Нефть и нефтепродукты подвергаются в воздухе, водах, почвах воздействию биотических и абиотических факторов.
Химические процессы превращения нефти и нефтепродуктов включают:
1) окисление молекулярным, атомарным кислородом, озоном, перекисью водорода;
2) фотохимическое разложение под влиянием ультрафиолетого излучения, когда под действием солнечного света происходит полное разложение молекул углеводородов до простых веществ, например СO2, СО, Н2O.
Более активны биотические процессы превращения нефти и нефтепродуктов. При разложении нефти и нефтепродуктов микроорганизмами происходят процессы трансформации углеводородов двух видов. Для первого типа характерны следующие процессы: углеводороды разлагаются до низкомолекулярных органических кислот, которые могут участвовать в природных циклах углерода. При этом происходят следующие превращения: а) биоконцентрирование — усвоение углеродсодержащих веществ непосредственно из окружающей среды, без учета поступления с питанием; б) биоумножение — усвоение этих веществ при питании; в) биоаккумуляция — усвоение по первому и второму типу; г) экологическое обогащение — наращивание концентрации вещества в экосистеме при переходе от более низкого ее уровня к более высокому.
Второй механизм — кометаболизм. В результате процессов окисления, восстановления, гидролиза происходит встраивание ксенобиотиков в макромолекулы органических веществ. Предполагается возможным встраивание продуктов разрушения углеводородов нефти в структуру гумуса и их закрепление. Процессы трансформации зависят от состава углеводородов и строения молекул органических веществ.
Экосистемное значение имеют процессы самоочищения биосферы от нефти и нефтепродуктов. Эти процессы зависят от свойств самой нефти, а также от внешних условий, особенно климатических. Однако во всех условиях снижение содержания нефтепродуктов в почвах происходит по экспоненте: содержание их резко падает в первые сроки (первые два-три месяца), затем темпы снижаются. Уменьшение содержания нефти в почвах вызвано рядом причин: испарением легких фракций, минерализацией нефтепродуктов, физическим выносом с водными потоками, гумификацией (в частности, превращением в нерастворимые продукты микробиологического метаболизма).
В наиболее общем случае выделяют три этапа процесса самоочищения земель от нефтяного загрязнения. Трансформация нефти в почве начинается сразу же после ее поступления в почву. Первый этап длится в среднем 1,5 года. При этом преобладают физико-химические процессы, вымывание и проникновение нефти вглубь, испарение легких фракций, окисление атмосферным кислородом, фотохимическое разложение углеводородов. Идет процесс разрушения метано-нафтеновых фракций, снижение за этот счет количества полициклических ароматических углеводородов и нафтено-ароматической фракции, относительно увеличивается доля смолистых веществ. Концентрация нефти в почве в среднем может снизиться на 40—50 %.
Устойчивость проявляют все ПАУ нефти, в том числе 3,4 бенз(а) пирен, Частично они могут разрушаться в результате фотохимических процессов, протекающих под действием ультрафиолетовых лучей, а также при окислении различными оксидантами.
Микробиологические процессы на этом этапе подавлены из-за сильного токсического действия подвижных компонентов нефти.
Второй этап длится в среднем 3—4 года. Скорость процесса деструкции нефти при этом снижается. На этом этапе возрастает до 25 раз численность микроорганизмов, способных окислять углеводороды. Повышается их активность в процессе разложения нефти. Он сопровождается разрывом С—С связей в углеводородах и разрушением самых токсичных метано-нафтеновых фракций, при этом возрастает относительное содержание наиболее устойчивых соединений.
Третий этап начинается через 4,5—5 лет после разлива. На этой стадии в деструкцию нефти включается широкий набор микроорганизмов различных групп. Начинают разлагаться наиболее устойчивые смолисто-асфальтеновые компоненты. Это наименее токсичные фракции, в целом они исчезают за 10—12 лет. В результате образуются конечные продукты разрушения нефти: оксикериты и гуминокуриты, которые вовлекаются в процессы гумусообразования.
В зависимости от условий соотношение названных процессов разное. Есть результаты наблюдений хода этих процессов в разных природных зонах. Например, почвы сухих субтропиков оказались небогаты легкими фракциями. Содержание их за 3 мес. снизилось больше, чем на 50 %, а за год — на 65 %. Минерализации подверглось не более 27 %. Около 40 % углеводородов осталось на месте в виде нерастворимых продуктов метаболизма. Физического выноса не было.
В гумидной зоне южной тайги за 3 месяца потери углеводородов составили 70 %, за 12 мес. — почти 90 %. Интенсивность процессов испарения и минерализации была невелика в условиях низких температур. В гумификации участвовало не более 20 %. Основная часть нефти оказалась вынесенной водными потоком за пределы опытного участка. Здесь самоочищение кажущееся: нефть не разложилась, а рассеялась, загрязняя воды и почвы сопряженных ландшафтов.