А) Загрязнение почв нефтепродуктами и перспективы их дальнейшего использования

Значительное влияние на деградацию почв оказывает их загрязнение нефтепродуктами. Нарастает загрязнение земель продуктами добычи, транспортировки и переработки нефти. Основные нарушения земель нефтяной промышленностью происходят при строительстве и эксплуатации буровых и нагнетательных скважин, продуктопроводов, компрессорно-насосных станций, пунктов подготовки нефти, земляных нефтешламовых амбаров и других объектов.

Действие на почву загрязнения нефтепродуктами сохраняется достаточно длительный промежуток времени. Как отмечает Р.Р.Сулейманов, загрязнение серых лесных почв сырой нефтью за 15-30 лет проникает до 35 метров с преимущественным накоплением в гумусово-аккумулятивном горизонте. Скорость разложения нефти в разных типах почв и регионах различается в 5 и более раз, восстановление первоначальной продуктивности растягивается от 1 до 15 лет.

Деградация почв под влиянием нефтепродуктов определяется совместным действием на почву нефтепродуктов, сопутствующих компонентов, продуктов их физико-химической, ферментативной и микробиологической трансформации. В результате загрязнения почв нефтепродуктами возникают нарушения геологической, водной, почвенно-грунтовой среды, напочвенного покрова и биоты.

В качестве эколого-геохимических характеристик основного состава принято содержание легкой фракции (начало кипения 200^о), метановых углеводородов (включая твердые парафины), циклических углеводородов, смол, асфальтенов и сернистых соединений. Легкая фракция нефти включает низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафиновые) и ароматические углеводороды. Большую часть легкой фракции составляют метановые углеводороды (алканы с С₅ – С₁₁ – пентан, гексан …). Метановые углеводороды, находясь в почвах, водной и воздушной средах, оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеводородной цепью. Они лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цитоплазменные мембраны организма. Большинством микроорганизмов нормальные алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов углерода, 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, а следовательно, более ядовиты. Отмечается сильное токсическое действие легкой фракции на микробные сообщества и почвенных животных. При этом рассматриваемые компоненты мигрируют по почвенному профилю и водоносным горизонтам, значительно расширяя ареал первичного загрязнения (с уменьшением содержания легкой фракции токсичность нефти снижается, но возрастает токсичность ароматических соединений, относительная доля которых растет) (Ю.И.Пиковский; В.П.Середина; М.А.Глазовская). Путем испарения из почвы можно удалить от 20 до 40% легких фракций.

Существенные изменения происходят в составе органического вещества почв. По данным Орловой Е.Е., взаимодействие гумусовых веществ нефтепродуктами приводит к увеличению абсолютного содержания всех групп и фракций гумусовых кислот. Малоазотистые углеводороды нефти включаются в молекулы гумусовых кислот. Отмечается увеличение доли периферических структур в молекулах и расширение отношения С:N, снижение оптической плотности, увеличение содержания Н, уменьшение С и О, расширение отношения Н к С и уменьшение степени окисленности. Снижается термодинамическая устойчивость. Согласно литературным данным, в гумусе увеличивается доля негидролизуемого остатка, содержание окисленных соединений и высокомолекулярных конденсированных ароматических структур, многие из которых обладают канцерогенными свойствами.

Ряд авторов отмечает, что даже при влиянии на почву остаточного нефтяного загрязнения отмечается ухудшение качественного состава гумуса, обеднение его азотом, формирование для черноземов гумуса фульватно-гуматного типа.

Нефтяное загрязнение приводит к глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов. Общая особенность всех нефтезагрязненных почв – изменение численности и ограничение видового разнообразия педобионтов (почвенной мезо- и микрофауны и микрофлоры). При этом типы ответной реакции разных групп педобионтов на загрязнение неоднозначны (Н.М.Исмаилов). Происходит массовая гибель почвенной мезофауны (наиболее токсичными для них оказываются легкие фракции нефти).

