Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

TECHNOGENIC POLLUTION OF SOILS IN A ZONE OF INFLUENCE OF THE MINING COMPLEX OF THE REPUBLIC OF KALMYKIA

Tsombueva B.V. 1
1 Kalmyk State University
The estimation of the content of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils of drilling platforms in the oil-producing complex. Study of impact of a mining complex on natural ecosystems carried out according to the materials of the investigation, five oil and gas fields situated in the South-Eastern parts of Kalmykia. It was shown that soil contamination polycyclic hydrocarbons has a superficial character. The content of Benz(a)pyrene in the surface layer of the soil is greater than the depth of 20-30 cm and Low content of studied pollutant at a depth of 20-30 cm suggests superficial pollution. Investigated level of soil pollution by heavy metals, established pattern of distribution of metals in soils of the region. Between the content of TM and benzo(a)pyrene in soil oil fields was calculated correlation coefficient.
heavy metals.
oil
benzo(a)pyrene
polycyclic aromatic hydrocarbons
soil cover
pollutants

Введение

Нефтяная отрасль справедливо считается одной из основных отраслей промышленности, ответственных за загрязнение окружающей среды. Наиболее агрессивными разрушительными факторами для природной среды являются химические загрязнения, связанные с нефтепродуктами [6].

В последнее время довольно интенсивно происходит освоение нефтяных запасов Калмыкии. Число проектов относительно добычи и транспортировки нефти растет очень быстро, но если даже часть из них будет реализована – это приведет к значительному возрастанию экологического риска.

На территории Республики Калмыкия числится 41 месторождение углеводородного сырья, в том числе 19 нефтяных, 11 газовых, 6 нефтегазовых и 5 нефтегазоконденсатных.

В процессе трансформации нефтяных соединений в почве происходит накопление высокомолекулярных конденсированных ароматических структур с высокой степенью водородной ненасыщенности. Количество их зависит от времени трансформации нефти в почве и степени активности протекания этого процесса в верхнем горизонте, чему способствует свободный доступ кислорода.

Полиароматические углеводороды (ПАУ), наиболее токсичные компоненты нефти, относятся к сильным канцерогенам. Токсические свойства связаны с их строением. ПАУ образуют незамещенные и замещенные бензольные кольца, способные полимеризоваться, для них характерна высокая устойчивость. Окружающую среду загрязняют: нафталин, антрацен, фенантрен, флуорентен, бенз(а)антрацен, хризен, пирен, бенз(а)пирен, дибензантрацен и др. Среди незамещенных ПАУ наиболее токсичны соединения с 4 или 5 кольцами: бенз(а)пирен (БП), бензперилен (БПЛ) и бенз(b)флуорентен. Среди замещенных ПАУ сильным канцерогенным действием обладают метилзамещенные, например, 5-метилхризен. Уровни суммарного содержания ПАУ в загрязненных почвах колеблются от единиц до сотен и даже тысяч (2000-4000) мкг/кг почвы [4].

Главным маркером загрязнения почв полициклическими ароматическими углеводородами, подлежащим обязательному контролю во всем мире, является бенз(а)пирен – канцероген и мутаген 1 класса опасности. Минимальное содержание бенз(а)пирена в почве, при котором повышается его содержание в растениях, измеряется величинами 50–100 мкг/кг почвы. ПДК бенз(а)пирена в почве составляет 20 мкг/кг [1].

Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжелые металлы. Нефтедобывающая промышленность является важным источником загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ) [3].

Целью данного исследования является загрязнение почв углеводородами и тяжелыми металлами в зоне нефтедобывающего комплекса Республики Калмыкии.

Материалы и методы исследования

Изучение влияния деятельности нефтедобывающего комплекса на природные экосистемы проведено по данным материалов обследования пяти нефтяных месторождений, находящихся в юго-восточных районах Калмыкии – Каспийское, Комсомольское, Улан-Хольское, Состинское, Баирское.

Отбор проб почвы на территории исследуемых площадок производился в соответствии с требованиями ГОСТ 28168 [5] (Практикум по агрохимии, 2001) с глубины 0–20 см, 20–30 см.

В отобранных образцах почв определяли БаП и ПАУ методом высокожидкостной хроматографии на жидкостном хроматографе Люмохром с флюориметрическим детектором. Почвенные образцы отбирались, подготавливались для химического анализа в соответствии с требованиями ГОСТ 28168.

