Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние загрязнения нефтью на биологическую активность и гумусовые вещества почв

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Влияние загрязнения нефтью на биологическую активность и гумусовые вещества почв"

? - п Л V 1 САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ОРЛОВА Елена Евгеньевна

УДК 633. 445. 7(479. 22) (6) (043. 3)

ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ И ГУМУСОВЫЕ ВЕЩЕСТВА ПОЧВ

Специальность: 03.00.27 - Почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Санкт-Петербург - Пушкин 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете и в Центральном музее почвоведения им. В. В. Докучава.

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук, профессор И. Н. ДОНСКИХ.

Официальные оппоненты - доктор географических наук

0. М. Терешенков; кандидат биологических наук 0. Г. Растворова.

Ведущее учреждение - Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт химической мелиорации почв.

Защита состоится "JL" 1996 г. в 14 час. 30 мин.

на заседании диссертационного совета К.120.37.01 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 189620, С.-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, 2, кор. 1а, ауд. 239.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

/ у ^Ul^v,

Автореферат разослан / " алч\&л $ 1996 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат с.-х. наук, доцент

Лунина Л. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования. В настоящее время в нашей стране очень остро стоит проблема защиты и рекультивации земель, подверженных разливам нефти. Нефтяные загрязнения относятся к антропогенным воздействиям катастрофического порядка, дающим не постепенную, а "залповую" нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. Под влиянием нефтезагрязнения в почве происходят глубокие, а иногда и необратимые изменения морфологических, физических, физико-химических, микробиологических свойств, резко снижается или полностью утрачивается основное свойство почвы -плодородие.

Все перечисленные свойства почв в значительной степени определяются содержанием, составом и качеством их гумуса. Однако гумусовое состояние нефтезагрязненных почв до сих пор изучено крайне слабо, недостаточно исследованы и процессы трансформации нефтепродуктов (НП) и гумусовых веществ (ГВ) в загрязненных почвах. Это является тормозом при разработке мероприятий по ликвидации последствий нефтяных загрязнений, выборе оптимальных способов рекультивации и использования нефтезагрязненных почв. Таким образом, выявление основных закономерностей и механизмов трансформации органического вещества (ОВ) почв в условиях нефтяного загрязнения является актуальным.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является изучение влияния нефти на биологическую активность и гумусовые вещества почв. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать изменения биологической активности (БА) подзолистых суглинистых почв Сургутского района в условиях нефтяного загрязнения.

2. Провести сравнительное изучение состава гумуса подзолистых суглинистых нефтезагрязненных почв Сургутского района и их чистых аналогов.

3. Выявить закономерности изменения БА и состава гумуса чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы при нефтезагрязнении в условиях модельного эксперимента.

4. Изучить изменения природы и свойств гуминовых кислот (ГК) чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы под влиянием нефтезагрязнения.

5. Определить основные процессы трансформации нефти в почвах.

Научная новизна. Проведено сравнительное изучение биологи-

1

ческой активности и фракциоммо-группового состава гумуса мефте-загрязненных почв Сургутского района и их чистых аналогов, выявлены специфические особенности их гумусового состояния. Впервые в условиях мс^е^нсгс зчсперч'/ента вскрыт механизм влиянии 03 нефти на состав гумуса, природу и свойства ГК двух основных типов почв - дерново-подзолистой и чернозема типичного. Выявлены особенности трансформации углеводородов (УВ) нефти в почвах.

Теоретическая и практическая значимость. Выявлено существование предела насыщения ГК УВ нефти, который может быть использован при уточнении нормирования нагрузок нефтезагрязнений на различные типы почв; предложены показатели, позволяющие диагностировать загрязнения почв нефтью и продуктами ее переработки; дан ряд рекомендаций по биологической рекультивации нефтезагряз-ненных почв северных регионов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско - преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (С-Пб. - Пушкин, 1994, 1995), на Юбилейной науч. конф., посвященной 100-летию со дня рождения И.В.Тюрина (С-Пб., 1993), на Первой Всероссийской конф.: "Поиски нефти, нефтяная индустрия и охрана окружающей среды" (С-Пб., 1995).

Публикации. По результатам исследований опубликовано I работы.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на № страницах машинописного текста; состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка литературы из ^ЭГ наименований (в том числе 33 на иностранных языках) и приложения. Работа содержит таблицы, иллюстрирована АН рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 0 ВЛИЯНИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЙ НА

ПРИРОДНЫЕ СИСТЕМЫ

В главе рассмотрены основные понятия охраны окружающей среды и рационального природопользования, дана общая характеристика нефти и продуктов ее переработки. Особое внимание уделено влиянию нефти на природные системы, рекультивации нефтезагрязненных почв, а также экологической роли ОВ и БА почв.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования. Объектами исследования явились подзолистые суглинистые оглеенные почвы Сургутского района, широко распространенные на территории Среднего Приобья и часто подвер-

2

гсшщиеся пефтлпому эагрязпепшо (Раэреоы S - мефтеэагрлэпеп-

ные, 3, 4 - чистые).

