Введение

Федеральным законом от 02.07.2013 г. № 185-ФЗ «Об охране окружающей среды «…устанавливается система всеобщего и комплексного экологического образования, включающая в себя общее образование, среднее профессиональное образование, высшее образование и дополнительное профессиональное образование специалистов, а также распространение экологических знаний, в том числе через средства массовой информации, музеи, библиотеки, учреждения культуры, природоохранные учреждения, организации спорта и туризма» (ст. 71). Этим же законом устанавливается, что «…руководители организаций и специалисты, ответственные за принятие решений при осуществлении хозяйственной и иной деятельности, которая оказывает или может оказать негативное воздействие на окружающую среду, должны иметь подготовку в области охраны окружающей среды и экологической безопасности» (ст. 73). 

Таким образом, экологическое образование должно быть неотъемлемым звеном в общем образовании современного человека. Реализация экологического образования тесным образом связана с состоянием экологической науки.

Защита окружающей среды от ухудшения ее состояния требует глубокого понимания процессов, происходящих в природе под влиянием технической деятельности человека. Тенденцией многих наук на рубеже XX и XXI в. стала попытка использования их инструментария для охраны окружающей среды. Появились экологическая химия, экологическая география, экологическая геология, экологическая геофизика, экологическое сельское хозяйство, социальная экология, и другие экологизированные науки. Сформировалось понятие «экологическая культура» – один из важнейших базисов устойчивого развития социума. В результате синтеза экологических аспектов естественных и точных наук возникла сравнительно молодая междисциплинарная отрасль науки – геоэкология. В отличие от экологии, изучающей взаимосвязи и взаимоотношения живых организмов с окружающей их средой, геоэкология – это наука о состоянии окружающей среды и ее изменении под воздействием природных и техногенных процессов.

В этом контексте геоэкологию можно рассматривать как науку, синтезирующую в себе знания по географии, геологии, геохимии, гидрометеорологии, геологии, почвоведению, биологии, физики, химии и другим научным отраслям. Именно геоэкология должна предложить пути к сохранению биосферы на существующем уровне развития цивилизации.

В Федеральных государственных стандартах (ФГОС) высшего образования нового поколения для бакалавров экологические вопросы и связанные с ними объекты входят в большинство направлений фундаментальных и прикладных естественных наук (см. таблицу 1).

Практически все экологические вопросы и объекты, затронутые в государственных стандартах, являются задачами геоэкологии. 

Таблица 1

Мониторинг окружающей среды и решение экологических задач входит в направления: геология, география, гидрометеорология, экология и природопользование, почвоведение, техносферная безопасность. В стандарты отдельных направлений включены вопросы контроля и прогнозирования, восстановления почв и рекультивации земель, нормирования опасностей и антропогенных воздействий.

Воздействие природных и техногенных процессов на окружающую среду связано с конкретными факторами, конкретными видами антропогенной деятельности. Поэтому в экологическом образовании становится важным, чтобы специалисты разной профориентации имели экологическое мышление и могли решать в сфере своей деятельности конкретные задачи по охране окружающей среды.

Вместе с тем существуют области геоэкологии, которые имеют общее значение при решении экологических проблем для любой территории, охваченной разными видами хозяйственной деятельности. В какой бы области хозяйства и в каком бы месте ни работал эколог, он обязательно столкнется с проблемой воздействия на среду и не сможет не учитывать ее в своей работе.

В число этих областей входит нефтегазовая геоэкология, направленная на изучение воздействия на окружающую среду и биосферу в целом углеводородов и сопутствующих им веществ.

Нефтегазовым производством затронуты все населенные континенты, шельфы большинства внутренних морей и открытых океанов. Использование нефти и продуктов ее переработки происходит всюду, где человек осуществляет хозяйственную деятельность, то есть практически повсеместно. На земном шаре нет места, где бы ни использовались в том или ином виде нефть, углеводородный газ и продукты их переработки. Современная нефтяная индустрия принудительно выкачивает из недр огромные, избыточные для природы количества нефти и природного газа. Д.И. Менделеев видел в нефти основу получения массы веществ, необходимых для развития цивилизации, и восставал против массового сжигания нефти в топках вместо угля. «Не противу этих экономически выгодных и неизбежных применений нефти, как топлива, – писал Д.И. Менделеев, – говорю я против того учения, что нефть наша есть выгодный заместитель каменного угля. Можно топить и ассигнациями» [7, с. 463].

Только экологически грамотное использование нефти и углеводородного газа и грамотная ликвидация негативных последствий влияния углеводородов позволит защитить природную среду от агрессивного воздействия техногенеза. Для этого экологическая деятельность должна опираться на хорошую научную базу – геоэкологию нефти и газа или нефтегазовую геоэкологию.

Нефтегазовая геоэкология охватывает все объекты и направления профессиональной экологической подготовки, что и геоэкология в целом. Это Земля, земная кора, литосфера, подземные воды, природные и техногенные геологические процессы (геология), атмосфера, воды суши и Мировой океан (гидрометеорология), почвенный покров Земли, ландшафты, почвы и подстилающие породы, минералы, растения и почвенная биота, природные и техногенные процессы в почвенном и напочвенном покрове, охрана и восстановление почв, экологические и социально-экономические функции почвенного покрова, экологическая экспертиза (география, почвоведение, природообустройство и водопользование), методы и средства оценки состояния окружающей среды и защиты ее от антропогенного воздействия, продукты переработки нефти, газа (химические технологии), опасные технологические процессы и производства правила нормирования опасностей и антропогенных воздействий (техносферная безопасность).

