ЗАГРЯЗНЕНИЕ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Добыча нефти во все возрастающих количествах приводит к тому, что площадь земель, подвергающихся единовременному или периодическому загрязнению нефтью и нефтепродуктами, постоянно увеличивается. Поступление нефти в окружающую среду связано с утечкой ее из поврежденных трубопроводов, при фонтанировании из разбуренных и эксплуатационных скважин, при транспортировке. Присутствие повышенных количеств углеводородов в воздухе, водах, почвах, пище установлено в городах, промышленных регионах, вокруг предприятий, железнодорожных станций, аэропортов, вдоль дорог. Главный конечный резервуар аккумуляции углеводородов - почвенный покров. Почва – одна из систем, где накопление загрязняющих веществ техногенного происхождения может достигать больших размеров, что приводит к нарушению в функционировании экосистем. Наблюдается тенденция увеличения содержания углеводородов в пространстве и во времени. Больше всего их накапливается в гумусовом горизонте почв. С почвенной пылью, грунтовыми водами, в результате водной эрозии, с продуктами питания углеводороды поступают в общие геохимические циклы на суше, распространяясь повсеместно.

Ежегодно в мире добывается свыше 2,5 млрд. тонн сырой нефти. При добыче, транспортировке, переработке и использовании нефти и нефтепродуктов их теряется около 50 млн. тонн в год. Ни один другой загрязнитель не может сравниться с ними по широте распространения, количеству источников загрязнения, уровню химических нагрузок на все компоненты ландшафтов.

При нефтяном загрязнении тесно взаимодействуют три группы факторов:

1) сложность, уникальная поликомпонентность состава нефти, находящегося в процессе постоянного изменения

2) сложность, гетерогенность состава и структуры любой экосистемы, находящейся в процессе постоянного развития и изменения

3) многообразия и изменчивость внешних факторов, под воздействием которых находиться экосистема: температура, давление, влажность, состояние атмосферы, гидросферы и т.д.

Для микрофлоры почвы УВ выступают с одной стороны, как источник углерода, а с другой – как загрязняющие вещества с токсичными свойствами. В связи с этим их поступление в почву может как стимулировать, так и угнетать жизнедеятельность микроорганизмов. Реакция почвенной биоты на загрязнение нефтью зависит от дозы загрязнителя, почвенно-климатических условий зоны и различается для разных групп почвенных микроорганизмов.

На основании изменения состава и организации микробного сообщества при загрязнении различными дозами нефти (на примере дерново-подзолистой почвы) Звягицевым Д.Г. с соавт. было выделено 4 зоны реакции микробной системы:

1) Зона гомеостаза, в которой все показатели стабильны и практически неотличимы от контроля;

2) Зона стресса. Значительно меняется организация сообщества, так как происходит перераспределение популяций микроорганизмов по степени доминирования; возникают первые нарушения в микробном сообществе.

3) Зона резистентности. Происходит резкое снижение видового разнообразия и смена состава сообщества; активно развиваются устойчивые к высоким концентрациям УВ популяции микроорганизмов. В этой зоне негативный эффект от загрязнения почвы приводит к полному изменению доминирующих форм в микробном сообществе.

4) Зона репрессии, в которой наблюдается практически полное подавление роста и развития микроорганизмов.

По чувствительности к нефтяному загрязнению микроорганизмы можно разделить на следующие группы согласно:

1) микроорганизмы-индикаторы, численность которых снижается при нефтяном загрязнении почв (актиномицеты, нитрификаторы, целлюлозразлагающие);

2) микроорганизмы, численность которых несколько возрастает при нефтяном загрязнении (азотфиксаторы, углеводородокисляющие);

3) микроорганизмы, которые неоднозначно реагируют на разные концентрации загрязнения (аммонификаторы);

4) микроорганизмы, отдельные виды которых по-разному реагируют на нефтяное загрязнения (бациллы, грибы).

На рис. 23 показано влияние нефти и нефтепродуктов на различные группы микроорганизмов почвы.

