Влияние передвижных источников на загрязнение почвы

3.6.2 Влияние передвижных источников на загрязнение почвы

Под термином "содержание нефтепродуктов" условно понимают содержание в почве неполярных и малополярных соединений, экстрагируемых гексаном (или петролейным эфиром). Это ограничивает понятие "нефтепродукты" углеводородами, являющимися основной составной частью нефти, очень небольшим числом органических соединений, редко сопутствующих углеводородам в почве. Наибольшие концентрации нефтепродуктов в почве наблюдаются у железнодорожного переезда. В целом по городу участки почвенного покрова, непосредственно прилегающие к дорожному полотну, являются достаточно сильно загрязненными, содержание нефтепродуктов колеблется от 20 до 320 мг/кг.

При сопоставлении данных о содержании нефтепродуктов в почве с суммарными значениями интенсивности движения грузовых автомобилей и автобусов в большинстве мест движения автотранспорта наблюдается некоторая зависимость. Наибольшие величины концентрации нефтепродуктов имеют место вблизи участков дорог с передвижением большого количества именно этих видов автотранспорта, хотя при выявлении причин повышенных концентраций нефтепродуктов нельзя не учитывать и геоморфологические условия территории (наличие ложбин, впадин), способствующие накоплению загрязняющих веществ.

На основе данных полученных в результате изучения интенсивности и состава транспортных потоков на основных автодорогах, расчета выбросов свинца и оксида углерода и их концентрации в приземном слое атмосферы, химического анализа содержания свинца в снеговом покрове и свинца и нефтепродуктов в почве придорожных зон, измерений уровня шума вблизи дорог, можно сделать вывод, что в данное время автотранспорт на исследуемой территории оказывает относительно небольшое влияние на компоненты экосистемы, так как транспортная нагрузка невелика. Но, принимая во внимание постоянное увеличение количества автомобилей, оценка воздействия транспортных потоков должна стать одной из задач экологического мониторинга.

Автомобили не единственные передвижные загрязнители окружающей среды нефтепродуктами. Как правило, неэлектрифицированные железные дороги имеют высокую замазученность в районе железнодорожного полотна, причем, постоянное поступление нефтепродуктов железнодорожного полотна, делает практически нецелесообразным биологическую очистку территории.

3.7 Токсическое действие нефти и нефтепродуктов в ландшафтах

3.7.1 Действие нефти и нефтепродуктов на почву

Физические, химические и технологические свойства нефти и продуктов ее переработки были рассмотрены выше, в этом разделе мы рассмотрим эколого-геохимические характеристики основного состава нефти, в основу которых положены соотношения в [Ю.И. Пиковский, 1988] содержании легкой фракции (начало кипения 200⁰С), метановых углеводородов (включая твердые парафины), циклических компонентов, смол, асфальтенов и сернистых соединений.

Легкая фракция нефти включает низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафиновые) и ароматические углеводороды - наиболее подвижная часть нефти. Большую часть легкой фракции составляют метановые углеводороды (алканы с С₅-С₁₁ - пентан, гексан). Метановые углеводороды, находясь в почвах, водной или воздушной средах, оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы.

Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеводородной цепью. Они более растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цитоплазменные мембраны организма. Большинством микроорганизмов нормальные алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов С, не ассимилируются, хотя и могут быть окислены. Вследствие летучести и более высокой растворимости низкомолекулярных алканов их действие обычно не бывает долговременным. В соленой воде нормальные алканы с короткими цепями растворяются лучше и, следовательно, более ядовиты.

Многие исследователи [В. П. Середина 1984, М. А. Глазовская 1980] отмечают сильное токсическое действие легкой фракции на микробные сообщества и почвенных животных. Легкая фракция мигрирует по почвенному профилю и водоносным горизонтам, значительно расширяя ареал первичного загрязнения. С уменьшением содержания легкой фракции токсичность нефти снижается, но возрастает токсичность ароматических соединений, относительное содержание которых растет. Путем испарения из почвы удаляется от 20 до 40% легких фракций [McGill, 1977].

Метановые углеводороды. В нефтях, богатых легкой фракцией, существенную роль играют более высокомолекулярные метановые углеводороды (С₁₂-С₂₇), состоящие из нормальных алканов и изоалканов в соотношении 3:1. Метановые углеводороды с температурой кипения выше 200⁰С практически нерастворимы в воде. Их токсичность выражена гораздо слабее, чем у углеводородов с более низкомолекулярной структурой.

