Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при нефтезагрязнении

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
Академия биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского

ВЛИЯНИЕ МЕЛИОРАНТОВ 
НА БИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ 
ЧЕРНОЗЕМА ПРИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИИ

Монография

 Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2019

УДК 57.44; 631.4; 504
ББК 40.3
 
В57

Печатается по решению Комитета при Ученом совете ЮФУ по естественно-научному и математическому направлению науки и образования (протокол № 10 от 22 апреля 2019 г.)

Авторы:
Т. В. Минникова, С. И. Колесников, К. Ш. Казеев, Ю. В. Акименко

Рецензенты:
доктор биологических наук, профессор Т. М. Минкина;
кандидат биологических наук, доцент М. Г. Жаркова

Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при нефтезагрязнении : монография / Т. В. Минникова, 
С. И. Колесников, К. Ш. Казеев, Ю. В. Акименко ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2019. – 92 с. 

ISBN 978-5-9275-3199-8

В монографии дана оценка влияния мелиорантов различной природы на загрязнение нефтью чернозема обыкновенного. Представлены закономерности изменения биологических свойств почв в условиях нефтяного загрязнения, таких как ферментативная 
активность, фитотоксичность почв, численность почвенных бактерий и др. Дана оценка 
возможности и целесообразности использования биологических показателей для проведения мониторинга, диагностики, индикации и нормирования почв после мелиорации. 
Впервые дана оценка влияния мелиорантов различной природы и с различными механизмами действия на биологическое состояние чернозема. Исследованы совместное и 
раздельное применение мелиорантов, динамика восстановления биологического состояния почвы, разные уровни нефтезагрязнения. Дана оценка чувствительности и информативности биологических показателей чернозема после применения мелиорантов.
Адресована специалистам в области экологии, почвоведения, природопользования, 
охраны окружающей среды, а также студентам и аспирантам. 

Исследование выполнено при финансовой поддержке 
Министерства образования и науки Российской Федерации (БЧ 5.5735.2017/8.9) 
и Президента Российской Федерации (НШ-3464.2018.11).

В57

ISBN 978-5-9275-3199-8

УДК 57.44; 631.4; 504 
ББК 40.3

© Южный федеральный университет, 2019
©  Минникова Т. В., Колесников С. И., 
Казеев К. Ш., Акименко Ю. В., 2019
©  Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2019

Оглавление

Введение ..............................................................................................5

Глава 1.  Влияние загрязнения нефтью 
на свойства почв и экосистем .......................................8

1.1. Состав нефти и нефтепродуктов .............................................8
1.2. Источники техногенного загрязнения почвы нефтью  ......10
1.3 Влияние загрязнения нефтью на компоненты 
экосистем .................................................................................12
1.4. Влияние загрязнения нефтью на биологические 
свойства почв  .........................................................................13
1.5. Восстановление нефтезагрязненных почв 
биологическими методами ....................................................16

Глава 2. Объект исследования ....................................................21

2.1. Почвы Ростовской области ....................................................21
2.2. Чернозем обыкновенный .......................................................23

Глава 3. Методы исследования ...................................................27

3.1. Характеристика нефти и мелиорантов ................................27
3.2. Схемы экспериментов ............................................................30
3.3. Исследование биологических свойств чернозема ...............31
3.4. Статистическая обработка результатов ...............................34

Глава 4.  Влияние мочевины, гумата калия, глауконита 
и «Dop-Uni» на биологическое состояние 
чернозема при 5 %-м уровне нефтезагрязнения ...35

4.1. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита 
и «Dop-Uni» на содержание нефти в почве  .........................35
4.2. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита 
и «Dop-Uni» на содержание органического вещества ........36

4.3. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита 
и «Dop-Uni» на ферментативную активность и 
интенсивность выделения СО2 .............................................39
4.4. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита 
и «Dop-Uni» на изменение фитотоксических свойств.........47
4.5. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита 
и «Dop-Uni» на изменение интегрального показателя 
биологического состояния (ИПБС) почвы ...........................51

Глава 5.  Влияние мочевины и гумата калия 
на биологическое состояние чернозема 
при 10 %-м уровне нефтезагрязнения ......................53

