Экологическое состояние территорий Ямало-Ненецкого автономного округа, подверженных аварийным разливам нефти

Размещено на http://www.allbest.ru/

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Выпускная квалификационная работа бакалавра

Экологическое состояние территорий ямало-ненецкого автономного округа, подверженных аварийным разливам нефти

Веселова Анастасия Михайловна

Санкт-Петербург 2018

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ГК - гуминовые кислоты;

НДК - нефтедобывающая компания;

НО - нерастворимый остаток;

НУВ - нефтеуглеводороды;

ППК- почвенно-поглощающий комплекс;

РН Пурнефтегаз - РОСНЕФТЬ Пурнефтегаз:

УВ - углеводороды;

УФ - ультрафиолет

ФК - фульвокислоты

ХМАО - Ханты-Мансийский автономный округ;

ЯНАО - Ямало-Ненецкий автономный округ.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ

1.1 Нефть и нефтепродукты. Свойства, состав, происхождение

1.2 Влияние нефтезагрязнения на основные свойства почвенного покрова

1.3 Влияние загрязнения нефтью на биоту и гумусовое состояние почв

1.4 Процессы деградации, устойчивости и самоочищения почв при нефтяных загрязнениях

1.5 Рекультивация земель после аварийных разливов нефти

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЯ

2.1 Природные условия территории ЯНАО

2.2 Объекты исследования

2.3 Методы исследования

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Изменение физико-химических свойств нефтезагрязненных почв при рекультивации

3.2 Результаты геоботанического обследования

3.3 Гумусовое состояния нефтезагрязненных рекультивируемых почв

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Аварийные разливы нефти являются актуальной темой в современном мире. Ремедиация почв после разливов нефти особенно в России приобретают все большую остроту. Нефть негативно влияет на рост, метаболизм и развитие растений, меняет химические, физические и биологические свойства почв, что обусловливает необходимость восстановления почвенно-растительного покрова. Наиболее эффективным приемом восстановления является комплексная рекультивация нарушенных территорий с обязательным включением биологических методов. Однако процесс ремедиации, проводимый компаниями по добыче нефти, часто сводится к перекапыванию пропитанной нефтью почвы или засыпанию ее песком. После десятков лет такой практики большая часть естественной растительности в районе разлива гибнет. А восстановление природы в суровых субарктических и арктических условиях займёт десятки, а иногда и сотни лет.

Данное исследование является частью комплексного изучения состояния почв и растительности участков разливов нефти разной давности месторождений, находящихся на территории Ямало-Ненецкого автономного округа.

Цель данной работы - провести оценку рекультивируемых нефтезагрязненных почв Ямало-Ненецкого автономного округа.

Задачи исследования:

1.Охарактеризовать особенности почвенно-растительного покрова нефтезагрязненных территорий в пределах Комсомольского, Тарасовского и Барсуковского нефтяных месторождений («РН Пурнефтегаз»).

2.Дать характеристику физико-химических свойств нефтезагрязненных почв обследуемого района.

3.Оценить изменения в процессе рекультивации гумусового состояния нефтезагрязненных почв.

4.Дать заключение об экологическом состоянии обследованных территорий на основе изучения их растительности и свойств почв.

Работа выполнена в 2016-2018 гг. на кафедре агрохимии институте наук о Земле СПбГУ под руководством Е.Е. Орловой. Автор выражает глубокую признательность всем сотрудникам кафедры агрохимии за помощь в выполнении данной работы, а также сотруднику кафедры геоботаники и экологии растений Е.М. Копцевой.

1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ

1.1 Нефть и нефтепродукты. Свойства, состав, происхождение

При освоение нефтяных ресурсов возникало множество вопросов о происхождении нефти. Интерес к вопросам о генезисе нефти не ослабевает по сей день, а количество исследований на эту тему с каждым годом увеличивается в геометрической прогрессии (Пиковский, 1986). Существует две противоположных точки зрения на происхождении нефти, которые включают в себя множество гипотез и теорий:

1. Биогенная (органическая) концепция (начало от М. В. Ломоносова);

2. Абиогенная (неорганическая, минеральная) концепция (Д.И. Менделеев).

Сущность биогенной концепции. Все горючие углеродные ископаемые (нефть, газ, каменный уголь, горючие сланцы) - признаются генетически родственными образованиями. Они возникли из отмерших остатков живых организмов, обитавших на Земле в прошлые геологические эпохи. Сначала происходил синтез биогенного материала, затем шло рассеивание органических веществ в донные отложения морей и других водоемов. В ходе этого процесса происходила трансформация донных отложений в кероген (высокополимерное органическое вещество). Дальнейшее созревание керогена сопровождалось постепенным отделением от него углеводородных компонентов - «микронефть». Этот процесс был длительным, продолжительность около сотни миллионов лет (Тиссо, Вельте, 1981). «Микронефть» эмигрировала в проницаемые пласты, далее в природные резервуары (пласты-коллекторы, ограниченные слабопроницаемыми породами), которые образовывали в них скопления.

Сущность абиогенной концепции. Нефтегазообразование и формирование нефтяных и газовых месторождений относится к процессу - дегазации Земли. Этот процесс в различных своих формах - один из главных факторов эволюции Земли, сформировавших современный облик ее внешних оболочек, создавших на ранних этапах гидросферу, атмосферу и, в конечном счете, биосферу. Глубинная дегазация связана с активными зонами земной коры, для которых характерно наличие разломов, сейсмичность и вулканизм. В составе газов обычно были - пары воды, CO2, H2S, H2, N2 и другие углеводороды (Кропоткин, 1980). При определенных условия в глубинных разломах возникают очаги нефтеобразования. В очагах происходит синтез углеводородов (УВ), которые поднимаются по проницаемым зонам земной коры вверх в зону меньшего давления.

Обе точки зрения, по современным представлениям, сохраняют в настоящее время устойчивый антагонизм и взаимоисключают друг друга. Несмотря на несомненный прогресс в решении вопроса о генезисе нефти, до сих пор он не решен окончательно. Это затрудняет эффективность поисков новых нефтяных ресурсов и обусловливает проведение дальнейших исследований (Пиковский, 1986).

