СПЕЦИФИКА ПОЧВЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

THE SPECIFICS OF SOIL CONTAMINATION WITH PETROLEUM PRODUCTS

Pirdoz Kasumova

Master’s student of Chechen State University,

Russia, Groznyy

Madina Bersaeva

Master's student of Chechen State University,

Russia, Groznyy

Makka Kottoeva

Master's student of Chechen State University,

Russia, Groznyy

Medina Zhantaeva

Master's student of Chechen State University,

Russia, Groznyy

Madina Selmurzayeva

Master's student of Chechen State University

Russia, Groznyy

АННОТАЦИЯ

В силу широчайшего распространения автомобильного транспорта повсеместно на планете происходит загрязнение нефтепродуктами, использующимися в автопроме: дизельным топливом, бензином, смазочными маслами, керосином и другими видами производных углеводородов. Как нефть, так и нефтепродукты, попадая в почву и водоемы, осуществляет антропогенное давление на окружающую среду, особенно сильно воздействуя на степень деградации биоты.

ABSTRACT

Due to the wide spread of automobile transport everywhere on the planet, there is pollution with petroleum products used in the automotive industry: diesel fuel, gasoline, lubricating oils, kerosene and other types of hydrocarbon derivatives. Both oil and petroleum products, getting into the soil and reservoirs, exert anthropogenic pressure on the environment, especially strongly affecting the degree of degradation of biota.

Ключевые слова: нефть, нефтепродукты, загрязнение, почва, биота, окружающая среда, организм.

Keywords: oil, petroleum products, pollution, soil, biota, environment, organism.

Наиболее опасным для живых организмов, обитающих в воде и почве, является загрязнение сырой нефтью или производными из нее (бензином, дизельным топливом и т.п.), поскольку этот вид ксенобиотиков наиболее существенно угнетает жизнедеятельность животных, растений и микробиоты, обитающих в почве и водоемах, покрывая их поверхность нефтяной пленкой и подавляя процессы снабжения этих живых существ кислородом.

За последние 100 лет человечество стало очень активно добывать нефть и производить различные продукты из углеводородов, фактически почти полностью переведя энергетику планеты именно на углеводородный ресурс. Причиной этому стала относительная дешевизна добычи нефти и природного газа, высокий уровень КПД извлекаемой энергии. К сожалению, эти преимущества в силу своего финансового значения, позволили человечеству не замечать, особенно на первых порах добычи и эксплуатации нефтяных месторождений, тот вред, который наносит окружающей среде отрасль нефтедобычи и нефтепереработки, а также использование топлива из углеводородов. Высокий уровень загрязнения атмосферы продуктами сгорания углеводородов привел и продолжает приводить к повышению окислов углерода, что формирует «парниковый эффект» в атмосфере нашей планеты, а также к повышению концентрации окислов азота и серы, которые, соединяясь в воздухе с водой, формируют «кислотные дожди», но наиболее опасным видом загрязнения почвы и воды по-прежнему остаются прямое попадание в почвенный слой и водоемы сырой нефти (при авариях во время добычи нефти или на нефтепроводах) и продуктов ее переработки в виде бензина, дизельного топлива и других продуктов нефтепереработки, которые можно наблюдать вблизи автомобильных заправок или в месте дислокации автомобильного транспорта (на автотранспортных предприятиях и в гаражных сооружениях).

Именно поэтому уже в современный период человечество, осознав весь вред, наносимый окружающей среде добычей и переработкой нефти, а также использованием продуктов ее переработки в топливной и транспортной областях производства, разрабатывает различные методы очистки почвы и водоемов от нефти и других видов углеводородов, разрабатывает биотехнологии, основанные на использовании отдельных видов микроорганизмов, способных перерабатывать углеводороды, для формирования системы очистных мероприятий для тех территорий, где происходит загрязнение углеводородами.

В связи с постоянно растущим объемом добываемой нефти в мире и столь же быстро увеличивающимися объемами продуктов переработки нефти загрязнение этими видами веществ оценивается большинством ученых как наиболее крупномасштабный вид загрязнений, особенно существенно влияющий на деградацию почвенного покрова. Разлитые на суше нефть и нефтепродукты очень быстро абсорбируются и даже адсорбируются частичками почвы, поэтому очистка почвенного покрова является весьма трудоемкой и сложной в технологии исполнения. Почва, загрязненная нефтью и нефтепродуктами, изменяет свои физические и химические свойства, микробиота, обитающая во всех слоях почвенного покрова, почти полностью погибает, так же, как и обитающие в почве беспозвоночные животные, являющиеся важными почвообразователями и почвоулучшителями (дождевые черви, кивсяки, нематоды и др.). В загрязненных нефтью почвах ряд видов живых организмов попросту элиминируется. Только в Российской Федерации по оценкам ряда авторов рекультивации вследствие нефтяного загрязнения подлежит более двух миллионов гектар земель. Загрязнение нефтью относится к четвертому классу опасности при содержании ее в грунте в количестве 10 г/кг почвы [3, 5, 7].