5.1. Влияние мочевины и гумата калия 
на содержание нефти .............................................................53
5.2. Влияние мочевины и гумата калия на изменение 
содержания органического вещества  ..................................54
5.3. Влияние мочевины и гумата калия на изменение 
ферментативной активности и интенсивности 
выделения СО2 ........................................................................56
5.4. Влияние мочевины и гумата калия на изменение 
фитотоксических свойств .......................................................61
5.5. Влияние мочевины и гумата калия на общую 
численность почвенных бактерий ........................................65
5.6. Влияние мочевины и гумата калия на изменение 
интегрального показателя биологического состояния 
(ИПБС) чернозема ..................................................................66

Заключение .......................................................................................68

Список литературы ........................................................................69

Приложения .....................................................................................82

Введение

Ежегодно в мире добывается около 4 млрд т нефти, а объем 
добычи нефти в России за последние годы возрос с 506 (2010 г.) 
до 548 млн т в (2017 г.). В 2017 г. в России было зафиксировано 
3429 фактов разлива нефти и ее производных, что на 381 ед. больше, чем в 2016 г. При этом наибольший объем разлитой нефти зафиксирован в Южном федеральном округе – 8775 м3. Наибольшей 
опасности при нефтеразливах подвергаются почвы и поверхностные воды. 
Территория Ростовской области, как крупного аграрного региона России, пронизана сетью железных дорог. Основным товаром, 
перевозимым по ним, являются нефть и нефтепродукты. А основные почвы региона – черноземы. Черноземы – это самые плодородные почвы не только в Ростовской области, но и во всем мире. 
Сохранение плодородия черноземов влияет на урожайность возделываемых культур в непосредственной степени. 
Нефть, попадая в грунтовые воды и почву, подвержена различным природным процессам, включая улетучивание, биодеградацию, фотодеструкцию, химическое окисление, биоаккумуляцию, 
дисперсию, диффузию, связывание с почвой и выщелачивание в 
грунтовые воды. Среди существующих в настоящее время эффективных методов очистки почв при нефтезагрязнении используют методы биоремедиации. Для биоремедиации почв применяют 
различные химические и органические вещества. В качестве мелиорантов часто используют бактериальные препараты, содержащие штаммы углеродоокисляющих микроорганизмов и биосорбенты (Каниськин и др., 2007; Колесников и др., 2011; Dindar et al., 
2013). Однако, учитывая селективность микроорганизмов и их стоимость, многие ученые рекомендуют использовать удобрения, способствующие активизации естественной микробиоты почв, и фиторемедианты.
Для восстановления почвы до оптимального состояния, необходимого для выращивания сельскохозяйственных культур, требу

Введение

6

ется внесение органических и неорганических веществ. Использование мелиоранта зависит от типа почв, растительного покрова, 
климата региона, качественного и количественного состава нефти 
(Шорина, 2009; Колесников и др., 2011; Эркенова и др., 2016).
При попадании нефти в почву происходит нарушение соотношения между необходимыми микроэлементами, такими как углерод (C) и азот (N). Согласно исследованиям, оптимальным для 
микробиоты почв при нефтезагрязнении является соотношение 
C:N 1:20–1:100 (Габбасова и др., 1997). Применение мочевины позволяет выравнивать эти соотношения. Мочевина – (NН2)2СО – содержит 46 % азота (N), а также углерод (С) и кислород (О2). При 
внесении ее в почву происходит реакция с почвенной уреазой, в результате чего мочевина разлагается на аммиак и углекислый газ. 
Далее аммиак окисляется бактериями рода Nitrosomonas в нитрит. Затем бактерии рода Nitrobacter окисляют нитрит в нитрат. 
Образующиеся в результате этого процесса нитраты поглощаются 
растениями наряду с аммоний-ионами. 
Другим эффективным мелиорантом являются соли гуминовых 
кислот. Гумат калия относится к типичным солям гуминовых кислот. В составе гумата калия более чем 80 % гуминовых кислот. Гуминовые кислоты имеют сложный органический состав, включающий белки, аминокислоты, почвенные ферменты и антибиотики. 
Применение солей гуминовых кислот приводит к улучшению физических свойств, механической структуры почвы, ее биологических характеристик и протекторных свойств.
При превышении уровня загрязнения 5 % от массы почвы замечено подавление активности углеводородокисляющей бактериальной микрофлоры на длительный период, от нескольких месяцев до 
года. Именно поэтому при данном проценте загрязнения рекомендуется применение биологических препаратов, стимулирующих 
биологическую продуктивность почв при внесении минеральных 
удобрений; интенсивная аэрация зоны нефтяного загрязнения; посев фиторемедиантов.
Ферментативную активность почв многие исследователи часто используют как потенциальный диагностический показатель 
восстановления почв после различных видов антропогенных воздействий (Колесников и др., 2006, 2007, 2010, 2011; Киреева и др., 

