Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-биологические особенности и подходы к нормированию загрязнения нефтепродуктами городской среды Архангельска

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Эколого-биологические особенности и подходы к нормированию загрязнения нефтепродуктами городской среды Архангельска"

На правах рукописи

МИХАЙЛОВА Анна Анатольевна

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ПОДХОДЫ К НОРМИРОВАНИЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТАМИ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ АРХАНГЕЛЬСКА

Специальность 03.02.08 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

23 ОКГщ

005553727

Петрозаводск - 2014

005553727

Работа выполнена в Институте естественных наук и технологий Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» (г. Архангельск)

Научный руководитель кандидат химических наук, доцент

Попова Людмила Федоровна

Официальные оппоненты: Федорец Наталия Глебовна

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующая лабораторией лесного почвоведения Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт леса Карельского научного центра РАН»

Прожерина Надежда Александровна

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт экологических проблем Севера УрО РАН»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

научное учреждение «Архангельский научно-исследовательский институт сельского хозяйства»

Защита диссертации состоится 19 ноября 2014 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33, эколого-биологический факультет, тел. факс: 8 (8142)76-38-64; e-mail: dissovet@petrsu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета и на сайте www.petrsu.ru.

Автореферат разослан «.OY » С А 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

И.М. Дзюбук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Загрязнение компонентов окружающей среды углеводородами нефти и нефтепродуктов является экологической проблемой России: она остра в нефтедобывающих районах и актуальна в городах (Экология города, 2008). Одновременно в отечественной и мировой науке существует проблема нормирования нефтяного загрязнения почв и экосистем. Для нефти, нефтепродуктов не установлены значения предельно допустимых концентраций, не разработаны экологически безопасные нормы содержания в почве. Ориентировочно допустимые концентрации нефти и нефтепродуктов в почвах, разработанные для крупных групп почв, сходных по основным свойствам, определяющим устойчивость к загрязнению (гранулометрический состав, рН и др.), носят общий характер.

В настоящее время и в России, и за рубежом основным при оценке состояния окружающей среды и нормировании её качества признан эколого-биологический подход. В России С. И. Колесниковым с соавторами (Колесников и др., 2011) предложена оценка степени негативного воздействия загрязнения углеводородами нефти и бензина на основе «эмерджентного» подхода по степени нарушения экологических и хозяйственных функций, выполняемых почвой в природной экосистеме, агроэкосистеме или урбоэкосистеме.

Однако эколого-биологические особенности загрязнения городской среды Архангельска углеводородами нефтепродуктов не выявлены. На территории города состояние приземного слоя атмосферного воздуха, почвенный покров на содержание углеводородов нефтепродуктов не исследовались, оценка негативного воздействия данного загрязнения на почвенный покров на основе «эмерджентного» подхода не проводилась.

Степень разработанности темы. Существенный вклад в изучение проблемы загрязнения почв углеводородами нефтепродуктов внесли Д. К. Азнаурьян, Т. П. Алексеева, В. Г. Алехин, Т. А. Андреева, Т. И. Бурмистрова, В. Ф. Вальков, В. Т. Емцев, М. Г. Жаркова, Д. Г. Звягинцев, Р. Б. Иванова, Л. А. Изерская, Н. М. Исмаилов, К. Ш. Казеев, М. И. Кахаткина, Н. А. Киреева, С. И. Колесников, Л. В. Кувшинская, Е. И. Новоселова, Т. С. Онегова, Ю. И. Пиковский, Е. А. Рогозина, В. П. Середина, Т. П. Славнина, Н. П. Солнцева, Н. Н. Терещенко, Ф. Ф. Фатхиев, А. И. Фахрутдинов, Ф. X. Хазиев, Т. С. Шорина, М. Сегпа, Я. Ма^еэт, А. гттегЬаиег, Б. БсЫппег, С. Т. Ос1и, 1 Бклутв и др.

Большая часть исследований проведена на нефтезагрязненных почвах Юга России, Западной Сибири и Ненецкого автономного округа. Однако в районах Крайнего Севера, где нефтедобывающая промышленность отсутствует, такие исследования не проводились.

Цель и задачи исследований. Цель исследования - выявить эколого-биологические особенности загрязнения углеводородами нефтепродуктов городской среды Архангельска и изучить подходы к нормированию загрязнения нефтепродуктами зональных почв Крайнего Севера.

Были поставлены следующие задачи: 1. Определить содержание загрязняющих веществ выбросов от автотранспорта, выявить территориальные особенности и уровень загрязнения приземного слоя атмосферы селитебного ландшафта Архангельска.

2. Определить содержание углеводородов нефтепродуктов; установить территориальные особенности и степень загрязнения почвенного покрова урболандшафтов Архангельска, особенности кумуляции и миграции углеводородов нефтепродуктов в почвах селитебного ландшафта.

3. Выявить закономерности влияния загрязнения углеводородами нефтепродуктов на физико-химические и биологические свойства зональных почв Крайнего Севера.

4. Изучить возможность и целесообразность использования физико-химических и биологических показателей в целях диагностики загрязнения углеводородами нефтепродуктов почв и экосистем в целом.

5. Предложить количественные ориентиры для разработки региональных нормативов содержания углеводородов нефтепродуктов в почвах Крайнего Севера.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Впервые выявлены особенности загрязнения углеводородами нефтепродуктов приземного слоя атмосферы, почвенного покрова урболандшафтов Архангельска для последующей оценки их экологического состояния; предложена градация урбанизированных почв Крайнего Севера по категориям загрязнения углеводородами нефтепродуктов; по результатам модельного эксперимента"4 установлены закономерности изменения физико-химических и биологических свойств под влиянием углеводородов нефтепродуктов для зональных почв Крайнего Севера; установлена возможность и целесообразность использования физико-химических и биологических показателей в целях диагностики загрязнения углеводородами нефтепродуктов почв и экосистем Крайнего Севера в целом.

