наличие в разрезе слабопроницаемых отложений, фильтрационные и сорбционные свойства, режим влажности) -строение горизонта грунтовых вод -соотношение уровней горизонта грунтовых вод и нижележащих водоносных горизонтов -тектонические условия, с которыми возможно связаны зоны разломов, трещиноватости - развитие карстовых процессов (Гольдберг, Газда, 1984). Основными веществами, загрязняющими подземные воды, являются промышленные отходы, бытовые отходы, воды шахтного и рудничного водоотлива, отходы с/х. Загрязнение подземных вод УВ нефтяного ряда может быть вызвано сырой и товарной нефтью, НП и УВ соединениями, содержащимися в промышленных отходах, промывочных жидкостях и др.
Методы исследования
Для исследования содержания НП в почвенном покрове и грунтовых водах, выявления особенностей качественного состава НП, их миграции и поведения в депонирующих средах применялся комплекс методов анализа. Для массового сканирования территории и выявления закономерностей распределения НП использовался метод гексановой экстракции (ГОСТ РФ. Определение содержания НП в почвах и грунтах ВНИГРИ, 1990). Для диагностики качественного состава НП и работы с малыми концентрациями загрязнителя использовался модернизированный люминесцентно-битуминологический метод (Краснопеева, 2007; Флоровская, Пиковскип, 1981). Исследования проводились в "Лаборатории углеродистых веществ в биосфере" географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Для анализа качественного состава н-алканов использовался метод капиллярной газо-жидкостной хроматографии с использованием газового хроматографа Agilent 6890 с пламенно-ионизационным детектором (ПНД Ф 16.1.38 - 02. Методика выполнения исследований массовой доли нефтепродуктов методом капиллярной газо-жидкостной хроматографии). Анализ проводился в химико-аналитическом центре на кафедре химии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова.
Содержание липидов в почвах определялось методом горячей спиртобензольной экстракции (Орлов, 1981).
Определение биомассы микроорганизмов и их видового разнообразия проводилось методом газовой хромато-масс-спектрометрии с предварительным выделением жирных кислот в Институте микробиологии РАН.
Анализы гранулометрического состава, содержания органического вещества, окислительно-восстановительного потенциала, плотности и влажности почв выполнялись по стандартным методикам на кафедре географии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова (Вадюнина, Корчагина, 1986).
Была составлена картосхема загрязнения почвенного покрова путем корректировки существующей крупномасштабной почвенной карты, составленной по общепринятым методикам (Общесоюзная инструкция..., 1973; Евдокимова, 1981; Сорокина, 2006) на основе полевых исследований и анализа аэро-, фото- и космических снимков. На исследуемой территории были заложены детальные ключевые участки и отдельные разрезы и полуямы. Общее количество составило 70 разрезов и 30 полуям, из которых 6 на условно фоновой территории. В работе учтены ГОСТ (ГОСТ 17.4.3.01 -83. Охрана природы. Общие требования к отбору проб) и стандарты ISO (ISO 10381 - 2: 2002. Soil quality - Sampling. Part 2. Guidance on sampling techniques) при анализе загрязнения верхней части почв. Загрязнение нижних горизонтов почв оценивалось по почвенным разрезам. Образцы отбирались по сетке квадратов с уменьшением шага опробования в зависимости от сложности почвенного покрова и удаленности от источника воздействия. Полученные результаты явились итогом четырехлетних исследований.
Статистическая обработка результатов проводилась в программах MS Excel и Statistica, подготовка картографического материала - в программах Surfer, Maplnfo, PhotoShop.
Рассмотрим более подробно основные принципы методов определения нефтепродуктов.
Анализ основан на свойствах НП люминесцировать при возбуждении УФ лучами (Х= 100-400 нм). Люминесценцией называется свечение вещества, вызванное излучением квантов электронами в результате поглощения этим веществом определенного вида добавочной энергии. Излучение происходит в видимой области спектра (Х=400-700 нм). Способность НП люминесцировать, цвет люменисцеции и яркость находятся в тесной связи с химическим и молекулярным составом этих веществ.
