Ячмень и овес как биотестеры загрязнения почв жидкими отходами промышленности

1.3. Токсичность жидких  отходов и их  влияние на живые  организмы 

    При освоении, обустройстве и эксплуатации месторождений нефти и нефтеперерабатывающих предприятий в значительной мере изменяется природный ландшафт и идет интенсивное загрязнение земель.

    Почвенный покров - основной элемент ландшафта - первым принимает на себя «экологический удар». В связи с механическим нарушением и нередко химическим загрязнением происходит постепенная деградация почв, которая стала одной из основных экологических проблем нефтегазового комплекса. Поскольку длительность всего процесса трансформации нефти в разных почвенно-климатических зонах различна: от нескольких месяцев до нескольких десятков лет. [2].

    Нефть и продукты ее переработки, попадая в почву, вызывают значительные, порой необратимые изменения ее свойств - образование битуминозных солончаков, гудронизацию, цементацию и т. д. Эти изменения влекут за собой ухудшение состояния растительности и биопродуктивности земель. В результате нарушения почвенного покрова и растительности усиливаются нежелательные природные процессы - эрозия почв, деградация, криогенез. [6].

    Нефть (тур. neft, от перс. нефт), горючая маслянистая  жидкость, распространенная в осадочной  оболочке Земли; важнейшее полезное ископаемое. Сложная смесь алканов, некоторых циклоалканов и аренов, а также кислородных, сернистых  и азотистых соединений. [23]

    Химический  состав нефти зависит от района добычи и в среднем определяется следующими данными: углерод (83-87%), водород (12-14%), азот, сера, кислород (1-2%, реже 3-6% за счет серы). Десятые и сотые доли процента составляют многочисленные микроэлементы, набор которых в любой нефти  примерно одинаков.

    К нефтепродуктам обычно относят различные  углеводородные фракции, получаемые из нефти. Основные компоненты нефтепродуктов - углеводороды. Наряду с углеводородами в нефтепродуктах, как и в нефтях, также содержатся соединения серы, азота и кислорода.

    При нефтяном загрязнении тесно взаимодействуют  три группы экологических факторов: 1) уникальная многокомпонентность  состава нефти, находящегося в процессе постоянного изменения; 2) гетерогенность состава и структуры любой  экосистемы, находящейся в процессе постоянного развития; 3) многообразие и изменчивость внешних факторов, под воздействием которых находится  экосистема: температура, давление, влажность, состояние атмосферы, гидросферы и  т. д. [5].

    Вполне  очевидно, что оценивать последствия  загрязнения экосистемы нефтью и  намечать пути ликвидации этих последствий  необходимо с учетом конкретного  сочетания этих трех групп факторов.

    В качестве эколого-геохимических характеристик  основного состава нефти приняты содержание легкой фракции, метановых углеводородов, циклических углеводородов, смол и асфальтенов, сернистых соединений. [5].

    Легкая  фракция нефти, куда входят наиболее простые по строению низкомолекулярные метановые, нафтеновые (циклопарафины) и ароматические углеводороды - наиболее подвижная часть нефти.

    Большую часть легкой фракции составляют метановые углеводороды с числом углеводородных атомов от 5 до 11. Нормальные алканы составляют в этой фракции 50-70%.

    Метановые углеводороды легкой фракции, находясь в почвах, оказывают наркотическое  и токсическое действие на живые  организмы. Особенно быстро действуют  нормальные алканы с короткой углеводородной цепью, содержащиеся в основном в  легких фракциях нефти. Эти углеводороды лучше растворимы в воде, легко  проникают в клетки организмов через  мембраны, дезорганизуют цитоплазменные мембраны организма. Нормальные алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов углерода, большинством микроорганизмов  не ассимилируются, хотя могут быть окислены. Их токсичность ослабляется  в присутствии нетоксичного углеводорода, который уменьшает общую растворимость  алканов. [6].