Предложены методика расчета интегрального эколого-химико-биологического показателя состояния почв и шкалы для оценки степени деградации почв по интегральным показателям химического и эколого-химико-биологического состояния; установлены количественные ориентиры содержания углеводородов нефтепродуктов в почвах Крайнего Севера для разработки региональных нормативов.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

• доказаны и критериально обоснованы следующие научные положения: о причинно-значимых факторах, определяющих рассеивание и накопление углеводородов нефтепродуктов в компонентах урбоэкосистемы; об основных изменениях физико-химических и биологических свойств почв Севера при загрязнении углеводородами нефтепродуктов; о комплексном подходе к экологической оценке загрязнения почвенного покрова городских экосистем углеводородами нефтепродуктов, заключающегося в тесной взаимосвязи физико-химических и биологических параметров почв; о роли физико-химических и биологических показателей при оценке эколого-биологического состояния почв Севера; об экологически опасных концентрациях углеводородов нефтепродуктов для зональных почв Крайнего Севера;

• разработаны и внедрены шкалы для оценки урбанизированных почв по категориям загрязнения углеводородами нефтепродуктов; методика расчета интегрального эколого-химико-биологического показателя состояния почв; шкалы для оценки степени деградации почв по интегральным показателям химического и эколого-химико-биологического состояния.

Практическая значимость работы состоит в применении результатов исследований при мониторинге и диагностике экологического состояния почв, загрязненных углеводородами нефтепродуктов; при разработке рекомендаций по снижению токсико-экологических последствий загрязнения углеводородами нефтепродуктов, региональных нормативов содержания углеводородов нефтепродуктов в почвах, предложений по рекультивации загрязнённых почв, формированию почвогрунтов различных ландшафтов Архангельска и в других природоохранных мероприятиях; при чтении лекционных курсов института естественных наук и технологий и лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М. В. Ломоносова; при написании учебных пособий и монографий.

Методология и методы исследования. В основу методологии эколого-биологического исследования положены работы Д. К. Азнаурьян, Т. П. Алексеевой, Т. А. Андреевой, Т. И. Бурмистровой, В. Ф. Валькова, М. Г. Жаркова, К. Ш. Казеева, С. И. Колесникова, В. П. Серединой и Н. Н. Терещенко.

В основу подбора современных методик эколого-биологических исследований положены нормативные документы и работы многих ученых. При проведении работы были использованы три основных группы методов: полевые, лабораторные и камеральные.

Информационной базой исследований послужили экспериментальные результаты, полученные и интерпретированные диссертантом в течение 2008-2012 гг.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для урболандшафтов Архангельска характерно незначительное загрязнение приземного слоя атмосферы углеводородами бензина и загрязнение средней степени почвенного покрова углеводородами нефтепродуктов. Констелляция природных (сезон года, ветровой режим, гранулометрический состав), антропогенных (городская застройка, автотранспорт) абиотических факторов обуславливает загрязнение углеводородами нефтепродуктов в юго-восточной части города и неравномерное распределение загрязнителей по почвенному профилю.

2. Углеводороды бензина, дизельного топлива, моторного масла воздействуют однообразно на физико-химические свойства (положительно и негативно); разнообразно на биологические свойства: бензин оказывает только антибиологическое действие, дизельное топливо, моторное масло как антибиологическое, так и стимулирующее. С течением времени (4 месяца) характер воздействия нефтепродуктов на физико-химические свойства не меняется, на некоторые биологические свойства меняется: исчезает антибиологическое воздействие и первоначальный стимулирующий эффект дизельного топлива (50 г/кг), моторного масла (10-50 г/кг) меняется на ингибирующий.

3. По степени информативности физико-химические и биологические показатели почв при загрязнении углеводородами нефтепродуктов образуют ряд (в среднем по гранулометрическим составам): содержание органического вещества > содержание подвижных форм фосфора (Р205) > дыхательная активность > активность почвенной каталазы > обменная кислотность = содержание подвижных форм калия (К20) > гидролитическая кислотность = численность КОЕ бактерий > содержание аммонийного азота (И-МН/) > численность КОЕ актиномицетов > активность почвенной уреазы > длина главного корня проростка > содержание

нитратного азота (N-N03~) > актуальная кислотность > целлюлозолитическая активность. Биологические показатели имеют наибольшую чувствительность к загрязнению углеводородами нефтепродуктов.

4. Экологически опасными концентрациями углеводородов легких нефтепродуктов для зональных почв Крайнего Севера являются: 8 мг/кг для супесчаной, 15 мг/кг для суглинистой, 24 мг/кг для глинистой.

Степень достоверности и апробация результатов. Результаты исследований и обоснованность выводов основываются на большом количестве экспериментальных данных, полученных с применением современных физико-химических и биологических методов анализа, с использованием стандартных и аттестованных методик. Корректность результатов подтверждается их сходимостью при повторных экспериментах, достоверностью данных, обработанных методами математической статистики.