Таким образом, объект нефтегазовой геоэкологии – это вся биосфера в целом, включая ландшафты суши и Мировой океан. Необходимость решения острых проблем воздействия нефтегазового производства на биосферу заставляет искать новые методологические подходы в рамках этой науки. Огромное число научных публикаций в этой области носит, в основном, прикладной характер и опирается не столько на фундаментальные достижения науки, сколько на узаконенные экологические нормативы и результаты краткосрочных экспериментов. Это снижает эффективность применения существующих методов. Необходимы разработки новых подходов к охране биосферы в целом и окружающей среды отдельных регионов от разрушительного воздействия мирового нефтегазового производства. 

В 2015 г. в издательстве ИНФРА-М вышло учебное пособие авторов «Основы нефтегазовой геоэкологии» [13]. Выход этого издания – шаг к формированию нового междисциплинарного учебного направления в системе высшего экологического образования. В статье кратко рассмотрены основные проблемы и разделы нефтегазовой геоэкологии, обозначенные в этом учебном пособии, которые целесообразно включать в образовательные программы. 

Природные углеводороды в биосфере

Углеводороды – одна из важнейших форм существования углерода, основная часть его подвижного резерва на Земле. Они составляют основу вещества нефти и природного газа, а также генерируются живым веществом или его отмершими остатками. Потоки углеводородов на Земле на протяжении всей истории биосферы участвовали в геохимическом цикле углерода, поддерживавшем жизнь на Земле. Они активно участвуют в обмене веществом и энергией между внутренними геосферами и биосферой, между природной средой и обществом.

Биосфера с самого начала своего существования, еще до проявления человека, находилась в окружении нефтегазовых потоков, поступавших в нее из недр литосферы и из Космоса. Природные углеводороды образуются в самой биосфере и попадают в нее в результате разнообразных видов разгрузок нефти и углеводородного газа из земной коры. Это могут быть естественные выходы нефти и газа на земную поверхность и геохимические ореолы рассеяния углеводородов от нефтегазовых скоплений. Кроме того, существуют горячие и холодные фокусированные потоки флюидов, поступающие из недр по глубинным разломам. С многочисленными естественными проявлениями нефти и газа на земной поверхности люди сталкивались с глубокой древности. Эти вещества использовались в строительстве, медицине, для освещения, отопления, бальзамирования, в военном деле. Изучение поведения и трансформации природных углеводородов в окружающей среде – это важнейший источник информации для разработки методологии защиты окружающей среды от негативных последствий нефтегазового техногенеза.

Природные потоки углеводородов, в том числе естественные нефтегазопроявления, нельзя рассматривать как нечто чуждое и вредное биосфере. Изучение их реальной роли в жизни биосферы помогает понять и экологическое значение техногенных веществ аналогичного состава. Поэтому изучение природных потоков нефти, газа и других форм проявления углеводородов в биосфере – одна из актуальных задач нефтегазовой геоэкологии.

Углеводороды, образующиеся в биосфере и поступающие природным путем из других геосфер, составляют ее углеводородный фон, на который накладываются последствия нефтегазового техногенеза. 

Нефтегазовый техногенез

Нефтегазовый техногенез охватывает огромные пространства всех населенных континентов Земли. Его источники – это десятки тысяч месторождений нефти и газа, группирующихся в больших и малых нефтегазоносных бассейнах, миллионы пробуренных скважин, сотни тысяч километров магистральных нефте- и газопроводов и путей наземной и морской транспортировки сырья и продуктов его переработки, нефтеперерабатывающие комплексы, нефтехранилища, нефтеналивные терминалы. На всех этих объектах возникают техногенные потоки углеводородов, имеющие свою специфику в зависимости от типа производства, состава продуктов техногенеза и природных условий, в которых потоки формируются и воздействуют на окружающую среду. При средних потерях нефти при добыче и транспортировке от 1 до 3%, ежегодно в окружающую среду попадает до 40 млн т нефти и 30 млрд м3 углеводородного газа. К ним добавляются потери от технологических выбросов при переработке нефти и от использования нефтепродуктов. 

Добыча нефти и газа уже не ограничивается дискретными залежами в литосфере. В настоящее время эксплуатируются площадные источники нефти и газа, диспергированные в сланцевых толщах, распространенных на десятках и сотнях тысяч квадратных километрах. Экологические издержки здесь до конца не ясны, но уже очевидно, что они более высокие, чем при традиционной добыче.

