Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами 10
1.1 Химия нефти и нефтепродуктов 10
1.1.1 Химическая природа нефти 10
1.1.2 Технология переработки нефти 12
1.2. Структура нефтегазового комплекса 15
1.3. Источники загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами 18
1.4. Поведение и трансформация нефти и нефтепродуктов в почве.. 21
1.5. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на свойства почвы 24
1.6. Факторы, определяющие экологические последствия загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами 27
1.7. Охрана почв от нефтяного загрязнения 29
1.7.1. Проблема нормирования нефтяного загрязнения 30
1.7.2. Санация и рекультивация земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами 32
1.7.3. Почвенно-экологический мониторинг нефтяного загрязнения 33
Глава 2. Объект исследований 36
2.1. Эколого-географические условия района исследований 36
2.2. География черноземов обыкновенных 41
2.3. Генетические особенности и свойства черноземов обыкновенных 42
2.4. Биологические и экологические особенности черноземов обыкновенных 46
Глава 3. Материалы и методы исследований 53
3.1. Биологическая активность почвы 53
3.2. Методология исследования и оценки эколого-биологического состояния почв 56
3.3. Методика модельных исследований 57
3.4. Методы определения экологических и биологических свойств почвы 60
3.5. Статистическая обработка результатов 65
Глава 4. Результаты исследований и их обсуждение... 67
4.1. Состояние комплекса почвенных микроорганизмов 67
4.1.1. Общая численность основных групп микроорганизмов в черноземе обыкновенном 67
4.4.1. Качественный состав микрофлоры в черноземе обыкновенном 76
4.2. Фитотоксические свойства почвы 82
4.3. Ферментативная активность почвы 89
4.3.1 Активность каталазы 95
4.3.2 Активность инвертазы 98
4.3.3 Активность ферриредуктазы 102
4.3.4. Активность уреазы 106
4.3.5. Влияние загрязнения чернозема обыкновенного нефтью и бензином на комплекс почвенных ферментов 109
4.4. «Дыхание», целлюлозолитическая активность и скорость разложения мочевины в почве 112
4.5. Щелочно-кислотные условия 122
4.6. Влияние экстремальных доз нефти и бензина на биологическую активность чернозема обыкновенного 124
4.7. Определение интегрального показателя биологического состояния чернозема обыкновенного 129
4.8. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на экологические и сельскохозяйственные функции чернозема обыкновенного 133
4.8.1. Экосистемные (биогеоценотические) функции почвы 133
4.8.2. Глобальные (биосферные) функции почвенного покрова 138
4.8.3. Сельскохозяйственная функция почв 139
Выводы 141
Список литературы 143
Приложения 164
- Источники загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами
- Факторы, определяющие экологические последствия загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами
- Биологические и экологические особенности черноземов обыкновенных
- Методология исследования и оценки эколого-биологического состояния почв
Источники загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами
Основной источник загрязнения почвы нефтью это человеческая деятельность. В естественных условиях нефть залегает под плодородным слоем почвы на больших глубинах и не производит существенного на нее влияния. В нормальной ситуации нефть не выходит на поверхность, и происходит это только в редких случаях в результате подвижек горных пород, тектонических процессов, сопровождающихся поднятием грунта.
Сейчас, основные загрязнения нефтью происходят в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти по сухопутным и, особенно, морским магистралям.
В районах наземных нефтепромыслов и нефтепроводов периодически происходят локальные утечки нефти и нефтепродуктов, которые не распространяются на большие площади. Если утечка происходит из океанической или морской буровой установки или магистрали, нефть растекается по воде тончайшей, часто мономолекулярной пленкой на площади в сотни и тысячи квадратных километров, образуя нефтяные пятна. Оказавшись в прибойной зоне нефтяная пленка выбрасывается на сушу и заражает огромные площади побережий, нанося колоссальный вред всему живому в этом районе.
Таким образом, районы и источники загрязнений нефтью можно условно разделить на две группы: временные и постоянные («хронические»). К временным районам можно отнести нефтяные пятна на водной поверхности, разливы при транспортировке. К постоянным районам относятся районы нефтедобычи, на территории которых земля буквально пропитана нефтью в результате многократных утечек (Рубанова, Цхадая, 2000).
