Биоиндикация и реабилитация экосистем при нефтяных загрязнениях.

А.В.Кураков, В.В.Ильинский, С.В.Котелевцев, А.П.Садчиков 

БИОИНДИКАЦИЯ И РЕАБИЛИТАЦИЯ 
ЭКОСИСТЕМ ПРИ НЕФТЯНЫХ 
ЗАГРЯЗНЕНИЯХ 

(под редакцией А.П.Садчикова, С.В.Котелевцева) 

Рекомендовано 

Учебно-методическим объединением по классическому университетскому 
образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по специальности и направлению «Почвоведение», 
«Биология» и «Биоэкология» 

Москва 
Издательство «Графикон» 
2006 

ББК 28.5я73 
С 14 

Рецензенты: 

декан Факультета почвоведения Московского государственного университета им. 
М.В.Ломоносова член-корреспондент РАН профессор СЛ.Шоба 
декан Биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета 
профессор В.ГЛртюхов 
зав. кафедрой системной экологии Университета дружбы народов профессор 
Ю.П.Козлов 

Рекомендована к публикации Ученым советом Международного биотехнологического 
центра Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова 

Кураков А.В., Ильинский В.В., Котелевцев С.В., Садчиков А.П. 
С 14 Биоиндикация и реабилитация экосистем при нефтяных загрязнениях 
(ред. Садчиков А.П., Котелевцев С.В.). - М.: Издательство «Графикон», 
2006. - 336 с. 

ISBN 5-7164-0541-Х 

В книге с экологических позиций рассмотрено влияние нефтяных загрязнений на 
наземные и водные экосистемы. Особое внимание уделено влиянию нефти и 
нефтепродуктов на водные (фитопланктон, зоопланктон, бентос, рыб), почвенные 
(микроорганизмы, 
водоросли, 
животные) 
организмы. 
Рассмотрена 
роль 
микроорганизмов в деградации нефтяных загрязнений. Большой раздел посвящен 
системе контроля и мониторинга за состоянием водных и наземных экосистем, 
приведены методы и экономические затраты. Предложены биотехнологические методы 
и подходы при рекультивации и восстановлении нарушенных экосистем. 

Книга предназначена для студентов и преподавателей 
вузов, научных 
работников, учителей, специалистов-экологов. 
Рис. 13, табл. 21 , библиогр. 564 назв. 

The impact of oil pollution of terrestrial and aquatic ecosystems was considered in the 
book from ecological positions. Special attention was paid to the analysis of oil and oil 
products influence to aquatic organisms (phytoplankton, zooplankton, benthos, and fishes), 
soil organisms (bacteria, fungi, algae, animals) and plants. The role of microorganisms in 
degradation of oil pollution was considered. The system of control and monitoring of soils 
and aquatic ecosystems was devoted large chapter, methods and economical expenses were 
given. Biotechnological approaches and techniques for remediation and rehabilitation of oil 
distributed ecosystems were proposed. 
Figures 13, tables 21, references 564. 

Книга опубликована за счет средств Федерального агентства по науке и 
инновациям РФ (государственный контракт № 02.444.11.7322 от 24 марта 2006 г.), 
гранта РФФИ (№ 06-04-48557), Фонда поддержки и развития образования. 

Напечатано с готового оригинал-макета авторов 
© Кураков А.В., Ильинский В.В., 
Котелевцев С.В., Садчиков А.П., 2006 

ВВЕДЕНИЕ 

Развитие промышленности, добыча и транспортировка полезных 
ископаемых приводят к возрастающему поступлению в экосистемы 
различных токсикантов. Среди множества загрязнителей необходимо 
выделить нефть и нефтепродукты, поступление которых в окружающую 
среду постоянно возрастает и оказывает токсическое действие на все 
звенья пищевой цепи. Нефтяное загрязнение является повсеместным и 
постоянным, причем действие других токсикантов может проявляться на 
фоне нефтяного загрязнения среды. 

