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

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.