Определение валовых форм Со, Pb, Cd, Mn, Сu, Ni, Cr, Zn, As проводили методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии с пламенной атомизацией на атомно-абсорбционном спектрофотометре "Квант" в пламени ацетилен-воздух.

Результаты исследования и их обсуждение

Учитывая то, что нефть включает широкий спектр ТМ, была выделена группа металлов, доля которых в составе нефти изучаемого региона и в выбросах значительна и представляет опасность в токсикологическом отношении: цинк (Zn), медь (Cu), кадмий (Cd), свинец (Pb), марганец (Mn), кобальт (Co), никель (Ni), хром (Cr), ртуть (Hg) и мышьяк (As) [7].

Содержание ТМ в исследуемых почвах не превышают ПДК (ОДК), кроме кобальта.

Содержание As – вещества, относящегося к 1-му классу опасности, в пробах почв нефтепромыслов находится выше ПДК (2,0 мг/кг). Концентрация As в пробах почв составляет 2,24–3,34 (табл. 1).

Таблица 1. Среднее содержание мышьяка и тяжелых металлов в почвах месторождений, мг/кг

Использованные земли

В числителе – среднее по месторождению, в знаменателе – среднее по фоновой территории, мг/кг

Hg

As

Cd

Pb

Zn

Ni

Cu

Mn

Cr

Со

Каспийское месторождение

0,017

0,01

2,68

2,24

0,16

0,21

8,82

4,2

16,6

11,0

20,54

14

18,98

5,5

83,2

79,2

12,63

8,4

5,34

5,0

Улан-Хольское месторождение

0,022

0,019

2,91

2,87

0,14

0,13

6,48

6,30

13,93

13,2

20,46

18

7,08

6,5

104,5 101,2

12,23

12,4

5,9

5,9

Комсомольское

месторождение

0,013

0,01

2,8

2,36

0,26

0,16

7,4

6,8

13,8

11,5

21,3

18,8

7,8

6,5

120,3

81,6

12,2

8,6

6,7

5,8

Состинское месторождение

0,019

0,015

2,96

3,1

0,13

0,21

6,57

5,0

17,6

20,9

18,5

20,0

8,25

6,5

103,9

145,2

10,0

13,9

5,3

4,0

Баирское месторождение

н.о

н.о

0,24

0,20

7,83

5,4

36,74

21,0

9,13

6,4

10,11

6,2

139,40

142,0

19,64

14,0

4,74

4,3

Почвы и грунты считаются загрязненными, если концентрации нефтепродуктов достигают величин, при которых в природных комплексах возникают негативные экологические сдвиги, и они не могут сами справиться с загрязнением. В среднем нижний предел концентраций нефти и нефтепродуктов (НП) в загрязненной почве изменяется от 0,1 до 1,0 г/кг.

Наиболее высокие концентрации нефтепродуктов (НП) установлены на территории Улан-Хольского месторождения. Содержание НП у устья наибольшая – 19,7 г/кг, так как здесь происходит утечка нефти или разлив ее при заполнении цистерн из емкости. На территории Состинского месторождения концентрация НП в пределах 0,03–11,6 г/кг. Наиболее высокое значение НП приурочено к устью – 11,6 г/кг, низкое у рва – 0,03 г/кг.

Имеющиеся материалы, включающие и собственные исследования, свидетельствуют о том, что поведение нефти и нефтепродуктов (битуминозных веществ) в бурых полупустынных почвах нефтепромыслов юго-востока Калмыкии достаточно сложное.

Наиболее высокие концентрации нефти и нефтепродуктов (НП) установлены на территории Каспийского месторождения. Содержание НП у устья наибольшая – 19,7 г/кг, так как здесь происходит утечка нефти или разлив ее при заполнении цистерн из емкости (табл. 2).

Таблица 2. Содержание бенз(а)пирена и нефтепродуктов в исследуемых пробах почв

Место отбора проб

Глубина, см

Бенз(а)пирен, мкг/кг

Нефтепродукты, г/кг

 

1

2

3

4

Каспийское месторождение

1

Скважина №70

0-20 см

0,075

19,7

2

Скважина №70

20-30 см

0,039

7,43

3

Скважина №100

0-20 см

0,068

13,5

4

Скважина №100

20-30 см

0,002

0,82

5

Скважина №67

0-20 см

0,026

6,31

6

Скважина №67

20-30 см

0,0016

1,46

7

Скважина №73

0-20 см

0

0,80

8

Скважина №73

20-30 см

0

0,43

9

Скважина №76

0-20 см

0,022

3,39

10

Скважина №76

20-30 см

0

0,37

11

У рва

0-20 см

0

0,17

12

фоновая

0-20 см

0

0,18

Улан-Хольское месторождение

13

Скважина

0-20 см

0

0,8

14

Скважина

20-30 см

0

0,07

15

фоновая

0-20 см

0

0,23

16

На рву у скважины

0-20 см

0

0,40

17

У шламохран.

