Защита окружающей среды от разливов нефтепродуктов

Защита окружающей среды от разливов нефтепродуктов

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНАЫХ

ИСКОПАЕМЫХ.

Добыча полезных ископаемых, их переработка и транспортировка тяжело

сказываются на состоянии и плодородии почвенного покрова Земли.

Общеизвестно, что хорошие почвы - это обильное плодородие. Но почвы на

нашей планете играют и другую, менее известную, но не менее важную роль. В

почвенном покрове Земли и ее гумусовой оболочке сосредоточена основная доля

живого вещества суши и его биогенной энергии. Отсюда экологическая система

“ почва - организмы “ оказывается одним из главнейших механизмов

формирования всей биосферы, ее стабильности и продуктивности в целом. (В.

Ф. Барабанов 1992 ).

Мы привыкли наслаждаться мыслью о необозримости наших просторов.

Действительно страна у нас огромная ! Ее территория 2227, 6 млн. га. Но

важнейшие сельскохозяйственные угодья - пашни, сенокосы, пастбища - на этих

просторах занимают примерно лишь одну четверть , а три четверти приходиться

на тундру, тайгу, пустыни. Превратить их в плодородные земли дело

немыслимое. Не говоря уже о том, что человечество ежегодно теряет около 50

- 70 тыс. км2 земельных ресурсов (Ю. И. Скурлатов, Г. Г. Дука 1994 ).

Куда же деваются наши почвы?

Для примера, в 1986 году из недр нашей планеты было извлечено 250 млн. т

железной руды, 615 млн. т нефти, 751 млн. т угля, миллионы тонн минеральных

удобрений и руд цветных металлов. Но при этом попутно в результате горных

работ извлечены и сброшены в отвалы более 8 млрд. т различных горных пород.

Если их рассыпать слоем в один метр, он покроет всю площадь, занимаемую

ныне Аджарией. И это “результат” лишь одного года работы добывающей

промышленности. (В. Ф Барабанов. 1989)

Охватить весь комплекс проблем, связанных с загрязнением почвенных

биоценозов, задача очень сложная и многообразная. В почве, населенной

мириадами организмов, - от бактерий до млекопитающих, включительно, -

процессы обмена столь многообразны и сложны, что мы еще только подходим к

их пониманию.

В связи с этим, автору данного реферата представляется очень актуальной и

насущной проблема загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами. Не секрет, что

энергетическая программа России на длительную перспективу предусматривает

увеличение добычи “черного золота”, а это, в свою очередь, ведет к

расширению сети трубопроводов, возрастает количество перевозок нефти и

нефтепродуктов.

Таким образом, невозможно полностью исключить вероятность новых аварий,

разливов нефти и нефтепродуктов. В то же время нормативы контроля

природопользования становятся с каждым годом все жестче, соответственно

возрастают размеры штрафов. Как представляется автору данного реферата,

только научно - исследовательские работы могут помочь в решении столь

сложной и многоплановой задачи, как загрязнение почв нефтью и

нефтепродуктами. Предлагаемый реферат рассматривает наиболее важные работы,

ведущиеся в указанном направлении.

Для того, чтобы рассматривать любую экологическую проблему, необходимо

прежде всего знать “ участников “ этой проблемы. В нашем случае “

участниками “ этой проблемы являются: нефть и почва. Давайте рассмотрим их

повнимательнее с точки зрения их взаимодействия.

Вопрос№2

НЕФТЬ И ЕЁ СОСТАВ.

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ.

Нефть - это жидкий природный раствор, состоящий из большого числа

углеводородов (УВ) разнообразного строения и высокомолекулярных смолисто-

асфальтеновых веществ. В нем растворено некоторое количество воды, солей,

микроэлементов. Главные элементы: С - 83-87%, Н - 12-14%, N, S, O - 1-2%,

реже 3-6% за счет S. Десятые и сотые доли процента нефти составляют

многочисленные микроэлементы.

В качестве эколого-геохимических характеристик основного состава нефти

приняты [Ю.И. Пиковский, 1988] содержание легкой фракции (начало кипения

2000С), метановых УВ (включая твердые парафины), циклических УВ, смол,

асфальтенов и сернистых соединений.

Легкая фракция нефти

Включает низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые

(циклопарафиновые) и ароматические УВ - наиболее подвижная часть нефти.