Комплекс почвенных микроорганизмов после кратковременного ингибирования отвечает на нефтяное загрязнение повышением численности и усилением активности. Основной «взрыв» микробиологической активности падает на второй этап естественной деградации нефти. Развиваются «специализированные» группы, участвующие на разных этапах в утилизации углеводородов. В почвах, загрязненных углеводородами, происходит усиленное размножение микроорганизмов – бактерий, фиксирующих азот, денитрифицирующих и сульфат-восстанавливающих, которые используют нефть, в качестве углерода и энергии. В дальнейшем, 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 (в южной тайге – 10-20 лет). Исследования показали, что загрязнение почвы нефтью резко угнетает развитие основных групп почвенных микроорганизмов. Содержание бактерий, усваивающих органический азот, уменьшались в 26-218 раз, в соответствии с концентрацией нефти 8 и 25 л/м²; бацилл в 8 и 49 раз, микроскопических грибов в 6 и 10 раз, по сравнению с незагрязненной почвой (Ф.Х.Хазиев). Изменение экологической обстановки приводит к подавлению фотосинтетической активности растительных микроорганизмов. Особенно это сказывается на развитии почвенных водорослей – от их частичного угнетения и замены одних групп другими до выпадения отдельных групп или полной гибели всей альгофлоры.

В загрязненных почвах снижается численность большинства почвенных ферментов. В.Ю. Хакимов отмечает, что из изученных классов ферментов наиболее чувствительны к загрязнению нефтью – гидролазы (инвертаза и фосфатаза). Габбасова И.М. также установила, что среди гидролитических ферментов при загрязнении наиболее подавляются фосфатаза, активность которой не восстанавливается и после снижения содержания нефтепродуктов до ПДК. Указанные изменения приводят сначала к уменьшению дыхания почв, а затем к возрастанию. Максимум численности микроорганизмов соответствует горизонтам ферментации и снижается по профилю почв по мере уменьшения концентраций углеводородов.

Культурные растения отличаются по устойчивости к нефтяному загрязнению: слабоустойчивые – овес, пшеница, бобы; среднеустойчивые – люпин, мышиный горошек; сильноустойчивые – рожь, ячмень, горох, подсолнечник. Ограничительным моментом к использованию урожая может быть повышенное содержание в биомассе 3,4-бенз(а)пирена.

Перспективным методом очищения почв является метод биокоррекции загрязнений (Foght, Westlake), при котором используют следующие приемы: 1) активацию деградирующей способности микрофлоры, естественно содержащейся в загрязненной почве, путем внесения биогенных элементов, кометаболизируемых субстратов, кислорода; 2) интродукции в загрязненную почву специализированных микроорганизмов, предварительно выделенных из различных загрязненных источников или генетически модифицированных.

Показана перспективность бактерий рода Rhodococcus и спорообразующих бактерий для создания препаратов по биодеградации нефти и нефтепродуктов в почве. Полученный на основе штамма Bacillus sp. 739 препарат бациспецин не только ускоряет разложение нефти, но и способствует продуктивности почвы.

На основе штаммов Mycobacterium flavescens, Pseudomonas patida, Acinetobacter sp. создан и широко применяется для очистки нефти препарат «Экойл». При этом бактериальные ассоциации, в отличие от отдельных штаммов, более интенсивно утилизируют нефть. (Наиболее сильная вспышка микробиологической активности приходится на второй этап биодеградации нефти. При дальнейшем снижении численности всех групп микроорганизмов до контрольных значений, численность углеводородо-окисляющих организмов на многие годы остается аномально высокой.). Показана высокая эффективность промышленного препарата «Деворойл», в состав которого входят несколько видов нефтеокисляющих микроорганизмов. Однако, применение биопрепаратов эффективно при концентрации нефтепродуктов в почве не выше 10-15%.

Положительное влияние на развитие биодеградации нефтепродуктов в почве оказывает создание оптимальных условий для нефтеокисляющих микроорганизмов. Хорошие результаты дает применение NPK до N₁₈₀P₁₈₀K₉₀ в сочетании с навозом (до 140 т/га), внесение в почву биогумуса, активного ила, сидератов, сточных вод животноводческих комплексов. При этом особая роль принадлежит азотным удобрениям.

