ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2011, № 11, с. 1364-1374
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.41:631.453
ШЕДИНЕНИЯ ЖЕЛЕЗА И БИОДЕГРАДАЦИЯ НЕФТИ В ПЕРЕУВЛАЖНЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
© 2011 г. Ю. Н. Водяницкий
Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7
e-mail: yu.vodyan@mail.ru Поступила в редакцию 10.12.2009 г.
В России массовое загрязнение нефтью перемещается на север в зону повышенного увлажнения с широким распространением гидроморфных почв, где роль аэробной быстрой деградации углеводородов уменьшается, а анаэробной, медленной — возрастает. Биологическая редукция железа Fe(III) развивается только за счет энергии окисления органического вещества, в загрязненных почвах за счет — углеводородов нефти, способствуя техногенному глеегенезу. В отличие от фоновых почв, где оглеение справедливо рассматривается как деградационный процесс, в минеральных загрязненных почвах оглеение можно оценивать с положительным знаком, так как при этом окисляются органические поллютанты, которые в противном случае с водотоком попадают в реки и озера. Роль редукции Fe(III) может быть существенной: на одном из мест пролива нефти за 12 лет после аварии за счет редукции Fe(III) в анаэробной зоне деградировало 1/3 органических поллютантов. В редукции участвуют как гидроксиды железа, так и глинистые минералы, обогащенные Fe(III). В зоне анаэробиоза деструкция органических поллютантов начинается не сразу, а по прошествии ряда лет после активизации соответствующих природных микроорганизмов. Редукция Fe(III) достигает максимума быстрее, чем метаногенез. При охлаждении почв редукция Fe(III) сменяется спонтанным окси-догенезом железа и в почвах с контрастным температурным режимом в течение года идут колебательные реакции: редукция о окисление. Образующиеся зимой оксиды железа летом редуцируются до Fe(II) и возобновляют сопряженную реакцию окисления органических поллютантов при застойном режиме влажности. При мониторинге нефтезагрязненных переувлажненных почв следует обращать особое внимание на формы соединений железа.
ВВЕДЕНИЕ
Нефть — это жидкий природный раствор, состоящий из большого числа углеводородов разнообразного строения и высокомолекулярных смолисто-асфальтовых веществ. В нефти растворено некоторое количество воды, солей и микроэлементов. Главные элементы в нефти: углерод (83—87%), водород (12—14%), азот, сера, кислород (1—2%).
Углеводороды нефти подразделяются на три класса: 1) парафины (алканы) — насыщенные соединения с прямой или разветвленной цепью; 2) нафтены (циклоалканы) — насыщенные циклические соединения; 3) ароматические (арены) — ненасыщенные циклические соединения [14]. В ме-тано-нафтеновой нефти содержание алканов 40— 55%, циклоалканов 35—45%, аренов 5—10%; в ме-тано-нафтеново-ароматической нефти содержание алканов 20—40%, циклоалканов 45—60%, аренов 10—35% [14]. Токсичность углеводородов нарастает от парафинов к ароматическим соединениям. Твердые метановые углеводороды (парафины) — не токсичны для живых организмов, но прочно запечатывают все поры, лишая почву кислорода. О токсичности нафтенов сведе-
ний почти нет. Наиболее токсичны ненасыщенные ароматические углеводороды (арены).
Состав разлитой нефти различен в разных горизонтах почв: в верхних горизонтах сорбируются высокомолекулярные фракции, особенно смолы и асфальтены, а в нижние горизонты и грунтовые воды проникают низкомолекулярные соединения, растворимые в воде. Кольматирование верхних горизонтов, наряду с поступлением легко-окисляемых фракций, ведет к активизации оглее-ния переувлажненной почвы. В песчаных почвах нефть слабее сорбируется почвенными частицами, что ведет к загрязнению почвенно-грунтовых вод [22].
На промыслах загрязнение почв нефтью осложняется выбросами минерализованных промысловых стоков, буровых растворов, шламов и др. Часто в загрязненных почвах образуется вторичное засоление — техногенный галогенез, а также несвойственное гумидным ландшафтам подщелачивание.
В связи с расширением нефтедобычи усугубляются проблемы загрязнения почв при разливе нефти, особенно в местах ее добычи [3, 15]. В России центр тяжести нефтедобычи перемещается на
север в зону повышенного увлажнения, где доминируют гидроморфные почвы. В местах разлива образуются обширные безжизненные площади. В Ханты-Мансийском автономном округе загрязненные площади занимают десятки тысяч гектар [21]. В районе Средней Оби максимально загрязнен Нижневартовско-Самотлорский промышленный узел, где сосредоточены основные нефтяные разработки Западной Сибири. Многие аллювиальные почвы имеют легкий гранулометрический состав, способствующий проникновению углеводородов вглубь толщи и последующему загрязнению водоемов.
