Распространение загрязняющей фазы в почвогрунтах является комплексным гетерогенным, гетерофазным процессом, так как нефть или пластовый рассол перемещается по наполненному воздухом или почвенной влагой поровому пространству.
В данных условиях структура потока существенным образом определяется петрофизическими характеристками почвогрунтов (диаметром пор, объемом порового пространства, смачиваемостью, проницаемостью). Поступление нефти в почву сопровождается расслоением нефтяного потока по профилю: нефтяные компоненты задерживаются в верхних почвенных горизонтах, а минеральные воды, более тяжелые и менее вязкие, быстрее проникают в нижние. Расслоение нефти связано с тем, что нефть и ее фракции по-разному адсорбируются различными минералами. Тяжелый механический состав исследуемой почвы определяет концентрацию нефти в основном в органическом (Ап) и иллювиальном (В1, В2) горизонтах.
Это сорбционные барьеры нефти. В горизонте В заканчиваются каналы миграции нефти и сорбируются основная часть асфальто-смолистых компонентов, прошедших верхний сорбционный барьер.
В верхней элювиальной части профиля преобладают гексановые битумоиды. Перераспределение нефти и органического углерода по профилю обусловлено землеванием загрязненного участка. При этом естественные закономерности распределения нефти в почве меняются. Происходит захоронение загрязнителя, его консервация, что замедляет ее деградацию в нижележащих горизонтах вследствие ухудшения аэрации.
Нефть, обладая вязкостью, обволакивает почвенные частицы. Это способствует созданию зон анаэробиозиса и препятствует миграции питательных веществ и нормальному распределению влаги. Охватывая весь почвенный профиль, нефтяные углеводороды значительно влияют на изменение агрохимических свойств почвы.
Загрязнение нефтью снижает поглотительную способность почвы примерно в 5 раз. На третий год агротехнической рекультивации она повышается, но не достигает уровня незагрязненной почвы. Содержание в сырой нефти пластовой воды с большим количество солей увеличивает содержание в почве обменного Na+ и вытесняет Са++ и Mg++, на долю которых приходится основная часть обменных катионов в чистой почве. Дополнительный эффект дает обволакивание почвенных коллоидов нефтяной пленкой, препятствующей обмену поглощенных катионов.
В загрязненной почве нитратный азот, как правило, не обнаруживается на протяжении всего срока наблюдения за рекультивируемым участком. Это обусловлено биологическими факторами – подавлением жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий, очень чувствительных к изменениям условий окружающей среды. Типичные автотрофы, их развитие угнетается избытком углеродсодержащих соединений нефти и продуктов ее распада. Возможно и абиотическое связывание минеральных элементов органическими компонентами нефти.
Микроорганизмы являются необходимым звеном в круговороте биогенных элементов, участвующих в почвообразовании и поддержании почвенного плодородия. В почве происходит непрерывная смена доминирующих форм микроорганизмов, что зависит от экологической обстановки. При изменении условий почва из своего богатого пула микробов черпает те микроорганизмы, которые наилучшим образом растут в данных условиях. Загрязнение нефтью ведет к колебанию численности микроорганизмов. Направленность микробной сукцессии в данном случае определяется биодеградацией углеводородов.
Попадание в почву сырой нефти и нефтепродуктов снижает численность микроорганизмов. Это связано, вероятно, с тем, что для адаптации почвенного микробоценоза к изменившимся физико-химическим условиям среды необходим определенный период. Токсичность легких фракций нефти, неблагоприятная реакция среды, недостаточная аэрация способствуют уменьшению количества актиномицетов в свежезагрязненной почве. На старом загрязнении лимитирующим фактором в их численности является отсутствие источников азотного питания, которыми в чистой почве являются корневые выделения растений и растительные остатки. Численность актиномицетов в течение трех лет агротехнической рекультивации не восстанавливаются.
Численность грибов в первый год агротехнической рекультивации меняется незначительно. Грибы, благодаря высокой скорости роста, являются типичными первичными колонизаторами новых субстратов. На второй год численность грибов возрастает примерно в 2 раза и остается высокой в течение нескольких лет. Они непосредственно участвуют в процессах биодеградации, используя нефть в качестве источника углерода.
Уменьшение количества нитрификаторов связано с неблагоприятным воздушным режимом нефтезагрязненных почв, наличием в нефтезагрязненной почве битумоидов, являющихся ингибиторами нитрификаторов, и реакцией среды. Снижение количества целлюлозоразрушающих аэробов обусловлено созданием анаэробных условий, увеличением соотношения С : N, так как для их интенсивного развития необходим высокий уровень азотного питания. В замазученных почвах обнаруживается тесная корреляционная связь между этими двумя группами микроорганизмов.
Существенное влияние на состав почвы, и соответственно, на ход процесса восстановления почвогрунтов оказывает засоление, которое, как правило, происходит при загрязнении грунтов нефтью. Наличие в составе сырой нефти, поступающей в экосистемы в районах нефтепромыслов (или трубопроводов), высокоминерализованных нефтяных (пластовых) вод вызывает активное изменение солевого состава загрязненных почв. Сравнение состава солей, извлекаемых водной вытяжкой, из почв и их загрязненных нефтью модификаций на территории одного и того же промысла показывает значительную разницу и в их составе и в концентрациях отдельных компонентов. Новообразованные солевые профили загрязненных нефтью почв неодинаковы по распределению солей, их составу и концентрациям на разных участках промысла. Это связано с рядом причин.
Во-первых, на месторождениях бывает несколько нефтеносных горизонтов, и солевой состав пластовых вод каждого из них обычно неодинаков. Загрязнение почв нефтью из разных продуктивных горизонтов определяет и особенности их засоления – ионный состав и уровень минерализации. Кроме того, количество солей, поступающих в почву с нефтью, зависит от их степени обводненности продуктивного пласта, что в значительной степени определяется длительностью эксплуатацией месторождения. Поэтому общее количество солей, которое может поступать в почвы, и состав солей изменчивы во времени даже в пределах одного промысла.
Во-вторых, новообразованный солевой профиль зависит от исходных свойств загрязняемых почв. Это справедливо не только для разных генетических типов, но и в определенной степени и для почв одного и того же типа. В последнем случае различия определяются характером природной (фоновой) изменчивостью отдельных геохимических или физических свойств исходных почв: вариабельностью их исходных щелочно-кислотных условий, емкости их поглощающего комплекса, механического состава и т. д.
Третьим критерием, от которого зависит новообразованный солевой профиль, является предшествующая история техногенного развития территории. Наложение засоления на почвы, уже испытавшие геохимическую трансформацию, обуславливает особые варианты их новообразованного солевого состава. Таким образом, уровни засоления и состав солей, накапливающихся в почвах при поступлении в них нефти, могут быть достаточно разными.
Солевой состав играет существенную роль в процессах восстановления замазученных грунтов. При загрязнении почвы сырой нефтью, содержащей в своем составе хлориды, сульфаты, фосфаты, увеличивается активность почвенной дегидрогеназы. Кроме того, известно, что по мере роста структурных агрегатов вследствие склеивания структурных частей почвенного тела активность дегидрогеназы возрастает. Эти два фактора в комплексе компенсируют ингибирование активности этого фермента ароматическими углеводородами и ионами тяжелых металлов. Это объясняет тот факт, что при загрязнении нефтью на фоне резкого уменьшения активности каталазы, существенно не меняется активность дегидрогеназы.