Химическое загрязнение природной среды в результате добычи нефти носит региональный или локальный характер. Территории нефтепромыслов занимают площади в десятки и сотни квадратных километров. По уровню отрицательного воздействия на окружающую природную среду НТК занимает одно из первых мест среди прочих отраслей, загрязняя практически все компоненты окружающей природной среды: атмосферу, поверхностные и подземные воды, земли, почвы, флору и фауну. Поэтому НТК относится к числу производств, для которых природоохранная деятельность становится одним из основных производственных компонентов.
Помимо собственных природных углеводородов и их продуктов переработки, в состав загрязнителей компонентов окружающей природной среды входят многочисленные реагенты, катализаторы, СПАВ, ингибиторы, щелочи, кислоты, вещества, образующиеся при горении, химическом превращении и т.д. (Рубанова, Цхадая, 2000). Перечень загрязняющих почву веществ и их характеристики представлены в табл. 5. По нефтепродуктам в настоящее время отсутствует единая классификация степени загрязнения почв. По мнению большинства специа листов единых норм (ПДК) для районов с разными биоклиматическими условиями не существует, поскольку разные экосистемы обладают разным потенциалом самоочищения (Трофимов и др., 2000; Рубанова, Цхадая, 2000 и ДР-) ПДК и фоновые концентрации содержания в почве нефти и нефтепродуктов не разработаны.
Поведение нефти и нефтепродуктов в почвах исследовано во многих работах (Андресон, Вьюниченко, 1977; Гилязов, 1980; Кахаткина и др., 1982; Горникова, Середина, 1985; Гайнутдинов и др., 1986; Головенко, Никифоров, 1991; Пиковский, 1993; Касимов и др., 1994; Солнцева, Садов, 1998 и ДР-) Для загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв характерна сложная пространственная контурность распределения поллютантов в почвах, существенно неодинаковая глубина их проникновения (от 10-20 до 120 см и более), высокая контрастность накопления (до трех-четырех математических порядков) в разных генетических горизонтах. Контрастность внутрипочвен-ного распределения загрязнителей зависит от нефтеемкости-нефтеотдачи почвенных субстратов, структуры почвенно-геохимических барьеров. Основные барьеры-аккумуляторы, способствующие удержанию нефти в вертикальном профиле почв — органо-сорбционные (органогенные горизонты ночв и торфов) и минерально-сорбционные (отложения легкого гранулометрического состава, имеющие достаточно высокую эффективную пористость). Установлено, что свободному проникновению нефти в глубь почвы препятствуют почвенные барьеры-экраны (субстраты тяжелого гранулометрического состава, особенно глеевые, практически не проницаемые для нефти). Барьеры-экраны активизируют внутрипочвенный латеральный сток поллютантов (Солнцева, Садова, 1998).
Факторы, определяющие экологические последствия загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами
Экологические последствия загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами зависят от трех групп факторов: параметров загрязнения, свойств почвы и характеристик внешней среды (Пиковский, 1993; Трофимов и др., 2000 и др.). К первой группе факторов относятся химическая природа загрязняющих веществ, концентрация их в почве, срок от момента загрязнения и др. Ко второй группе факторов принадлежат структура почвы, гранулометрический состав, влажность почвы, активность микробиологических и биохимических процессов и др.
Чем крупнее частицы почвы, тем легче нефть и нефтепродукты проходят внутрь ее, в ее нижние слои. От структуры почвы также зависит степень аэрации почвы, а, следовательно, интенсивность испарения и окисления нефти. Влажная почва отталкивает гидрофобные нефть и нефтепродукты, препятствуя ее впитыванию. К внешним факторам относятся температура воздуха, ветреность, уровень солнечной радиации и особенно доля ультрафиолетового излучения в свете, растительный покров и др.
