Научная статья на тему 'Детоксикация нефтешлама с использованием целлюлозосодержащих субстратов'

Детоксикация нефтешлама с использованием целлюлозосодержащих субстратов Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

CC BY
341
94
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БИОРЕМЕДИАЦИЯ / НЕФТЕШЛАМ / ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИЙ СУБСТРАТ / МИКРОБИОТА / ЛИПОЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ / ТЕСТ-ОБЪЕКТЫ / BIOREMEDIATION / OIL-SLIME / CELLULOSE CONTAINING SUBSTRATES / MICROBIOTA / LIPOLYTIC ENZYMES / TEST OBJECTS

Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Киреева Н. А., Кабиров Т. Р., Григориади А. С., Онегова Т. С.

Отходы целлюлозно-бумажного производства могут быть использованы для биоремедиации почв, загрязненных нефтешламом. В статье показано, что применение композиции целлюлозосодержащих субстратов способствует увеличению численности углеводородокисляющих и сапротрофных микроорганизмов, а также стабилизации показателей ферментативной активности и снижению фитои зоотоксичности загрязненных почв.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Киреева Н. А., Кабиров Т. Р., Григориади А. С., Онегова Т. С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Usage of cellulose containing substrates for the detoxication of oil-slime

Wastes of paper industry could be used for the bioremediation of soils polluted with oil-slime. Usage of cellulose based substrates has shown to promote the increasing of the number of hydrocarbon oxidizing microorganisms and saprotrophs and also to stabilize indices of enzymatic activity and decreasing the phytoand zoo-toxity of polluted soils.

Текст научной работы на тему «Детоксикация нефтешлама с использованием целлюлозосодержащих субстратов»

УДК 502.6:631.6:576.8

ДЕТОКСИКАЦИЯ НЕФТЕШЛАМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ СУБСТРАТОВ

© Н. А. Киреева *, Т. Р. Кабиров, А. С. Григориади, Т. С. Онегова

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, 450074, ул. Фрунзе, 32.

Тел./факс: +7 (347) 273 6712.

E-mail: vodop@yandex.ru

Отходы целлюлозно-бумажного производства могут быть использованы для биоремедиации почв, загрязненных нефтешламом. В статье показано, что применение композиции целлюлозосодержащих субстратов способствует увеличению численности углеводородокисляющих и сапротрофных микроорганизмов, а также стабилизации показателей ферментативной активности и снижению фито- и зоотоксичности загрязненных почв.

Ключевые слова: биоремедиация, нефтешлам, целлюлозосодержащий субстрат, микробиота, липолитическая активность, тест-объекты.

Наиболее типичными антропогенными факторами загрязнения окружающей среды в настоящее время остаются нефть и продукты ее переработки. В последнее время появилось большое количество публикаций, посвященных разработке средств очистки природных объектов от нефтяных углеводородов, однако необходимо помнить, что нефть каждого региона имеет характерный состав и в каждой климатической зоне ведет себя по-разному.

Многие современные биопрепараты, используемые для биологической очистки (биоремедиации) нефтесодержащих природных объектов, многокомпонентны по составу. Литературные данные свидетельствуют о том, что ассоциации микроорганизмов способны полнее и быстрее разлагать углеводородные субстраты по сравнению с индивидуальными штаммами [1]. Иммобилизация биологических препаратов на носителях позволяет ещё больше увеличить эффективность и сократить время очистки. Кроме того, по мере накопления опыта рекультивации загрязнённых почв и водных объектов становится очевидным, что необходимо проведение дополнительных мероприятий, обеспечивающих благоприятные условия для развития углеводородокисляю-щей микробиоты. В частности, к таким мероприятиям относят внесение структураторов для снижения плотности грунта и улучшения аэрации. Наиболее распространенным структуратором являются древесные опилки, которые значительно усиливают аэрацию, служат субстратом для иммобилизированных микроорганизмов, что повышает их активность [2]. Все выше перечисленное делает современные технологии ремедиации нефтезагрязненных объектов дорогими, трудоёмкими, уменьшает их привлекательность для нефтедобывающих предприятий. Более того, внедрение сложных технологий невозможно на многих месторождениях Сибири из-за их удаленности и трудной доступности в течение большей части года. Поэтому поиск приемов, позволяющих упростить процесс рекультивации нефтезагрязненных природных объектов без потери его качеств, является актуальным. Одним из таких приёмов может стать использование отходов целлю-

