Исследование деструкции нефтезагрязнений в подзолистых и торфяных почвах Западно-Сибирского региона Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 614.76(575.1/.5)

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕСТРУКЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПОДЗОЛИСТЫХ И ТОРФЯНЫХ ПОЧВАХ ЗАПАДНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА

© 2007 г. *К. А. Захарова, *В. В. Моисеев, М. В. Шулаев, В. М. Емельянов

*ОАО «Сибнефть - Ноябрьскнефтегаз», г. Ноябрьск

Казанский государственный технологический университет, г. Казань

Влияние нефтяных загрязнений на почву проявляется в изменении ее физических, физико-химических и химических свойств, в торможении интенсивности биологических процессов. Нефтяное загрязнение отличается от других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постоянную, а «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Суть восстановления загрязненных экосистем — максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Рекультивация нефтезагрязненных земель — это ускорение процесса самоочищения, при котором используются все природные резервы экосистемы [4].

Целью данной работы являлось исследование и сравнение биодеструкции нефтезагрязнений (НЗ) в подзолистых и торфяных почвах Западной Сибири в естественных условиях и с использованием препарата <^уге^уше» (FZ).

В работе проводилось исследование очистки подзолистых и торфяных образцов почв от нефтезагрязнений. Динамика снижения содержания углеводорода (УВ) оценивалась прежде всего по способности различных типов почв к биодеструкции в естественных условиях. При этом сравнивались естественные условия биоочистки почв и очистка с применением FZ, определялась эффективность этого препарата. Также определялись приемлемые концентрации НЗ, при которых возможна эффективная биодеструкция как в естественных условиях, так и с применением препарата FZ.

Подзолистые почвы развиваются на песчаных породах с накоплением в иллювиальном горизонте несиликатных форм железа, верхняя часть их иллювиального горизонта имеет коричневый, темно-коричневый, а иногда и черный цвет от органоминеральных соединений. Реакция элювиальных горизонтов подзолистых почв сильно кислая или кислая (рН = 3—5), поглощающий комплекс не насыщен основаниями. Содержание гумуса 1—7 %. По распределению ила четко фиксируются элювиальные и иллювиальные горизонты.

На видовом уровне дифференцируются иллювиально-железистые глубокоглееватые и иллювиально-гумусовые глубокоглееватые почвы с сизовато-ржавыми пятнами [5].

Торфяные болотные верховые почвы формируются в специфических условиях при избыточном увлажнении атмосферными, застойными грунтовыми минерализованными водами под влаголюбивой растительностью. Они образуются главным образом на водоразделах в условиях

На модельных почвенных образцах, искусственно загрязненных нефтью в диапазоне концентраций 3 00020 000 мг/кг, исследована деструкция нефтезагрязнений в подзолистых и торфяных почвах ЗападноСибирского региона в естественных условиях и с применением препарата «Руге-2уте». Выявлено, что особого эффекта применение данного препарата не дает. Возможно, его необходимо сочетать с дополнительным внесением минеральных удобрений. Ключевые слова: нефтезагрязнение, биоремедиация, препарат «Руге-2уше», нефтеокисляющая культура, почва.

увлажнения пресными атмосферными водами. Они характеризуются низким содержанием как валовых, так и подвижных форм азота, фосфора, калия. По степени развития процесса почвообразования на территории Западной Сибири различают два типа болотных верховых почв: болотные верховые торфяные и болотные верховые торфяно-глеевые.

На видовом уровне по степени разложения торфа в верхней толще (20—50 см) выделены болотные верховые торфяные и болотные верховые перегнойно-торфяные. Торфяные болотные низинные почвы формируются в условиях притока минерализованных грунтовых вод, слабозастойных или проточных. Они, в отличие от верховых болотных почв, имеют слабокислую или нейтральную реакцию среды, высокую зольность; бедны подвижными формами калия и фосфора, а также азота при его высоком валовом содержании. Почвы слабо насыщены основаниями при довольно высокой емкости обмена [5].