Нефть и нефтепродукты обладают высокой степенью токсичности и представляют большую опасность, как для человека, так и для биосферы в целом. (Васильев и др., 2015)

Нефть - это жидкое природное ископаемое, состоящее из большого числа высокомолекулярных УВ разнообразного строения. В качестве эколого-геохимических характеристик основного состава нефти приняты следующие показатели: содержание лёгкой фракции (начало кипения 200о С), метановых углеводородов (включая твёрдые парафины), циклических углеводородов, смол, асфальтенов, и сернистых соединений.

(Шамраев, 2009)

Нефть - это жидкий горючий минерал, относящийся к каустобиолитам. По составу нефть представляет собой сложную смесь жидких УВ около 80-90% по массе и гетероароматических соединений (4-5%), включают: сернистых, кислородных и азотистых органических соединений. Остальные компоненты нефти - растворённые углеводородные газы (C1-C4, от десятых долей до 4%), вода (от следов до 10%), минеральные соли (главным образом, хлориды - от 0,1 до 4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., а также механические примеси (частицы глины, песка, известняка и т. д.) (Гуревич, 1952).

По внешнему виду нефть - маслянистая, чаще всего темная жидкость, флуоресцирующая на свету. Цвет ее зависит от содержания и строения смолистых веществ. Бывают красные, бурые и почти бесцветные нефти. Нефть легче воды (плотность нефти равна 0,65-1,05 г/смі) и почти нерастворима в ней, но могут образовывать эмульсию. Нефть является горючим материалом и теплота сгорания 42 МДж/кг.

Свое название нефть получила от мидийского слова «нафата» (перевод: просачивающаяся, вытекающая). В русский язык слово нефть вошла XVI веке. (Эрих и др., 1977)

В основном в нефти представлены парафиновые (обычно 30-35%, реже 40-50% по объему) и нафтеновые (25-75%) углеводороды, в меньшей степени - соединения ароматического ряда (10-20%, реже 35%) и смешанного, или гибридного, строения (например, парафино-нафтеновые и нафтено-ароматические) (Орлов и др., 1991).

Элементный состав нефти (%): С -- 82-87; Н -- 11-14,5; S -- 0,01-6 (редко до 8); N -- 0,001-1,8; O -- 0,005-0,35 (редко до 1,2) и др. Всего в нефти обнаружено более 50 элементов периодической таблицы. В нефти присутствуют V (10-5-10-2%), Ni (10-4-10-3%), Cl (от следов до 2*10-2%) и т. д. Содержание указанных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно (Гуревич, 1952).

Лёгкая фракция нефти включает низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафиновые) и ароматические углеводороды. Это -- наиболее подвижная часть нефти. Большую часть данной фракции составляют метановые углеводороды, которые, находясь в почвах, водной или воздушной средах, оказывают токсическое действие на живые организмы. Они лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны. Однако вследствие летучести и более высокой растворимости низкомолекулярных алканов их действие обычно не бывает долговременным. Многие исследователи отмечают сильное токсическое действие лёгкой фракции на микробные сообщества и почвенных животных (Глазовская, 1988). С уменьшением содержания лёгкой фракции токсичность нефти, в целом, снижается, но возрастает токсичность ароматических соединений, относительное содержание которых растёт. Путём испарения из почвы удаляется от 20 до 40% лёгкой фракции.

Метановые углеводороды с температурой кипения выше 200оС практически не растворимы в воде. Их токсичность выражена гораздо слабее, чем углеводородов с более низкомолекулярной структурой. Содержание твёрдых 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 твёрдое состояние, лишая нефть подвижности. Алканы ассимилируются многими микроорганизмами (грибы и бактерии). Лёгкие 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. Более полная деградация происходит при pH 7,4 (64,3-90%), тогда как в кислой среде (pH 4,5) деградируют лишь 18,8% (Пиковский, 1988). Твёрдый парафин трудно разрушим и происходит окисление на воздухе. Он надолго может закупорить все поры почвенного покрова, лишив почву возможности свободного влагообмена и дыхания. Данное действие приводит к деградации.

К циклическим углеводородам в нефти относятся нафтеновые и ароматические углеводороды. О токсичности нафтенов сведений очень мало. Вместе с тем имеются данные о нафтенах как о стимулирующих веществах при действии на живой организм. К ароматическим углеводородам (аренам) относятся как собственно ароматические структуры -- 6-тичленные кольца из радикалов -СН-, так и «гибридные», полиароматические структуры, состоящие из ароматических и нафтеновых колец.

Основную массу ароматических структур составляют моноядерные углеводороды -- гомологи бензола. Среди полициклических ароматических углеводородов большое внимание обычно уделяется 3,4-бензапирену как наиболее распространённому представителю мутагенных и канцерогенных веществ. В целом, ароматические углеводороды -- наиболее токсичные компоненты нефти. В концентрации всего 1% в воде они убивают практически все водные растения. Поэтому нефть, содержащая от 30 до 40% ароматических углеводородов, значительно угнетает рост высших растений. Причём ароматические углеводороды трудно поддаются разрушению. Экспериментально показано, что главным фактором деградации полициклических ароматических углеводородов в окружающей среде, в особенности в воде и воздухе, является фотолиз, инициированный ультрафиолетовым изучением (Шилова, 1983). В почве этот процесс может происходить только на её поверхности.

Смолы и асфальтены -- это высокомолекулярные неуглеводородные компоненты нефти. Смолы -- вязкие мазеподобные вещества, асфальтены -- твёрдые, нерастворимые в низкомолекулярных углеводородах. По содержанию смол и асфальтенов нефти подразделяют на: малосмолистые (от 1-2 до 10%), смолистые (10-20%) и высокосмолистые (23-40%). Смолы и асфальтены содержат основную часть микроэлементов нефти, в том числе, почти все металлы. Среди нетоксичных и малотоксичных металлов, содержащихся в нефти, можно выделить: Fe, Mn, Ca, Mg. Другие микроэлементы -- V, Ni, Co, Pb, Cu, U, As, Hg, Mo -- в случае повышенных концентраций могут оказывать токсическое воздействие на биоценозы.

