Микробиологические процессы трансформации углеводородов при микробной рекультивации шламового амбара в Сургутском районе ХМАО Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 502.501 : 502.171 : 631.461

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ МИКРОБНОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ШЛАМОВОГО АМБАРА В СУРГУТСКОМ РАЙОНЕ ХМАО

© 2009 Л.В.Ковальчук, А.И. Фахрутдинов, В.Г. Алехин Сургутский государственный университет

В условиях Крайнего Севера проведены трехлетние исследования применения технологии рекультивации почвы с глубоким нефтяным загрязнением с использованием созданного консорциума неф-теокисляющих микроорганизмов. Выявлено снижение загрязнителя в первый сезон исследований с 56 г на кг почвы до 0,3. Показана активизация нефтеокисляющей микрофлоры в последующие сезоны при капиллярном поступлении нефтепродуктов из нижних горизонтов загрязненного участка.

Ключевые слова: трансформация углеводородов, микробная рекультивация, шламовый амбар

Западно-Сибирская нефтегазоносная провинция интенсивно осваивается с начала 60-х годов прошлого столетия. За этот период в районах нефте-газодобычи сформировались новые техногенно-антропо-генные экосистемы, функционирование и развитие которых требует пристального изучения и научной оценки происходящих процессов с целью снижения отрицательного воздействия и не допущения полной деградации гигантской экосистемы. Определено несколько основных факторов негативного воздействия нефти на почвы: образование микробных токсичных продуктов и летучих органических веществ, образующихся при разложении нефти, появление фитотоксичных грибов и конкуренции за элементы минерального питания между микрофлорой, разрушающей углеводороды и растениями, снижение концентрации кислорода. Воссоздание исходных биогеоценозов при таких серьезных сдвигах в системе почва-растение возможно лишь при совместном применении микробиологических и агротехнологических приемов [1].

Попавшая в почву нефть, в основном, концентрируется в верхнем дерново-подзолистом горизонте и переходит в негидроли-зуемый осадок в виде нерастворимых фракций,

Ковальчук Людмила Владимировна, аспирант. Email: [email protected]

Фахрутдинов Айвар Инталович, кандидат биологических наук, доцент кафедры микробиологии. E-mail: [email protected] Алехин Виктор Григорьевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий лабораторией почвоведения. E-mail: [email protected]

препятствующих доступу кислорода и воды в почву [2]. Помимо изменения физико-химических условий среды обитания почвенной микрофлоры, кардинальным образом изменяются условия её питания. Микрозональность существования микроорганизмов, в микробных сообществах почв незагрязненных ландшафтов, под влиянием нефти исчезает. Таким образом, при нефтяном загрязнении почв формируется классический пример «монокультурного развития сообщества» почвенной микрофлоры с отрицательными последствиями для растительного сообщества [3]. Восстановление гомеостаза и предотвращение конкуренции нефтеокис-ляющей микрофлоры за факторы жизнедеятельности могут быть решены разработкой технологической системы микробиологической и фито-восстановительной рекультивации, способной восстановить микрозональность функционирования сообщества почвенной микрофлоры [4].

В данной работе представлен экспериментальный материал по первому этапу разработки системы микробиологической рекультивации нефтезагрязненных почв Среднего Приобья Ханты-Мансийского АО с внесением в почву созданного в лаборатории почвоведения СурГУ консорциума нефтео-кисляющих микроорганизмов [5] и агротехнической поддержки его функционирования в почве - изучению функционирования сообщества почвенной микрофлоры при ре-культивационных мероприятиях.

Исследования проводились в течение 3-х лет (2006-2008 гг.) на стационарных

полигонах, расположенных в широтном направлении с запада на восток по течению р. Обь - Нефтеюганский, Сургутский и Нижневартовский районы.

