Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами

 
Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вступление. 

С каждым годом все больше внимания уделяется  проблемам, связанным с загрязнением окружающей среды. Наиболее остро данный вопрос стоит перед жителями крупных промышленных городов. Например, в России, как и в других развитых странах мира, наблюдается тенденция снижения продаж жилья в экологически неблагополучных районах городов и увеличение - в ближайшем пригороде и экологически чистых районах. Кроме того, Евразия стоит на первом месте в мире по запасам нефти и обладает разветвленной сетью предприятий для ее переработки и транспортировки, в связи с чем возникает проблема очистки почвы от нефтепродуктов. Наиболее экономически выгодным и безопасным методом является микробиологическая деградация.

На настоящее  время наиболее развитыми являются технологии очистки сточных вод, подразделяющиеся по принципу очистки - аэробные и анаэробные и по способу очистки - экстенсивные (поля орошения, поля фильтрации, биопруды и т.д.) и интенсивные (аэротенки, биофильтры и т.д.). В основе интенсивных способов лежит использование активного ила для удаления примесей из воды, основанного на уникальной способности микроорганизмов утилизировать не только те субстраты, которые для них оптимальны, но и огромное количество других веществ, созданных человеком искусственно и поэтому отсутствовавших ранее в природе.

Штаммы  микроорганизмов, способные к биодеградации  нефтепродуктов, известны достаточно давно (это, прежде всего представители родов Bacillus, Bacterium и Pseudomonas) и их число с каждым годом увеличивается.

В настоящее  время проблема взаимодействия человеческого  общества с природой приобрела особую остроту. Становится бесспорным, что  решение проблемы сохранения качества жизни человека немыслимо без определенного осмысления современных экологических проблем: сохранение эволюции живого, наследственных субстанций (генофонда флоры и фауны), сохранение чистоты и продуктивности природных сред (атмосферы, гидросферы, почв, лесов и т. д.), экологическое нормирование антропогенного пресса на природные экосистемы в пределах их буферной емкости, сохранение озонового слоя, трофических цепей в природе, биокруговорота веществ и другие.

Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы 
Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере.

Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании  органического вещества, различных  химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений. Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится.

Именно  поэтому чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Почвенная экосистема.

Важным  этапом в развитии биосферы явилось  возникновение такой ее части, как  почвенный покров. С образованием достаточно развитого почвенного покрова биосфера - становится целостной завершенной системой, все части которой тесно взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Значение  почвы.

Почвенный покров является важнейшим природным  образованием. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для населения планеты. Площадь земельных ресурсов мира составляет 129 млн. км2 или 86,5% площади суши. Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий занимают около 15 млн. км2 (10% суши), сенокосы и пастбища— 37,4 млн. км2 (25% суши). Общая пахотнопригодность земель оценивается различными исследователями по-разному: от 25 до 32 млн. км2.

Представления о почве, как о самостоятельном природном теле с особыми свойствами появились лишь в конце XIX в., благодаря В. В. Докучаеву, — основоположнику современного почвоведения. Он создал учение о зонах природы, почвенных зонах, факторах почвообразования. 

Структура почвы.

Почва — это особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Почва — это та среда, где взаимодействует большая часть элементов биосферы: вода, воздух, живые организмы. Почву можно определить как продукт выветривания, реорганизации и формирования верхних слоев земной коры под влиянием живых организмов, атмосферы и обменных процессов. Почва состоит из нескольких горизонтов (слоев с одинаковыми признаками), возникающих в результате сложного взаимодействия материнских горных пород, климата, растительных и животных организмов 
(особенно бактерий), рельефа местности. Для всех почв характерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних горизонтов почв к нижним.

Горизонт A l — темно-окрашенный, содержащий гумус, обогащен минеральными веществами и имеет для биогенных процессов наибольшее значение.

Горизонт  А 2 — элювиальный слой, имеет  обычно пепельный, светло-серый или  желтовато-серый цвет.

Горизонт  В — элювиальный слой, обычно плотный, бурый или коричневой окраски, обогащенный коллоидно-дисперсными минералами.

Горизонт  С — измененная почвообразующими процессами материнская порода.

Горизонт  В — исходная порода.