В России по разным оценкам в результате аварий и утечек ежегодно 
теряется от 10 до 20 млн. тонн нефти. По другим сведениям эта цифра 
достигает 25 млн. тонн. Официальные данные значительно скромнее около 5 млн. тонн (Арене, Гридин, 1997). Нефть и нефтепродукты, 
попадающие 
в водоемы 
в результате 
хозяйственной 
деятельности 
человека, превратились в целом ряде регионов России в постоянно 
действующий экологический фактор (Егоров, Шипулин, 1998). В первую 
очередь от этого страдают почвы, внутренние водоемы и грунтовые воды, 
наиболее 
подверженные 
влиянию 
поверхностных 
стоков 
с 
нефтезагрязненных территорий. Эта проблема приобрела особую остроту в 
связи с возрастающим дефицитом питьевой воды. 

Большое 
количество 
загрязнителей 
поступает 
и 
в 
морские 
экосистемы; по подсчетам специалистов около 20% площади Мирового 
океана в той или иной степени покрыта нефтяной пленкой (Барлыбаев, 
2001). Попавшая в воду нефть проникает в толщу воды, накапливается в 
донных осадках и, таким образом, воздействует на все группы организмов: 
нейстон, планктон, нектон и бентос. 

Покрывая 
поверхность 
воды, 
нефть 
препятствует 
движению, 
дыханию и питанию мелких животных. Нефтяные пленки в первую 
очередь оказывают губительное воздействие на нейстонные организмы, 
включающие преимущественно гидробионтов, находящихся на ранних 
стадиях онтогенеза, в том числе и мальков рыб. Попадая в живые 
организмы, углеводороды нефти разрушают клеточные мембраны и легко 
проникают 
через 
липопротеидные 
клеточные 
барьеры, 
приводя 
к 
метаболическим 
и 
морфологическим 
нарушениям. 
При 
высоких 
концентрациях 
углеводородов 
клеточная 
оболочка 
разбухает 
и 

3 

разрушается. 
Большие 
молекулы 
полициклических 
ароматических 
углеводородов нефти 
поникают клетку и растворяются в липидах 
клеточных мембран, что приводит к гибели клетки. Углеводороды могут 
разрушать межклеточные мембраны, регулирующие процессы, связанные 
с обменом веществ, вызывая разбухание липидного слоя или разрушение 
протеиновой 
оболочки. 
Углеводороды 
нарушают 
функционирование 
ферментных и белковых систем многих растений и животных. Большие 
молекулы полициклических ароматических углеводородов нефти, поникая 
клетку, встраиваются в липиды клеточных мембран, что приводит ее к 
гибели. Кроме того, ряд нефтепродуктов 
обладает 
мутагенным и 
канцерогенным эффектом (Гилязов и др., 1990). 

Характерной реакцией водорослей на высокие концентрации сырой 
нефти 
и 
ее 
ароматических 
компонентов 
является 
ингибирование 
фотосинтеза. Подавление био- и фотосинтеза водорослей может быть 
результатом нарушения клеточной проницаемости, распада хлорофилла, 
разрушения мембран хлоропластов, накопления клеточных продуктов 
метаболизма или блокирования газообмена. 

Нефть 
и 
нефтепродукты 
отрицательно 
влияют 
на 
структуру 
естественных сообществ за счет изменения видового состава и размеров 
клеток первичных продуцентов - 
фитопланктона. Различная видовая 
чувствительность к нефти у фитопланктона наиболее ярко проявляется в 
естественных условиях; структура сообщества одноклеточных водорослей 
смещается в сторону преобладания мелких форм, которые оказываются 
более устойчивыми к нефтяному загрязнению. Такая закономерность 
отмечается не только для природных популяций, но и в лабораторных 
условиях. Помимо воздействия на индивидуальные организмы, нефть 
оказывает влияние на популяции и сообщества. Хроническое загрязнение 
вызывает сокращение 
видовое разнообразие растений и животных, что 
сказывается на стабильности экосистемы. 

Основными факторами самоочищения водоемов от нефти являются 
физико-химические процессы, в результате которых разлагается до 60% 
нефти. В дальнейшем нефть подвергается биодеградации, в которой 
решающая роль принадлежит микробиологической деструкции. 

