Автореферат и диссертация по медицине (14.00.07) на тему:Гигиеническая оценка влияния нефти на почвенный микробоценоз и самоочищающую способность почвы

Начиная со второй половины 20 века, отмечается стремительное расширение и ускорение добычи нефти. Несмотря на меры, принимаемые по ограничению зависимости энергетического баланса от нефти и нефтепродуктов, доля углеводородного топлива составляет в настоящее время 2/3 мирового уровня потребления энергии. На долю нефти приходится более половины топливно-энергетического сырья.

Одним из негативных последствий интенсификации нефтедобычи является загрязнение природной среды нефтью и ее продуктами. Поступление нефти в окружающую среду происходит различными путями. Участились разливы нефти при ее транспортировке по морю, рекам и железной дороге, а также при перевозке автомобильным транспортом. Экологические катастрофы происходят при авариях нефтепроводов, когда на значительных пространствах загрязняются нефтью почвы и водные источники. Серьезное влияние на экологическую обстановку оказывают пожары и диверсии на трубопроводах и нефтехранилищах, а также пожары и аварии на нефтеперегонных заводах и предприятиях нефтехимии. Негативно влияют на экологию выбросы и сточные воды нефтеперерабатывающих предприятий и ТЭЦ, автохозяйств и бензозаправочных станций. В результате окружающая среда (вода, воздух, почва и растительность) загрязняется нефтью и нефтепродуктами, страдает животный мир, а попадание нефтепродуктов в питьевую воду непосредственно угрожает здоровью населения. [Другов Ю.С., Родин А.А.,2000].

Из-за высокой степени загрязнения имеет место деградация почвенного покрова, отчуждение земельных угодий из сельскохозяйственного оборота, которые становятся практически непригодными для земледелия. Нарушается экологическое равновесие природных ландшафтов за счет воздействия нефти и продуктов ее трансформации на сопредельные среды (растительный покров, поверхностные и грунтовые воды, животный мир). Так, действие и последействие нефтяного загрязнения на почвенные организмы определяется, прежде всего, степенью и интенсивностью загрязнения почвы [Киреева H.A., 1995].

Между тем, несмотря на чрезвычайную остроту рассматриваемой проблемы, многие вопросы, связанные с оценкой воздействия нефтяного загрязнения на почвенный покров до сих пор остаются нерешенными и вызывают многочисленные дискуссии. По-видимому, во многом такая ситуация обусловлена многоплановым воздействием нефти на почвенную систему, что и создает трудности в выработке критериев ее допустимого содержания [Добровольский Г.В., 2002].

При высоком уровне загрязнения (например, при разливах нефти), происходит практически полная депрессия функциональной активности флоры и фауны. Ингибируется жизнедеятельность большинства микроорганизмов [Алехин В.Г., Емцев В.Т., Рогозина Е.А., Фахрутдинов А.И., 1998] и происходит угнетение самоочищающей способности почвы [Перцовская А.Ф., 1976; Талаева Ю.Г.,1978;Сафонникова С.М., 1991; Rouard N. et al., 1996].

Результаты исследования почв, загрязненных нефтью, показали значительное подавление численности основных систематических групп почвенных микроорганизмов (бактерий, грибов, актиномицетов) и снижение активности окислительно-восстановительных ферментов.

Плодородие почвы, в первую очередь связано с жизнедеятельностью микроорганизмов. Они обуславливают осуществление в почве ряда наиболее важных процессов. Микробиологические процессы являются необходимым звеном в круговороте всех биогенных элементов, участвуя в почвообразовании и поддержании почвенного плодородия [Ковда В.А.,1977; Звягинцев Д.Г.,1989; Freedman В., 1989; Coleman D.C.,1992].

Нефтеперерабатывающие заводы в Ангарске, Ярославле, Ачинске, Омске, Перми, Самаре, Москве, Нижнем Новгороде, Салавате, Волгограде, Рязани, Саратове, Сызрани, Туапсе, Ухте, Хабаровске, Комсомольске-на-Амуре, Уфе и Киришах являются источниками загрязнения окружающей среды в тех регионах, на территории которых они расположены. Основными загрязняющими веществами, выбрасываемыми в атмосферу предприятиями нефтепереработки, являются летучие органические соединения (углеводороды), диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота. Со сточными водами НПЗ в поверхностные воды поступает значительное количество нефтепродуктов, сульфатов, хлоридов, соединений азота, фенолов.