Чем выше температура воздуха, тем выше скорость окислительных процессов, посредством которых разлагается на воздухе нефть. Соответственно в летнее время нефть быстрее разлагается; легкие фракции испаряются, тяжелые окисляются. Зимой, при отрицательной температуре, большинство тяжелых фракций переходят в твердое состояние и вообще не окисляются, поэтому основная часть (если не все) процессов разложения нефти и нефтепродуктов происходят именно летом. Ветер обдувает верхний слой почвы свежим воздухом, создавая динамически повышенную концентрацию кислорода над ней, способствуя окислению. К тому же ветер создает токи воздуха в воздушной системе почвы, по крайней мере той ее части, что осталась после загрязнения. Выветривание верхнего загрязненного и окисленного слоя так же способствует дальнейшему очищению. Ультрафиолетовое излучение способствует окислительным реакциям и поэтому сильно ускоряет разложению нефти на поверхности земли, и особенно на водных гладях. При сильном нефтяном загрязнении растительный покров, обычно, вымирает.
Однако, если загрязнение не сильно велико, то он может способствовать очищению почвы. Образующийся от него за несколько лет растительный опад создает над загрязненным слоем чистый гумусовый слой, богатый аэробной микрофлорой, которая может вести окисление лежащих ниже нефтепродуктов.
Проблема охраны почв от нефтяного загрязнения в наши дни приобретает особую актуальность. Связано это с тем, что нефтепродукты являются самым используемым энергоносителем, применяемым в транспорте. Большинство земель в той или иной мере загрязнены сейчас нефтепродуктами, особенно сильно это выражено в тех регионах, через которые проходят нефтепроводы, а также богатых предприятиями химической промышленности, использующими в качестве сырья нефть или природный газ. Ежегодно десятки тон нефти загрязняют полезные земли и до сих пор этой проблеме не оказывают должного внимания. Вместе с тем загрязнение нефтепродуктами почвы снижает ее плодородие, что является важным экономическим фактором. Таким образом, становится явной потребность в защите почвы от нефтяного загрязнения и нормирование допустимого содержания нефти в почве. Сократить содержание нефти в почве можно двумя принципиальными методами. Первый метод заключается в очищении, тем или иным образом, почвы от нефтяного загрязнения, которое уже произошло. Второй заключается в предотвращении попадания нефтепродуктов в почву. Охрана почв от нефтяного загрязнения требует проведения следующих мероприятий (Рубанова, Цхадая, 2000):
Выработка норм допустимого содержания нефти и нефтепродуктов в почве. Проведение анализа хозяйственно важных земель (особенно вблизи нефтепроводов, химпредприятий, буровых установок) на содержание в них нефтепродуктов. Их капитальный ремонт или закрытие, в случае, если таковой невозможен (например, в случае устарения или выработки ресурса), если установлено, что это предприятие, нефтепровод, буровая установка является источником нефтяного загрязнения. Наказание лиц, ответственных за произошедшее загрязнение. Проведение мероприятий по рекультивации и мелиорации земель, загрязненных нефтепродуктами.
Биологические и экологические особенности черноземов обыкновенных
Биологическая характеристика исследуемых черноземов дана на примере одного из последних участков целинной степи — «Персиановская степь» (учхоз ДонГАУ, Октябрьский район, Ростовская область), многолетне-залежной (15 лет) степи — «Степь приазовская» (учхоз РГУ, Мясниковский район, Ростовская область), опытных полей ОПХ «Газырское» (Высел-ковский район Краснодарский край), и других территорий.
Участок «Персиановская степь» никогда не распахивался, лишь иногда, раз в несколько лет он подвергается сенокошению, которое заменяет стравливание растительности дикими животными. По растительности «Персиановская степь» относится к сухому варианту приазовских степей. В ее травостое отмечено 166 видов растений. Основная роль принадлежит дерновинным плотнокустовым злакам: ковыль Лессинга, ковыль волосатик, типчак или овсяница бороздчатая, тонконог изящный. Из разнотравья типичными являются степная астра, полынь австрийская, подмаренник желтый, тысячелистники, гвоздики, коровяки, молочаи и др. Из бобовых для степных фитоценозов характерны люцерна румынская, астрагалы, чина клубневая, солодка голая. Весной наблюдается развитие эфемеров и эфемероидов. Кроме травянистых растений в степи встречаются кустарники (дикий миндаль, шиповник, терн) и кустарнички (карагана кустистая или сибирек).