НП представляют собой сложную смесь УВ, представленных соединениями разных классов. С помощью люминесцентно-битуминологического анализа качественный состав нефтепродуктов можно охарактеризовать по доминирующим группам соединений близким по таким свойствам как температура кипения, растворимость, молекулярный вес и др. Люминесценция нефтепродуктов в растворах характеризуется целым набором параметров, по которым можно судить о свойствах люминесцирующего вещества (спектр возбуждения, поглощение излучения и т.д.) Общие закономерности изменения люминесцентных характеристик растворов описаны в работе В.Н. Флоровской (Флоровская, 1974)
Качественный состав НП определяется по цвету люминесценции растворов и капиллярных вытяжек.
Количественное определение содержания НП возможно двумя способами — по капиллярным вытяжкам и флуориметрически.
Антропогенные факторы формирования почвенного покрова
Антропогенное воздействие, вызывающее поступление нефтепродуктов в почвы Щелковского района, обусловлено влиянием нескольких источников: бурением и эксплуатацией поглотительных скважин в районе Московской станции подземного хранения газа, технологической эксплуатацией Чкаловского аэродрома и автомобильным транспортом. Следует также отметить атмосферное загрязнение почвенного покрова в связи с влиянием комплекса промышленных предприятий, выбрасывающих в атмосферу УВ и продукты их сгорания (воздушный транспорт, компрессорные станции и др.)
Захоронение промышленных стоков связано с эксплуатацией Московской станции подземного хранения газа (МСПХГ, Щелковское подземное газохранилище), созданного в 1961 году для компенсации повышенного газопотребления в Москве и области. По двум поглотительным скважинам (скв.№20 и скв.№29), на глубину 900 м осуществляется закачка сточных вод, образуемых при технологической эксплуатации газохранилища, что должно изолировать стоки от контакта с вышележащими горизонтами (Рис.10).
Среди большого набора утилизируемых органических загрязнителей доминируют нефтепродукты, метанол, бутанол, диэтиленгликоль. Нефтепродукты представлены в основном маслами, концентрация которых в составе закачиваемых стоков в 130 раз превышает ПДК (0,05 мг/л), составляя 6,5 мг/л. Загрязнение почв нефтепродуктами связано с 2-мя механизмами поступления поллютантов: аварийными протечками скважин при захоронении стоков (Рис.10) и процессами установки скважины. (Рис.11)
При установке скважин использовались буровые растворы, в состав которых помимо солей и органических растворителей входили нефтепродукты в качестве ПАВ. Вокруг места установки скважины формировалась «ловушка», представляющая собой обвалованный грунтом котлован диаметром 30 м с изъятой почвой. Сюда сбрасывались продукты бурения, содержащие нефтепродукты. Обе скважины (№20 и №29) расположены в пониженных литолого-геоморфологических позициях. Скважина № 20 находится в древней ложбине стока, подстилаемой древнеаллювиальными отложениями. Скважина № 29 расположена на склоне холма во дно-ледникового происхождения, сформированного суглинистыми отложениями.
Чкаловский аэродром является военным аэродромом Московской области, расположенным в 31 км к северо-востоку от Москвы на юго-восточной окраине города Щелково (Рис. 12).
Территория аэродрома занимает наиболее возвышенную часть исследуемого района с абсолютными отметками в 150 - 155 м и расположена на выровненной поверхности, сформированной аллювиальными супесчаными отложениями. Площадь аэродрома охватывает около 40 га. Аэродром принимает воздушные суда разных классов, располагает двумя взлетно-посадочными полосами длиной 3000 и 3500 м с бетонным покрытием. Помимо организованных путей сброса поллютантов в воды р. Клязьмы за годы эксплуатации аэродрома неоднократно происходили крупные утечки авиационного керосина из топливохранилищ и подводных путей авиационного топлива. В связи с коррозией материалов хранилищ, а также отсутствием защитных систем для снижения рисков утечек керосина загрязнитель в значительных количествах проникает в почвы и далее в грунтовые воды (Куценко, 2001).
Влияние автотранспорта связано с поступлением в почвы продуктов сгорания топлива. На территории изучаемого района существует крупная автомагистраль - Щелковское шоссе с интенсивностью движения 35-46 тысяч автомобилей в сутки. Ширина автодороги 15 м, движение двухсторонние. Щелковское шоссе построено на насыпном песчаном грунте, что приподнимает его относительно остальной территории. Вдоль линии автотрассы сформированы искусственные лесополосы на расстоянии 15-20 м.