Большую часть легкой фракции составляют метановые УВ (алканы с С5-С11 -

пентан, гексан ...). Метановые УВ, находясь в почвах, водной или воздушной

средах, оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы.

Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеводородной

цепью. Они лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов

через мембраны, дезорганизуют цитоплазменные мембраны организма.

Большинством микроорганизмов нормальные алканы, содержащие в цепочке менее

9 атомов С, не ассимилируются, хотя и могут быть окислены. Вследствие

летучести и более высокой растворимости низкомолекулярных алканов их

действие обычно не бывает долговременным. В соленой воде нормальные алканы

с короткими цепями растворяются лучше и, следовательно, более ядовиты.

Многие исследователи [В. П. Середина 1984, М. А. Глазовская 1980] отмечают

сильное токсическое действие легкой фракции на микробные сообщества и

почвенных животных. Легкая фракция мигрирует по почвенному профилю и

водоносным горизонтам, значительно расширяя ареал первичного загрязнения. С

уменьшением содержания легкой фракции токсичность нефти снижается, но

возрастает токсичность ароматических соединений, относительное содержание

которых растет. Путем испарения из почвы удаляется от 20 до 40% легких

фракций [McGill, 1977].

МетановыеУВ

В нефтях, богатых легкой фракцией, существенную роль играют более

высокомолекулярные метановые УВ (С12-С27), состоящие из нормальных алканов

и изоалканов в соотношении 3:1. Метановые УВ с температурой кипения выше

2000С практически нерастворимы в воде. Их токсичность выражена гораздо

слабее, чем у УВ с более низкомолекулярной структурой.

Содержание твердых метановых УВ (парафинов) в нефти - важная характеристика

при изучении нефтяных разливов на почвах. Парафины не токсичны для живых

организмов и в условиях земной поверхности переходят в твердое состояние,

лишая нефть подвижности.

Алканы ассимилируются многими микроорганизмами (дрожжи, грибы, бактерии).

Легкие нефтепродукты типа дизельного топлива при первоначальной

концентрации в почве 0,5% за 1,5 месяца деградируют на 10-80% от исходного

количества в зависимости от содержания летучих УВ. Более полная деградация

происходит при рН 7,4 (64,3-90%), в кислой среде (рН 4,5) деградируют лишь

до 18,8% [Ю. И. Пиковский 1988].

Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе.

Он надолго может “запечатать” все поры почвенного покрова, лишив почву

возможности свободного влагообмена и дыхания. Это, в первую очередь,

приводит к полной деградации биоценоза.

Циклические УВ

К ним в нефти относятся нафтеновые и ароматические УВ.

Нафтеновые УВ составляют от 35 до 60 %

О токсичности нафтенов сведений почти не имеется. Вместе с тем имеются

данные о нафтенах как о стимулирующих в-вах при действии на живой

организм.( лечебная нефть Нафталанского мест-я в Азербайджане).Биологически

активным фактором этой нефти служат полициклические нафтеновые структуры.

Основные продукты окисления нафтеновых УВ- кислоты и оксикислоты.

К ароматическим УВ (аренам) относятся как собственно ароматические

структуры - 6-ти членные кольца из радикалов -СН-, так и “гибридные”

структуры, состоящие из ароматических и нафтеновых колец. Содержание в

нефти ароматических УВ от 5 до 15 %, чаще всего от 20 до 40 %. Основная

масса ароматических структур составляют моноядерные УВ - гомологи бензола.

Полициклические ароматические УВ (ПАУ) с двумя и более ароматическими

кольцами содержатся в нефти от 1 до 4 %. Среди голоядерных ПАУ большое

внимание обычно уделяется 3,4-бензпирену как наиболее распространенному

представителю канцерогенных веществ.

Ароматические УВ - наиболее токсичные компоненты нефти. В концентрации

всего 1 % в воде они убивают все водные растения. Нефть содержащая от 30 до

40 % ароматических УВ значительно угнетает рост высших растений.

Моноядерные УВ - бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое

воздействие на организмы чем ПАУ так как ПАУ медленнее проникают через

мембраны клеток. Однако, в целом, ПАУ действуют более длительное время,

являясь хроническими токсикантами.

