Загрязнение почв углеводородами происходит при фонтанировании нефтескважин, неправильной очистке буровых скважин, хранилищ и резервуаров с мазутом и нефтепродуктами, очистительных заводов, а также при инфильтрации их поврежденных труб. При фонтанировании нефтескважин может происходить загрязнение почвы вследствие засоления, так как при одновременно с нефтью из скважины извлекаются грязь и минерализованные подземные воды. Извлекаемый неочищенный мазут, помимо специфических компонентов нефти, содержит пленочную воду в различных пропорциях. Такие комплексные загрязнители воздействуют на почвы в зависимости от количества, состава и особенностей органических и неорганических компонентов.
Почва, обладая свойствами дисперсного, гетерогенного тела, действует как хроматографическая колонка, в которой происходит послойное перераспределение компонентов нефти, удерживающихся в первую очередь в верхних горизонтах почвы. Минерализованные воды с большей плотностью и меньшей вязкостью быстрее проникают в нижние горизонты, причем со временем этот процесс усиливается. Таким образом, одновременно с передвижением компонентов нефти по профилю почв происходит задерживание компонентов типа гудрона и асфальта. Характер сортировки и удержания по профилю почв компонентов нефти зависит от ряда факторов: физических и физико–химических свойств почв, рельефа, количества и состава нефтепродуктов, времени воздействия на почвы. Все это определяет характер загрязнения почв в определенной зоне.
Как показали эксперименты, концентрация нефти и нефтепродуктов в верхнем горизонте достигает 10–20% объема почв, удержание нефтепродуктов по профилю, а, следовательно, обогащение почв органическим углеродом (нефть содержит до 85– 87% углерода) и битумными компонентами происходит в гумусированных и илисто-иллювиальных горизонтах.
Считается, что угнетение растений начинается, когда количество мазута в почве становится выше 1 кг/м.
Один из возможных путей подхода к рассматриваемой проблеме с экологических позиций – разработка и научное обоснование способов биоиндикации антропогенных воздействий на природные экосистемы и составляющие их компоненты. Биоиндикация – это обнаружение и определение биологически и экологически значимых антропогенных н6агрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится и к загрязнениям почвы нефтепродуктами. Не раз отмечали, что поскольку все живые объекты – открытые системы, через которые идет поток энергии и круговорот веществ, все они в той или иной мере пригодны для биоиндикации. Многолетний опыт контроля за состоянием окружающей среды показывает те преимущества, которыми обладают «живые индикаторы»: в условиях хронических антропогенных нагрузок они могут реагировать даже на относительно слабые нагрузки вследствие эффекта кумуляции дозы, эти реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок; суммируют действие всех без исключения биологически важных антропогенных факторов в окружающей среде и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнения и другие антропогенные изменения; исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды; указывают пути и места скопления в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути попадания этих агентов в пищу; только биологические индикаторы позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых веществ для живой природы и для человека, причем дают возможность контролировать их действие.
Учитывая многообразие антропогенных воздействий на природные экосистемы, в биоиндикации этих воздействий необходимо использовать единые критерии. Научная основа для этого имеется, так как поведение различных загрязняющих веществ в объектах окружающей среды и их действие на организм и экосистемы имеют много общего независимо от природы этих веществ.
В обоснование этого тезиса можно привести следующие аргументы:
· сходные пути поступления загрязняющих веществ в окружающую среду. Основные пути их поступления на поверхность почвенно – растительного покрова – это выпадение из атмосферы, внесение в водоемы в составе сбросных вод, а также с отходами различных предприятий.
· сходные формы поступления загрязняющих веществ на поверхность почвенного и растительного покрова.
· общий характер распределения загрязняющих веществ в почвенно – растительном покрове.
· тесная корреляция наблюдается между показателями видовой чувствительности многих видов растений к различным видам антропогенных загрязнителей. Она проявляется в том, что если данный вид чувствителен к каким-либо загрязнениям, очень вероятно, что он чувствителен и к другим.
Важно отметить, что неблагоприятные эффекты не являются строго специфическими, одинаковые реакции могут вызывать разные факторы. Более того, в пределах отдельных таксономических групп (роды, семейства), в частности у древесных растений, проявляется тесная корреляция между их способностью адаптироваться к широкому спектру условий природной среды и устойчивостью к неблагоприятным физико-химическим воздействиям. Такая же взаимосвязь отмечена и у наземных животных: более радиоустойчивые виды, в частности млекопитающие, устойчивее и к воздействию других факторов среды.