Сведения о численности и активность отдельных групп микроорганизмов в различных типах почв достаточно разноречивы. В ряде работ отмечается увеличение численности большинства групп микроорганизмов. Загрязнение оподзоленного чернозема нефтью Буроватовского месторождения Харьковской области в количестве 2 л/м² привело к повышению численности микроорганизмов основных эколого-трофических групп в 2,2-2,8 раза, за исключением актиномицетов – их численность снизилась на 22%. Наиболее устойчивыми популяциями являлись олиготрофные микроорганизмы, грибы; даже при поступлении нефти в количестве 40 л/м² их численность превышала показатели в незагрязненной почве в 1,1-1,9 раза. Количество гетеротрофов в загрязненной дерново-подзолистой почве Южной тайги даже через 4 года после разлива нефти (28 л/м²) оказалось в 24 раза выше фоновых значений. При загрязнении серой лесной почвы тюменской товарной нефтью отмечали рост численности сульфатвосстанавливающих и тионовых бактерий как в динамике, так и при возрастании дозы загрязнителя, что, вероятно, связано, с созданием благоприятных анаэробных условий в почве и наличием продуктов окисления нефти, которые могут ими использоваться. В других работах, напротив, указывается на существенный токсический эффект загрязнения УВ в отношении микроорганизмов.

Среди групп микроорганизмов в условиях загрязнения почвы УВ, особый интерес представляют углеводородокисляющие (УОМ). УОМ – неспецифическая группа почвенных микроорганизмов, способных использовать УВ в качестве источника углерода и энергии. Они являются нормальным компонентом незагрязненных экосистем – их доля может составлять 0,01–0,05% и более от общего число микроорганизмов. УОМ представлены, главным образом, сапрофитными микобактериями и родственными с ними формами, имеющими в клеточных стенках миколовые кислоты (роды Pseudomonas, Mycobacterium, Corynebacterium, Nocardia, Arthrobacter, Acinetobacter, Micrococcus, Pseudomonas, дрожжи родов Candida, Rhodotorula, Trichocporon, Torulopsis и мицелярные грибы рода Cunninghamella, Penicillium, Aspergillus, Cladosporium). Клетки этих микроорганизмов содержат до 40% липидов, большая часть которых сконцентрирована в клеточной стенке. Липиды клеточной стенки УОМ не только обеспечивают прямой контакт с УВ, но и играют роль в солюбилизации поступающего субстрата. УОМ делят на три группы:

1) разлагающие н-алканы;

2) окисляющие ароматические УВ;

3) активные по отношению к изоалканам и, очевидно, к большинству других УВ.

В многочисленных работах показано, что численность УОМ возрастает при загрязнении почвы нефтью на 1-3 порядка по сравнению с незагрязненной почвой, однако Коронелли Т.В. считает, что не всегда есть прямая корреляция между количеством УВ в почве и численностью УОМ. В работе указывается на отсутствие флуктуаций численности УОМ при загрязнении.

Рис. 23. Влияние загрязнения среды нефтью и нефтепродуктами на численность и биологическую активность микроорганизмов:

С – стимулирует

И - ингибирует

Поскольку в результате загрязнения УВ происходит комплексное изменение всех популяций почвенных микроорганизмов, необходима интегральная оценка состояния, функционирования и активности микробиоценоза загрязненной почвы. В последнее время многие авторы предлагают использовать для этих целей скорость базального дыхания (V_basal) почв, субстрат-индуцированного дыхания - V_SIR (substrate-induced respiration -SIR), метаболический коэффициент (qCO₂) и величину коэффициента микробного дыхания (Q_R). Значение Q_R рассчитывают как отношение скоростей выделения СО₂ из необогащенной почвы (V_basal) и почвы, в которую внесен избыток доступного субстрата (V_SIR), например глюкозы, (Q_R= V_basal /V_SIR). Метаболический коэффициент представляет собой отношение скорости дыхания микроорганизмов к их биомассе. Рассматриваемые коэффициенты очень близки по своему физиологическому значению, в особенности, если микробную биомассу рассчитывают по скорости субстрат-индуцированного дыхания.

Показано, что данные параметры коррелируют с антропогенной нагрузкой на почвы и на их основе можно количественно оценить воздействие органических и неорганических поллютантов на сообщество почвенных микроорганизмов, установить его устойчивость. Кроме того, была выявлена очень тесная корреляция между Q_R и концентрацией поллютантов (ПАУ).

Имеющиеся экспериментальные данные весьма противоречивы. В ряде работ указывается на повышение интенсивности дыхания почвы, вызванное с одной стороны минерализацией УВ нефти микроорганизмами, с другой - стрессом почвенного микробиоценоза. По данным Звягинцева Д.Г. с сотруд. при концентрациях нефти (30 мл/кг почвы ≈2,6%) наблюдается увеличение продукции CО2 до 550 мкг С/ г почвы, в более низких концентрациях (до 3 мл/кг почвы ≈0,3%) нефть не оказывала существенного влияния на дыхание микроорганизмов дерново-подзолистой почвы. Увеличение уровня дыхания различных типов почв Италии при загрязнении нефтью в концентрациях 5% через 60 дней в 1,2 – 2,5 раза отмечали также в работе. Даже при неоднократном загрязнении суглинка (провинция Murcia, Испания) уровень базального дыхания в загрязненной почве был на 310% выше, чем в незагрязненной почве.