Для проведения модельного опыта были выбраны хорошо изученные почвы, являющиеся характерными представителями двух основных типов почвообразования: степного и лесного - чернозем типичный Курской области из Центрально-черноземного заповедника и дерново-подзолистая хорошо окультуренная тяжелосуглинистая почва Ленинградской области.

Методы исследования. Физико-химические свойства почв определялись общепринятыми методами (Аринушкина, 1970). Для постановки модельных опытов по загрязнению почв нефтью образцы почвы компостировались при нормальных условиях (температура 20-22° С, влажность почвы 60% ПВ) трое суток и загрязнялись нефтью в следующих соотношениях: 0.5, 1.0, 2.5, 5.0, 10.0% по массе. Контролем являлась компостированная незагрязненная почва. Изучение влияния искусственного загрязнения нефтью на БА, фракцион-но-групповой состав гумуса и природу ГК проводилось в образцах почв, отобранных через 7 дней, 6 месяцев и 1 год. Модельный эксперимент был поставлен в 4-кратной повторности, результаты исследования обработаны методом дисперсионного анализа. Содержание нефти в почве определялось люминисцентным методом (Алексеева, Теплицкая, 1981) и методом инфракрасной спектрометрии (Методы определения нефтепродуктов в почвах, 1993). В минеральных горизонтах общий углерод определялся методом Тюрина, в органогенных - методом Анстета в модификации Пономаревой, Николаевой (1961). Биологическая активность определялась двумя методами: по интенсивности дыхания почв на основании учета продуцируемого С0г по методике Головко (1971) и по скорости деструкции мочевины по методике Аристовской, Чугуновой (1986). Определение состава гумуса проводилось по Пономаревой, Плотниковой (1968); оптической плотности гуминовых кислот - методом Плотниковой, Пономаревой (1967). Для выделения препаратов ГК использована методика Плотниковой, Орловой (1984). В полученных препаратах ГК элементный состав определялся микрометодом сухого сжигания на автоматическом анализатора CNH фирмы "Perkin Elmer", модель 240. Содержание кислых функциональных групп ГК определялось методом прямого по-тенциометрического титрования по методике Орловой, Плотниковой (1981).

Оформление рукописи производилось согласно общим требованиям к текстовым документам ГОСТ-2.105-79 (СТ СЭВ 2667-80).

Э. ВЛИЯНИЕ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ И ФРАКЦИОННО-ГРУППОВОЙ СОСТАВ ГУМУСА ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ СУРГУТСКОГО РАЙОНА При изучении влияния загрязнения нефтью на изменение функционирования почвенной биоты и активность биохимических процессов в подзолистой суглинистой оглеенной нефтезагрязненной почве установлено, что в верхних наиболее загрязненных нефтью горизонтах (АО - 26% и А0А2 - 1%) и актуальная, и потенциальная БА очень мала и существенно ниже, чем в соответствующих горизонтах чистой почвы. При расчете результатов определения БА не на массу почвы в целом, а на 1 г органического С различия между нефтезаг-рязненными и чистыми почвами выражены более контрастно. Аналогичные закономерности получены при изучении БА почв по скорости деструкции мочевины. Это говорит о значительном ингибирующем влиянии нефти на жизнедеятельность микроорганизмов, связанном с токсическими свойствами нефти и с резким ухудшением водно-воздушного режима в почве. Выявленные закономерности подтверждают получение ранее данные (Калачникова и др., 1982; Лебедева и др., 1988; Звягинцев, 1989).

При исследовании ранее загрязненных нефтью почв трудно точно определить степень их первоначального загрязнения. В связи с этим был поставлен модельный опыт для выявления влияния различных концентраций нефти на БА горизонта АО, являющегося основным аккумулятором нефти в исследуемой почве. Установлено, что концентрации нефти до 2.5% оказывает на микробиологическую деятельность стимулирующий эффект. Более сильное нефтезагрязнение инги-бирует деятельность микроорганизмов. Выявленные закономерности характерны как для актуальной, так и для потенциальной БА и справедливы при расчете на почву в целом и на 1 г С.