Данная работа была поддержана грантами РФФИ и Администрации Архангельской области 08-04-98808, 11-04-98800-а и внутренним грантом САФУ № 4 (2012 г.), в которых автор был исполнителем.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на II Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы человечества» (Москва, 2009); Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Экология-2009, 2011), (Уфа, 2009, 2011); XV Всероссийской конференции с международным участием «Геологические опасности» (Архангельск, 2009); III Международной конференции «Геоэкологические проблемы современности» (Владимир, 2010); Всероссийской конференции «Закономерности изменения почв при антропогенных воздействиях и регулирование состояния и функционирования почвенного покрова» (Москва, 2010); Региональной научно-практической конференции «Образование и наука: ступени развития» (Архангельск, 2010); V Международной научно-практической конференции «Мониторинг природных экосистем» (Пенза, 2011); Всероссийском фестивале науки. Научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании» (Рязань, 2011); VI съезде Общества почвоведов им. В. В. Докучаева (Москва, Петрозаводск, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена в двух томах: том 1 - на 158 страницах, содержит 17 таблиц, 39 рисунков и состоит из введения, 7 глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 248 источников в том числе 34 на иностранных языках; том 2 - приложения - на 68 страницах, содержит 66 таблиц.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность всем коллегам — соавторам публикаций, принимавшим участие на различных этапах выполнения исследования. Особую благодарность автор выражает доктору с.-х. наук, профессору, Почетному работнику ВПО РФ Е. Н. Наквасиной за всестороннюю консультационную помощь. Автор благодарит коллектив кафедры химии и химической экологии ИЕНТ САФУ им. М. В. Ломоносова за помощь на протяжении всего исследования и лично к.х.н., доцента Т. А. Корельскую., к.п.н., доцента Э. В. Швакову, Е. В. Осинскую за оказание всесторонней поддержки при подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическое значение.

В Главе 1. Современное состояние проблемы загрязнения компонентов городской среды нефтепродуктами (обзор литературы) рассмотрены органические загрязняющие вещества нефтяного происхождения, характерные для городской среды, их формы нахождения, поведение в почвенном покрове. Представлен обзор публикаций, посвященный вопросам изучения влияния нефти и ее продуктов на морфологические, физико-химические и биологические свойства почв. Уделено внимание нормированию, оценке экологического состояния и технологиям восстановления почв, загрязненных нефтепродуктами (НП).

В Главе 2. Характеристика района исследования рассмотрена природная характеристика Архангельска: климат, рельеф, растительный и почвенный покров. Даны особенности основных ландшафтов города (промышленного, селитебного) и определены источники их загрязнения углеводородами НП.

Глава 3. Объекты и методы исследования. Объектами исследования были / выбраны приземный слой атмосферного воздуха селитебного ландшафта

Архангельска; основные типы городских почв селитебного и промышленного ландшафтов: реплантоземы, урбаноземы, культуроземы; почвы модельного эксперимента различного гранулометрического состава.

Методы полевых исследований. Описание точек и определение уровня транспортной нагрузки на территории селитебного ландшафта Архангельска проводили согласно общепринятым методикам (Чалышева, 2001; Федорова, Никольская, 2001; Практикум по общей..., 2008).

Для выявления пространственной кумуляции и миграции НП в почвенном покрове на территории селитебного и промышленного ландшафтов Архангельска было заложено 50 пробных площадей (ПП), описание которых проводили согласно общепринятым методикам с учетом рекомендаций по изучению городских почв (Строганова, Агаркова, 1992; Методические указания..., 1999; Наквасина и др., 2006).

Отбор, транспортировка почвенных проб, их хранение и пробоподготовка осуществлялись в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84.

Методы лабораторных исследований. В лабораторных условиях определено содержание НП в образцах почв Архангельска флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02» согласно ПНД-Ф 16.1.21-98.

Для выявления закономерностей изменения физико-химических и биологических свойств почв при загрязнении их НП проведен модельный эксперимент с применением вегетационного метода (Агрохимические методы..., 1975) и методики, предложенной С. И. Колесниковым с соавторами (Колесников и др., 2007), (рисунок 1). Для искусственного загрязнения были отобраны условно чистые почвы пригорода Архангельска различного гранулометрического состава: глина, суглинок и супесь.

В почвенных образцах модельного эксперимента определены остаточное содержание НП флуориметрическим методом (ПНД-Ф 16.1.21-98..., 1998); физико-химические свойства: актуальная (рНВ0Д), (ГОСТ 26423-85), обменная (рНсол) кислотность (Чибисова, 1999), содержание подвижных форм калия (К20) (Определение химического..., 1997) и нитратного азота (N-N03") (ГОСТ 26951-86)

потенциометрическим методом; гидролитическая кислотность по методике Каппена (Методы контроля..., 2007), емкость катионного обмена (ЕКО) по методике Бабко-Аскинази (Теория и практика..., 2006) титриметрическим „ методом; содержание органического вещества по методике Тюрина в модификации ЦИНАО согласно ГОСТ 26213-91, фракционный состав гумуса по методике М. М. Кононовой и Н. П. Бельчиковой (Кононова, 1963), содержание фосфора (Р2О5) по методике Кирсанова в модификации ЦИНАО согласно ГОСТ 26207-91 и аммонийного азота (Ы-ЫН4+) (Агрохимические методы..., 1975) фотометрическим методом; биологические свойства: дыхание почв по скорости выделения углекислого газа (БЛИсМг^, 1995), интенсивность микробного разложения целлюлозы методом аппликаций (Методы почвенной..., 1991), численность основных представителей микрофлоры методом посева почвенной суспензии на плотные агаровые среды (Аникеев, Лукомская, 1977; Васильева и др., 1979), активность почвенной уреазы по методу И. Н. Ромейко и С. М. Малинской и активность каталазы фотометрическим методом (Хазиев, 2005), фитотоксичность (Евдокимова и др., 1984). В качестве растительного тест-объекта, был выбран кресс-салат (Аллелопатия растений..., 1991; Кабиров и др., 1997; Пермогорская, 2004). V

Модельный эксперимент

Бензин ЛИ 92

Дизельное топливо зимнее

Моторное масло М8Р

Изучаемые концентрации загрязнителя: 0,5; 1,0; 5,07с

Изучаемые сроки инкубации: 3 дня, 1 месяц, 4 месяца

Изучаемые показатели (количество определений 7128)

