Влияние загрязнения нефтью на свойства почвы и живые организмы

Нефтяное загрязнение оказывает значительное влияние на биологические свойства почвы.

Нефтяное загрязнение влечет за собой необратимые изменения морфологических, физико-химических, физических, микробиологических свойств, может произойти изменение всего почвенного профиля, что приводит к потере плодородия и вывода загрязненных территорий из сельскохозяйственного использования.

При загрязнении нефтью почвы происходит усиление кутанообразование, цветовые характеристики почвенного профиля изменяются в сторону преобладания серо- и темно-коричневых оттенков, в итоге формируются почвенные ареалы, обладающие необычными для данных зональных условий чертами. В итоге зональные типы сменяются техногенными модификациями, снижается продуктивность почв, причём вплоть до вывода загрязненных земель из сельскохозяйственного оборота (Хазиев и др., 1988; Гилязов, 1999, 2002, 2003; Трофимов и др., 2000; Ammosova, Golev, 1998).

Нефтепродукты вытесняют почвенный воздух поэтому нарушается доступ кислорода в почву. Помимо этого, начинают разрушаться структуры почв в результате склеивания механических частиц. В итоге в нефтезагрязненных почвах складываются анаэробные условия, снижается окислительно-восстановительный потенциал, происходит подщелачивание почвенного раствора (Орлов, Аммосова, 1994; Ammosova, Golev, 1998, Мирошниченко, 2008).

Почвенные частицы при загрязнении покрываются нефтяной плёнкой, и почвы теряют способность впитывать и удерживать влагу. Происходит нарушение водно-физических свойств почв: снижаются значения гигроскопической влажности, влагоемкости, водопроницаемости, влажность подповерхностных горизонтов увеличивается, а верхних - уменьшается, затрудняется испарение влаги через загрязненные нефтью горизонты почвы, так как они обладают высокими гидрофобными свойствами (Трофимов и др., 2000; Мирошниченко, 2008).

Загрязнение нефтью влияет и на количество гумуса и общее содержание органического углерода. Уменьшается относительное содержание гуминовых кислот и фульвокислот, и при этом увеличивается содержание негидролизуемого остатка (Трофимов и др., 2000).

Загрязнение нефтью ухудшает пищевой режим почв (Славнина и др., 1989; Леднев, 2005; Трофимов и др., 2000; Назарюк и др., 2007).

Далее следует рассмотреть влияние на почву отдельных фракций нефти. Многочисленные исследования посвящены изучению действия на почву бензина, керосина, дизельного топлива, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), флуорана и бснз(а)пирсна, полихлорированных бифенилов, продуктов окисления нефти, топливного масла (Frankenberger et al., 1982; Исмаилов, 1988; Геннадиев и др., 1990; Wilke, 1997; Wilke, Koch, 1998; Киреева и др., 1998; Рора, 1999, 2000). Наибольшее ингибирующее действие оказывают ароматические углеводороды (Киреева и др., 2002).

Значительное воздействие на почву оказывают сильно минерализованные пластовые воды (Солнцева, 1988; 1998; Сулейманов, Назырова, 2007). Загрязнение пластовыми водами приводит к хлоридно-натрисвому засолению, возникает так называемое техногенное осолонцевание. Происходит трансформация почвенного поглощающего комплекса, изменение физико-химических свойств почв, состава почвенных растворов. Существенно увеличивается содержание органического углерода в гумусовом профиле, изменяется групповой состав гумуса. Происходит усиление восстановительных процессов, формы миграции и уровни концентрации элементов, изменяются миграционная активность (Орлов и др., 1991).

При низких концентрациях некоторые компоненты нефти способны оказывать стимулирующее действие на микроорганизмы почв. Многие почвенные микроорганизмы способны использовать нефть как энергетический субстрат, так же нефть стимулирует рост некоторых почвенных грибов, таких, как Paecilory, Fusarium. Многие медленнорастущие микроорганизмы, не выдерживающие конкурен ции за субстрат с более быстрорастущими видами, но способные к разложению макромолекул, при поступлении в почву нефтепродуктов способны частично из-под пресса и увеличить свою численность. Клетки подобных бактерий могут ассимилировать сложные соединения алканов с длиной цепи С|« и более (Каретникова, Жиркова, 2005; Звягинцев и др., 1986; Кожевин, 2001).