К критическим звеньям природных экологических систем, где происходит аккумуляция загрязняющих веществ и создаются высокие дозовые нагрузки на биоту, относятся лесные подстилки и тонкий верхний слой целинных (луговых) почв, бентосные организмы в гидроценозах. Здесь также возможны экологические нарушения при уровнях загрязнения, не создающих серьезных ограничений для населения, проживающего на окружающих территориях. Важно иметь в виду, что аккумулятивные среды на суше и в воде – почвы и прибрежные илы – являются наиболее населенными жизнью во всех ее формах: животными, микрофлорой, корневыми системами высших растений. Именно здесь представляется перспективным вести поиск организмов – биоиндикаторов загрязнений. В почве и в поверхностном слое донных отложений многие живые организмы проходят наиболее чувствительные к антропогенным действиям стадии жизненного цикла (яйца, личинки, куколки животных; семена и проростки). Использование разработанных в экологии биогеоценотических показателей позволяет значительно раздвинуть рамки биоиндикационных исследований, хотя они и не нашли пока широкого применения.
В исследованиях Драчук С.В., Фирсова Н.Н., Маркиной А.И. и др. (Уральский государственный университет, г. Екатеринбург) показана возможность использования пурпурных бактерий для индикации нефтезагрязнений. В пробах нефтезагрязненных почв и грунтов, отобранных на территории города Екатеринбурга, произведен подсчет количества фотогетеротрофных пурпурных бактерий, использующих на свету в анаэробных условиях яблочную и масляную кислоты. В исследованных пробах обнаружено от 1.3 до 130 тысяч клеток в пересчете на грамм абсолютно сухой почвы. Загрязненные углеводородами пробы отличались повышенным содержанием фотогетеротрофных бактерий, использующих масляную кислоту.
Из нефтезагрязненной почвы выделена чистая культура пурпурных бактерий со своеобразной морфологией клеток. Неподвижные палочковидные бактерии данного штамма образуют характерные звездчатые агломераты. Добавление дизельного топлива в среду Молиша в среднем на 30% замедляло скорость роста бактерий выделеного штамма. В отсутствие других субстратов (малата) нефтепродукты в анаэробных условиях на свету не поддерживали рост исследуемых бактерий. В то же время, их рост поддерживали жирные кислоты (пропионовая, масляная). Жирные кислоты могут быть продуктами неполного окисления алканов аэробными микроорганизмами (например, грибами) при недостатке кислорода.
На основании полученных данных, можно предположить, что пурпурные бактерии, использующие в качестве доноров электронов жирные кислоты, могут быть использованы для биоиндикации углеводородных загрязнений и для анаэробной деструкции поверхностно- активных веществ.
В основе всех методов определения нефти в различных природных объектах внешней природной среды лежит извлечение органическими растворителями нефтепродуктов и определение их концентрации в растворе спектральными или хроматографическими методами.
Способ определения нефтепродуктов по их химическому составу получил название инертной маркировки.
Способ инертной маркировки включает в себя ряд аналитических методов, каждый из которых позволяет установить наличие или отсутствие характерных признаков, с помощью которых можно идентифицировать отобранные образцы.
Исследование качественного и количественного состава нефтепродуктов методом инфракрасной спектроскопии основано на том, что каждое индивидуальное органическое соединение имеет свой характерный спектр поглощения, являющейся его индивидуальной характеристикой. Поглощение инфракрасного излучения веществом обусловлено собственными колебаниями молекул и отдельных структурных групп молекул. В сложных углеводородных смесях, каковыми являются нефть и нефтепродукты, индивидуальные спектральные характеристики отдельных компонентов полностью взаимно перекрыты и образуют «фон» спектра, а полосы поглощения соответствуют присутствию в смеси определенных структурных групп независимо от характера и последовательности соединения их в молекулах.
Энергия поглощения измеряется спектрофотометром и фиксируется в виде полос или пиков поглощения на карте. Запись на карте представляет собой инфракрасный спектр поглощения исследуемой смеси.
Положение полосы поглощения характеризуется длиной волны l и волновым числом n, имеющим размерность см -1. Соотношение волнового числа с длиной волны определяется выражением: n = I/l. К инфракрасной области относят длинноволновую часть спектра с n<10000 см -1 или l > 1 мкн.