0-20 см

0,01

1,57

18

У шламохран.

20-30 см

0,015

2,92

19

Берег шламохранилища

0-20 см

0,002

0,041

Комсомольское месторождение

20

скважина

0-20 см

0,053

15,30

21

скважина

20-30 см

0,068

20,00

 

Состинское месторождение

22

У рва

0-45 см

0

0,03

23

Скважина №3

0-20 см

0,093

11,60

24

Скважина №3

20-50 см

0,001

1,10

25

Скважина №9

0-50 см

0,002

0,08

26

Фоновая

0-20 см

0

0,96

Баирское месторождение

27

Скважина №7

0-20 см

0,002

2,95

28

Скважина №5

0-40 см

0,016

11,60

29

Скважина №3

0-20 см

0,003

1,10

На территории Состинского месторождения концентрация НП в пределах 0,03–11,6 г/кг. Наиболее высокое значение НП приурочено к устью – 11,6 г/кг, низкое у рва – 0,03 г/кг.

Почвы Улан-Хольского месторождения менее загрязнены нефтепродуктами, наибольшая концентрация НП у шламохранилища – 2,92 г/кг. На всех буровых площадках содержание нефтепродуктов превышает фоновое значение. Следует отметить, что наибольшая концентрация НП в поверхностном слое 0–20 см. Практически во всех образцах почвы содержание НП выше максимального уровня содержания.

Во всех образцах были определены содержания ПАУ, в том числе бенз(а)пирен (табл. 3). Суммарное содержание ПАУ в образцах почв изменяется от 9,675 мкг/кг до 58,08, максимальное значение отмечено у устья скважины Комсомольского месторождения. По углеводородному составу преобладает содержание нафталина и 2-метилнафталин. Содержание полициклических углеводородов не превышает ПДК, но во много превышает по сравнению с фоновым значением. Наибольшая концентрация ПАУ отмечается в поверхностном слое, у устья скважин.

Таблица 3. Среднее содержание ПАУ по месторождениям

ПАУ,мкг/кг

Каспийское

Улан-Хольское

Комсомольское

Состинское

2-

ядерные

нафталин

10,67

18,68

44,34

17,01

2-метил-нафталин

4,39

2,61

3,99

4,47

бифенил

1,31

0,765

3

1,6

аценафтилен

0,05

0,0285

0,197

0,8345

аценафтен

0,0625

0,055

0,1865

0,1095

флуорен

0,158

0,1365

0,4865

0,094

3-ядерные

фенантрен

0,782

0,3745

1,37

0,286

антрацен

0,053

0,0035

0,0855

1,1245

флуорантен

0,081

0,0395

0,1645

0,1157

4-ядерные

пирен

0,081

0,0585

0,21

0,4705

хризен

0,073

0,016

0,082

0,8365

бенз(а)антрацен

0,03

0,029

0,104

0,013

бенз(b)флуорантен

0,05

0,106

0,172

0,0685

бенз(k)флуорантен

0,02

0,0315

0,037

0,0595

5-ядерные

бенз(а)пирен

0,13

0,1245

0,035

0,047

дибенз(a,h)антрацен

0,00225

0,003

0,0045

0,058

6-ядерные

бенз(g,h,i)перилен

0,34

1,132

0,98675

0,885

Характерно, что наибольшее количество ПАУ содержится в поверхностном слое 0–20 см (рис. 1). Среднее содержание ПАУ в слое 0–20 см Каспийского месторождения 25,3 мкг/кг, слое 20–30 см – 14,02 мкг/кг. Содержание ПАУ в образцах Улан-Хольского месторождения в слое 0-20 см – 24,06 мкг/кг, в слое 20-30 см – 23,95 мг/кг. В почвах Комсомольского месторождения у шламохранилища концентрация ПАУ наибольшая – 53,386 в слое 0–20 см и 58,0 мкг/кг в слое 20–30 см. На площадках Состинского месторождения – 44,43 мкг/кг в слое 0–20 см и 11,25 в слое 20–30 см.