Проблема нарушения земель под влиянием нефтяного загрязнения является чрезвычайно важной еще и потому, что к началу прошлого года общая площадь нуждающихся в рекультивации земель составила 1,14 млн. га.

Несомненно, на всех этих территориях необходимо проводить работы по освобождению почв от нефтяного загрязнения и отсутствие допустимых уровней остаточного содержания нефти в почве, количество которой бы не влияло на живую составляющую почвенной системы, рсложняет осуществление поставленных задач. Тем не менее, работы по рекультивации нефтезагрязненных почв постоянно ведутся, предприятия предоставляют отчеты о проделанной работе, но до какого уровня очищаются эти почвы? Этот чрезвычайно важный вопрос остается по-прежнему открытым.

Несмотря на актуальность проблемы, работы гигиенического плана практически не проводятся. Встречаются исследования по оценке отдельных нефтяных фракций. Основное количество работ касается проблем рекультивации. Информация о гигиенической оценке воздействия нефти на микробоценоз почвы и способность ее к самоочищению в условиях нефтяного загрязнения практически отсутствует.

В связи с вышесказанным, целью работы являлась гигиеническая оценка влияния нефти на почвенный микробоценоз и самоочищающую способность почвы.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Изучить состояние микробоценоза почв, загрязненных нефтью.

2. Оценить самоочищающую способность нефтезагрязненных почв.

3. Выявить гигиенически значимые по критериям чувствительности и информативности микробиологические показатели загрязнения почв нефтью.

4. Установить безопасный и минимально действующий уровни содержания нефти по критерию биологической активности почвы.

Научная новизна работы

Впервые на примере нефти западно-сибирского происхождения установлено, что безопасным для почвенного микробоценоза уровнем содержания нефти в почве является 21 г/кг, а минимально-действующая концентрация по общесанитарному показателю вредности - 41 г/кг.

Выявлено, что для мониторинга степени нефтяного загрязнения почвы может быть рекомендован комплекс из 7 видов микромицетов: Aspergillus niger, A. versicolor, Paecilomyces variotii В airier, Trichoderma hamatum, Fusarium oxysporum, Sporothrix schenckii, и представители семейства Dematiaceae spp.

Показано, что приоритетными микроорганизмами по критерию чувствительности для индикации нефтяного загрязнения явились почвенные микромицеты. л

Установлено, что повышение уровня содержания нефтяных углеводородов в почвах города ухудшает их санитарное состояние, что проявляется в росте количества условнопатогенной микрофлоры (E.coli) и яиц гельминтов. При увеличении содержания нефтяных углеводородов в 465 раз по сравнению с фоновым уровнем численность E.coli и яиц гельминтов возрастала в 303 и 3 раза соответственно.

Практическая значимость

Установлен безопасный уровень содержания нефти в почве по показателям ее биологической активности для последующего обоснования гигиенического норматива.

Внедрение результатов:

• Методы микробиологических исследований нефтезагрязненных почв были использованы при проведении работ по определению степени токсичности и ее снижения после биоремедиации застарелых флотационных нефтешламов на территории ОАО «Московский НПЗ» (Акт о внедрении № 60 от 25.10.2005).

• Материалы диссертации были использованы в учебном процессе дисциплины «Человек и биосфера» на кафедре «Инженерная защита окружающей среды» Московского Государственного Горного Университета (письмо № 12-03/157 от 26.10.2005), а также при обучении специалистов нефтегазовых отраслей промышленности по программам «Экология и охрана окружающей среды», «Охрана почв и рекультивация нарушенных земель в нефтегазовом комплексе» в Учебно-исследовательском центре повышения квалификации и переподготовки руководящих работников и специалистов нефтегазовых отраслей промышленности и педагогических работников Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина (письмо № 920/67 от 24.03.2006).

Апробация материалов диссертации. Материалы работы доложены на: IV Международной выставке и конгрессе по управлению отходами «Вэйс-Тэк» (Москва, 2005), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Окружающая среда и здоровье» (Суздаль, 2005); заседании отдела «Всероссийская коллекция микроорганизмов», сектор мицелиальных грибов Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН (Москва, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Основные положения, выносимые па защиту

1. Количественный и качественный состав основных групп почвенных микроорганизмов в нефтезагрязненных почвах.

2. Самоочищающая способность почв, загрязненных нефтью.

3. Микромицеты как наиболее чувствительные и индикаторные к нефтяному загрязнению микроорганизмы.

