CC BY
16
ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ
УДК 631.453:631.42(571.12) DOI: 10.24411/1029-2551-2020-10073
ИССЛЕДОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО САМООЧИЩЕНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ ЮГА ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ
А.С. Никифоров, Ю.В. Сивков, к.б.н.
Тюменский индустриальный университет, e-mail: [email protected], [email protected]
При изучении естественного самоочищения нефтезагрязненных почв юга Тюменской области проведена серия натурных полевых экспериментов на двух реперных участках, моделирующих аварийные разливы нефти на поверхность почвы в количестве 10 и 20 л/м2. Длительность полевого эксперимента составила четыре года. Для изучения морфологических характеристик почвы исследуемой территории был выполнен почвенный разрез до глубины 1,5 м. Почва характеризуется как луговая выщелоченная среднемощная малогумусная среднесуглинистая. Почвообра-зующие породы - суглинки и глины. В результате полевых и лабораторных исследований подтверждено высокое токсическое действие нефти, которое было выражено в гибели почвенной растительности и последующем отсутствии ее на протяжении двух вегетационных периодов. Процесс естественного восстановления загрязненных нефтью луговых почв имеет длительный период адаптации. Основное снижение остаточного содержания нефтепродуктов на исследуемых участках произошло только третий (66,2 и 73,8%) и четвертый (86,0 и 91,5%) годы. В нижних горизонтах динамика снижения нефтепродуктов отличалась большей инерционностью в сравнении с верхними. Полученные результаты говорят о необходимости более широкого применения современных технологий восстановления нарушенных территорий.
Ключевые слова: загрязнение почв нефтью, трансформация, самоочищение, углеводороды, биодеградация, Тюменская область.
RESEARCH OF OIL TRANSFORMATION IN SOILS OF THE SOUTH OF THE TYUMEN REGION
A.S. Nikiforov, Ph.D. Yu.V. Sivkov
Tyumen industrial university, e-mail: [email protected], [email protected]
Study of the natural self-purification of oil-contaminated soils in the south of the Tyumen region carried out a series of full-scale field experiments on two reference sites, simulating emergency oil spills on the soil surface in the amount of 10 and 20 l/m2. The duration of the field experiment was four years. To study the morphological characteristics of the soil in the study area, a soil section was made to a depth of 1.5 meters. The soil is characterized as a meadow leached medium-thick low-humus medium loamy. Loam and clay are the parent rocks. As a result of the field and laboratory studies, the high toxic effect of oil was confirmed, which was expressed in the death of soil vegetation and its subsequent absence during two growing seasons. The process of natural regeneration of oil-polluted meadow soils has a long adaptation period. The main decrease in the residual content of oil products in the studied areas occurred only in the third (66.2 and 73.8%) and fourth (86.0 and 91.5%) years. In the lower horizons, the dynamics of the decrease in oil products was distinguished by greater inertia in comparison with the upper ones. The results of the study show that the process of natural restoration of oil-contaminated meadow soils is long-lasting and raises the question of the creation and implementation of modern technologies for the restoration of disturbed territories.
Keywords: oil pollution of soil, transformation, self-purification, hydrocarbons, biodegradation, the Tyumen region.
Загрязнение почв сырой нефтью и нефтепродуктами - предмет внимания многих ученых мира [16]. Естественное разложение полициклических углеводородов и других высокомолекулярных соединений в почвах длится многие годы [7-11]. И.Г. Калачников в исследовании «Влияние нефтяного загрязнения на экологию почв и почвенных микроорганизмов» [12] выделяет три этапа процесса само-
очищения почвы: первый этап заключается в вымывании, выветривании и распределении нефтяных углеводородов в почвенном профиле; второй этап сводится к биологическому превращению метано-нафтеновых и ароматических углеводородов и третий этап - деградация полициклической ароматики. Ewetola E.A. [13] исследовал влияние нефти на физические свойства почвы. Изучением влияния от-
работанного моторного масла (SEO) на свойства почвы и рост кукурузы в Нигерии в 2007 г. также занимались B.O. Okonokhua et al. [14].
Изучение самоочищающей способности конкретного типа почв, позволит разрабатывать новые экологически обоснованные нормы предельно-допустимых концентраций углеводородных загрязнений в зависимости от характера загрязнителя для основных типов почв. Эта проблема очень важна в
fe.
Тюменской области, где нефтедобыча и нефтепереработка, транспортировка нефти и нефтепродуктов служит доминирующей областью экономики [15].