Разлитие в почве нефти приводит к разрушению структуры почвы, склеиванию почвенных комочков, разрушению сети микрокапилляров, почва теряет способность к удерживанию влаги, существенно снижается водопроницаемость и влагоемкость почвы, уменьшается коэффициент фильтрации водных масс в почвенном горизонте. Происходит нарушение воздушного обмена, часть почвенного горизонта переходит в состояние анаэробности, что усугубляется проникновением легких фракций углеводородов в нижние горизонты почвенного слоя, а гумусовый слой насыщается высокомолекулярными углеводородами циклического типа. Загрязнение нефтепродуктами оказывает «наркотическое» воздействие на экосистемы, поскольку является модифицирующим фактором для системы консументов как непосредственно, так и опосредованно. Весьма токсичны легкие фракции нефти, в том числе, метановые и ароматические углеводороды, которые оказывают канцерогенное и мутагенное воздействие [3, 5, 6, 7].

Смесь углеводородов, которую мы называем нефтью, весьма сильно варьирует по составу в зависимости от места добычи. Нефть сама по себе, независимо от состава, а также все виды нефтепродуктов, получаемых из нефти, относятся к токсикантам или ксенобиотикам, так как очень медленно разлагаются в естественных условиях. В среднем в состав нефти входит по массе 83 – 87% углерода, 12-14% водорода, до 6% серы, до 1,7% азота, до 3,6% кислорода, а также ряд минеральных соединений. Плотность нефти варьирует от 0,73 до 0,97. Такое отличие в качественном и количественном составе нефти определяется местом ее происхождения, то есть обусловлена тем составом биосферы, которая миллионы лет назад была включена в процесс формирования этого вида полезного ископаемого. По своему составу углеводороды нефти разделяются на предельные и непредельные, например, нефть из штата Пенсильвания, США, характеризуется самым большим количеством предельных углеводородов из всех открытых нефтяных месторождений на планете, а нефть, добываемая из Бакинского месторождения в Азербайджане, содержит до 90% нафтеновых углеводородов. Довольно высокое содержание предельных углеводородов наблюдается в грозненской, сураханской и ферганской нефти [8].

Территории, временно загрязненные нефтью и нефтепродуктами в силу катаклизмов и аварийных ситуаций, относят к временно загрязненным. В местах таких техногенных катастроф производят очистку почвы и воды от разлившейся нефти, по возможности очищая территорию от нефти и удаляя ее для дальнейшей утилизации. Это неприятное явление, но, поскольку оно не принимает постоянный характер, то для окружающей среды является относительно малоопасным. Гораздо хуже загрязняются территории в случае постоянных разливов нефти и нефтепродуктов, что происходит в местах непосредственной добычи нефти, а также в различных структурах, где нефтепродукты используются для заправки автомобильного транспорта, где происходит техническое обслуживание автотранспорта и его содержание (АЗС, автопредприятия, гаражи и т.п.) [8].

В зависимости от вида ксенобиотика загрязнение почвы может варьировать от легкой степени до высокого уровня. Так, легкие фракции углеводородов могут перемещаться в почве на глубину до 1 метра, но при этом почва довольно быстро самоочищается, поскольку такие углеводороды имеют низкую температуру кипения и способны усваиваться почвенной микробиотой. Если же фракции углеводородов представляют собой битумные соединения, которые не могут проникнуть более, чем на глубину 12 см, скапливаются в верхнем слое почвы, формируя твердую корку, то такие виды нефтяного загрязнения практически не подвергаются самоочищению, биота почвы не способна их разложить. Помимо биоты почвы, которая частично способствует самоочищению почвенного горизонта, на разложение углеводородов в почве влияют ультрафиолетовая часть спектра солнечного излучения, температура воздуха, наличие ветра. Все эти факторы способствуют испарению легких фракций углеводородов, окислению тяжелых фракций нефтепродуктов, поэтому в летний период самоочищение почвы проходит более интенсивно, чем зимой, когда нефтяные производные переходят в твердое состояние. Наличие высшей растительности также способствует процессам самоочищения почвы, поскольку создаваемый ею опад дает возможность накопления гумуса, в том числе и под верхним (загрязненным) слоем почвы и обеспечивает окисление нефтепродуктов в нижних слоях почвы в процессе окисления [2, 8].

