В естественных условиях нефть залегает на больших глубинах и не оказывает влияния на почву. Загрязнение почв нефтью происходит в результате антропогенной деятельности в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти. Поэтому проблема нефтяных загрязнений весьма актуальна в настоящее время при активном развитии нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Одновременно в связи с ростом внимания к экологическому фактору, связанному с промышленной деятельностью, возрастает интерес и к вопросам рекультивации [1, 2, 3]. К сожалению, полностью очистить почву от нефти весьма трудно в связи с ее медленным разложением, поэтому в почве всегда можно обнаружить некоторое количество остаточных нефтепродуктов.
Цель работы: изучение трансформации нефтяных компонентов в почвах в процессе самоочищения почв загрязненных нефтью.
В легкой фракции нефти большую часть (50-70 %) составляют низкомолекулярные нормальные алканы, с числом атомов углерода от 5 до 15, оказывающие токсическое действие на живые организмы [9]. Основную массу ароматических углеводородов составляют моноядерные углеводороды – бензол и его гомологи. Арены имеют наиболее высокую плотность и являются самыми токсичными компонентами нефти. Так, с увеличением ароматичности нефтей растет их гербицидная активность [6].
При радиальном распределении нефти в почвенном профиле значительную роль играют так называемые барьеры-аккумуляторы, то есть горизонты с повышенной нефтеемкостью. Горизонтами-концентраторами нефтяных компонентов являются высокоемкие (органо-сорбционные) органогенные горизонты почв и торфов, а также горизонты легкого гранулометрического состава, имеющие достаточно высокую эффективную пористость [10].
Этапы самовосстановления нефтезагрязненных почв
Под термином «самовосстановление» (самоочищение) подразумевается естественное восстановление природного объекта, без какого-либо вмешательства человека, при этом часто происходит смена растительного и микробного сообщества. Естественное восстановление нефтезагрязненных почв протекает за длительный период, который можно разделить на несколько этапов по преобладающим процессам освобождения почвы от нефти [4].
На первом этапе в результате процессов физико-химического выветривания происходит удаление из почвы наиболее низкомолекулярных составляющих нефти – газообразных и легколетучих соединений. С этими фракциями в наибольшей мере связано ее токсическое действие по отношению к почвенной биоте и растениям, и поэтому деятельность микроорганизмов и, особенно, беспозвоночных подавлена. Снижение концентрации летучих углеводородов в почве ведет к резкому повышению численности углеводородокисляющих микроорганизмов. В зависимости от почвенно-климатических условий и состава нефти этот период варьирует от нескольких месяцев до 1,5 лет.
Второй этап естественной микробиологической деградации нефти занимает более длительный промежуток времени и сопровождается постепенным снижением ее количества. Каждый следующий вегетационный период характеризуется в среднем потерей около 20 % нефти. На данном этапе процессы биодеградации поллютанта идут в двух противоположных направлениях. С одной стороны, окисление нефти приводит к упрощению ее структуры, что связано с деятельностью углеводородокисляющих микроорганизмов. Благодаря их активности происходит микробное разложение, главным образом, нормальных алканов и простых ароматических углеводородов. Для данного этапа характерны соокислительные условия биодеградации соединений нефти. В почве постепенно увеличивается разнообразие биоты, встречаются мелкие беспозвоночные, появляются некоторые виды цианобактерий, преобладают споровые и микроскопические грибы [7].
Третий этап деградации является наиболее длительным и малоизученным. В почве в этот период присутствуют в основном самые сложные компоненты нефти, трудно разлагаемые микроорганизмами. Для большинства из этих соединений известны главным образом кометаболические пути биодеградации [4]. В таких почвах количество микроорганизмов может быть близким к контрольной почве, но качественный состав по-прежнему сильно отличается. Эти почвы еще долго характеризуются более высокой численностью углеводородокисляющих микроорганизмов [8].
Следует подчеркнуть, что если нефтяное загрязнение вызвало заметные изменения свойств почвы и растительного покрова, то даже после длительного срока (несколько десятков лет) полного возврата биоценоза и почвы к исходному состоянию не происходит, даже если химические анализы практически не обнаруживают опасного превышения загрязняющими веществами их фонового содержания [5].
Таким образом, естественная деградация нефти в природных условиях протекает в течение длительного периода времени и включает последовательное разложение компонентов возрастающей сложности и конденсацию промежуточных продуктов. На разных этапах разложения нефти ведущую роль играют различные процессы: физико-химическое выветривание, разрушение соединений нефти в результате микробного метаболизма и, наконец, кометаболические процессы их деструкции. Данная последовательность строго детерминирует очередность и определяет своевременность применения тех или иных технологических операций. В этом и состоит один из основных принципов оптимизации биотехнологии рекультивации нефтезагрязненных почв.
Объекты исследования
Физико-географическая характеристика района. Работы по отбору образцов были проведены в Пермском крае, около с. Васильевского Ильинского района. Территория представляет собой повышенную увалистую равнину, сильно рассеченную овражно-балочной сетью. На юго-востоке, в 23 км от Ильинского, р. Горевая отделяет с. Васильевское. Оно находится на севере Оханской возвышенности, высота 240 – 300 м и более, а к юго-западу от с. Васильевского 316 м – максимальная в Ильинском районе.