Вредное экологическое влияние смолисто-асфальтеновых компонентов на почвенные экосистемы заключается не в химической токсичности, а в значительном изменении водно-физических свойств почв. Смолисто-асфальтеновые компоненты гидрофобны, поэтому, попадая в почву, они обволакивают корни растений и ухудшают поступление к ним влаги и питательных элементов, в результате чего растения погибают. Эти вещества малодоступны микроорганизмам, процесс их разложения идёт очень медленно, иногда десятки лет. В целом при деградации нефти в почвах, независимо от того, происходит механическое вымывание загрязняющих веществ или нет, со временем идёт относительное накопление смолисто-асфальтеновых веществ.

1.2 Влияние нефтезагрязнения на основные свойства почвенного покрова

По определению В. В. Докучаева, почва является «естественно - историческим телом, возникающим в результате векового взаимодействия климата, горных пород, рельефа и растительности, и обладающим плодородием». (http://www.krugosvet.ru)

Почва занимает первое место в жизнеобеспечение человека и в функционировании биосферы (Ананьева и др, 2003). Почвенный покров подставляет собой самостоятельную сложную биогенную поверхностную оболочку Земли. Поверхностный слой литосферы (горные породы), подвергаясь длительному воздействию: воздуха, воды, температуры, давления и организмов, преобразуюсь в почвенный покров, обладающий развитой способностью обеспечивать рост и развитие живых организмов. Выдающийся советский геохимик В. И. Вернадский назвал почву «благородной ржавчиной», имея в виду, что почвенная оболочка образовалась в результате взаимодействия названных выше факторов (литосфера, атмосфера, гидросфера и биосфера). «Благородная» потому, что она обладает плодородием, т. е. способностью производить урожай растений (увеличение фитомассы). «Ржавчина» потому, что почвенный покров является продуктом переработки горных пород (Ковда, 1973).

С каждым годом антропогенное воздействие на почвенный покров растет. И с увеличением воздействия сокращаются плодородные земли и ухудшается экологическая обстановка. Одним из распространенных негативных последствий деятельности человека является загрязнение почвенного покрова углеводородами и продуктами их переработки. Вопрос борьбы с нефтяным загрязнением становится все более актуальным, особенно в России, где долгие годы решение экологических проблем откладывалось на будущее. Производственное оборудование (нефтепроводы, оборудование для транспортировки нефти), в том числе, очистные сооружения большинства предприятий устарели и пришли в негодность.

Для нефтегазового комплекса рассматриваемые проблемы выражаются: в росте общей площади загрязненных земель при низких темпах их восстановления; высокой степени техногенных нагрузок на окружающую среду от нефтедобывающих предприятий и трубопроводного транспорта; недостаточной развитости природоохранной инфраструктуры; систем предотвращения и снижения негативных воздействий на природную среду; средств объективного контроля полноты и качества выполнения проектных решений; соблюдения экологических норм на всех этапах эксплуатации и реабилитации природных комплексов.

Известно, что удельный вес запасов нефти России в мировом балансе составляет 6 %, газа - 35 %, по отношению к мировым объемам добычи российская нефть составляет 11 %, газ - 30 %.

Характерными загрязняющими веществами, образующимися в процессе добычи и переработки нефти, являются углеводороды (48%), оксид углерода (44 %), различные твердые сорбенты. В отличие от многих антропогенных воздействий, нефтяное загрязнение оказывает многопрофильное воздействие на окружающую природную среду и вызывает ее быструю отрицательную реакцию (Miertus и др, 2001).

Масштабное загрязнение и ежегодное расширение его площадей с возрастанием антропогенной нагрузки увеличивает актуальность и первостепенное значение проблемы охраны почвенных экосистем от нефтяного загрязнения. Свидетельством этому является возросшая активность государственных и общественных организаций, частных компаний, что особо следует подчеркнуть, - возникновение новой области науки - нефтеэкологии (Рогозина, 2006).

Можно выделить следующие формы, в которых нефть и НП находятся в почве:

- в пористой среде - в парообразном и жидком легкоподвижном состоянии, в свободной или растворенной водной или водно-эмульсионной фазе;

- в пористой среде и трещинах - в свободном неподвижном состоянии, играя роль вязкого и твердого цементирующего агента между частицами и агрегатами почвы, в сорбированном состоянии, связанном на частицах горной породы или почвы, в том числе - гумусовой составляющей почв;

- в поверхностном слое почвы или грунта в виде плотной органоминеральной массы (Miertus и др., 2001).

Попадая в почву, нефть изменяет её физические, химические, физиологические и фильтрационные свойства, что приводит иногда к необратимым изменениям, вызывающим цементацию, битумизацию почв и т. д. Также нефтяное загрязнение негативно сказывается на качестве почвенного гумуса, что ухудшает плодородие почвы, влияет на объем фитомассы. Изменение окислительно-восстановительных условий в почвенных горизонтах приводит к увеличению подвижности гумусовых компонентов почвы и ряда микроэлементов, что вызывает резкое нарушение в почвенном микробиоценозе. Сообщество микроорганизмов в почве принимает неустойчивый характер, подавляется фотосинтетическая активность. Гидрофобные составляющие нефтепродуктов затрудняют поступление влаги в почву, образуя пленку, что приводит к физиологическим изменениям у растений и микроорганизмов. В большинстве случаев в результате загрязнения происходит развитие такого опасного процесса как деградация почв.

Кроме того, следует отметить, что способность к самоочищению почв от нефти и нефтепродуктов различна в различных ландшафтных зонах. Оптимальными условиями для разложения нефти являются температуры в диапазоне 25-30є С и влажность, близкая к наименьшей влагоёмкости почвы. В России же значительная часть нефтедобывающих предприятий сосредоточена в средне- и северотаёжных природных зонах. Естественно, что в холодных и переувлажнённых почвах разложение нефти заторможено и может продолжаться в течение десятилетий и более. И, следовательно, вопросы деградации нефти и нефтепродуктов в почвах приобретают очень большую экологическую значимость (Герасимова, Строгонова и др., 2003).