Биомасса беспозвоночных животных в настоящих степях составляет 5,1 г/м2, в сухих степях — 3,2 г/м2. Соотношение фитомасса/зоомасса находится в пределах 1000/1 - 2000/1 (Криволуцкий и др., 1985). Распределение беспозвоночных по глубине профиля чернозема в течение всего вегетационного периода отличается резкой их приуроченностью к слоям с высоким содержанием органического вещества и хорошо выраженной рассыпчатой зернистой структурой.
В пахотных черноземах обыкновенных (предкавказских) А.А. Казадае-вым и A.M. Крименицей обнаружено 72 вида насекомых, относящихся к 15 семействам. Наибольшим разнообразием отличались жужелицы (31 вид), стафилиниды (7), пластинчатоусые, чернотелки (6). В течение вегетационного периода зарегистрировано 18 видов ногохвосток, относящихся к 5 семействам и 14 родам. Максимум микроартропод был выявлен осенью — 38,4 тыс./м2.
По данным Е.П. Громыко (1974), В.Ф. Валькова с соавт. (1996b) и других авторов микробоценозы черноземов обыкновенных характеризуются следующими особенностями. В черноземах травянистая растительность вовлекает в биологический круговорот щелочноземельные элементы. Создается насыщенный нейтральный гумус, в котором преобладают гуминовые кислоты, связанные с кальцием. Зернистая структура черноземов обеспечивает благоприятные физические свойства. В этих условиях благоприятные физические свойства. В этих условиях микробиологическая деятельность в большой мере зависит от влаги, поэтому летом в засушливый период она тормозится, при нисходящем токе воды весной активность микроорганизмов в черноземе очень высока. Динамика численности наиболее выражена в зонах недостаточного увлажнения. В пределах одной зоны она больше проявляется в пахотных почвах, чем в целинных. В целинных черноземах максимум микробов наблюдается весной. Чувствительнее к недостатку влаги неспороносные бактерии, нитрификаторы и целлюлозоразрушающие бактерии, азотобактер и некоторые грибы. Спорообразующие бактерии и ак-тиномицеты менее чувствительны к влажности. Некоторые актиномицеты интенсивнее развиваются летом. Черноземные почвы отличаются высокой численностью микроорганизмов и большой их активностью (Корсакова, 1929; Мишустин, Мирзоева, 1953; Рыбалкина, 1957; Мишустин и др. 1966; Громыко, 1974). Общая численность микроорганизмов постепенно убывает с глубиной вследствие уменьшения содержания органического вещества. Но прямая корреляция между содержанием гумуса и количеством микроорганизмов наблюдается не всегда (Мишустин, 1966; Громыко, 1974; Казеев и др., 1996).
Как правило, по профилю чернозема численность бактерий и грибов падает. Актиномицетов это касается в меньшей мере, они распределены более равномерно, и лишь в горизонтах ВС и С наблюдается падение в два раза (Паринкина, 1989; Звягинцев и др., 1991; Полянская и др., 1995).
Из разных групп почвенных микроорганизмов в черноземах наиболее широко представлены аммонификаторы. Основное население черноземов представлено неспороносными бактериями, в большой мере Pseudomonas. В значительном количестве встречаются нитрификаторы и целлюлозоразрушающие микроорганизмы. Черноземы по сравнению с северными почвами богаче заселены бациллярными формами и актиномицетами. В них преобла дают два вида бацилл — Вас. idosus и Вас. megaterium, которые способны использовать не только органические, но и минеральные формы азота (Ми-шустин, 1966, Громыко, 1974). Среди актиномицетов много пигментных форм (табл. 2.4.7). Специфика их видового состава изучена недостаточно (Звягинцев, Зенова, 1998).
Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы в черноземах объединяют представителей p.Clostridium и Azotobacter. Azotobacter chroococcum встречается в дневных почвенных горизонтах черноземов практически повсеместно. По численности Clostridium acetobutylicum преобладает над Clostridium pasteurianum и Clostridium buturicum. Azotobacter весьма требователен к условиям среды. Особенно он чувствителен к токсическому воздействию ряда веществ.