Остяточн о* Фюнко-хичические

содержание - емкость катионного обмена • об шее количество КОЕ

углево.юоп^пв - актуальная кислотность бактерий

не<Ь те по о."IV кто в - ооменная кислотность • гидролитическая кислотность - содержание органического вешества - фракционный состав гумуса • содержание N-N03' - содержание Г^-МН/ - содержание Р;05 - содержание К;0 - об шее количество КОЕ актиномииетов - общее количество КОЕ грибов - активность почвенной уреазы - активность почвенной каталазы - дыхательная активность - интенсивность микробного разложения целлюлозы - фитотоксичность

Рисунок 1. Схема модельного эксперимента

Методы камеральных исследований. Ожидаемые максимально разовые концентрации ЗВ в приземном слое атмосферы: N02, N0, 502; СО, углеводороды

бензина, определены расчетным методом (Методика расчета.... 1987) в программе «ПРИЗМА» (Сертификат Госстандарта России РОСС RU.ME20.H00274, версия 3.30 или 4.30). Санитарно-гигиеническая оценка состояния приземного слоя проведена, используя максимально-разовые предельно-допустимые концентрации (ПДКмр), (ГН 2.1.6.1338-03).

Оценка степени загрязнения почвенного покрова города 11П проводилась на основании градации урбанизированных почв, разработанной нами (Попова и др., 2009). Для выявления пространственной структуры распределения углеводородов НП и оценки сложившегося уровня загрязнения проведено эколого-геохимическое картографическое зонирование территории урболандшафтов Архангельска с применением ГИС Maplnfo Professional 11.0.

Оценка физико-химических и биологических свойств почв модельного эксперимента проводилась на основании санитарно-гигиенического нормирования и системы общепринятых шкал, применяемых для почв (Звягинцев, 1978; Практикум по агрохимии, 1997; Кабиров и др., 1997; Пискунов, 2004; Наквасина, 2009; Оптимизация минерального..., 2012). По итогам биотестирования рассчитаны индексы токсичности оцениваемого фактора (ИТФ), класс фитотоксичности определяли согласно шкале (Кабиров и др., 1997).

Оценка степени нарушения функций почв при их загрязнении НП проводилась на основании системы интегральных показателей состояния: химического (ИПХСП), (Середина и др., 2006), эколого-биологического (ИПЭБСП), (Вальков и др., 1999) и эколого-химико-биологического (ИПЭХБСП). предложенного нами. Оценка степени деградации почв на основе ИПЭБСП приведена по шкале С.И. Колесникова с соавторами (2002).

Полученные экспериментальные данные были статистически обработаны общепринятыми методами (Дмитриев. 2009) при помощи пакета программ Microsoft Excel 7,0. Сравнение выборок осуществляли статистическим методом проверки нуль-гипотезы с помощью F-критерия. Для исследования структуры взаимосвязей изучаемых параметров использовали корреляционный анализ.

Глава 4. Влияние автотранспорта на загрязнение урбоэкосистемы Архангельска

4.1. Состояние приземного слоя атмосферы

В приземном слое ожидаемые максимальные приземные концентрации

^ - источник загрязнения атмосферы,

!' ',-1^1 - точка максимальной приземной концентрации загрязняющего вещества;

еЁИ'Т - граница области, где концентрация загрязняющего вещества более 1 ПДКмр, TIMM - граница области с определенной долей превышения ПДКмр

Рисунок 2. Расчетные прямоугольники рассеивания концентраций загрязняющих веществ а) оксид азота (IV). б) оксид углерода (II). в) бензин (в перерасчете на углерод)

Ситуация по загрязнению приземного слоя атмосферы NO и S02 более благоприятна, чем углеводородами бензина. Концентрация углеводородов бензина превышает 0,1 ПДКмр (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03), что оказывает негативное воздействие на городскую среду и здоровье человека. Не соблюдаются санитарно-гигиенические нормативы по максимальным приземным концентрациям оксида азота (IV), оксида углерода (II), ожидаемые превышения составляют 1 ПДК и 2 ПДК, соответственно. По всем ЗВ ожидаемое превышение максимально разовой концентрации находится в юго-восточной части города, что связано с веерообразным расположением улиц и характерной особенностью ветрового режима в городе (см. рисунок 2).

4.2. Содержание нефтепродуктов в почвах

Среднее содержание углеводородов НП в почвах города составляет 213±80 мг/кг, что в 1,2 раза превышает региональный норматив содержания НП в почве (180 мг/кг), установленный для почв селитебного ландшафта (Распоряжение мэра..., 1994). Степень загрязнения почв селитебного ландшафта, по сравнению с промышленным ландшафтом, выше.

При данном загрязнении наибольшее содержание углеводородов НП выявлено в почвах около дорог, среднее - в почвах несанкционированных автостоянок, наименьшее - в почвах на расстоянии 5-10 м от дороги за естественной преградой (древесно-кустарниковые насаждения) или за искусственной преградой (двухэтажные жилые дома) (таблица 1).

Таблица 1. Среднее содержание углеводородов нефтепродуктов в почвах селитебного ландшафта Архангельска, мг/кг__

Местонахождение Среднее содержание Степень загрязнения Превышение ОДК

Около дорог 453±158 сильная 2,5

Несанкционированные автостоянки 319±117 средняя и сильная 1,8

На расстоянии 5-10 м от дороги 90±31 слабая нет превышения

4.3. Временная и пространственная динамика аккумуля1(ии и миграции нефтепродуктов в городских почвах

Аккумулятивная способность НП снижается в ряду почв: суглинок —► песок —> торф (таблица 2). Углеводороды НП аккумулируются как в верхних, так и в нижних горизонтах (рисунок 3). В весенний и осенний период наблюдается наибольшее содержание углеводородов НП в почвах (таблица 3). Таблица 2. Среднее содержание углеводородов нефтепродуктов в почвах в зависимости от

Гранулометрический состав Тип почвы

Реплантозем Урбанозем

Суглинок - 251±97

Песок 283±108 149±67

Торф 204±80 I04±44

Таблица 3. Среднее содержание углеводородов нефтепродуктов в почвах в зависимости от