Изучение влияния нефтезагрязнения на гумусовое состояние исследуемых подзолистых почв (табл. 1) показало, что загрязненные почвы отличаются значительно большим по сравнению с чистыми аналогами содержанием общего углерода вследствие присутствия нефти в составе ОВ. Относительная обедненность ОВ почв азотом, вызванная накоплением малоазотистых УВ нефти, приводит к нехарактерному для незагрязненных почв резкому расширению отношения С к N. . Влияние нефти на фракционно-групповой состав гумуса проявляется в увеличении в абсолютных значениях практически всех групп и фракций ГВ; наибольшие изменения претерпевает нераство-4

Таблица 1

Состав гумуса подзолистой нефтезагрязненной почвы и её чистого аналога *

Гор-т, С общ. с/м Содержание ГК Сумма Сумм НО Сгк/

глубина см. % 1 2 3 Сумма ФК РВ Сфк

Не<] незагрязненная, разрез 1

АО 33.62 ьи.у з.: 6 0 1. 94 5.30 4. ВО У. У1) 23. 72 1706

0-7 9.<! Ь.Н 15.12 14.3 26.5 70. 5

А0А2 5.72 29.2 0.62 0.04 0.48 1.14 1.56 2.70 3.02 0.73

7-17 КГБ 077" 8.4 ЗО 27.2 47.3 52.9

A2g 0.66 31.1 0.50 0.01 0.04 0.10 0.26 0.36 0. 30 0. 38

17-28 Т1Г 1.Ь 6.1 15.2 39. 3 54. Ь 45. Ь

Вй 0.28 8.5 0.01 0 0.01 0.02 0.16 0. 18 0.30 0.32

38-40 37Н- 3.6 7.2 57.3 Й4.3 35. 7

чистая, разрез з

АО 17.76 29.1 2.47 и 1.7В 4.25 4.21 В. 46 9. 30 1.01

0-5 14. 1 к).и 24.1 23.7 47. В 52. 2

А0А2 5.20 26.8 0.58 0 0. 46 1.04 1.45 2.49 2.73 0.72

5-12 13. 2 В. В 20.0 27. 9 47. 9 52. 3

A2g 0.57 10.9 0.05 0.01 0.04 0.10 0.21 0.33 0.26 0.48

12-30 В.Ь 1.В 7.0 17.6 36.5 Ь4.3 45.9

Вй 0.25 8.3 0.01 0 0 01 0.02 0.15 0. 17 0.08 0. 33

30-50 4.0 4.У В. 0 ви.и 6В.0 32.0

* - в числителе % к почве, в знаменателе % к С общему.

римый остаток (НО). При этом отношение Сгк к Сфк практически не изменяется. Оптическая плотность ГК при нефтезагрязнении снижается.

Прирост растворимой и нерастворимой частей гумуса, отнесенный к общему содержанию нефти в почве дает общее представление о превращении нефти в исследуемой почве. В поверхностном горизонте почвы при высоком загрязнении только 10% нефти подвергаются трансформации. Остальная ее часть консервируется, пополняя НО. В горизонте А0А2 процессами трансформации затрагивается значительно большая часть нефти - около 40%, что связано с более низким нефтяным загрязнением и более интенсивной микробиологической активностью в данном горизонте. Однако и в этом горизонте основная часть нефти консервируется.

Изучение изменения гумусового состояния нефтезагрязненных почв в природных условиях не дает возможности детально исследовать процессы трансформации ОВ почв под влиянием УВ нефти и провести балансовые расчеты. В связи с этим был проведен модельный

5

эксперимент по искусственному загрязнению почв нефтыо и их длительному компостированию.

4. ВЛИЯНИЕ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО И ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ

В ходе проведения модельного опыта по загрязнению чернозема типичного различными концентрациями нефти (от 3 до 10%) установлено, что при невысоком загрязнении нефть оказывает стимулирующее влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Более высокие дозы нефти подавляют развитие микрофлоры (рис.3). Так значения актуальной и потенциальной БА максимальны при 3%-ом загрязнении и начинают резко снижаться при 5%-ом.

Изучение динамики БА чернозема показало, что при 6-месячном компостировании активность микрофлоры максимальна. К концу годичного компостирования БА снижается. При этом различия между вариантами опыта по дозам нефти становятся менее выраженными.

Ингибирующее влияние нефти на БА дерново-подзолистой почвы проявляется уже при 5%-ом загрязнении для актуальной и при 30%-ом - для потенциальной БА (рис. 1). Наибольший стимулирующий эффект наблюдается при 2. 5%-ом загрязнении нефтью для актуальной и 5%-ом для потенциальной БА. Начиная с 6-месячного компостирования значения актуальной и потенциальной БА максимальны при 3%-ом загрязнении и резко снижаются при 5%-ом. В процессе компостирования наибольшее значение БА также, как и в черноземе, наблюдается при 6-месячном компостировании, наименьшее - при годичном.

При изучении БА по скорости разложения мочевины установлено, что максимальная БА в обеих исследованных почвах наблюдается при 3%-ом загрязнении. По всему интервалу компостирования максимальных значений БА достигает при 6-месячном компостировании, а минимальных - при годичном.

Следует отметить, что актуальная БА практически во всех вариантах опыта выше в дерново-подзолистой почве, а потенциальная - в черноземе.