В Сургутском районе опытные делянки были заложены на шламовом амбаре. Начало эксплуатации амбара - 1973 г., окончание - 1998 г. В 1998 г. амбар был отсыпан 10-ти сантиметровым слоем песка. За годы, прошедшие до закладки опыта, произошло поднятие углеводородов из нижних горизонтов амбара с образованием плотной корки. Под песчаной отсыпкой слой углеводородов простирается на глубину 60 см. Опытные делянки размером 4 м2 заложены в 5 кратной повторности в систематическом порядке по следующей схеме:

1) абсолютный контроль - на незагрязненной почвенной разности данного местообитания;

2) контроль - на загрязненной почве без применения приемов рекультивации;

3) на загрязненной почве + консорциум нефтеокисляющей микрофлоры (НМ) + N<50P<50K<50 + раскислитель;

4) на загрязненной почве + консорциум НМ + N<50P<50K<50 + раскислитель + рыхление на глубину 30 см. В опытных делянках, на нефтезагрязненной почве, рН до 6,9-7,2 единиц доводился внесением мела.

В рекультивационных вариантах в первый период внесения мела отмечено увеличение до рН 7,0 а затем динамические кривые стали расходится. В варианте с рыхлением рН поддерживался в течение опыта в пределах от 7 единиц до постепенного снижения к 3-му году до 6,5. В варианте, где

Образцы для микробиологических исследований отбирались через каждые 2 недели после схода снега весной до устойчивого снежного покрова осенью в 5-кратной по-вторности (конвертом) из каждой делянки. Анализировался смешанный образец. Подготовка образцов и проведение микробиологических анализов осуществлялось стандартными методами [6]. На мясопептонном агаре (МПА) изучалась численность аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов осуществляющих процессы аммонификации. На среде Кинга выявлялись аэробная и анаэробная гетеротрофная углеводородо-кисляющая микрофлора (УОМ) почвы, использующая в процессах разрушения сырой нефти органические соединения. На среде Мюнца - способность литотрофной части сообщества почвенной микрофлоры к утилизации сырой нефти. На среде Чапека - численность микромицетов, на среде МПА + сусло агар (СА) - спорообразующая аммонифицирующая микрофлора.

Внесение раскислителя существенно изменило рН хемозема в опыте и по сравнению с абсолютным контролем хемозем шламового амбара, в который не вносился рас-кислитель, имел повышенный рН (рис. 1).

рыхление не применялось, раскисление почвы происходило более интенсивно и через год стабилизировалось в пределах рН 5,55,0. Изначально выровненный по уровню концентрации водородных ионов фон изменяется под влиянием агротехнических и микробных воздействий на почвенную микро-

2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год

— абсолютный контроль -С^ контроль

консорциум +Ы60Р60К60+раскислитель; -С^ консорциум +Ы60Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

Рис. 1. Ежегодная сезонная динамика рН в процессах рекультивации почвы шламового амбара в Сургутском районе

флору и характеризует направленность его развития и эффективность рекультивации. При максимальном уровне содержания нефтепродукта (НП) в верхнем горизонте почвы шламового амбара в начальный период рекультивации в июне 2006 г. отмечен минимальный уровень численности органотрофной

нефтеокисляющей микрофлоры (на среде Кинга). В варианте, где приемы рекультивации не применялись (контроль), колебания численности этих микроорганизмов в течение 3-х лет опыта характеризовались изменениями погодных характеристик года (рис. 2).

июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год

консорциум +N60P60K60+раскислитель, НП; -□— абсолютный контроль; -О— консорциум +N60P60K60+раскислитель; -Х- контроль, НП

1 консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см, НП; контроль;

-консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

1000

70

100

30

0,1

0

Рис. 2. Динамика численности углеводородокисляющей микрофлоры использующей в процессах микробиологической рекультивации

Существенных изменений содержания НП в почве контрольного варианта не отмечено: за 3 года снизилось до 49 г/кг при начальном 56,3 г/кг почвы. В вариантах рекультивации с применением системы поддержки развития внесенного в почву консорциума нефтеокисляющей микрофлоры отмечен максимальный уровень развития УОМ, особенно в варианте с внесением системы удобрений и рыхлением почвы, со снижением НП в почве до 0,3 г/кг почвы к октябрю 2006 года, без рыхления составило 7,3 г/кг почвы. В результате капиллярного поднятия НП из нижележащих горизонтов в весеннее-летний период отмечено повышение их уровня в почве на 2-й и 3-й годы, что вызвало колебания нефтеокисляющей микрофлоры. Это указывает на сохранение активности жизнедеятельности УОМ в вариантах рекультивации.