лозно-бумажного комбината, представляющего собой естественную иммобилизованную микробную ассоциацию и все необходимые для обеспечения её жизнедеятельности компоненты.

В данной работе приводятся результаты исследований по изучению ускорения разложения нефти в шламах целлюлозосодержащими отходами, использующимися в качестве грунта.

Условия эксперимента

Биоремедиационные работы проводили в лабораторных и микрополевых условиях. Нефтесодержащие отходы, образующиеся при добыче, транспортировке и переработке нефти и не нашедшие рентабельной технологии их использования носят общее название нефтешламы. Был использован неф-тешлам из шламонакопителя с содержанием остаточных нефтепродуктов на момент взятия проб 22.72 г/100г. Возраст шлама 2 года. Образующие компоненты: нефть товарная (плотность 882-888 кг/м3, парафины 2.4-8.8% вес, смолы 30.5% вес, асфальте-ны 6.6% вес и сера 2.73%), пластовые воды, почва (собранная с разных мест разливов). Нефтешламом заполняли вегетационные сосуды (20г на 1 кг неф-тешлама) и вносили смесь целлюлозоразрушающих субстратов для ускорения разложения нефти. Вегетационные сосуды помещали в термостат (25 °С, влажность 60% от полной влагоемкости) и инкубировали в течение 360 сут. Образцы для анализов отбирали через 30, 60, 90, 180 и 360 сут.

Для ускорения биодеградации нефти в сосуды добавляли композицию целлюлозосодержащих субстратов (КЦС) из расчета 10 г на 1 кг почвы, что соответствует 20 т/га (по содержанию азота). Она состояла из смеси активного ила целлюлознобумажных производств (белвитамил) и углеводноминеральной добавки (УМД) в соотношении 1:1, используемых в настоящее время для повышения нефтеотдачи пластов.

В наших исследованиях [3] показано, что сухой активный ил целлюлозно-бумажного производства (Белвитамил) способствует ускорению очищения почв и водоемов от нефти. Это порошок коричнево-

* автор, ответственный за переписку

го цвета с зольностью 10.2%, влажностью 7.12%, содержащий 30-50% сырого протеина, витамины, микроэлементы, целлюлозное волокно, низкомолекулярный лигнин. В его составе обнаружены различные микроорганизмы (КОЕ/г): сапротрофы (на МПА) - 103, целлюлозоразрушающие - 102, дрожжи и микромицеты - 103. Он обладает ферментативной активностью.

УМД образуется при производстве целлюлозы из древесины сульфитным способом. Исходный сульфитный щелок после соответствующей подготовки используют как сахаросодержащий субстрат для получения белковых кормовых дрожжей на биохимических заводах, а также жидкий корм [4]. Она представляет собой однородную густую жидкость коричневого цвета, имеет плотность 1.25 г/см3, слабо кислую реакцию (рН 4.6-5.0), вязкость не более 70100 сек. Основными компонентами этой добавки являются моносахариды (28-32%), органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная), макро- и микроэлементы. Лабораторные исследования показывают, что внесение УМД в почву вызывает под-кисление среды. Поэтому для создания нейтрального значения рН - оптимального для роста большинства микроорганизмов - в образцы для нейтрализации кислых нефтезагрязненных почв вносили известь.