    Многие исследователи отмечают сильное токсическое действие легкой фракции на микробные сообщества и почвенных животных. Легкая фракция, мигрируя по почвенному профилю и водоносным горизонтам, расширяет, иногда значительно, ореол первоначального загрязнения. На поверхности эта фракция в первую очередь подвергается физико-химическим процессам разложения, входящие в ее состав углеводороды наиболее быстро перерабатываются микроорганизмами. [5].

    С содержанием легкой фракции коррелируют  другие характеристики нефти: углеводородный состав, количество смол и асфальтенов. С уменьшением содержания легкой фракции ее токсичность снижается, но возрастает токсичность ароматических  соединений, относительное содержание которых растет.

    Значительная  часть легкой фракции нефти разлагается  и улетучивается еще на поверхности  почвы или смывается водными  потоками. Путем испарения из почвы  удаляется от 20 до 40% легкой фракции. [5].

    В нефтях, богатых легкой фракцией, существенную роль играют более высокомолекулярные метановые углеводороды, состоящие  из нормальных алканов и изоалканов. Метановые углеводороды во фракции, кипящей выше 200 градусов Цельсия, практически нерастворимы в воде. Их токсичность выражена гораздо слабее, чем у более низкомолекулярных структур.

    Содержание твердых метановых углеводородов (парафина) в нефти (от очень малых количеств до 15-20%) - важная характеристика при изучении нефтяных разливов на почвах. Твердый парафин не токсичен для живых организмов, но вследствие высоких температур застывания (+18 С и выше) и растворимости нефти (+40 С) в условиях земной поверхности он переходит в твердое состояние, лишая нефть подвижности. [5].

    Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе. Он надолго может «запечатать» все поры почвенного покрова, лишив почву свободного влагообмена и дыхания. Это, в свою очередь, приводит к полной деградации биоценоза.

    К циклическим углеводородам в составе нефти относятся нафтеновые (циклоалканы) и ароматические (арены). Общее содержание нафтеновых углеводородов в нефти изменяется от 35 до 60%, в некоторых случаях составляя меньше или больше приведенных крайних значений. [19].

    О токсичности нафтеновых углеводородов сведений почти не имеется. Циклические углеводороды с насыщенными связями окисляются очень трудно. Биодеградацию циклоалканов затрудняет их малая растворимость и отсутствие функциональных групп. [5].

    Ароматические углеводороды - наиболее токсичные  компоненты нефти. В концентрации всего 1% в воде они убивают все водные растения; нефть, содержащая 38% ароматических  углеводородов, значительно угнетает рост высших растений. С увеличением  ароматичности нефти увеличивается  ее гербицидная активность. Содержание ароматических углеводородов в нефти изменяется от 5 до 55%, чаще всего от 20 до 40%. В работе Н. А. Киреевой показана токсичность ароматических углеводородов для микроорганизмов почвы и их негативное воздействие на ферментативную активность. Наиболее чувствительными к загрязнению ароматическими углеводородами являются нитрифицирующие и целлюлозоразрушающие микроорганизмы, которые могут служить индикаторами загрязнения почв. [13].

    Основную  массу ароматических структур составляют моноядерные углеводороды - гомологи бензола. Полициклические ароматические  углеводороды, т. е. углеводороды, состоящие  из двух и более ароматических  колец, содержатся в нефти в количестве от 1 до 4%. [5].

    Бензол  и его гомологи оказывают более  быстрое токсическое действие на организм, чем полициклические ароматические  углеводороды. Последние действуют  медленнее, но более длительное время, являясь хроническими токсикантами. Ароматические углеводороды трудно поддаются разрушению. Обычно они  окисляются микроорганизмами. [26].

    Смолы и асфальтены относятся к высокомолекулярным неуглеводородным компонентам нефти. В составе нефти они играют исключительно важную роль, определяя во многом ее физические свойства и химическую активность. Структурный каркас смол и асфальтенов составляют высококонденсированные полициклические ароматические структуры, состоящие из десятков колец, соединенных между собой гетероатомными структурами, содержащими серу, кислород, азот.

