CC BY
147
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.OG-CHEMISTRY.RU
защита экосистем и утилизация промышленны;
отходов
УДК 631.41
Биологическая утилизация тяжелых металлов
Э.Р. БАБАЕВ, к.х.н., научный сотрудник
В.М. ФАРЗАЛИЕВ, д.х.н., проф., академик Национальной академии наук Азербайджана
П.Ш. МАМЕДОВА, д.х.н., проф
Институт химии присадок им. акад. А.М. Кулиева НАН Азербайджана (Азербайджанская Республика, AZ 1029, г.Баку, Беюкшорское шоссе, квартал 2062 ). E-mail: [email protected]
Э.М. МОВСУМЗАДЕ, д.х.н., проф., чл.-корр. Российской академии образования ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1) E-mail: [email protected]
Описана схема фитоэкстракции тяжелых металлов из нефтезагрязненных почв Апше-ронского полуострова. Был осуществлен подбор дикорастущих растений, устойчивых к воздействию нефти и способных аккумулировать широкий спектр металлов. В работе представлены данные по исследованию микробного сообщества прикорневой зоны растений.
Ключевые слова: фиторемедиация, тяжелые металлы, микробное сообщество, разложение нефтяных углеводородов.
Эксплуатация существующих месторождений нефти, а также проводимые работы по освоению новых запасов привели к загрязнению окружающей среды нефтепродуктами, особенно полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), что, как правило, сопровождается и присутствием тяжелых металлов (ТМ), таких как Аэ, Сс1, Сг, Си, Нд, Мо, N1, РЬ, V, Zn. В отличие от ароматических загрязнителей последние не подвергаются процессам разложения, а лишь перераспределяются между отдельными компонентами окружающей природной среды. В природоохранной практике существуют различные методы очистки и детоксикации загрязненных почв у грунтов. К наиболее успешным технологиям биоремедиации загрязненных почв относятся те, в которых используются микроорганизмы, в естественных условиях присутствующие в загрязненной среде [1]. Для очистки окружающей среды от тяжелых металлов предлагается использовать и растения. Эта технология - фи-торемедиация основана на том, что многие виды растений, устойчивые к воздействию загрязнителей, способны накапливать тяжелые металлы, причем их содержание в тканях и органах растений может во много раз превышать содержание в окружающей среде. Одновременно с иден-
тификацией участка, загрязненного тяжелыми металлами, целесообразно осуществлять поиск на местности эффективных растений - аккумуляторов металлов, характерных для данных почвенно-климатических условий и типа загрязнения как потенциальных средств для очистки почв. Растения, которые используются для извлечения тяжелых металлов из загрязненных почв, должны отвечать ряду требований: быть толерантными к высоким концентрациям металлов, способными поглощать и аккумулировать несколько металлов одновременно в высоких концентрациях, эффективно их транспортировать из корневой системы в надземную часть, производить большую биомассу, иметь глубоко разрастающуюся корневую систему. Ускорить процессы деградации загрязнений в почве можно не только путем посева специально подобранных растений, но и созданием условий их потенциального роста и повышения метаболической активности их ризос-ферного микробиоценоза.
Целью настоящей работы была разработка метода очистки и детоксика-ции загрязненных нефтью и тяжелыми металлами почв с использованием углеводородокисляющих микроорганизмов в ассоциации с растениями, способными аккумулировать ионы металла.
Экспериментальная часть
В работе представлены данные по изучению различных видов дикорастущих (полынь - Artemisia) и триостренник приморский - Juncaginaceae) растений в условиях нефтяного загрязнения.
На начальном этапе исследования осуществлялась идентификация не-фтезагрязненного участка путем отбора почвенных проб для анализа на содержание нефтезагрязнений и тяжелых металлов. На местности проводился поиск эффективных растений, способных аккумулировать металлы, характерных для данных по-чвенно-климатических условий и типа загрязнения с целью дальнейшего использования их для очистки почв. Образцы нефтезагрязненных почв были отобраны с прикорневой сферы (ризосферы) растений, типичных для территорий нефтепромыслового района Бузовны Апшеронского полуострова. В качестве контроля использовали образцы не загрязненных нефтью почв с территории того же района.
В образцах были проведены некоторые физико-химические и микробиологические анализы. Содержание нефтепродуктов в почвах определяли весовым методом после экстракции углеводородов из навески почвы горячим гексаном или хлористым метиленом в аппарате Сокслета [2].
Концентрации тяжелых металлов определяли методом EPA 6020 Анаприборе Agilent Technologies 7500 SeriesICP-MS (Serial# JP 82802622).
