Естественная трансформация нефти в почве

Исследование трансформации нефти, попавшей в почву в результате разливов или

утечек в местах хранения или транспортировки, необходимо для понимания

механизмов самоочищения и восстановления почв, нарушенных техногенезом.

Знание стадий трансформации нефти позволит определить давность загрязнения и

сроки восстановления почв, повысить эффективность контроля за загрязнением

среды нефтью и нефтепродуктами. Окисление отдельных классов УВ, входящих в

состав нефти, в частности микробиологическое окисление, изучается в настоящее

время довольно подробно, существует достаточно много работ по этим вопросам. Можно выделить следующие наиболее общие этапы трансформации нефти:

1. Физико-химическое и частично микробиологическое разрушение

алифатических УВ.

2. Микробиологическое разрушение низкомолекулярных структур разных классов,

новообразование смолистых веществ.

3. Трансформация высокомолекулярных соединений - смол, асфальтенов,

полициклических УВ.

В соответствии с этапами биодеградации происходит регенерация биоценозов.

Процессы идут разными темпами на разных ярусах экосистем. Значительно

медленнее, чем микрофлора и растительный покров, формируется сапрофитный

комплекс животных. Полной обратимости процесса, как правило, не наблюдается.

Наиболее сильная вспышка микробиологической активности приходится на второй

этап биодеградации нефти. При дальнейшем снижении численности всех групп

микроорганизмов до контрольных значений, численность углеводородокисляющих

организмов на многие годы остается аномально высокой по сравнению с контролем.

Ю.И. Пиковский (1988) отмечает, что при нефтяном загрязнении взаимодействуют

три экологических фактора: а) сложность, уникальная поликомпонентность

состава нефти, находящегося в состоянии постоянного изменения; б) сложность,

гетерогенность состава и структуры любой экосистемы, находящийся в процессе

постоянного развития и изменения; в) многообразие и изменчивость внешних

факторов, под воздействием которых находится экосистема: температура,

давление, влажность, состояние атмосферы, гидросферы и др. Исходя из этого,

оценивать последствия нефтяного загрязнения необходимо с учетом конкретного

сочетания этих трех групп факторов.

Рассматривая общие закономерности трансформации нефти в почве, Ю.И. Пиковский

(1988) отмечает, что нефть - это высокоорганизованная субстанция, состоящая

из множества различных компонентов. Она деградирует в почве очень медленно,

процессы окисления одних структур ингибируются другими структурами,

трансформация отдельных соединений идет по пути приобретения форм,

трудноокисляемых в дальнейшем. На земной поверхности нефть оказывается в

другой обстановке - в аэрируемой среде. Основной механизм окисления УВ разных

классов в аэробной среде следующий: внедрение кислорода в молекулу, замена

связей с малой энергией разрыва (С-С, С-Н) связями с большой энергией,

следовательно, процесс протекает самопроизвольно.

Главный абиотический фактор трансформации - ультрафиолетовое излучение.

Фотохимические процессы могут разлагать даже наиболее стойкие полициклические

УВ за несколько часов.

Конечные продукты метаболизма нефти в почве следующие:

1. Углекислота, которая может связываться в карбонаты, и вода.

2. Кислородные соединения (спирты, кислоты, альдегиды, кетоны), которые

частично входят в почвенный гумус, частично растворяются в воде и удаляются

из почвенного профиля.

3. Твердые нерастворимые продукты метаболизма - результат дальнейшего

уплотнения высокомолекулярных продуктов или связывания их в органо-

минеральные комплексы.

4. Твердые корочки высокоминеральных компонентов нефти на поверхности почвы

(киры).

Вместе с тем изучению трансформации всей системы соединений, входящих в

состав нефти, на природных моделях уделялось еще мало внимания.

М. А. Глазовская., Ю. И Пиковский. (1985) отмечают, что главной целью изучения

загрязнений природной среды является быстрейший возврат непригодных для

использования земель в сельскохозяйственное производство, восстановление их

первоначальной продуктивности или рекреационных качеств. Скорость разложения

нефти по данным разных авторов различается в пять и более раз, восстановление

первоначальной продуктивности земель при активной рекультивации происходило в

одних случаях в течение года, в других растягивалось от нескольких лет до 12

и более. Так, А. А Оборин., И. Г Калочникова., Т. А Масливец. (1988), изучая

процессы самоочищения нефтезагрязненных почв Предуралья и Западной Сибири на

примере экспериментальных пробных площадок, выделили следующие этапы

деградации нефти в почве:

I этап (первые 1-1,5 года). Имеют место физико-химические процессы:

распределение УВ по профилю, испарение, вымывание, ультрафиолетовое

облучение. К концу первого года полностью исчезают н-алканы. Биота подавлена,

идет адаптация к новым условиям и постепенное повышение количества

микроорганизмов, особенно углеродокисляющих.

II этап (3-4 года). Частичная биохимическая деструкция сложных гибридных

молекул, изменение состава нефти. Вспышка численности микроорганизмов, к

концу этапа - ее снижение.

III этап (для исследуемых зон через 58-62 месяца). Исчезновение остаточной

нефти в исходных и вторичных парафиновых УВ.