Таким образом, изучение влияние различных концентраций нефти на БА чернозема и дерново-подзолистой почвы показало, что разные дозы нефти оказывают различное влияние на исследуемые показатели. При невысоком загрязнении (до 2.5%) нефть оказывает стимулирующее влияние на активность микроорганизмов. Более высокие концентрации нефти (более 5%) подавляют развитие микрофлоры, что, по-видимому, связано как с токсическими свойствами компо-6

мг/100г поч&ы/сугки

||

и

А

I

I

07. Г/. 5% 07. 1/. 5/. 0% 1% 57.

1 2 3

4030 20 10

I

07.

5%

Рисунок 1.

г/. 1

Влияние

1 I

:1

I

I

в

I

1

и

КОНЦЕНТР

О % 1% 5% 0% # НЕФТИ

2 3

нефтезагрязнения на БА чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы А - чернозем типичный; Б - дерново-подзолистая почва; 1 - 7 дней компостирования, 2-6 месяцев, 3 - 1 год;

- потенциальная БА.

У////^ - актуальная БА,

ментов нефти, так и с ухудшением водно-воздушного реяима в почвах.

Состав гумуса нефтезагрязненных и чистых исследуемых почв (табл. 2, 3) существенно различается с первых дней взаимодействия нефти с почвой. Изменения в составе гумуса имеют общий характер как в дерново-подзолистой почве, так и в черноземе, отличие заключается лишь в степени выраженности процессов, а не в их направленности.

При искусственном загрязнении почв нефтью происходит увеличение содержания общего С, расширение отношения С к N. В составе гумуса наблюдается возрастание практически всех групп и фракций ГВ, и в наибольшей степени увеличивается содержания НО. Значимых изменений Сгк: Сфк не выявлено. Поскольку увеличение содержания гумусовых кислот происходит практически сразу после загрязнения, то есть уже после 7-дневного компостирования, можно предположить, что происходит химическое взаимодействие УВ нефти с молекулами ГК и фульвокислот (ФК). Часть компонентов нефти, включенную в состав молекул гумусовых кислот в результате непосредственного химического взаимодействия, условно назовем "гумифици-рованной", в отличие от "консервируемой" части нефти, которая пополняет НО.

Необходимо отметить, что УВ нефти пополняют НО тем в большей степени, чем сильнее нефтяное загрязнение. Поэтому для исследования гумусового состояния почв загрязненных нефтью и НП, а также для оценки степени их загрязнения можно рекомендовать использовать отношение суммы растворимых веществ (РВ) к НО. При загрязнении во всех вариантах модельного опыта этот показатель резко падает.

Также следует отметить, что если в естественных условиях НО почвы составляют гумины, то НО нефтезагрязненных почв состоит как из ГВ, так и консервируемой части нефти, которую отнести к ГВ никак нельзя. Поэтому расчет относительного содержания фракций ГВ на общий углерод в нефтезагрязненных почвах, существенно искажает получаемые результаты, занижая их. Вероятно, более правильным является отнесение углерода фракций гумусовых кислот к суммарной величине исходного содержания углерода в чистой, незагрязненной почве и "гуинфицированного" углерода нефти, исключая его консервируемую часть.

При загрязнении чернозема и дерново-подзолистой почвы нефтью наблюдается увеличение содержания ГК, наибольшие изменения претерпевают 1-я и 2-я фракции. Таким образом, УВ нефти свя-8

Таблица 2

Влияние нефтезагрязнения на состав гумуса дерново-подзолистой почвы *

Срок Конц-ия С общ % Соде эисание ГК Содержание ФК Сум. НО

комп-ия нефти % 1 2 3 Сум. 1а 1 2 3 Сум. РВ

0 2. 84 0. 33 0.27 0.32 0. 92 0.12 0.29 0. 19 0.17 0.77 1. 69 1. 15

100 100 100 100 ЮО 100 100 ЮО 100 100 ЮО 100

7 1 3. 45 0.39 0. 32 0. 33 1.04 0.14 и. 32 0.22 0.18 0. 86 1.90 1.55

дней 121 118 119 103 ИЗ 117 НО 116 Ю6 112 112 135

5 5.96 0.43 0.37 0. 33 1. 13 0.14 0.36 0.26 0. 18 0.94 2.07 3.89

210 130 13? 103 123 т- 124 137 106 122 122 338

0 2.81 0. 30 0.29 0. 32 0. 91 0. Ю 0.32 0.17 0.16 0.75 1.66 1. 15

99 91 107 100 99 83 НО 8Й 94 97 98 ЮО

6 1 3. 40 0.35 0.36 0.34 1.05 0.15 0.33 0.24 0. 18 0.90 1.95 1.45

месяцев 120 106 133 106 114 125 114 126 106 117 115 126

5 5. 87 0. 36 0. 42 0. 32 1. 10 0 10 0.39 0.26 0. 16 0.91 2.01 3.96

207 109 156 103 120 83 134 137 34 118 119 336

0 2.73 0.27 0.31 0. 30 0, 00 0 09 0. 32 0.16 0. 16 0.73 1.61 1. 12

96 82 " 115 93 96 75 110 64 94 95 95 97"