Ароматические УВ трудно поддаются разрушению. Экспериментально показано,

что главным фактором деградации ПАУ в окружающей среде, в особенности в

воде и воздухе, является фотолиз, инициированный ультрафиолетовым

излучением.[ А.И. Шилина]. В почве этот процесс может происходить только на

ее поверхности.

Смолы и асфальтены

Смолы и асфальтены - это высокомолекулярные неуглеводородные компоненты

нефти. Смолы - вязкие мазеподобные в-ва, асфальтены - твердые,

нерастворимые в низкомолекулярных УВ. По содержанию смол и асфальтенов

нефти подразделяются на:

малосмолистые ( от 1 - 2 до 10 % смол и асфальтенов )

смолистые ( 10 - 20 % )

высокосмолистые ( 23 - 40 % )

Смолы и асфальтены содержат основную часть микроэлементов нефти, в том

числе почти все металлы. Среди нетоксичных и малотоксичных металлов можно

выделить: Si, Fe, Al, Mn, Ca, Mg, P. Другие микроэлементы: V, Ni, Co, Pb,

Cu, U, As, Hg, Mo, в случае повышенных концентраций могут оказывать

токсическое воздействие на биоценоз.

Вредное экологическое влияние смолисто - асфальтеновых компонентов на

почвенные экосистемы заключается не в химической токсичности, а в

значительном изменении водно - физических св - в почв. Если нефть

просачивается сверху, ее смолисто - асфальтеновые компоненты сорбируются в

основном в верхнем, гумусовом горизонте иногда прочно цементируя его. При

этом уменьшается поровое пространство почв.

Смолисто - асфальтеновые компоненты гидрофобны. Обволакивая корни растений,

они резко ухудшают поступление к ним влаги в результате чего растения

погибают. Эти в- ва малодоступны микроорганизмам, процесс их метаболизма

идет очень медленно, иногда десятки лет. В целом при окислительной

деградации нефти в почвах, независимо от того, происходит механическое

вымывание загрязняющих в - в или нет, идет накопление смолисто -

асфальтеновых в - в. Разрушение и вынос компонентов УВ фракции происходят

гораздо быстрее.

За те 400 млн. Лет, что жизнь на Земле вышла на сушу, с поверхностью нашей

планеты произошли большие изменения: каменистые и глинисто-песчаные пустыни

покрылись тонкой оболочкой среды обитания наземных животных и растений.

Определяющую роль в формировании этой живой оболочки Земли сыграли

фотосинтезирующие растения. Вследствие их деятельности поверхностный слой

Земли обогатился органическими веществами, насытился множеством

гетеротрофных микроорганизмов, сформировались почвенные экосистемы, дающие

пищу для животных. Они же служат основными источниками пищи и для человека.

Вопрос№3

ПОЧВА.

Таким образом почва - это связующее звено между атмосферой, гидросферой,

литосферой и живыми организмами и играет важную роль в процессах обмена

веществами и энергией между компонентами биосферы. Почва - это средоточие

жизни, среда обитания многих живых организмов.

“Дыхание” почвы существенно изменяет состав приземного слоя атмосферы.

Почвенная влага, формируясь из атмосферных осадков, в дальнейшем определяет

химический состав грунтовых, речных, озерных и в значительной мере морских

вод. В почве постоянно и одновременно протекают химические, физические и

биологические процессы. Немаловажную роль здесь играют процессы

ферментативного и каталитического окисления, восстановления и гидролиза. В

результате почва обогащается необходимыми неорганическими и органическими

веществами, происходит химический круговорот веществ - сущность развития

почвы, ее плодородия.

Под плодородием понимают свойство почвы удовлетворять потребности растений

в элементах питания и воде, снабжать корневые системы необходимым

количеством воздуха и теплоты, обеспечивая тем самым нормальную

жизнедеятельность растений.

Важное значение для осуществления почвенных процессов имеет структура

почвы. Любую почву можно рассматривать как гетерогенную, многофазную

систему, состоящую из твердой ( минеральный “скелет”, органический и

биологический компоненты ), жидкой ( почвенный раствор ) и газообразной (

почвенный воздух ) фаз. Почва представляет собой биоминеральную ( биокосную

) динамическую систему, находящуюся в материальном и энергетическом

взаимодействии с внешней средой и частично замкнутую через биологический

круговорот веществ.