Процесс биодеградациии нефти - весьма сложен и осуществляется 
различными гидробионтами в тесном контакте. Так, водоросли, потребляя 
растворенные ароматические соединения, очищают от них воду. Кроме 

4 

того, они участвуют в самоочищении водоемов опосредованно, за счет 
выделения кислорода, который в дальнейшем расходуется на окисление 
загрязняющих веществ. При этом главную роль в процессе самоочищения 
воды от нефтепродуктов принадлежит наиболее устойчивым водорослям, 
большинство которых относится к зеленым протококковым. 

Биодеградация нефти и ее продуктов лучше происходит при 
взаимодействии всех компонентов экосистемы. Часто процессы физикохимического и бактериального окисления протекают 
одновременно. 
Микроорганизмы 
наиболее 
эффективно 
функционируют 
в 
составе 
биоценозов, включающих как растения, так 
и животных. Продуценты 
способствуют ускорению биотического круговорота веществ в биоценозе основы самоочищения водоемов. Так, биодеградация нефтепродуктов 
в 
водной среде с естественным составом планктонных биоценозов протекает 
с большей скоростью, чем одними только микроорганизмами без фитоили 
зоопланктона. 
При 
благоприятных 
условиях 
микроорганизмы 
способны разлагать практически все углеводороды, от метана до тяжелых 
нефтей, однако последние более медленно подвергаются разрушению. 

В реках и водохранилищах заросли высших водных растений, 
выполняя роль биофильтров, способствуют аккумуляции и разрушению 
нефти. 
Ускорение 
процессов 
бактериальной 
деструкции 
нефти 
и 
нефтепродуктов в присутствии водных растений объясняется симбиозом 
между бактериями и макрофитами. Показано, что макрофиты своими 
выделениями 
стимулируют 
жизнедеятельность 
нефтеокисляющих 
бактерий. Кроме того, они увеличивают поверхность контактирования 
нефти с микрофлорой. 

На скорость самоочищения водоемов от нефти значительное влияние 
оказывает наличие минеральных биогенных веществ (в первую очередь, 
аммонийных 
солей 
фосфора), 
стимулирующих 
активность 
нефтеокисляющих и иных микроорганизмов. 
Почвы 
загрязняются 

не только нефтью, но и пластовой жидкостью (состоящей из сырой нефти, 
газа, нефтяных вод 
и буровых растворов), нефтепродуктов (вследствие 
аварий 
на 
нефтепроводах 
и 
различных 
нарушений 
хранения 
и 
применения). Загрязнение почв нефтью - совершенно особый 
вид 
загрязнения, который приводит к глубокому изменению практически всех 
основных 
характеристик 
почвы 
- 
морфологических, 
физических, 
химических и биологических, что обусловливает потерю плодородия и 

5 

отторжению их из сельскохозяйственного землепользования. Причины 
этого обусловлены сложным составом нефти и, чаще всего, ее «залповым» 
поступлением в среду. 

Глобальный характер загрязнения наземных и водных экосистем 
нефтью и нефтепродуктами на первый план выдвигает вопросы глубокого 
изучения функционирования экосистеме в таких условиях. Решение этих 
вопросов невозможно без знания механизмов и скорости их распада, 
которые зависят от многих факторов. При биомониторинге экосистем 
индивидуальный анализ химических компонентов в окружающей среде (и 
особенно в тканях животных и растений) крайне важен, однако не всегда 
возможен. Это связано с тем, что, во-первых, часто неизвестен даже класс 
химических соединений, которые нужно контролировать, 
во-вторых, 
действующие концентрации некоторых ксенобиотиков порой столь малы, 
что 
для 
химико-аналитического 
контроля 
необходимы 
высокочувствительные и дорогостоящие методы (такие, например как 
хроматомасс-спектрометрия). 

Многие 
биологически 
активные 
вещества, 
в 
том 
числе 
и 
содержащиеся 
в 
нефти 
и 
нефтепродуктах, 
нестабильны 
и 
после 
взаимодействия с биологической мишенью в короткие сроки распадаются, 
что затрудняет их химический анализ. Таким образом, желательно не 
только знать какие загрязнители и по каким механизмам аккумулируются в 
компонентах окружающей среды, но изучать и прогнозировать отклик 
экосистем на антропогенные воздействия. 

Все это указывает на то, что решение проблем охраны окружающей 
среды в настоящее время невозможно без использования современных 
биологических тест-систем и биотехнологий. 

