CC BY
152
Химия растительного сырья. 2003. №3. С. 69-72
УДК 631.461:622.323:504
БИОДЕГРАДАЦИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ В ПОЧВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕЛИОРАНТОВ НА ОСНОВЕ АКТИВИРОВАННОГО ТОРФА
© Т.И. Бурмистров^ , Т.П. Алексеева1, В.Д. Перфильева1, Н.Н. Терещенко1, Л.Д. Стахина2
1 Сибирский научно-исследовательский институт торфа СО РАСХН,
ул. Гагарина, 3, а/я 1668, Томск, 634050 (Россия) Е-mail:[email protected]
2Институт химии нефти, пр. Академический 3, Томск (Россия)
Исследована эффективность торфяных мелиорантов различных составов, полученных из торфа месторождения «Сингапай», при рекультивации нефтезагрязненных почв Нефтеюганского района ХМАО.
Эффективность торфяных мелиорантов оценивалась степенью деструкции нефтяных углеводородов, а также изменениями, произошедшими внутри группы парафино-нафтеновых углеводородов нефти.
Использование торфяных мелиорантов позволяет в короткие сроки провести рекультивацию нефтезагрязненных почв и вернуть их в хозяйственный оборот.
Введение
Загрязнение природной среды нефтью и сопутствующими загрязнителями - острейшая экологическая проблема во многих регионах России. Химическое загрязнение почвенного покрова происходит практически на всех стадиях технологического процесса нефтедобычи. Негативное воздействие нефтедобычи обусловлено как непосредственной деградацией почвенного покрова на участках разлива нефти, так и воздействием ее компонентов на сопредельные среды, вследствие чего продукты трансформации нефти обнаруживаются в различных объектах биосферы.
Последствия нефтяного загрязнения природной среды определяются совокупностью следующих факторов: количеством и составом загрязняющих веществ, интенсивностью механических повреждений. От совместного действия этих факторов будет зависеть приспособится ли экосистема к новым условиям и начнет восстанавливать свои функциональные звенья или она перейдет от нестабильного состояния к полной деградации.
При попадании нефти и нефтепродуктов в почву происходят глубокие и часто необратимые изменения физических, морфологических, физико-химических, микробиологических свойств, а иногда и существенная перестройка почвенного профиля, что приводит к потере плодородия и отторжению загрязненных территорий из хозяйственного использования. Загрязнение 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 битуминозные вещества значительно ухудшают свойства почвы как питательного субстрата для растений. Кроме того, вследствие гидрофобности нефти, затрудняется поступление влаги к корням растений, что приводит к физиологическим изменениям последних. Углеводороды нефти способны образовывать в процессе трансформации токсичные соединения, обладающие канцерогенными свойствами, характеризующимися стойкостью к микробиологическому
* Автор, с которым следует вести переписку.
расщеплению и способностью переходить в растения, что значительно снижает качество возделываемых культур и создает определенную угрозу для здоровья человека [1,2].
Ограниченность земельных ресурсов ставит неотложную задачу возврата в хозяйственное использование всех видов нарушенных и деградированных почв, в том числе нефтезагрязненных.
К настоящему времени во многих нефтедобывающих районах сложилась неблагоприятная экологическая ситуация, которая ухудшается из-за все учащающихся аварий на нефтепроводах вследствие старения трубопроводов. Районы таких нефтяных месторождений, как Самотлорское, Ромашкинское, Тенгизское, относятся к территориям с необратимым воздействием на окружающую среду [1, 2].
Высокий уровень химического загрязнения почвенного покрова, превышающий предельно допустимые концентрации, и длительность «естественного» самоочищения почв приводят к разработке методов микробиологической деструкции нефти и нефтепродуктов микроорганизмами торфов [3]. Торф вследствие развитой поверхности и наличию углеводородокисляющих микроорганизмов может служить как сорбентом нефтяных компонентов, так и их деструктором. Кроме того, микрофлора торфяников, развивающаяся в условиях полуразрушенной органики, обладает сильной деструктивной активностью и при попадании в среду, содержащую нефть, не требует длительного адаптационного периода. Сорбционная емкость торфа по отношению к нефти зависит от степени разложения и составляет для верховых торфов 8-10, для низинных 6-8 г нефти / 1 г абсолютно сухого вещества торфа (а.с.в.). Численность углеводородокисляющих микроорганизмов в торфах в 4-5 раз превышает аналогичный показатель для почв.
После физико-химической активации торфа количество исследуемых в нем микроорганизмов возрастает в 100 раз и составляет в среднем 5-1010 клеток / 1 г а.с.в. Углеводородокисляющее сообщество торфа весьма разнообразно в видовом отношении, основу его составляют мезофильные бактерии, актиномицеты и проактиномицеты.
