CC BY
280
Рекультивация нефтезагрязнённых почв с помощью
ассоциаций аборигенных микроорганизмов
(на примере Атырауской обл. Республики Казахстан)
А.К. Саданов, д.б.н., профессор, С.А. Айткельдиева, д.б.н., И.Э. Смирнова, д.б.н., Институт микробиологии и вирусологии КН МОН РК
Цель и методика исследований. В настоящее время в Казахстане интенсивно эксплуатируются крупные месторождения нефти в Атырау-
ской, Мангыстауской, Актюбинской, Кызыл-ординской и Чимкентской областях, в этой связи неизбежны разливы нефти и увеличение количества нефтезагрязнённых почв. В результате контаминации почв нефтью и нефтепродуктами происходит не только их загрязнение, но и утрата почвенного плодородия, что приво-
дит к выводу почв из практического использования.
Процесс самовосстановления загрязнённых почв Атырауского региона из-за их особенностей (сильное засоление, низкое содержание гуми-новых веществ) является очень длительным и продолжается более 15—25 лет. Важное место при очистке почв занимает интенсификация микробной деструкции нефтезагрязнённых почв. При этом следует иметь в виду не только естественную активацию аборигенной микрофлоры загрязнённых почв, но и внесение биологических препаратов, содержащих штаммы микроорганизмов, являющихся активными нефтедеструкторами. В последнее время интенсивно разрабатываются и успешно применяются биопрепараты на основе ассоциаций микроорганизмов, в состав которых входят разные группы микробов, но чаще всего бактерии и дрожжевые организмы [1—3]. Однако эффективность биопрепаратов, интроду-цируемых в нефтезагрязнённые почвы, зависит от конкретного региона и бывает, что введение микроорганизмов-нефтедеструкторов не даёт положительного эффекта вследствие антагонизма с аборигенной микрофлорой.
В настоящее время для биоремедиации почв в Казахстане используются в основном малоэффективные препараты импортного производства. Поэтому создание отечественных биопрепаратов на основе аборигенных микроорганизмов является насущной проблемой республики. Данная работа посвящена изучению возможности рекультивации нефтезагрязнённых почв Атырауской области с помощью ассоциаций дрожжей и бактерий, выделенных и соответственно приспособленных к местным почвенным и климатическим условиям, и созданию на их основе активных биопрепаратов для восстановления нефтезагрязнённых почв.
Выделение дрожжевых организмов из почвенных образцов проводили на агаре Ворта и среде Ридер, бактерий — на жидкой минеральной среде Ворошиловой — Диановой. Для культивирования, проведения отбора и оценки нефтеразлагающей активности микроорганизмов и их ассоциаций использовали среду Шкид-ченко — Аринбасарова, содержащую в качестве единственного источника углерода нефть. Культивирование проводили в колбах на 500 мл на качалке (180—200 об/мин) при температуре 28—30°С в течение 10—14 суток. Количественное определение утилизации нефти проводили гравиметрическим методом.
Активность микробных ферментов почвы (каталаза, дегидрогеназа, липаза), а также активность дыхания почв исследовали в динамике, проводя отбор проб почв через 7, 30 и 60 суток после внесения нефти и культур микроорганизмов. Каталазную активность определяли по
общепринятой методике [4] и выражали в мл О2, выделившегося за одну минуту на грамм почвы, липазную активность почвы — по методу Козлова и выражали в мл 0,1 н КОН на 1 г почвы [5], дыхательную активность почвы — весовым методом Изермейера и выражали в г поглощённого СО2 [6]. Статистическую достоверность полученных результатов определяли с использованием коэффициента Стьюдента для доверительной вероятности р<0,05.
Результаты исследований. В лабораторных условиях были поставлены модельные опыты по изучению влияния ассоциаций дрожжей и бактерий на биологическую активность нефтезагрязнённых почв. Длительность экспериментов составляла 60 дней. Для опытов использовали почву — солончак пустынный Атырауской области, количество вносимой нефти составляло 5%. В качестве нефтеутилизирующих микроорганизмов использовали бактериальную ассоциацию П1+К3 и ассоциацию бактерий и дрожжей П1+К3+ФС-4АТ, выделенных из нефтезагрязнённых почв Атырауской области и ранее показавших хорошие результаты.