Биопрепарат «Fyre-Zyme», разработанный американской корпорацией Ecology Technologies International, Inc., — экологически безопасное, нетоксичное, быстродействующее, эффективное, экономичное и легкое в использовании вещество для очистки воды и почв от химических и нефтехимических загрязнений. Его основу составляют ферменты — амилаза, каталаза, протеаза, лиаза. Кроме того, в его состав входят простые и сложные сахара, протеин, аминокислоты, которые служат для питания и стимуляции жизнедеятельности бактерий, а также незначительное количество биоразложимых поверхностно-активных веществ, обеспечивающих лучшее проникновение препарата в почву и мобилизацию нефтепродуктов (НП) [11, 12].

Методика исследования

Исследования деструкции нефтезагрязнений в почвах проводились в лабораторных условиях на модельных почвенных образцах с концентрацией НЗ в диапазоне от 3 000 до 20 000 мг/кг. Пробы почв были отобраны в лесу с учетом достаточного удаления от населенных пунктов и производств в мешочки из полиэтилена по ГОСТ 17.4.4.02-84 [1, 2]. Образцы почв высушивались при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния. Высушенный образец почвы массой 100 г переносили в пластиковую емкость объемом 250 г. Определяли фоновое содержание нефти в исходных образцах почв. Затем добавляли соответствующие количества нефти для получения заданных концентраций НЗ. В соответствующие почвенные образцы добавляли 5 мл 5 % раствора FZ.

Определение концентрации НЗ в почвенных образцах проводили в соответствии с ПНД Ф 16.1:2.2.2298 «Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии» [8]. Метод определения концентрации нефтепродуктов в почвах заключается в экстракции НП из почв четыреххлористым углеро-

дом, хроматографическом их отделении от сопутствующих органических соединений других классов и количественном определении НП по интенсивности поглощения в инфракрасной (ИК) области спектра. Для исключения искажения результатов анализов (вследствие экстракции из грунтов всей имеющейся органики) проводилась контрольная (холостая) проба из того же грунта без загрязнения. Контроль осуществлялся через все ступени анализа и учитывался при расчете концентраций НЗ.

Результаты и их обсуждение

Кривые кинетики деструкции нефтезагрязнений в подзолистых почвах в естественных условиях и в присутствии препарата FZ (во всех исследуемых концентрациях НЗ) схожи между собой.

На рис. 1 представлены кривые кинетики деструкции нефтезагрязнений в подзолистых почвах при начальном уровне концентрации нефти 20 000 мг/кг.

—♦—деструкция нефти в естественных условиях -■—деструкция нефти в присутствии FZ

Рис. 1. Кинетика деструкции нефтезагрязнений в подзолистых образцах почв (Снач = 20 000 мг/кг)

Резкое уменьшение содержания нефти наблюдается в первые 14 суток после загрязнения, включая период адаптации. Это объясняется мобилизацией естественной нефтеокисляющей почвенной микрофлоры. Внесение в почву нефти рассматривается как поступление субстрата для нефтеокисляющей культуры (НОК) микроорганизмов (МО). При этом происходит рост МО и, как следствие этого, уменьшение нефтезагрязнения.

Далее (в течение 20 суток) кривые деструкции выходят на линейный участок, что объясняется уменьшением субстрата и гибелью части МО. Необходимо иметь в виду, что низкие концентрации нефти и отдельных УВ незначительно усиливают интенсивность дыхания почвы. Это, вероятно, связано с увеличением численности МО в самой почве и интенсификацией процессов биодеградации нефтяных УВ почвенным микробиоценозом.