Поскольку природа нефти органическая, естественно, что в биосфере имеются механизмы, позволяющие почве самоочищаться от этого вида ксенобиотиков. Этот процесс обеспечивается не только абиотическими факторами, упомянутыми выше, такими, как инсоляция, ультрафиолетовое излучение, наличие ветра и высокая температура, но и биотическими факторами, главнейший из которых – деятельность почвенной микробиоты.

К механическому рассеянию нефти и нефтепродуктов в почве имеют отношение с одной стороны интенсивность выноса ксенобиотиков за пределы почвенного горизонта, обеспечиваемая количеством осадков и характером водного почвенного режима, способствующая удалению загрязнителей из почвы, а с другой стороны удерживающую функцию выполняют сорбционные и механические геохимические почвенные барьеры, к которым относят органогенные, гумусовые и иллювиальные почвенные горизонты, которые чем толще, тем более активно задерживают ксенобиотики в составе почвенных частиц. К механическим барьерам относят мерзлоту, которая в зависимости от географического положения может быть, как сплошной, так и островной. Поскольку в Российской Федерации основные месторождения нефти располагаются на северных территориях, то именно механический мерзлотный барьер обеспечивает существенное загрязнение нефтепродуктами в этих регионах. Именно эти арктические, тундрово-болотные, тундрово-глеевые, глееподзолистые, глеево-мерзлотные, дерново-подзолистые и дерново-таежные почвы характеризуются сильным загрязнением нефтью и нефтепродуктами за последние 50 лет. Эти почвы характеризуются низкой способностью к деградации нефти и нефтепродуктов. К другому типу почв относятся такие, которые обладают умеренной способностью разложения нефтепродуктов, но сильно их рассеивают. К таким почвам относят песчаные или супесчаные почвенные структуры с промывным водным режимом. Солонцы, бурые пустынно-степные, каштановые солонцеватые почвы обладают высокой способностью к деструкции нефтепродуктов и их умеренному рассеянию. Географически такие почвы относят к Зауралью, Алтаю, Саянам, Забайкалью, Приамурью.  Наконец, самой высокой способностью к самоочищению обладают подзолистые серые лесные, черноземные, буроземные, дерново-подзолистые почвенные массы в умеренных широтах [10].

Во многих случаях невозможно ждать, пока почвы пройдут естественный процесс самоочищения, поэтому разработаны в настоящее время химические, физические и биологические методы очистки от углеводородов почвенных и водных биогеоценозов. Электрохимическая очистка почвы основана на пропускании тока через почву, в результате чего осуществляются электрофлотация, электролиз воды, электрокоагуляция, реакции электрохимического окисления. Эти процессы обеспечивают разложение до 90% фенола, а также способствуют удалению из почвы таких ксенобиотиков, как свинец, кадмий, цианиды, ртуть. К сожалению, это довольно дорогостоящий метод.  Электрокинетическая очистка основана на явлениях электрофореза и электроосмоса, которые позволяют очистить почву от цианидов, нефти, других ксенобиотиков, но применение этого метода возможно только на глинистых и суглинистых почвах, где уровень насыщения влагой достаточно высокий. И хотя эффективность электрокинетической очистки довольно велика, но стоимость этого метода также не дешева и составляет до 170$ на 1 м³ почвы. Метод промывки относится к химическим методам и применяется для очистки почвы от нефти путем пролива почвы растворами, в которых имеются поверхностно-активные вещества или сильные окислители, такие, как кислород или хлор. Его эффективность составляет до 99%. Но недостатков этот метод имеет также достаточно:это значительное количество образующейся загрязненной воды, которую нужно дополнительно очищать, а также длительные сроки очищения (от одного до четырех лет). К биологическим методам очистки почвы относят такие, как фитоэкстракция, фиторемедиация. При этом фитоэкстракция направлена на вынос ксенобиотиков из почвы с помощью растений, но этот метод не позволяет очищать почву от углеводородов, но метод фиторемедиации позволяет разлагать и нефть путем стимулирования собственной аборигенной микрофлоры или дополнительным внесением бактериальных культур в почву, способных активизировать процесс деструкции нефтепродуктов [9].

