Самоочищающая способность почв от нефти и нефтепродуктов в зависимости от структуры углеводородов

Статья  принята к публикации в Журнале «Аридные эксистемы».
2016г, №4. Уникальность -91%.

УДК. 579:57.02:57.03

Самоочищающая способность почв от нефти и нефтепродуктов   в 

зависимости от  структуры углеводородов 

Исмаилов Н.М., Гасымова А.С.

Институт микробиологии НАНА

ismaylovn@mail. ru

Аннотация. Поведение нефти и нефтепродуктов в зависимости от их 

состава при их попадании в ландшафты, особенно 
процессы их 

внутриландшафтной миграции и преобразования  крайне сложны и 

длительны.  Предложена формула
для определения самоочищения 

различных типов почв в зависимости от структуры углеводородов по 

показателям почвенно-экологического индекса самоочищения. Рассчитаны 

почвенно-экологические индексы самоочищения (ПЭИс) для основных типов 

почв Азербайджана. Предложена обобщенная формула для  расчета  ПЭИс 

с учетом поправочных коэффициентов на структуру углеводородов. Знание 

характера загрязнителя  и потенциальной  самоочищающей способности  

конкретного типа почв к конкретному характеру загрязнителя  позволяет 

разрабатывать эффективные технологии очистки
почв с учетом и 

рациональным использованием  детерминантов самоочищения. Знание 

процессов самоочищения в зависимости от химического состава загрязнителя 

позволяет
совершенствовать  организацию и проведение   мониторинга 

загрязненных территорий, разработке ОВОСС.

Ключевые 
слова:
загрязнение
ландшафтов; 
загрязнители
нефтепродукты; фракционный состав загрязнителя; негативное воздействие 

загрязнителей; процессы самоочищения; закономерности самоочищения; 

биодоступность загрязнителя; формула расчета процесса самоочищения; 

формула расчета процесса самоочищения в зависимости от структуры 

углеводородов.

Введение.

По мере роста потребностей мирового хозяйства в нефти и 

нефтепродуктах и наращивания  производственных мощностей  в 

нефтедобывающих 
странах 
мира 
 
почвенный 
и 
водный 
покровы 

подвергаются загрязнению. Так, на Апшеронском п-ве Азербайджана  

нефтью и еѐ продуктами загрязнены свыше 18 тыс. га земли, под влиянием 

отходов лишь химической промышленности стали непригодными 1300га. 

Площадь земель, загрязненных нефтью в Азербайджане составляет 12 тыс. га 

(Состояние окружающей среды  в АР, 1997). Только на балансе ГНКАР 

находится свыше 7400 гектаров нефтезагрязненных почв, из коих 2800 га 

подлежат первоочередной очистке
(Сираджев
А.А., 2001). Степень 

загрязнения  достигает 20-30% и более, глубина загрязнения  может 

достигать 2-3 метров.

Почва и грунт, загрязненные нефтью, относятся к отходам, опасным для 

окружающей природной среды.  Содержание нефти в почве и грунте 10 г/кг 

соответствует 4 классу опасности отхода (Wi=9120,1; Ki=10,9), который 

устанавливается расчетным методом (Критерии отнесения., 2001 г.).

Общие экологические следствия поступления нефти, нефтепродуктов и 

других загрязнителей в природную среду сводятся: а) к изменению свойств 

почв и почвенного покрова, б) к загрязнению поверхностных и почвенно
грунтовых вод и донных отложений, в) к изменению химического состава 

растений и трансформации растительного покрова, г)к общей деградации 

ландшафтов 
и 
изменению 
социально-экономических 
условий 
жизни 

населения.

Поведение нефти и нефтепродуктов в зависимости от их состава при их 

попадании в ландшафты, особенно процессы их внутриландшафтной 

миграции и преобразования  крайне сложны и длительны.  С течением 

времени 
происходит 
 
внутрипочвенная 
деструкция 
 
поступившего 

загрязнителя, включающая физико-химическое и микробиологическое 

разрушение нефти, сорбцию-десорбцию составлявших нефть  компонентов, 

их растворение, деградацию, образование и разрушение эмульсий и т.д. 