С 34 по 50 сутки наблюдается незначительное увеличение концентрации нефти, что, возможно, связано с отмиранием части МО из-за нехватки питательной среды. Можно предположить, что в первые 20 суток

эксперимента происходит утилизация легкоокис-ляемых фракций, т. е. предельных и непредельных линейных углеводородных структур. Циклические соединения, входящие в состав нефти, относятся к микробиологически трудноокисляемым продуктам. Поэтому остаточные концентрации трудноокисляемых фракций отрицательно влияют на жизнедеятельность МО. Для более глубокой очистки необходим более длительный период времени, что подтверждают результаты анализов на 50 сутки эксперимента.

Максимальное удаление НП наблюдается в образцах с концентрацией нефти 15 000 и 20 000 мг/кг. Кривая деструкции образца с концентрацией нефти

10 000 мг/кг наиболее стабильна, и в конце исследуемого периода не наблюдается увеличения концентрации нефти. Это дает основание сделать вывод о том, что концентрации нефти 10 000—20 000 мг/кг являются наиболее оптимальными для очистки почвы в естественных условиях.

В образцах с концентрацией 3 000 и 5 000 мг/кг наблюдается незначительное увеличение содержания нефти в период с 19 по 53 и с 33 по 53 сутки соответственно.

Кривые деструкции образцов с концентрацией нефти 7 000 и 10 000 мг/кг наиболее стабильны, и в конце исследуемого периода не наблюдается увеличения концентрации нефти.

Степени очистки подзолистых почв от нефтеза-грязнений в естественных условиях и в присутствии препарата FZ представлены в табл. 1.

Таблица 1

Биоочистка подзолистых почв от нефтезагрязнений в естественных условиях и в присутствии препарата «FZ»

Биодеструкция нефти

Биодеструкция нефти

в присутствии препарата

в естественных условиях

_______________________________________«Бг»____________

Бнач., мг/кг Бкон., мг/кг Степень очистки, % Бнач., мг/кг Бкон., мг/кг Степень очистки, %

20000 993,60 95,03 20000 180,00 99,1

15000 2352,00 84,32 15000 442,00 97,05

10000 1564,80 84,35 10000 910,80 90,82

7000 2534,40 63,79 7000 1086,80 84,47

5000 999,60 80,01 5000 851,40 82,97

3000 665,53 77,82 3000 497,56 83,41

Максимальный эффект от применения препарата FZ наблюдается при очистке почв с концентрацией нефти 7 000 мг/кг (разница в степенях очистки составляет 20,68 %). Эффективность его применения для очистки почв от НЗ с концентрациями 10 000, 15 000 и 20 000 мг/кг составляет 6,47, 12,73 и 4,07 % соответственно.

Анализ кривых кинетики деструкции НЗ в торфяных почвах является достаточно сложным. Почвы с высоким содержанием органического вещества снижают

токсический эффект НЗ благодаря сорбционному сродству к органике и, возможно, способны отчасти нейтрализовать действие нефти. На рис. 2 представлены кривые кинетики деструкции нефтезагрязнений в торфяных почвах при начальном уровне концентрации нефти 20 000 мг/кг.

Время, сут

—♦—деструкция нефти в естественных условиях -■-деструкция нефти в присутствии

Рис. 2. Кинетика деструкции нефтезагрязнений в торфяных образцах почв ф = 20 000 мг/кг)

С 1 по 28 сутки происходит снижение содержания нефти в образцах, а затем наблюдается резкое увеличение концентрации НЗ, причем в образцах с большими концентрациями (10 000—20 000 мг/кг) происходит более резкое увеличение. На 44 сутки наблюдается превышение начальной концентрации нефти во всех образцах, кроме образца с концентрацией 20 000 мг/кг, где степень очистки достигает 6,16 %.

Анализ кривых на 28 сутки опыта позволяет более детально рассмотреть кинетику деструкции нефти в торфяных образцах в естественных условиях. Максимальная (86,71 %) степень очистки при применении препарата FZ достигается в образце с концентрацией 15 000 мг/кг, однако в первые 7 суток наблюдается увеличение концентрации нефти до 20 544,00 мг/кг. Можно предположить, что это связано с экстракцией нативных торфяных органических соединений в нефть. Это подтверждается результатами, полученными при более высокой начальной концентрации нефти (20 000 мг/кг) на 14 сутки эксперимента.