Поверхностный горизонт состоит из остатков растительности, составляющих основу гумуса, избыток или недостаток которого определяет плодородие почвы.

Гумус — органическое вещество, наиболее устойчивое к разложению и поэтому  сохраняющееся после того, как  основной процесс разложения уже  завершен. Постепенно гумус также  минерализуется до неорганического вещества. Перемешивание гумуса с почвой придает ей структуру. Обогащенный гумусом слой называется пахотным, а нижележащий слой — подпахотным. 
Основные функции гумуса' сводятся к серии сложных обменных процессов, в которых участвуют не только азот, кислород, углерод и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве. Под гумусовым горизонтом располагается подпочвенный слой, соответствующий выщелоченной части почвы, и горизонт, отвечающий материнской породе.

Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В твердой фазе преобладают минеральные образования и различные органические вещества, в том числе гумус, или перегной, а также почвенные коллоиды, имеющие органическое, минеральное или органоминеральное происхождение. Жидкую фазу почвы, или почвенный раствор, составляет вода с растворенными в ней органическими и минеральными соединениями, а также газами. Газовую фазу почвы составляет "почвенный воздух", включающий газы, заполняющие свободные от воды поры.

Важным компонентом почвы, способствующим изменению ее физико-химических свойств, является ее биомасса, включающая кроме микроорганизмов (бактерии, водоросли, грибы, одноклеточные) еще и червей и членистоногих.

Образование почв происходит на Земле с момента  возникновения жизни и зависит от многих факторов:

Субстрат, на котором образуются почвы. От характера  материнских пород зависят физические свойства почв (пористость, водоудерживающая способность, рыхлость и т. д.). Они  определяют водный и тепловой режим, интенсивность перемешивания веществ, минералогический и химический составы, первоначальное содержание элементов питания, тип почвы.

Растительность  — зеленые растения (основные создатели  первичных органических веществ). Поглощая из атмосферы углекислоту, из почвы воду и минеральные вещества, используя энергию света, они создают органические соединения, пригодные для питания животных.

С помощью  животных, бактерий, физических и химических воздействий органическое вещество разлагается, превращаясь в почвенный  гумус. Зольные вещества наполняют минеральную часть почвы. Неразложившийся растительный материал создает благоприятные условия для действия почвенной фауны и микроорганизмов (устойчивый газообмен, тепловой режим, влажность).

Животные  организмы, выполняющие функцию преобразования органического вещества в почву. Сапрофаги (земляные черви и Др.), питающиеся мертвыми органическими веществами, влияют на содержание гумуса, мощность этого горизонта и структуру почвы. Из наземного животного мира на почвообразование наиболее интенсивно влияют все виды грызунов и травоядные животные.

Микроорганизмы (бактерии, одноклеточные водоросли, вирусы) разлагающие сложные органические и минеральные вещества на более  простые, которые в дальнейшем могут  использоваться самими микроорганизмами и высшими растениями.

Одни  группы микроорганизмов участвуют  в превращениях углеводов и жиров, другие — азотистых соединений. Бактерии, поглощающие молекулярный азот воздуха, называют азотофиксирующими. Благодаря их деятельности, атмосферный  азот могут использовать (в виде нитратов) другие живые организмы. Почвенные микроорганизмы принимают участие в разрушении токсических продуктов обмена высших растений, животных и самих микроорганизмов в синтезе витаминов, необходимых для растений и почвенных животных.

Климат, влияющий на тепловой и водный режимы почвы, а значит на биологический  и физико-химические почвенные процессы.

Рельеф, перераспределяющий на земной поверхности  тепло и влагу.

Хозяйственная деятельность человека в настоящее  время становится доминирующим фактором в разрушении почв, снижении и повышении их плодородия. Под влиянием человека меняются параметры и факторы почвообразования — рельефы, микроклимат, создаются водохранилища, проводится мелиорация.

Основное  свойство почвы — плодородие. Оно  связано с качеством почв. В разрушении почв и снижении их плодородия выделяют следующие процессы:

Аридизация  суши — комплекс процессов уменьшения влажности обширных территорий и  вызванное этим сокращение биологической  продуктивности экологических систем. Под действием примитивного земледелия, нерационального использования пастбищ, беспорядочного применения техники на угодьях почвы превращаются в пустыни.