4. Безопасный и минимально действующие уровни содержания нефти в почве по отношению к почвенному микробоценозу.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что загрязнение нефтью влияет на микробоценоз почв. Необратимые изменения, проявляющиеся в исчезновении одной из основных групп почвенных микроорганизмов - актиномицетов -выявлены при уровне загрязнения почвы нефтью более 82 г/кг через 87 суток.

2. Показано, что угнетение роста почвенных грибов и актиномицетов в зональной (дерново-подзолистой) и средненарушенной (культурозем) почвах происходило до 21 суток, начиная с концентрации нефти 41 г/кг. В сильнонарушенной почве (урбанозем) угнетение этих же групп почвенных микроорганизмов наблюдалось в более поздние сроки (с 58 суток) при концентрации нефти для грибов - более 41 г/кг, для актиномицетов - более 165 г/кг. Динамика изменения сапротрофных бактерий характеризовалась начальной стимуляцией и дальнейшим угнетением роста при концентрации выше 165 г/кг для дерново-подзолистой почвы и культурозема и более 41 г/кг - для урбанозема.

3. Установлено, что нефть до концентрации 21 г/кг не влияла на самоочищающую способность почвы по показателю выживаемости Е.соН. Концентрация выше 41 г/кг вызывала увеличение сроков отмирания кишечных палочек на 7 суток по сравнению с контрольной почвой, что свидетельствовало о выраженном угнетении естественного почвенного микробоценоза. Концентрации выше 82 г/кг вызывали ухудшение самоочищающей способности почв, которая на 90-180 сутки, в зависимости от типа почв, частично восстанавливалась.

4. Выявлено, что среди основных групп почвенных микроорганизмов наиболее чувствительными к нефтяному загрязнению являлись микромицеты. Изменения численности почвенных грибов происходили в зависимости от вида почв: к концу первого месяца для дерновоподзолистой и к концу второго месяца для городских почв во всех изученных концентрациях, начиная с концентрации 41 г/кг.

6. Показана неэффективность использования биотестов (дафнии, инфузории, сперматозоиды быка, сальмонеллы в тесте Эймса) для оценки токсичности нефтезагрязненных почв. В качестве показателя токсичности рекомендовано применять чувствительный организм - светящиеся бактерии в методе ЛБТ.

7. Установлена взаимосвязь санитарного состояния почв г. Москвы и уровня содержания нефтяных углеводородов в почве. При повышении содержания нефтяных углеводородов в 465 раз по сравнению с фоновым уровнем (28 мг/кг), наблюдалось увеличение количества БГКП в 303 раза и жизнеспособных яиц геогельминтов в 3 раза. Показано, что почва промышленных и, в меньшей степени, селитебных зон городов-мегаполисов содержала комплекс почвенных грибов, идентичный сообществу микромицетов, выделенному из модельных нефтезагрязненных почв.

Заключение

Исследования почв промышленных городов - Москвы и Уфы позволили сравнить количество нефтяных углеводородов, изменения в микробоценозе и санитарное состояние различных районов городов по количеству яиц гельминтов, бактерий группы кишечной палочки. Было обнаружено, что чем выше количественное содержание нефтяных углеводородов, тем неблагополучнее санитарное состояние района. Проводились исследования микробоценоза почв этих же районов. Из этих почв был выделен комплекс микромицетов, видовой состав которого был представлен теми же видами почвенных грибов, выделенных нами ранее в экспериментах из нефтезагрязненных почв.

Так же стоит отметить, что обилие условно-патогенных видов почвенных грибов (Aspergillus, Paecilomyices, Trichoderma, Fusarium, Dematiaceae spp.) в микробиологическом сообществе увеличивалось в зависимости от количества содержащихся в городских почвах нефтяных углеводородов. Данный комплекс выделялся в основном из почв промышленных и в меньшей степени селитебных зон.

Глава 7. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Под влиянием нефтяного загрязнения происходит нарушение экологического равновесия, проявляющееся в изменении почвообразовательных процессов и веками складывающихся биоценозов. В некоторых случаях, эти изменения приводят к необратимым последствиям -гибели микрообитателей почвы [122].

Эта проблема чрезвычайно актуальна, так как микроорганизмы осуществляют один из главных процессов в почве — разложение органических соединений. В этом процессе участвуют разные группы почвенного микробоценоза, которые последовательно сменяют друг друга на разных стадиях минерализации. Уменьшение численности любой из физиологических групп микроорганизмов, участвующих в этом процессе, ведет к торможению процесса самоочищения [101].