1.3 Влияние загрязнения нефтью на биоту и гумусовое состояние почв

В настоящее время многочисленными исследованиями доказано, что нефтезагрязнения приводят к существенным нарушениям деятельности почвенной биоты. При этом, действие нефти на живые организмы почвы в значительной степени определяется её концентрацией. Известно, что в низких концентрациях нефть, как правило, оказывает стимулирующее действие на почвенную биоту, так как является энергетическим субстратом для большинства микроорганизмов и содержит вещества, стимулирующие рост и развитие растений. С другой стороны, обильное нефтяное загрязнение почвы, которое возникает при аварийных разливах, сопровождается острым токсическим действием нефти на живые организмы.

Влияние загрязнений нефтью на почвенную фауну

Наиболее уязвимыми к нефтезагрязнению являются почвенные животные, так как нефть оказывает отрицательное действие на различные стороны их жизнедеятельности. В случае аварийных разливов нефти часто наблюдается массовая гибель почвенных беспозвоночных. Например, через 3 дня после разлива нефти может остаться лишь около 1% животных (Марфенина, 1991).

Исследованиями установлено, что почвенные беспозвоночные достаточно чутко реагируют на загрязнение почв нефтью. Существует четкая взаимосвязь между уровнем нефтяного загрязнения и вертикальным размещением в почве крупных беспозвоночных. Показана зависимость численности и видового богатства панцирных клещей (Oribatei), обитающих в почве, от степени загрязненности почв. Наиболее богаты орибатидами заболоченные леса на торфянисто-болотной почве, которые весьма часто попадают в зону нефтяных загрязнений, что часто приводит к их полной гибели (Шелнова, 1988).

Влияние нефтезагрязнения на микробоценоз почв

При загрязнении почвы нефтью структура микробных ценозов претерпевает значительные изменения, о чем свидетельствует увеличение разнообразия видового состава спорообразующей микрофлоры. Менее всего чувствительны к загрязнению нефтью почвенные грибы, но и для них в ряде случаев отмечено уменьшение числа грибов, использующих простые углеводы и общее обеднение видового состава (Бакина, Орлова и др., 2006).

Для бактерий часто наблюдается увеличение общей численности, но различные группы бактериальной флоры обладают разной чувствительностью к нефтяному загрязнению. Например, среди микроорганизмов цикла азота наиболее чувствительными, к действию нефти являются автотрофные нитрифицирующие бактерии. Снижение их активности связано с наличием в почве легкодоступных органических соединений в виде углеводородов нефти и продуктов их частичного окисления. Напротив, численность и активность микроорганизмов, участвующих в процессах азотфиксации, аммонификации и денитрификации, может увеличиваться. Количество аммонификаторов в нефтезагрязненных почвах первоначально увеличивается, и примерно через месяц после загрязнения наблюдается их наибольшее количество при низком и среднем уровне нефтезагрязнения. К снижению численности этой группы микроорганизмов приводят только высокие дозы нефти (> 10%). Таким образом, в результате нефтезагрязнения может происходить изменение круговорота азота (Бакина, Орлова и др., 2006).

Увеличение численности бактерий и грибов в нефтезагрязненой почве связано с их способностью окислять различные углеводороды. Селектирующее действие нефти на почвенную биоту выражается в том, что в загрязненных почвах развивается значительно больше микроорганизмов, использующих н-алканы и ароматические углеводороды. Кроме того, может происходить развитие и более специализированных микроорганизмов, способных окислять газообразные углеводороды, твёрдые парафины, ароматические углеводороды. На сегодняшний день известны сотни таких микроорганизмов, относящиеся к разным группам -- бактерий, грибов, актиномицетов. Эта способность особенно показана для представителей родов бактерий Bacillus, Arthrobacter, Pseudomonas и многих других.

Как уже было отмечено выше, действие нефти на микрофлору почвы в значительной степени определяется её концентрацией. Д.Г. Звягинцевым с коллегами предложено четыре качественно отличных интервала концентрации нефти, которые соответствуют зонам реакции микробной системы почвы на загрязнение.

1. Зона гомеостаза микробной системы почвы охватывает диапазон концентрации нефти 0-0,7 мл/кг почвы. Общая масса микроорганизмов проявляет тенденцию к постепенному возрастанию, увеличивается активность минерализационных процессов, что свидетельствует о возможности активного самоочищения почвы.

2. Зона стресса охватывает диапазон концентрации нефти 0,7-50 мл/кг почвы. Происходит перераспределение популяции микроорганизмов по степени доминирования. При увеличении концентрации появляются новые виды микроорганизмов, которые не обнаруживались ранее в незагрязнённой почве.

3. Зона резистентности охватывает диапазоны концентрации нефти 50-300 мл/кг почвы. Происходит резкое снижение видового разнообразия и смена состава сообщества. Активно развиваются устойчивые к высоким концентрациям нефти популяции микроорганизмов.

4. Зона репрессии охватывает диапазон концентрации нефти выше 300 мл/кг почвы. Наблюдается практически полное подавление роста микроорганизмов и их развитие.

Показано, что фитотоксичные свойства почвы, загрязнённой нефтью, почти не проявляются до концентрации нефти, равной 50 мл/кг почвы, то есть до зоны резистентности. При всех следующих после данной дозы фитотоксичность почвы резко возрастает. (Звягинцев, 1989).

Влияние загрязнений нефтью на растительность

Нефть оказывает отрицательное воздействие на рост, метаболизм и развитие растений. Негативное влияние нефти зависит от видового состава растений, объёма поллютанта и его свойств, времени года и др. При наличии снежного покрова растительность в меньшей степени подвергается токсическому воздействию нефти, что связано с прекращением вегетации в этот период. При воздействии нефти на растительность в период её вегетации процент гибели значительно увеличивается, причём в летний период уже через 2 дня после поражения нефтью листва некоторых растений полностью увядает (Богданов и др., 2005).