Эрозия  почв, разрушение почв под действием  ветра, воды, техники и ирригации. Наиболее опасна водная эрозия — смыв почвы талыми, дождевыми и ливневыми водами. Водные эрозии отмечаются при крутизне уже 1-2°. Водной эрозии способствует уничтожение лесов, вспашка по склону.

Ветровая  эрозия характеризуется выносом  ветром наиболее мелких частей. 
Ветровой эрозии способствует уничтожение растительности на территориях с недостаточной влажностью, сильными ветрами, непрерывным выпасом скота.

Техническая эрозия связана с разрушением  почвы под воздействием транспорта, землеройных машин и техники.

Ирригационная эрозия развивается в результате нарушения правил полива при орошаемом земледелии. Засоление почв в основном связано с этими нарушениями. В настоящее время не менее 50% площади орошаемых земель засолено, потеряны миллионы ранее плодородных земель. Особое место среди почв занимают пахотные угодья, т. е. земли, обеспечивающие питание человека. По заключению ученых и специалистов, для питания одного человека следует обрабатывать не менее 0,1 га почвы. Рост численности жителей Земли напрямую связан с площадью пахотных земель, которая неуклонно сокращается.

Земля сегодня может прокормить 15 млрд. человек. Бережное и грамотное обращение  с землей сегодня стало самой  актуальной проблемой.

Из сказанного следует, что почва включает минеральные  частицы, детрит, множество живых  организмов, т. е. почва — это сложная экосистема, обеспечивающая рост растений. Почвы — это медленно возобновляемый ресурс.

Процессы  почвообразования протекают очень  медленно, со скоростью от 0,5 до 
2 см за 100 лет. Мощность почвы невелика: от 30 см в тундре до 160 см — в западных черноземах. Одна из особенностей почвы — естественное плодородие 
— формируется очень длительное время, а уничтожение плодородия происходит всего за 5—10 лет. Из сказанного следует, что почва менее подвижна по сравнению с другими абиотическими составляющими биосферы.

Хозяйственная деятельность человека в настоящее  время становится доминирующим фактором в разрушении почв, снижении и повышении  их плодородия. 

Минеральные элементы питания  и способность  почвы их удерживать.

Чтобы растения (продуценты) могли нормально расти и развиваться, почва, как среда обитания, должна удовлетворять их потребности в минеральных элементах питания, воде и кислороде. Очень важное значение имеют кислотно- основные свойства почвы (рН почвы) и ее соленость.

Для питания растений необходимы такие минеральные вещества, как нитраты 
(NO₃—ионы), фосфаты (РО 43-, Н₂РО₄, НРО 42- — ионы), соли калия (К+—ионы), кальция (Са₂+—ионы). За исключением азота остальные биогены изначально входят в состав горных пород наряду с непитательными элементами (SiO2, 
Al₂O₃ и др.). Однако эти биогены недоступны растениям, пока они закреплены в структуре материнской породы. Чтобы ионы биогенов перешли в менее связанное состояние или в водный раствор, материнская порода должна быть разрушена. Материнская порода разрушается в процессе естественного выветривания. Выветривание включает все естественные физические процессы 
(замерзание, оттаивание, нагревание, охлаждение и т. д.), биологические факторы (давление корней растений, растущих в мелких трещинах), а также различные химические реакции.

Азот  поступает в почву при гниении  органических веществ в виде аммиака, который под действием нитрифицирующих  бактерий окисляется в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию  с находящимися в почве солями угольной кислоты, например карбонатом кальция, образует селитру:

СаСО₃ + 2HNO₃-> Ca(NO₃)₂+ СО₂+ Н₂О

Однако  некоторая часть органического  азота денитрофицирующими бактериями превращается в недоступную для, растений форму (свободный азот). К  процессам, возмещающим потерю азота, относятся:

1) атмосферные  электрические разряды, при которых  всегда образуется некоторое  количество оксидов азота с  последующим превращением в азотную  кислоту и селитру;

2) превращение  атмосферного азота в азотные  соединения клубеньковыми бактериями, входящими в состав корней некоторых растений (клубеньковые растения, например, бобовые культуры, клевер и многие другие растения).