Весна Осень Лето

85±39 76±31 68±30

Рисунок 3. Зависимость содержания НП в почвах от глубины залегания горизонта на некоторых пробных площадях промышленного ландшафта

Глава 5. Влияние углеводородов нефтепродуктов на физико-химические свойства почв

5.1. Содержание остаточных углеводородов нефтепродуктов

Максимальное остаточное содержание углеводородов МП наблюдается в

почвах тяжелого гранулометрического состава. Уровень остаточного содержания углеводородов НП в почвах, загрязненных бензином, не превышает 500 мг/кг (слабая и средняя степень загрязнения); в почвах, загрязненных дизельным топливом и моторным маслом превышает 500 мг/кг (сильная степень загрязнения). Несмотря на потери содержания углеводородов НП после 4-х месяцев инкубации, почвы остаются в категории «загрязненные».

5.2. Емкость катионного обмена

ЕКО глины, суглинка существенно отличается от ЕКО супеси (25 < F3KCn < 511). НП на начальном сроке инкубации оказывают негативное воздействие на ЕКО (г> |-0,5|): показатель уменьшается в среднем в 1-3 раза. Степень негативного воздействия НП на ЕКО снижается в ряду НП: моторное масло —* дизельное топливо —* бензин. С течением времени ЕКО загрязненных почв восстанавл и вается.

JJ. Кислотно-основные свойства

Кислотно-основные свойства исследуемых почв в разрезе гранулометрического состава существенно не отличаются. Загрязнение почв НП приводит к подщелачиванию их растворов. С течением времени актуальная кислотность почв восстанавливается, обменная и гидролитическая кислотности стабилизируются только в глине. Корреляционная зависимость рНВ0Д и рНсол от остаточного содержания углеводородов НП прямая, гидролитической кислотности - обратная. Низкая емкость поглощения почв обуславливает снижение обменной и гидролитической кислотности (г >± 0,5).

5.4. Содержание и фракционно-групповой состав органического вещества

Содержание органического вещества существенно отличается (26 < F3Kcn < 23 157) и увеличивается в ряду почв: супесь —> суглинок —> глина. НП оказывают однозначное воздействие на содержание органического вещества - увеличивают его содержание на 0,02-5,3% (г > 0,5). Увеличение содержания органического вещества в почвах, загрязненных НП, связано с увеличением содержания гумусовых веществ и гумина, обусловленным процессами гумификации и трансформации углеводородов.

Процессы гумификации в почвах, загрязненных НП. различны и зависят от их гранулометрического состава, вида НП, внесенного в почву, срока инкубации. В глине процессы гумусообразования и трансформации углеводородов идут по конденсационному типу с накоплением гуминовых кислот, в суглинке и супеси -по деградационному типу с накоплением фульвокислот.

Процессы самоочищения протекают быстрее в почвах тяжелого состава. Содержание гумусовых веществ в почве зависит от вида НП. Бензин легче включается в процессы гумификации. Вовлечение молекул углеводородов НП в процесс гумификации в глине происходит раньше (до 1 -го месяца инкубации), но интенсивность их деструкции ниже по сравнению с почвами легкого j гранулометрического состава. В целом в загрязненных почвах отмечается увеличение доли гумина по сравнению с незагрязненными почвами. 5.5. Содержание подвижных форм биофшъных элементов Содержание неорганического азота: N-NOj" (22 < F3KCn < 33 333), N-NH/ (20 5 Рэксп ^ 3 236), подвижных форм фосфора (Рг05) (20 < F3KCn < 74) и калия (К20) (19 5 F3Kcn 5 603) в исследуемых почвах в разрезе гранулометрического состава существенно отличаются в некоторых вариантах модельного эксперимента после всех сроков инкубации. ;'

НП увеличивают содержание неорганического азота (таблица 4). Увеличение содержания общего азота в загрязненных почвах на начальном сроке инкубации (после 3-х суток) обусловлено активацией процессов аммонификации, дальнейшее увеличение (после 1-4 месяцев инкубации) - активацией процессов нитрификации (рисунок 4). На начальных этапах НП оказывают негативное воздействие на содержание N-N03" (г > |-0,5|), наибольшее - тяжелые НП. С течением времени процессы аммонификации не ингибируются (г > 0,5). Взаимосвязь между двумя формами азота подтверждается корреляционной зависимостью после 3-х суток \ инкубации (г > |-0,5|).

Таблица 4. Содержание подвижных форм биофильных элементов в почвах модельного эксперимента, загрязненных углеводородами НП, мг/кг_

Биофильный элемент Гранулометрический состав

Глина Суглинок Супесь

Неорганический азот (N-N03" и N-NH4+) 18-27 11-13 7.0-9,4

Р2О5 394-885 129-351 84—169

К20 62-87 30-44 5,0-7,8

а "Z™*" """"""" б -"-jj;--».—".«"— ^ с.

Условные обозначения. □ N-N03-; □

Рисунок 4. Соотношение нитратного и аммонийного азота в почве тяжелого гранулометрического состава, загрязненных НП, при разных концентрациях и сроках инкубации: а) бензин, б) дизельное топливо, в) моторное масло

НП негативно воздействуют на фосфатный и калийный режимы почв (г > |-0,5|). При этом они не обуславливают дефицит подвижных форм фосфора в почвах, но обуславливают дефицит подвижных форм калия. Степень негативного воздействия на содержание Р205 и К20 снижается в ряду НП: моторное масло—> дизельное топливо —> бензин. С течением времени (1^4 месяца инкубации) степень негативного воздействия НП снижается, содержание Р205 и К20 восстанавливается.

Глава 6. Влияние углеводородов нефтепродуктов на биологические свойства почв

6.1. Общая численность основных групп микроорганизмов Численность бактерий (20 < Рэксп < 166), актиномицетов (22 < Рэксп < 2 316), грибов (19 < Рэксп < 16 460) в исследуемых почвах в разрезе гранулометрического состава существенно отличается.