В других указывается на ингибирующее влияние УВ (нефть, бензин, гудрон, крекинг-остаток, асфальтит) в концентрациях 0,5 и 5% на дыхание выщелоченного чернозема (на 10-80%) и серой лесной почвы (на 5-60%) через 1-12 месяцев после загрязнения.

Микробная биомасса наряду с показателями дыхания почвенных микроорганизмов является важным индикатором жизнедеятельности микроорганизмов. Однако экспериментальных работ, где приводятся данные о значениях микробной биомассы в загрязненных УВ почвах, измеренной методами фимигации-экстракции по углероду и азоту, существенного меньше, по сравнению с другими показателями.

Содержание микробной биомассы в почве в значительной степени зависит от ее агрохимических и агрофизических свойств. Почвы с нейтральным значением рН, высоким содержанием органического вещества и питательных элементов в меньшей степени подвержены негативному воздействию загрязнения. Биомасса микроорганизмов (по углероду) в такой почве через 60 дней после загрязнения почвы нефтью в концентрации 5% увеличилась на 53%, в почвах с другими свойствами биомасса значительно снижалась - на 25% по сравнению с незагрязненными вариантами. Стимулирующее действие нефти в низких концентрациях (0,06% и менее) на содержание микробной биомассы обнаружено Звягинцевым Д.Г. с сотруд. на дерново-подзолистой почве. Кроме того, большое значение имеет и динамика изменения микробной биомассы при загрязнении во времени.

Метаболический коэффициент загрязненных УВ почв существенно увеличивался в 2,4-4,8 раза относительно незагрязненных вариантов, что свидетельствовало о стрессовом состоянии микробиоценоза.

Среди микробиологических показателей загрязненных УВ почв, особенно много данных в отношении ферментативной активности, которая, по мнению, является информативным параметром состояния почв в условиях загрязнения. Почвенные ферменты являются продуктами преимущественно микробного происхождения, и коррелируют с присутствием, многообразием и активностью микроорганизмов. Они играют центральную роль в биологических процессах углеродного, азотного, фосфорного и др. обменов, и тем самым, являются чувствительными индикаторами состояния микробиоценоза почв при загрязнении. Влияние УВ на ферменты почв многостороннее: прямое – ингибирование, разрушение или их активация и косвенное – изменение ферментативной активности пула почвы в результате ингибирования роста почвенной мезофауны и растений.

Наиболее часто исследуют активность уреазы, дегидрогеназы, каталазы, липазы, при чем данные существенно варьируют в зависимости от типа углеводородного загрязнителя и почвенно-климатических условий. В условиях бесконтрольного периодического углеводородного загрязнения суглинка (Испания) в 1,4-3 раза повышалась активность дегидрогеназы, уреазы, протеазы и фосфатазы. При загрязнении подзола иллювиального-железистого товарной нефтью Западно-Сургутского месторождения в концентрации 4% также отмечалось незначительное возрастание активности инвертазы и дегидрогеназы, однако активность уреазы в загрязненной нефтью почве существенно ингибировалась. Активность каталазы в загрязненной почве (один из показателей интенсивности процессов окисления органического вещества) существенно не отличалась от контроля. В концентрации нефти 8,5% в выщелоченном черноземе Сармановского района (Татарстан) наблюдали снижение активности дегидрогеназы на 28-38% в течение 1 года по сравнению с фоновой почвой. Еще более длительным (5 лет) было подавление активности протеазы, играющей существенную роль в гидролитических процессах азотного обмена. Нефтяное загрязнение также снижало активность не только протеазы, но и других гидролитических ферментов азотного обмена – аспаргиназы и глутаминазы. Напротив, активность уреазы, ответственной за процессы гидролиза и превращения мочевины, в загрязненном выщелоченном черноземе существенно повышалась.

Ингибирующее действие различных доз нефти отмечается также в отношении активности фосфогидролаз серой лесной тяжелосуглинистой почвы. Однако повышается фитазная активность почв в связи с увеличением содержания подвижного фосфата и мобилизацией фитина. Нефтяное загрязнение неоднозначно влияет на активность ферментов серного обмена.