В вариантах опыта, где в почву одновременно с нефтью были внесены микроорганизмы, отмечали значительную убыль нефти, которая составляла 34—42%, что значительно выше по сравнению с контролем, где убыль нефти в почве составляла только 9,0%. Максимальная утилизация нефти в почве установлена в вариантах опыта с ассоциациями бактерий и дрожжей П1+К3+ФС-4АТ, при этом убыль нефти в почве составляла 42%.
Одним из показателей, реально отражающих экологическое состояние почвы, является ферментативная активность почв, рассматриваемая как совокупность процессов, катализируемых ферментами почвенной биоты. С этой целью в модельных опытах изучали дыхательную активность почв и динамику изменения таких почвенных ферментов, как каталаза, дегидрогеназа, липаза. Активность микробных ферментов почвы, а также активность дыхания почв исследовали в динамике, проводя отбор проб почв через 7, 30 и 60 суток после внесения нефти и культур микроорганизмов. Полученные данные представлены в таблице 1.
Из данных таблицы 1 видно, что исходная почва — солончак пустынный Атырауской области — характеризуется крайне низкой активностью почвенных ферментов. Это объясняется высокой засолённостью данного типа почвы, которая отрицательно сказывается на её ферментативной активности. При внесении в почву нефти в количестве 5% активность дегидрогеназы через 30 суток увеличивается в 2,5 раза, через 60 суток — в 4,0 раза по сравнению с этими же показателями исходной почвы. Установлено,
17C
1. Динамика изменения ферментативной активности почвы в процессе её рекультивации
Металл Статистический показатель Фоновый показатель
М Х X -^-шіп -^-шах а V ш
Естественные (условно-ненарушенные) и природно-техногенные почвы (п = 49)
Си 0,88 0,08-10,88 1,98 4,04 3,81 0,53
7п 6,22 0,36-40,0 10,02 20,45 9,78 1,58
Со 0,51 0,09-4,71 0,86 1,76 1,53 0,05
Мп 29,89 0,77-84,30 21,90 44,69 5,58 0,12
N1 11,58 0,34-149,9 32,33 65,98 16,99 1,77
РЬ 2,38 0,01-10,23 2,75 5,61 2,76 2,56
са 0,21 0,02-1,19 0,23 0,47 1,31 0,21
Сг 0,88 0,10-2,46 0,92 1,88 1,43 1,79
Антропогенно-глубокопреобразованные почвы (урбанозёмы, урботехнозёмы) (п = 17)
Си 9,43 0,12-84,0 5,49 58,22 1,33 0,53
7п 8,95 0,36-50,02 3,20 35,76 0,78 1,58
Со 0,35 0,10-1,22 0,09 25,93 0,02 0,05
Мп 102,68 12,81-325,60 31,13 30,72 7,55 0,12
N1 3,65 0,88-10,01 0,69 19,06 0,17 1,77
РЬ 2,07 0,06-4,15 0,31 14,89 0,07 2,56
са 0,11 0,03-0,20 0,02 14,61 0,004 0,21
Сг 0,52 0,09-1,59 0,08 15,74 0,10 1,79
2. Динамика изменения активности дыхания нефтезагрязнённой почвы в процессе её рекультивации
Вариант опыта Дыхательная активность почвы
дата отбора проб
28.06.10 12.07.10 26.07.10 12.08.10 26.08.10
Контроль (почва) Контроль 1 (почва +нефть) Ассоциация П1+К3 Ассоциация П1+К3+ФС-4АТ 0,12 0,13±0,01 0,14±0,01 0,13±0,01 0,13 0,13±0,01 0,17±0,01 0,18±0,02 0,11 0,17±0,01 0,16±0,01 0,17±0,01 0,09 0,16±0,01 0,16±0,01 0,17±0,01 0,11 0,15±0,01 0,20±0,02 0,18±0,02
что активность каталазы несколько повышается с течением времени, а активность липазы практически не меняется. Эти данные хорошо коррелируют с увеличением численности гетеротрофных и олиготрофных бактерий, которые являются одними из основных физиологических групп микроорганизмов, отвечающих за биологическую активность почв.
