CC BY
6Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» № 6 (75) Том 5. ИЮНЬ 2024 г. УДК 57
Анучин Н.В.
студент 2 курса кафедры «Химическая технология и промышленная экология» Самарский государственный технический университет (г. Самара, Россия)
ФИТОМОНИТОРИНГ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ
Аннотация: в работе рассматриваются особенности влияния на почвенный покров и живые организмы нефтяного загрязнения почв в процессе добычи, переработки и транспортировки нефти и нефтепродуктов. Представлены ключевые понятия фитомниторинга и его основных этапов: фитоиндикации и фитотестирования процессов, позволяющих определить степень загрязненности нефтью и нефтепродуктми на природных ландшафтах.
Ключевые слова: фитомониторинг, нефтяное загрязнение, фитотестирование, фитоиндикация, покров почвенный.
1. Нефтяное загрязнение почв: особенности влияния на живые организмы.
В ходе исследования был тщательно и всесторонне изучен растительный мир изучаемой области.
Топливно-энергетические компании России, занятые в добыче и обработке нефти, являются ключевым источником загрязнения природной среды, несмотря на уменьшение производственных показателей. Они являются виновниками около 50% выбросов вредных газов в атмосферу, около 27% загрязнения сточных вод, более 30% образования твердых отходов и свыше 70% общего объема выбросов парниковых газов.
Одной из ключевых мировых задач остается преодоление загрязнения почвы нефтью и ее продуктами. Повышается значимость процессов очистки почвы от нефтяного загрязнения и создания инновационных методов для рекультивации территорий, подвергшихся нефтепродуктовым воздействиям.
Проблематичность экологического состояния начинается уже на этапе извлечения и перемещения нефти. Основными загрязнителями при этом служат углеводороды, составляющие 44,9% от общего объема выбросов, а также оксиды углерода, чья доля достигает 47,4%. Кроме того, 4,3% приходится на разнообразные твердые частицы. Проблемы усиливаются и во время транспортировки нефти к объектам ее дальнейшей переработки. Транспортировка осуществляется по трубопроводам, подверженным коррозии, накоплению смолы и парафина, что приводит к регулярным происшествиям. Ежегодно регистрируется свыше 60 крупных аварий и около 20 тысяч случаев, связанных с масштабными утечками нефти, загрязнением водоемов, жертвами среди людей и существенными экономическими потерями.
При добыче, разработке и использовании месторождений нефти и газа происходит значительное изменение природной среды и активное загрязнение земли.
Земельный покров, играющий центральную роль в формировании ландшафта, оказывается на переднем крае экологических изменений. Регулярные механические воздействия и химическое загрязнение приводят к постепенному падению качества почвы, что стало одной из ведущих экологических задач в сфере добычи нефти и газа.
Крупнейшие угрозы для экологии исходит от происшествий на ключевых нефте- и газопроводных магистралях. При взрыве нефтепровода в среднем происходит утечка 2 тонн нефти, что влечет за собой потерю 1000 кубометров земли. В то время как при аварии на газоконденсатопроводе ежегодно на поверхность выливается не менее 2 миллионов тонн нефтепродуктов.
Нефть, попадающая в почву, вызывает значительные, а иногда и необратимые изменения в ее свойствах - образование битуминозных солончаков, асфальтового покрытия, цемента и т.д. Эти изменения сопровождаются ухудшением растительности и биопродуктивности земель. В результате нарушений почвенного покрова и растительности усиливаются нежелательные природные процессы - эрозия почв, деградация, промерзание.
Важность вопроса ухудшения качества почвы в том, что жизнеспособность всей экосистемы напрямую зависит от почвы, что делает необходимым для специализированных промышленных подразделений незамедлительное реагирование и принятие соответствующих действий.
Потеря качества почвы происходит под воздействием разнообразных причин, как естественного, так и человеческого происхождения. Это может быть связано с химическим загрязнением, высушиванием земель, затоплениями и прочими факторами. Антропогенный урон почве является прямым следствием человеческих воздействий, таких как механическое разрушение или химическое загрязнение, или может быть связан с естественной высокой продуктивностью почвы и процессами её формирования.