Токсическое действие нефти и нефтепродуктов на высшие растения в лабораторных условиях проявляется при концентрациях более 50 мг/кг почвы. Под действием небольших доз сырой нефти снижается биологическое разнообразие и биомасса. Особенно страдают молодые растения, они погибают наиболее быстро. Происходит устойчивое снижение количества подроста. Растения с развитой и с более глубокой корневой системой не так быстро реагируют на загрязнение нефтью, угнетение происходит после достижения токсичной концентрации нефтезагрязнения в зоне, где находится больше всего корней растения (Нурпеисова и др., 2017).

Рядом исследователей отмечается, что под влиянием битумов у растений и растительных сообществ появляются различные более или менее чётко выраженные аномалии -- морфологические и физиологические изменения, возникающие вследствие биологической активности нефти и её производных, которые могут служить индикаторными признаками нефтяного загрязнения -- гигантские или карликовые формы растений; возникновение наростов, наплывов, утолщений, придающих отдельным экземплярам уродливый облик; нарушение нормального режима развития растения (вторичное цветение). Поступая в клетки и сосуды растений, нефть вызывает у них токсические эффекты и инфекции (Богданов и др., 2005).

Происходит изменение микроэлементного состава растений. Потенциальные потери флоры при добыче нефти очень велики. Нефть и нефтепродукты токсичны не только для взрослых растений, но действуют на посевной материал. Так, экспериментальные данные показали, что пятиминутная выдержка семян в сернистой нефти уменьшает их всхожесть на 17%. Показано, что всего 5-10 мг/л нефти в сточной воде определяет ее мутагенность (Нурпеисова и др., 2017). Подавление роста и нарушение всхожести семян растений помимо фитотоксичности нефти, объясняется, прежде всего, нарушением водно-воздушного режима почв. включающего в себя, чисто механического вытеснения нефтью воздуха, усиление деятельности анаэробных микроорганизмов, а также изменением водного баланса в системе «почва-растение», отравление сульфидами и излишним марганцем.

Период самовосстановления растительного покрова после нефтезагрязнения для северных условий составляет от 10 до 30 лет. На чувствительность фитоценозов к загрязнению нефтью также сильно влияет их видовой состав. К растениям с высокой устойчивостью к нефтезагрязнению можно отнести следующие: ежа сборная, клевер луговой, клевер белый, овсяница луговая и др. Также было установлено, что всхожесть семян трав находятся в прямой зависимости от степени загрязнения почвы нефтяными углеводородами. С увеличением концентрации нефтепродуктов в почве всхожесть семян трав снижается (Богданов и др., 2005).

Нефть и ряд нефтепродуктов оказывают ингибирующее воздействие на фотосинтетическую активность. В результате чего, нефть отрицательно действует на развитие фотосинтезирующих организмов -- растений, водорослей, сине-зелёных бактерий. Под влиянием нефтезагрязнения происходит резкое ингибирование и трансформация отдельных групп водорослей, что приводит к деградации луговых сообществ или замещению их галофильными группировками. Степень изменения водорослевых сообществ зависит от степени и длительности загрязнения почв. Видовой состав водорослей индицирует степень техногенного преобразования почв и скорость их самоочищения от поллютантов (Богданов и др., 2005).

Влияние нефти на гумусовое состояние почв

Гумусовые вещества играют в биосфере исключительно важную и разноплановую роль. Практически все основные свойства почв в большей или меньшей степени связаны с их гумусовым состоянием. Процессы, характеризующие экологическую устойчивость почв - адаптация, рассеивание воздействия и регенерация - непосредственно зависят от содержания, реакционной способности, миграционных и седиментационных свойств гумусовых веществ и их собственной экологической устойчивости (Орлов, 1990 и 1997)

Нефть, попадая в почву, оказывает как прямое, так и опосредованное воздействие на её гумусное состояние (Лебедев и др., 2002; Сухова и др., 2003). Опосредованное воздействие заключается в резком изменении всех химических, физико-химических и физических свойств почвы. Это приводит к нарушению жизнедеятельности почвенной микробиоты и изменению всех процессов гумусообразования -- гумификации, трансформации и минерализации почвенного органического вещества. Непосредственное влияние нефтезагрязнений проявляется в химическом взаимодействии углеводородов нефти с собственно почвенными гумусовыми кислотами. В результате прямых химических взаимодействий углеводороды нефти и нефтепродуктов фрагментарно включаются в структуру молекул гумусовых кислот (Грузднев и др, 1991; Иларионов, 2006).

Подобного рода взаимодействия вызывают изменения, как фракционного состава гумусовых кислот почв, так и их химического строения, и функциональных свойств. Отношение лабильных форм гумуса к устойчивым резко сужается. В результате нарушается функционирование всей почвенно-растительной системы и ослабевает средообразующая функция почв. Тем не менее, углеводороды нефти, включённые в структуру молекул гуминовых кислот, перестают быть токсичными. Так при нефтезагрязнении проявляется биопротекторная роль органического вещества. Однако при этом происходят значительные негативные изменения собственно в гумусовых кислотах -- снижается глубина гумификации и степень их химической «зрелости». Это проявляется в уменьшении доли ароматического ядра и увеличении алифатических цепей в молекулах. Падает реакционная способность гуминовых кислот, что связанно с относительным уменьшением содержания кислых функциональных групп. Тем самым нарушается способность почв прочно связывать и в последствии выводить из биологического круговорота различные загрязняющие вещества, т. е. наблюдается резкое снижение биопротекторной активности почв (Орлова и др., 2005)

1.4 Процессы деградации, устойчивости и самоочищения почв при нефтяных загрязнениях

Деградация почв - это результат негативных изменений строения, состава и элементов функционирования почв, вызванных антропогенными процессами. При деградации происходит ухудшение качества почвы в результате изменений, разрушающих ее структуру, ведущих к появлению негативных химических свойств и утрате ее основного свойства - плодородия. Деградация, как правило, сопровождается потерей почвы способности выполнять ресурсо- и средовоспроизводящие функции. Сильные нефтезагрязнения, в особенности при аварийных разливах нефти, вызывают негативные изменения практически всех свойств и режимов почв, приводящие к деградации почв и, как результат, к деградации экосистемы в целом (Шелнова, 1988).