Стремительное 
развитие 
молекулярной 
биологии, 
генетики, 
микробиологии, 
энзимологии 
заложили 
основу 
для 
практического 
использования 
фундаментальных достижений 
этих наук в решении 
природоохранных 
задач. 
Современные 
биотехнологии 
широко 
используются при реабилитации загрязненных территорий (в первую 
очередь 
нефтепродуктами), 
для 
контроля 
изменений 
различных 
параметров 
среды, для осуществления 
биомониторинга, 
очистки и 
контроля качества воды, почвы и т.п. 

Издание учебно-методического пособия, освещающего современные 
проблемы 
мониторинга 
и 
реабилитации 
экосистем 
от 
нефтяных 

6 

загрязнений позволит в какой-то мере решить данную проблему. В 
пособии 
обобщен 
теоретический 
и 
практический 
опыт 
многих 
специалистов по мониторингу и реабилитации экосистем от нефтяных 
загрязнений. 
Мы 
надеемся, 
что 
данное 
пособие 
будет 
полезно 
специалистам, занимающимся решением проблем охраны и реабилитации 
экосистем, студентам и аспирантам вузов, изучающих экологию и 
биотехнологию, рациональное природопользование. 

7 

НЕФТЯНЫЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ, ЕГО 
ПОСЛЕДСТВИЯ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ 

Источники углеводородов в водной среде 

В.И.Вернадский отмечал, что нефтяные углеводороды (УВ) являются 
частью глобальной системы круговорота углерода в земной коре. Согласно 
оценкам экспертов, основными формами УВ в морской среде, исходя из их 
генезиса, являются: УВ, синтезированные морскими организмами, сырая 
нефть и нефтепродукты, поступающие в результате антропогенного 
загрязнения морской среды и просачивания из толщи осадков, а также 
продукты неполного сгорания топлива (Немировская, 2000). 

К основным источникам синтезируемых УВ относятся все растения, 
животные и микроорганизмы суши и океана. Благодаря специфике 
современного 
биосинтеза, 
происходит 
в 
основном 
образование 
алифатических 
УВ. 
По 
вопросу 
биосинтеза 
полициклических 
ароматических УВ единого мнения нет, а их концентрации в природных 
объектах в среднем в тысячу раз ниже, чем алифатических УВ. 

Состав УВ различается в зависимости от источников их поступления: 
алканы фитопланктона и фитобентоса характеризуются преобладанием нСп, н-С]5 и н-С 19, аз-3,6,9,12,15,18-генейкозанексана, гопана, а среди изосоединений - пристана и фитана; микробиальные - доминированием н-Ск, 
и Н-С20-С25, при этом отношение нечетных алканов к четным (индекс CPI) 
= 1; терригенные 
- доминированием 
высокомолекулярных 
нечетных 
гомологов (CPI> 1). В составе незамещенных биогенных ПАУ преобладают 
фенантрен, хризен. Считается, что живое вещество Земли генерирует 
ежегодно 100 млн. тонн углеводородов. В Мировом океане путем 
фотосинтеза продуцируется от 3 до 12 млн. т УВ в год (Миронов, 1985), 
причем последнее значение более вероятно (Немировская, 2000). 

Нефтяные УВ доминируют среди остальных компонентов нефтей, их 
доля варьирует от 50 до 98%. В составе этих соединений преобладают 
алканы, нафтеновые и ароматические соединения, некоторые из них 
близки современным 
биосинтезированным 
УВ. Общее 
поступление 
нефтяных УВ в морскую среду оценивается от 1,7 до 8,6 млн. тонн в год. В 

8 

последние гады имеется тенденция к уменьшению поступления нефти в 
Мировой океан из антропогенных источников - с 6,1 до 2,35 млн. т в год за счет снижения сбросов промывочных и балластных вод (Немировская, 
2000). Объем ежегодного поступления антропогенных УВ во многом 
зависит от количества аварийных разливов, хотя на их долю приходится в 
среднем всего около 6% от общего поступления этих поллютантов. 