Таким образом, в природе совершается  непрерывный круговорот азота, так  же, как и других биогенов. В агроэкосистемах этот круговорот нарушается, поскольку биогены удаляются вместе с собранным урожаем.

Когда ионы биогенов высвобождаются, они  становятся доступными растениям, но могут  также просачиваться через почвы (процесс выщелачивания).

Выщелачивание не только снижает плодородие почвы, но и загрязняет водоемы. 
Способность почвы связывать и удерживать ионы биогенов называется ионообменной емкостью почвы. Если ионообменная емкость почвы утрачена, то биогены выщелачиваются и плодородие почвы падает. Поэтому в агроэкосистемах необходимо постоянно пополнять биогены, внося их. в виде удобрений.

Неорганические  удобрения (или химические) представляют собой смесь минеральных биогенов. Органические удобрения — это  растительные остатки и отходы животных (навоз, торф), они увеличивают ионообменную емкость почвы и по мере разложения высвобождают биогены.

Помимо  ионообменной емкости почва должна обладать водоудерживающей способностью, поскольку растениям для функционирования необходима вода не только на фотосинтез (расход 1% воды), но и на возобновление потерянной через листья влаги — транспирацию (расходуется 99% воды). Из сказанного следует, что почва должна впитывать воду (инфильтрация) с поверхности, обладать водоудерживающей способностью и поверхностным покровом, препятствующим испарению влаги.

Для питания  растениям, а также микроорганизмам  почвы необходим кислород: в результате клеточного дыхания растения выделяют углекислый газ. Почва должна обеспечить диффузию кислорода из воздуха и  углекислого газа от корней в воздух, т. е. хорошо аэрироваться. Аэрацию почвы затрудняет уплотнение почвы и чрезмерное насыщение ее водой.

Почва не должна содержать много соли (т. е. быть засоленной), поскольку в  этом случае происходит обезвоживание  клеток ("обратный" осмос) и растения погибают.

Кислотность почвы должна быть близка к нейтральной (рН - 6—8).

Ионообменная  емкость почвы, ее инфильтрация, аэрация, водоудерживающая способность, а также  обрабатываемость почвы зависят  от ее гранулометрического состава .

Наилучшим гранулометрическим составом почвы считается суглинистый или пылевидный состав, обеспечивающий средние свойства почвы. Независимо от механического состава почвы гумус и создаваемая им почвенная структура обеспечивают необходимые условия для жизни растений. Со временем гумус разрушается (до 50% в год), утрачивается почвенная структура — происходит минерализация почвы. Поэтому необходим постоянный приток детрита в почву.

Гранулометрический  состав различных  типов почв и их свойства 

Таблица 1 

В природных  экосистемах имеется взаимосвязь: почва обеспечивает растения биогенами, растения обеспечивают почву детритом, почвенную экосистему — пищей, защищают почву от эрозии, сокращают потерю воды от испарения и не препятствуют инфильтрации. Взаимосвязь между почвой и растительностью — динамическое равновесие, а не стационарное состояние (меньше гумуса —> меньше растений —> меньше детрита —> меньше гумуса и т. д.). 

Загрязнение почвы химическими веществами и его последствия.

Техногенная интенсификация производства способствует загрязнению и дегумификации, вторичному засолению, эрозии почвы.

К веществам, всегда имеющимся в почве, но концентрация которых может возрастать в результате деятельности человека, относятся металлы, пестициды. Из металлов в почве часто обнаруживают избыточные концентрации свинца, ртути, кадмия, меди и др.

Повышенное  содержание свинца может быть вызвано  атмосферной эмиссией 
(поглощение из атмосферы) за счет выхлопных газов автомобилей, в результате внесения компостных удобрений и почва становится мёртвой при содержании в ней 2-3 г свинца на 1 кг грунта (вокруг некоторых предприятий содержание свинца в почве достигает 10-15 г/кг). 
Мышьяк содержится во многих естественных почвах в концентрации 10 млн.-1, однако его концентрация может увеличиться в 50 раз за счет применения для протравы семян арсената свинца. Ртуть в обычных почвах содержится в количестве от 90 до 250 г/га; за счет протравливания она может ежегодно добавляться в количестве около 5 г/га; примерно такое же количество попадает в почву с дождем. Дополнительные загрязнения возможны при внесении в почву удобрений, компостов и с дождевой водой.

