Арктические почвы и основные факторы их уязвимости


На территории Арктики распространены разнообразные почвы, строение и свойства которых детерменируют:

• отрицательные температуры в течение большей части года;
• наличие, как правило, неглубоко залегающих многолетнемёрзлых пород, активно участвующих в почвообразовательных процессах;
• относительно низкая величина опада, поступающего в почву.

В результате почвы имеют особенности как морфологии, так и химических и микробиологических свойств: слабая выветрелость минеральной части почвы; накопление детрита, низкая степень разложенности органического вещества; участие криогенных процессов в почвообразовании (морозобойное растрескивание, пучение грунтов, криогенная миграция почвенного раствора); развитие процессов оглеения в той или иной степени; низкое содержание доступных растениям элементов питания; выраженная комплексность почвенного покрова по причине развития мерзлотных комплексов (полигонально-валиковые, бугристо-западинные, пятнистые и т. п.).

В АЗРФ имеются территории с самыми разнообразными биоклиматическими и геолого-геоморфологическими условиями, спектр арктических почв весьма многообразен. В зоне тундр развиты глеезёмы типичные и перегнойные в сочетании с торфяными олиготрофными и торфяно-глеевыми в бугристых почвенно-мерзлотных комплексах [1]. На более дренированных участках могут встречаться литозёмы типичные и грубогумусовые. В подзонах лесотундры и северной тайги на лёгких отложениях преобладают подзолы и подбуры, тогда как на более тяжелых развиты глееподзолистые почвы в сочетании с торфяно-глеевыми. В более континентальных секторах АЗРФ (Восточная Сибирь) встречаются криозёмы и криоаридные литозёмы.

Основные свойства устойчивости почв к антропогенным воздействиям [2]:

• противоэрозионная  устойчивость;
• геохимическая устойчивость по отношению к кислотным выпадениям, загрязнению тяжёлыми металлами, нефтепродуктами и другими продуктами техногенеза;
•  биологическая устойчивость — сохранение растительного покрова и почвенной биоты.

Перечень параметров оценки устойчивости включает: климатические показатели, характеристики рельефа и мерзлоты; характеристики фитоценотического компонента экосистемы — биомасса, продуктивность, ёмкость и интенсивность круговорота; свойства и режимы почв — щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, водный режим, гранулометрический и минералогический состав, ёмкость катионного обмена.

Устойчивость почв к загрязнению нефтепродуктами и сопутствующими тяжёлыми металлами, зависит от ряда факторов. К внешним относятся сумма активных температур, интенсивность солнечной радиации. К внутренним — свойства самой почвы. Так, наличие многолетнемёрзлых пород затрудняет отток загрязняющих веществ из почвы. Не способствует детоксикации низкая биологическая активность почв из-за низких температур и переувлажнённости. Суглинистые почвы в большей степени, чем супесчаные и песчаные, поглощают тяжёлые металлы, также как и почвы, богатые органическим веществом по сравнению с бедными. С другой стороны, песчаные почвы характеризуются более оптимальным воздушным режимом, что немаловажно для окисления загрязняющих органических веществ — нефти и ПАУ (полициклические ароматические углеводороды).

В целом почвы тундр весьма уязвимы в отношении загрязнения нефтепродуктами.

Низкие температуры, переувлажнение и низкая активность микробиоты сильно замедляют разложение нефтепродуктов — особенно в суглинистых почвах с затруднённым внутренним стоком и высоко залегающими многолетнемерзлыми породами. Почвы северотаёжной зоны, сложенные песками и супесями и лишенные многолетней мерзлоты по крайней мере на глубине почвенного профиля, более способны к самоочищению из-за благоприятного водно-воздушного режима, но они не могут поглощать тяжёлые металлы из-за низкой ёмкости катионного обмена. Катионы металлов, в том числе особо токсичные (ртуть, кадмий, свинец) не адсорбируются в почвенном профиле и по грунтовым водам мигрируют по ландшафту. Механическое воздействие вызывает усиление таяния многолетнемёрзлых пород, а повреждённые тундровые почвы восстанавливаются долго.


Возможные меры очищения от нефтезагрязнений арктических почв


Меры ликвидации нефтяных загрязнений почв обычно под- разделяются на:

• механические и физико-механические, очищающие поверхностно, но не восстанавливающие почвенный покров;
• химические, физико-химические, и биологические.

Механические меры: локализация нефтеразливов и сбор разлитой нефти; удаление нефтезагрязнённого почвогрунта, что в условиях Арктики недопустимо из-за образования термокарстовых оттаек; замена верхнего слоя почвы, засыпка загрязнений и захоронение собранных грунтов в условиях Арктики также не реализуемы. Физико-механические меры: сжигание разлитой нефти, термосорбция, затвердевание, промывание и экстракция химическими растворителями [3]. Это возможно при загрязнении небольшого участка земли на промышленных объектах, но абсолютно нереализуемо при очищении значительных площадей.