Тем не менее, большинство исследований по изучению нефтезагрязненных почв направлено на такие конъюнктурные цели, как выявление углеводородокисляющих микроорганизмов, с целью создания на их основе различных видов биопрепаратов, используемых в биоремедиации.

В настоящее время в имеющейся нормативной литературе предлагается широкий диапазон безопасных уровней воздействия. Например, существующим регламентом [93] допускается приемка рекультивируемых участков земель с концентрациями углеводородов, которые, в зависимости от типа почв, могут составлять 20-80 г/кг. Вместе с тем, существует достаточное количество сведений о диапазоне уровней содержания нефти в почве, оказывающих токсическое воздействие на почвенные организмы. В одних случаях это 10-20 г/кг [106], в других установленные нормы высокого и очень высокого загрязнения соответствуют всего лишь 3-5 г/кг [73]. Серьезным недостатком является отсутствие ранжирования предъявляемых требований по отношению к участкам земель различного местоположения и использования. Преследуя цель доведения остаточного количества нефти до требуемых уровней в максимально короткие сроки путем внесения различных микробиологических композиций, можно получить картину отрицательного воздействия на почвенный микробоценоз в целом. В результате, получил широкое распространение негативный принцип «лечение болезни (нефтяное загрязнение), а не больного (нарушенный биогеоценоз)».

В связи с этим, особую важность приобретают вопросы изучения влияния нефтяного загрязнения на естественный почвенный микробоценоз, самоочищающую способность и биологическую активность почвы, что и явилось целью наших исследований. Основные задачи и направления работы включали:

• изучение почвенного микробоценоза и самоочищающей способности почвы;

• выявление наиболее чувствительных и информативных микробиологических показателей;

• экотоксикологические исследования нефтезагрязненных почв;

• определение допустимых уровней содержания нефти, не оказывающих воздействия на биологическую активность почв.

Для решения первой задачи проводились эксперименты по оценке нефтяного загрязнения на трех модельных почвах (дерново-подзолистая почва, культурозем, урбанозем) с внесением нефти в диапазоне концентраций от низкого до высокого уровня загрязнения (25-500 мл/кг или 21-412 г/кг). Оценивали количественный и качественный состав основных групп почвенного микробоценоза (сапротрофные бактерии, актиномицеты, грибы), интегральные показатели биологической активности почв («дыхание», азотфиксация, ферментативная активность) и способность нефтезагрязненных образцов к самоочищению по влиянию на чистую культуру E.coli.

Параллельно с микробиологическими экспериментами оценивался уровень остаточного содержания нефти в почвенных образцах.

По результатам микробиологических исследований установлено, что изучаемая нефть оказывает, в основном, угнетающее воздействие на почвенные микромицеты и актиномицеты и стимулирующее на бактериальный комплекс. На подобное влияние нефти указывается в работах Киреевой H.A., Алиева С.А., Гаджиева Д.А.[3; 48; 50].

Проведенные микробиологические исследования на трех видах почв показали, что достоверное угнетающее воздействие нефти на микроорганизмы в течение эксперимента, проявлялось под воздействием концентраций 41 г /кг и выше. Под влиянием этой концентрации наблюдалось уменьшение количества почвенных грибов и актиномицетов. Однако, актиномицеты были чувствительны к дозе 41 г/кг лишь в двух видах почв - культуроземе и дерново-подзолистой почве, а в почвенных образцах урбанозема выраженное уменьшение их количества было зафиксировано, начиная с концентрации 165 г/кг. Почвенные микромицеты, независимо от вида почвы, одинаково реагировали на нефтяное загрязнение: при внесении нефти в концентрации 41 г/кг, в дерново-подзолистой почве количество почвенных грибов сократилось более, чем на 50 % в течение первого месяца эксперимента, а в культуроземе и урбаноземе в концу второго месяца.

Оценивая полученные результаты, в соответствии с существующими критериями гигиенического нормирования химических веществ в почве [65] негативными изменениями в почвенном микробоценозе можно считать те, которые происходили в почве с изначальной дозой внесения нефти 41 г/кг и выше.

Наблюдения за выживанием E.coli в нефтезагрязненных почвах проводили в динамике в начале и в конце экспериментальных исследований.