Нефть и газ, извлеченные из недр техническими средствами, представляют собой природный продукт, поэтому разделение продуктов добычи на природные и техногенные довольно условное, зависящее от того, из каких источников они попадают в окружающую среду. Однако имеются существенные различия в последствиях для экосистем потоков аналогичных веществ из природных и техногенных источников. Как бы ни были широко распространены в пространстве и во времени природные проявления нефти и газа, нет свидетельств, что они где-то приводили к крупным экологическим катастрофам. В то же время нефтегазовый техногенез оказывает негативное воздействие на почвы, растительность, поверхностные и подземные воды, водные экосистемы внутренних морей и открытого Мирового океана [14, 15]. Один крупный залповый разлив нефти может уничтожить окружающую экосистему, для которой небольшие порции углеводородов могли бы играть благотворную роль. 

Механизм и последствия нефтегазового техногенеза зависят от количества и химического состава нефти, и нефтепродуктов, их поведения в геохимическом ландшафте, состава сопутствующих веществ, а также от особенностей природных условий, в которых техногенные потоки формируются, от устойчивости ландшафта и его компонентов к техногенезу. Кроме того, в окружающей среде надо различать транзитные (вода, атмосфера) и депонирующие (почвы, донные отложения) среды, в которые попадают нефть, нефтепродукты и газообразные углеводороды. Судьба техногенных веществ в этих средах будет разной.

Основная опасность нефтегазового техногенеза состоит в его площадном распространении на земной поверхности и в недрах. Главная стратегия защиты биосферы – это существенное сокращение территорий, охваченных геологоразведочными работами и добычей углеводородных ресурсов путем сосредоточения разведки и добычи на ограниченных пространствах крупных и гигантских месторождений, содержащих обычно больше 90% углеводородных ресурсов нефтегазоносного бассейна. Это позволит обеспечить регионы мира энергетическими ресурсами и одновременно кардинально уменьшить техногенную нагрузку на биосферу. Уже сейчас наука располагает методами прогноза таких территорий.

Токсическое действие нефти и нефтепродуктов на живые организмы

Нефть в целом не токсичный продукт, в определенных условиях и дозах она благоприятно влияет на живое вещество. Лечебные свойства нефти известны с давних пор. Существуют современные курорты, где осуществляется лечение нефтью. В глубоких частях Мирового океана, где нет фотосинтеза, около выходов горячих и холодных природных флюидов, содержащих углеводороды, процветает жизнь. Организмы используют углерод углеводородов для наращивания биомассы. В то же время некоторые компоненты нефти оказывают токсическое действие на живой организм: вызывают у человека и животных наркотическое состояние, судороги, отравления, кожные заболевания. Токсичными могут быть, например, ароматические углеводороды, сернистые соединения, некоторые металлы, находящиеся в достаточно высоких концентрациях в нефтяном растворе. Гораздо более токсичны нефтепродукты – разнообразные по составу и назначению вещества, полученные путем переработки нефти и газа.

Токсичными могут быть не только нефть или газ, но и их постоянные или часто встречающиеся геохимические спутники. К ним относятся природные соленые воды и рассолы с высокой концентрацией хлоридов, сероводород, ртуть, некоторые другие тяжелые металлы, редкие и рассеянные элементы, радионуклиды. Эти геохимические спутники обычно оказываются в местах добычи нефти более опасными для живой природы, чем углеводороды. Состав пластовых вод и их влияние на окружающую среду должны быть предметом изучения нефтегазовой геоэкологии.

Экологический ущерб от загрязнения почв углеводородами весьма велик. Нефть и сопровождающие ее химические вещества (главным образом, соли) производят изменения во всех компонентах экосистем: нарушаются структура, водный и солевой режим почв, соотношение и подвижность в них химических элементов, трансформируется почвенный биоценоз, деградирует наземная растительность, загрязняются поверхностные и грунтовые воды, приземная атмосфера. На нефтепромыслах эти явления сопровождаются механическими нарушениями, а иногда и просадками земной поверхности, подтоплением или осушением территории, истощением горизонтов пресных вод, эрозией, дефляцией, цементацией и другими негативными для природной среды процессами [14]. Как показывают эксперименты, наиболее опасно долгое нахождение в воде тяжелых нефтепродуктов, содержащих токсичные компоненты, вызывающих гибель экосистемы. Легкие нефтепродукты оказывают сильное, но кратковременное токсичное действие на живые организмы, которые быстро восстанавливают свои физиологические функции в ходе самоочищения среды.

Проблемы диагностики загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами

Один из ключевых вопросов нефтегазовой геоэкологии – диагностика загрязнения и других нарушений окружающей среды. 

Нефть и нефтепродукты содержат множество химических соединений, различающихся составом, свойствами и экологическим значением. С другой стороны, это множество химических соединений, скорее всего, представляет собой единую химическую систему с надмолекулярными связами. Адекватная количественная и качественная диагностика загрязнения компонентов окружающей среды нефтью и нефтепродуктами имеет принципиальное значение для выбора природоохранных мероприятий. Эта проблема все еще далека от оптимального разрешения. Существует обширный комплекс методов диагностики загрязняющих почву, водные и воздушные среды органических соединений: газовая и газо-жидкостная хроматография, хромато-масс спектрометрия, люминесцентный анализ и др.