Содержание твердых метановых углеводородов (парафинов) в нефти - важная характеристика при изучении нефтяных разливов на почвах. Парафины не токсичны для живых организмов и в условиях земной поверхности переходят в твердое состояние, лишая нефть подвижности. Алканы ассимилируются многими микроорганизмами (дрожжи, грибы, бактерии). Легкие нефтепродукты типа дизельного топлива при первоначальной концентрации в почве 0,5% за 1,5 месяца деградируют на 10-80% от исходного количества в зависимости от содержания летучих углеводородов.

Ю. И. Пиковский обнаружил, что более полная деградация нефтепродуктов этого диапазона происходит при рН 7,4 (64,3-90%), в кислой среде (рН 4,5) деградируют лишь до 18,8% [Ю. И. Пиковский 1988]. Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе. Он надолго может “запечатать” все поры почвенного покрова, лишив почву возможности свободного влагообмена и дыхания. Это, в первую очередь, приводит к полной деградации биоценоза.

Циклические углеводороды. К ним в нефти относятся нафтеновые и ароматические углеводороды. Нафтеновые УВ составляют от 35 до 60 %. О токсичности нафтенов сведений почти не имеется. Вместе с тем имеются данные о нафтенах как о стимулирующих веществах при действии на живой организм. Биологически активным фактором этой нефти служат полициклические нафтеновые структуры. Основные продукты окисления нафтеновых углеводородов - кислоты и оксикислоты.

К ароматическим углеводородам (аренам) относятся как собственно ароматические структуры - 6-ти членные кольца из радикалов -СН-, так и “гибридные” структуры, состоящие из ароматических и нафтеновых колец. Содержание в нефти ароматических УВ от 5 до 15 %, чаще всего от 20 до 40 %. Основная масса ароматических структур составляют моноядерные углеводороды - гомологи бензола. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) с двумя и более ароматическими кольцами содержатся в нефти от 1 до 4 %. Среди голоядерных ПАУ большое внимание обычно уделяется 3,4-бензпирену как наиболее распространенному представителю канцерогенных веществ.

Ароматические углеводороды - наиболее токсичные компоненты нефти. В концентрации всего 1 % в воде они убивают все водные растения. Нефть содержащая от 30 до 40 % ароматических углеводородов существенно угнетает рост высших растений. Моноядерные углеводороды - бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое воздействие на организмы чем ПАУ так как ПАУ медленнее проникают через мембраны клеток, но ПАУ действуют более длительное время, являясь хроническими токсикантами.

Ароматические углеводороды с трудом поддаются разрушению. Экспериментально показано, что главным фактором деградации ПАУ в окружающей среде, в особенности в воде и воздухе, является фотолиз, инициированный ультрафиолетовым излучением.[ А.И. Шилина]. В почве этот процесс может происходить только на ее поверхности.

Смолы и асфальтены - это высокомолекулярные неуглеводородные компоненты нефти. Смолы - вязкие мазе подобные вещества, асфальтены - твердые, нерастворимые в низкомолекулярных углеводороды. По содержанию смол и асфальтенов нефти подразделяются на:

- малосмолистые ( от 1 - 2 до 10 % смол и асфальтенов )

- смолистые ( 10 - 20 % )

- высокосмолистые ( 23 - 40 % )

Смолы и асфальтены содержат основную часть микроэлементов нефти, в том числе почти все металлы. Среди нетоксичных и малотоксичных элементов можно выделить: Si, Fe, Al, Mn, Ca, Mg, P. Другие микроэлементы: V, Ni, Co, Pb, Cu, U, As, Hg, Mo, в случае повышенных концентраций могут оказывать токсическое воздействие на биоценоз.

Вредное экологическое влияние смолисто - асфальтеновых компонентов на почвенные экосистемы заключается не в химической токсичности, а в значительном изменении водно - физических свойств почвы. Если нефть просачивается сверху, ее смолисто - асфальтеновые компоненты сорбируются в основном в верхнем, гумусовом горизонте иногда прочно цементируя его.

Смолисто - асфальтеновые компоненты гидрофобны. Обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги в результате чего растения погибают. Эти вещества малодоступны микроорганизмам, процесс их метаболизма идет очень медленно, иногда десятки лет. В целом при окислительной деградации нефти в почвах, независимо от того, происходит механическое вымывание загрязняющих веществ или нет, идет накопление смолисто - асфальтеновых веществ. Разрушение и вынос компонентов углеводородов фракции происходят гораздо быстрее.

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(Н. М. Исмаилов 1985):

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 углеводородов нефти.

Максимум численности микроорганизмов соответствует горизонтам ферментации и снижается в них по профилю почв по мере уменьшения концентраций углеводородов. Основной экспоненциальный подъем 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 загрязненных почвах снижается активность большинства почвенных ферментов (Н. М. Исмаилов, Ю. И. Пиковский 1985). 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.