Относительно высокая сорбционная емкость торфа по отношению к нефти и наличие углеводородокисляющей микрофлоры позволяет использовать физико-химически активированный торф в качестве перспективного мелиоранта нефтезагрязненных почв [4, 5].
Экспериментальная часть.
В настоящей работе исследована эффективность торфяных мелиорантов различных составов, полученных из торфа месторождения «Сингапай», при рекультивации нефтезагрязненных почв Нефтеюганского района ХМАО.
Производственный опыт по проверке эффективности торфяных мелиорантов был заложен на территории Усть-Балыкского нефтяного месторождения Нефтеюганского района. После внесения торфяного мелиоранта с почвенного горизонта глубиной 5-10 см были отобраны сборные пробы со всех вариантов опыта для анализа исходного содержания нефти в почве. Пробы почвы были также отобраны и по завершении опыта.
Эффективность торфяных мелиорантов оценивалась степенью деструкции нефтяных углеводородов, а также изменениями, произошедшими внутри группы парафино-нафтеновых углеводородов нефти.
Контроль за интегральными изменениями массы нефти при биодеградации и определение выходов фракций в процессе колоночного абсорбционного разделения осуществляли гравиметрическим методом.
Влияние торфяных мелиорантов на биологическую активность нефтезагрязненной почвы оценивалось динамикой численности углеводородокисляющих микроорганизмов.
Количественное определение нефтяных углеводородов проводили двумя методами - весовым и ИК-спектрометрическим. Как видно из результатов, приведенных в таблице 1, сходимость двух методов удовлетворительная. Почва так сильно загрязнена, что для нее трудно подобрать градацию загрязнения, т. к. загрязненность более 10 г нефти/кг почвы считается сильнозагрязненной.
Обсуждение результатов
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что во всех рассматриваемых вариантах за время проведения опыта процессы деструкции нефтяных углеводородов происходили с различной интенсивностью (табл. 1). Как показывают результаты, степень очистки определяется исходным уровнем загрязнения. Чем ниже исходный уровень загрязнения (табл. 1, вар. 4),тем выше степень очистки.
Таблица 1. Изменения, происходящие с нефтью в процессе окислительной деструкции
Вариант опыта Время опыта Содержание нес ггяных УВ, г/кг Степень очистки, % КІ
Весовой метод ИК-р спектометрия
Контроль (нефть) начало опыта 120,0 115,25 4 0,67
спустя 3,5 мес, 115,0 110,3 0,7
1 начало опыта 121,35 93,04 65-62 0,67
спустя 3,5 мес, 45,50 35,56 2,57
2 начало опыта 134,9 143,79 68-74 0,88
спустя 3,5 мес, 43,75 37,68 1,57
3 начало опыта 172,5 117,87 55-48 0,62
спустя 3,5 мес, 77,25 61,20 1,64
4 начало опыта 74,34 55,99 88-89 0,8
спустя 3,5 мес, 8,87 5,97 2,57
Для учета распределения в составе парафино-нафтеновой фракции изопреноидов и н-алканов, использовали углеводородный индекс (к1) - отношение суммы пристана и фитана к сумме н-алканов С18 и С19
к1 - (1 С19 + С20 ) / (п С17 + И С18)
к1 летних образцов (табл. 1, вар. 1-4) указывает на преобладание н-алканов в продуктах загрязнения. В конце летнего сезона к1 возрос в 2-3 раза (табл.1, вар.2-4), что говорит о преимущественном содержании изо-структур. В нефтях, не подвергшихся процессам деструкции, значение углеводородного индекса к1 меньше 1. Для нефти Усть-Балыкского месторождения этот индекс равен 0,54. Возрастание к1 свидетельствует об активизации процесса деструкции нормальных алифатических углеводородов, являющихся наиболее токсичными для почвенной микрофлоры. Для контрольного варианта (табл. 1, вар. 1) без внесения мелиоранта значение рассматриваемого индекса остается практически без изменения.
Результаты микробиологического анализа образцов почвы, загрязненной нефтью показали следующее.
Несмотря на то, что сразу после внесения торфяных мелиорантов общее количество углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) изменилось незначительно, отмечено увеличение в составе микробиоценоза неспорообразующих бактерий, что свидетельствует о снижении токсичности почвы (табл. 2). Исключение составляет вариант 3, где количество нефти исходно было максимальным и углеводородокисляющая микрофлора представлена исключительно спорообразующими бактериями и углеродокисляющими дрожжами - микроорганизмами, способными образовывать покоящиеся формы и поэтому более устойчивыми к неблагоприятным условиям среды обитания.
Таблица 2. Влияние торфяных мелиорантов на численность углеводородокисляющих микроорганизмов в нефтезагрязненной почве, N 106 клеток/ 1 г а.с.в.