Цель исследований - изучение биодеградации нефти в почве под действием естественных природных процессов, в течение четырехлетнего периода на искусственно созданных застарелых разливах.
Рис. 1. Внешний вид и размеры экспериментальной площадки
А
А
В
В2
в
С
Материалы и методы. Для эксперимента было выделено два реперных участка П1 и П2 с размерами 1 х 1 м, заложенных в 30 км к югу от Тюмени (рис. 1). На площадках была проведена предварительная подготовка, которая заключалась в определении границ участков и удалении надземной части растительного покрова.
Для изучения морфологических характеристик почвы исследуемой территории был выполнен почвенный разрез до глубины 1,5 м (рис. 2). Профиль почвы имеет следующее морфологическое строение.
Ао гумусовый дерновый горизонт мощностью 03 см, черный, прочно связан мелкими корнями;
А1 гумусово-аккумулятивный горизонт мощностью 3-33 см, черный, комковатый, плотный, сред-несуглинистый, переход заметный;
АВ переходный горизонт мощностью 33-50 см, буровато-темно-серый, комковатый, уплотнен, тяжелосуглинистый, переход заметный;
В^ иллювиальный горизонт мощностью 50-73 см, сизовато-бурый с охристыми пятнами железа, комковатый, влажный, среднесуглинистый, встречаются единичные затеки гумуса, переход постепенный;
В2g иллювиальный горизонт мощностью 73-110 см, сизовато-бурый с охристыми пятнами железа, комковатый, сырой, тяжелосуглинистый, переход постепенный;
Сщ почвообразующая порода мощностью 110150 см, белесовато-буровато-сизый с включениями железа и карбоната кальция, комковатый, глинистый, мажется, стоит вода.
В соответствии с классификацией Л.Н. Каретина [16], почва исследуемой территории была охарактеризована как луговая выщелоченная среднемощ-ная малогумусная среднесуглинистая. Почвообра-зующие породы - суглинки и глины.
Агрохимический анализа показал, что исследуемая почва характеризуется относительно высокой массовой долей органического вещества (6,08 ± 1,2%) и средним для таких почв содержанием фосфора (60,49 ± 7,26 мг/кг) и калия (60,53 ± 9,08 мг/кг), а также низким содержанием нитратов (менее 2,8 мг/кг). Реакция среды в верхней части профиля слабокислая (рИка 6,5 ± 0,1).
На реперных участках площадью 1 м2 были смоделированы разливы товарной нефти в количестве 10 (П1) и 20 (П2) л/м2, взятой с магистрального нефтепровода Шаим-Тюмень. После полного просачивания нефти участки были огорожены.
Для лабораторных исследований на реперных участках в течение четырех лет отбирали почвенные образцы в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-2017 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа».
Для исследования на нефтепродукты масса смешанных образцов составляла 1 кг. Точечные пробы отбирали послойно с глубины 0-20 и 20-40 см массой не более 200 г каждая. Точечные пробы отбирали с каждого участка методом конверта при помощи шпателя и почвенного бура Качинского. Объединенную пробу формировали путем смешивания точечных проб, отобранных на каждой пробной площадке.
Анализ содержания нефтепродуктов проводили методом ИК-спектрометрии в трехкратной повтор-ности. Из навески исследуемой пробы почвы массой 0,5-5,0 г (в зависимости от предполагаемого содержания нефтепродуктов: 5,0 г - менее 500 мг/кг; 1,0 г - от 500 до 2000) мг/кг; 0,5 г - более 2000 мг/кг) тройной экстракцией порциями по 10 см3 четырех-хлористого углерода в течение 1 ч экстрагируют нефтепродукты, затем хроматографически (на колонке с оксидом алюминия II степени активности по Брокману) отделяют нефтепродукты от сопутствующих органических соединений других классов и количественно определяют содержание нефтепродуктов по интенсивности поглощения в ИК-области спектра на анализаторе содержания нефтепродуктов в четыреххлористом углероде АН-2. Затем рассчитывают массовую долю нефтепродуктов в мг/кг в пересчете на воздушно-сухую почву.
Результаты. Для прогнозирования степени воздействия возможных аварийных разливов нефти на компоненты природной среды, а в особенности на почву, служащую промежуточной средой между наземной и водной, необходимо знать механизмы фильтрации нефти. Загрязнение почвы неизбежно приведет к загрязнению сопредельных сред.