В процессе развития ландшафта могут возникать специфические комбинации негативных свойств почвы, что уменьшает его экологическую эффективность. С момента контакта нефти с поверхностью почвы начинается ее естественное распадание и переработка. Этот процесс проходит через три основных этапа:
1.Процессы физико-химического и частично микробиологического разложения алифатических углеводородов,
2.Микробиологическое разложение низкомолекулярных веществ различного типа с последующим образованием смолистых продуктов (в первую очередь),
3.Переработка соединений высокомолекулярной природы, включая смолы, асфальт и полициклические углеводороды.
Время, необходимое для того, чтобы почвы полностью очистились от нефти, варьируется в широких пределах и может занимать от нескольких месяцев до многих лет, в зависимости от климатических условий и типа почвы.
Негативное влияние нефти на почвы проявляется в изменении их химического, физического и биологического состояния. Присутствие нефти и ее компонентов приводит к сокращению численности ключевых микроорганизмов, ухудшает агрофизические и агрохимические характеристики почвы, ослабляет активность ферментов, ответственных за окисление и гидролиз, и уменьшает доступность азота и фосфора в почве.
Процесс разложения нефти в почве происходит благодаря активности микроорганизмов, обитающих в ней. Они способны полностью превратить нефть и её составляющие в углекислый газ и воду. На начальном этапе этот процесс сопровождается массовой смертностью мезо- и микроорганизмов. После этого начинается эпоха быстрого увеличения численности микроорганизмов, которые могут перерабатывать нефть, что приводит к плавной перестройке биологического сообщества в почве в соответствии с геохимическими преобразованиями в почвенной среде.
Загрязнение почвы нефтью приводит к значительным изменениям в составе почвенных актиномицетов, уменьшает их количество и разнообразие видов. Более того, в таких условиях наблюдается рост численности видов грибов, способных повреждать растения и вызывать их отравление. Повышение активности фитотоксичных грибов может усилить негативные эффекты нефтезагрязнения на почвенную среду.
Исследования выявили, что при контакте с нефтью наблюдается значительное (порядка 10%) уменьшение количества гетеротрофных микробов в начальный период загрязнения. Однако уже через три месяца после этого численность этих организмов возвращается к исходным показателям.
Прежде всего, при концентрациях масла, присущих гомеостатической зоне (не более 1 мл/кг). Масло не приводит к значительным изменениям в составе микрофлоры почвы, а скорее стимулирует её развитие. Однако при
превышении рекомендуемых норм дозы масла (1-30 мл/кг), возникает зона стресса, которая может привести к неоднократным колебаниям микробиологических показателей почвы. Это, в свою очередь, может нарушить равновесие водно-влагообеспеченности почвы. В зоне резистентности масло становится ключевым источником питания для микроорганизмов, окислительно расщепляющих углеводороды, при этом оно снижает активность других гетеротрофных микроорганизмов, растений и животных. В конце концов, при еще более высоких концентрациях масла, в зоне угнетения, оно функционирует как ингибитор биологической активности почвы.
Изменения микробиологического состава почвы считаются значительным экологическим дисбалансом. Эти изменения наблюдались при уровнях масла в почве от 1 до 5 миллилитров на килограмм и выше, причём степень воздействия зависит от типа почвы.
2. Этапы фитомониторинга: фитоиндикация и фитотестирование нефтяного загрязнения.
Разработка и использование нефтяных месторождений, а также перевозка нефти оказывают значительное воздействие на природные ландшафты. В результате воздействия человека возникают разнообразные изменения, которые можно рассматривать как этапы деградации или восстановления первоначальной природной среды. Для эффективного изучения и оценки этих изменений применяется геоботаническая индикация, которая позволяет определить уровень воздействия человека на отдельные компоненты и элементы растительного покрова (фитоиндикаторы).
Фитоиндикация является частью биоиндикации и используется для оценки воздействия окружающей среды на основе растительного покрова. Она позволяет определить состояние окружающей среды на основе характеристик и состава растительности.
