Экологическая оценка последствий нефтяного загрязнения почвы

Цель – рассмотрение значения загрязнения литосферы нефтепродуктами.

Задачи – провести экологическую оценку последствий нефтяного загрязнения почвы.

Методы исследования – аналитический метод исследования. Анализ научной и научно-методической литературы по проблеме внедрения практических навыков в образовательной среде.

Загрязнение природной среды нефтью и продуктами ее переработки - одна из сложных и многоплановых проблем [1]. Ни один другой загрязнитель, как бы опасен он ни был, не может сравниться с нефтью по широте распространения, количеству источников загрязнения, величине единовременных нагрузок на все компоненты природной среды во время аварий скважин и нефтепроводов. Несмотря на то, что технология добычи и транспортировки нефти постоянно совершенствуется с учетом защиты окружающей среды, актуальность проблемы не снижается. Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию.

Действие нефтяных компонентов особенно сказывается на изменении экологической обстановки: пропитывая почву, обволакивая корни, листья, стебли растений и проникая сквозь мембраны клеток, нефть нарушает водно-воздушный баланс среды и организмов, обмен веществ и трофические связи [2].

Токсичность нефти объясняется присутствием летучих ароматических углеводородов таких как толуол, ксилол, бензол и ряда других фракций нефти. Однако они легко испаряются. Более тяжелые элементы нефти, такие как многоядерные ароматические углеводороды, наносят куда больший вред т.к. воздействуют на окружающую среду более продолжительное время вследствие адсорбции на твердых частицах.

Для исходных нефтей характерен большой набор ароматических углеводородов - от низкокольчатых (нафталины, фенантрены) до многокольчатых - со структурой 3,4-бенз(а)пирена (приложение). Среди голоядерных ПАУ (полициклических ароматических углеводородов) боль- шое внимание обычно уделяется 3,4-бенз(а) пирену как наиболее распространенному представителю канцерогенных веществ во всех природных средах. По этому соединению судят об отрицательном воздействии нефти на биологические системы вследствие максимальной его токсичности и канцерогенности.

Содержание ароматических углеводородов в нефти чаще всего составляет 20-40%. Биодеградация характерна для лёгких полиаренов, содержащих 2-3 ароматических кольца. Высококонденсированные ПАУ окисляются очень медленно. Длительное время ПАУ сохраняются в почве и содержащиеся в нефти канцерогенные вещества бензпиренового ряда, трудно поддающиеся микробиологическому разложению, которые впоследствии смогут накапливаться в растительности [3].

Под действием углеводородов нефти (в основном ароматических) резко тормозится ферментативная активность почв [4].

Выделяют три наиболее общих этапа трансформации нефти в почвах: 1) физико-химическое и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов; 2) микробиологическое разрушение главным образом низкомолекулярных структур разных классов, новообразование смолистых веществ; 3) трансформация высокомолекулярных соединений: смол, асфальтенов, полициклических углеводородов. Длительность всего процесса трансформации нефти в разных почвенно-климатических зонах различна: от нескольких месяцев до нескольких десятков лет. В целом, в биодеградации нефтяных углеводородов, основная роль принадлежит бактериальной микрофлоре. Все реакции микробиологического превращения углеводородов являются окислительными. Предельная восстановленность этих веществ делает необходимым для их окисления присутствие кислорода [5].

В ряду исследований, выполненных авторами [6], были включены варианты снижения концентрации нефти в темно-серой лесной почве при условии ее периодического рыхления и без рыхления почвы.

Рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, снижает концентрацию углеводородов в почве в результате улетучивания легких фракций, обеспечивает разрыв поверхностных пор, насыщенных нефтью, но в то же время способствует равномерному распределению компонентов нефти в почве и увеличению активной поверхности. Обработка почвы создает мощный биологически активный слой с улучшенными агрофизическими свойствами. В почве при этом создается оптимальный водный, газовоздушный и тепловой режим, растет численность микроорганизмов и их активность, усиливается активность почвенных ферментов, увеличивается энергия биохимических процессов.