(Солнцева Н.П., 1998). Таким образом, в основе механизма деградации нефти 

в почве лежат физические, химические и биологические процессы, 

интенсивность которых меняется в зависимости от времени, прошедшего с 

момента загрязнения. Особенностью процесса деградации является разная 

скорость преобразования отдельных компонентов нефти. Соединения, 

полученные в результате химических преобразований углеводородов 

различных классов, включаются в биогеоценотический круговорот и 

образуют органо-минеральные комплексы. 

Существуют
несколько основных этапов преобразования нефти в 

природных системах, не зависящих ни от состава поллютанта, ни от 

почвенно-климатических условий  - принципиально одинаковых в разных 

регионах (Солнцева
Н.П., 1998). Окисление (деградация, разложение, 

трансформация, модификация) нефти в почвах и поверхностных водах может 

протекать как по механизму фотохимического (радикально-цепного) 

окисления, так и  микробиологической деградации. Для почв существует 

характерная система защиты от загрязнений, которая относится к процессам 

самоочищения. 
Ведущим фактором самоочищения  нефтезагрязненных 

грунтов в естественных условиях является биологический фактор. В его 

основе лежит способность микроорганизмов разлагать широкий спектр 

органических соединений, содержащихся в загрязненных грунтах. Однако в 

естественных условиях процесс самоочищения грунтов от нефтяных 

углеводородов идет  медленно и зависит от  степени аэрации, доступности 

кислорода, источников азота, фосфора, увлажненности и др. Таким образом, 

в разных биоклиматических  условиях процессы деструкции нефти, несмотря 

на общую направленность еѐ деградации, специфичны.  Критериями 

сходства-различия являются: а) потери загрязнителя из одинакового объема 

почвенной массы за один и тот же срок, б) количество закрепившихся 

органических продуктов метаболизма. В то же время в пределах одной 

биоклиматической зоны процессы деградации нефти и нефтепродуктов 

неодинаковы и в разных типах экосистем в зависимости от абиогенных 

факторов: рН, почвенно-климатических особенностей и др. 

Защитные механизмы по отношению к техногенному воздействию 

проявляются в разложении опасных загрязнений и транспортировке их за 

пределы  ландшафта или перераспределения  внутри его. Самоочищение 

почвы  – способность почвы уменьшать концентрацию загрязняющего 

вещества в результате протекающих в почве процессов миграции, а также 

биологических процессов. Потенциал самоочищения почв зависит от свойств 

самих почв и физико-географических условий окружающей среды, в первую 

очередь климатических факторов. Чем выше потенциал самоочищения почв, 

тем интенсивнее их восстановление и тем большую разовую нагрузку они 

выдерживают. В разных биоклиматических зонах время самоочищения  

неодинаковы. Время самоочищения почвы - интервал времени, в течение 

которого происходит уменьшение массовой доли загрязняющего почву 

вещества на 96-97% от первоначального значения его фонового содержания. 

От потенциала самоочищения почв зависят организация наблюдения за 

состоянием почв, нормирование допустимых концентраций загрязняющих 

веществ, выбор способа рекультивации.

Цель исследований предложить формулы  для определения 

самоочищения различных типов почв в зависимости от структуры 

углеводородов.

Результаты.

В   масштабных  процессах самоочищения почв и вод от нефти и 

нефтепродуктов  главную
роль играют микроорганизмы. Микробная 

биомасса и еѐ структура может служить показателем интенсивности 

почвенных 
процессов, 
индикатором 
потенциальной 
самоочищающей 

способности 
почв. 
Принимая 
во 
внимание 
определяющую 
роль 

микроорганизмов  в самоочищении почв от загрязнения  чужеродными 

веществами,  нами  на основе  формулы расчета почвенно-экологических 

индексов (ПЭИ) (Карманов И.И., 1990, Карманов И.И.,
Фриев Т.А.,1982) 

