Естественная деградация нефти в почве

3.7.3 Естественная деградация нефти в почве

На втором этапе естественной деградации нефти, обусловленной микробиологическими процессами, количество остаточной нефти снижается, причем каждый последующий вегетационный период характеризуется деструкцией 20% остаточной нефти, в итоге этого через 4 вегетационных периода общее количество остаточной нефти в почве составляет 40-45% от обнаруженного через один месяц после загрязнения почвы.

Процессы биологической деградации углеводородов нефти достаточно сложны. С одной стороны, окисление приводит к упрощению структуры, с другой стороны в этот период в почве обнаруживаются различные промежуточные продукты – ароматические и алифатические эфиры, кетоны и альдегиды, конденсирующиеся в почве. В этот период в значительной степени снижается содержание фракций нормальных алканов с длиной углеродной цепочки 15-18, в течение 3-4 месяцев количественные характеристики этих фракций практически неотличимы от органического вещества почвы.

Темпы деструкции более тяжелой фракции нефти несколько ниже. Доля нормальных алканов С_27-30 через 3-4 месяца снижается более чем в три раза, но концентрация в почве остается значительно выше, чем в органическом веществе незагрязненной почвы. В результате этих процессов на втором этапе естественной деградации углеводородов в почве исчезают низкомолекулярные составляющие нефти и нефтепродуктов, а почва обогащается полициклическими углеводородами, смолами и асфальтенами.

На третьем этапе биодеградации, который является наиболее длительным и изучен в меньшей степени, происходит разложение сложных компонентов нефти, трудно разлагаемых микроорганизмами. Для большинства из этих соединений известны кометаболические пути биологического окисления.

Таким образом установлено, что в естественных условиях происходит распад нефти и продуктов ее переработки, занимающий достаточно длительный период времени и включающий последовательное разложение компонентов нефти по возрастанию их сложности с образованием и дальнейшим окислением промежуточных продуктов. Этапы естественной деградации нефти имеют разные промежутки времени и связаны с процессами физико-химического выветривания, разрушения молекул углеводородов нефти в результате микробиологического метаболизма и кометаболических процессов деструкции.

Обсуждается общая стратегия рекультивационных мероприятий, необходимых для восстановления загрязненных нефтью почв. Опыты проводились на дерново-подзолистой почве Пермской обл. Варианты: дозы нефти – 0; 8; 16 и 24 л/м². Агротехнические обработки - контроль без обработки, известкование, внесение мин.удобрений, мин.удобр. + известкование, мин.удобр. + известкование + навоз. Все вносилось в почву в дозах, принятых в с/х практике данного региона.

3.7.4 Прямое токсичное действие нефти на почвенную биоту

При концентрации нефти выше этой величины в организации сообщества происходят изменения: значительно снижается доля доминирующих организмов сообщества и в то же время возрастает пропорция некоторых до этого редко встречавшихся микроорганизмов.

При дальнейшем увеличении концентраций нефти в составе общества как редко встречающиеся появляются микроогранизмы, не обнаруженные в сообществе незагрязненной почвы. Среди них микроскопические грибы Aspergillus ustus и Penieillium tardum.

Эти микроорганизмы начинают активно развиваться при концентрации нефти около 50 мл/кг почвы и достигают максимального развития в следующем интервале концентрации нефти. При концентрации выше 50 мл/кг почвы состав сообщества заметно обедняется, в нем, по существу, остаются всего два вида организмов-микромицетов: часто встречающимся является вид A.ustus, а доминирующее положение занимает вид P.tardum. Об этом почвенном микромицете известно, что он совершенно не характерен для северных дерново-подзолистых почв, а приурочен к более южным почвам, обогащенным органическим веществом. Биомасса этих двух видов микроорганизмов в интервале концентраций нефти от 50 до 200 мл/кг почвы может быть довольно значительной, но затем постепенно снижается и при концентрации нефти около 300 мл/кг почвы практически отсутствует. При последующем увеличении концентрации нефти не удается обнаружить развития микроорганизмов ни на крахмале, ни в почве.