Результаты исследования ряда авторов [7] по влиянию бенз(а)пирена на микрофлору почвы показывают явное снижение численности аммонификаторов в почве при повышении содержания бензапирена в почве. Отмечается очевидное повышение численности азотфиксаторов и грибов на фоне концентрации бенз(а)пирена порядка 10 ПДК [8], что объясняется авторами как некоторое временное стимулирующее действие углеводорода. Однако при концентрации бензапирена порядка 10 ПДК, численность азотфиксаторов снижается более чем в 6 раз в сравнении с вариантом 10 ПДК и практически в 4 раза по сравнению с контрольным вариантом.

Численность грибов на фоне 20 ПДК по бенз (а)пирену остается на уровне контрольного варианта, что важно поскольку данный вид микрофлоры также принимает участие в деструкции углеводородов нефти.

Авторами [9] выполнены исследования на влияние бензапирена в почве на рост растений и ферментативную активность почвы по активности полифенолоксидазы, которые поступают в почву в виде прижизненных выделений корней растений и микроорганизмов. Почвенные ферменты имеют преимущественно микробное происхождение [10]. Полифенолоксидаза осуществляет окисление фенолов за счёт кислорода воздуха до хинонов, которые способны к быстрой полимеризации, конденсации и образованию гумусоподобных веществ. Эти ферменты могут находиться в почве, как в свободном, так и в связанном состоянии. Основная функция полифенолоксидаз – участие в биосинтезе гумусовых кислот за счет катализа реакций окислительной полимеризации ароматических соединений с участием кислорода воздуха [11–13].

Результаты исследования роста растений на субстратах и активности полифенолоксидазы почвогрунтов по вариантам исследования приведены в таблице.

Таблица. Исследование токсичности почвогрунтов Показатели Содержание бенз(а)пирена 50 ПДК 40 ПДК 25 ПДК 10 ПДК 5 ПДК Ориентировочная всхожесть семян,% 0,0 0,02 50,0 72,0 80,0 Высота растений, см 0,0 0,0 2,0 4,5 6,0 Активность ПФО, мг/г 0,8 1,1 2,1 2,7 3,0 Время экспозиции, т.е. выращивания травы от момента посева на субстраты - почвогрунты различной степени загрязненности углеводородами - 2 недели.

Из данных таблицы видно, что грунты, сильно загрязненные углеводородами, токсичны для произрастания на них растений. Так, в вариантах с содержанием в грунтах бенз(а)пирена 1,0 - 0,8 мг/кг семена вообще не проросли.

В варианте, когда концентрация бенз(а) пирена в 2 раза ниже, семена проросли, однако растения достигли высоты в среднем до 2 см (при всхожести – 50%).

Следует отметить тот факт, что, очевидно, токсичность грунтов в данных исследованиях из всей группы углеводородов почвогрунтов, определяется бенз(а)пиреном, так как в указанном варианте концентрация его снизилась лишь в 2 раза, а нефтепродуктов более чем в 20 раз. В варианте с концентрацией бенз(а)пирена 0,1 мг/кг, т.е. 5 ПДК, высота растений составляла порядка 6 см при всхожести 80%. (Контрольная всхожесть семян – 92%).

Активность полифенолоксидазы возрастает с уменьшением степени загрязнения почвогрунтов углеводородами, и, прежде всего, бенз(а) пиреном вследствие более благоприятных условий для развития почвенной микрофлоры. Судя по данным формирования микрофлоры и активности полифенолоксидазы, наличие значительной массы углеводородов в почвогрунтах, и, в частности, бенз(а)пирена не способствует интенсивному развитию микрофлоры в силу ряда причин. Основными из этих причин могут быть как токсичное воздействие на почвенную микрофлору самих соединений углеводородов, так и трудность их использования для микроорганизмов как бактериями, и почвенными грибами. В целом активность полифенолоксидазы в почве в варианте с максимальным содержанием бензапирена и отсутствие рстений снижается в 3,7 раза по сравнению с вариантом наименьшего содержания бензапирена.

Полифенолоксидазы (ПФО) – преимущественно микробного происхождения, имеются у многих почвенных грибов. Эти ферменты могут находиться в почве, как в свободном, так и в связанном состоянии. Процессы окислительной полимеризации ароматических соединений выполняется за счет кислорода воздуха [14]. Стадии биодеградации для всех классов углеводородов нефти включают:

1.Трансформацию молекулы.

2.Фрагментацию (разложение) молекулы на простые соединения.

3.Минерализацию или превращение сложного вещества в простое.