Кривая для образца с концентрацией 20 000 мг/кг достигает максимума на 14 сутки, причем происходит увеличение концентрации до 24 319,68 мг/кг, затем до 28 суток наблюдается уменьшение (10 530,00 мг/кг), и в период с 28 по 44 сутки — незначительное увеличение содержания загрязнений.

Степени очистки торфяных почв от нефтезагрязне-ний в естественных условиях и в присутствии препарата FZ на 28 и 44 сутки эксперимента представлены в табл. 2 и 3 соответственно.

Сравнение степени очистки торфяных почв от неф-тезагрязнений на 28 и 44 сутки показывает, что в первом случае наблюдается большая деструкция НЗ, чем во втором. Это объясняется, как уже говорилось

выше, экстракцией органических веществ, входящих в состав торфа, в нефть. Кроме того, продуктами жизнедеятельности и лизиса клеток могут быть тоже органические соединения, которые могут давать вклад в общее количество загрязнений.

Таблица 2

Биоочистка торфяных почв от нефтезагрязнений в естественных условиях и в присутствии препарата «Р7»

(на 28 сутки эксперимента)

Биодеструкция нефти в естественных условиях

Биодеструкция нефти в присутствии препарата «Бг»

Энач., мг/кг Экон., мг/кг Степень очистки, % Энач., мг/кг Экон., мг/кг Степень очистки, %

20000 7492,80 62,54 20000 10530,00 47,35

15000 1993,32 86,71 15000 712,53 95,24

10000 4233,60 57,66 10000 1819,44 81,81

7000 2579,20 63,15 7000 2342,40 66,54

5000 2490,00 50,20 5000 652,96 86,94

3000 684,60 77,18 3000 871,50 70,95

400 (фон) 196,28 50,93 400 (фон) 118,08 70,48

Таблица 3

Биоочистка торфяных почв от нефтезагрязнений в естественных условиях и в присутствии препарата «FZ»

(на 44 сутки эксперимента)

Биодеструкция нефти в естественных условиях

Биодеструкция нефти в присутствии препарата «Бг»

Энач., мг/кг Экон., мг/кг Степень очистки, % Энач., мг/кг Экон., мг/кг Степень очистки, %

20000 18768,00 6,16 20000 15624,00 21,88

15000 16600,32 - 15000 6395,40 57,36

10000 17690,40 - 10000 4662,00 53,38

7000 8017,80 - 7000 1468,80 79,02

5000 6103,68 - 5000 2710,40 45,79

3000 3844,27 - 3000 936,92 68,77

400 (фон) 510,40 - 400 (фон) 1016,40 -

Также можно предположить, что увеличение содержания концентрации нефти связано с увеличением содержания легких фракций органики, поскольку торф содержит сложные нативные органические соединения, которые разлагаются на более простые (линейные), а метод ИК-спектроскопии основан на регистрации спектров поглощения именно алифатических соединений [10].

Параллельно с установлением содержания остаточной нефти исследовался микробиологический состав почвенных образцов и определялись доминирующие рода МО. Для выявления бактерий, способных осу-

ществлять деградацию тех или иных ксенобиотиков, используют обычно метод получения накопительной культуры в жидкой среде с ксенобиотиками в качестве единственного источника углерода и энергии с последующим рассевом на агаризованные среды того же состава для выделения активных штаммов [3, 9].

Анализ общей численности углеводородокисля-ющих микроорганизмов осуществляли посевом на агаризованную питательную среду, по минеральному составу соответствующую среде Чапека. Выросшие колонии рассматривали невооруженным глазом, при этом отмечались следующие морфологические и культуральные признаки: размер, форма, цвет, поверхность, оптические свойства, профиль, край, консистенция.