Каждая структурная группа характеризуется своим набором полос поглощения, которые можно подразделить на три типа:
1. Полосы поглощения, практически сохраняющие интенсивность и общий вид вне зависимости от строения и состава остальной части молекулы; при этом положение полосы может меняться в небольших пределах – порядка полуширины полосы.
2. Полосы поглощения, положение и интенсивность которых могут значительно меняться в зависимости от строения молекулы. Изменение положения этих полос может значительно превышать полширины.
3. Полосы поглощения, положение, интенсивность, а также количество которых могут сильно меняться в зависимости от строения молекулы. Обычно это полосы средней и малой интенсивности.
Качественные измерения производят на основе положения максимумов полос поглощения в спектре исследуемого вещества. Принадлежность наблюдаемых частот к тем или иным группам атомов или связей устанавливают с помощью таблиц характеристических частот или атласов инфракрасных спектров поглощения соединений известного строения.
Наиболее просто и точно определяются структурные группы, которые в совокупность характеризующих их полос имеют хотя бы одну полосу поглощения первого типа.
Полосы поглощения второго типа менее надежны для анализа. Определение углеводородов в смесях на основании изучения только спектров индивидуальных соединений может привести к ошибкам, если в этой же спектральной области присутствуют полосы, относящиеся к другим структурам.
По полосам поглощения третьего типа анализ сложных смесей практически невозможен, так как такие полосы взаимно усредняются, давая равномерный фон поглощения.
Описанный метод изучения структурно – группового состава органических смесей может быть использован для идентификации нефтяных разливов. Такая идентификация основана на сравнении спектров, полученных для образцов, взятых с места разлива, со спектрами образцов, отобранных из предполагаемого источника загрязнения.
Необходимо помнить, что при идентификации нефтяных разливов существенным затруднением является изменение спектральной кривой, вызванное метаморфизацией нефти в результате атмосферного воздействия. Возможность такого изменения должна быть учтена при сопоставлении спектрограмм.
Метод наложения спектров позволяет лишь качественно оценить относительное содержание структур в сравниваемых образцах, поэтому в случае визуального совпадения спектров применяется метод отношения. Этот метод заключается в количественном определении относительного содержания структурных групп в исследуемой смеси путем определения значений относительных оптических плотностей соответствующих полос поглощения к полосе, которая стабильна по своему положению и интенсивности.
Основными достоинствами метода являются простота его проведения и возможность анализа проб небольшого объема. Этот метод может дать сведения о качественном и количественном содержании в образцах практически любых структурных групп.
Сущность метода флуоресцентной спектроскопии заключается в следующем. Нефтепродукты содержат много флуоресцирующих компонентов, поэтому флуоресцентная спектроскопия является высокочувствительным и специфическим методом определения нефтяных разливов. Флуоресцентный анализ представляет собой разновидность фотометрического анализа и отличается от него тем, что в данном случае измеряется интенсивность вторичного (флуоресцентного) излучения, возникающего в результате попадания ультрафиолетового излучения в раствор и поглощения его определенными молекулами.
Метод флуоресцентной спектроскопии обеспечивает идентификацию нефти на основе сравнения спектральных характеристик проб разлитой в воде нефти и проб из предлагаемого источника загрязнения.
Определение нефтепродуктов также можно осуществить хроматографическими методами. С этой целью используют метод газовой хроматографии.
Хроматографическим называется процесс, основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы и связанный с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. В газовой хроматографии подвижной фазой является газ, а неподвижной – твердый адсорбент или жидкость, нанесенная на инертный носитель. Основные возможности газовой хроматографии применительно к исследованию состава нефти и продуктов ее переработки заключается в следующем:
· определение индивидуального состава легких нефтепродуктов;
· определение индивидуального состава ряда более высококипящих нефтепродуктов (парафин, ароматические углеводороды);
· определение углеводородов специфического строения;
· определение группового состава фракций нефти и продуктов ее переработки;
· определение гетероорганических соединений нефти, содержащих серу, азот и кислород;
· препаративное выделение индивидуальных веществ и узких фракций их газообразных и жидких нефтепродуктов.
Исследуемая смесь углеводородов пропускается через хроматографическую колонку, заполненную твердым адсорбентом (оксид алюминия, силикагель и др.) или твердым носителем, пропитанным жидкостью, растворяющей компоненты разделяемой смеси и нелетучей при температуре колонки. После этого поток газа – носителя, включающей десорбированный компонент, проходит через детектор, который фиксирует изменения состава выходящей смеси в виде хроматограммы.