Эти кажущиеся различия объясняются различными почвенно - климатическими

условиями, в которых производились наблюдения. Очевидно, что для такой

обширной территории, как наша страна не может быть разработано единых

рекомендаций для всех районов по защите и рекультивации земель нарушенных при

транспортировке, добыче и переработке нефти. В качестве доказательства можно

привести пример рекультивации с применением выжига нефти. Допустимый для

одних районов он может быть пагубным для природной среды в других (вследствие, например, деградации мерзлого слоя). Проведенная дифференциация территории служит научным обоснованием мероприятий по защите и восстановлению природной среды. Чтобы сделать эти мероприятия наиболее эффективными, для каждого ландшафтного района необходимо знать природные механизмы самоочищения, факторы, ускоряющие этот процесс, количественные критерии, характеризующие разные стадии изменения нефти, почв, растительности, а также скорость восстановления последних. Получить такие данные (на которые должен ориентироваться контроль за загрязнением окружающей среды нефтью и

нефтепродуктами) можно путем постановки специальных экспериментов на

природных моделях. Суть эксперимента состоит в следующем. В пределах

выбранных природных моделей на экспериментальных площадках, в почву с

поверхности вносится определенное количество нефти того состава который

наиболее распространен в данном районе. Через фиксированные промежутки

времени на загрязненном и контрольном участках проводятся наблюдения за

состоянием растительности и отбираются пробы почв по генетическому профилю

для исследования в лаборатории. Отличие предложенного Глазовской М. А. и др.

1985 эксперимента прежде всего в том, что впервые задумана система опытов,

охватывающих различные природные зоны, резко контрастные в климатическом

отношении. В этих опытах равное значение имеют биолого - почвенные,

геохимические, битуминологические исследования, которые для всех районов

выполняются на единой методической основе. По времени в каждом районе

эксперимент рассчитан на несколько лет (не менее трех).

На всех экспериментальных площадках содержание нефти в почве резко снижалось

в первые три месяца после начала опытов и в дальнейшем продолжало снижаться,

но с меньшей скоростью. Основные причины снижения содержания нефти следующие:

испарение легких фракций, минерализация нефти, физический вынос водными

потоками, лимификация (превращение в нерастворимые в нейтральных органических

растворителях продукты микробиологического метаболизма). Соотношение этих

факторов самоочищения зависит от почвенно - климатических условий, состава и

свойств самой нефти и глубины ее проникновения в почву.

Нефтяное загрязнение создает новую экологическую обстановку, что приводит к

глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов или их полной

трансформации. Общая особенность всех нефтезагрязненных почв - изменение

численности и ограничение видового разнообразия педобионтов (почвенной мезо-

и микрофауны и микрофлоры). Типы ответных реакций разных групп педобионтов на

загрязнение неоднозначны:

· Происходит массовая гибель почвенной мезофауны: через три дня после аварии

большинство видов почвенных животных полностью исчезает или составляет не

более 1% контроля. Наиболее токсичными для них оказываются легкие фракции

нефти.

· Комплекс почвенных микроорганизмов после кратковременного ингибирования

отвечает на нефтяное загрязнение повышением валовой численности и усилением

активности. Прежде всего это относится к углеводородоокисляющим бактериям,

количество которых резко возрастает относительно незагрязненных почв.

Развиваются “специализированные “ группы, участвующие на разных этапах в

утилизации УВ.

· Максимум численности микроорганизмов соответствует горизонтам ферментации и

снижается в них по профилю почв по мере уменьшения концентраций УВ. Основной

“ взрыв “ микробиологической активности падает на второй этап естественной

деградации нефти.

· В процессе разложения нефти в почвах общее количество микроорганизмов

приближается к фоновым значениям, но численность нефтеокисляющих бактерий еще

долгое время превышает те же группы в незагрязненных почвах (южная тайга 10 -

20 лет).

· Изменение экологической обстановки приводит к подавлению фотосинтезирующей

активности растительных организмов. Прежде всего это сказывается на развитии

почвенных водорослей: от их частичного угнетения и замены одних групп другими

до выпадения отдельных групп или полной гибели всей альгофлоры. Особенно

значительно ингибирует развитие водорослей сырая нефть и минеральные воды.

· Изменяются фотосинтезирующие функции высших растений, в частности злаков.

Эксперименты показали, что в условиях южной тайги при высоких дозах загрязнения

- более 20 л/м² растения и через год не могут нормально развиваться

на загрязненных почвах.

· Исследования показали, что в загрязненный почвах снижается активность

большинства почвенных ферментов. При любом уровне загрязнения ингибируются гидролазы, протеазы, нитратредуктазы, дегидрогеназы почв, несколько повышается уреазная и каталазная активности почв.

· Дыхание почв также чутко реагирует на нефтяное загрязнение. В первый

период, когда микрофлора подавлена большим количеством УВ, интенсивность

дыхания снижается, с увеличением численности микроорганизмов интенсивность

дыхания возрастает.

Итак, процессы естественной регенерации биогеоценозов на загрязненных

территориях идут медленно, причем темпы становления различных ярусов

экосистем различны. Сапрофитный комплекс животных формируется значительно

медленнее, чем микрофлора и растительный покров. Пионерами зарастания

нарушенных почв часто являются водоросли.