Для уничтожения  вредителей изобретены тысячи химикатов. Их называют пестицидами, а в зависимости от группы организмов, на которые они действуют, их делят на инсектициды (убивают насекомых), родентициды (уничтожают грызунов), фунгициды (уничтожают грибы). Однако ни один из этих химикатов не обладает абсолютной избирательностью в отношении организмов, против которых он разработан, и представляет угрозу также для других, организмов, в том числе и для людей. Экологически значительно целесообразнее для борьбы с сельскохозяйственными вредителями использовать природные или биологические методы. Существуют четыре основных категорий биологических методов борьбы с вредителями: а) с помощью естественных врагов; б) генетические методы; в) использование стерильных самцов; г) с помощью природных химических соединений

В почвах подзолистого типа с высоким содержанием железа при его взаимодействии с серой образуется сернистое железо, которое является сильным ядом. В результате в почве уничтожается микрофлора (водоросли, бактерии), что приводит к потере плодородия.

Почвы вокруг больших городов и крупных предприятий цветной и чёрной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, машиностроения, 
ТЭС на расстоянии в несколько десятков километров загрязнены тяжёлыми металлами, нефтепродуктами, соединениями свинца, серы и другими токсичными веществами. Загрязнение почв нефтью в местах её добычи, переработки, транспортировки и распределения превышает фоновое в десятки раз.

Таким образом, интенсивное развитие промышленного  производства приводит к росту промышленных отходов, которые в совокупности с бытовыми отходами существенно влияют на химический состав почвы, вызывая ухудшение её качества. Сильное загрязнение почвы тяжёлыми металлами вместе с зонами сернистых загрязнений, образующихся при сжигании каменного угля, приводят к изменению состава микроэлементов и возникновению техногенных пустынь.

Изменение содержания микроэлементов в почве  немедленно сказывается на здоровье травоядных животных и человека, приводит к нарушению обмена веществ, вызывая  различные эндемические заболевания  местного характера.

Например, недостаток йода в почве ведет  к болезни щитовидной железы, недостаток кальция в питьевой воде и продуктах  питания — к поражению суставов, их деформации, задержке роста.

Загрязнение почвы пестицидами, ионами тяжелых  металлов приводит к загрязнению сельскохозяйственных культур и соответственно пищевых продуктов на их основе.

Так, если зерновые культуры выращивают с высоким  естественным содержанием селена, то сера в аминокислотах (цистеин, метионин) замещается селеном. Образовавшиеся "селеновые" аминокислоты могут привести к отравлению животных и человека. Недостаток молибдена в почве приводит к накоплению в растениях нитратов; в присутствии природных вторичных аминов начинается последовательность реакций, которые могут инициировать у теплокровных животных развитие раковых заболеваний.

В почве  всегда присутствуют канцерогенные (химические, физические, биологические) вещества, вызывающие опухолевые заболевания  у живых организмов, в т. ч. и  раковые. Основными источниками  регионального загрязнения почвы канцерогенными веществами являются выхлопы автотранспорта, выбросы промышленных предприятий, продукты нефтепереработки.

Антропогенное вмешательство может влиять на повышение  концентрации природных веществ  или вносить новые, посторонние  для окружающей среды вещества, такие, как пестициды, ионы тяжелых металлов. Поэтому концентрация этих веществ (ксенобиотиков) должна определяться как в объектах окружающей среды (почве, воде, воздухе), так и в пищевых продуктах. Предельно допустимые нормы на присутствие остатков пестицидов в продуктах питания различны в разных странах и зависят от характера экономики (импорта- экспорта продовольствия), а также от привычной структуры питания населения. 

Потеря  почвы.

Для устойчивого  развития человеку необходимо осознать свое отрицательное воздействие на почву и принять меры по снижению этого воздействия.

Увеличение  численности человечества приводит к более интенсивному землепользованию. Характер деятельности человека весьма разнообразен, и условно можно  выделить следующие аспекты: а) сельское и лесное хозяйство; б) разнообразное строительство; в) горнотехнические мероприятия.