Минеральный состав почв складывается в основном из кварца ( SiO2) и

алюмосиликатов ( SiO2 . Al2O3 . H2O ) в различных соотношениях.

Твердая фаза почв и почвообразующих пород состоит из разномерных частиц (

педов ) - механических элементов. Относительное содержание в почве таких

элементов определяет ее гранулометрический состав. В зависимости от

размеров частиц различают песчаные, суглинистые и глинистые почвы.

От механического состава почв и почвообразующих пород в значительной мере

зависит интенсивность многих почвенных процессов, связанных с

превращениями, переносом и накоплением в почве органических и минеральных

соединений.

Органический компонент почв представлен гумусовыми веществами, служащими

источниками питания для почвенных микроорганизмов и структураторами почв.

Гумусообразование происходит в результате превращения органических

остатков, поступающих в почву после отмирания растений.

Биологическая составляющая почвенных экосистем представлена зелеными

растениями, микроорганизмами и животными. При воздействии организмов на

почву в процессе их жизнедеятельности осуществляются важнейшие звенья

почвообразования - синтез и разрушение органического вещества,

избирательное концентрирование биологически важных микроэлементов,

разрушение и новообразование минералов и аккумуляции веществ.

Основная почвообразующая роль принадлежит лесной растительности. Ее

биомассы на поверхности суши составляет 1011 - 1012 т. Остатки

растительности поступают на поверхность почвы в основном в виде опада. На

втором месте по биомассе почвообразующих зеленых растений - травянистая

растительность ( 1010 - 1011 т ). При этом биомасса корней обычно превышает

биомассу наземной части травянистой растительности.

В формировании плодородия почв принадлежит почвенным микроорганизмам. Здесь

обитают в большом количестве бактерии, микроскопические грибы и водоросли.

Общее число микроорганизмов в почве исчисляется миллиардами в 1 гр.

Микрофлора почвы по объему составляет около 0,1% ее объема, 7 - 10 т на 1

га или в сухом весе примерно 2 т живого вещества на гектар.

Особенно важную роль в почвенном круговороте веществ играют бактерии.

Гетеротрофные бактерии разлагают органические остатки до простых

минеральных соединений. Афтотрофные бактерии осуществляют в почве процессы

окисления минеральных соединений - продуктов жизнедеятельности

гетеротрофов. Широко распространенные в почвах серобактерии окисляют Н2S,

S, и тиосоединения до Н2SO4 (процесс сульфофикации). При участии

железоокисляющих бактерий, наиболее распространенных в заболоченных почвах,

происходит окисление солей Fe (II). В почве содержится много бактерий -

азотфиксаторов: свободно живущих и клубеньковых. На отмирающих органических

остатках живут сапрофитные гетеротрофные бактерии и грибы. Микроскопические

грибы (плесневые, актиномицеты) в аэробных условиях могут разлагать

клетчатку, лигнин и другие стойкие органические соединения, участвуют в

минерализации гумуса. Их гифы достигают нескольких тысяч метров на 1

г почвы. Наряду с бактериями и грибами в почве присутствует большое

количество водорослей, в основном в поверхностном слое и на растениях.

Плодородие почвы определяется содержанием в ней гумусовых веществ. Эти

вещества химически и микробиологически устойчивы. Они являются

промежуточными продуктами в процессе образования угля. Зрелые гумусовые

почвенные горизонты формируются за сотни лет, а минеральные - за тысячи и

миллионы лет.

Потери почвенного покрова во всем мире велики. Общая площадь почв,

разрушенных за всю историю человечества, достигла 20 млн. км2, что намного

превышает площадь всей пахотной земли, используемой в настоящее время. В

результате застройки, производства горных работ, опустынивания и засоления

почв мировое сельское хозяйство ежегодно теряет около 50 - 70 тыс. км2 (Ю.

И. Скурлатов 1994).

Таким образом, после краткого знакомства с “ участниками “ этой

экологической проблемы, можно перейти непосредственно к изучению

взаимодействия между почвой и нефтью, которые, как это не парадоксально

звучит, вовсе не являются “ соседями “, но ставшие таковыми в результате “

хозяйственной “ деятельности человека.

Вопрос№4

ЕСТЕСТВЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ НЕФТИ В ПОЧВЕ.