В качестве посевного материала для выделения чистых нефтеокисляющих культур были отобраны наиболее ярко выраженные НОК из всех образцов. На 4 сутки после посева выросли исследуемые образцы. Идентификацию родов НОК осуществляли по морфологическим признакам при микроскопировании (использовался иммерсионный объектив) [6, 7]. Результаты исследований представлены в табл. 4.

Таблица 4

Идентифицированные рода микроорганизмов

Тип почвы Увеличение при микро-скопиро-вании Род Характерные признаки рода

П; П + нефть; Торф + нефть 1350, 120 БасШш Прямые палочки, 0,5-2,5x1,2-10 мкм, с закругленными или «обрубленными» концами, часто в парах или цепочках. Грамположительные. Эндоспоры овальные, в клетке образуется не более одной споры. Аэробы или факультативные анаэробы

Торф + нефть; Торф 120 РвтсШшт Мицелий многоклеточный, плодоносящее тело имеет вид кисточки

Торф + нефть 1350 М1сгосо- ссыз Клетки сферические, диаметром 0,5-2,0 мкм, в парах, тетрадах или скоплениях неправильной формы, но не в цепочках. Грамположительные. Облигатные аэробы

Торф + нефть 1350 8&вр1осо- ссыз Клетки сферические или овальные, диаметром 0,5-2,0 мкм. Неспорообразующие. Грамположительные. Факультативные аэробы

Продолжение табл. 4

Тип почвы Увеличение при микро-скопиро-вании Род Характерные признаки рода

Торф + нефть; Торф; П + нефть 1350 Раерйо- топай Прямые или слегка изогнутые, но не спиральные палочки, 0,5-1,0х 1,5-5,0 мкм. Грамотрицательные. Аэробы. Некоторые виды - факультктивные автотрофы, способные использовать в качестве источника энергии Н2 или СО

Торф 1350 Асте1о- Ьас-ог Палочки диаметром 0,9-1,6 мкм и длиной 1,5-2,5 мкм в стационарной фазе роста становятся сферическими. Спор не образуют. Грамотрицательные. Аэробы

Торф 1350 ВИо(!о-Ьас-ог йр. Клетки овальные или палочковидные, диаметром 0,5-1,2 мкм. Размножаются путем бинарного деления; могут образовывать капсулы и слизь. Культуры окрашены в желтовато-коричневый цвет в анаэробных условиях и красноватокоричневый в присутствии воздуха.

Торф + нефть; Торф 1350 МусоЬас-о-пыт йр. Прямые или слегка изогнутые палочки, 0,2-0,7x1,0-10 мкм, иногда ветвящиеся. Слабо грамположительные. Неспорообразующие. Аэробы и хемоорганотрофы

Торф + нефть; Торф 1350 ЫосаЫш йр. Вегетативные гифы от рудиментарных до обильно разветвленных, диаметром 0,5-1,2 мкм. Окраска по Граму от положительной до вариабельной. Аэробы

Торф + нефть; Торф 1350 ТИогтото- пойрога йр. Аэробный спорообразующий акти-номицет. Неподвижные алейроспоры

Выводы

Сравнение способности различных типов почв к биодеструкции в естественных условиях показывает, что в подзолистых почвах степень очистки достигает 80,88 %, в торфяных — 66,24 %. Максимальное снижение содержания углеводородов также наблюдается в подзолистых почвах (при концентрации нефтезагрязнений 20 000 мг/кг) и составляет 95 %. В торфяных почвах максимум наблюдается

при концентрации нефтезагрязнений 15 000 мг/кг и составляет 87 %.

Сравнение естественных условий биоочистки почв и очистки с применением FZ показывает, что на бедной органическими веществом и элементами питания подзолистой почве можно ожидать значительно более высокого эффекта от применения данного препарата. В исходно богатой гумусом торфяной почве его внесение не дало особого эффекта, возможно, необходимо применение препарата FZ сочетать с дополнительным внесением органического удобрения, что приведет к большей активизации аборигенной микрофлоры.