Введение

2009а, 2009b; Mikkonen et al., 2011; Казеев и др., 2016). Активность 
каталазы используется как диагностический показатель, свидетельствующий об активации процессов разложения и трансформации органического вещества, частью которого является нефть в 
почве (Киреева и др., 2009а). Активность окислительных процессов, неизбежно протекающих в нефтезагрязненной почве, связана с интенсивностью важного биохимического процесса – эмиссии 
СО2, или «дыхания» почвы. 
Цель данной работы – оценить влияние мелиорантов различной природы на биологическое состояние чернозема при нефтезагрязнении.

Глава 1

Влияние загрязнения нефтью 
на свойства почв и экосистем

1.1. Состав нефти и нефтепродуктов

Современные источники тепла и электроэнергии включают 
твердые и жидкие полезные ископаемые, такие как каменный 
уголь и нефть. Если использование каменного угля за последние 
годы сильно сократилось, то относительно нефти наблюдается противоположная тенденция. 
Слово «нефть» имеет различное происхождение в разных языках. Так, в английском и ряде других европейских языков слово 
petroleum образовано сложением др.-греч. πέτρα – камень и лат. 
oleum – масло, т. е. буквально «каменное масло» (Потонье, 1934; 
Фасмер, 1973). Похожие значения встречаются в Германии – нем. 
Еrdö буквально означает «земляное масло»; Венгрии – венг. kőolaj – 
«каменное масло»; Японии – яп. 石油 (сэкию) – «каменное масло»; 
Финляндии – фин. vuoriöljy – «горное масло». В русском языке слово «нефть», вероятно, заимствовано из турецкого (neft – «нефть»), 
куда оно попало из персидского (ﻥﻑﺕ‎ (naft) – «нефть»). 
По своему составу нефть представляет собой сложную смесь 
органических веществ с примесями веществ неорганического 
происхождения. Нефть состоит из углеводородов (УВ) трех главных групп – парафиновые, нафтеновые и ароматические (арены). 
Состав и содержание этих компонентов зависят от места добычи и происхождения нефти (Рябов, 2004; Ушивцева и др., 2015). 
В нефти содержатся незначительные количества кислородных, 
азотных и сернистых соединений, при наличии которых качество 
нефти и нефтепродуктов изменяется (рис. 1). По своему агрегатному состоянию парафины могут включать газообразные, жидкие и твердые, или Н-парафины (начиная с гексадекана), углеводороды. 

1.1. Состав нефти и нефтепродуктов

9

В зависимости от строения, среди парафиновых УВ различают 
нормальные или н-парафины, имеющие неразветвленную структуру. Парафины такого типа устойчивы к процессам окисления. 
Однако при повышении температуры (свыше 300 °С) устойчивость 
н-парафинов снижается. 

НЕФТЬ

Нафтеновые

Циклопентан

Циклогексан

Ароматические

Моноциклические

Полициклические

Парафиновые

Метан

Пентан

Гексадекан

Рис. 1. Общая структура и состав нефти по Л. Ф. Ушивцевой с соавторами (2015)

В отличие от парафиновых УВ, молекулы нафтеновых заключены в кольца атомов углерода, соединенных между собой валентными связями. Моноциклическими называют нафтеновые УВ в 
легких топливных фракциях, поскольку они включают в себя пять 
или шесть атомов углерода. При более сложном строении циклоалканов в качестве углеводородных радикалов выступают цепочки н-парафиновых УВ. Содержание нафтеновых углеводородов колеблется в пределах от 20 до 30 % и выше, в масляных фракциях 
достигает 70 % (Суздорф и др., 1994; Солнцева, 1998).
Ароматические УВ содержат шестичленные циклические кольца бензола. В легких фракциях нефти и нефтепродуктов в основном 
содержатся моноциклические углеводороды, в тяжелых – полициклические ароматические углеводороды. Для всех ароматических 
УВ характерна высокая вязкость, плотность, температура кипения 
по сравнению с циклическими УВ и алканами с той же молекулярной массой. При понижении температуры вязкость аренов резко 
возрастает, что отрицательно сказывается на свойствах смазочных 
масел. В нефти может содержаться от 10 до 50 % ароматических 
УВ. Количество ароматических УВ возрастает по мере повышения 