В начале постановки эксперимента визуально отмечена гибель растительности, появился стойкий характерный нефтяной запах, изменился цвет почвы. Данные изменения сохранялись на протяжении нескольких дней, что связано с интенсивным испарением легкой фракции углеводородов. Через семь дней после начала эксперимента были отобраны образцы почвы для лабораторных исследований и проведена фотофиксация (рис. 3). В месте разлива визуально отмечается гибель земляных червей и всей почвенной растительности, присутствует характерный нефтяной запах и цвет, при отборе образцов на буре остается четкое маслянистое пятно, примерно до глубины 35-40 см.
Данные лабораторных исследований показывают приблизительно одинаковое содержание нефтепродуктов на участках П1 и П2, при том, что объем разлитой нефти отличается в 2 раза (10 и 20 л/м2). Эти результаты можно объяснить сорбционными свойствами данного типа почв, и они позволяют судить о процессах миграции, происходящих при разливах нефти. В данном случае можно сделать вывод, что скорость горизонтальной миграции
Рис. 3. Фотография разлива нефти через неделю после начала эксперимента
а) П1 б) П2
Рис. 4. Застарелая модель нефтеразлива на реперных участках
(через год после начала эксперимента)
нефти значительно выше вертикальной, так как площадь пятна разлива на участке П1 больше, чем на участке П2.
Полученные значения концентрации нефтепродуктов в отобранных образцах соответствуют среднему уровню загрязнения (600-40000 мг/кг) по классификации Ю.И. Пиковского [17].
Следующий этап наблюдений проходил через год после проведения первых исследований. На месте разлива участков П1 и П2 по-прежнему отсутствует растительность (рис. 4). Это говорит о том, что процессы самовосстановления почвы угнетены в долгосрочном периоде. Наблюдается стойкий запах углеводородов, почва имеет четкие границы нефтеразлива.
Результаты анализа образцов почвы (таблица) показывают незначительное снижение концентрации нефтепродуктов через год после начала эксперимента: 28,5-28,8% в верхнем слое и 12,3-13,9% в нижнем. Снижение остаточного содержания нефтепродуктов по всей видимости связано с процессами физико-химического выветривания. Эти результаты подтверждают то, что естественной микрофлоре необходимо значительное время для адаптации к ксенобиотику. В слое 20-40 см степень биодеструкции нефти ниже, чем в верхнем, что связано с формированием условий близких к анаэробным. Результаты исследований В.В. Головина [18] также показали низкую скорость естественного самоочищения нефтезагрязненных луговых почв.
Содержание нефтепродуктов в почве за весь период эксперимента, мг/кг
Год эксперимента Площадка П1 Площадка П2
0-20 см 20-40 см 0-20 см 20-40 см
2016 39129 20910 37652 18279
2017 27983 18345 26800 15745
2018 13230 10330 9850 10120
2019 5470 3580 3220 2383
Основное снижение остаточного содержания нефтепродуктов на исследуемых участках произошло в 2018 и 2019 гг. В конце вегетационного периода 2018 г. степень нефтедеструкции составила 66,2% на участке П1 и 73,8% на участке П2. На конец эксперимента общее снижение составило соответственно 86,0 и 91,5% для участков П1 и П2. В нижних слоях динамика снижения нефтепродуктов отличалась большей инерционностью в сравнении с верхними. Наибольшее снижение наблюдалось на участке П2 и составило 87%.
Таким образом, на смоделированных разливах нефти на поверхность почвы при изучении естественного самоочищения нефтезагрязненной почвы на примере луговых почв юга Тюменской области подтверждено высокое токсическое действие нефти, которое было выражено в ги-
бели почвенной растительности и последующем отсутствии ее на протяжении двух вегетационных периодов. Процесс естественного восстановления загрязненных нефтью луговых почв имеет длительный период адаптации. Основное снижение остаточного содержания нефтепродуктов на исследуемых участках произошло только на третий (66,2 и 73,8%) и четвертый (86,0 и 91,5%) годы. В нижних слоях динамика снижения нефтепродуктов отличалась большей инерционностью в сравнении с верхними. Результаты исследования показывают, что процесс естественного восстановления загрязненных нефтью луговых почв длителен и ставит вопрос о создании и внедрении современных технологий восстановления нарушенных территорий.
Литература
1. Гилязов М.К., Яппаров А.Х., Гайсин И.А. Нефтезагрязненные почвы Республики Татарстан и приемы их рекультивации: монография. - Казань: Центр инновационных технологий, 2008. - 244 с.
