В почвах нефть и нефтепродукты находятся в следующих формах:
- в пористой среде — в парообразном и жидком легко подвижном состоянии, в свободной или растворенной водной или водноэмульсионной фазе;
- в пористой среде и трещинах — в свободном неподвижном состоянии, играя роль вязкого или твердого цемента между частицами и агрегатами почвы;
- в сорбированном состоянии — на частицах горной породы или почвы (в том числе на частицах органических веществ);
- в поверхностном слое почвы или грунта — в виде плотной органо-минеральной массы.
Как свободные, так и малоподвижные связанные формы нефтепродуктов легко отдают летучие фракции в атмосферу, а растворимые соединения — в воду. Этот процесс полностью не прекращается со временем, так как микробиологические процессы трансформации углеводородов приводят частично к образованию летучих и воднорастворимых продуктов их метаболизма. По соотношению тяжелых и легких фракций нефти и содержанию парафина можно судить о скорости испарения, вымывания, опасности цементации почв.
Пропитывание нефтью почвенной массы приводит к изменениям в химическом составе, свойствах и структуре почв. Прежде всего это сказывается на гумусовом горизонте: количество углерода в нем резко увеличивается, но ухудшается свойство почв как питательного субстрата для растений. Гидрофобные частицы нефти затрудняют поступление влаги к корням растений, что приводит к физиологическим изменениям последних. Продукты трансформации нефти резко изменяют состав почвенного гумуса. На первых стадиях загрязнения это относится в основном к липидным и кислым компонентам. На дальнейших этапах за счет углерода нефти увеличивается содержание нерастворимого гумина. В почвенном профиле возможно изменение окислительно-восстановительных условий, увеличение подвижности гумусовых компонентов и ряда микроэлементов.
Все вещества, входящие в состав нефти и нефтепродуктов, являются токсичными, нередко канцерогенными.
Загрязнение нефтью приводит к резкому нарушению в почвенном микробиоценозе. Комплекс почвенных микроорганизмов отвечает на нефтяное загрязнение после кратковременного ингибирования повышением своей численности и усилением активности. Прежде всего это относится к углеводородоокисляющим микроорганизмам, количество которых резко возрастает по сравнению с незагрязненными почвами. Сообщество микроорганизмов в почве принимает неустойчивый характер. По мере разложения нефти в почве общее содержание микроорганизмов приближается к фоновым значениям, но количество нефтеокисляющих бактерий (например, в почвах южной тайги до 10—20 лет) значительно превышает те же группы в незагрязненных почвах.
Нефтяное загрязнение подавляет фотосинтетическую активность растительных организмов. Это сказывается прежде всего на развитии почвенных водорослей. В зависимости от дозы нефти, попавшей в почву, и сохранности почвенного и растительного покрова наблюдаются различные реакции почвенных водорослей: от частичного угнетения и замены одних группировок другими до выпадения отдельных групп или полной гибели всей популяции. Индикационным признаком экстремальных условий, находящихся на грани зон толерантности и резистентности, является изменение видового состава водорослей. Динамика и степень самоочищения в пределах зоны толерантности отражаются в численности водорослей.
Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами оказывает длительное отрицательное воздействие на почвенных животных, вызывая их массовое удаление. Отрицательное действие загрязнения осуществляется в результате прямого контакта с нефтью и через изменение свойств загрязненных почв.
Действие различных фракций нефти на живые организмы различно. Легкие фракции нефти и нефтепродуктов, богатые бензином, обладают повышенной токсичностью для живых организмов. Летучие фракции проявляют эффект сразу после контакта с почвой и ее обитателями. В то же время действие этих фракций кратковременно. Они быстрее испаряется и ее воздействие на природную среду относительно кратковременно. Их испаряемость способствует быстрому самоочищению компонентов природной среды.
Легкие нефтепродукты в значительной степени разлагаются и испаряются еще на поверхности почвы, легко смываются водными потоками. Путем испарения из почвы удаляется от 20 до 40 % легких фракций нефти.
Эффект тяжелых фракций проявляется позже. Тяжелые фракции нефти малоподвижны и могут создавать устойчивый очаг загрязнения, очищение природной среды от них протекает с трудом. Тяжелые нефти, содержащие значительное количество смол, асфальтенов и тяжелых металлов, оказывают не только токсичное воздействие на организмы, но и значительно изменяют воднофизические свойства почв. Они ухудшают водно-физические свойства почв из-за цементации порового почвенного пространства. Попадание парафиновой нефти в почву ведет к нарушению влагообмена почвы на долгий срок. Они опасны для почвы, так как, имея низкую температуру застывания, они прочно закупоривают поры и каналы почвы, по которым происходит обмен веществ между почвой и сопредельными средами.
В процессе трансформации и перераспределения загрязняющих веществ создаются гидро-атмо-лито-биогеохимические аномалии со сменой сочетаний различных веществ и геохимических обстановок.
Очень токсичны ароматические углеводороды ПАУ, среди которых много канцерогенов. Высокотоксичны метановые углеводороды, особенно нормальные алканы с короткой углеродной цепью, составляющие основу легких фракций нефти. Их летучесть способствует быстрому испарению этих компонентов нефти.
Значительное влияние на вязкость нефти оказывают твердые метановые углеводороды (парафины), содержание которых в нефти может достигать 15—20 %. Твердые парафины плохо разрушаются.
Отрицательное влияние смолисто-асфальтеновых компонентов обусловлено их вязкостью и плотностью, которые ведут к изменению физико-химических свойств почв и иногда — к их цементации. Влиять могут и присутствующие в составе нефти микроэлементы, вызывающие повышение не только их общего содержания в почве, но и содержания подвижных соединений этих элементов (As, Co, Cu, Pb, Hg, Ni, V, Fe, Mn).
Большое значение для почв имеют высокоминерализованные пластовые воды, влияющие на почвообразование. В почвах устанавливается щелочная реакция, изменяющая ход различных процессов, прежде всего гумусообразования. Высокая доля ионов натрия меняет состав обменных катионов, что оказывает влияние на физические свойства почвы, способствует их оглеению. По наблюдениям Н. П. Солнцевой (1998), в северотаежных условиях дерново-подзолистая почва уже через год после нефтяного загрязнения трансформируется в техногенный битуминозный солончак, через 4 года почва классифицируется как битуминозный солончаковатый солонец, через 15 лет — как битуминозный солонец, а через 20 лет — как битуминозный осолодевающий солонец.