Методы использования растительности как индикатора (фитоиндикация) находят широкое применение в системе мониторинга. Они выделяются своей доступностью и возможностью исследовать обширные площади, которые
необходимо анализировать, а также их легкостью в интерпретации. При этом данные методы дают возможность оценивать режимы, которые не проявляют активность в момент наблюдения.
Процесс фитоиндикации осуществляется на многоуровневом подходе, охватывая все степени организации растений - начиная от клеточного и анатомического уровня, продолжая уровнем популяций, фитоценозов и заканчивая ландшафтами.
При росте сложности экосистем реакции фитоиндикаторов также усложняются, что связано с увеличением цепочки причинно-следственных связей (индикатор-индикация) и с более сложными взаимодействиями с экологическими факторами. Применение фитоиндикации на уровнях от простого до сложного позволяет ей функционировать как независимо, так и в качестве компонента более сложных систем, при этом получая дополнительные характеристики. Каждый растительный вид обладает уникальными экологическими характеристиками, которые влияют на его поведение в экосистеме в соответствии с историей развития, ареалом и структурой популяции. Эти особенности приводят к тому, что сосуществование видов в сообществе не ограничивается лишь конкуренцией, но и включает в себя процессы взаимного дополнения, что способствует более эффективному использованию экологических ресурсов.
Экологи столкнулись с критически важной задачей в области научного анализа: необходимо оценить потенциал климата и почвы, а также проверить, насколько экосистема соответствует этим возможностям, применяя метод фитоиндикации, то есть исследование поведения различных видов растений. Фитоиндикация — это метод, который использует флористические признаки, то есть характеристики растений, их сообществ и взаимоотношений, чтобы оценить экологические условия или состояние экосистемы.
Для проведения фитоиндикации необходимо выполнить ряд шагов:
1. Выбрать индикатор и определить методы и масштабы его измерения,
2. Найти логически обоснованные связи между выбранным индикатором и изучаемым фактором,
3. Создать шкалу для измерения характеристик, установить корреляцию между изменением фактора и индикатора.
Методы фитоиндикации делятся на три типа: аутфитоиндикация, синфитоиндикация и симфитоценоиндикация.
Метод аутфитоиндикации дает возможность оценить как отдельные интервалы, так и средние показатели, исследовать и анализировать изменения в составе популяций различных видов и классифицировать их в соответствии с реакцией на экологические изменения.
На уровне ценозов происходит изучение характеристик экологической среды, изменчивости этих условий в рамках определенных растительных сообществ, определение уровня развития сообществ от начальной стадии до зрелой, а также классификация сообществ на основе эволюции экологических условий.
Изучение экологической обстановки охватывает изучение природных условий территории, определение изменений и связей между элементами окружающей среды, а также создание карт, отражающих экологическую ситуацию.
Различие в результатах методов может быть значительным. Встречаются как высокочувствительные, так и менее отзывчивые (нейтральные) индикаторы.
Для оценки экологического состояния используется обширная экологическая база данных, которая состоит из четырех ключевых разделов:
1) описания таксономии, морфологии, сообществ и экологии растений,
2) определение геоботанических особенностей растительных сообществ,
3) информация о экологических факторах,
4) физико-химические характеристики почв и воды.
В последнее время специалисты уделяют повышенное внимание изучению токсичности почвы, причем одним из наиболее эффективных и доступных методов для этого является фитотестирование.
Ключевые направления работы, помимо очистки почвы от нефтепродуктов, включают разработку и внедрение технологий для обнаружения загрязнения окружающей среды нефтепродуктами, а также их точную оценку по количественным и качественным показателям. В дополнение к химическим методам анализа загрязнителей, активно используются биологические тесты. Они позволяют оценить степень загрязнения по реакциям разнообразных живых организмов и, что особенно важно, определить воздействие этих загрязнителей на экосистемы или их отдельные компоненты. При биологическом тестировании загрязненных нефтью почв используются как микроорганизмы и беспозвоночные, так и растения. Фитотестирование основывается на регистрации различных характеристик растений в условиях их роста в образцах загрязненной почвы, их сравнение с контрольными образцами, выращенными в среде без загрязнителей.