Моторное масло не оказывает токсичного воздействия на численность бактерий, легкие НП оказывают токсичное воздействие, которое уменьшается в ряду НП: дизельное топливо —» бензин (таблица 5). С течением времени (4 месяца инкубации) подавляющее действие бензина (весь диапазон концентраций), дизельного топлива (5 г/кг и Юг/кг) исчезает. Исходя из адаптации бактерий к НП, длительность самоочищения почв увеличивается в ряду НП: моторное масло —> бензин —> дизельное топливо. Аналогичное воздействие НП оказывают на численность актиномицетов. Выявлена корреляционная зависимость между численностью данных микроорганизмов и содержанием органического вещества (г > 0,5).

Таблица 5. Влияние углеводородов нефтепродуктов на численность бактерий

Срок инкубации Глина Суглинок Супесь

0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% | 1,0% | 5,0%

Бензин АИ 92

3 дня, 1 месяц 1

4 месяца 1

Дизельное топливо зимнее

3 дня, 1 месяц, 4 месяца 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Моторное масло М8Р

3 дня, 1 месяц, 4 месяца | | 1 1 | |

Общее количество КОЕ бактерий, млн./г 0,41-10 0,63-13 0,69-3,0

Примечание: 1 токсичное воздействие стимулирующее воздействие

НП оказывают токсичное воздействие на численность грибов, которое уменьшается в ряду НП: бензин —♦ дизельное топливо —> моторное масло. С течением времени (4 месяца инкубации) токсичность 0,5%-го и 1,0%-го загрязнений исчезает.

6.2. Ферментативная активность

Активность уреазы в исследуемых почвах в разрезе гранулометрического состава существенно отличается в некоторых вариантах модельного эксперимента (30 < Рэксп < 33 333). Воздействия НП на активность почвенной уреазы и каталазы различны.

Бензин ингибирует активность почвенной уреазы, дизельное топливо, моторное масло ингибируют и стимулируют (г > |±0,5|) (таблица 6). Степень токсичного воздействия НП на активность почвенной уреазы снижается в ряду НП:

бензин —» дизельное топливо —» моторное масло. С течением времени первоначальная токсичность НП по отношению к ферменту исчезает, стимулирующее действие дизельного топлива (50 г/кг), моторного масла (10-50 г/кг) меняется на ингибирующее.

Таблица 6. Влияние углеводородов нефтепродуктов на активность уреазы почв

Срок инкубации Глина Суглинок Супесь

0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% | 1,0% | 5,0%

Бензин АИ 92

3 дня, 1 месяц

4 месяца

Дизельное томливо зимнее

3 дня

1 месяц

4 месяца

Моторное масло М8Р

3 дня

1 месяц

4 месяца

Содержание М-МН4+ (мг/ на 100 г почвы за 3 часа) 0,29-7,4 0,27-5,0 0,18-2,9

Примечание: ГП токсичное воздействие стимулирующее воздействие

На активность каталазы легкие НП оказывают токсичное воздействие, лишь моторное масло проявляет двойственный характер (г > |-0,5|). Степень токсичного воздействия НП на активность почвенной каталазы снижается в ряду НП: моторное масло —> дизельное топливо —> бензин. С течением времени ингибирующее воздействие НП сохраняется, первоначальное стимулирующее действие моторного масла (5-10 г/кг) меняется на ингибирующее.

6.3. Дыхательная активность

Дыхательная активность в исследуемых почвах в разрезе гранулометрического состава существенно отличаются в некоторых вариантах модельного эксперимента (20 < Рэксп < 1 428). Бензин ингибирует дыхательную активность почв, дизельное топливо, моторное масло стимулируют. На начальных сроках инкубации выявлена корреляционная зависимость дыхания почв от численности бактерий и актиномицетов (г > 0,5) (таблица 7).

Таблица 7. Влияние углеводородов нефтепродуктов на дыхательную активность почв

Срок инкубации Глина Суглинок Супесь

0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% 1 1,0% 1 5,0%

Бензин АИ 92

3 дня

1 месяц

4 месяца

Дизельное топливо зимнее и моторное масло М8Р

3 дня, 1 месяц, 4 месяца | | | | 1 1

Интенсивность выделения СС>2 (мг/кг в сут.) 18-116 16-66 4,1-32

Примечание: Г| токсичное воздействие стимулирующее воздействие

С течением времени подавляющее действие бензина исчезает, стимулирующее действие дизельного топлива сохраняется, моторного масла -снижается.

6.4. Интенсивность микробного разложения целлюлозы Целлюлозолитическая активность в исследуемых почвах в разрезе гранулометрического состава существенно отличается в некоторых вариантах модельного эксперимента (27 < Рэксп < 455). Бензин, дизельное топливо подавляют процесс разложения целлюлозы, моторное масло - стимулирует (таблица 8). С течением времени подавляющее действие легких НП сохраняется, стимулирующее действие моторного масла исчезает.

Таблица 8. Влияние углеводородов нефтепродуктов на целлюлозолитическую активность почв

Срок инкубации Глина Суглинок Супесь

0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% | 1,0% | 5,0%

Бензин АИ 92 и дизельное топливо зимнее

1 месяц, 4 месяца j | | I I I I 1

Моторное масло М8Р

1 месяц

4 месяца

Интенсивность микробного разложения целлюлозы (%) 4,2-100 1,9-76 0,64-43

Примечание: j | токсичное воздействие j | стимулирующее воздействие

6.5. Фитотоксичиость почв

Энергия прорастания (20 < F3Kcn < 3 715), всхожесть (37 < F3Kcn <9 316) кресс-салата, произрастающего на исследуемых почвах, существенно отличаются в разрезе гранулометрического состава в некоторых вариантах модельного эксперимента.