1 1 3.22 0.22 0. 45 0. 33 1.00 0. 14 0. 34 0.23 0. 15 0.86 1.86 1. 36

год 113 67 167 103 109 117 117 121 66 112 110 122

5 5.80 0.34 0.43 0.31 1.08 0. 13 0.40 0.24 0. 14 0.91 1.99 3.81

204 103 159 97 117 108 138 126 82 118 118 331

* - Средние из N = 4; в числителе - % к почве, в знаменателе - % к контролю при семидневном компостировании.

Таблица Э

Влияние нефтезагрязнения на состав гумуса четнозема типичного *

Срок Конц-ия С общ Соде эжание ГК Содержание ФК Сум. НО

пОМП-ИЯ нефти % % 1 2 3 Сум. 1а 1 2 3 Сум. РВ

0 5.24 0.25 1.27 0.50 2.02 0.11 0.40 0.26 0.58 1. 35 3.37 1.87

100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

7 1 5.85 0.29 1.31 0.53 2. 13 0.16 0.41 0.26 0.59 1.42 3.55 2.30

дней 112 116 103 106 105 145 102 100 102 105 105 123

5 8.27 0.38 1. 50 0.55 2. 43 0.17 0.42 0. 32 0.62 1.53 3.96 4.31

156 152 на НО 120 154 105 123 107 из 116 230

0 5.20 0.22 1.28 0.49 1. 99 0. 12 0.35 0.26 0.56 1.32 3.61 1.89

99 86 ' 101 98 98 109 90..... 106 97 98 98 101

6 1 5.80 0.23 1.36 0.54 2. 13 0.18 0.44 0.26 0.58 1.46 3.59 2.21

месяцев 111 92 107 108 105 164 110 100 100 106 106 118

5 8. 18 0.32 1.52 0.54 2.38 0.20 0.50 0.29 0.59 1.63 4.01 4. 17

156 128 120 108 118 182 125 112 102 121 119 223

0 5.17 0.21 1.26 0.50 1.99 0. 11 0.35 0.62 0.56 1.34 3.66 1.64

98 84 101 100 96 100 86 126 97 99 99 96

1 1 5.65 0.18 1.38 0. 52 2 07 0. 20 0. 38 0.29 0.58 1.38 3.45 2.20

год 108 72 109 104 102 182 95" 112 100 106 104 115

5 8.08 0. 30 1.63 0. 55 2, 48 0. 20 0.44 0.33 0.57 1.54 4.02 4.06

154 120 126 110 123 162 110 127 98 114 119 217

* - Средние из N = 4; в числителе - % к почве, в знаменателе - % к контролю при семидневном компостировании.

эгаоаготся с наиболее реакциоппоспособпмми фракциями ГК и практически не вступают во взаимодействие с устойчивой относительно инертной 3-й фракцией ГК.

Загрязнение исследуемых почв нефтью вызывает увеличение содержания ФК в составе их гумуса за счет большего выхода при фракционировании 1а, 1-й и 2-й фракций, тогда как 3-я фракция ФК, как и ГК данной фракции, практически не изменяется. Увеличение содержания ФК происходит в несколько меньшей степени, чем ГК. Вероятно, по химической природе ФК в меньшей степени способны к взаимодействию с ОВ нефти.

Изучение фракционно-группового состава гумуса нефтезагряз-ненных почв показало, что при небольшом загрязнении около 1/3 углерода нефти включается в состав гумусовых кислот. При увеличении загрязнения до 5% относительная доля углерода нефти, включенного в состав ГВ, существенно уменьшается и не превышает 1/5 от общего количества, находящегося в почве, то есть внесение разных доз нефти не приводит к пропорциональным изменениям в содержании фракций гумусовых кислот. Можно предположить, что ГВ не могут связать больше определенного количества ОВ нефти, и что существует предел "насыщения" ГВ почв УВ нефти.

В исследуемых почвах за год снижается содержания Сабщ. и НО. В нефтезагрязненных образцах уменьшение содержания Собщ. происходит несколько интенсивнее. Таким образом, степень минерализации органического углерода в исследуемых нефтезагрязненных почвах несколько выше, чем в контрольных образцах.