Помимо описанных выше источников и механизмов поступления поллютантов определенная доля загрязнителя в виде легких летучих нефтепродуктов присутствует в атмосферных потоках, что связано как с влиянием авиатранспорта вследствие сгорания топлива, так и с работой промышленных предприятий за пределами исследуемого региона. Таким образом, можно предположить существование общего «регионального фона загрязнения» поверхностных горизонтов почв в невысоких концентрациях.
Функционирование почв в условиях загрязнения нефтепродуктами
Микробные сообщества в почвах, загрязненных нефтепродуктами Для анализа изменения микробного сообщества почв были изучены несколько пар разрезов фоновой и загрязненной территории соответственно. При анализе качественного и количественого состава микроорганизмов загрязненной и фоновой территорий были получены следующие результаты: в загрязненных иллювиальных горизонтах биомасса микроорганизмов в 2-3 раза превышает соответствующие фоновые показатели, достигая 98,52 10"4 мг/г почвы, что является следствием поступления органических поллютантов.
Ключевыми организмами процесса биодеструкции углеводородов являются бактерии и дрожжи. Основными компонентами биоценозов, подвергающих деструкции нефтяные загрязнения (до 95%), являются бактерии родов Nocardia, Pseudoraonas, Micrococcus, Acetobacer, представители семейства Enterobacteriaceae, актиномицеты, коринеформы (Мурзаков и др., 1992). В загрязненных почвах наблюдается резкий всплеск численности бактерий рода Nocardia и Rodococcus, составляющих 40 % от общей биомассы микроорганизмов. Способностью активно окислять битумы нефтяного ряда обладают микроорганизмы семейства Mycobacteriaceae, а также Brevibacterium, дрожжи и грибы (Табл. 13).
Важно отметить, что в природных условиях присутствуют многочисленные и разнообразные группы микроорганизмов, утилизирующие нефтяные углеводороды. Однако использование углеводородов не может рассматриваться как уникальное свойство, присущее лишь узкому кругу специфичных в этом отношении микроорганизмов. Углеводородокисляющие микроорганизмы потребляют и другие источники углерода: углеводороды, спирты, сахара, жирные кислоты.
Подавляющая часть микроорганизмов загрязненных территорий является гетеротрофами, способными использовать в качестве источника углерода различные органические вещества.
Таким образом, микробные сообщества почв включают в свой состав значительное количество микроорганизмов, которые существенно увеличивают свою численность в присутствие органических загрязнителей: углеводородов, спиртов, эфиров, жирных кислот. Биомасса микроорганизмов загрязненных территорий в 2-3 раза превышает фоновые значения. По-видимому, это обеспечивается не очень высоким содержанием загрязнителей, стимулирующим развитие микрофлоры, а также благоприятными почвенными условиями. Результаты показали, что в почвах, испытывающих невысокое загрязнение НП (100 - 150 мг/кг, сигнальный уровень) общее содержание микробной биомассы возрастает в 2-3 раза, а группа УВ-окисляющих микроорганизмов (Pseudomonas, Nocardia, Micrococcus, Acetobacter и др.) (Рис. 23) реагирует еще более резким всплеском численности, возрастая в 5-9 раз по сравнению с фоновыми аналогами. Такое поведение УВ-окисляющих микроорганизмов говорит о том, что загрязненные почвы находятся в состоянии наиболее активного окисления НП - состоянии гомеостаза (Звягинцев, 1992).
Одним из параметров измененного функционирования почв в условиях загрязнения УВ является изменение окислительно-восстановительной обстановки. Учитывая повсеместное наличие загрязнителя в поверхностных гумусовых горизонтах почв («региональный фон загрязнения»), были исследованы нижние горизонты почв фоновых и загрязненных территорий, где поллютанты поступают опосредованно из загрязненных грунтовых вод. Результаты исследования 10 пар разрезов агро-дерново-подзолистых глубинно-загрязненных почв и соответствующих им фоновых почв с отсутствием загрязнителя в минеральных горизонтах показали, что наличие УВ в нижней части почвенного профиля в небольших концентрациях (СУ) обуславливает снижение окислительно-восстановительно потенциала в среднем на 30 мВ (Рис. 24), что, по-видимому, связано с повышенной активностью микробиоты, содержание которой возрастает относительно фоновых образцов примерно в 5 раз с доминированием группы УВ-окисляющих микроорганизмов.
Похожие диссертации на Углеводородное загрязнение почв в условиях комплексного техногенного воздействия
-