Бензин, дизельное топливо оказывают токсичный эффект на характеристики прорастания кресс-салата (таблица 9).

Срок инкубации Глина Суглинок Супесь

0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% | 1,0% | 5,0% 0,5% | 1,0% | 5,0%

Бензин АИ 92

3 дня, 1 месяц !

4 месяца j

Дизельное топливо зимнее

3 дня, 1 месяц

4 месяца

Моторное масло М8Р

3 дня

1 месяц

4 месяца

Класс(индекс)токсичности II (0,30)-VI (1,2) II (0,29)-VI (1,2) II (0,28)-VI (1,1)

Примечание: j^J токсичное воздействие j j не оказывает существенного

□

воздействия

стимул ирую шее воздействие

По истечении 4-х месяцев сохраняется фитотоксичность почв, загрязненных бензином (50 г/кг); глины (по показателю «энергия прорастания») и почв различного гранулометрического состава (по показателю «длина главного корня»), загрязненных дизельным топливом (50 г/кг). Моторное масло оказывает на тест-объект неоднозначное влияние: проявляет низкий токсичный эффект на энергию прорастания семян, не проявляет токсичный эффект на всхожесть тест-объекта и стимулирует рост главного корня. После 4-хмесяцев токсичный эффект моторного масла на энергию прорастания сохраняется, стимулирующее действие НП на рост главного корня снижается.

Глава 7. Предложения по диагностике и нормированию загрязнения почв нефтепродуктами

При диагностике почв Крайнего Севера, загрязненных НП, целесообразно применение комплексного подхода с учетом наиболее информативных показателей и признаков состояния почв при загрязнении НП: содержание органического вещества (увеличение); содержание подвижных форм фосфора (Р2О5) (уменьшение); дыхательная активность (уменьшение и увеличение); активность почвенной каталазы (уменьшение и увеличение). Биологические показатели имеют наибольшую чувствительность к загрязнению.

По результатам модельного эксперимента остаточное содержание углеводородов бензина при начальных концентрациях 5, 10 и 50 г/кг, дизельного топлива при начальной концентрации 50 г/кг можно использовать в качестве ориентира для разработки региональных нормативов содержания легких НП в почвах Крайнего Севера различного гранулометрического состава (таблица 10). Таблица 10. Экологически опасные концентрации легких нефтепродуктов для почв

Нефтепродукт Гранулометрический Экологически опасная

состав концентрация, мг/кг

Бензин АИ 92 Глина >24

Суглинок > 15

Супесь >8

Дизельное топливо зимнее Глина >6 300

Суглинок >6 100

Супесь >3 600

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Для приземного слоя атмосферы Архангельска характерно незначительное антропогенное загрязнение углеводородами бензина, для почв - средняя степень загрязнения углеводородами нефтепродуктов. На распределение и накопление углеводородов нефтепродуктов в приземном слое атмосферы, почвенном покрове оказывает влияние констелляция природных (сезон года, ветровой режим, гранулометрический состав) и антропогенных (городская застройка, автотранспорт) абиотических факторов. Участок загрязнения компонентов городской среды углеводородами нефтепродуктов находится в юго-восточной части города.

2. Физико-химические и биологические свойства почв, загрязненных нефтепродуктами, зависят от их гранулометрического состава, вида, остаточного

содержания нефтепродукта и срока инкубации. Выявлена зависимость обменной кислотности и гидролитической кислотности почв от емкости катионного обмена, численности основных групп микроорганизмов почв от содержания органического вещества, интенсивности выделения СО; от численности микроорганизмов.

3. Нефтепродукты воздействуют одинаково на физико-химические свойства на начальном сроке инкубации (3 суток), разнится лишь степень как негативного, так и положительного воздействия, которая уменьшается в ряду нефтепродуктов: моторное масло —<• дизельное топливо —> бензин. С течением времени (до 4 месяцев) характер воздействия каждого нефтепродукта не меняется, физико-химические свойства почв восстанавливаются, содержание органического вещества, гумусовых веществ и гумина, а также общего азота продолжают увеличиваться. Процессы гумусообразования и трансформации углеводородов различны и зависят от гранулометрического состава почв, вида нефтепродукта, срока инкубации: в глине идут по конденсационному типу, с накоплением гуминовых кислот, в суглинке, супеси - по деградационному типу с накоплением фульвокислот. Увеличение содержания общего азота в загрязненных почвах обусловлено процессами аммонификации и активацией нитрификации.

4. Нефтепродукты воздействуют разнообразно на биологические свойства. Бензин проявляет наибольшее антибиологическое воздействие, в сравнении с другими нефтепродуктами, и обладает микробостатическим характером. Дизельное топливо воздействует на биологические свойства почв неоднозначно: в качестве токсиканта и субстрата. Топливо проявляет антибиологическое воздействие средней степени; двойственный характер на активность почвенной уреазы и рост главного корня проростка кресс-салата; стимулирующий эффект на дыхание почв. Углеводороды моторного масла оказывают наименьшую степень антибиологического воздействия. Нефтепродукт проявляет двойственный характер на активность почвенной каталазы; стимулирующий эффект на численность бактерий, актиномицетов, дыхание почв, процесс разложения целлюлозы и рост главного корня проростка кресс-салата.

5. Детоксикация углеводородов нефтепродуктов происходит с истечением времени (4 месяца). Антибиологическое воздействие каждого нефтепродукта на численность грибов (50 г/кг), углеводородов бензина на активность почвенной каталазы, целлюлозоразлагающую способность и проростки кресс-салата (50 г/кг) сохраняется. Первоначальный стимулирующий эффект дизельного топлива (50 г/кг), моторного масла (10-50 г/кг) меняется на ингибирующий.