Каждая группа углеводородов окисляется определенными видами микроорганизмов, алканы окисляются представителями группы аэробных грамотрицательных бактерий родов: Pseudomonas, Methylococus, Methylobacter, Methylosinus. Твердые парафины, газообразные углеводороды, ароматические углеводороды, окисляются бактериями родов: Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Nocardia, Pseudomonas, Rhodococus, спорогенными дрожжами родов Сила токсического действия на микроорганизмы.нефтяных фракций увеличивается в следующей последовательности: парафины, циклопарафины, ароматические углеводороды [15].

В процессе биоразложения соединений нефти, изменяется состав загрязнителя, содержание низкомолекулярных алканов, циклоаканов и аренов уменьшается, в почве остаются в основном высокомолекулярные соединения и конденсированные арены [16].

Скорость деградации ПАУ обратно пропорциональна числу колец в молекуле. Ферментативная атака колец ПАУ происходит только в аэробных условиях [17].

Наиболее часто способность к быстрому росту и деструкции углеводородов обнаруживается у представителей р. Pseudomonas. Бактерии рода Pseudomonas в отношении полиаренов обладают большим катаболическим потенциалом. Они в зависимости от сложности структуры полностью утилизируют или частично трансформируют ПАУ [18].

Оказалось, что разные штаммы Pseudomonas способны расщеплять более 100 органических соединений [19].

Кроме того, у многих псевдомонад, наряду с хромосомной ДНК, есть дополнительный генетический материал в виде плазмид биодеградации, которые играют важную роль в адаптации бактерий к изменяющимся условиям окружающей среды. Они содержат гены, ответственные за разложение различных органических веществ, в т.ч. н-алканов, моно- и полициклических ароматических углеводородов, гетероциклических соединений. Виды Pseudomonas доминируют в ризосфере [20].

Основной причиной, которая затрудняет микробиологическое разложение нефтепродуктов, является гидрофобность молекул углеводородов, приводящая как к их сорбции на различных поверхностях и переходу в биологически труднодоступную форму, так и к невозможности эффективного контакта с микробными клетками, имеющими, как правило, гидрофильную внешнюю оболочку. Устранить это препятствие способны биосурфактанты − разнообразные поверхностно-активные вещества, синтезируемые микроорганизмами.

Авторами [9] выполнены исследования по влиянию бензапирена на микробиологическое состояние почвы. Результаты исследований микробиоты почвы при концентрации бензапирена 0,1 мг/кг почвы т.е. превышение ПДК в 5 раз и 1,0 мг/кг., т.е. с превышением ПДК в 50 раз представлены.

Как отмечалось ранее, повышение концентрации бензапирена в почве резко отрицательно влияет на растения и снижает наличие полифенолоксилазы в почве выполняющей обезвреживание для биоты почвы ряда токсичных компонентов нефти путем их окисления.

Что касается обезвреживания трудноокисляемого бензапирена, как и других голоядерных полициклических ароматических углеводородов, то их биодеградацию выполняет бактериальная микрофлора в аэробных условиях.

В интервале концентраций бензапирена в почве от 0,1 до 1,0 мг/кг т.е. превышении ПДК от 5 до 50 раз, существенного снижения как численности грибов так и численности бактерий не отмечалось.

Снижение микофлоры составило 8,0% а снижение бактериальной микрофлоры 7,2%.

Микроорганизмы начинают катаболическую атаку на ПАУ, а ферменты, выделянмые с корневыми экссудатами растений, участвуют в деградации микробных метаболитов - окисленных производных ПАУ.

Плазмиды содержат гены, ответственные за разложение различных органических веществ, в т.ч. н-алканов, моно- и полициклических ароматических углеводородов, гетероциклических соединений и использовать их в качестве источника углерода [21].

Выводы:

При оценке последствий нефтяного загрязнения почвы не всегда можно сказать, вернется ли экосистема к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Суть восстановления загрязненных экосистем – максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс.

Очевидно, что вне зависимости от типа нефтезагрязненных почв, для процессов улетучивания легких токсичных фракций нефти и биодеградации оставшихся в почве нефтяных углеводородов необходимо обеспечить доступ кислорода воздуха. Самым простым приемом является рыхление загрязненных почвогрунтов. Коррекция оптимального значения рН почвы и минерального состава выполняется по необходимости в соответствии с рН и плодородием конкретного типа почвы, а также с учетом климатических условий региона.