Приборная база для диагностики среды постоянно совершенствуется. Вместе с тем до сих пор в нормативных документах нет корректного аналитического понятия «нефть» и «нефтепродукты». За «нефтепродукты», как правило, принимают вещества, экстрагируемые из почв, воды и горных пород малополярными органическими растворителями и очищенные затем от полярных компонентов. Это, в основном, легкие углеводороды, почти не вызывающие серьезных экологических проблем. Самые опасные вещества при этом не учитываются вовсе или «нефтепродуктами» не считаются. В то же время именно эти компоненты чаще всего закрепляются в верхних горизонтах почв, резко изменяя их водно-физические свойства и поставляя в почвенную среду токсичные вещества. Их негативное влияние гораздо сильнее, чем влияние легких углеводородов, особенно при проникновении вглубь почвенного профиля. Они же оказывают наиболее сильное воздействие на водные организмы. Такое положение снижает значение экологического мониторинга, поскольку информация о состоянии окружающей среды, прежде всего почв, становится неполной и поэтому искаженной.

Учитывая широкое разнообразие видов нефтепродуктов – от сжиженных газов, растворителей и бензинов до гудронов и битумов, – некорректно говорить о загрязнении среды нефтепродуктами без уточнения их вида. Нефтепродукты состоят из тех же компонентов, что и нефть, но они имеют свои особенности, связанные с технологией производства. Деструктивные способы получения ряда видов нефтепродуктов увеличивают в них содержание непредельных углеводородов и канцерогенных соединений, не характерных для природной нефти. Это делает многие нефтепродукты экологически более токсичными, чем сырая нефть.

Актуальные задачи диагностики нефтяного загрязнения почв – это разработка аналитического понятия «сумма нефти и нефтепродуктов», включающего высокомолекулярные и гетероатомные компоненты, и корректных унифицированных методов их определения. 

В обширном арсенале средств диагностики природной среды особое место занимают люминесцентные методы. Несмотря на ограниченность области применения и трудности аналитической интерпретации, они очень эффективны при проведении комплексных геохимических и экологических исследований. Люминесцентные методы отличаются рядом привлекательных особенностей. Главные из них – это высокая чувствительность, сохранение пробы на протяжении всего цикла исследований в неизмененном виде, возможность массовых измерений (в том числе дистанционных) в полевых условиях. Люминесцентные методы позволяют получать количественные и качественные характеристики вещества нефти как целостного продукта, а также входящих в него индивидуальных соединений, например, полициклических ароматических углеводородов. Свойствами люминесценции, помимо нефти и нефтепродуктов, обладают также живые организмы. Это дает возможность использовать люминесцентный анализ для комплексного исследования экосистем.

Конечно, неверно говорить о преимуществе каких-то одних методов над другими. Любой метод имеет свою область применения, свои особенности. Вопрос заключается лишь в том, какой комплекс методов при решении конкретной задачи оптимален. 

С целью расширения геоэкологической информативности диагностики углеводородов в объектах окружающей среды в научный оборот было введено понятие «углеводородное состояние почв» [11]. Этим понятием характеризуется весь почвенный углеводородный комплекс: углеводородные газы, битуминозные вещества, а также индивидуальные углеводородные соединения с учетом их распределения в почвенном профиле и по ландшафтно-геохимической катене. Диагностика углеводородного состояния почв дает не только представление об уровне загрязнения почвы и донных отложений углеродистыми веществами. Она помогает понять генезис углеродистых веществ в почве, позволяя отделить природную и техногенную составляющие. 

Токсическое воздействие на компоненты экосистем при работе нефтегазового комплекса оказывают десятки попутных веществ. Осуществить диагностику каждого вещества и выработать для него гигиенические нормативы нереально. Необходимы методы определения состояния экосистем при данном уровне концентрации диагностируемых поллютантов. К таким методам относятся биоиндикация и биотестирование, которые стали широко использоваться в экологическом мониторинге [1]. Главной проблемой в применении этих методов остается выбор объектов. Индивидуальные организмы обладают разной устойчивостью к загрязнителям, поэтому часто существует опасность получать информацию о состоянии особей тестируемой популяции, а не обо всей экосистеме. Перспективным представляется изучение уровня разнообразия организмов, характер проективного покрытия и его динамика во времени и пространстве. Очень эффективна альгоиндикация нефтяного загрязнения среды (вод, почв и грунтов), осуществляемая на уровне сообществ [17]. Для оценки состояния среды исследуются общее видовое разнообразие, видовой состав, соотношение разных отделов и экологических групп, состав доминирующих и специфических видов, численность микроводорослей. 

Устойчивость экосистем к нефтегазовому техногенезу

Биосфера обладает большим потенциалом к самовосстановлению нарушенных наземных и морских экосистем. Изучение механизмов самовосстановления компонентов окружающей среды, нарушенных нефтегазовым производством, и использование этих механизмов для ликвидации негативных последствий таких нарушений – одна из важных задач нефтегазовой геоэкологии. В разных природных условиях такие механизмы проявляют себя по-разному в зависимости от устойчивости экосистем к тому или иному типу воздействия. Устойчивость экосистем – фундаментальное понятие геоэкологии.  

