CC BY
31
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.66.014
Заборская О.Ю.1, Заборская А.Ю.2, Крамм Э.А3.
1ORCID: 0000-0003-3206-3033, аспирант, 2ORCID: 0000-0003-1358-7958, кандидат технических наук, ГБОУ ГМЦ ДОгМ 3доктор технических наук, профессор, ^Московский политехнический университет ПОЧВЕННАЯ МИКРОФЛОРА В КАЧЕСТВЕ АГЕНТА БИОДЕГРАДАЦИИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Аннотация
В эксперименте был изучен процесс биодеградации парафинов в почве с использованием разработанного нами биореактора открытого типа с сателлитной мешалкой-аэратором. Контролем служила емкость равного биореактору объема с аналогичным количеством загрязненного торфогрунта, где механического перемешивания (аэрации) не происходило. В ходе эксперимента производились высевы для определения общего количества и состава нефтеокисляющей автохтонной микрофлоры. В работе использовался торфогрунт, искусственно загрязненный парафинами. В результате эксперимента было показано, что при незначительной разнице общего микробного числа относительно контроля в начале эксперимента, в конце эксперимента оно более чем в 1,5 раза выше в разработанном нами биореакторе.
Ключевые слова: биодеградация, ремедиация, почва, углеводороды, микроорганизмы, микроорганизмы-биодеструкторы, нефтеокисляющая микрофлора, нефтезагрязненные почвы, углеводородокисляющие микроорганизмы.
Zaborskaya O.Yu.1, Zaborskaya A.Yu.2, Kramm E.A3.
1ORCID: 0000-0003-3206-3033, Postgraduate Student, 2ORCID: 0000-0003-1358-7958, PhD in Engineering,
3ORCID: Absent, PhD in Engineering, Professor, 2Sate Budget Educational Institution of the Moscow City of Additional Professional Education,
1,3Moscow Polytechnic University SOIL MICROFLORA AS AN AGENT OF BIODEGRADATION OF OIL POLLUTANTS
Abstract
In the course of the experiment, we studied the process of biodegradation ofparaffin waxes in the soil using the open-type bioreactor developed by us with the help of a satellite stirrer-aerator. We used the capacity of a volume equal to the bioreactor with a similar amount of contaminated peat soil with no mechanical agitation (aeration) for control. During the experiment, sowings were made to determine the total amount and composition of the oil-oxidizing autochthonous microflora. We used peat and soil in our work, artificially contaminated with paraffin waxes. As a result of the experiment, it was shown that with a slight difference in the total microbial number relative to the control at the beginning of the experiment, it was more than 1.5 times higher in the bioreactor developed by us at the end of the experiment.
Keywords: biodegradation, remediation, soil, hydrocarbons, microorganisms, microorganisms-biodestructors, oil-oxidizing microflora, oil-contaminated soils, hydrocarbon-oxidizing microorganisms.
Продукты переработки нефти, как и сама нефть, при попадании на почвенные покровы оказывают негативное влияние на их общее экологическое состояние. Нарушается структура биоценозов, микроорганизмы, бактерии и животные, обитающие в почве, не могут полноценно выполнять свои функции под влиянием различных фракций нефти.
По уровню воздействия одно из ведущих мест среди различных видов деятельности человека на окружающую среду занимает нефтедобывающая промышленность.
Процесс бурения нефтяных скважин провоцирует появление ряда факторов, отрицательно влияющих на природу: химическое загрязнение почвенного покрова, вод и воздуха веществами и реагентами, применяемыми при бурении и получаемыми в процессе испытательных работ; физическое нарушение растительного и почвенного покрова; нарушение температурного, аэрационного и водного режима почв и грунтов.
Объекты разработки нефтяных месторождений включают в себя непосредственно скважины, хранилища и резервуары нефти, насосные станции, трубопроводы, аппараты подготовки нефти и прочие обслуживающие аппараты и сооружения. Следует заметить, что каждый из этих объектов является потенциально опасным источником загрязнения окружающей среды.