В современных условиях, при постоянно увеличивающейся антропогенной нагрузке на почвы, особенно важно знать факторы, которые обеспечивают устойчивость и стабильность биогеоценотических функций почв и сохранение почв как таковых. Большинство исследователей определяет устойчивость почв как способность почв противостоять негативным воздействиям, сохранять и восстанавливать свою структуру и функционирование при изменяющихся, как правило - негативно, внешних условиях.

В почве устойчивость к деградации в значительной степени обеспечивает органическое вещество, и в первую очередь, специфические гумусовые вещества. Основные процессы обеспечивающие экологическую устойчивость почв к внешним воздействиям - это: адаптация, рассеивание воздействия и регенерация. Практически все эти основные процессы непосредственно зависят от содержания, реакционной способности, миграционных и седиментационных свойств гумусовых веществ, и их собственной экологической устойчивости. Экологическая устойчивость гумуса почв - это способность гумусовых веществ сохранять неизменными свой состав, химическую структуру и функциональные свойства при воздействии различных факторов (Орлова и др., 2005; Чугунова и др., 2007).

Показателем устойчивости почв к загрязнению служит ее способность к самоочищению в результате естественных процессов. Самоочищение почв - это совокупность процессов, происходящих в почве и приводящих к ослаблению или полному освобождению почв от токсического действия загрязняющих веществ. Всю совокупность процессов самоочищения (или детоксикации) почв можно условно разделить на физические, химические и биологические. В отношении нефтезагрязнений наибольшее значение имеют вторые два вида (Орлов, 1991).

Биологическое самоочищение представляет собой совокупность процессов метаболизма и биодеградации загрязняющих веществ. Легкоусваиваемые или биогенные вещества вовлекаются в биологический круговорот. Их содержание при низких уровнях загрязнения регулируется метаболическими процессами. Химически инертные соединения могут биологически адсорбироваться, что, до некоторой степени, приближает их к физическим процессам самоочищения. Микробиологическая деградация загрязняющих веществ, способных к химическим превращениям, зависит от биологической активности почв и природы загрязняющих веществ.

Химическое самоочищение происходит за счет вступления загрязняющих веществ в реакции с химическими компонентами почв. Например, реакции гидролиза, окислительно-восстановительные реакции, химическая сорбция, различные каталитические реакции. Химическое самоочищение почв зависит, в первую очередь, от химического состава ППК и содержания и качества почвенного гумуса.

Процессы самоочищения, в целом, в значительной степени зависят от климатических и почвенно-геохимических параметров. Существенную роль в разложении и детоксикации поллютантов, имеющих органическую природу, в почве играют микроорганизмы. От химического и микробиологического состава почвы в значительной степени зависит скорость детоксикации, или время самоочищения почв. Время самоочищения почв - это продолжительность периода, за который почва с нарушенными свойствами и процессами возвращается в свое первоначальное состояние. Время самоочищения почв зависит от защитных буферных свойств самой почвы, природы нарушений и биоклиматического пояса, в котором находится почва, т.е. от скорости биологического круговорота веществ и ряда др. факторов (Шелнова, 1988).

Как уже рассматривалось выше, загрязнение почв нефтью приводит к заметному сдвигу в составе и функционировании почвенной биоты. Появляется (или начинают доминировать в составе) много новых групп микроорганизмов, способных разлагать углеводороды нефти. Скорость самоочищения почв от нефти и нефтепродуктов различна для разных природных зон. Так, в аридных областях основная тяжесть по снижению концентрации нефти в почвах ложится на микроорганизмы. Тогда как, в холодных гумидных областях с низкой продуктивностью и активностью микробоценозов, роль микроорганизмов в этом процессе существенно меньше. Зачастую высокая скорость самоочищения почв в этих зонах только кажущаяся - нефть подвергается не столько разложению, сколько рассеивается, загрязняя почвы сопряженных территорий и грунтовые воды. Так, в тундровой зоне на поверхности заболоченных почв и болот нефть и нефтепродукты могут сохраняться десятилетиями (Сухова и др., 2003).

Благодаря своим биохимическим свойствам и наличию микроорганизмов почва обладает способностью к самовосстановлению после попадания в неё нефти. Естественная деградация нефти в природных условиях протекает в течение длительного периода времени, продолжающегося от одного до нескольких десятилетий, в зависимости от уровня загрязнения и природных условий региона, где произошло нефтезагрязнение.

Выделяют три основных этапа естественной деградации нефти и нефтепродуктов в почве.

1 этап - длится 1-1,5 года, характеризуется физико-химическими процессами, включающими вымывание, выветривание, распределение нефтяных углеводородов по почвенному профилю. Через три месяца в почве остаются 16% от исходной нефти. Из почвы улетучиваются газообразные соединения, которые представляют собой наиболее низкомолекулярные составляющие нефти. Именно эти фракции являются наиболее токсичными для почвенной биоты.

2 этап - длится 3-4 года, характеризуется биологическими превращениями метанонафтеновых и ароматических углеводородов. Каждый следующий период характеризуется, в среднем, потерей около 20% остаточной нефти. Деструкция более тяжёлой фракции нефти идёт несколько медленнее.

3 этап - является более длительным и малоизученным этапом. В почве в этот период присутствуют самые сложные компоненты нефти (полициклические ароматические углеводороды), которые трудно разлагаются микроорганизмами.

Таким образом, загрязнение почв нефтью существенным образом нарушает все экологические функции почв. При значительном уровне загрязнения делает невозможным само существование биоценоза. Поэтому, в настоящее время, изучение динамики восстановления экологических функций нефтезагрязненной почвы представляется чрезвычайно важным и необходимым для всего человечества. (Солнцева и др., 1988).