была предложена формула для  оценки  самоочищающей способности  

различных типов почв (Мамедов Г.Ш., Исмаилов Н.М., 2006):

ПЭИс=12,5 (2-V) • п 
Кб
КК

КУ
T

100

)
5,0
(
150

(1)

где  ПЭИс –
почвенно-экологический индекс самоочищения; V
плотность почвы в среднем для слоя 0-20см; п - «полезный» (безбалластный 

объем почвы в слое 0-20см; ∑Т>150 – среднегодовая сумма активных 

температур выше 150С; величина 12,5 введена в формулу для того, чтобы 

привести определенную совокупность показателей к экологическому 

индексу, равному 100 (почвенно-экологические индексы выражаются с 

округлением до целых чисел); Кб- коэффициент биогенности.

Почвенно-экологические индексы самоочищения (ПЭИс) для основных 

типов почв Азербайджана показаны в таблице 1. 

Табл.1. Почвенно-экологические индексы самоочищения почв 

Азербайджана (Мамедов Г.Ш., Исмаилов Н.М., 2006)

Наименова-ние 

почв

Поправочный 
коэффициент  

по биоген-ности

ПЭИс
Наименование 

почв

Поправочный 
коэффициент  

по биоген
ности

ПЭИс 

Горно-луговые  
0,63
56
Сероземные  
0,80
53

Бурые 
горно
лесные  
0,48
42

Серо-бурые 
0,66
26

Горные черноземы 
0,81
69
Луговосероземные 

0,58
46

Коричневые горнолесные  

0,81
69
Луговые 
0,72
57

Темно-каштановые 
1,0
84
Горно-лесные 
желтоземные  

0,51
35

Каштановые  
0,99
79
Желтоземноподзолистые 

0,58
45

При районировании самоочищающей способности территории условно 

принимается 
одинаковый 
модуль 
техногенной 
нагрузки 
и 
состав 

загрязняющих веществ,  состоящий из  соединений, способных к деградации 

природными микроорганизмами. Как видно, наиболее высоким баллом 

характеризуются каштановые, горные черноземы, луговые, потенциально 

наиболее слабой устойчивостью к загрязнению органическими веществами 

обладают серо-бурые, горно-лесные, желтоземные почвы. При продвижении 

к горным районам  оценочные баллы  снижаются. 

По 
полученным 
результатам 
рассчитываются 
средневзвешенный 

показатель ПЭИс всей территории Азербайджана. 

Формула (1) дает возможность рассчитывать оценочные баллы  по 

устойчивости и самоочищающей способности почв от разливов нефти для 

зональных почв суглинистого гранулометрического состава. Оценочные 

баллы 
других 
почв 
можно 
рассчитывать 
с 
учетом 
поправочных 

коэффициентов 
для 
разного 
гранулометрического 
состава, 
степени 

засоления, солонцеватости, окультуренности и т.д. 

С помощью предложенной формулы и поправочных коэффициентов 

можно рассчитывать оценочные баллы устойчивости и самоочищающей 

способности для почвенной разновидности любой территории. При этом 

полученные баллы являются едиными и сопоставимыми для всей территории 

Азербайджана с еѐ контрастными природно-климатическими условиями. 

Коэффициенты корреляции между биологической активностью почв с точки 

зрения их устойчивости и способности к самоочищению, климатическими 

факторами  и показателями свойств почв раскрывают их существенную 

взаимозависимость и взаимообусловленность.

Вместе с тем, метод районирования почв в сравнительном плане дает 

возможность количественно оценить     способность их к самоочищению при 

прочих равных условиях – во-первых, при одинаковом модуле загрязнения и, 

во-вторых, в случае загрязнения   н-парафинами С8-С18, которые  

подвергаются микробному разложению   с максимальной скоростью  по 

сравнению с углеводородами иной структуры (Скрябин Г.К., Головлева Л.А., 

1976). 