Транспортировка нефти и продуктов переработки осуществляется по трубопроводам, а также железнодорожным, автомобильным, воздушным и водным транспортом. Особое значение имеют случаи возникновения аварийных разливов, возникших в ходе нарушений деятельности различных элементов нефтедобывающего комплекса.
В первую очередь подвергаются загрязнениям почвы, расположенные в непосредственной близости от предприятий, объектов жилищно-коммунального хозяйства, сельскохозяйственного сектора, транспортных коммуникаций, трубопроводов.
Одним из критериев состояния почвы является ее санитарное состояние - совокупность физико-химических, химических и биологических свойств почвы, которые обусловливают ее непосредственное влияние на здоровье человека и животных.
Для оценки степени загрязненности почв используются такие критерии, как ПДК (предельно -допустимая концентрация), ОДК (ориентировочно-допустимая концентрация) загрязняющих веществ в почве. Нормативы количества этих веществ в почвах, смежных средах, сельскохозяйственной продукции, а также общие показатели санитарного состояния почв определены ГОСТ 27593-88 и ГОСТ 17.4.2.01-81 соответственно.
Несмотря на то, что значение ПДК нефти и нефтепродуктов в почве не установлено, для незагрязненных почв массовая доля нефтепродуктов не должна превышать 0,1% согласно ГОСТ Р 54039-2010.
Очевидно, что вопрос охраны окружающей среды не может оставаться без внимания. Однако при оценке последствий загрязнений различного рода существует два подхода к решению проблемы. Первый заключается в резком ограничении любого вмешательства в природную среду во избежание тяжелых последствий в дальнейшем. Второй предполагает, что природа обладает достаточным потенциалом для самостоятельного восстановления, по крайней мере, при существующей степени загрязненности [3].
Глобальные последствия разливов нефти точно не известны. С одной стороны, разливы оказывают негативное воздействие в течение десятилетий, но с другой стороны экосистемы имеют огромный восстановительный потенциал.
В процессе жизнедеятельности микроорганизмов, обитающих в почве, многие загрязняющие вещества претерпевают изменения. Процесс разложения загрязнителей осуществляется естественным путем и называется «биодеградация».
Разложение углеводородов происходит под воздействием автохтонной почвенной микрофлоры.
Виды и группы микроорганизмов, способных окислять нефтепродукты, различают по возможности разлагать разные углеводороды в условиях различной кислотности и различного содержания кислорода [1].
Попадая в комфортные условия, микроорганизмы начинают активно размножаться и потреблять загрязнитель, поэтому численность микроорганизмов, разлагающих нефтепродукты определяется типом почвы, наличием грунтовых вод, климатом местности и многими другими факторами.
Спектр микроорганизмов, осуществляющих процесс биодеградации нефти в почве, включает в себя бактерии родов Pseudomonas, Flavobacterium, Acinetobacter, Aeromonas, Arthrobacter, Rhodococcus, дрожжи рода Candida, микромицеты Fusarium, Mucor, Trichoderma, Rhizopus, Penicillium.
Ранее считалось, что микроорганизмы, которые используют компоненты нефти в качестве источника питания, существуют исключительно там, где есть непосредственные источники попадания нефтепродуктов в среду. Но многочисленные исследования показали, что подобные микроорганизмы распространены повсеместно и могут быть выделены практически из любой почвы, песка, осадка, пресной или соленой воды из природного источника.
На участках, никогда ранее не подвергавшиеся загрязнению нефтью и нефтепродуктами в пробах почвы и воды также обнаруживается значительное количество углеводородокисляющих бактерий. Их видовой состав не разнообразен - в основном это представители рода Pseudomonas. Однако при создании благоприятных условий со временем развиваются весьма активные микробиоценозы.