При годичном компостировании наблюдается изменение фракционного состава гумусовых кислот, которое, вероятно, можно назвать естественной перегруппировкой. Компостирование приводит к

ОДНОЬрёМсппиму Спижепши ао¡лица петиилсе лаикиюпий фракции ГК-1 И

увеличению - ГК-2. К сожалению, механизм этого явления до пос-ледного времени не вскрыт и требует серьезных исследований. Эта перегруппировка фракций имеет место и в нефтезагрязненных почвах. Характерно, что в наибольшей степени это проявляется при 1%-ом загрязнении. Полученные данные хорошо согласуются с результатами изучения БА чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы при нефтезагрязнении, показавшими стимулирование микробиологической деятельности в наибольшей степени при 1%-ом нефтяном загрязнении.

Содержание С нефти, связанного с ГВ, в целом возрастает в ходе компостирования. Характерно, что в большинстве вариантов опыта максимальные изменения наблюдаются в 6-месячный срок ком-

11

тестирования, при котором отмечаются наибольшие значения БА исследуемых почв. Этот процесс в черноземе типичном выражен несколько слабее. По-видимому, это объясняется меньшим относительным количеством периферических алифатических структур в составе молекул ГК черноземов. Можно предположить, что в дерново-подзолистых почвах "гумификация" нефти будет протекать более активно, чем в черноземах.

Оценивая процессы превращения нефти в почвах за период компостирования, можно отметить, что во всех вариантах опыта основная часть нефти консервируется. Соотношение процессов минерализации, трансформации и консервации, а также изменение их за период компостирования, различно в черноземе и дерново-подзолистой почве. В черноземе в процессе компостирования увеличивается доля трансформируемых фракций нефти. При этом различия по дозам нефти невелики, в то время как в дерново-подзолистой почве соотношение процессов гумификации и консервации в вариантах с разными дозами нефти существенно различается. При 1%-ом загрязнении оно практически совпадает с таковым в черноземе типичном, тогда как при более высоком нефтяном загрязнении (5%) лишь незначительная часть нефти подвергается трансформации, остальная ее часть консервируется. Интересно отметить, что при 1%-ом загрязнении и в черноземе типичном, и в дерново-подзолистой почве за год около 20% нефти минерализуется, что, по-видимому, объясняется максимальной БА соответствующей данному уровню загрязнения. При 5%-ом загрязнении минерализация С нефти выражена крайне слабо,

5. ИЗМЕНЕНИЕ ПРИРОДЫ И СВОЙСТВ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ПОД ВЛИЯНИЕМ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЯ

Данные, полученные в результате изучения фракционно-группо-вого состава гумуса нефтезагрязненных почв, дают основания полагать, что происходит химическое взаимодействие компонентов нефти с ГК. В связи с этим исследована природа и некоторые свойства ГК 1-й и 2-й фракции чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы, так как именно они претерпевают наибольшие изменения при загрязнении почв нефтью (табл.4).

Изменения оптической плотности ГК при нефтезагрязнении, так же как и фракционно-группового состава гумуса, носят общий характер -как для дерново-подзолистой почвы, так и для чернозема типичного. Эти изменения заключаются в снижении коэффициента оптической плотности ГК 1-й и 2-й фракций, при этом уменьшение показателей оптической плотности ГК 1-й фракции обеих исследуемых почв выражено сильней, чем второй. Оптическая плотность 3-й 12

Таблица 4

Изменение элементного состава и коэффициентов оптической плотности гуминовых кислот чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы при нефтезагрязнении

почва Вариант опыта Фр-ия ГК Зола % С Н N 0 Н/С 0/С С/И СО Ее иг/ мл

срок комп-ия конц-ия нефти % атомг 1ые 1

ДП * 7 дней 0 1 5 ГК-1 2. 10 2.04 2.12 35.9 35.5 35.2 43.3 45.0 45.9 2.8 2.3 2.2 18.0 17. 1 16.7 1.21 1.27 1.30 0.50 0.48 0.47 12.8 15.4 16.0 -0.20 -0.30 -0. 36 8.0 6.8 6. 4

0 1 5 ГК-2 1. 68 1.73 1. 78 39.6 39.2 38.7 39.1 40. 1 41. 1 2. Ь 2.5 2.4 18.Й 18. 1 17. 8 0.99 1.02 1.06 соаэ<о ООО 15.8 15.7 16. 1 -0.03 -0. 10 -0. 14 12.7 12.0 11.6

1 год 0 1 5 ГК-1 1.98 2.00 1.96 36.0 35.4 35.6 42.8 44.7 45.5 2.7 2.3 2.2 18.4 17.6 16.7 1. 19 1.26 1.28 0.51 0.50 0. 47 13.3 15.4 16.2 -0. 17 -0.27 -0.34 8.3 7.6 6. 9

0 1 5 ГК-2 1.72 1. 87 1. 75 39.7 40.0 38.9 38.6 39.6 41.2 2.7 2.4 2. 4 19.0 18.0 17. 5 0.97 0. 99 1.06 0.48 0. 45 0.45 14.7 16. 7 16.2 -0.02 -0.09 -0. 16 12. 9 10. 8 9. 8