Загрязнение почвы нефтью существенно снижало уровень численности литотроф-ных микроорганизмов, способных использовать углеводороды нефти. В незагрязненной почве их численность за весь период исследований была выше и сохранялась практически на одинаковом уровне с максимумом развития в летние месяцы (июль). В загрязненной нерекультивируемой почве в весенне-летние месяцы численность падала, а пик развития сдвигался на сентябрь и достигал уровня, зафиксированного в незагрязненной почве (рис. 3). В вариантах рекультивации максимальный уровень развития отмечен в

летние месяцы (июль-август), особенно в варианте с рыхлением. Таким образом, ре-культивационные мероприятия активировали жизнедеятельность и расширяли минера-лизационные возможности почвенной микрофлоры.

Жизнедеятельность аэробной аммонифицирующей микрофлоры обычно используется для характеристики изменений, происходящих в сообществе почвенной микрофлоры под влиянием стрессовых воздействий. Сравнение численности этой физиологической группы микроорганизмов в загрязненном варианте без применения рекульти-вационных мероприятия с абсолютным контролем (незагрязненной почвой), указывает на резко отрицательное воздействие на активность аммонификационных процессов (рис. 4). Проведение рекультивационных мероприятий сказывается положительно на процессах аммонификации органических азотистых соединений в почве, особенно в варианте с рыхлением. При этом в сезонной динамике этой микрофлоры, в отличие от УОМ, отмечен осенний пик численности в годы интенсивного капиллярного поднятия углеводородов из нижних горизонтов почвы. В контрольном варианте численность этой микрофлоры активируется при повышении температуры в летний период и снижается в осенний, но до значений, отмеченных в абсолютном контроле, численность не поднимается.

50

40 |

30 г 20 10 0

июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год

ч консорциум +К60Р60К60+раскислнтель; НП абсолютный контроль консорциум +К60Р60К60+раскислитель; контроль, НП

2 консорциум +К60Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП контроль

"консорциум +К60Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

00

70

10

0.1

0,01

Рис. 3. Динамика численности литотрофной углеводородокисляющей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации

июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год

1Е31 консорциум +N6 0Р 60К60+р ас кис л НИ^ абсолютный контроль ^^ консорциум +N6 0Р 60К60+р ас кис л контроль, НП итель; НП ЕШ консорциум +Ш0Р60К60+раскис ^^^ контроль ^^ консорциум +Ш0Р60К60+раскис •штель+рыыхление 30-35 см; НП •штель+рыыхление 30-35 см;

70

1000

60

100 --

ев 10 --

- 40

1

- 30

10-1

20

0,01

10

0,001

0

Рис. 4. Динамика численности аэробной аммонифицирующей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации шламового амбара

Загрязнение почвы нефтью резко изменяет физико-химические свойства почвы, создавая множественные зоны анаэробиози-са. Спорообразование является ответной реакцией на изменение условий функционирования сообщества почвенной микрофлоры. Сравнительное изучение сезонной динамики спорообразующей аммонифицирующей микрофлоры в нерекультивированном (контрольном) варианте и абсолютном контроле показало одинаковую направленность численности бациллярной микрофлоры. В рекультивируемых вариантах отмечается рост численности спорообразующей микрофлоры (рис. 5). Этот факт связан со структурированием слитного хемозема в результате гумификации, активации развития аэробов на поверхности почвенных агрегатов и создания анаэробных зон внутри, т. е. восстановления нормального функционирования сообщества почвенной микрофлоры. Это подтверждается и при рассмотрении ежегодной сезонной динамики развития факультативно анаэробной аммонифицирующей микрофлоры (рис. 6). В варианте абсолютного контроля эта физиологическая группа развивалась циклическим

образом. В загрязненной нерекультивируе-мой почве в первый период интенсивного разложения НП численность анаэробов была на уровне численности в рекультивационных вариантов с минимумом на 3-й год. Рекуль-тивационные мероприятия активизировали развитие анаэробов-аммонификаторов с максимумом к концу опыта.