Глава 1. Влияние загрязнения нефтью на свойства почв и экосистем

10

температуры кипения фракции (Суздорф и др., 1994). Не все УВ 
содержатся в начальном составе нефти. Так, непредельные УВ образуются в процессе термической переработки нефти, содержащей 
двойные и тройные связи между углеводородами. Именно наличие в молекулах алкенов и алкадиенов двойных связей повышает их химическую активность. Количество двойных связей пропорционально повышению температуры и, соответственно, процессов 
окисления. В результате полимеризации образуются высокомолекулярные смолисто-асфальтовые вещества. 
Другой важной составляющей нефти, по мнению А. Р. Суздорфа с соавторами (1994), являются органические кислоты. К ним 
относят соединения, содержащие кислород, например нафтеновые 
кислоты. Нафтеновые кислоты не вызывают коррозию черных металлов, но с цветными металлами, такими как цинк и свинец, взаимодействуют интенсивно, образуя соли (Тетельмин, Язев, 2009). 
Сернистые соединения в нефти могут быть как в виде свободных 
атомов, так и в составе смолисто-асфальтеновых веществ. Сернистые соединения делятся на непосредственно вступающие в реакцию с металлами, это сероводород, элементная сера, меркаптаны, 
и неактивные, или нейтральные, такие как сульфиды, которые на 
металлы не действуют. Нейтральные соединения составляют основную массу сернистых соединений – 70–80 %. 

1.2. Источники техногенного загрязнения почвы нефтью 

Пути попадания нефти в почву достаточно разнообразны. Различают естественные и антропогенные источники загрязнения нефтью почв и почвенного покрова. При естественном загрязнении 
нефть попадает в почву в результате прорывов нефтяных месторождений без вмешательства человека. При этом загрязнение грунта 
чаще всего происходит в меньшей степени, чем при антропогенном 
вмешательстве. В Российской Федерации площади добычи нефти 
распространены по всей территории. Наибольшая добыча нефти 
зафиксирована в Приволжском округе, что связано с большим количеством нефтяных скважин. Примерно на треть меньшую нагрузку по добыче нефти испытывают Центральный и Сибирский 

1.2. Источники техногенного загрязнения почвы нефтью

11

федеральные округа – 40,7 и 42,3 млн т/год. Для Южного федерального округа характерна добыча нефти порядка 28 млн т/год. 
На территории Южного федерального округа расположены самые плодородные почвы России – черноземы. Наибольшее содержание черноземов классифицировано в Ростовской области, Краснодарском и Ставропольском краях. На территории области находится 
несколько предприятий по переработке нефти. При этом пути транспортировки зачастую проходят в непосредственной близости от пашен, садов, угодий с овощными и масличными культурами. 
Источники загрязнения нефтью компонентов окружающей среды могут возникать на следующих стадиях: добычи сырья, переработки нефтяного сырья, транспортировки, эксплуатации. 
На первой стадии происходит добыча сырья или освоение 
месторождения. Данная стадия разделена на три этапа. Первый 
этап – разработка или освоение нефтяных и газовых месторождений – включает выкачивание нефти и газа по пласту к скважинам. 
Второй этап – эксплуатация нефтяных и газовых скважин – включает прокачивание нефти и газа от забоев скважин. Третий этап – 
сбор продукции скважин и подготовка нефти и газа к транспортированию потребителям.
На второй стадии основные источники аэротехногенных выбросов при нефтепереработке вызваны неплотностью фланцевых 
соединений трубопроводов, сальников насосов и компрессоров; резервуаров товарно-сырьевых парков; клапанов технологических 
установок; факелов попутных газов; очистных сооружений сточных вод (градирни, песколовки, нефтеотделители, амбары, прудыотстойники, аэротенки, шламонакопители); дымовых труб технологических установок и собственных котельных. 
После переработки на третьей стадии нефть транспортируется при помощи магистрального транспорта. Чаще всего в качестве 
такового используют железнодорожный транспорт. Основные источники загрязнения связаны с неплотностью запорно-регулирующей арматуры, сальников насосов и компрессоров, резервуаров и 
т. д. После транспортировки нефти до пункта назначения происходит отгрузка и размещение в бункерах хранения. 
На четвертой стадии происходит переработка очищенной нефти для различных целей. При перегонке нефти получают свет