При проведении биоремедиации нефтеза-грязнённых почв с использованием ассоциаций микроорганизмов установлено, что активность почвенных ферментов значительно возрастает по сравнению с их уровнем как в исходной, так и в нефтезагрязнённой почве. Однако отмечено некоторое снижение активности микробных ферментов почвы во всех вариантах опытов после 30 суток биоремедиации, что, видимо, связано с тем, что микроорганизмы к этому времени утилизируют лёгкие фракции нефти и их ферментная система перестраивается для усвоения трудноутилизируемых фракций. После 60 суток биоремедиации максимальное повышение активности микробных ферментов почвы отмечали в варианте с использованием ассоциации, состоящей из бактерий и дрожжей (П1+К3+ФС-4АТ), при этом активность дегидрогеназы превышала в 1,7 раза, каталазы в 1,2 раза, а липазы в 1,3 раза аналогичные показатели нефтезагрязнённой почвы.
Важным показателем жизнедеятельности микроорганизмов почвы является почвенное дыхание — показатель не только биохимических и биологических процессов, но и плодородия почвы в целом. В связи с этим изучали влияние ассоциаций микроорганизмов на активность дыхания в нефтезагрязнённых почвах в течение двух месяцев, отбор проб проводили еженедельно. Дыхательную активность почвы выражали в г поглощённого диоксида углерода. Полученные данные представлены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, почва — солончак пустынный Атырауской области — характеризовалась низким уровнем активности дыхания, что указывает на нахождение микроорганизмов в физиологически неактивном состоянии. Внесение нефти в количестве 5% несколько активизировало её дыхательную активность. В то же время применение ассоциаций нефтеокисляющих микроорганизмов приводило к увеличению активности дыхания почвы в 1,6—1,8 раза по сравнению с исходной почвой и в 1,2—1,3 раза по сравнению с нефтезагрязнённой почвой.
Выводы. Рекомендации. Показано, что внесение в нефтезагрязнённую почву микроорганизмов приводит к снижению содержания нефти в почве на 34—42%. Максимальная утилизация нефти в почве (42%) установлена в вариантах
опыта с ассоциацией нефтеокисляющих бактерий и дрожжей П1+КЗ+ФС-4АТ.
Отмечено, что применение микроорганизмов для рекультивации почв существенно активизирует ферментативную активность нефтезагряз-нённыхпочв, при этом значительно повышается её дегидрогеназная и каталазная активность.
Установлено, что почва — солончак пустынный Атырауской области — характеризуется низким уровнем активности дыхания. Внесение в почву ассоциаций нефтеокисляющих микроорганизмов приводит к интенсификации дыхания почвы в 1,6—1,8 раза по сравнению с исходной почвой и в 1,2—1,3 раза — по сравнению с нефтезагрязнённой почвой.
Таким образом, на основе ассоциаций дрожжей и бактерий, выделенных и приспособленных к местным почвенным и климатическим услови-
ям, возможно создание активных биопрепаратов для рекультивации нефтезагрязнённых почв Атырауской области, которые можно рекомендовать для практического применения.
Литература
1. Патент РФ № 2384616. Консорциум штаммов микроорганизмов для очистки окружающей среды от углеводородов. Опубл. 23.03.2010, бюл. № 8.
2. Hung-Soo Joo et al. Bioremediation of oil-contaminated soil using Candida catenulata and food waste // Environmental Pollution. 2008. V. 156. Iss. 3. P. 891-896.
3. Патент РФ № 2272071. Штаммы микроорганизмов-деструкторов Saccharomyces sp. Y-979и Pseudomonas sp. В-980, используемые для биоремедиации нефтезагрязнённых объектов окружающей среды, и ассоциация на их основе. Опубл. 20.03.2006 , бюл. № 8.
4. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: МГУ. 1991. 304 с.
5. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. М.: Наука. 1976. 180 с.
6. Isermeyer H. Eine einfache methode fur Bestimmung fer Bodenatmung und der Carbonate ini Boden // Z. Pflanzenernahr. Bodenk. 1952. Bd. 65. S. 26-38.
