CC BY
47
УДК 622.276:504.064:577.12(571.1)
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ, ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ПОЧВЫ В РЕГИОНЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Ю.В. Бочкарева1, С.О. Галанова1, Л.И. Сваровская2, Р.Р. Ахмеджанов1
1 Томский политехнический университет 2Институт химии нефти СО РАН, г. Томск E-mail: arr@tpu.ru
Одной из серьезных проблем при добыче и транспортировке нефти является нефтяное загрязнение почвы. Нефть и нефтепродукты нарушают нативное состояние почвенных покровов и разрушают структуру почвенных биоценозов, вызывают изменение видового разнообразия экосистем. Устранение нефтяных загрязнений почв позволяет значительно улучшить санитарное состояние не только территорий, непосредственно прилегающих к технологическим объектам, но и окружающей среды - воздуха и воды. Объектом исследования явились процессы биодеградации углеводородов нефти в почве. Проведено экспериментальное исследование возможности повышения интенсивности процессов биологического окисления углеводородов нефти, загрязняющих почвы. Исследования были проведены с использованием общепринятых экспериментальных моделей нефтяного загрязнения почв и методов их исследования. Установлено, что в условиях эксперимента внесение стимулирующих подкормок приводит к существенному росту бактериальной почвенной микрофлоры и увеличению ее ферментативной углеводородокисляющей активности по сравнению с контрольными образцами почвы без внесения подкормок.
Ключевые слова:
Нефть, нефтепродукты, углеводороды, почва, биодеградация, очистка, микроорганизмы, бактерии, ферменты, анализ.
Нефтяное загрязнение почвы - одна из серьезных проблем при добыче и транспортировке нефти. Нефть и нефтепродукты нарушают нативное состояние почвенных покровов и разрушают структуру почвенных биоценозов. Устранение загрязнений почв позволяет значительно улучшить санитарное состояние как территорий, непосредственно прилегающих к технологическим объектам, так и окружающей среды - воздуха и воды[1-3]. В настоящее время все большее применение находят технологии рекультивации нефте-загрязненных почв, разработанные с применением углеводородокисляющих микроорганизмов:
- стимуляция естественной нефтеокисляющей микрофлоры путем создания оптимальных условий для ее развития (внесение азотных, фосфорных удобрений, биоактивных добавок, аэрация и т. д.);
- введение в загрязненную экосистему биопрепаратов, содержащих активную угле-водородокисляющую микрофлору.
Бочкарева Юлия Викторовна, магистрант кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Института не-разрушающего контроля ТПУ. E-mail: arr@tpu.ru Область научных интересов: экологический мониторинг окружающей среды, охрана окружающей среды, экоток-сикология.
Галанова Светлана Олеговна, магистрант кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Института не-разрушающего контроля ТПУ. E-mail: arr@tpu.ru Область научных интересов: экологический мониторинг окружающей среды, охрана окружающей среды, экоток-сикология.
Ахмеджанов Рафик Равиль-евич, д-р биол. наук, профессор кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail: arr@tpu.ru Область научных интересов: промышленная токсикология, экологический мониторинг окружающей среды. Сваровская Лидия Ивановна, канд. биол. наук, сотрудник лаборатории коллоидной химии нефти ИХН СО РАН, г. Томск. E-mail:arr@tpu.ru Область научных интересов: микробиологическое воздействие на углеводороды нефти
В представленной работе исследована возможность ускорения процессов биодеградации нефтепродуктов в почве путем внесения подкормок, стимулирующих естественную микрофлору, увеличивающих численность и активность бактерий - деструкторов нефти.
Исследования были проведены с использованием общепринятых экспериментальных моделей нефтяного загрязнения почв и методов их исследования [4-8].
При моделировании экспериментов фактический уровень нефтяного загрязнения почвы составил 8,42 и 5,7 %. При загрязнении 8,42 % процесс биодеструкции проводили в течение 30 и 60 суток без применения питательных субстратов. Увеличение времени контакта микроорганизмов с загрязняющей нефтью положительно влияет на процессы биодеструкции. Через 30 суток биодеградации остаточное содержание нефти в почве понизилось незначительно и составило 7,3 %, через 60 суток - 3,8 %. Уровень загрязнения снизился через 30 суток на 13,3 %, через 60 суток - на 55 % .