В то же время устойчивость индивидуальных углеводородов и 

различных компонентов сырой нефти к микробному воздействию   в 

значительной степени обусловлена их структурой.  Скорость биодеградации 

углеводородов   микроорганизмами изменяется в порядке: парафины > 

ароматические углеводороды > циклопарафины.  В составе нефтей, 

подвергающихся микробному разложению возрастает доля смолисто
асфальтеновых компонентов, последовательно исчезают углеводороды: н
алканы > изо - и антеизоалканы > изопреноиды > моноциклические нафтены 

> прочие углеводороды. Схема окисления углеводородов микроорганизмами 

состоит 
из 
последовательного 
образования 
спиртов, 
альдегидов 
и 

карбоновых кислот, которые в дальнейшем подвергаются   минерализации. 

Почвенные микроорганизмы играют главную  роль в разложении не 

только  нефтяных углеводородов, таких как н-парафинов, ароматических 

углеводородов,  но и смолисто-асфальтеновых компонентов, битумоидных 

соединений. Однако последние   разлагаются  крайне медленно, притом 

разные фракции обладают различной стабильностью. В этой связи, как 

правило, основными компонентами остаточной нефти  являются полярные 

вещества – смолы и асфальтены. Они сохраняются  в течение многих  лет 

либо в виде подвижной фракции, либо входят в состав гумусового комплекса 

почв.  

В табл. 2 на молекулярном уровне  суммированы сведения о разрушении 

нефтей в оптимальных для роста микроорганизмов условиях.  

Табл.2. Классификация компонентов нефти по их способности

к биодеградации (Oudot J., 1984).  

Группа 

Отношение к воздействию микроорганизмов

Степень 

биодеградации,

% 

Компоненты нефти 

I
Высокочувствительные
80-100
Н-алканы, изоалканы

II
Чувствительные
60-80
Циклоалканы с 6,1,5 и 2 
кольцами, S-ароматика, 
моноароматические 
углеводороды 

III
Умеренно 
чувствительные

45-60
Циклоалканы с 3 и 4 кольцами, 
ди- и трициклические 
ароматические 

IV
Устойчивые  
30-45
Тетраароматические 
углеводоро-ды, стерины, 
тритерпены, нафтеноароматические углеводороды

V
Высокоустойчивые
0-30
Пентаароматические углеводороды, смолы и асфальтены

Почвенный покров может загрязняться как сырой нефтью, так и 

нефтепродуктами,   фракционный состав которых может широко варьировать 

в зависимости как характера   месторождений, так и  структуры  

углеводородов, 
соотношением 
парафиновых, 
циклопарафиновых 
и 

ароматических углеводородов.  Основное различие между нефтью,  добытой  

в  различных  географических районах обусловлено не химическим  

составом, а  содержанием отдельных компонентов, что   влияет на 

химические и  физические  свойства  сырой нефти.  Биологические и 

химические свойства  различных  углеводородов  существенно  различаются,  

поэтому, для точной и адекватной оценки  самоочищающей способности 

различных типов почв   необходимо знать состав  нефтепродукта, 

загрязняющего почву. Эта проблема важна   для правильной  оценки 

характера загрязнения, разработки предельно-допустимых концентраций 

загрязнения в зависимости от   токсичности, канцерогенности, мутагенности 

загрязнителей,  степени воздействия на почвенные растения, биоту и  

почвенные ферменты,  научно-обоснованного мониторинга загрязненных 

почв и разработки  технологий их очистки и др. 

В совокупности сырая нефть – это мощный «наркотик» для экосистем, и, 

прежде всего, для почв, т.к. она модифицирует  функционально важные 

системы  - консументов и продуцентов не только непосредственно, но и 

опосредованно – путем существенного  и долговременного изменения 

физико-химических, химических, биологических  и других функций 

ландшафтов. Наибольшей токсичностью обладают фракции нефти с 

температурой кипения 150 250оС. Метановые углеводороды легкой 

фракции, находясь в почвах, оказывают наркотическое и токсическое 

действие на живые организмы. Ароматические углеводороды - наиболее 

токсичные 
компоненты 
нефти. 
Сама 
почва, 
содержащая 
высокие 

концентрации 
ароматических 
углеводородов, 
потенциально 
может 

приобретать 
определенные 
канцерогенные 
и 
мутагенные 
свойства 

(Скворцова И.Н. и др., 1989), что может оказывать долговременное и 

устойчивое воздействие на жизнь и здоровье людей, проживающих на этих 

территориях.