По М.А. Глазовской [3], устойчивость природных систем – это «…потенциал сохранения данной природной системой естественного режима функционирования». Устойчивость природной экосистемы зависит от ее способности, с одной стороны, очищаться от чуждых ей техногенных продуктов, и, с другой стороны, восстанавливать свои свойства после прекращения техногенного воздействия и возвращаться к нормальному состоянию. Оценка устойчивости природных систем необходима при решении важных практических задач геоэкологии, например, таких, как разработка экологических нормативов, выбор способов защиты и восстановления функций экосистем, организация геоэкологического мониторинга.

М.А. Глазовская выделяет три группы факторов, суммарное действие которых влияет на устойчивость природных систем к техногенезу. Это интенсивность выноса и рассеяния продуктов техногенеза, интенсивность метаболизма продуктов техногенеза и интенсивность закрепления в ландшафтах продуктов техногенеза. В транзитных средах (атмосфера и гидросфера) преобладают факторы, определяющие вынос и рассеяние продуктов техногенеза. В депонирующих средах (почвы и донные отложения) главную роль играют факторы закрепления в них загрязняющих веществ и метаболизма (биодеградация). 

Атмосфера отличается от других компонентов природной среды тем, что не имеет четких границ загрязненного пространства. Загрязненное пространство очень динамично, показатели загрязнения могут изменяться в течение одних суток. Постоянные выбросы в атмосферу углеводородов, продуктов их сжигания и геохимических спутников происходят на нефтяных и газовых промыслах, товарных парках, нефтеперерабатывающих предприятиях. Кроме того, существуют многочисленные неконтролируемые постоянные природные и техногенные потоки вредных веществ в атмосферу. Основные факторы устойчивости и самоочищения атмосферы – это рассеяние продуктов техногенеза ветровыми потоками и химическое разложение загрязняющих веществ с участием фотохимических процессов. Последнее во многом зависит от величины ультрафиолетовой радиации и числе дней с грозами [3]. Важный фактор устойчивости атмосферы – существующий в верхнем слое почвенного покрова бактериальный фильтр, контролирующий потоки углеводородов в атмосферу с поверхности Земли. Функции бактериального фильтра осуществляются бактериальными процессами окисления газообразных и жидких углеводородов [9].

Поверхностные воды суши – реки, озера и другие водные объекты – обладают способностью к естественному самоочищению благодаря протеканию взаимосвязанных физико-химических, биохимических и других процессов (рассеяние, турбулентная диффузия, окисление, сорбция, адсорбция и т.д.). Большое значение для прогноза самоочищения рек имеет анализ каскадных ландшафтно-геохимических систем (КЛГС) [3]. В КЛГС объединяются бассейны рек, начиная от малых водотоков и кончая крупными водными артериями. От типа КЛГС зависит судьба поступающих в ее пределы техногенных веществ: аккумуляция в конечных областях стока, вторичное загрязнение дельт и эстуариев, рассеяние на больших пространствах суши и океана. Биологическое самоочищение водоемов осуществляется за счет жизнедеятельности водных растений, животных, грибов, бактерий.

Грунтовые воды – один из наименее устойчивых к загрязнению компонентов биосферы. Защищенность грунтовых вод от загрязнения определяется глубиной их залегания, изоляцией водоупорными или слабопроницаемыми породами большой мощности, а также наличием благоприятных факторов разложения нефтяных компонентов в процессе их фильтрации через толщу пород и грунтов. В подпочвенных горизонтах самоочищение от загрязнения происходит путем сорбции нефти породами, ионного обмена, реже – окисления или разложения загрязняющих веществ. 

Морские экосистемы имеют значительный потенциал устойчивости к внешнему воздействию, что позволяет им сопротивляться довольно мощной глобальной техногенной нагрузке. Основную роль в самоочищении морской среды от нефтяного загрязнения играют гидрофизические, седиментационные, физико-химические и биогеохимические природные факторы. Большое значение имеют механизмы рассеяния загрязняющих веществ, снижения их концентрации до полной ликвидации геохимических аномалий в водной среде. На интенсивность рассеяния углеводородов в морских экосистемах влияют структура и сезонная динамика вод, изменение солнечной радиации и состояния атмосферы, величины стока, приток в верхние слои водной толщи чистой глубинной воды. В самоочищении морской среды от нефти и нефтепродуктов активно участвуют гидробионты всех трофических уровней, при этом они не только механически удаляют нефть из морской воды, но и трансформируют ее [7].

Почвы в разных природных зонах обладают разной устойчивостью к нефтяному загрязнению и, следовательно, разной способностью к самоочищению. Основные факторы самоочищения почв – это механическое рассеяние и окислительное разложение углеводородов. Основные факторы рассеяния – количество жидких осадков и водный режим почвы. В почвенном профиле, в условиях снижения, по сравнению с поверхностью, содержания молекулярного кислорода, ведущая роль в окислении углеводородов и во всем процессе разложения нефти принадлежит микроорганизмам. В почве действует своеобразный «биоконвейер», стимулирующий процесс распада углеводородов и очищение экосистемы [5]. Звенья этого «конвейера»: углеводородокисляющие микроорганизмы, использующие определенные углеводороды в качестве субстрата для своего роста; ферменты, выделяемые микроорганизмами, почвенной мезофауной и высшими растениями; микроорганизмы, утилизирующие промежуточные продукты окисления углеводородов и способствующие дальнейшему углублению процесса их деструкции. Все процессы в почве, в том числе микробиологические и ферментативные, взаимосвязаны, взаимообусловлены и тесно скоординированы таким образом, чтобы обеспечить жизнедеятельность экосистемы. 