Рис. 1. Среднее содержание ПАУ в мониторинговых площадках

Содержание бенза(а)пирена в мониторинговых площадках варьирует в пределах от 0 до 0,093 мкг/кг. Самое высокое содержание бенз(а)пирена у устья – 0,093 мкг/кг Состинского месторождения в поверхностном слое. Содержание бенз(а)пирена находится в пределах ПДК. На фоновых территориях бенз(а)пирен не был обнаружен.

Содержание БП в поверхностном слое почвы больше чем на глубине 20–30 см. Низкое содержание изучаемого поллютанта на глубине 20–30 см позволяет предположить поверхностный характер загрязнения.

Указанный характер загрязнения отмечен в почвах всех мониторинговых площадок. Это свидетельствует о слабой миграционной способности 3,4-бенз(а)пирена в почвенном профиле, что подтверждается и литературными данными [2], в которых авторы утверждают, что в почвенном профиле, формирующимся в условиях интенсивной техногенной нагрузки, наблюдается резкая приповерхностная аккумуляция ПАУ, среди которых преобладают 3–5 ядерные углеводороды, в том числе и 3,4-бенз(а)пирен.

Снижение концентрации 3,4-бенз(а)пирена в слое 20–30 см в среднем в 2 раза обусловлено его низкой растворимостью в воде и слабой подвижностью в почвенном профиле.

Между содержанием ТМ и бенз(а)пирена в почвах нефтепромыслов был вычислен коэффициент корреляции (табл. 4). Коэффициенты корреляции, рассчитанные для слоя почвы 0–20 см, показывают, что содержание валовых форм большинства тяжёлых металлов слабо коррелирует с содержанием бенз(а)пирена в почвах буровых площадок. Исключение составляют данные по накоплению и распределению валовых форм свинца и кадмия, которые имеют среднюю и высокую степень зависимости с распределением с бенз(а)пирена в почвах мониторинговых площадок.

Таблица 4. Коэффициент корреляции между содержанием ТМ и бенз(а)пирена в почвах буровых площадок в слое почвы

Ме

Каспийское

Улан-Хольское

Комсомольское

Состинское месторождение

1

Co

0,25739

-0,80403025

0,13311821

-0,384503

2

Mn

0,25739

-0,55165171

0,00626214

-0,152822

3

Cu

0,661173

-0,16283474

0,14679324

0,2023009

4

Cr

-0,32856

0,81525355

-0,8532068

0,2046632

5

Zn

0,760053

0,07987231

0,98338313

0,0798723

6

Cd

0,588284

0,80403025

-0,9509784

-0,253355

7

Pb

0,750262

-0,53873808

0,67240895

0,0929053

8

Ni

0,18299

0,15743121

-0,9379555

-0,322464

9

Hg

0,568337

0,88073051

-0,9637222

-0,536828

10

As

-0,13882

-0,02948232

-0,9228162

-0,783574

Коэффициент корреляции между содержанием 3,4-бенз(а)пирена и суммарным показателями загрязнения почв мониторинговых площадок тяжёлыми металлами составляет г = 0,40, что указывает на слабую зависимость между закономерностями накопления 3,4 бенз(а)пирена и общим уровнем загрязнения почв тяжёлыми металлами.

Выводы

  1. Исследован качественный и количественный состав полициклических ароматических углеводородов в почвах исследуемых площадок. Была определена закономерность распределения углеводородов в почве.
  2. По результатам исследований во всех нефтезагрязненных пробах почв содержание бенз(а)пирена не превышает ПДК; наибольшая концентрация бенз(а)пирена и нефтепродуктов наблюдается в поверхностном слое почвы у устья скважины буровой площадки;
  3. Практически во всех пробах почв наблюдается превышение содержания бенз(а)пирена по сравнению с фоновой в 2–5 раз, а превышение концентрации нефтепродуктов по сравнению с фоновой во много раз.
  4. Исследован уровень загрязнения почв тяжелыми металлами, установлена закономерность распределения ТМ в почвах нефтепромыслов. Все концентрации ТМ не превышают ОДК, кроме мышьяка и кобальта.
  5. Между содержанием ТМ и бенз(а)пирена в почвах нефтепромыслов был вычислен коэффициент корреляции.

Статья выполнена при поддержке гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований 13-05-96502 р_юг_а.

Рецензенты:

Сангаджиева Л.Х., д.б.н., профессор кафедры химии ФГБОУ ВПО Калмыцкого государственного университета, г. Элиста.

Моисейкина Л.Г., д.б.н., профессор кафедры зоотехнии ФГБОУ ВПО Калмыцкого государственного университета, г. Элиста.