ЧТ * 7 дней 0 1 5 ГК-1 1.24 1.20 1.27 41.2 40.5 38. 6 36. 8 38.5 42. 1 3.0 2.7 2.3 18.0 18.3 16.9 0. 89 0.95 1.09 0. 46 0.45 0. 44 13. 7 15.0 16.8 0.02 -0.05 -0.21 10.0 9.2 9.0

0 1 5 ГК-2 0.75 0.90 0.84 46.6 45.0 44.9 29.8 33. 1 34.1 2.6 2.3 1.9 21.0 19. 6 17. 1 0.64 0.74 0.76 0.45 0.44 0.38 17. 9 19.6 23.6 0.26 0.14 0.01 25. 1 24. 7 24.4

1 год 0 1 5 ГК-1 1. 16 1. 10 1.13 41.6 40.2 39.6 36.2 39.5 40.0 3.0 2.5 2.8 19.2 17.7 17.6 0.70 0.98 1.01 ООО 13.9 16.1 14.1 0.05 -0.10 -0. 12 10.4 10.0 9. 7

0 1 5 ГК-2 0.76 0.94 0.90 47.1 46.1 46.4 28.8 32.4 34.1 2.5 2.4 1.9 20.6 19.1 17.6 0.61 0. 70 0.73 0.44 0.41 0.38 18.8 19.2 24.4 0.26 0. 13 0.02 24.9 24.5 24. 1

* - ДП - дерново-подзолистая почва; ЧТ - чернозем типичный.

фракции остается беэ изменений. Спилсепие оптической плотности ГК уже на ранних этапах воздействия нефти на почву свидетельствует о трансформации ГК, приводящей к уменьшению степени ароматизации молекул. Изменения оптической плотности ГК не пропорциональны нефтяному загрязнению, что подтверждает высказанное ранее предположение о существовании у ГК предела насыщения УВ нефти.

Несмотря на общий характер изменений оптической плотности ГК под влиянием нефти, необходимо отметить, что для ГК дерново-подзолистой почвы эти изменения выражены значительнее, как при 3%-ом, так и при 5%-ом загрязнении. В процессе годичного компостирования нефтезагрязненных почв наблюдается постепенное увеличение оптической плотности ГК.

Данные по элементному составу препаратов ГК представлены в табл 4. Их сопоставление свидетельствует о значительных различиях в элементном составе ГК, выделенных из чистых и нефтезагрязненных почв. Уже на раннем этапе воздействия нефти на почвы в элементном составе ГК наблюдаются изменения, которые, вероятно, происходят при непосредственном взаимодействии компонентов нефти с ГВ.

При Т-дневном компостировании в ГК загрязненных почв происходит увеличение С, Н, снижение N и 0. Пересчет элементного состава на атомные % показывает, что при загрязнении почв нефтью содержание С в ГК снижается, поведение остальных элементов аналогично рассчитанному в массовых %, то есть содержание Н возрастает, а содержание N и 0 снижается.

При нефтезагрязнении наблюдается закономерное расширение отношений Н:С, 0:1*1 и одновременное сужение отношения 0:С во всех вариантах и в ГК-1, и в ГК-2 как чернозема типичного, так и дерново-подзолистой почвы. Более широкое отношение Н:С в ГК загрязненных почв характеризует их как более восстановленные. Степень окисленности ГК, выделенных из нефтезагрязненых почв, резко снижается во всех вариантах опыта, что, по-видимому, обусловлено включением в молекулы ГК восстановленных соединений нефти.

В ходе годичного компостирования в элементном составе ГК исследованных почв происходят дальнейшие изменения, связанные не только с непосредственным взаимодействием компонентов нефти с ГВ, на и с изменением условий среды в результате нефтезагрязне-ния. В процессе компостирования незагрязненных почв в составе ГК наблюдается увеличение содержания С и 0 и снижение - Н. Четких изменений в содержании N за год не выявлено. Направленность изменений в элементном составе, вызванных загрязнением нефтью, в 34

ходе компостирования пе меняется.

Таким образом, изучение влияния нефти на природу и свойства ГК чернозема и дерново-подзолистой почвы показало, что при неф-тезагрязнении изменяется химический состав и строение молекул ГК, что свидетельствует о снижении степени их ароматизации и, как следствие этого, - степени их биотермодинамической, а соответственно, и экологической устойчивости.

ВЫВОДЫ

1. Нефтезагрязнение оказывает как прямое, так и косвенное влияние на гумусовое состояние почв. Прямое влияние заключается во взаимодействии УВ нефти с гумусовыми кислотами, косвенное - проявляется в изменении интенсивности и направленности процессов гумусообразования вследствие изменения почвенной биоты и БА почв.