При проведении следующего эксперимента уровень загрязнения составил 5,7 %, деструкция - 30 суток. Опыт проводили в двух вариантах: с внесением питательного субстрата и без него. На 30-е сутки биодеградации уровень загрязнения почвы нефтью в опыте без подкормки понизился до 3,76 %, с внесением подкормки - до 3,17 %, концентрация загрязнения почвы понизилось на 34 и 44,4 % соответственно.
Для поддержания роста и развития микроорганизмов в условии высокого загрязнения нефтью в образцы почвы вносили стимулирующую минеральную подкормку: 5%-й раствор композиции ПАВ, содержащей азотистые компоненты в концентрации 4,3 %, фосфаты (К2НР04) - 0,2 %, соли магния (MgSO4) - 0,1 % и 1 мл/л раствора микроэлементов по Хогланду.
В процессе биодеструкции исследовали динамику численности микроорганизмов в образцах почвы. При загрязнении почвы 8,42 % максимальное увеличение численности в опытных емкостях с нефтезагрязненной почвой от 0,023 до 7 млн клет/г отмечено на 11 -е сутки культивирования. В контрольной емкости с чистой почвой максимальная численность микроорганизмов не превышала 4 млн клет/г. Увеличение численности нефтезагрязненной почвы объясняется ростом углеводородокисляющей группы микроорганизмов, утилизирующей нефть в качестве источника энергии и питания (табл. 1, 2).
Таблица 1. Динамика численности микроорганизмов в почве, загрязненной нефтью на 8,42 %
Сутки Численность микроорганизмов, тыс. клет/г
чистая почва (контроль) загрязненная почва (опыт)
1 2,1 2,3
7 16,3 23,7
9 20,4 64,0
11 440,0 408,0
14 2000,0 5120,0
17 4000,0 7000,0
25 2700,0 3900,0
28 116,0 410,0
45 81,0 121,0
49 33,7 45,5
52 4,5 6,6
59 0,9 2,7
Таблица 2. Динамика численности аммонифицирующей группы микроорганизмов в почве, загрязненной нефтью на 5,7 %
Сутки Численность микроорганизмов, млн клет/г
чистая почва (контроль) загрязненная почва (опыт № 1) загрязненная почва (опыт № 2)
0 2 2 2
4 82 165 165
без подкормки подкормка V = 10 мл
7 320 260 8500
9 1600 2500 28000
15 900 700 54400
18 180 270 10000
29 50 92 2560
При загрязнении почвы в концентрации 5,7 % максимальная численность микроорганизмов с внесением подкормки на 15-е сутки культивирования составила 54 400 млн клет/г, в опытной емкости без подкормки - 2500 млн клет/г, в контрольной емкости с чистой почвой -1600 млн клет/г. Таким образом, при загрязнении почвы в концентрации до 5,7 % нефть не угнетает жизнедеятельность микрофлоры, численность которой увеличивается за счет углеводо-родокисляющих микроорганизмов.
Изменения, полученные в результате ИК-спектрометрического и хроматографического анализов, свидетельствуют об ускорении деструктивных процессов при накоплении численности микроорганизмов (табл. 3, 4).
Таблица 3. Спектральные характеристики биодеградированной нефти Вахского месторождения
Спектральный Название Нефть Вахского месторождения
коэффициент коэффициента 1-е 30-е сутки без 30-е сутки с
сутки подкормки подкормкой
С1=016ю/0720 коэффициент ароматичности 0,807 0,798 1,087
коэффициент интенсивности
С2=0750/0720 поглощения полициклических аренов и н-алканов 1,089 1,049 1,337
коэффициент относительной
С3=0720/01380 интенсивности метиленовых (СН2) и метильных (СН3) групп 0,289 0,276 0,220
СНз/СИ2=01380/07 20 коэффициент разветвленности парафиновых структур 3,464 3,623 4,548
(С=0) = Б1710/ 01610 коэффициент интенсивности образования продуктов окисления углеводородов 0,516 0,699 0,710
ИК-спектрометрический анализ показал наличие новых полос поглощения в пробе нефти после биодеградации, однако расчет спектральных коэффициентов подтвердил ингибирую-щее действие высокой концентрации углеводородов на ферментативную активность. По данным табл. 3 видно, что особых изменений не произошло. Новые полосы поглощения с волновым числом 3413 и 1058 см-1 указывают на появление в нефти после биодеградации веществ, имеющих группу ОН- (спирты), и бициклических углеводородов соответственно, что указывает на начальное окисление компонентов нефти.