Известно [12], что были проведены исследования процесса биологической очистки нефтезагрязненных почв в Арктических регионах с использованием различных биопрепаратов в естественных условиях, с искусственным поддержанием температуры почвы и аэрацией, и с использованием аборигенной микрофлоры в естественных условиях. Для интенсификации аборигенной микрофлоры вносились минеральные вещества. В исследовании применяли биопрепараты Микрозим Петро Трит, Деворойл, Родер. Проведенные исследования показали, что полная очистка почвы при внесении биопрепарата и начальном загрязнении нефтью 5% составляет от 3 до 4 лет. Полная очистка от нефтепродуктов с помощью автохтонной микрофлоры без интенсификации процесса кислородом происходит за 10-15 лет. Внесение минеральных веществ в загрязненную почву с целью стимулирования автохтонной микрофлоры не увеличивает скорость разложения нефтепродуктов.
В климатических условиях, характерных для средней полосы, где среднегодовая температура значительно ниже необходимых для активной жизнедеятельности большинства микроорганизмов актуально использование специальных аппаратов - биореакторов для осуществления процесса биологической очистки почвы. Данные аппараты, работающие на основе изъятия почвы, позволяют создавать наиболее благоприятные условия для осуществления и интенсификации естественного процесса восстановления почв или биоремедиации [2].
Вместе с этим, биореакторы дают возможность более полно изучить протекание процесса в лабораторных условиях.
Изучение состава нефтеокисляющей микрофлоры почвы
Целью эксперимента было изучение процесса биодеградации парафинов в почве с использованием разработанного нами биореактора открытого типа с сателлитной мешалкой-аэратором.
Задачи: определение общего количества и состава нефтеокисляющей автохтонной микрофлоры торфогрунта.
Для эксперимента был взят универсальный натуральный торфогрунт фирмы «Агроторф» (Ленинградская обл.). Торфогрунт, искусственно загрязненный парафинами, помещался в биореактор с мешалкой-аэратором. В качестве контроля использовалась аналогичное количество загрязненного торфогрунта, помещенного в емкость объемом равную биореактору, механического перемешивания не происходило. Пробы отбирались в начале эксперимента, через 1 час непрерывного перемешивания и через 24 часа от начала эксперимента.
Таблица 1 - Общее количество микроорганизмов (общее микробное число) в биореакторе и контрольном образце
Время, ч Количество колоний в 1 г почвы, КОЕ/г почвы
Контроль Биореактор
0 1,1*105 1,1*105
1 4,24*105 5,8*105
24 6,2*105 1*106
Высевы осуществлялись на питательные среды:
- МПА (мясопептонный агар);
- среда Чапека;
- крахмал-казеиновая среда.
Выводы:
1. Нефтеокисляющая микрофлора исследуемой почвы представлена микроорганизмами:
- бактерии родов: Pseudomonas, Rhodococcus;
- дрожжи рода Candida;
- актиномицеты рода Streptomyces.
2. При незначительной разнице общего микробного числа (относительно контроля) в начале эксперимента, в конце эксперимента оно более чем в 1,5 раза выше в биореакторе.
Список литературы / References
1. Войно Л. И. Биодеградация нефтезагрязнений почв и акваторий / Войно Л. И. // Фундаментальные исследования. - 2006. - № 5. - c. 68-70.
2. Демьяненко А.Ф. Микробиологическая очистка грунтов от нефтепродуктов в закрытых биореакторах изотермического типа / Демьяненко А.Ф., Мизгирев Н.С. // Вестник ВНИИЖТ. - 2005 г.- №5.- с. 9-12.
3. Полозов М.Б. Учебно-методическое пособие «Экология нефтегазодобывающего комплекса» / Полозов М.Б. // Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет». - 2012 г. - 174 с.
4. РД 51-1-96. Инструкция по охране окружающей среды при строительстве скважин на суше на месторождениях углеводородов поликомпонентного состава, в том числе серосодержащих.
5. РД 39-133-94. Инструкция по охране окружающей среду при строительстве скважин на нефть и газ на суше.
6. РД 52.24.354-94. Методические указания. Организация и функционирование системы специальных наблюдений за состоянием поверхностных вод суши в районах разработки месторождений нефти, газа и газоконденсата.
7. ГОСТ 17.4.2.01-81. Охрана природы. Почвы. Номенклатура показателей санитарного состояния.
8. ГОСТ 17.4.3.04-85 Охрана природы. Почвы. Общие требования к контролю и охране от загрязнения.