Мероприятия по восстановлению загрязненных экосистем

Очищение атмосферы практически целиком зависит от факторов ее устойчивости. Специфика производства в целом, а нефтегазового производства в особенности, такова, что избежать выбросов загрязняющих веществ в атмосферу практически невозможно. Основная экологическая стратегия защиты атмосферы от техногенного загрязнения пока заключается в максимальном сокращении общего объема регулируемых выбросов и жестком контроле их состава.

Очистка больших водных объектов – рек, водохранилищ, озер – трудноосуществима, так как в водной среде загрязнение не локализуется, а рассеивается по всей водной толще, то есть, подобно атмосфере, не имеет четких границ. Можно говорить лишь о локализации и физическом удалении видимых нефтяных пленок на водной поверхности с использованием бонов разных конструкций, а также выявлении не поддающихся естественному разрушению опасных техногенных аномалий в донных отложениях, которые можно механически удалить драгированием. Поэтому главное значение в очистке водных объектов имеют процессы естественного самовосстановления. Вместе с тем развиваются биотехнологии очистки водных экосистем от органических и неорганических загрязнений (тяжелых металлов) с использованием микроорганизмов, в том числе различных биобонов, которые выполняют одновременно две функции – физический сбор и разложение органических загрязнений на месте. В этих же технологиях используется способность микроорганизмов адсорбировать на своей поверхности тяжелые металлы, загрязняющие водоемы [5]. Самые актуальные экологические задачи защиты поверхностных вод от загрязнения – это тщательный мониторинг и быстрая ликвидация загрязнения водосборных бассейнов, в которых находятся контролируемые водные объекты.

Очистка грунтовых вод от нефтепродуктов также не располагает надежными и экономичными методами. Разработан комплекс технологий очистки загрязненных водоносных горизонтов, но они, как правило, дорогостоящи и не всегда эффективны.

Очистка морской среды от нефтяного загрязнения производится разными способами. Основной из них – это локализация нефтяных пятен, механический или с помощью адсорбентов сбор нефти. Применяются способы физико-химического и микробиологического разложения загрязняющих веществ. В целом, международная практика борьбы с разливами формируется под влиянием региональной специфики природных условий, традиций и определенной материально-технической оснащенности нефтегазовой отрасли отдельных стран. Основными мероприятиями остаются уменьшение сбросов загрязненных стоков и сокращение числа аварийных ситуаций.

Рекультивация загрязненных и нарушенных почв имеет два взаимосвязанных аспекта. Первый – это поддержание природных механизмов самоочищения. Второй – собственно рекультивация загрязненных земель с внесением в почву различных препаратов. Рекультивация загрязненных земель от нефтяного загрязнения – сложный и длительный процесс, требующий строгого научного обоснования. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения и восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Рекультивацию загрязненных земель надо рассматривать как продолжение процесса самоочищения с целью его ускорения, с использованием природных механизмов самоочищения. Суть процесса – максимальная мобилизация внутренних ресурсных потенциалов экосистемы с учетом природных ограничителей (характер и биогенность почв, гидротермический режим и др.) на восстановление своих первоначальных функций [2].

Между тем научное обоснование методов рекультивации загрязненных земель, в особенности почвенного покрова, пока существенно отстает от массового характера их осуществления. В проведении рекультивации остается еще много проблем.

Микробиологическая рекультивация с внесением штаммов микроорганизмов – один из наиболее распространенных и эффективных способов рекультивации, основанный на процессах биодеградации нефти и нефтепродуктов. Но далеко не все ясно и в его применении. Учет многоступенчатости биохимических процессов разложения углеводородов осложняется разнообразием химического состава нефти. Возникают проблемы взаимодействия вносимых в почву популяций микроорганизмов с естественной микрофлорой. Кроме того, разные группы микроорганизмов в составе микробных сообществ отличаются способностью использовать отдельные компоненты нефти и нефтепродуктов. Пока не известно ни одного природного представителя микромира, который мог бы усваивать все классы углеводородов, составляющих основу нефти. Поэтому при рекультивации почв и грунтов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, главное внимание обращается на создание эффективно работающих сообществ микроорганизмов.

Необходим контроль последействия мероприятий по рекультивации. Кажущаяся эффективность рекультивации в первый год может сопровождаться резким снижением продуктивности в последующие годы. Это создает опасность дополнительного ущерба природной среде.

Подходить к выбору технологии рекультивации земель необходимо с позиций устойчивости почв к нефтяному загрязнению. Исходя из оценки природных механизмов самоочищения, выбираются современные технологии очистки и рекультивации земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

Проблемы прогнозирования в нефтегазовой геоэкологии

Глобальный характер нефтегазового техногенеза делает прогноз его воздействия на окружающую среду краеугольной проблемой нефтегазовой геоэкологии. Задача геоэкологического прогноза – предсказание возможных изменений среды под воздействием нефтегазового производства для разных территорий и акваторий.