Численность гетеротрофных микроорганизмов в почве определяли методом 10-кратных разведений почвенной суспензии [3] с последующим высевом на поверхность агаризован-ных сред: мясопептонный агар (МПА) для бактерий и сусло-агар (СА) для грибов и дрожжей при температуре 28-30 °С. Колонии бактерий подсчитывали через 3 дня, грибов и дрожжей через 5 дней, споровые - на 4-5-й день, актиномицеты - на 7-10-й день. Численность углеводородокисляю-щих микроорганизмов определяли 10-кратным разведением в жидкой среде Раймонда с 1% нефти в качестве источника углерода [4]. Культивирование микроорганизмов проводили
-о1
защита экосистем и утилизация промышленных отходов
в колбах Эрленмейера, содержащих 100 мл жидкой питательной среды, на круговой качалке (180 об/мин) при 24 °С в течение 10 суток.
Результаты и их обсуждение
На начальном этапе проведения процесса фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв проводили исследование загрязненного участка путем отбора почвенных проб для анализа на содержание тяжелых металлов и нефтезагрязнений. Одновременно с идентификацией загрязненного участка считали целесообразным осуществлять поиск на местности эффективных растений -аккумуляторов металлов, характерных для данных почвенно-климатических условий и типа загрязнения.
Известно, что в естественных условиях происходят процессы, вовлеченные в фиторемедиацию. Нами исследованы способности некоторых дикорастущих растений аккумулировать тяжелые металлы, имеющиеся в исследуемых почвах
Объектом исследований были образцы нефтезагрязненных почв с различным содержанием нефтепродуктов, отобранных с поверхностных и прикорневых сфер (ризосфер) растений (Artemisia, Juncaginaceae), типичных для территорий нефтепромыслового района Бузовны и устойчивых к воздействию нефтезагряз-нений. Интерес к этим растениям был обусловлен их способностью к произрастанию в загрязненных условиях исследуемой территории. Эти растения, в частности Juncaginaceae, характеризуются сильной корневой системой, могут выдержать затопленные почвы (табл. 1). В качестве контроля использованы образцы незагрязненных почв с территории того же района.
Среди биологических показателей особый интерес представляет численность микроорганизмов, в частности углеводородокисляющих и обитающих в ризосфере растений. Растения влияют на численность, разнообразие и активность микроорганизмов за счет биологически активных корневых выделений [5]. В ризосфере часто активно развиваются микроорганизмы, обладающие ферментами, необходимыми для деструкции поллютантов. Для выделения из почв и учета групп микроорганизмов применялись специальные методы и питательные среды. Они различаются в зависимости от биохимических особенностей выделенных микроорганизмов.
Таблица 1
Характеристика образцов почв
Образцы нефтезагрязненных почв
чистая
Характеристика вариант 1 вариант 2 почва
образцов почв (контроль)
Прикорневая Поверхност- Прикорневая Поверхност-
зона ный слой зона ный слой
Содержание нефти, % 6,3 7,2 10,2 12,2 -
Влажность:
полевая; 15,6 18,3 19,6 21,0 22,0
гигроскопическая 1,8 2,0 2,1 2,2 1,8
pH_775_76_77_8Д_7,2
Таблица 2
Количественный учет микроорганизмов в исследуемых почвах
Концентрация микроорганизмов в 1 г абсолютно сухой почвы (кл/г)
Физиологическая группа микроорганизмов поверхностный слой нефте-загрязненной почвы ризоидная сфера под Artemisia ризоидная сфера под Juncaginaceae чистая почва
Бактерии 15 106 32 107 98 107 18 107
Грибы 13 103 12 104 36 103 12 102
Дрожжи 37 102 98 103 62 102 74 103
Актиномицеты 13 103 13 104 27 104 34 104
Споровые 14 103 52 104 38 103 62 102
Углеводород- 11104 54 104 53 105 49 103
окисляющие
Аэробные азотофиксирующие 465 201 20 102 6 102
Анаэробные азотофиксирующие 700 421 9 102 290
Аэробные целлю- 16 102 60102 43 102 15 102
лозоразрушающие
Анаэробные целлю- 312 39 102 2 102 22 102
лозоразрушающие
Нитрифицирующие 9 102 50 102 13 104 11102
Денитрифицирующие 17 102 52 102 19 104 4 102
Влажность, % 18 15,6 17 22
Количество нефти, % 7,2 6,3 6,3
Полученные результаты микробиологических исследований приведены в табл. 2, откуда можно сделать вывод, что в исследуемых почвах количество бактерий значительно превышает количество грибов и дрожжей. Количество углеводоро-докисляющих микроорганизмов в нефтезагрязненных образцах почв больше, чем в контроле, что объясняется наличием органического питания в среде.