2. Изучение подзолистых почв Сургутского района с высокой степенью нефтяного загрязнения выявило достоверное снижение актуальной и потенциальной БА почв. В модельном опыте было установлено, что низкие концентрации нефти (до 2.5%) оказывают стимулирующий эффект на БА, а увеличение концентраций нефти (с 5%) ингибирует деятельность микроорганизмов.

3. Основным аккумулятором нефти в почвенном профиле изученных подзолистых почв является подстилка. Накопление малоазотистых УВ нефти приводит к относительной обедненности ОВ почв N и резкому увеличению отношения С/Ы, не характерному для естественных почв. Влияние нефтезагрязнения подзолистых почв на состав гумуса проявляется в увеличении в абсолютных значениях всех групп и фракций ГВ, в возрастании содержания НО. Как тенденцию можно отметить некоторое увеличение доли ГК в составе гумуса и снижение их оптической плотности.

4. Изучение влияния нефтезагрязнения на БА чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы в модельном опыте показало, что низкие концентрации нефти (до 2. 5%) оказывают стимулирующий эффект на активность микроорганизмов, более высокие концентрации нефти (с 5%) ингибируют жизнедеятельность почвенной биоты.

5. Состав гумуса нефтезагрязненных и чистых чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы существенно различается. Изменения, происходящие в составе гумуса, наблюдаются с первых дней воздействия нефти на почвы. Данные изменения в обеих исследованных почвах имеют общий характер, отличия заключаются лишь в степени выраженности процессов, а не их направ-

15

леппости.

6. Специфика изменений в составе гумуса при нефтезагрязнении проявляется в резком увеличении НО, значительном сужении отношения суммы РВ к НО и в возрастании абсолютного содержания гумусовых кислот 1-й и 2-й фракций. Отношение Сгк к Сфк расширяется незначительно. Механизм изменений в составе гумуса, по-видимому, заключается в химическом связывании компонентов нефти гумусовыми кислотами.

7. Изучение состава гумуса нефтезагрязненных чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы показало, что разные концентрации нефти не приводят к пропорциональным изменениям в содержании фракций гумусовых кислот, что позволяет предположить наличие предела "насыщения" гумусовых веществ почвы УВ нефти. Увеличение содержания фракций ФК происходит несколько слабее, чем ГК. Вероятно, по химической природе ФК в меньшей степени способны к взаимодействию с УВ нефти.

8. Характер трансформации ОВ почв при искусственном нефтезагрязнении, выявленный на ранних этапах модельного эксперимента, сохраняется в течение всего периода компостирования. В процессе долгосрочного эксперимента снижается содержание общего С и НО, наблюдаются изменения фракционного состава ГК, заключающиеся в снижении наименее биохимически устойчивой фракции 1 и одновременном увеличении содержания фракции 2. При длительном компостировании загрязненных нефтью почв происходит дальнейшее постепенное увеличение гумифицированного С нефти.

9. При нефтезагрязнении изменяется химический состав молекул ГК и их строение. В ГК нефтезагрязненных чернозема типичного и дерново-подзилистой почвы наблюдается уменьшение оптической плотности, содержание С и 0 снижается, Н - увеличивается, расширяется отношение Н к С и резко уменьшается степень окисленности, что свидетельствует о снижении степени ароматизации ГК и объясняется включением в состав их молекул восстановленных компонентов нефти.

30. Превращение нефти в черноземе типичном и дерново-подзолистой почве в условиях модельного эксперимента при 1%-ом загрязнении идет по трем направлениям: минерализации, гумификации и консервации, при 5%-ом загрязнении - в основном по двум: гумификации и консервации, процесс минерализации нефти выражен крайне слабо.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Влияние нефтезагрязнения на биологическую активность подзолистой суглинистой почвы// Современные проблемы почвоведения и экологии. Тез.докл. школы-семинара молодых ученых ф-та почвоведения МГУ. Красновидово, май 1993 г. М. 1993. С. 68 (в соавторстве) .

2. Влияние нефтезагрязнения на состав гумуса подзолистой поч-вы//Современные проблемы почвоведения и экологии. Тез. докл. школы-семинара молодых ученых ф-та почвоведения МГУ. Красновидово, май 1993 г. М. 1993. С. 15 (в соавторстве).

3. О способах рекультивации нефтезагрязненных территорий//Поиски нефти, нефтяная индустрия и охрана окружающей среды. Тез.докл. Первой Всероссийской конференции. СПб. 1995. С.82-83 (в соавторстве).

4. Санитарно-гигиеническая оценка почв С.-Петербурга //Медицинская география: переходный период. Мат. 9 Конференции по медицинской географии (август 1995г.), С.-Пб, 1995, с.109-110 (в соавторстве).

Подписано к печати 22.01.96. Заказ 26 Тираж 100 Объем I п.л. Ц0П СПГУ. 19-ОЗМ, Санкт-Петербург, наб. Макарова,6.