Несмотря на самоочищение почв от органических поллютантов, без участия человека этот процесс протекает медленно, а на Севере, где доминируют гидроморфные почвы — особенно медленно. Солнцева [20] отмечает, что в России микробиологическая деструкция нефти в гидро-морфных почвах, изучена гораздо слабее, чем в автоморфных почвах. Существующие технологии рекультивации направлены на ускорение разложения нефти на месте разлива. При этом борются с загрязнением путем дополнительной аэрации почвы, в расчете на активизацию аэробных микроорганизмов, окисляющих углеводороды в присутствии кислорода воздуха. Но на анаэробную деструкцию углеводородов это не влияет. Не удивительно поэтому, что практики пишут о низкой эффективности биопрепаратов-аэробов [20].
В загрязненных гидроморфных почвах особую важность приобретает анаэробный распад углеводородов. В северной тайге и в тундре в условиях переувлажнения роль аэробной деградации углеводородов уменьшается, а анаэробной — возрастает. Процесс анаэробной очистки нефти зависит от многих параметров переувлажненной почвы.
Цель работы: систематизировать сведения о роли соединений железа в биодеградации нефти в переувлажненных загрязненных почвах.
ТЕХНОГЕННОЕ ОГЛЕЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЬЮ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВ
Различия в механизмах природной деструкции органических поллютантов очень существенны. Если поверхностный загрязненный слой почвы подвергается действию кислорода воздуха, действующего как окислитель, то в нижних переувлажненных слоях деструкция легких, подвижных фракций нефти идет под воздействием анаэробных процессов. Развивается вторичный, техногенный глеегенез. Он может охватывать как почвенный профиль, так и отдельные горизонты, в зависимости от глубины проникновения нефти [20]. Новообразованная восстановительная обстановка в разрезах прекрасно фиксируется морфологически. Интенсивность оглеения мине-
ральных почв со временем нарастает, а в разных частях ореола загрязненных почв она дифференцируется. Вблизи источника загрязнения почва становится ярко синей или сине-зеленой, в щелочной среде техногенное оглеение приводит к оливковым оттенкам. Развитие глеевого процесса фиксируют и при микроморфологическом анализе загрязненных почв [16].
В отличие от фоновых почв, где оглеение справедливо рассматривается как деградационный процесс, в минеральных почвах загрязненных нефтью процесс глеегенеза может оцениваться с положительным знаком, так как при этом окисляются органические поллютанты. Можно полагать, что после полного окисления углеводоро-дов-поллютантов, процесс техногенного оглее-ния в минеральном горизонте завершится. Следовательно, почвовед-эколог заинтересован в усилении техногенного оглеения. С этой точки зрения следует рассмотреть факторы, тормозящие развитие вторичного оглеения.
Наиболее активно процесс техногенного глее-генеза развивается в тех (лесо)тундровых ландшафтах, где он соответствует развитию природного педогенеза [20]. Усилению глеевых явлений способствует уплотнение и набухание загрязненной нефтью почвенной массы. Оглеение активизируется в минеральных почвах северных районов добычи нефти.
Известно, что оглеение минеральных почв сопровождается уменьшением количества (гидр)ок-сидов железа и соответствующим увеличением содержания редуцированного Ре(11). Оглеение (смена теплых тонов на холодные) развивается в ходе редукции красящих гидроксидов железа, процесса для которого требуется энергия, поступающая от окисления нефти. Таким образом, появление холодных тонов в минеральной, загрязненной нефтью почве указывает на анаэробное биогенное окисление углеводородов-поллютантов.
Отметим некоторые особенности вторичного оглеения почв. Особенно глубоко нефть проникает в легкие почвы. Но в легкой, песчаной почве мало активных дисперсных частиц гидроксидов железа, способных выступать в качестве акцептора электронов. Недостаток доступного бактериям Ре(Ш) тормозит сопряженное окисление углеводородов нефти после того, как запас доступного бактериям Ре(Ш) израсходован. В настоящее время на загрязненных участках изучают как аэробную, так и анаэробную биологическую деградацию углеводородов-поллютантов [26, 27, 29, 30, 34-36, 40, 53, 59, 62].
Идеализированное распределение зон с разными процессами терминального акцептирования электронов в водонасыщенных отложениях (по [46]).
ДЕСТРУКЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ОГЛЕЕНИИ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВ
В условиях недостатка влаги аэробная биодеградация развивается при участии кислорода воздуха. Напротив, при избытке влаги по мере уменьшения ЕН в почве последовательно развиваются анаэробные процессы (рисунок): денит-рификации, редукции Mn и Fe, сульфатредукции и, наконец, метаногенеза [2, 33, 45, 54, 62].
При редукции Fe(III) органическое вещество выступает как источник энергии. В ходе редукции энергоемкие органические соединения окисляются (в предельном случае до СО2), что влечет потери органического вещества в переувлажненной почве. В настоящее время накопилось достаточно данных о потере гумуса в ходе оглеения за счет восстановления (гидр)оксидов железа [18]. Наиболее ярко это проявляется в рисовых почвах. Выполнен расчет степени окисления органического вещества (в форме СН2О) за период затопления рисовых почв [58]. Оказалось, что на долю органического вещества, окисленного за счет сопряженной редукции Fe(III), пришлось от 1/3 до 2/3 суммарной п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.