Как в породах, так и в почвах исследуемой территории обнаруживается много валунов, щебня. Это связано с тем, что данная местность была подвержена действию ледника. Также для Пермского края характерны обогащенные карбонатами пермские породы (песчаники, известняки, глины), перекрытые с поверхности покровными суглинками или древнеаллювиальными отложениями. Основной фон почвенного покрова составляют дерново-подзолистые почвы, среди них встречаются почвы со вторым гумусовым горизонтом и дерново-карбонатные почвы. Дерново-подзолистые почвы более гумусированы (3-6 % под лесом). Накоплению гумуса способствует замедление темпа биологического круговорота веществ в условиях континентального и менее увлажненного климата. Также климат способствует энергичной деятельности почвенной флоры и микроорганизмов. Присутствие в лесах лиственных пород и травянистой растительности, имеющих повышенную зольность по сравнению с хвойными породами и мхами, благоприятствуют закреплению части гумусовых веществ в верхнем горизонте и формированию в верхней части профиля под подстилкой четко выраженного гумусо-аккумулятивного горизонта, образовавшегося в результате дернового процесса. Однако под южно-таежными лесами протекает подзолистый процесс. Это и объясняет формирование здесь дерново-подзолистых почв, господствующих на положительных элементах рельефа.
Полевые исследования
В рамках полевых исследований было исследовано 4 производственных объекта, подверженных самовосстановлению (рисунок).
Участок территории, на которой произошел разлив нефти во время установки новой трубы нефтепровода в 2003 году недалеко от с. Васильевское. Высота пропитки около 20 см. Площадь загрязнения 84 м2.
Разлив при аварийном сливе нефти из нефтепровода в 1996 г. Площадь загрязнения 79 м2.
Загрязнение около одного амбара хранения нефтепродуктов во время проведения технических работ на нефтепроводе в 1980-1981 гг. Площадь загрязнения 81 м2.
Технический разлив нефти около двух амбаров хранения нефтепродуктов в 1971-1976 гг. Площадь загрязнения 146 м2.
Общая площадь загрязнения состави ла 390 м2.
Схема последовательности отбора образцов на объектах, подверженных самовосстановлению. Общее загрязнение 390 м2
В образцах дерново-карбонатных нефтезагрязненных почв на стадии самоочищения значения рН водной суспензии изменяются от 6,7 до 7,23 (таблица) в зависимости от давности загрязнения. Смещение величины рН загрязненных почв в кислую сторону можно объяснить неблагоприятным водно-воздушным режимом и накоплением промежуточных продуктов распада нефти, которое, возможно, и вызывает подкисление почв накапливающимися органическими кислотами.
Значение актуальной кислотности, Содержание углерода органических соединений, Общее содержание углеводородов нефти. Полевые исследования
|
Образец, глубина, см |
1 загр. |
2 загр. |
3 загр. |
4 загр. |
|
|
рН |
0-20 |
7,23 |
7,12 |
6,70 |
7,11 |
|
С, % |
8,30 |
3,45 |
5,02 |
3,43 |
|
|
Общее содержание УВ, % |
0,012 |
0,105 |
0,013 |
0,166 |
Полученные значения содержания углерода органических соединений для образцов почвы, подверженной самоочищению, изменяются в широких пределах: от 3,45 % в образце почвы, соответствующему разливу при аварийном сливе нефти в 1996 г, до 8,30 % в образце, взятом на участке территории, на которой произошел разлив нефти во время установки новой трубы в 2003 году. Высокие значения содержания углерода органических соединений характерны для образцов 1загр. и 3загр. (таблица). Им соответствуют низкие значения углеводородов нефти 0,012 и 0,013. Это вероятно связано с большим количеством смолисто-асфальтеновых веществ, нерастворимых в органических растворителях, которые проявляются в увеличенном содержании углерода органических соединений.
В образцах, взятых с участков, претерпевших нефтяные загрязнения различной давности с последующим самоочищением, разброс значений содержания углеводородов нефти составляет, соответственно: с 0,012 % (образец № 1) до 0,166 % (образец № 4) (таблица). Как видно из результатов, давность загрязнения в данном случае не оказывает значимого влияния на остаточное содержание углеводородов нефти в почве (4 объект загрязнен в 1971-1976 гг., а 1 – в 2003 году). Показательно то, что 4 образец был взят на территории 2 амбаров, заполненных водой, что говорит о затрудненной аэрации почвы и избыточном увлажнении и, как следствие, нарушенном водно-воздушном режиме. Это препятствует нормальному функционированию почвенной микробиоты, и как следствие естественной биодеградации углеводородов нефти.
Заключение
Немаловажную роль для трансформации и микробиологического разложения нефти и нефтепродуктов в почве играет влажность и водно-воздушный режим. На примере данных по образцу, испытавшему технический разлив нефти с последующим самовосстановлением показано, что относительное содержание алканов С31-С41 составляет 53,36 % несмотря на давность разлива порядка 25 лет. Вследствие затрудненной аэрации почвы в условиях избыточного увлажнения и, соответственно, нарушенного водно-воздушного режима затрудняется нормальное функционирование почвенной микробиоты и естественной биодеградации углеводородов нефти.
В случае, когда по каким-либо причинам при нефтезагрязнении почвенного покрова невозможно провести полноценную трехэтапную рекультивацию, следует осуществить элементарное механическое воздействие на загрязненный участок путем рыхления верхнего слоя почвы с целью улучшения воздушного, водного и теплового режимов, с одновременным формированием микрорельефа из гребней и борозд для интенсификации процессов физико-химического и микробиологического разрушения нефти.