Вариант опыта Общая численность Бациллы Бактерии Дрожжи Кокки
Абсолютное значение % от общей численности
Исходное состояние
1 14,9 13,9 0,9 6,2 0 0
2 37,9 36,2 1,7 4,5 0,9 0
4 20,7 19,7 0 0 0,9 0
После внесения мелиоранта
1 17,9 15,7 2,1 12 0 0
2 25,7 23,4 2,3 9 0 0
3 210,5 185,1 0 0 25,3 0
4 45,2 37,8 5,4 12 0,1 1,8
Через 3,5 месяца после внесения мелиоранта
1 1019,5 733,6 285,9 28 0 0
2 217,6 161,0 56,6 26 0 0
3 814,5 692,3 122,2 15 0 0
4 18,0 12,6 5,4 30 0 0
Спустя 3,5 месяца после внесения торфяных мелиорантов во всех исследуемых вариантах, кроме варианта 4, наблюдалось заметное увеличение численности УОМ. Наибольший прирост количества УОМ был отмечен в 1-м варианте опыта. Численность УОМ здесь за 3.5 месяца увеличилась почти в 60 раз. Во 2м варианте опыта количество УОМ также возросло, но в меньшей степени - в 8 раз, несмотря на то, что исходно уровень загрязнения в обоих рассматриваемых вариантах опыта был практически одинаков.
Минимальный прирост численности УОМ (~ в 4 раза) был отмечен в варианте с максимальным исходным уровнем загрязнения нефтью (табл. 2, вар. 3). Однако, в целом общая численность УОМ в данном варианте весьма велика, и если сравнивать ее с численностью УОМ в вариантах 1 и 2, имеющих одинаковый и более низкий уровень загрязнения, то она почти в 4 раза выше, чем в варианте 2 и в 1,2 раза ниже, чем в варианте 1. Несмотря на то, что в варианте 4 численность УОМ спустя 3,5 месяца после его внесения снизилась более, чем в 2 раза, степень очистки почвы от нефтяных углеводородов оказалась самой высокой, что подтверждается данными весового анализа и ИК-спектроскопии (табл.1). Снижение численности УОМ в данном случае можно объяснить снижением содержания углеводородов, доступных для УОМ. Об улучшении водно-воздушного режима и снижении степени токсичности под воздействием торфяного мелиоранта свидетельствует увеличение в составе УОМ доли неспорообразующих бактерий.
Выводы
Таким образом, на основании проведенного микробиологического обследования нефтезагрязненной почвы можно сделать следующие выводы:
- Применение торфяных мелиорантов положительно сказалось на росте численности УОМ в почве, даже при высокой степени ее загрязнения нефтью;
- Применение торфяного мелиоранта обеспечило 60-ти кратное увеличение численности УОМ в случае средней степени загрязнения почвы нефтью и 4-х кратное увеличение - при минимально высокой степени загрязнения.
На основании проведенных исследований мелиоранты на основе активированного торфа показали высокую эффективность реабилитации нефтезагрязненных почв. Степень очистки составила от 55 до 88% в зависимости от исходного уровня загрязнения. При этом на контрольном варианте без внесения торфяного мелиоранта степень очистки почвы составила 4%, содержание нефти практически не изменилось (со 120 г/кг до 115 г/кг).
Глубокие деструктивные изменения под действием торфяных мелиорантов произошли в составе парафино-нафтеновых углеводородов нефти, на что указывает значительное возрастание (в 2-4 раза) углеводородного индекса k указывающего на преимущественное содержание изоструктур.
Использование торфяных мелиорантов, разработанных в Сибирском НИИ торфа, позволяет в короткие сроки провести рекультивацию нефтезагрязненных почв и вернуть их в хозяйственный оборот.
Список литературы
1. Трофимов С.Я. Аммосова Я.М. Орлов Д.С. и др. Влияние нефти на почвенный покров и проблема создания нормативной базы по влиянию нефтезагрязнения на почвы // Вестник Московского университета. Почвоведение. 2000. №2. С. 30-34.
2. Пиковский Ю.Н. Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде. М., 1993. 208 с.
3. Алексеева Т.П., Бурмистрова Т.И., Терещенко Н.Н., Стахина Л.Д., Панова Н.Н. Перспективы использования торфа для очистки нефтезагрязненных почв // Биотехнология. 2000. №1. С. 58-64.
4. Алексеева Т.П., Бурмистрова Т.И., Перфильева В.Д.,Терещенко Н.Н. Рекультивация почв, загрязненных нефтью, с использованием активированного торфа // Тез. докл. Всеросс. НПК «Роль минерально-сырьевой базы Сибири в устойчивом функционировании плодородия почв» Красноярск, 2001. С. 170-172.
5. Патент РФ № 2137559. Способ очистки почвы от загрязнения нефтью и нефтепродуктами // Алексеева Т.П., Терещенко Н.Н., Бурмистрова Т.И., Перфильева В. Д. и др. БИ 1999. №26.
Поступило в редакцию 3 июля 2003 г.