По результатам хроматографических исследований коэффициент биодеструкции нефти, определяемый по отношению суммы изоалканов (пристан ьС19 + фитан ьС20) к сумме н-алканов (С17 + С18), за 30 суток увеличился, что свидетельствует о протекании процессов биодеградации (табл. 4). Хроматограммы, полученные в результате анализа, представлены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Хроматограмма масляной фракции нефти из почвы на 30-е сутки биодеградации почвенной микрофлорой
Рис. 2. Хроматограмма масляной фракции нефти из почвы на 60 сутки биодеградации почвенной микрофлорой
Таблица 4. Показатели некоторых геохимических биомаркеров деструкции углеводородов
нефти
Коэффициенты 30-е сутки 60-е сутки
^ + №) / ( Сп + С^) 0,747 1,144
Pr / Сп 0,775 1,208
Ph / С18 0,716 1,076
Таким образом, в условиях эксперимента внесение стимулирующих подкормок приводит к существенному росту бактериальной углеводородокисляющей почвенной микрофлоры. Величины спектральных коэффициентов, рассчитанные по данным ИК -спектрометрического анализа биодеградированной нефти, и результаты хроматографического анализа показывают, что увеличение времени биодеструкции до 60 суток положительно влияет на протекание процессов окисления углеводородов нефти в почве. При загрязнении почвы нефтью Вахского месторождения в объеме 5.. .10 % для интенсификации процесса биологического окисления угле-
водородов в почве рекомендуется на 4-е сутки с момента загрязнения вносить стимулирующую минеральную подкормку следующего состава: 5%-й раствор композиции ПАВ, содержащей азотистые компоненты в концентрации 4,3 %, фосфаты (K2HPO4) - 0,2 %, соли магния (MgSO4) - 0,1 % и 1 мл/л раствора микроэлементов по Хогланду.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Моделирование биодеградации нефти в почве микроорганизмами / В.В. Водопьянов, Н.А. Киреева, Т.С. Онегова и др. // Экологическая и промышленная безопасность. - М., 2002. - № 12. - С. 128-130.
2. Булатов В.И. Нефть и экология: научные приоритеты в изучении нефтегазового комплекса: аналит. обзор. - Новосибирск: ГПНТБ СО РАН, 2004. - 155 с.
3. Щеткова Е.А. Мониторинг пахотных почв и сельскохозяйственной продукции в окрестности нефтеперерабатывающих предприятий / Е.А. Щеткова, А.Т. Кайгородов, А.Е. Леснов // Экология и промышленность России. - М., 2010 - № 1. - С. 55-56.
4. Другов Ю.С., Родин А.А. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов: практическое руководство. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 270 с.
5. Другов Ю.С., Родин А.А. Экологическая аналитическая химия. - СПб., 2002. - 464 с.
6. Другов Ю.С. Газохроматографическая идентификация загрязнений воздуха, воды, почвы и биосред: практическое руководство / Ю.С. Другов, И.Г. Зеневич, А.А. Родин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - 752 с.
7. Другов Ю.С. Пробоподготовка в экологическом анализе / Ю.С. Другов, А.А. Родин, В.В. Кашмет. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Лаб-Пресс, 2005. - 756 с.
8. Другов Ю.С., Родин А.А. Мониторинг органических загрязнений природной среды. -СПб.: Наука, 2004. - 808 с.
Поступила 12.01.2014 г.