В начале экспериментов установлено губительное воздействие на клетки микроорганизма высоких концентраций нефти 165, 247 и 412 г/кг (приложения 7, 8, 9). Поведение кишечных палочек в почве с дозой 82 г/кг было схожим и различалось только более длительными сроками гибели. В то время, как доза нефти 21 г/кг не влияла на самоочищающую способность отмирание Е.соИ происходило также как в контрольном образце), концентрация нефти 41 г/кг замедляла отмирание тест - микроорганизма во всех изученных почвах (на 7-14 суток по сравнению с контролем).

В конце эксперимента в почвенных образцах с концентрациями 82 г/кг и выше не было отмечено гибели кишечных палочек, что, видимо, связано с процессами разложения нефти и соответственно снятия острой токсичности. Одновременно, во всех образцах, начиная с дозы 41 г/кг, наблюдалась увеличение сроков отмирания Е.соП (на 14-49 дней по сравнению с контролем), что свидетельствует об угнетении самоочищающей способности почвы на фоне нарушений в естественном почвенном сообществе.

По мнению профессора Добровольского Г.В. [90], характерной особенностью почв, загрязненных нефтепродуктами, в том числе урбаноземов, является возрастание биологической активности, как показателя одного из первых этапов нарушения экологических свойств почвы. На начальных стадиях нарушений экосистемы микробное сообщество часто сохраняет способность сопротивляться отрицательному экологическому влиянию, что выражается в увеличении биохимической активности, дыхания и др.

Именно такая картина наблюдалась в наших экспериментах, когда уровень «дыхания» и азотфиксации значительно повышался под влиянием всех исследуемых доз нефти. Однако известно, что при дальнейшем усилении токсического пресса на микробное сообщество, может наступать следующий этап реакции на загрязнение, что выражается в падении уровня биологической активности почвы ниже контрольного. Этот эффект наблюдался через 2 месяца экспозиции образцов под влиянием концентраций нефти 247 и 412 г/кг.

По мнению Самосовой С.М. [98], об интенсивности процесса самоочищения почвы от загрязнений можно судить по содержанию в почве ферментов. Одним из предполагаемых путей окисления углеводородов являются реакции дегидрирования и образования гидроперекисей, в которых участвуют ферменты из группы оксидоредуктаз. В наших экспериментах определялись два фермента из этой группы - дегидрогеназа, катализирующая реакцию дегидрирования органических веществ и каталаза, участвующая в разложении перекиси водорода, образующейся при разложении органических веществ. Также изучалась инвертазная и целлюлазная активность нефтезагрязненных почвенных образцов.

Все изученные концентрации нефти угнетающие воздействовали на целлюлозную активность почвы, что подтверждается работами Самосовой С.М. Считается, что причиной этого может являться низкое содержание подвижных соединений азота в загрязненной почве, нарушение воздушного режима и низкое содержанием растительных остатков.

По данным литературы, нефть оказывает различное влияние на ферментативную активность почвы: исследования Андерсона Р.К., Хазиева Ф.Х. и Бойко Т.Ф., 1980 [5] описывают стимулирующее влияние нефти на почвенные ферменты, в работах Киреевой H.A., 2001 [44;46], напротив, обсуждается угнетение ферментативной активности под влиянием нефти. Вероятно, исследования, проведенные на разных почвах, дают разные результаты. Нашими исследованиями подтверждено это предположение, т.к. активность ферментов (инвертазы, каталазы и дегидрогеназы) в урбаноземе была стимулирована всеми концентрациями внесенной нефти: каталазная активность на 200-5900 %, дегидрогеназная - на 17-283 %, инвертазная на 38% от уровня, зафиксированного в контрольном образце. В дерново-подзолистой почве ферментативная активность была угнетена дозами нефти 41 г/кг и выше на 50-75 % от контроля.

Проведенные исследования по биотестированию почвенных нефтезагрязненных образцов выявили отрицательное воздействие водных экстрактов почв с концентрацией нефти 41 г/кт и выше только на светящиеся бактерии в методе ЛБТ. Остальные тест-объекты либо были нечувствительными, либо реагировали на самые высокие дозы нефти (165412 г/кг): экстракты из всех образцов нефтезагрязненных почв не влияли на сперматозоиды быка, а проростки овса были угнетены дозами нефти 165-412 г/кг. Жизнедеятельность дафний и инфузорий нарушалась под воздействием экстрактов из урбанозема с дозами нефти 165 г/кг и выше, а из дерново-подзолистой почвы - 82 г/кг и выше (табл.7.1).