Для разработки наиболее адекватных мер по реабилитации нефтезагрязненных почв, и борьбы против их вторичного загрязнения, нам необходимо детально представлять особенности биодеструкции нефти и восстановления нарушенных свойств почв, которые происходят как естественным путем, без вмешательства человека и каких-либо специальных мероприятий, так и при использовании разработанных на научной основе приемов рекультивации почв.

1.5 Рекультивация земель после аварийных разливов нефти

Рекультивация земель - комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества. (ГОСТ 17.5.1.01-83) Самовосстановление почвы и рекультивация представляют собой неразрывный, биогеохимический процесс. Рекультивация - это продолжение (ускорение) процесса самоочищения, при котором используются природные резервы экосистемы: климатические, микробиологические, ландшафтно-геохимические. По видам рекультивацию можно разделить на механические, физико-химические и биологические.

Механическая рекультивация включает:

* засыпка незагрязнённой почвой загрязненного участка;

* удаление загрязнённого слоя;

* смешивание загрязненных слоев с незагрязненными.

Засыпка нефтезагрязненного участка слоем грунта резко замедляет процессы разложения нефти, так как факторы благоприятные для биоремедиации снижаются (УФ-изучение, температура, влажность и др.), а также препятствует доступу кислорода для активной жизнедеятельности углеводородокисляющей микрофлоры. При засыпке разлива песком на поверхности образуется песчано-асфальтеновая корка, которая наряду с бедностью песчаного субстрата элементами питания препятствует поселению растений. На загрязненных участках, отсыпанных торфом, зарастание травянисто-моховой и древесно-кустарниковой растительностью происходит гораздо быстрее. Однако также прерывается процесс биохимического разложения нефти в погребенной почве. Механическую рекультивацию обычно используют, как подготовку к работе для других методов (Ежелев, 2015).

К физико-химическим методам рекультивации нефтезагрязненных почв относят применение различных сорбентов (активированный торф, препарат "Lidioil", серия сорбентов «Униполимер», известь и др). В результате обработки нефтяного пятна происходит значительное сокращение площади разлива (утолщение пленки), отвердение нефти (гелеобразование), превращение ее в резиноподобную массу, легко удаляемую любыми механическими средствами.

Биологическая рекультивация - комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических агентов - микроорганизмов, растений, грибов, насекомых, червей и других организмов. Считается лучшей рекультивацией, так как механическая и физико-химическая не дает полной очистки нефти от почвы. (Ивлеев, 2002) Осуществляется биоремедиация при помощи микроорганизмов, способных разлагать нефть, всегда присутствующих в почве, включающая в себя бактерии родов Agrobacterium, Arthrobacter, Alcaligenes, Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas, грибы родов Trichoderma, Pйnicillium, Aspergillus, Mortirella и дрожжи Aureobasidium, Candida и Rhodotorula, а также различные актиномицеты.

Виды биологическое рекультивации:

* биостимуляция - стимулирование развития аборигенной микрофлоры на территории подвергшейся загрязнению (минеральные удобрения: азотные, фосфорные, комплексные).

* биодополнение - внесение в почву биопрепаратов микроорганизмов способных к деградации загрязнителя.

* фитостимуляция - использование растений для стимуляции развития ризосферных микроорганизмов.

Главную роль в биорекультивации нефтезагрязнений играют микроорганизмы. Растения обычно создают среду для жизни микроорганизмов (обеспечение доступа кислорода, разрыхление грунта, питательные вещества и др.). Но также растения отдельно выступают фиторемедиантом:

· фитоэкстракция - поглощение, транслокация и аккумуляция загрязнителя в растении. Для рекультивации окружающей среды этим методом применяют растения-гипераккумуляторы.

· фитостабилизация - перевод веществ из растворимой формы в нерастворимую в корневой зоне растений.

· фитодеградация - «внутреннее» разрушение поллютантов растениями при участии растительных ферментов.

· фитоиспарение - экстракция поллютанта из грунта и выделение его в газообразной

форме (Киреева и др., 2011).

Факторы, влияющие на биоремедиацию:

· Концентрации загрязняющих веществ непосредственно влияют на микробную активность.

· Температура (15-30 градусов).

· Влажность.

· Реакция среды (рН 6-8).

· Окислительно-восстановительный потенциал.

· Запас питательных веществ необходимых для роста и деления микроорганизмов.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЯ

2.1 Природные условия территории ЯНАО

Географическое положение

Ямало-Ненецкий автономный округ расположен на севере Западно-Сибирской равнины и с севера омывается Карским морем. Крайний запад округа, по левую сторону реки Обь, проходит через восточные склоны Полярного и Приполярного Урала (рис. 1).

Регион относится к районам Крайнего Севера, и более половины его территории расположено за Полярным кругом. Округ занимает обширную площадь около 800 т. кмІ, что в полтора раза превышает территорию Франции или Испании. На территории округа находится полуостров Ямал.

Рис. 1. Карта территория ЯНАО: (http://trasa.ru/).

Климат

Климат определяется наличием многолетней мерзлоты, близостью холодного Карского моря, обилием заливов, рек, болот и озер. В целом для округа характерна длительная зима (до 8 мес.), короткое лето, сильные ветра, небольшая величина снежного покрова. Среднегодовая температура воздуха отрицательная, на Крайнем Севере она достигает -10°С. Минимальные температуры зимой опускаются до -59°С. Летом, в июле могут повышаться на всей территории до +30°С (http://regionyamal.ru/klimat/).

Территория округа располагается в основном в трех климатических зонах: арктической, субарктической и зоне северной полосы Западно-Сибирской низменности. Климат арктической части характеризуется длительной, холодной и суровой зимой с сильными бурями, морозами и частыми метелями, малым количеством осадков, очень коротким летом (50 дней), сильными туманами.

Субарктическая зона занимает южную часть Ямальского полуострова. Здесь климат более континентальный: осадки в виде дождей, лето до 68 дней. Климат северной (таежной) полосы Западно-Сибирской низменности резко континентальный, средняя температура здесь выше, лето довольно тёплое и влажное (до 100 дней).