    Смолистые вещества очень чувствительны к элементарному кислороду и активно присоединяют его. На воздухе смолистая нефть быстро густеет, теряет подвижность. Если нефть просачивается сверху, ее смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в основном в верхнем, гумусовом горизонте, иногда прочно цементируя его. При этом уменьшается поровое пространство почвы. Смолисто-асфальтеновые компоненты гидрофобны. Обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги, в результате чего растения засыхают. Эти вещества малодоступны микроорганизмам, процесс их метаболизма идет медленно, иногда десятки лет. Токсическое же влияние оказывают некоторые тяжелые металлы в составе смол и асфальтенов. Последние малодоступны микроорганизмам и обычно остаются в почвах в виде прочного органно-минерального комплекса. [5].

    Загрязнение нефтью существенно изменяет комплекс почвенных актиномицетов, снижая их численность и обедняя видовой  состав. Кроме того, в загрязненной нефтью почве возрастает число фитопатогенных и фитотоксичных видов микроскопических грибов. Развитие фитотоксичных форм грибов может усилить отрицательное  воздействие на почву нефтяного  загрязнения. [14].

    Показано, что загрязнение нефтью приводит к существенному (на два порядка) снижению численности гетеротрофной  части микробного комплекса, отмеченного  на начальных этапах воздействия  нефти. Через три месяца происходит восстановление численности гетеротрофов. [21].

    Первоначально, в интервале концентраций нефти  соответствующих зоне гомеостаза (до 1 мл/кг), она не оказывает существенного  влияния на почвенную микробиоту, выступает как биологический  стимулятор. Более высокие дозы (зона стресса 1-30 мл/кг) приводят к необратимым  изменениям микробиологических свойств  почвы, а в дальнейшем, - к нарушению  её водно-воздушного режима. Затем, в  зоне резистентности, она становится основным трофическим субстратом для  углеводородокисляющих микроорганизмов, одновременно угнетая жизнедеятель-ность  других гетеротрофных микроорганизмов, растений и животных. Наконец, при  ещё больших дозах, в зоне репрессии, нефть выступает как ингибитор  биологической активности почвы. [17]. 
 

1.4. Биотестирование с помощью растений как метод экологического мониторинга почв 

     Важнейшей составной частью экологического мониторинга окружающей природной среды в целом и почвы в частности вляется биомониторинг — система наблюдений, оценки и прогноза различных изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения. Биомониторинг делает возможной прямую оценку качества среды и является одним из уровней последовательного процесса изучения здоровья экосистемы. Основной задачей биологического мониторинга является наблюдение за уровнем загрязнения биоты с целью разработки систем раннего оповещения, диагностики и прогнозирования. [12].

     Главными  этапами деятельности при разработке систем раннего оповещения являются отбор подходящих природных объектов и создание автоматизированных систем, способных с достаточно большой  точностью выявлять «отклик» организма  на загрязнение среды, в которой  он находится, определение регламента, согласование методик, проектирование и эксплуатация сети мониторинга.

     Методами  биоиндикации и биотестирования  определяется присутствие в окружающей среде того или иного загрязнителя по наличию или состоянию определенных организмов, наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки, т.е. обнаружение и определение  биологически значимых антропогенных  нагрузок на основе реакции на них  живых организмов и их сообществ. Таким образом, применение биологических  методов для оценки среды подразумевает  выделение видов животных или  растений, чутко реагирующих на тот  или иной тип воздействия. Методом  биоиндикации с использованием подходящих индикаторных организмов в определенных условиях может осуществляться качественная и количественная оценка (без определения  степени загрязнения) эффекта антропогенного и естественного влияния на окружающую среду. [3].

     Биологические методы помогают диагностировать негативные изменения в природной среде  при низких концентрациях загрязняющих веществ.

     При этом используемые виды биоиндикаторы  должны удовлетворять следующим  требованиям:

— это  должны быть виды характерные для  природной зоны, где располагается  данный объект;

— организмы-мониторы должны быть распространены на всей изучаемой  территории повсеместно;

— они  должны иметь четко выраженную количественную и качественную реакцию на отклонение свойств среды обитания от экологической  нормы;