Аналогичным образом проводились микропо-левые опыты на участках размером 1.3x1.3 м на местах разливов нефти и на специальном участке с использованием нефтешлама с обваловки скважины. Оценку эффективности КЦС как сорбента нефти проводили по способу, рассмотренному в работе [5]. В образцах нефтешлама определяли содержание остаточных нефтепродуктов горячей экстракцией метиленхлоридом [6]. Численность различных физиологических групп микроорганизмов определяли методом посева почвенной суспензии на соответствующие плотные питательные среды [7]. Проводилось исследование активности ферментов [7]. Степень биодеградации n-алканов оценивали по данным ГЖХ, которая проводилась на хроматографе фирмы "Perkin Elmer" Sigma-4 [8]. Степень токсичности остаточных нефтепродуктов определяли при помощи биотестов на проростках тест-растений (фитотоксичность) [7] и по выживаемости ногохвосток (зоотоксичность) [10].

Статистическая обработка полученных результатов проведена с применением пакета прикладных программ Statistica 4.5

Результаты и обсуждение

Как Белвитамил, так и УМД, входящие в состав КЦС, могут образовывать хлопьевидные структуры размером 3-1000 мкм. При внесении в сосуды с нефтесодержащим субстратом они становятся хорошим разрыхлителем, способствующим улучшению газовоздушного режима почвы.

Микробиологический анализ КЦС показал наличие в нем углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), представленных, в основном, родами

Pseudomonas, Bacillus, Arthrobacter, Desulfovibrio, Candida (всего 10 видов).

Изучение изменения вязкости нефти под действием микроорганизмов, входящих в состав КЦС, показало, что она снизилась за 5 суток на 30%. Это является положительным моментом, т. к. при попадании нефти в почву её вязкость увеличивается, и нарушаются газообмениые процессы. Кроме того, изучение сорбционных свойств КЦС показало, что он обладает определенной нефтеёмкостью (8г/г при 20°С) и поглощающей способностью (9кг/кг), вероятно, за счёт наличия высокомолекулярных биополимеров (целлюлоза, лигнин).

В ходе лабораторных экспериментов было проведено наблюдение за изменением содержания остаточных нефтепродуктов в нефтешламе. При компостировании углеводородсодержащих объектов с КЦС на 30 сутки в нефтешламе произошло незначительное снижение содержания поллютанта, связанное с аэрацией субстрата при постановке опыта. При компостировании нефтешлама с КЦС убыль остаточных нефтепродуктов составила 22%. Чем больше срок инкубации с КЦС, тем меньше содержание остаточных нефтепродуктов в углеводородсодержащих объектах (рис. 1).

Поскольку в нефтешламе содержание остаточных нефтепродуктов при обработке КЦС снизилось более чем наполовину, но сохранилось в значительных количествах, нами было произведено дополнительное внесение целлюлозосодержащего субстрата в том же количестве. Повторная обработка способствовала значительному снижению остаточных нефтепродуктов и к концу эксперимента составила 92%. Данные ГЖХ свидетельствуют о способности микроорганизмов, входящих в состав КЦС, деградировать n-алканы при репрессированной нефтью естественной микробиоте почвы.

В качестве информативного показателя деградации алифатических структур используют так называемый коэффициент биодеградации, представляющий отношение суммы пристана и фитана к сумме n-гептана и n-октадекана. Возрастание этого показателя свидетельствует о снижении доли n-алканов в составе остаточной нефти. В образцах почвы с КЦС коэффициент биодеградации составляет 0.87 против контроля 0.66, что свидетельствует о повышенном использовании микроорганизмами n-алканов.

Численность некоторых физиологических групп микроорганизмов в шламе при внесении КЦС приведена в табл. 1. Через 30 дней после постановки опыта наблюдалось значительное увеличение численности всех изучаемых физиологических групп микроорганизмов, за исключением микроскопических грибов. Это происходит за счет внесения комплекса микроорганизмов самих целлюлозосодержащих и питательных субстратов, изменяющих свойства нефти, а значит, и состояние нефтешлама.

время икубации, суг

Рис. 1. Содержание остаточных нефтепродуктов в шламе без обработки и при внесении КЦС.