Самые теплые месяцы года - июль и август, самый холодный - январь, иногда февраль (средние температуры от -24° до -28°). Абсолютный температурный минимум -63°, максимум +25°.

Среднегодовые температуры воздуха колеблются от -10° до -12°. В холодное время года, с ноября по март, суровость погоды определяется в большей степени скоростью ветра, чем температурой. Зимой преобладают ветры южных румбов; на побережье Карского моря нередки пурги со скоростью ветра до 30 м/сек и более. Летом чаще дуют северные и северо-восточные ветры.

Годовое количество осадков около 300 мм, из которых 50-55% выпадает в теплое время года. Зимой в среднем отмечается 15-18 дней с осадками, летом - 12-15. Самые влажные месяцы - август и сентябрь. Снежный покров держится около 240 дней (в некоторые годы - до 270 дней). Он устанавливается между 1 и 10 октября, тает обычно в середине или конце июня. Средняя максимальная высота снежного покрова 35-60 см.

Самые частые явления погоды - метели и туманы. Град и гололед бывают редко, грозы - не каждый год. При малом количестве тепла и избыточном увлажнении на обширных равнинах с водоупором из мерзлых пород образуется сравнительно густая сеть рек и озер. На некоторых участках (лайды, долины рек) озера занимают до 40% площади.

Рельеф и почвообразующие породы

К востоку от Оби простирается плоская низменная равнина, абсолютные отметки водоразделов на севере не превышают 100 м. К югу общая поверхность равнины несколько поднимается, высоты междуречий достигают 150-200 м. На крайнем юге встречаются отдельные увалы выше 200 м (Почвенно-географическое районирование СССР, 1962).

На территории исследований отмечены следы ледниковых покровов, надвигавшихся на низменность с Таймыра и Средне-Сибирского плоскогорья. Всего в этой части Сибирской низменности насчитывается три оледенения: Самарское, Тазовское и Зырянское. Самарское оледенение имело наибольшее распространение (примерно до 61ос.ш.). Следы Тазовского оледенения доходят до 62ос.ш. Свежие формы аккумуляций Зырянского оледенения наблюдаются примерно по линии Северного полярного круга, где встречаются моренные холмы и распространены зандровые и аллювиально-озерные отложения (Зверева, 2000).

Ледниковые периоды на севере чередовались с морскими трансгрессиями, поэтому сохранность форм ледникового рельефа очень разная на разных отрезках низменности. В самой северной части описываемой территории местами наблюдаются холмы Зырянского оледенения. Основная поверхность находится в области Тазовского оледенения и характеризуется сглаженным холмистым рельефом. Обширные болота занимают понижения между холмами (Матышак, 2009)

В речных долинах развиты пойма и две надпойменные террасы. Выше идут обширные флювиогляциальные равнины, сложенные песками, часто валунными. Низменность в целом покрыта мощной толщей четвертичных отложений. Цоколь древних пород залегает глубоко и на поверхность равнин выходит лишь в Приобье (Палеогеновые отложения) и в Приуралье (меловые) (Зверева и др., 1983).

Эта часть Западно-Сибирской равнины находится в области реликтовой мерзлоты. В настоящее время мерзлота сохранилась только глубинная. Поверхностная толща наносов лишена мерзлоты, за исключением бугристых торфяников и современных болот. Остаточные формы мерзлотного мезорельефа выражаются в широком распространении термокарста.

Плоская поверхность низменности усеяна термокарстовыми озерами небольших размеров с округленными очертаниями. Озера разбросаны обычно на пониженных приречных поверхностях. В долинах озера встречаются реже и имеют вытянутую направленность. Дренированные территории здесь представлены узкими полосами вдоль рек и на поверхности возвышенных увалов. Распространение термокарста на увалах ограниченное (Почвенно-географическое районирование СССР, 1962).

Растительность

Ямало-Ненецкого АО разнообразен: от кедров на юге до мхов и лишайников в Арктике и альпийских растений в горах Полярного Урала. Растительность на полуострове формируется в неблагоприятных климатических условиях тундровой зоны. Кроме того, на растительный покров оказывают длительное воздействие стада северных оленей. Растения низкорослы, часто имеют стелющуюся или подушковидную форму, растут куртинами или пятнами. В сложении растительных сообществ важную роль играют мхи и лишайники, растения крайне ранимые. Только в нижнем течении Оби и в предгорьях Полярного Урала произрастает лишайник Лобария лёгочная - сокращающийся вид, занесённый в Красную книгу России (http://vital-rochev.narod.ru/format.html).

Растительный покров территории округа представлен комбинацией различных типов тундр и болот. Арктическая тундра на севере полуострова постепенно переходит к типичным мохово-лишайниковым субарктическим тундрам в его центральной части, которые на юге сменяются кустарниковыми тундрами. Водоразделы полуострова покрыты лишайниковыми и моховыми тундрами. В речных долинах преобладают осоковые болота. Наибольшей бедностью ресурсов отличаются арктические тундры, но в летнее время они интенсивно используются для выпаса домашних северных оленей из-за немногочисленности в этом районе комаров (Почвенно-географическое районирование СССР, 1962).

На севере Ямала леса практически отсутствуют. В южной части лесная растительность северотаёжного типа языками вклинивается вглубь тундры по долинам рек - Хадытаяхи, Таз, Пур и др.

Ель сибирская в ЯНАО является наиболее распространённым лесообразующим видом. Еловые леса и редколесья на территории округа выполняют важную климаторегулирующую, водоохраною и почвозащитную роль. Особенно велика защитная роль ельников в поймах и долинах рек, где они снижают скорость водных потоков во время паводков и создают особый микроклимат, благоприятный для существования многих видов растений и животных. Именно в еловых редколесьях сосредоточены большие запасы пищевых и лекарственных растений: морошки, голубики, черники, брусники, смородины, жимолости, шиповника, рябины. Лишайниковые и мохо-лишайниковые еловые редколесья служат лучшими зимними пастбищами северного оленя.

...