Методология исследования и оценки эколого-биологического состояния почв
Основные принципы методологии и методов исследования и оценки эколого-биологического состояния почв, примененных в настоящем исследовании, изложены в ряде работ (Вальков, 1995; Казеев, 1996; Вальков и др., 1999, 2000; Колесников и др., 2000, 2001; Казеев и др., 2003 и др.). В основу методологии исследования и оценки эколого-биологического состояния почв на основе биологической активности почв был положен системный подход к изучению объектов или явлений природы, внедренный в естествознание В.В. Докучаевым. Кратко его идея заключается в следующем: любой объект или явление природы следует рассматривать не изолировано, а во взаимосвязи и взаимообусловленности с окружающими его системами и процессами. Биологическая активность почв должна рассматриваться как свойство почвы, производное совокупности абиотических, биотических и антропогенных факторов формирования почвы. В почве фито-, зоо-, микробоценозы объединяются в целостную систему с продуктами их жизнедеятельности (в первую очередь, с ферментами и гумусовым комплексом) и абиотическими компонентами почвенной среды (гранулометрическими и структурными элементами, физическими и водными свойствами, реакцией среды, поглотительной способностью и др.). Кроме того, на формирование и изменение биологической активности почв огромное влияние оказывает антропогенное воздействие (распашка целинных почв, внесение удобрений, известкование, загрязнение пестицидами, тяжелыми металлами и др.). Биологическая активность почвы играет важную роль в процессе формирования, становления или деградации почвенного плодородия.
Основными составляющими использованной методологии изучения и оценки биологической активности почв являются следующие: комплексный подход совместного и одновременного изучения биологических объектов, их почвенных производных и абиотической среды; определение ряда наиболее информативных экологических и биологических показателей и последующее нахождение интегрального показателя эколого-биологического состояния почвы; профильно-генетический и сравнительно-географический подходы к оценке состояния почвы; учет пространственной и временной вариабельности свойств почвы; единообразие методик и методов исследования. В основу исследований был положен системный подход к познанию природных объектов и явлений, разработанный основателем генетического почвоведения — В.В. Докучаевым. В настоящей работе впервые проведено комплексное исследование изменения биологической активности и ряда других свойств чернозема обыкновенного южно-европейской фации под влиянием загрязнения нефтью и нефтепродуктами. Для этого был проведен ряд модельных и полевых опытов. В качестве объекта исследования был использован чернозем обыкновенный южноевропейской фации. Почва для модельных экспериментов была отобрана из пахотного горизонта. В настоящей работе большое значение придается модельным опытам. Метод вегетационных сосудов используется как неотъемлемый аппарат исследований в области растениеводства, физиологии растений, агрохимии, почвоведения, экологии и других наук со времен Либиха, Менделеева, Пря- нишникова.
Исследование в вегетационных сосудах биологической активности почвы началось в конце XIX века (Атлавините, 1976). Модельные лабораторные опыты имеют ряд преимуществ по сравнению с полевыми исследованиями. Во-первых, возможность поддерживать постоянную, одинаковую во всех опытах влажность и температуру почвы, в то время как в полевых условиях результаты опыта сильно зависят от погодных условий, что часто не позволяет добиться сопоставимых результатов. Во-вторых, возможность обеспечить перемешивание почвы до полной однородности во всех сосудах, что позволяет избежать расхождений в свойствах почвы, которые часто встречаются на разных делянках. И наконец, возможность исследования различных загрязняющих веществ раздельно и в заранее заданных концентрациях. Таким образом, выяснение многих вопросов о влиянии загрязняющих веществ на протекающие в почве процессы возможно только посредством модельных опытов. Был проведен ряд модельных опытов по изучению влияния загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологические свойства почв. В качестве объекта исследования был использован чернозем обыкновенный южноевропейской фации. Отбор почвы для модельных опытов производился на территории опытно-полевого хозяйства ДонГАУ, п. Персиановский, Ростовская область. Почва для модельных экспериментов была отобрана из пахотного горизонта. Было исследовано загрязнение почвы нефтью, бензином, соляркой, моторным маслом. Характеристики используемой в исследованиях нефти представлены в таблице 10. Изучалось действие разных концентраций загрязняющих веществ: 1, 5, 10 % от массы почвы. Дозы внесения представлены в таблице 11.