Исследование трансформации нефти, попавшей в почву в результате разливов

или утечек в местах хранения или транспортировки, необходимо для понимания

механизмов самоочищения и восстановления почв, нарушенных техногенезом.

Знание стадий трансформации нефти позволит определить давность загрязнения

и сроки восстановления почв, повысить эффективность контроля за

загрязнением среды нефтью и нефтепродуктами. Окисление отдельных классов

УВ, входящих в состав нефти, в частности микробиологическое окисление,

изучается в настоящее время довольно подробно, существует достаточно много

работ по этим вопросам (Н. М. Исмаилов 1985, Ф. Х. Хазиев 1981, М.

А.Глазовская 1979 и др. ). Авторы выделяют следующие наиболее общие этапы

трансформации нефти:

Физико-химическое и частично микробиологическое разрушение

алифатических УВ.

Микробиологическое разрушение низкомолекулярных структур разных классов,

новообразование смолистых веществ.

Трансформация высокомолекулярных соединений - смол, асфальтенов,

полициклических УВ.

В соответствии с этапами биодеградации происходит регенерация биоценозов.

Процессы идут разными темпами на разных ярусах экосистем. Значительно

медленнее, чем микрофлора и растительный покров, формируется сапрофитный

комплекс животных. Полной обратимости процесса, как правило, не

наблюдается. Наиболее сильная вспышка микробиологической активности

приходится на второй этап биодеградации нефти. При дальнейшем снижении

численности всех групп микроорганизмов до контрольных значений, численность

углеводородокисляющих организмов на многие годы остается аномально высокой

по сравнению с контролем.

Ю.И. Пиковский (1988) отмечает, что при нефтяном загрязнении

взаимодействуют три экологических фактора: а) сложность, уникальная

поликомпонентность состава нефти, находящегося в состоянии постоянного

изменения; б) сложность, гетерогенность состава и структуры любой

экосистемы, находящийся в процессе постоянного развития и изменения; в)

многообразие и изменчивость внешних факторов, под воздействием которых

находится экосистема: температура, давление, влажность, состояние

атмосферы, гидросферы и др. Исходя из этого, оценивать последствия

нефтяного загрязнения необходимо с учетом конкретного сочетания этих трех

групп факторов.

Рассматривая общие закономерности трансформации нефти в почве, Ю.И.

Пиковский (1988) отмечает, что нефть - это высокоорганизованная субстанция,

состоящая из множества различных компонентов. Она деградирует в почве очень

медленно, процессы окисления одних структур ингибируются другими

структурами, трансформация отдельных соединений идет по пути приобретения

форм, трудноокисляемых в дальнейшем. На земной поверхности нефть

оказывается в другой обстановке - в аэрируемой среде. Основной механизм

окисления УВ разных классов в аэробной среде следующий: внедрение кислорода

в молекулу, замена связей с малой энергией разрыва (С-С, С-Н) связями с

большой энергией, следовательно, процесс протекает самопроизвольно.

Главный абиотический фактор трансформации - ультрафиолетовое излучение.

Фотохимические процессы могут разлагать даже наиболее стойкие

полициклические УВ за несколько часов.

Конечные продукты метаболизма нефти в почве следующие:

Углекислота, которая может связываться в карбонаты, и вода.

Кислородные соединения (спирты, кислоты, альдегиды, кетоны), которые

частично входят в почвенный гумус, частично растворяются в воде и удаляются

из почвенного профиля.

Твердые нерастворимые продукты метаболизма - результат дальнейшего

уплотнения высокомолекулярных продуктов или связывания их в органо-

минеральные комплексы.

Твердые корочки высокоминеральных компонентов нефти на поверхности почвы

(киры).

Вместе с тем изучению трансформации всей системы соединений, входящих в

состав нефти, на природных моделях уделялось еще мало внимания. М. А

Глазовская., Ю. И Пиковский. (1985) отмечают, что главной целью изучения

загрязнений природной среды является быстрейший возврат непригодных для

использования земель в сельскохозяйственное производство, восстановление их

первоначальной продуктивности или рекреационных качеств. Скорость

разложения нефти по данным разных авторов различается в пять и более раз,

восстановление первоначальной продуктивности земель при активной

рекультивации происходило в одних случаях в течение года, в других

растягивалось от нескольких лет до 12 и более. Так, А. А Оборин., И. Г

Страницы: 1, 2