Прогноз изменения состояния окружающей среды под влиянием техногенеза может быть двух видов. Оценочный прогноз – разработка возможных сценариев откликов экосистем на техногенное воздействие в конкретных условиях окружающей среды. Оперативный прогноз – быстрый прогноз надвигающейся экологической опасности для экосистем по данным геоэкологического мониторинга. 

Для оценочного прогнозирования использованы теоретические представления о технобиогеомах – территориях с однотипными ответными реакциями экосистем на воздействие разных видов хозяйственной деятельности [3]. На базе этих представлений разработано прогнозное геоэкологическое районирование больших и малых территорий по опасности воздействия производства на окружающую среду. Суть районирования – разделение территории, подлежащей прогнозной оценке, на технобиогеомы и разработка для каждой территориальной единицы сценария возможных изменений в окружающей среде при конкретном виде техногенного воздействия. Понимание положения объекта в системе районирования позволяет выбрать надежные пути его защиты от негативного влияния техногенеза. Прогнозное районирование по типам изменения природной среды при добыче и транспортировке нефти реализовано в картах районирования территории СССР и России [4, 8]. 

Прогнозирование мест современной геодинамической активности земной коры как мест наиболее вероятных спонтанных аварий на технологических объектах основано на специальном морфоструктурном районировании суши и морского дна [13]. На схемах морфоструктурного районирования выделяются три элемента современной блоковой структуры земной коры: однородные в морфоструктурном отношении территории – блоки разных уровней (рангов), границы блоков – линейные зоны (морфоструктурные линеаменты), морфоструктурные узлы – места пересечений или сочленений границ блоков. От блоков к морфоструктурным узлам увеличивается тектоническая нестабильность территории (в узлах она самая высокая). Приуроченность к морфоструктурным узлам эпицентров землетрясений и аварийных событий позволяет считать эти элементы блоковой структуры земной коры наиболее опасными участками для строительства магистральных трубопроводов, подземных хранилищ нефти и газа, бурения глубоких скважин. 

Геоэкологический мониторинг окружающей среды

Мониторинг и прогноз состояния среды, находящейся в сфере воздействия нефтегазового комплекса, – необходимое условие для принятия своевременных мер по защите природной среды от деградации и обеспечение принимаемых решений необходимой информационной основой [16]. Эффективную систему мониторинга можно организовать только на основе геоэкологического прогноза вероятности тех или иных негативных событий, которые могут произойти на участках биосферы при внезапных или хронических техногенных нагрузках. Сети геоэкологического мониторинга целесообразно создавать на базе разных видов карт геоэкологического районирования разных масштабов. 

Существуют два вида геоэкологического мониторинга, не всегда разделяющихся в практической работе. Первый – оценочный мониторинг, основанный на периодической оценке качества природной среды, его изменения во времени. На это нацелены вся система и подсистемы государственного экологического мониторинга и большей частью производственный мониторинг. Главный критерий оценочного мониторинга – соответствие качества компонентов окружающей среды утвержденным нормативам. Поэтому проблема санитарно-гигиенического нормирования выступает здесь на первый план. Второй – оперативный мониторинг, т.е. непрерывное слежение за изменением компонентов природной среды, находящихся в сфере влияния работающего производственного комплекса (нефте- и газодобывающего промысла, магистрального трубопровода, нефтеперерабатывающего завода и др.). Цель оперативного мониторинга – упредить аварийные ситуации и обеспечить своевременное принятие мер по предотвращению ущерба окружающей среде и производству. Инструментами оперативного мониторинга могут служить анализ дистанционных данных со спутников, различные датчики непрерывной работы, ежесуточные измерения показателей (подобно режимным гидрометеорологическим наблюдениям). За критерий оценки принимается природный геохимический фон, существовавший перед началом производственной деятельности. 

В качестве перспективного метода выявления процессов, приводящих к формированию разного рода углеводородных геохимических аномалий, рассматривается мониторинг углеводородных геохимических полей в почвах [10]. Углеводородное геохимическое поле в почвах – это совокупность в пространстве однородных углеводородных состояний почв.

Выделены следующие генетические группы геохимических углеводородных полей в почвах: 1) биогеохимические; 2) эманационные; 3) атмо-седиментационные; 4) инъекционные. Каждая из этих групп может формироваться как природными, так и техногенными процессами. Каждый тип геохимического поля характеризуется своим набором геохимических параметров. Эти параметры используются для крупномасштабного картографирования геохимических углеводородных полей. Мониторинг геохимических полей позволяет выявлять их изменения в пространстве и принимать оперативные меры к локализации источников негативного воздействия на почвенный покров.

Проблемы нормирования опасности углеводородного загрязнения

Разработка научного нормирования – один из самых сложных вопросов нефтегазовой геоэкологии, особенно по отношению к таким веществам, как нефть и нефтепродукты. Состав тех и других разнообразен, и необходима строгая классификация нормируемых веществ. С другой стороны, ландшафты, включающие определенные типы почв, растительности и природных вод, в различных климатических условиях обладают разной устойчивостью к воздействию техногенных веществ. Следовательно, гигиенические нормативы в разных ландшафтах должны быть разными. В связи с этим разработать общие унифицированные нормативы загрязненности земель нефтью и нефтепродуктами практически невозможно. 