Экспериментальные материалы развития ежегодной сезонной численности анаэробной нефтеокисляющей микрофлоры показывают существенное увеличение этой физиологической группы микроорганизмов в хемоземе. В нерекультивированной почве шламового амбара по сравнению с незагрязненной почвой уровень численности этой физиологической группы был выше и возрастал к концу опыта. В рекультивацион-ных вариантах также отмечен рост численности анаэробов, способных усваивать углеводороды в качестве источника питания, особенно в варианте с рыхлением. В варианте с внесением в почву минеральных удобрений в последний год опыта численность анаэробов приближалась к абсолютному контролю (незагрязненной почве) (рис. 7).

Рис. 5. Динамика численности спорообразующей аммонифицирующей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации

июнь 2006 июль 2006 август сентябрь октябрь июнь 2007 июль 2007 август сентябрь октябрь июнь 2008 июль 2008 год год 2006 год 2006 год 2006 год год год 2007 год 2007 год 2007 год год год

август сентябрь октябрь 008 год 2008 год 2008 год

КЗ консорциум +К60Р60К60+раскислитель; НП -О— абсолютный контроль -О—консорциум +К60Р60К60+раскислитель; "Х-контроль, НП

И консорциум +К60Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП контроль

— консорциум +К60Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

70

60

50

* 10 --

40

30

20

10

01

Этот факт связан со структурированием слитного хемозема в результате гумификации, активации развития аэробов на поверхности почвенных агрегатов и создания анаэробных зон внутри, т.е. восстановления нормального функционирования сообщества почвенной микрофлоры. Это подтверждается и при рассмотрении ежегодной сезонной динамики развития факультативно анаэробной аммонифицирующей микрофлоры (рис. 6). В варианте абсолютного контроля эта физиологическая группа развивалась циклическим образом. В загрязненной нерекульти-вируемой почве в первый период интенсивного разложения НП численность анаэробов была на уровне численности в рекультива-ционных вариантов с минимумом на 3-й год. Рекультивационные мероприятия активизировали развитие анаэробов-аммонифика-торов с максимумом к концу опыта.

Экспериментальные материалы развития ежегодной сезонной численности анаэробной нефтеокисляющей микрофлоры показывают существенное увеличение этой физиологической группы микроорганизмов в хемоземе. В нерекультивированной почве шламового амбара по сравнению с незагрязненной почвой уровень численности этой физиологической группы был выше и возрастал к концу опыта. В рекультивационных вариантах также отмечен рост численности анаэробов, способных усваивать углеводороды в качестве источника питания, особенно в варианте с рыхлением. В варианте с внесением в почву минеральных удобрений в последний год опыта численность анаэробов приближалась к абсолютному контролю (незагрязненной почве) (рис. 7).

,Х-X - 50

июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год

й консорциум +К60Р60К60+раскислитель; НП - абсолютный контроль -консорциум +К60Р60К60+раскислитель; контроль, НП

1 консорциум +К60Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП контроль

— консорциум +К60Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

70

60

40

0

30

20

0

1 ^

Рис. 6. Динамика численности факультативно анаэробной аммонифицирующей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации

июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год

1X3 консорциум +^0Р60К60+раскислитель; НП

абсолютный контроль -О— консорциум +^0Р60К60+раскислитель; "X— контроль, НП

И консорциум +^0Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП контроль

-консорциум +^0Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

70

30

20

0

01

Рис. 7. Динамика численности факультативно анаэробной нефтеокисляющей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации

Микроскопические грибы являются важной составляющей сообщества почвенной микрофлоры. Особенно в процессах первичной трансформации органических веществ в кислых почвах, каковыми являются почвы ХМАО. В естественной незагрязненной почве их численность подчинялась сезонным колебаниям, отмеченным выше для остальных изученных физиологических групп сообщества почвенной микрофлоры (рис. 8). При изучении динамики численности в незагрязненной и загрязненной нефтью почве, отмечено четкое возрастание активности жизнедеятельности мицеллярной

микрофлоры в загрязненном варианте, особенно на 3-й год опыта. В рекультиваци-онных вариантах, в первый год опыта, в период активной фазы трансформации углеводородов (июль) численность микромицетов была ниже уровня, отмеченного в незагрязненной почве. Это указывает на доминирование бактериальной части сообщества почвенной микрофлоры в начальный период рекультивации. По мере снижения концентрации нефтепродуктов в почве уже в первый год опыта отмечено возрастание активности микромицетов и максимум отмечен на 3-год опыта.

июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь июнь июль август сентябрь октябрь 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2006 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2007 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год 2008 год

3 консорциум +^0Р60К60+раскислитель; НП " абсолютный контроль " консорциум +^0Р60К60+раскислитель; контроль, НП

1 консорциум +^0Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП контроль

"консорциум +^0Р60К60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

70

60

100

40

30

20

0,1

0

Рис. 8. Динамика численности микромицетов в процессах микробиологической

рекультивации шламового амбара

Выводы:

1. Испытанная в производственных условиях шламового амбара технология микробиологической рекультивации загрязненных нефтью почв показала высокую интенсивность очистки верхнего горизонта (0-30

см) в течение первого года, с определяющей ролью УОМ в процессах трансформации НП.

2. Показана определяющая роль агротехнических мероприятий обеспечивающих оптимизацию условий функционирования вне-

сенной в почву УОМ и аборигенного микробного сообщества в процессах разрушения НП.

3. Выявлена последовательность развития физиологических групп сообщества почвенной микрофлоры в процессах рекультивации хемозема нефтешламового амбара, которая определяется изменениями почвенной среды происходящей по мере разложения нефти.

4. Установлена высокая эффективность разработанного препарата и технологии его применения на сообщество почвенной микрофлоры, способной в последействии разрушать НП, поднимающиеся из нижних горизонтов хемозема шламового амбара вместе с капиллярным потоком грунтовых вод.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Трофимов, С.Я. Актуальные проблемы рекультивации нефтезагрязненных почв таежной зоны Западной Сибири // Современные

проблемы загрязнения почв: II междун. науч. конф. Сб. мат. - М., 2007. - Т. 1. - С. 36-37.

2. Бахвалов, А.В. Влияние нефтяного загрязнения на свойства дерново-подзолистой почвы / А.В. Бахвалов, М.С. Розанова, Т.И. Мушаева // Современные проблемы загрязнения почв: II междун. науч. конф. Сб. мат. - М., 2007. -Т.1. - С. 311-314.

3. Алехин, В.Г. Почвоутомление сероземов Чуй-ской долины. Дисс. на соиск. уч. ст. д.с/х.н. М., 1996.

4. Звягинцев, Д. Г. Биология почв / Д. Г. Звягинцев, И.П. Бабьева, Г.М. Зенова // М., 2005. -С. 445.

5. Фахрутдинов, А.И. Деструкция углеводородов с использованием аборигенных микроорганизмов / А.И. Фахрутдинов, Т.Д. Ямполь-ская, Л.В. Ковальчук // Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель: мат. Межд. Науч. конф., Екатеринбург, 4-8 июня 2007 г. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2007. - С. 668-672.

6. Звягинцев, Д. П. Методы почвенной микробиологии и биохимии: Учебное пособие. М., 1991. - 304 с.

MICROBIOLOGICAL PROCESSES OF HYDROCARBONS TRANSFORMATION AT MICROBAL RECULTIVATION OF THE SLURRY BARN IN SURGUT REGION HMAO

© 2009 L.V. Kovalchuk, A.I. Fahrutdinov, V.G. Alekhin Surgut State University

In conditions of the Far North are carried out three-year researches of application the technology of soil re-cultivation with deep oil contamination with the use of created consortium of petrooxidizing microorganisms. Decrease in contaminant during the first season of researches from 56 g on kg of soil up to 0,3 g is revealed. Activization of petrooxidizing microflora during the subsequent seasons is shown at capillary receipt of mineral oil from the bottom horizons of the polluted field.

Key words: hydrocarbons transformation, microbal recultivation, slurry barn

Lyudmila Kovalchuk, Graduate Student.

E-mail: [email protected]

Ayvar Fakhrutdinov, Candidate of Biology, Associate

Professor at the Microbiology Department. E-mail:

[email protected]

Viktor Alekhin, Doctor of Agriculture, Professor, Chief of the Agrology Laboratory. E-mail: [email protected]