Исследования загрязненных почв выявили изменения численности и состава почвенной системы микроорганизмов (Рахимова и др., 2005; Колесников и др., 2006; Coulon et al., 2004; Ваккеров-Коузова, 2005, Мазанко и др., 2013). Отмечено увеличение численности аммонифицирующих, азотфиксирующих, денитрифицирующих, сульфатредуцирующих бактерий, микромицетов, дрожжей. С другой стороны, численность нитрифицирующих бактерий, целлюлозоразрушающих и актиномицстов падает (Рыбак и др., 1984; Исмаилов, 1983; Киреева и др., 2002а, 1994; Киреева, Галимзянова, 1995). В других исследованиях не наблюдалось существенных изменений в процессах нитрификации при загрязнении почвы нефтью (Deni, Penninckx, 1994).

Основную токсичность нефти придают летучие ароматические углеводороды (толуол, ксилол, бензол), нафталины и ряд других фракций нефти. Подобные соединения достаточно легко разрушаются или испаряются из почвы, поэтому период острого отравления почвы нефтью нсдолог. Такие соединения, как метан и пропан, способны разрушаться аэробными грамотрицательными бактериями, к примеру Pseudomonas. Methylococcus, Methylocinus, Methylobacter. Бактерии данных родов широко распространены в районах нефтяных месторождений и нефтяных загрязнений, в газоносных районах, и могут являться индикаторами.

Если уровень загрязнения низок, в почве могут происходить флуктуационные изменения микробной системы почв, которые затрагивают интенсивность микробиологических процессов, по значительно пе влияют па численность и структуру почвенных сообществ. При среднем уровне загрязнения начинают происходить сукцессионные изменения, происходит перераспределение степени доминирования микробных видов. Существенно нарушается функционирование почвенной биоты. Если же уровень загрязнения продолжает расти, то может про изойти полная смена структуры почвенного сообщества. Существенно снижается биоразнообразие сообщества, начинает доминировать небольшое количество резистентных видов, что приводит к падению устойчивости сообщества (Назаров и др., 2010; Juck et al., 2000; Evans et al., 2004).

Помимо этих изменений, начинают появляться специализированные микроорганизмы, которые способны окислять твердые парафины, ароматические и газообразные углеводороды. К таким микроорганизмам следует отнести бактерии родов Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas, Brevibacteriun, Rhodococcus, Nocardia, дрожжи родов Candida. Sporobolpmyces, Cryptococcus. Rhodotorula, Torulopsis, Rhodosporidium, Trichosporon. Нефтяное загрязнение так же влияет на изменение численности актиномицетов и почвенных грибов (Звягинцев и др., 1986; Оборин и др., 2008; Watanabe, 2000; Saadoun, 2002).

Многие исследователи отмечают серьёзное влияние нефти и нефтепродуктов на ферментативную активность почв (Хазиев и др., 1988; Киреева и др., 2002; Колесников и др., 2006; Даденко, Казеев, 2006). Она может, как усиливаться, так и снижаться в зависимости от тина почвы, вида и дозы загрязнителя, 1рунпы почвенных ферментов, природных условий, продолжительности загрязнения (Антоненко, Занима, 1992; Киреева и др., 2001; Margesin, 1999, Хазиев, Фатхиев, 1981; Антоненко, Занима, 1992; Габбасова, 2001; Киреева и др., 2002).

Ингибирующее действие на ферменты можно объяснить тем, что нефтепродукты обволакиваю г почвенные частицы, и это препятствует взаимодействию ферментов с субстратом, также нарушается иммобилизация ферментов на их носителях, например, на гумусовых кислотах (Киреева и др., 1998; Илларионов, 2004). Ароматические фенолы, а также растворенные в нефти побочные вещества, к примеру, тяжелые металлы, способны ингибировать ферментативную активность (Пиковский, 1988; Киреева и др., 1998, 2002). Такое же действие оказывают продукты окисления некоторых углеводородов, такие как гексадециловый спирт, пальмитиновая, салициловая, бензойная кислоты (Исмаилов, 1988; Киреева и др., 1998 и др.).

Наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению почвенные ферменты, которые трансформируют вещества ароматической природы: полифенолоксидаза и пероксидаза, при этом разложение нефти в почве проходит при их обязательном участии (Антоненко, Занима, 1992). С другой стороны, такие ферменты, как оксидоредуктазы каталаза и дегидрогеназа, которые так же участвуют в разложении нефти, проявляют высокую чувствительность (Хазиев, Фахтиев, 1981; Пиковский, 1988; Габбасова, 2004).