Состав нефти обычно определяется  количественным содержанием 

углеводородов, 
которые 
делятся 
па 
парафины, 
циклопарафины, 

ароматические и нафтено-ароматические углеводороды.

Известно, что состав сырых нефтей различен в зависимости от характера  

месторождения: в одних нефтях  могут превалировать низкомолекулярные 

углеводороды, в других могут содержаться  значительные количества 

высокомолекулярных  углеводородов, в том числе высококонденсированных 

ароматических углеводородов  с различным числом колец.  Основное 

различие между нефтью,  добытой  в  различных  географических районах 

обусловлено не химическим  составом, а  содержанием отдельных 

компонентов, что   влияет на химические и  физические  свойства  сырой 

нефти. Нефтепродукты –бензины, керосины, масла, дизельные топлива также 

отличаются  структурой углеводородов и степенью   конденсированности  

колец. Естественно, что попадая в окружающую среду,  они при прочих 

равных условиях будут подвергаться биоразложению с различной скоростью 

в зависимости от их структуры. Так, асфальто-смолистые  компоненты  мало 

доступны микроорганизмам. Процесс их разложения идет очень медленно, 

иногда десятки лет (Пиковский Ю. И., 1988). Таким образом,  в пределах 

одной 
биоклиматической 
зоны 
процессы 
деградации 
нефти 
и 

нефтепродуктов неодинаковы и в разных типах экосистем в зависимости как  

от абиогенных факторов: рН, почвенно-климатических особенностей и др., а 

также от химической природы загрязнителя.  

В этой связи актуальна задача  выявления  самоочищающей способности  

различных типов почв не только в зависимости от их физико-химических и 

биологических свойств, но и в зависимости от  характера самого 

загрязнителя.

На основе  данных о степени микробной  биодеградации углеводородов 

в зависимости от их химической структуры  нами предложены поправочные 

коэффициенты, которые могут быть использованы  для  наиболее точной 

оценки  степени самоочищающей способности различных типов почв в 

зависимости от характера загрязнителя  (табл.3).

Табл.3. Поправочные коэффициенты  по признакам доступности 

углеводородов к биоразложению в зависимости от их структуры  

Отношение к воздействию 
микроорганизмов

Поправочные 
коэффициенты 

Высокочувствительные 
0,9

Чувствительные
0,7

Умеренно чувствительные
0,5

Устойчивые  
0,35

Высокоустойчивые
0,30

При почвенном мониторинге на основании результатов  лабораторного 

анализа загрязняющего вещества с преобладанием той или иной структуры  

углеводорода делается оценка ПЭИс конкретной территории. Так, если для 

серо-бурой почвы расчет ПЭИс показал 0,26, то в случае загрязнения почв  

нефтепродуктами с преобладанием н-парафинов,  с учетом поправочного 

коэффициента 0,9  ПЭИс   будет равным 0,26х0,9=0,234. В случае же 

загрязнения этого типа почв нефтепродуктом, в котором преобладают 

моноароматические углеводороды, то с учетом поправочного коэффициента 

на биодоступность ПЭИс будет равным 0,26х0,7=0,18. 

В этой связи предлагается  обобщенная формула (2)  для  расчета  

ПЭИс с учетом поправочных коэффициентов на структуру углеводородов: 

ПЭИс=[12,5 (2-V) • п )
Кб
КК

КУ
T

100

)
5,0
(
150

]х Пк    (2)

где Пк - поправочный коэффициент на  структуру углеводорода в 
зависимости от  его биодоступности.

По предлагаемой формуле возможно для различных типов почв 

рассчитать 
почвенно-экологический 
индекс 
самоочищения 
с 
учетом 

характера углеводородного загрязнителя.