2. Назаров М.В., Клявлин М.С., Разумов В.Ю. Рекультивация нефтезагрязненных грунтов в зоне деятельности нефтехимических предприятий // Нефтегазовое дело: Экология и промбезопасность, 2014, т. 12, № 4. - С. 167-171.
3. Леднев А.В. Изменение свойств почв европейской части нечерноземной зоны РФ под действием продуктов нефтедобычи и приемы их ремедиации: монография. - Ижевск: ООО «Цифра», 2018. - 230 с.
4. Леднев А.В., Ложкин А.В. Влияние нефтяного загрязнения на агрохимические и токсикологические показатели дерново-подзолистых почв // Агрохимический вестник, 2019, № 2. - С. 72-78.
5. Gina Lova Sari, Yulinah Trihadiningrum, Ni'matuzahroh Ni'matuzahroh. Petroleum Hydrocarbon Pollution in Soil and Surface Water by Public Oil Fields in Wonocolo Sub-district, Indonesia // Journal of Ecological Engineering, 2018, Vol. 19, Issue 2. - P. 184-193. https://doi.org/10.12911/22998993/82800
6. Абдурашитов А.Ю., Антипов Б.В., Бельков В.М., Зиновьева Е.В., Певзнер В.А., Прохоров И.С., Семенцов А.Ю. Методические указания по применению агрохимиката «СК «ПИКСА» для улучшения экологической обстановки в инфраструктуре филиалов ОАО «РЖД». - М.: ВНИИЖТ, ООО «РВК», 2005. - 53 с.
7. Пиковский Ю.И., Калачникова И.Г., Оглобина А.И., Оборин А.А. Экспериментальные исследования трансформации нефти в почвах // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. - Л.: Гидрометеоиз-дат, 1985. - С. 191-195.
8. Семенцов А.Ю., Антипов Б.В., Прохоров И.С., Мизгирев Н.С., Башкин В.Н. Применение суперкомпоста «ПИК-СА» для очистки загрязненных нефтепродуктами почв // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 2006, № 10. - С. 14-18.
9. Леднев А.В., Скворцова И.А. Влияние нефтяного загрязнения и мелиоративных добавок на агрохимические свойства аллювиальных торфяных почв // Агрохимический вестник, 2017, № 3. - С. 49-54.
10. Колесниченко А.В., Марченко А.И., Побежимова Т.П., Зыкова В.В. Процессы биодеградации в нефтезагрязненных почвах. - Москва: «Промэкобезопасность», 2004. - 194 с.
11. Рахманова Г.Ф., Шаронова Н.Л., Дегтярева И.А., Нуртдинова Г.Х. Динамика фитотоксичности нефтезагрязненной серой лесной почвы при применении сорбентов // Агрохимический вестник, 2018, № 6. - С. 26-28.
12. Калачников И.Г. Влияние нефтяного загрязнения на экологию почв и почвенных микроорганизмов / Экология и популяционная генетика микроорганизмов. Труды института экологии растений и животных. - Свердловск: УНЦ СССР, 1987. - С. 24-29.
13. Ewetola E.A. Effect of Crude Oil Pollution on some Soil Physical Properties // IOSR Journal of Agriculture and Veterinary Science (IOSR-JAVS), 2013, Vol. 6, Issue 3. - P. 14-17.
14. Okonokhua B.O., Ikhajiagbe B., Anoliefo G.O., Emede T.O. The Effects of Spent Engine Oil on Soil Properties and Growth of Maize (Zea mays L.) // JASEM J. Appl. Sci. Environ. Manage., 2007, Vol. 11(3). - P. 147-152.
15. Исмаилов Н.М., Гасымова А.С. Самоочищающая способность почв от нефти и нефтепродуктов в зависимости от структуры углеводородов // Аридные экосистемы, 2016, № 4(69). - С. 73-80.
16. Каретин Л.Н. Почвы Тюменской области. - Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1990. - 283 с.
17. Пиковский Ю.И., Геннадиев А.Н., Чернянский С.С., Сахаров Г.Н. Проблема диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами // Почвоведение, 2003, № 9. - С. 1132-1140.
18. Головин В.В. Оценка влияния нефти и нефтепродуктов на биогеоценозы Северного Прикаспия: автореф. дисс. д.б.н. - Волгоград: Типография Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии, 2006. - 48 с.