Химические меры: дегалогенезирование — отщепление молекул галогена при химических и термических реакциях в Арктике нереализуемо. Физико-химические меры: адгезия, диспергирование, капсулирование, обработка ферромагнитной жидкостью, промывка почв моющими растворами и сорбционная очистка. Адгезия, диспергирование и капсулирование применяются для изменения фракционного состава покрывающего поверхность нефтяного загрязнения для удобства механического удаления [4]. Но почву это не очистит. Обработкой ферромагнитной жидкости и ПАВ отделяют нефть от песка. В АЗРФ это актуально для НАО и ЯНАО. Промывка почв моющими растворами в Арктике слабо реализуема, наиболее эффективны методы биоремедиации нефтезагрязнений, которым при наличии условий могут предшествовать сбор и удаление доступных для этого объемов загрязнителя.


Основные методы биоремедиации нефтезагрязнений и вопросы их применения


Трудности реабилитации в условиях АЗРФ связаны с низкой способностью почв к самоочищению из-за близкого залегания многолетнемёрзлых пород, застойного увлажнения, низких температур, короткого вегетационного периода, недостатка питательных веществ и низкой активности микробных популяций.

Если в более южных регионах процесс самовосстановления от нефтяных загрязненных занимает 10-25 лет, то в условиях Севера и Арктики потребуется минимум 50 лет. При загрязнении почв нефтью происходит гидрофобизация и нарушается водно-воздушный режим в системе почва-атмосфера.

При этом происходит снижение вдвое общего микробного числа и почти в 7 раз спорообразующих аэробных бактерий. Нефть и нефтепродукты являются пищей для микроорганизмов, в том числе образующих споры при исчерпывании доступных органических веществ. Обогащение ими почвы вызывает переход спор в вегетативные клетки. Разложение нефти и нефтепродуктов в мерзлотных почвах нужно интенсифицировать стимуляцией собственной углеводородокисляющей микрофлоры и внесением содержащих углеводородокисляющие микроорганизмы биопрепаратов [5].

Уже через две недели после попадания нефти почвенный микробиоценоз адаптируется к нефтяному загрязнению и общее микробное число обнаруживает резкое возрастание (до 90 раз), а спорообразующих бактерий — до 30 и более раз. При биоремедиации почвы с применением бактериальных культур из штаммов бактерий рода Bacillus и фиторекультивации отмечены увеличение общего микробного числа и количества спорообразующих аэробных бактерий, рост микроскопических грибов.

Развитие микробных культур проходит через адаптацию к условиям среды, активный рост, стационарное функционирование и отмирание. Время адаптации зависит от начальной концентрации микроорганизмов. Чем она выше, тем время адаптации короче. Аналогично и в фазе активного роста. Поэтому для высокоширотных регионов очень важно, чтобы биопрепарат был концентрирован и, желательно, дёшев. Внесение чистых культур микроорганизмов в растворах связано с определенными техническими сложностями и неудобствами. Высокая эффективность достигнута в опыте при применении суспензии штаммов бактерий Bacillus subtilis «Колыма 7/2к» из расчёта 250 мл/м², деструкция нефти за три месяца достигла до 0,64±0,1 мг/г или составила 99,53 %. Но в качестве подкормки Bacillus subtilis использовался куриный помёт из расчёта 15 т/га, вдвое увеличивший эффект деструкции нефти (без куриного помёта деструкция нефти за три месяца составила только 37,6 %) [6].

Птичий помёт — источник колоссального количества разнообразных микроорганизмов, способных разлагать различные субстраты.

Поскольку удаление слоя загрязнённой почвы в Арктике неприменимо, биопрепараты приходится вносить поверхностно и биодеградация загрязнения идёт преимущественно в приповерхностных слоях почвы. Это снижает их эффективность, но атмосфера Арктики и Субарктики за исключением зоны центрально-азиатского (якутского) антициклона наполнена влагой и осадки вмывают препараты в почву. Там, где невозможны механические меры воздействия на почвенный покров в результате испарения лёгких фракций происходит склеивание частиц почвы тяжёлыми нефтяными фракциями. Вследствие образуются корки, задерживающие поступление влаги и воздуха в приповерхностные слои почвы. В этой ситуации применение чистых микробных культур, высеваемых непосредственно на поверхность нефтяных корок, нерационально.

Целесообразно внесение биопрепаратов с сорбентами и комплексом минеральных и (или) органических удобрений [7]. Иммобилизация углеводородокисляющих микроорганизмов обычно рекомендуется на естественных минеральных материалах. Сорбент-носитель должен обладать следующими свойствами: проницаемостью, нефтеёмкостью, неслёживаемостью, пористостью и сыпучестью. Этим требованиям отвечают цеолиты и вспученный вермикулит (ГОСТ 12865-67) [8]. Кристаллическая решетка цеолитов обеспечивает сорбционную способность и хорошую адгезию микробным клеткам, даёт им возможность закрепляться не только на поверхности носителя, но и внутри, что позволяет его использовать в качестве сорбента-носителя для иммобилизации микробных куль- тур. Этим требованиям отвечает природный цеолит месторождения Хонгуруу (Западная Якутия), используемый в препарате, разработанном и запатентованном ФГБУН Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук (г. Якутск) (патент RU 2600868 С2, 2014). В препарате использованы штаммы Rhodococcus sp. ВКМ Ac-2626D и Serratia plymuthica VKM B-2819D, выделенные из мерзлотных грунтов Центральной Якутии и активные в интервале температур от +4 °С до +30 °С.