Таблица 1

Численность некоторых физиологических групп микроорганизмов при внесении в нефтезагрязненный шлам КЦС (КОЕ/г абс. сух. почвы)

№ | Бактерии на МПА | Микроскопические грибы | Целлюлозоразрушающие | УОМ | Дентирифицирующие

30 суток

1 (4.8±0.2)*106 2 (9.1±0.5)*106 (8.2±0.4)*104 не обн. (1.2±0.5)*105 (8.5±0.4)*103 (1.0±0.05)*106 (2.0±0.1)*106 (1.4±0.07)*105 (2.2±0.1)*106

| 90 суток |

1 (3.6±0.2)*106 2 (1.2±0.1)*107 (9.5±0.5)*104 не обн. (1.5±0.1)*105 (1.2±0.05)*104 (1.2±0.05)*106 (2.8±0.1)*106 (1.7±0.08)*106 (2.8±0.1)*106

Примечание: приняты следующие условные обозначения: 1 - шлам, 2 - шлам + КЦС

В нефтешламе отсутствуют целлюлозоразрушающие микроорганизмы. Внесение КЦС для очистки шлама способствует активизации целлюлозоли-тических процессов в этом субстрате и ускоряет де-градационные процессы. Численность микроорганизмов других физиологических групп достаточно велика. Среди них отмечены медленнорастущие формы, выявляемые через 5-7 дополнительных суток роста, что, вероятно, связано с особенностью физико-химических условий нефтешлама. Компостирование нефтешлама с КЦМ способствует активизации микробиологических процессов. Так, например, содержание в нем остаточных нефтепродуктов снижается в первую очередь за счет увеличения численности УОМ и усиления их физиологической активности. Очевидно, при внесении КЦС усиливается аэрация в нефтешламе, происходит мобилизация питательных веществ (за счет деятельности де-нитрификаторов, аммонификаторов и др.) и ускоряются процессы биодеградации углеводородов.

Активность почвенной липазы в последнее время используется для мониторинга биодеградации

углеводородов в почве [9]. Нефтешлам исходно обладал низкой липолитической активностью (0.4 мл КОН/г почвы) и компостирование его КЦС способствовало интенсивному липолизу. К концу эксперимента этот показатель был высоким (8.2 мл КОН/г почвы), что свидетельствует о накоплении в шламе продуктов деградации углеводородов.

Для отслеживания прогресса в биоремедиации оценивалась степень токсичности остаточных нефтепродуктов на фито- и зоокомпоненты агроэкосистемы. Тестирование нефтешламов по токсикологическим параметрам показало, что первоначальная фитотоксичность нефтешлама по отношению к тест-растениям достигла 100%. При длительном компостировании целлюлозосодержащих субстратов наблюдалось нивелирование отрицательного действия остаточных нефтепродуктов на проростки растений (рис. 2). Полученные результаты по детоксикации нефтешламов с использованием КЦС позволяют предложить для дальнейшей очистки использование фитомелиорантов (например, люцерну, кострец и др.).

время инкубации, суг

Рис. 2. Фитотоксичность нефтешлама без обработки и при внесении КЦС.

Возможность использования педофауны для индикации нефтяного загрязнения почвы практически не изучена. Вместе с тем, почвенные ногохво-стки (Со11ешЬо1а) являются обязательными компонентами почвы и являются очень чувствительными тест-объектами к воздействию органических пол-лютантов, в том числе и нефти [10]. Наиболее наглядными показателями влияния на них нефти являются следующие: процент выживших особей, продолжительность их жизни и поведенческие реакции. На рис. 3 представлены данные, свидетельствующие о детоксикации нефтяных углеводородов при внесении в шлам КЦС. Первоначально нефть

оказала острое токсическое действие. Острая токсичность нефтяных углеводородов по отношению к ногохвосткам сохранялась в течение длительного времени. Вероятно, при складировании в нефтеш-ламе накапливаются более токсичные и менее разлагаемые нефтепродукты. Лишь к концу эксперимента биоремедиация с использованием КЦС способствовала повышению выживаемости коллембол и увеличению продолжительности их жизни. Вместе с тем, повторное внесение КЦС через 90 суток в нефтешлам способствовало скорейшей детоксикации углеводородсодержащего субстрата.