Фитомелиоративный этап рекультивации нефтезагрязненных почв является наиболее длительным. В почве остаются, в основном, высоко конденсированные компоненты нефти: полициклические ароматические углеводороды, смолы и асфальтены, трудно разлагаемые микроорганизмами. Для интенсификации процессов биодеградации компонентов нефти используют легко метаболизируемые материалы растительного происхождения, увеличивающие биологическую активность сапротрофных почвенных микроорганизмов, например, отходов сельскохозяйственного производства. Органические удобрения вносят в высоких дозах (десятки тонн на 1 га).

[Савич В.И., Парахин Н.В., Сычев В.Г., Степанова Л.П., лобков В.Т., Амергужин Х.А., Щербаков А.И., Романчик Е.А. Почвенная экология / Орел, Издательство Орел ГАУ, 2002 - Ч.1]

Б) Простейшие

Protozoa — микроскопические одноклеточные животные, нанофауна почв. Для их активной жизни в почве важнейшее зна­чение имеет наличие воды в почвенных порах. Периоды иссушения переживают в виде цист. Обнаружены простейшие во всех поч­вах. Численность их может быть очень высокой — до нескольких сотен тысяч клеток в 1 г почвы. Биомасса в благоприятных условиях (например, в луго­вых почвах) достигает 30—40 г/м². Один из наиболее существен­ных факторов, регулирующих жизнь простейших в почвах, — ко­личество бактерий, которыми они питаются.

Они поедают также клетки дрожжей и водорослей, проявляя при этом избирательность в выборе пищи. Есть среди простейших и сапрофаги. Некоторые питаются осмотрофно. Основная их роль в почве — участие в разложении органического вещества и вые­дание клеток микроорганизмов.

Жизнь в почвенных микросредах с огромным количеством тон­чайших капилляров накладывает отпечаток на морфологию про­стейших. Их клетки имеют в 5—10 раз более мелкие размеры, чем у пресноводных или морских обитателей. У некоторых наблюда­ется уплощение клетки, отсутствие шипов и выростов, потеря пе­реднего жгутика. У раковинных корненожек, живущих в почве, упрощенная форма раковинки и скрытое, либо очень малых раз­меров, отверстие, что предотвращает пересыхание. Есть виды, которые встречаются исключительно в почве.

В почве живут представители трех классов простейших: жгу­тиконосцы, саркодовые и инфузории.

Жгутиконосцы (Mastigophora, Flagellata) характеризу­ются в первую очередь наличием жгутиков. Это самые мелкие формы среди почвенных простейших. Некоторые имеют размеры, сопоставимые с бактериями, — 2—4 мкм. Среди жгутиконосцев есть виды, содержащие в клетках пигменты, в том числе хлоро­филл, и способные к фотосинтезу. Это растительные жгутиконос­цы, или фитомастигины. Их правильнее было бы относить к во­дорослям. Они занимают промежуточное положение между ра­стениями и животными.

Саркодовые (Sarcodina), или корненожки, включают го­лые и раковинные амебы. Размеры их больше, чем жгутиконосцев. Некоторые голые амебы достигают 20 мкм, а ра­ковинные — от 20 до 65 мкм. Характерная черта амеб — непо­стоянная форма тела. Они не имеют жесткой пелликулы — на­ружной оболочки — и образуют псевдоподии, в которые «перели­вается» плазма. Псевдоподии служат как для передвижения, так и для «заглатывания» пищи. Кроме бактерий и дрожжей амебы поедают клетки водорослей, «нападают» на других простейших, главным образом на мелких жгутиконосцев или других корненожек и коловраток.