Пороговый уровень содержания нефти и нефтепродуктов в почвах и грунтах, выше которого наступает ухудшение качества природной среды, рассматривается как максимальный безопасный уровень концентрации нефти и нефтепродуктов в почвах. Этот уровень зависит от совокупности многих факторов, таких как изменение продуктивности и проявление токсичности почв, ухудшение состояния растительности, загрязнение грунтовых вод и др. 

Для нормирования загрязнения почв нефтепродуктами установления одного только максимального безопасного уровня их концентрации недостаточно. Природные экосистемы обладают большим потенциалом к самоочищению. Если вовремя устранить источник загрязнения, то концентрация нефтепродуктов в почвах будет снижаться естественным образом и, в конце концов, достигнет безопасного уровня. Проводить в таких случаях специальные мероприятия по рекультивации почв нецелесообразно, так как всегда есть опасность нанести ими еще больший вред почвенной экосистеме. Поэтому необходимо установить такой уровень концентрации нефтепродуктов, выше которого почва уже сама не может справиться с загрязнением. Этот уровень концентрации можно назвать пределом потенциала самоочищения почв.

Почвы, содержащие нефтепродукты в концентрациях выше предела самоочищения, подлежат санации и рекультивации, так как без этих мероприятий они не выйдут из стадии деградации и будут оказывать устойчивое негативное влияние на окружающую среду.

Заключение

Таким образом, нефтегазовая геоэкология – это новая междисциплинарная отрасль науки, находящаяся в стадии своего становления. В ней еще предстоит выработать свою методологию и оптимальный инструментарий. Она будет развиваться, наполняться новыми фактами, новыми направлениями экологических исследований, решать проблемы, которые ставит перед обществом человеческая цивилизация.

В нефтегазовой геоэкология соединяются все экологические проблемы и объекты экологической деятельности, включенные в федеральные государственные стандарты высшего образования разных направлений.

1. Мелехова О.П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование [Текст]: учебное пособие для студ. высших учеб. заведений / О.П. Мелехова [и др.]; под ред. О.П. Мелеховой и Е.И. Егоровой. - М.: Изд. центр «Академия», 2007. - 288 с.

2. Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем [Текст] // Сборник научных статей; под ред. М.А. Глазовской. - М.: Наука, 1988. - 254 с.

3. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР [Текст] / М.А. Глазовская. - М.: Высшая школа, 1988. - 328 с.

4. Глазовская М.А. Комплексное районирование территории СССР по типам возможны изменений природной среды при нефтедобыче [Текст] / М.А. Глазовская, Ю.И. Пиковский, Т.И. Коронцевич // Ландшафтно-геохимическое районирование и охрана среды. - Вопросы географии. Сборник сто двадцатый. - М.: Мысль, 1983. - С. 84-108.

5. Исмаилов Н.М. Практическая экотехнология [Текст] / Н.М. Исмаилов. - Баку, ТПП «Тяхсил», 2009. - 582 с.

6. Менделеев Д.И. Сочинения [Текст]. Т. 10. Нефть / Д.И. Менделеев. - Л.-М: Изд. АН СССР, 1949. - С. 463.

7. Миронов О.Г. Взаимодействие морских организмов с нефтяными углеводородами [Текст] / О.Г. Миронов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 127 с.

8. Национальный атлас почв Российской Федерации. - М.: Астрель, АСТ, 2011. - 632 с.

9. Оборин А.А. Концепция организованности подземной биосферы. [Текст] / А.А. Оборин [и др.]. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. -148 с.

10. Пиковский Ю.И. Углеводородные геохимические поля в почвах района нефтяного промысла [Текст] / Ю.И. Пиковский [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 5: География. - 2009. - № 5. - С. 28-34.

11. Пиковский Ю.И. Углеводородное состояние почв на территории нефтедобычи с карстовым рельефом [Текст] / Ю.И. Пиковский [и др.] // Почвоведение. - 2008. - № 11. - С. 1314-1323.

12. Пиковский Ю.И. Основы нефтегазовой геоэкологии: учебное пособие [Текст] / Ю.И. Пиковский, Н.М. Исмаилов, М.Ф. Дорохова. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 400 с.

13. Ранцман Е.Я. Морфоструктурные узлы - места экстремальных природных явлений [Текст] / Е.Я. Ранцман, М.П. Гласко. - М.: Медиа-Пресс, 2004. - 224 с.

14. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. [Текст] / Н.П. Солнцева. - М: Изд-во Моск. ун-та, 1998. - 376 с.

15. Хаустов А.П. Охрана окружающей среды при добыче нефти. [Текст] / А.П. Хаустов, М.М. Редина. - М.: Дело, 2006. - 552 с.

16. Хаустов А.П. Экологический мониторинг: учебник для академического бакалавриата [Текст] / А.П. Хаустов, М.М. Редина. - М.: Юрайт, 2016. - 637 с.

17. Штина Э.А. Водоросли загрязненных нефтью почв [Текст] / Э.А. Штина, К.А. Некрасова // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. - М.: Наука, 1988. - С. 57-81.