Из табл. 2 следует, что число аэробных азотфиксирующих бактерий в не-фтезагрязненной почве меньше, чем в контрольной. Количество анаэробных
азотфиксаторов в загрязненной почве больше, чем в контрольной. Целлюло-зоразлагающие бактерии лучше развиваются в почве прикорневой зоны. В целом из анализа полученных данных следует, что количество микроорганизмов в ризосфере больше, чем в остальной части почвы. Это, возможно, связано с тем, что в выделениях корней имеются органические соединения, обладающие большой физиологической активностью: витамины, ростовые вещества, гормоны и т.д., играющие большую роль во взаимоотношениях растений с микроорганизмами.
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.OG-CHEMISTRY.RU защита экосистем и утилизация промышленных отходов
*о-
Таблица 3
Содержание тяжелых металлов
Элемент, г/кг Сырая нефть (Бузовны) Нефтеза-грязненная почва, 7,2% Нефтезагрязненная почва под дикорастущим Juncaginaceae Чистая почва В растениях Juncaginaceae
Cr 0,0006 0,0294 0,0153 0,0501 0,0042
Mn 0 0,8101 0,5325 0,6907 0,01514
Fe 0,0510 18,17 3,0396 24,9 2,0323
Oo 0,0016 0,0075 0,0063 0,0098 0,0008
Ni 0,0172 0,0194 0,0186 0,0182 0
Ou 0 0,0234 0,0215 0,0203 0,0195
Zn 0 0,0945 0,0642 0,3016 0
As 0,0005 0,0120 0,0014 0,0090 0,0037
Cd 0 0,0002 0,0001 0,0002 0,0001
Ba 0,0027 0,2652 0,1290 0,2175 0,4015
Pb 0 0,0137 0,0117 0,0133 0,007
Hq 0,0009 0,0005 0,0042 0,0007 0,0015
Нами изучена способность некоторых дикорастущих растений аккумулировать тяжелые металлы, находящиеся в исследуемых нефтезагрязненных почвах (табл. 3).
Об эффективности фитоэкстракции судят по количеству тяжелых металлов, удаленных из загрязненных участков. Из данных табл. 3 следует, что выбранные из территории исследуемого месторождения дикорастущие растения толерантны к нефтезагрязнениям и способны аккумулировать имеющиеся в нефтезагрязненных почвах тяжелые металлы.
Полученные данные свидетельствуют о том, что эти растения могут применяться для восстановления нефте-загрязненных почв.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Исследование физико-химических и микробиологических характеристик образцов нефтезагрязненных почв Апшеронского нефтеносного района // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья: Науч.-информ. сб. - М., 2011. № 1. С. 31-33.
2. Современные методы исследования нефтей (Справ.-метод. пособ.) // Под ред. А.И. Богомолова и др. - М.: Недра, 1984. 431 с.
3. Методы почвенной микробиологии и биохимии // Под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: МГУ, 1980. 224 с.
4. Raymond R.L. // Developments inlndustrial Microbiology, 1961, v. 2, pp. 23-32.
5. Jones R., Sun W., Tang C.S., Robert F.M. Phytoremediation of petroleum hydrocarbons in tropical coostal soins. Microbial response to plant roots and contaminant // Environ, Sci. Pollut, Res., 2004, v. 11, pp. 340-346.
BIOLOGICAL UTILIZATION OF HEAVY METALS
Babayev E. R., Cand. (Chem.)
Farzaliyev V.M., Active Member of Azerbaijan National Academy of Sciences, Dr. Sci. (Chem.), Prof. Mamedova. P.Sh., Dr. Sci. (Chem.), Prof.
Institute of Chemistry of Additives after Academician A.M. Guliyev (Azerbaijan Republic, AZ1029, Baku, Beyukshor Highway, Block 2062 ). Email: [email protected]
Movsumzadeh E.M., Corresponding Member Russian Academy of education, Dr. Sci. (Chem.), Prof.
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Russia). E-mail: [email protected]
ABSTRACT
A problem of pollution of the main components of environment with oil products being accompanied by such pollutants as polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals is one of the principal tasks of applied ecology.
There has been described a scheme of phytoextraction of heavy metals from contaminated soils of Absheron Peninsula. Selection of wild plants which are resistant to oil and can accumulate a wide range of metals has been realized. The paper also presents data on the study of microbial community of root zone of plants.
Keywords: phytoremediation, heavy metals, microbal community, degradation of oil hydrocarbons.