Раковинные амебы (тестациды) преимущественно сапрофаги. Часть их тела заключена в панцирь, или раковину. Через отвер­стие (устье) псевдоподии вытягиваются наружу, а раковина иг­рает защитную роль. Раковинные корненожки особенно многочисленны в болотных почвах. Это характерные члены биоценоза сфагновых торфяников. Высокая численность раковинных амеб (десятки тысяч в 1 г поч­вы) отмечена и в кислых почвах хвойных лесов. Тестациды раз­виваются в слое подстилки. Так как раковинки амеб долго сохраняются в почве, то их используют как один из показателей в почвенной биодиагностике.

В почве тестациды представлены главным образом видами ро­да Plagiopyxis.

Рис 1. Раковинные амебы Арцелла: а — вид сверху; 6— вид сбоку; в — диффлюгия I — раковина; 2 — устье; 3 -ядро; 4 — псевдоподии

Инфузории(ресничные, Ciliata) — одна из наиболее мно­гочисленных и прогрессирующих групп простейших. В основном инфузории — обитатели водоемов, и в почве их значительно мень­ше, чем других простейших — жгутиконосцев и амеб. Клетки их более крупные, имеют многочисленные реснички, сгруппированные в продольные, косые или спиральные ряды.

Почвенные инфузории относятся к подклассам Holotricha (Colpoda, Paramaecium), с равномерным распределением ресничек по всей клетке; Spirotricha со спиральными рядами рес­ничек от заднего конца клеток к ротовому отверстию (например, у Stylonichia) и Peritricha, клетки которых поперечно «срезаны» на оральном конце, а ротовая ямка окружена двумя рядами ре­дуцированных ресничек. Среди последних есть прикрепленные формы со стебельком, например Vorticella. Всего в почвах нашей страны обнаружено более 40 родов инфузорий. Специфична псаммофильная фауна цилиат, населяющая прибреж­ные пески. Все они имеют удлиненное червеобразное тело, часто уплощенное. Ресничный аппарат хорошо развит, реснички обычно сосредоточены на одной стороне, которой клетка прикрепляется к частичкам песка и удерживается от вымывания приливными водами. Эти инфузории развиваются обильно там, где в поверх­ностных горизонтах много одноклеточных водорослей, которые служат им пищей.

Рис.2 Почвенные простейшие: 1-4 жгутиконосцы, 5-7 – саркодовые,

8-10 - инфузории

Для обитающих в почве простейших характерна способность образовывать цисты, устойчивые к неблагоприятным условиям. Цисты отличаются высокой сопротивляемостью и жизнестойкостью, они выживают даже после высушивания и обработки кислотами. Значение простейших в почве велико: поглощая бактерии, грибы, водоросли, они регулируют микробиологические процессы в почве.

[Звягинцев А.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник.- 3 изд., испр.и доп..- М.: Изд-во МГУ, 2005. - с. 42-45]

Вопросы для самоконтроля

1. Как долгосохраняется загрязнение почв нефтепродуктами? На какую глубину оно проникает?
2. Какие фракции нефти наиболее опасны для почвенной биоты?
3. Как влияют нефтепродукты на гумусовый состав почвы?
4. Какие группы почвенных микроорганизмов повышают свою численность в почвах, загрязненных нефтепродуктами? Чем это обусловлено?
5. Какие ферменты наиболее чувствительны к загрязнению нефтью?
6. Какие культурные растения характеризуются слабой, средней и сильной устойчивостью к нефтяному загрязнению?
7. Какие методы используются для очищения почвы от нефтепродуктов?
8. Какие бактериальные препараты используют для очищения почвы от нефтепродуктов?
9. Что представляют собой простейшие? Чем они отличаются от почвенных водорослей?
10. К каким классам относятся почвенные простейшие? Чем они отличаются от водных форм?
11. Что представляют собой раковинные амебы?
12. Что такое цисты? Каково их значение для почвенных простейших?

Задание для работы на занятии:

1. Обсуждение домашнего задания.

2. Прочтите: В) Методы изучения протистофауны; Г) Почвенная протистофауна Среднего Поволжья; Д) Влияние нефтедобычи на разнообразие раковинных амеб. Ответьте на вопросы для самоконтроля (письменно).

3. Проведите лабораторную работу № 3.