При загрязнении смесью ПАУ (флюорен, антрацен, пирен, кризен в соотношении 1:1:1:1) супеси (0,001%) и суглинка (0,01%) ингибировалась дегидрогеназная активность. Ингибирование дегидрогеназной, арилсульфатазной, уреазной и фосфатазной ферментативной активности было также показано на почвах с состаренным загрязнением ПАУ (концентрации менее 0,001%).

По мнению ряда исследователей, внесение в почву удобрений не только улучшает питание растений, но и улучшает условия существования почвенных микроорганизмов, которые также нуждаются в минеральных элементах.

Минеральные удобрения, вносимые в умеренных дозах, активизируют жизнедеятельность микроорганизмов многих физиологических групп. Как правило, увеличивается численность бактерий, актиномицетов и грибов в почвах. Увеличение количества грибов часто происходит при подкислении почв удобрениями, а бактерий и актиномицетов - при изменении рН в нейтральную или слабощелочную сторону. Также в почвах возрастает количество аэробных и анаэробных азотфиксаторов, денитрификаторов, аммонификаторов, целлюлозоразрушающих бактерий, микроорганизмов автохтонной группировки. Рост численности микроорганизмов связывают с обогащением удобренных почв элементами минерального питания, увеличением размеров экзоосмоса и корневого опада растений во время вегетационного периода и большим количеством растительных остатков после уборки сельскохозяйственных культур на удобренных делянках.

Вместе с тем существует немало исследований, в которых не было отмечено возрастания общей численности микроорганизмов в почве, а порой наблюдалось ее уменьшение под действием минеральных удобрений. Иногда под действием минеральных удобрений происходит снижение активности процессов: азотфиксации, разложения целлюлозы и фосфорорганических соединений. Существенное торможение нитрогеназной активности почвы наблюдается лишь при внесении высоких доз (до 200-1000 кг/га) азотных удобрений, тогда как небольшие дозы минерального азота приводят к возрастанию активности ассоциативной азотфиксации.

Внесение в почву фосфорно-калийных удобрений мало способствует использованию растениями почвенного азота, но усиливает деятельность азотфиксирующих микроорганизмов.

Характер действия минеральных удобрений на численность микроорганизмов во многом определяется совокупным влиянием различных экологических факторов: влажностью и температурой почвы, степенью ее окультуренности, видом возделываемой культуры.

Внесение минеральных удобрений может мало или совсем не сказываться на количестве микробов различных эколого-трофических группировок, но при этом существенно изменять их видовой состав. По мнению многих исследователей, минеральные удобрения существенно влияют на видовой состав спорообразующих бактерий и, особенно, бактерий рода Bacillus.

Значительно больше работ выполнено по изучению влияния удобрений на микроскопические грибы. На удобренных вариантах наблюдали некоторое увеличение обилия характерных для исследуемой почвы микромицетов, чаще всего видов из рода Penicillum.

Многие исследователи утверждают, что на рост и развитие нефтеокисляющих микроорганизмов положительно влияет добавление элементов минерального питания, поскольку углеводородные субстраты, служащие микроорганизмам источником углерода и энергии, дефицитны по азоту и фосфору. Внесение неорганического азота и фосфора увеличивает скорость минерализации сырой нефти в аэробных условиях, происходит заметное уменьшение содержания алканов, изопреноидов, полициклических ароматических углеводородов. Оптимальное соотношение C/N и C/P соответственно равно 10:1 и 100:1. Внесение источников азота и фосфора в других соотношениях лимитирует скорость деградации углеводородов.

Что касается влияния отдельных элементов минерального питания на процесс деструкции углеводородов нефти, то разные авторы расходятся в оценке этого влияния. Ряд авторов отводят решающую роль концентрации азота в среде, тогда как, по мнению других процесс происходит наилучшим образом при достаточном обеспечении фосфором. По-видимому, все зависит от типа применяемых удобрений и типа почв.

При внесении азотных удобрений увеличивается численность зачатков у грибов, обладающих высокой энзиматической активностью разложения нефти. Фосфорные удобрения меньше влияют на численность микро грибов, чем азотные.

Фосфор и аммонийные формы азота в сравнении с нитратными формами способствовали более интенсивному развитию нефтеокисляющих микроорганизмов, что в конечном итоге обеспечивало более интенсивную деградацию нефтепродуктов.