Цеолит Хонгуруу — каркасный аллюмосиликат — имеет в структуре полости, занятые крупными ионами и молекулами воды, которые имеют свободу движения для ионного обмена и обратимой дегидратации [9]. Насыщение цеолитов Хонгуруу нефтью происходит сразу после погружения в нефть. Через 1 минуту нефтеёмкость достигает 0,4-0,5 г/г и не меняется в течение шести часов [10]. Цеолит способствует формированию в загрязнённом грунте центров активной деструкции нефтяных углеводородов благодаря сорбции на его поверхности культур микроорганизмов.

Цеолиты Хонгуруу — источник макро- и микроэлементов для питания нефтеокисляющих микроорганизмов почв.

Внесение цеолита может усилить азотфиксирующую способность почв за счёт наличия Мо и Fe, активирующих у азотфиксирующих микроорганизмов нитрогеназный ферментный комплекс. Вермикулит месторождения Инагли (Якутия), используемый в препарате для очистки почв и воды от нефтезагрязнений (патент RU 2600872 C2, 2014) — природно-гидратированная слюда во вспученной по ГОСТ 12865-67 форме — также является перспективным сорбентом-носителем. Он обладает необходимыми уровнями проницаемости, нефтеёмкости, неслёживаемости, пористости и сыпучести, сочетает свойства носителя микроорганизмов и сорбента для нефти, что обеспечивает высокую эффективность и пролонгированность реакций деструкции нефтяных углеводородов [11].

Почвы тундр, лесотундр и северной тайги преимущественно олиготрофны, бедны минеральными и органическими питательными веществами, что сдерживает размножение бактерий. Разработчики биопрепаратов-нефтедеструкторов рекомендуют использовать совместно с ними минеральные удобрения. Но содержащие фосфор и азот удобрения могут вместе с поверхностным стоком поступать в олиготрофные арктические водоёмы и вызывать их эвтрофикацию, негативно влияя на ценные лососевые и сиговые рыбы. Поэтому при использовании удобрений эффект их воздействия на водоёмы Арктики должен тщательно рассчитываться. Повышать эффективность очистки нефтезагрязнённых почв можно посевом трав с разветвлённой корневой системой. Они сдерживают миграцию загрязнителей, препятствует пересыханию почвы и образованию корки, что важно для высокой микробиологической активности. Растения через ризосферу (симбиотические микроорганизмы) положительно влияют на деструкцию нефти и нефтепродуктов [12].

Растения, адаптируясь к токсичной среде, используют все возможные механизмы защиты от увеличения активности антиоксидантных систем и систем репараций ДНК до включения апоптоза и SOS-репараций, используя часть продуктов биодеградации нефтезагрязнений для питания.

Синергетический эффект взаимоактивации микробов и растений увеличивает скорость биодеградации загрязнения, способствует вовлечению в процессы трансформации более широкого спектра углеводородов и приближению состава почвенных битумоидов к природному фону [12].

Важным фактором биологической деструкции нефтепродуктов является температура [13]. Для условий АЗРФ необходимы биопрепараты-деструкторы нефтезагрязнений на основе районированных аборигенных штаммов, обладающих способностью расти при пониженных температурах (+4+10 °С), низких значениях рН (4,5-6), повышенном содержании NaCl (1-4 %) [14]. Микроорганизмы могут выжить при ультранизких температурах обладая соответствующими механизмами биологического обмена, включая особенности белкового синтеза и структурой ферментных белков.

Наиболее перспективна группа психрофильных штаммов микроорганизмов-нефтедеструкторов, выделенная в Республике Саха (Якутия). Они размножаются при низких температурах и легко переносят ультрахолодные зимы. В Центральной Якутии из-за обширного зимнего антициклона снежный покров рыхл и невелик, а ночные температуры особенно низки, в связи с чем почвы промерзают быстро на значительную глубину и температуры низки даже в сравнении с почвами арктических островов, где в силу морского циклонического климата не происходит такого низкого падения температур. Но целесообразно иметь аборигенные штаммы для всех секторов Арктики, особенно из мест скоплений бочек из-под нефтепродуктов.

Необходимо учитывать, что в соответствии с описаниями уже разработанных биопрепаратов минимальный эффективный для них уровень рН - 4,5. Но почвы торфяных бугров крупнобугристых болот и верховых торфяников имеют ещё более высокую кислотность (рН 3-4,5). Для таких территорий нужно применять известкование, что при правильном дозировании не вызовет серьёзных проблем, так как те же растительные сообщества успешно произрастают на карбонатных породах.