Период самоочищения почвы сильно варьирует в зависимости от биоклиматических условий. Самоочищение завершается при уменьшении массовой доли загрязняющего почву вещества на 97%. Принципиально процесс самоочищения состоит из процессов окисления, включающих деградацию, разложение, трансформацию и модификацию нефти и нефтепродуктов, которые осуществляются как по механизму фотохимического окисления, так и микробиотой почвенного горизонта. Процесс микробиального разложения проходит по системе нефтепродуктов в следующем порядке: парафины > ароматические углеводороды > циклопарафины. При разложении смолисто-асфальтовых компонентов микробиота разлагает в следующем порядке: н-алканы > изо-, антеизоалканы > изопреноиды > моноциклические нафтены > прочие углеводороды. Особенно сложно разлагаются битумные соединения [3, 4].

На современном этапе в характеристике естественной почвенной деградации нефти и нефтепродуктов различают три основных этапа. На первом этапе отмечается удаление низкомолекулярных фракций нефти за счет физико-химического выветривания преимущественно благодаря воздействию температуры, ветра и инсоляции. Второй этап разложения низкомолекулярных компонентов нефтепродуктов обеспечивается микроорганизмами, которые преобразуют их в полициклические ароматические углеводороды и асфальтены. На третьем этапе разлагаются наиболее сложные компоненты нефти, но эта группа микробиоты пока еще недостаточно изучена [1, 2, 6].

Важным фактором воздействия на углеводороды в почве является весь комплекс микроорганизмов, включающий не только бактерий, непосредственно окисляющих нефть, но и других видов бактерий деструкторов, в частности десульфофикаторов и денитрификаторов, а также представителей видов грибов-деструкторов. Именно способность почвенных микробиоценозов осуществлять комплексные физиологические функции обеспечивает функциональную стабильность микробиоценоза почвы, гарантируя постепенное разрушение любых форм углеводородов. Попадание в почву нефти и нефтепродуктов вызывает изменение в структуре микробиома и в порядке прохождения разных этапов круговорота азота в природе, поскольку подавляет популяцию нитрификаторов, стимулируя переход аммиака, образовавшегося в результате этапа аммонификации, непосредственно в поглощающий комплекс микроорганизмов в качестве азотного питания для значительной части микробного почвенного комплекса, нивелируя нитрифицирующий этап и обеспечивая короткозамкнутый цикл оборота азота. Наиболее легко микробиота почвы обеспечивает распад парафинов, затем подвергаются деструкции циклопарафины и ароматические углеводороды и только затем происходит постепенное и очень медленное разложение тяжелых фракций нефти [2, 9].

Список литературы:

1. Гузев, B.C. Роль почвенной микробиоты в рекультивации нефтезагрязненных почв/ В.С. Гузев, С.В. Левин, Г.И. Селедкий и др. - Сб. науч. тр.: «Микроорганизмы и охрана почв»/Отв. ред. Д.Г.Звягинцев. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - С. 129-151.
2. Драчук, С.В. Фотогетеротрофные пурпурные бактерии в почвах, загрязненных углеводородами: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук/С.В. Драчук. – Екатеринбург, 2004. – 25 с.
3. Исмаилов, Н.М. Самоочищающая способность почв от нефти и нефтепродуктов в зависимости от структуры углеводородов/Н.М. Исмаилов, А.С. Гасымова//Аридные экосистемы. - 2016. - т.22. - № 4 (69). - С. 73-80.
4. Исмаилов, Н.М. Микробиология и ферментативная активность нефтезагрязненных почв/ Н.М. Исмаилов //Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. - М.: Наука, 1988 - с. 43 - 57.
5. Киреева Н.А. Микробиологические процессы в нефтезагрязнённых почвах /Н.А. Киреева - Уфа: Изд-во БашГУ, 1995. - 172 с.
6. Atlas, R.M. Microbial degradation of petroleum hydrocarbons: an environmental perspective/ R.M. Atlas //Microbiol. Reviews. - 1981. - V.45. № 3.-P. 180 - 209.
7. Влияние нефтяного производства на экологическую ситуацию в различных регионах [Электронный ресурс], http://www.ecolodesire.ru/desecs-703-2.html- статья в интернете (дата обращения 12.06.2021г.).
8. Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами [Электронный ресурс], https://studme.org/294424/ekologiya/zagryaznenie_pochv_neftyu_nefteproduktami- статья в интернете (дата обращения 14.06.2021г.).
9. Какие бывают методы очистки почвы от загрязнения [Электронный ресурс], http://ecology-of.ru/priroda/kakie-byvayut-metody-ochistki-pochvy-ot-zagryazneniya/- статья в интернете (дата обращения 15.06.2021г.).
10. Способность почв к самоочищению от нефти и нефтепродуктов. [Электронный ресурс], https://geographyofrussia.com/sposobnost-pochv-k-samoochishheniyu-ot-nefti-i-nefteproduktov/- статья в интернете (дата обращения 20.06.2021г.).