Активность карбогидраз находится в четкой зависимости от нефтяного загрязнения, особенно изучен в этом плане фермент инвертаза. Целлюлазная (целлюлозоразрушающая) активность, играющая немаловажную роль в круговороте веществ, так же высокочувствительна к нефтяному загрязнению (Паников и др., 1984; Хазиев, Багаутдинов, 1987; Киреева и др., 2000 и др.).

Под действием нефти в почве накапливается органическое вещество в форме гумуса и запасенной в нем энергии (Киреева и др., 1998), при этом нарушается азотный режим вследствие подавления нитрификации и азотфиксации, в связи с чем может наступить азотное голодание (Исмаилов, 1983, 1988; Кобзев, 2001), и измениться интенсивность дыхания почвы (Margcsin ct al., 2000).

Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами приводит к замедлению роста и развития растений, происходит снижение урожайности сельскохозяйственных культур (Андресон и др., 1980; Биоиндикация загрязнений ..., 1988; Савицкая и др., 1988; Хазиев и др., 1988; Шилова, 1988; Лесные экосистемы ..., 1990; Шматков, Грицен, 1990; Гецен, Груздев, 1992; Киреева и др., 1996b; 2001а; Солнцева, 1998; Колесников и др., 2006; Назарюк и др., 2007 и др.).

Нефть способна прямо и косвенно воздействовать на растения. В первом случае нефтепродукты поступают в клетки и сосуды растений, вызывают разнообразные нарушения метаболизма, токсические эффекты (Веселовский, Вшивцев, 1988; Ammosova, Golev, 1998). Косвенное влияние нефть оказывает при нарушении биологических и физико-химических свойств почвы. Если почва покрыта нефтяной пленкой, растения на этой территории чаще всего погибают.

Почвенные животные также угнетаются высокими лозами нефти. Причем в первую очередь погибают крупные беспозвоночные, простейшие же более устойчивы.

Многие авторы уделяют внимание вопросам трансформации нефти и нефтепродуктов в почве, а также самоочищению и рекультивации почв (Глазовская, Пи-ковский, 1985; Шилова, 1988; Гайнутдинов и др., 1988; Киреева и др., 1996а; Анд-рссон и др., 1994; 1997; Стом и др., 2003; Lee, Swindoll, 1993; Margcsin ct al., 2000 и др.).

Большинство методов очищения почв связано с применением микроорганизмов, которые способны использовать углеводороды нефти в качестве источника питания и энергии (Дядечко и др., 1990; Вальков, 1995; Коронелли, 1996; Логинов и др., 2002). Для повышения скорости минерализации применяют минеральные или органоминеральные удобрения, активный ил микробиологических производств (Киреева и др., 1996а; 2002а; Назарюк, 2002; Илларионов, 2004; Mils, Prankenberger, 1994, Чугунов и др., 2000, Бурмистрова и др., 2003). Помимо этого разрабатываются методы но активации непосредственно аборигенной почвенной микрофлоры, для этого оптимизируют агрофизические и агрохимические свойства загрязненных почв. Также изучается влияние на активность микроорганизмов растительного покрова (Исмаилов, Пиковский, 1988; Голодясв, 1991; Жсгнсвская, Ба-рахнина, 1996; Логинов и др., 2002 и др. Лифшиц и др., 2001; Филатов и др., 2011; Truu et al., 2003).

Окисление нефти начинается как только она попадает в почву, и в этом процессе возможно выделить три этапа. Не первом этапе происходит физикохимическое и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов. На следующем этапе происходит микробиологическое разложение низкомолекулярных структур различных классов и образование смоляных веществ. На третьем этапе происходит трансформация высокомолекулярных соединений: смол, асфальтенов, циклических углеводородов.

Иногда с загрязненной территории вывозится минимальное количество загрязненной земли и свозится в места захоронения или используется там, где от нее не требуется плодородных свойств (например, при нанесении дамб). Далее производится завоз нового плодородного слоя и вскрышных пород, имеющих хорошие почвообразующие свойства, формирование нужного рельефа. После производится обеспечение нужного водного режима, защита от эрозии, оползней и т.д.

Авторы: Казеев К.Ш., Колесников С.И., Денисова Т.В., Мазанко М.С., Даденко Е.В.