- нефтешпам

нефтешпам+КЦС

-нефткшпам+КЦС, повторное внесение КЦС_____________________________

время инкубацщ суг

Рис. 3. Выживаемость коллембол как показатель степени зоотоксичности нефтешлама.

4848484823485348534823232323235348234823

Таким образом, лабораторные и микрополевые опыты показали эффективность использования КЦС для биоремедиации нефтешламов. В результате компостирования за 360 суток удалось добиться значительного снижения содержания углеводородов в нефтесодержащих субстратах и токсичности для компонентов системы. Органические и минеральные вещества КЦС, попадая в шлам, служат энергетическим материалом для микробиоты, благодаря чему увеличивается численность УОМ и усиливается активность микробиологических процессов, под влиянием которых происходит мобилизация питательных веществ и очищение шлама.

Основными факторами очистки, на наш взгляд, является то, что, с одной стороны, микробиота шлама использует Белвитамил и УМД в качестве источника питания, что стимулирует ее жизнедеятельность. С другой стороны, микроорганизмы сорбируются на поверхности структурирующей добавки, и та часть из них, которая способна усваивать продукты разложения целлюлозы, обеспечивается дополнительным источникам питания. Активизации жизнедеятельности этих микроорганизмов вносит определенный вклад в процесс биоремедиации шлама. Кроме того, известь, входящая в состав композиции, нейтрализует продукты разложения нефти, снижает подвижность токсичных веществ, ускоряет разложение метанонафтеновых структур, а также повышает количество кальция и магния, поглощенного при нефтяном загрязнении, и улучшает агрохимические свойства шлама. Это позволяет использовать его после очи-

стки в качестве грунта при перемешивании с почвой (1:1) для посева многолетних трав. Одновременно с этим открывается возможность утилизировать целлюлозосодержащие отходы, которым не нашлось квалифицированного применения. Изложенная методика биологической очистки нефтесодержащих природных объектов (нефтешламов) была испытана на Лемезинском и Арланском месторождениях Республики Башкортостан и защищена патентом РФ [11].

ЛИТРАТУРА

1 Муратова Л. Ю., Турковская О. В. // Прикладная биохимия и микробиология. 2001. №2. С. 175-180.

2 Панченко Л. В., Турковская О. В., Дубровская Е. В., Муратова А. Ю. Методические рекомендации по биорекультивации нефтезагрязненных земель. Саратов: Изд-во Са-тар. ун-т, 2003. -28 с.

3. Киреева Н. А., Онегова Т. ., Жданова Н. В. // Нефтяное хозяйство. 2004. №5. С. 128-130.

4. ТУ 2458-001-33782561-2001

5. Каменщиков Ф. Л., Богомольный Б. И. Нефтяные сорбенты. М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2005. -268 с.

6. McGill W. B., Rowell M. S. // Sci Total Environ. 1980. V.I4. №3. P.245-253.

7. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д. Г. Звягинцева. М.: МГУ, 1991. -3 04 с.

8. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия сточных вод. М.: Химия, 1984. - 447 с.

9. Киреева Н. А., Тарасенко Н. М., Шамаева А. А, Новоселова Е. И. // Почвоведение. 2006. №8. С. 1005-1011.

10. Киреева Н. А., Ханисламова Г. М., Тарасенко Е. М. // Экология. 2005. №5. С. 397-400.

11. Патент РФ 2006. №2279472С2. Способ очистки почвы от нефтяных загрязнений. / Т. С. Онегова, Н. Л. Киреева, Н. В. Жданова и др. // Б.И. 2006. № 19.

Поступила в редакцию 13.02.2008 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.