Для определения токсичности почвы используются два различных метода фитотестирования:
1) первый метод заключается в том, чтобы проверить токсичность почвы, заключая в неё семена растений и наблюдая за их ростом,
2) второй метод предполагает исследование токсичности водных экстрактов, извлеченных из почвы, на основе влияния этих экстрактов на ключевые факторы прорастания семян.
Стоит подчеркнуть, что научные исследования многих специалистов демонстрируют, что результаты фитотестирования, полученные с помощью этих двух подходов, могут существенно отличаться. Принцип выращивания растений непосредственно в земле оказывается более уязвимым для оценки токсичности по сравнению с методом, основанным на изучении водных извлечений из почвы.
Три ключевых подхода к фитотестированию включают в себя лабораторные исследования, испытания в горшках и микроплощадочные тесты. Решение о том, какой из них применить, обусловлено размерами проводимого эксперимента. Однако лабораторный метод выделяется своей популярностью благодаря его высокой точности, удобству в применении, компактности, доступности и обеспечению безопасности пробы-объекта (семенных материалов растений).
Исследование почвы с помощью растений не ограничивается лишь определением наличия нефтепродуктов и оценкой их концентрации. Этот метод также находит применение в мониторинге процессов очистки почвы от нефти, в том числе для анализа результативности применяемых для этого химических агентов и сорбентов, способных впитывать углеводороды, а также биоремедиационных препаратов. Более того, биотестирование, основанное на использовании растений и их семян, открывает новые возможности для исследования комбинированного воздействия нефтяного загрязнения с другими факторами, влияющими на состояние почвы.
Следует подчеркнуть, что данный подход находит свое применение при низких и средних уровнях загрязнения почвы, поскольку более высокие концентрации загрязнителей могут стать фатальными для растений. Эффективность применения фитотестов для анализа токсичности почв, загрязненных нефтью, значительно связана с выбором тестовых растений, которые обладают наиболее отчетливыми показателями реакции. Изучение фитотоксичности почв, загрязненных нефтью, с использованием разнообразных растений и на разнообразных типах почвы, представляет собой значимый научный вклад. В связи с этим, при устранении последствий нефтезагрязнений, необходимо применять фитотестирование как метод оценки токсичности почвы. Существенное снижение фитотоксичности нефтезагрязненных почв с помощью физико-химических методов создает условия для успешного применения биологических методов с высокой эффективностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Лялин О.О., Радченко С.С., Карманов В.Г. Проблемы фитомониторинга на современном этапе // Физические методы и средства получения информации в агромониторинге. Сборник научных трудов - 1987. - №1. - С. 30 - 35;
2. Васильева Д.И., Баранова М.Н., Какутина О.М., Шиманчик И.П. Геологическое строение и почвенный покров территории г. о. Самара. - Самара: Изд-во «Самарский муниципальный институт управления», 2011. - 167 с;
3. Новак В., Осмоловская Н. Фитомониторинг в физиологии растений: организация, устройство и возможности // Физиология растений. - Т.44. - 1997. - №1. - С.138 -145;
4. Нилов Н.Г. Опыт применения методологии фитомониторинга в виноградарстве // Биофизика растений и фитомониторинг. Сборник научных трудов - 1900. - №2. - С.140 - 150
Anuchin N.V.
Samara State Technical University (Samara, Russia)
PHYTOMONITORING OF POLLUTED SOILS OIL AND PETROLEUM PRODUCTS
Abstract: the paper considers the peculiarities of the influence of oil pollution of soils on the soil cover and living organisms in the process of extraction, processing and transportation of oil and petroleum products. The key concepts ofphytomonitoring and its main stages are presented: phytoindication and phytotesting of processes that allow determining the degree of contamination with oil and petroleum products in natural landscapes.
Keywords: phytomonitoring, oil pollution, phytotesting, phytoindication, soil cover.
