Адсорбция. Рост растений. Типы почв. Этапы рекультивации почв. Влияние компонентов нефти на микрофлору почвы Несмотря на значительные изменения нефти в результате физико-химических процессов, ведущее место в разложении нефти играют микроорганизмы. Микробиологические процессы ведут к частичному окислению и минерализации. Почвенные животные, для которых нефть токсична, не принимают прямого активного участия в процессах биодеградации нефти (за исключением простейших и нематод), но, будучи связанными трофически с микробиотой, опосредованно играют роль в биодеградации нефти. В результате исследования микробиологического окисления алифатических углеводородов установлены следующие особенности этого процесса: а) алканы ассимилируются многими микроорганизмами - дрожжами, микроскопическими мицелиальными грибами и бактериями, которые используют их как единственный источник питания; б) алканы легких фракций нефти с короткой углеродной цепью (короче С9) не ассимилируются вследствие их токсичности, но могут окисляться; в) насыщенные углеводороды (а именно ими представлены нефтяные алканы) деградируют легче, чем ненасыщенные; г) соединения с разветвленной цепью (изоалканы) окисляются менее быстро, чем углеводороды с прямой цепью (н-алканы). 4.1 Алканы. Первоначальные реакции окисления н-алканов - это реакции гидроксилирования с получением первичных н-спиртов. Окисление спиртов, полученных из алканов, происходит значительно быстрее. Спирт через альдегид окисляется до монокарбоновой кислоты, которая в свою очередь распадается с уменьшением углеродной цепи. Роль катализатора в этих реакциях играют ферменты различных микроорганизмов. Легкие нефтепродукты типа дизельного топлива при первоначальной концентрации в почве 0,5% за 1,5 месяца деградируют от 10 до 90% от исходного количества в зависимости от содержания летучих углеводородов. Более полно деградация происходит в нейтральной среде, чем в кислой. Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе. Он надолго может запечатать все поры почвенного покрова, лишив почву свободного влагообмена и дыхания, что приводит к деградации биоценоза. 4.2 Циклические углеводороды с насыщенными связями окисляются очень трудно. Биодеградацию циклоалканов затрудняют их малая растворимость и отсутствие функциональных групп. Первая ступень метаболизма циклоалканов - гидроксилирование до получения алициклического спирта и кетона. Дальнейшая биодеградация полярных циклоалканов идет гораздо легче, так как имеется много штаммов микроорганизмов, растущих на углеводородах с функциональными группами. Основные продукты окисления нафтеновых углеводородов - кислоты и оксикислоты. В ходе процесса уплотнения кислых продуктов частично могут образовываться продукты окислительной конденсации - вторичные смолы и незначительное количество асфальтенов. 4.3 Ароматические углеводороды. Содержание ароматических углеводородов в нефти 20-40%. Основную их массу составляют гомологи бензола. Полициклические ароматические углеводороды ПАУ содержатся в нефти в количестве 1-4%. Среди ПАУ большое внимание обычно уделяется 3,4-бензпирену как наиболее распространенному представителю канцерогенных веществ. В сырой нефти он обнаруживается редко. В продуктах переработки нефти его количество резко возрастает и может достигать сотен и тысяч мкг в 1 кг нефти. Арены наиболее токсичные компоненты нефти. В концентрации всего 1% в воде они убивают все водные растения. 4.4 Смолы и асфальтены - высокомолекулярные неуглеводородные компоненты нефти. Они состоят из десятков колец, соединенных между собой гетероатомными структурами, содержащими серу, кислород, азот. Они содержат основную часть микроэлементов нефти, в том числе почти все металлы. Общее содержание микроэлементов в нефти сотые и десятые доли процента. Нетоксичные и малотоксичные микроэлементы нефти: Si, Fe, Аl, Mn, Cа, Mg, P, составляющие большую часть золы нефти. V, Ni, Co, Pb, Cu, U, Аs, Hg, Mo и др. в случае повышенных концентраций могут оказывать токсическое действие на биоценоз. Наиболее часто токсичное влияние оказывают V и Ni. Содержание ванадия может достигать 40% на золу (0,04% на нефть), никеля 16% на золу (0,01% на нефть). Таким образом, 1 тысяче тонн пролившейся в почву нефти содержится до 1 ц V и Ni, что необходимо учитывать при оценке экологической ситуации, так как их соединения (особенно ванадия) в повышенных концентрациях действуют как яды, угнетая ферментативную активность, поражая органы дыхания, кровообращения, нервную систему, кожу человека и животных. Смолисто-асфальтеновые компоненты гидрофобны; обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги, вызывая засыхание растений. Они малодоступны микроорганизмам, процесс их метаболизма идет очень медленно, иногда десятки лет. 4.5 Сернистые соединения. Из соединений серы в нефти наиболее часто обнаруживаются сероводород, меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофены, тиофаны, свободная сера. Они оказывают вредное влияние на живые организмы, особенно сероводород и меркаптаны. Сероводород вызывает отравление и летальный исход у животных и человека при высоких концентрациях в воздухе (1 мг/л), ПДК сероводорода в воздухе в присутствии углеводородов 3 мг/куб.м [7]. На дерново-подзолистых почвах изменения в микробном сообществе обнаруживаются при концентрациях нефти более 2 мл/кг, нефть стимулирует развитие биомассы микроорганизмов в концентрациях 20-100 мл/кг, при 200 мл/кг интенсивность развития микробного сообщества снижается, а после 300 мл/кг биомасса микроорганизмов достигает минимальных значений. Причиной снижения роста микроорганизмов может быть как прямое токсическое действие нефти, так и ухудшение водно-физических свойств почвы, ее аэрации. При попадании нефти в почву помимо количественных происходят и качественные изменения микрофлоры. Выделено четыре зоны ответной реакции микроорганизмов на повышение дозы нефти – гомеостаз, стресс, резистентность, репрессия. В зоне гомеостаза (0-0,7 мл/кг) изменения в микробном сообществе минимальны, уровень загрязнения нефтью низкий. В зоне стресса (0,7-50 мл/кг) снижается интенсивность разложения углеводов, возрастает скорость разложения нефти, происходит смена доминирующих видов микроорганизмов, уровень загрязнения почвы нефтью средний. В зоне резистентности (50-300 мл/кг) наблюдаются резкие изменения в микробной системе, обедняется видовой состав, скорость разложения углеводов минимальна, а нефти максимальна, доминируют устойчивые к нефти, способные ее окислять виды, возрастает фитотоксичность почвы. В зоне репрессии (концентрация нефти более 300 мл/кг) наблюдается полное подавление всех микроорганизмов. При концентрациях нефти не выходящих за зону резистентности на свежих разливах нефти почвенная биота сначала сильно подавляется, в процессе адаптации численность микроорганизмов постепенно увеличивается. Даже спустя 15-20 лет отмечается повышенное содержание в почве углеводородокисляющих видов. Во всех почвах в большом количестве содержатся микроорганизмы, способные окислять различные углеводороды, но в отсутствии питательного субстрата они не доминируют. После разлива нефти подавляется ранее доминировавшая микрофлора и создаются приоритетные условия для деятельности деструкторов нефти, в почве обнаруживается большое количество узкоспециализированных микроорганизмов, окисляющих газообразные, ароматические углеводороды, твердые парафины. Особое значение в этом плане имеет мутагенное действие нефти на микрофлору почвы, так как отдельные компоненты нефти обладают очень высокой мутагенной активностью, особенно полярные, богатые азотом фракции. Особой мутагенностью обладает бензопирен, содержание его в почве может возрастать по мере разложения нефти