Концентрация нефти до 10 000 мг/кг является наиболее оптимальной для очистки почв в естественных условиях. Максимальный эффект от применения исследуемого препарата наблюдается при очистке почв с концентрацией нефти 10 000 — 20 000 мг/кг. Оптимальная «рабочая» концентрация для FZ составляет 7 000 мг/кг (разница в сравнении с естественными условиями очистки составляет 20,68 %).

В процессах утилизации нефти участвуют различные нефтеокисляющие культуры, среди которых доминируют аэробные.

Список литературы

1. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. — Введ. 1984-0101. — М. : Госстандарт, 1984. — 12 с.

2. ГОСТ 17.4.3.01-82. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. — Введ. 1983-01-01. — М. : Госстандарт, 1983. — 8 с.

3. Градова Н. Б. Лабораторный практикум по общей микробиологии / Н. Б. Градова и др. — М. : Де Ли принт, 2001. - 131 с.

4. Исмаилов Н. М. Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем / Н. М. Исмаилов, Ю. И. Пиковский.

- М. : Наука, 1988. - С. 177-197.

5. Комплексный экологический аудит территории лицензионного участка Пограничного нефтегазоконденсатного месторождения / ОАО «Сибнефть - Ноябрьскнефтегаз».

- Томск, 2003. - Т. 1. - 320 с.

6. Определитель бактерий Берджи. В 2 т. Т. 1 : пер. с англ. / под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита и др.

- М. : Мир, 1997. - 432 с.

7. Определитель бактерий Берджи. В 2 т. Т. 2 : пер. с англ. / под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита и др.

- М. : Мир, 1997. - 368 с.

8. ПНД Ф 16.1:2.2.22-98. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии : утверждено Управлением экологического контроля и анализа Министерства охраны окр. среды и прир. ресурсов РФ 03.04.98.

- М., 1998. - 35 с.

9. Практикум по микробиологии / под ред. Н. С. Егорова. - М. : Изд-во МГУ, 1976. - 307 с.

10. Шагидуллин Р. Р. Определение нефтепродуктов в водах на основе ИК-Фурье спектрального комплекса и измерения интегральных интенсивностей полос поглощения уСН / Р. Р. Шагидуллин,

Л. В. Авакумова, Г. М. Дорожкина, С. Г. Селянина // Журналаналитической химии. — 2002. — Т. Б7, № 3. — С. 2Б0—2Б6.

11. http://www.petroltrade.ru

12. www.dumask.ru

STUDY OF OIL POLLUTION DESTRUCTION IN PODZOL AND PEAT SOILS IN WEST-SIBERIAN REGION

*K. А. Zakharova, *V. V. Moiseev, M. V. Shulaev,

V. M. Emelyanov

*JSC «Sibneft — Noyabrskneftegas», Noyabrsk Kazan State Technological University, Kazan

Oil contaminants destruction is researched in podzolic and peat soils of West-Siberian region in natural terms and with application of the product «Fyre-Zyme».

The tests carried out on the model soil-samples artificially polluted by oil. Range of oil-contaminants level was from 3 000 to 20 000 mg/kg. Results of oil-destruction tests established that application of the product «Fyre-Zyme» for peat soils had not specific effect. It is possible that the product «Fyre-Zyme» necessary to combine with application fertilizer agents.

Key words: oil-contaminant, bioremediation, product «Fyre-Zyme», soil.

Контактная информация:

Захарова Корнелия Анатольевна — инженер 1 категории отдела проектных работ Управления капитального строительства ОАО «Сибнефть — Ноябрьскнефтегаз», аспирант Казанского государственного технологического университета

Тел./факс: 890БЗ12З728, 8902824808Б, 8922281 19Б1

E-mail: [email protected]

Статья поступила 08.09.2007 г.