Из приведенных цифр становится ясно, что синтез УВ морскими 
организмами несколько превышает суммарный объем их ежегодного 
поступления в Мировой океан за счет антропогенной деятельности. При 
этом наблюдаются не только количественные, но и качественные различия 
УВ, поступающих из этих источников. Кроме того, биосинтез УВ 
происходит достаточно медленно и скорость их образования соизмерима 
со скоростью их утилизации. Антропогенные УВ, напротив, поступают в 
короткий период времени и локально, что приводит к негативным 
последствиям, нарушающим естественный круговорот этих соединений в 
океане (Немировская, 2000). 

Весьма актуальна в настоящее время проблема нефтяного загрязнения 
не только для морских вод, но и для пресных водоемов, которые имеют не 
только рыбохозяйственное значение, но и служат источниками питьевой 
воды для населения. В последнем случае требования к качеству воды резко 
возрастают, а нефтяные 
УВ способны 
оказывать 
на него 
весьма 
неблагоприятное влияние, поскольку даже при относительно малых их 
концентрациях вода приобретает неприятный запах и вкус и становится 
непригодной для использования. Известно, что вода имеет запах керосина 
при содержании нефти 0,2 - 0,4 мг/л, причем этот запах не устраняется 
даже при ее хлорировании и фильтровании. Присутствие обычных для 
нефти нафтеновых кислот придает воде резко выраженный запах при 
концентрации всего 0,01 мг/л (Алекин, 1970). 

Влияние нефтяного загрязнения на гидробионтов 

Попавшая в водоемы нефть может переноситься течениями на сотни 
и тысячи километров от места сброса, проникать в толщу морской воды, 
накапливаться в донных осадках, воздействуя, таким образом, на все 
группы организмов. Большое значение имеет воздействие нефтяных 
загрязнений на планктонные организмы (фитопланктон, зоопланктон, 

9 

х простейших), зообентос и фитобентос. 

Основные компоненты нефти по токсичности можно распределить в 
таком порядке: к числу наиболее токсичных относятся ароматические УВ, 
менее токсичны циклопарафины, еще менее - олефины и последнее место в 
этом ряду занимают парафины (Квасников, Клюшникова, 1981). 

Наибольший 
токсический 
эффект 
на 
гидробионтов 
оказывает 
водорастворимая фракция нефти, которая, как предполагают, образует 
комплексы с белками водных организмов. Наибольшие количества этой 
фракции накапливают дафнии (коэффициент накопления более 500), затем 
гаммарусы, 
рыбы 
и 
моллюски. 
Подвержены 
неблагоприятному 
воздействию водорастворимой фракции и микроорганизмы, в частности и 
углеводородокисляющие (УВ-окисляющие). Такие ароматические УВ, как 
ксилол, толуол, нафталин, метилнафталин и фенантрен оказывают на них 
неблагоприятное действие даже в относительно небольших концентрациях 
- свыше 10 мкг/л (Пфейфере, Платпира, 1986). 

Большинство данных о влиянии нефтяных загрязнений на растения и 
животных 
были 
получены 
в результате 
полевых 
и 
лабораторных 
экспериментов, а также наблюдений за случайным или хроническим 
загрязнением районов обитания морских организмов. 

Лабораторные опыты на токсичность обычно предполагают гибель или 
серьезные повреждения организмов в течение нескольких дней, поэтому 
результаты таких 
экспериментов 
не позволяют 
проследить 
эффект 
длительного влияния загрязнения на организм. Эти результаты во многом 
зависят от условий загрязнения среды, стадий развития тест-организмов, 
сезона отбора организмов и проведения экспериментов. 

При сильном разливе нефти наиболее очевидным оказывается ее 
механическое действие на среду. Тяжелые фракции нефти и ее эмульсии 
загрязняют или покрывают поверхность берегов и скалы, препятствуя 
перемещению, дыханию и питанию мелких животных. 

Углеводороды, растворенные или взвешенные в воде, попадают на 
незащищенные поверхности животных, например, эпителий жабр рыб. 
Особенно раздражающе действуют на них ароматические углеводороды, 
вызывающие обильное выделение слизи. Последствия такого воздействия 
могут быть существенными, поскольку ему подвержены те органы 
гидробионтов, которые регулируют водный и солевой обмен организма, а 
также дыхание. 

10