9. ГОСТ 1510-84. Нефть и нефтепродукты. Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение.
10. ГОСТ 27593-88. Почвы. Термины и определения.
11. ГОСТ 32640-2014. Методы испытаний химической продукции, представляющей опасность для окружающей среды.
12. Витовский В.И. Разработка технологии биологической очистки наземных участков, загрязненных нефтепродуктами, в арктических условиях [Электронный ресурс]: краткий отчет ООО «НавЭкс» по проекту. - 2009. -9 с. - Режим доступа: http://www.microzym.ru/testarc.pdf
Список литературы на английском языке / References in English
1. Vojno L. I. Biodegradacija neftezagrjaznenij pochv i akvatorij Fundamental'nye issledovanija [Biodegradation of petropollution of soils and water areas] / Vojno L. I. // Basic researches.- 2006. - № 5. - р. 68-70. [in Russian]
2. Demyanenko A.F. Mikrobiologicheskaya ochistka gruntov ot nefteproduktov v zakrytykh bioreaktorakh izotermicheskogo tipa [Microbiological purification of soil of oil products in the closed bioreactors of isothermal type] / Demyanenko A.F., Mizgirev N.S. // The VNIIZhT Bulletin. - 2005 г. - №5. - с. 9-12. [in Russian]
3. Polozov M. B. Uchebno-metodicheskoe posobie «Jekologija neftegazodobyvajushhego kompleksa» [Educational and methodical grant "Ecology of an oil and gas extraction complex"] / Polozov M. B. // Izhevsk: Udmurt University publishing house. - 2012. -174 р. [in Russian]
4. CD 51-1-96. Instrukcija po ohrane okruzhajushhej sredy pri stroitel'stve skvazhin na sushe na mestorozhdenijah uglevodorodov polikomponentnogo sostava, v tom chisle serosoderzhashhih [The instruction for environmental protection at construction of wells on the land on fields of hydrocarbons of multicomponent structure, including sulfur-containing]. [in Russian]
5. CD 39-133-94. Instrukcija po ohrane okruzhajushhej sredu pri stroitel'stve skvazhin na neft' i gaz na sushe [The instruction for the protection surrounding the environment at construction of wells on oil and gas on the land]. [in Russian]
6. CD 52.24.354-94. Metodicheskie ukazanija. Organizacija i funkcionirovanie sistemy special'nyh nabljudenij za sostojaniem poverhnostnyh vod sushi v rajonah razrabotki mestorozhdenij nefti, gaza i gazokondensata [Methodical instructions. The organization and functioning of system of special observations of a condition of a surface water of sushi in areas of development of oil fields, gas and gas condensate]. [in Russian]
7. GOST 17.4.2.01-81. Ohrana prirody. Pochvy. Nomenklatura pokazatelej sanitarnogo sostojanija [Natural conservation. Soils. Product indicators of a sanitary state]. [in Russian]
8. GOST 17.4.3.04-85. Ohrana prirody. Pochvy. Obshhie trebovanija k kontrolju i ohrane ot zagrjaznenija [Natural conservation. Soils. The general requirements to control and protection from pollution]. [in Russian]
9. GOST 1510-84. Neft' i nefteprodukty. Markirovka, upakovka, transportirovanie i hranenie [Oil and oil products. Marking, packing, transportation and storage]. [in Russian]
10. GOST 27593-88. Pochvy. Terminy i opredelenija [Soils. Terms and definitions]. [in Russian]
11. GOST 32640-2014. Metody ispytanij himicheskoj produkcii, predstavljajushhej opasnost' dlja okruzhajushhej sredy [Test methods of the chemical production constituting danger to the environment]. [in Russian]
12. Vitovsky V.I. Razrabotka tekhnologii biologicheskoy ochistki nazemnykh uchastkov, zagryaznennykh nefteproduktami, v arkticheskikh usloviyakh [Development of technology of biological cleaning of the onshore sections polluted by oil products in the Arctic conditions] [Electronic resource]: the summary record of LLC Naveks on the project. -2009. - 9 p. - The access mode: http://www.microzym.ru/testarc.pdf [in Russian]