Изменение состава и организации амилолитического микробного сообщества позволило выделить 4 качественно отличных интервала концентраций внесенной в почву нефти, которые соответствуют зонам реакции микробной системы почвы на загрязнение, установленным ранее для различных токсикантов. Зона гомеостаза микробной системы почвы охватывает диапазон концентраций нефти (0 – 0,7 мл/кг почвы), в котором все показатели стабильны и практически неотличимы от контроля. Общая биомасса микроорганизмов сообщества может несколько возрасти, что свидетельствует о стимулирующем действии низких концентраций нефти на микробиологические процессы в почве.

В зоне стресса (0,7 -50 мл/кг почвы) значительно меняется организация амилолитического сообщества, так как происходит перераспределение популяций микроорганизмов по степени доминирования. В зоне стресса загрязнение почвы нефтью таково, что возникают первые нарушения в микробном сообществе, характерном для данной почвы.

Зона резистенции определяется диапазоном концентраций нефти (50 – 300 мл/кг почвы), в котором происходит резкое снижение видового разнообразия и смена состава сообщества. Активно развиваются устойчивые (резистентные) к высоким концентрациям нефти популяции микроорганизмов. В этой зоне негативный эффект от загрязнения почва приводит к полному изменению доминирующих форм в микробиологическом сообществе, характерном для данной почвы.

Наконец, зона репрессии микробной системы почв – диапазон концентраций нефти (выше 300 мл/кг почвы), в котором наблюдается полное подавление роста и развития микроорганизмов в загрязненной почве.

В природе также проявляется острая токсичность высоких доз нефти для микробиоты. Так, непосредственно после внесения ксенобиотика в почву в ней обнаруживали только мертвые тела зеленых и желто-зеленых водорослей.

Токсическое действие нефти на высшие растения в лабораторных условиях проявляется при концентрации выше 50 мл/кг почвы. Семена тест - растения (кресс-салата) в этих условиях теряют всхожесть и погибают. Аналогичные закономерности выявлены и в условиях полевого эксперимента, где в почву вносили нефть в дозах от 8 до 24 л/м². Посев костреца безостого сразу же после загрязнения сопровождался полной гибелью растений. Даже через год после внесения загрязнителя на этих участках не удалось получить урожая, так как всхожесть семян составляла менее 50%, растения имели бледно-зеленую окраску, слабо развивались и к концу вегетационного периода достигали не более 10 см. в высоту.

Почвенные беспозвоночные животные также в значительной степени угнетаются высокими дозами нефти. При дозах 8 л/м² и выше происходит полное угнетение всех зоологических групп. Причем в первую очередь погибают крупные беспозвоночные животные, несколько более устойчивыми оказались простейшие.

Токсичность нефти определяется главным образом наличием в ней летучих ароматических углеводородов (толуола, ксилола, бензола), нафталинов и некоторых других, растворимых в воде фракций нефти. Эти соединения сравнительно легко и быстро улетучиваются из почвы или разрушаются. Поэтому период острого токсического действия нефти на почвенную биоту является относительно коротким. Если в начале второго вегетационного периода после внесения загрязнителя всхожесть семян составляла около 50%, то в конце этого периода в почвах, загрязненных даже очень высокими дозами нефти (24 л/м²), всхожесть семян практически не отличалась от контроля. С другой стороны, на биологическую продуктивность почв нефть действует в течении более длительного периода времени, о чем свидетельствует снижение урожайности трав на опытных участках. Так, в течении вегетационного периода на всех вариантах полевого опыта на участках с 8 л нефти на 1 м² урожай был приблизительно на 40% ниже, чем на контрольных делянках, на участках с 16 л нефти – на 70% ниже, а при 24 л/м² практически не было возможности учесть урожай трав. В течении четвертого вегетационного периода продуктивность нефтезагрязненных почв увеличилась, однако разница по урожаю между участками с различными дозами нефти все еще составляла около 20%.

Таким образом, можно выделить два важных аспекта в загрязняющем действии нефти. В высоких концентрациях этот ксенобиотик выступает как вещество с сильными токсическими свойствами по отношению ко всей почвенной биоте, однако период токсикоза сравнительно непродолжительным. В дальнейшем острое токсическое действие нефти заметно падает, а длительное снижение биологической продуктивности почв загрязненных нефтью, по-видимому, связано с изменениями важных свойств почвы.