6. При мониторинге, диагностике и нормировании загрязнения углеводородами нефтепродуктов почв Крайнего Севера следует использовать как физико-химические, так и биологические показатели. Органическое вещество (содержание, увеличение), подвижные формы фосфора (Р2О5) (содержание, уменьшение), дыхательная активность (интенсивность выделения СО2, уменьшение и увеличение) и активность почвенной каталазы (содержание Н202, уменьшение и увеличение) - наиболее информативные показатели и признаки при загрязнении урбанизированных почв углеводородами нефтепродуктов. Биологические показатели являются чувствительными к загрязнению.

7. Экологически опасными концентрациями углеводородов легких нефтепродуктов для почв Крайнего Севера являются > 8 мг/кг для супесчаной, > 15 мг/кг для суглинистой, > 24 мг/кг для глинистой.

8. В Архангельске для оперативной оценки экологического состояния

урболандшафтов, прогноза изменений урболандшафтов и разработки мероприятий по снижению экологических последствий загрязнения углеводородами нефтепродуктов в условиях Крайнего Севера необходима организация мониторинга за состоянием урболандшафтов; целесообразна разработка региональных нормативов содержания углеводородов нефтепродуктов для почв, основой которых могут стать результаты наших исследований.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации для публикации результатов диссертационных исследований:

1. Михайлова, А. А. Влияние нефтепродуктов на активность почвенной уреазы в условиях Севера / А. А. Михайлова, JI. Ф. Попова, Э. В. Швакова, Е. Н. Наквасина // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Сер. Естественные науки. - 2010. - № 5 (159). - С. 111.

2. Михайлова, А. А. Влияние автотранспорта на загрязнение урбоэкосистемы Архангельска / А. А. Михайлова, JI. Ф. Попова // Экология урбанизированных территорий. - 2011. - № 1. - С. 47.

3. Михайлова А. А. Биологическая устойчивость почвы к нефтепродуктам / А. А. Михайлова, JI. Ф. Попова, Е. Н. Наквасина // Вестник Поморского университета. Сер. Естественные науки. - 2011. - № 1. - С. 32.

Статьи, тезисы докладов и сообщений на научных конференциях и семинарах, опубликованные в иных изданиях:

1. Попова, JI. Ф. Степень загрязнения почв нефтепродуктами как показатель воздействия автотранспорта / JI. Ф. Попова, А. А. Михайлова, Н. Е. Труфанова // Экологические проблемы человечества: сборник материалов II Международной научно-практической конференции. - М. : Рос. гос. аграр. заоч. ун-т., 2009. - С. 56.

2. Михайлова, А. А. Приземный слой атмосферного воздуха Октябрьского и Ломоносовского территориальных округов г. Архангельска: оценка загрязнения, воздействия на здоровье человека / А. А. Михайлова, Л. Ф. Попова // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология-2009): сборник научных статей VI-й Международной научно-технической конференции. Том II. - Уфа: УГАТУ, 2009. - С. 201.

3. Михайлова, А. А. Оценка загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха выбросами автотранспорта в Октябрьском и Ломоносовском территориальных округах г. Архангельска / А. А. Михайлова, Л. Ф. Попова // Геологические опасности: материалы XV Всероссийской конференции с международным участием. - Архангельск: Институт экологических проблем Севера АНЦ УрО РАН, 2009. - С. 302.

4. Михайлова, А. А. Целлюлозолитическая активность почв, загрязненных нефтепродуктами / А. А. Михайлова, Л. Ф. Попова // Геоэкологические проблемы современности: сборник докладов III Международной конференции. - Владимир: ВГГУ, 2010.-С. 203.

5. Михайлова, А. А. Продуцирование углекислого газа почвой или дыхание почв, загрязненных нефтепродуктами / А. А. Михайлова, Л. Ф. Попова // Закономерности изменения почв при антропогенных воздействиях и регулирование

состояния и функционирования почвенного покрова. Материалы всероссийской научной конференции. 28-29 сентября 2010. г. Москва. - М. : Почв. Ин-т им. В. В. Докучаева Россельхозакадемии, 2011. - С. 379.

6. Михайлова, А. А. Фитотоксичность дерново-подзолистой почвы, загрязненной нефтепродуктами / А. А. Михайлова, Л. Ф. Попова // Образование и наука: ступени развития: Материалы региональной научно-практической конференции. - Архангельск, 2011. - С. 174.

7. Михайлова, А. А. Влияние бензина на содержание неорганического азота в дерново-подзолистой почве: процессы аммонификации и нитрификации / А. А. Михайлова, Л. Ф. Попова // Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Экология-2011): сборник научных статей Международной научно-технической конференции. Том I. - Уфа: УГАТУ, 2011. -С. 372.

8. Корельская, Т. А. Тенденции изменения кислотно-основных свойств дерново-подзолистой почвы при загрязнении ее бензином / Т. А. Корельская, А. А. Михайлова, Л. Ф. Попова, Э. А. Фокина // Мониторинг природных экосистем: сборник статей V Международной научно-практической конференции. - Пенза: МНИЦ, ПГСХА, 2011. - С. 120.

9. Михайлова, А. А. Устойчивость бактерий легкоглинистой, супесчаной дерново-подзолистых почв, загрязненных нефтепродуктами / А. А. Михайлова, Л. Ф. Попова // Инновации в науке, производстве и образовании. Материалы научно практической конференции 24-26 сентября 2011. - Рязань : Изд-во Ряз. Гос. Ун-т., 2011.-С.211.

10. Михайлова, А. А. Влияние нефтепродуктов на содержание неорганического фосфора в дерново-подзолистой почве / А. А. Михайлова, Л. Ф. Попова // Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования. Материалы докладов VI съезда Общества почвоведов им. В. В. Докучаева. 13-18 августа 2012. Кн. 1. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2012. - С. 315.

Подписано в печать 24.09.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2899

Издательский дом САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56