CC BY
68
УДК 574.24
А. Я. Давлетшина, И. А. Дегтярева, И. А. Яппаров,
Т. Ю. Мотина, Г. Ф. Рахманова, Э. Л. Ибрагимова, Д. В. Ежкова
РЕМЕДИАЦИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОНСОРЦИУМА АБОРИГЕННЫХ
МИКРООРГАНИЗМОВ-ДЕСТРУКТОРОВ И НАНОСТРУКТУРНОГО СОРБЕНТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ПРОДУКЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Ключевые слова: ремедиация, загрязнение, микроорганизмы-деструкторы, консорциум, наноструктурный бентонит,
бионаноудобрение.
Для ремедиации нарушенных почв создано бионаноудобрение на основе консорциума, состоящего из трех штаммов-деструкторов в соотношении 1:1:1, с титром бактериальной суспензии 3,01012 КОЕ/см3, и наноструктурного бентонита (0,3 т/га). В условиях вегетационного эксперимента установлено, что содержание углеводородов к 90 сут в результате самоочищения снижается на 32,0%, при внесении в почву консорциума микроорганизмов-деструкторов - на 68,5%, наноструктурного сорбента - на 59,2%. В варианте с внесением бионаноудобрения (консорциум совместно с нанобентонитом) содержание углеводородов к концу эксперимента снижается на 70,5%. Наносорбент из почвы не удаляется, так как он является источником минерального питания для автохтонной микрофлоры и улучшает структуру почвы. Входящие в состав консорциума микроорганизмы-деструкторы активно встраиваются в естественную популяцию, адаптируются и начинают эффективно разлагать углеводороды, используя их в качестве питания и энергии. Таким образом, использование комплексного бионаноудобрения позволяет значительно сократить сроки ремедиации нефтезагрязненной почвы в природно-климатических условиях Республики Татарстан.
Key words: remediation, contamination, microorganisms-destructors, consortium, nanostructured bentonite, bionanofertility.
Bionano-fertilizer was created on the basis of a consortium consisting of three destructor strains in a 1:1:1 ratio, with a bacterial suspension titer of 3.0-1012 CFU/cm3 and nanostructured bentonite (0.3 t/ha) to remediate disturbed soils. It was found in the vegetation experiment conditions that the content of hydrocarbons up to 90 days is reduced to 32.0% as a result of self-cleaning; the consortium of microorganisms-destructors is introduced into the soil - to 68.5%; the nanostructured sorbent - to 59.2%. By the end of experiment the content of hydrocarbons was reduced by 70.5% in the variant with the introduction of bionano-fertilizers (consortium together with nanobentonite). Nanosorbent is not removed from the soil, as it is a source of mineral nutrition for autochthonous microflora and improves soil structure. The microorganisms-destructors included in the consortium are actively integrated into the natural population, adapt and begin to efficiently decompose hydrocarbons, using them as nutrition and energy. Thus, using of complex bionano-fertilizer can be significantly reduce the period of oil contaminated soil remediation in natural and climatic conditions of the Republic of Tatarstan.
Введение
Использование сорбентов в комбинации с микробиологическими методами является перспективным способом рекультивации и способствует снижению токсического действия углеводородов на почвенные системы и стимуляции активности микроорганизмов.
Большой практический интерес для снижения токсичности нефтезагрязненных почв в процессе рекультивации представляют сорбенты -природные нерудные минералы (агроминералы), например, бентонитовые глины, запасы которых в Республике Татарстан значительны (120 млн. т), и их активированные аналоги [1]. Бентониты обладают большой площадью активной поверхности благодаря своей высокопористой структуре, что обеспечивает и сорбцию углеводородов нефти и адгезию клеток углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ). Специфичность сорбционных и ионообменных свойств бентонитов обусловлена подвижной ленточно-слоистой структурой с разбухающими пакетами [2].
В работах Яппарова А.Х. с соавторами (2011), Глязнецовой Ю.С. (2012), Бахиревой О.И. с соавторами (2013) при ремедиации применяют соответственно бентонит, цеолит, глауконит [3-5].
Перспективным решением проблемы
ремедиации нефтезагрязненных почв является использование как отдельных штаммов, так и консорциумов углеводородокисляющих
микроорганизмов. В работе О.Д. Сидоренко с соавторами (2002) при применении ассоциаций микроорганизмов биодеградация нефти происходит более эффективно и за меньшие сроки, чем при использовании индивидуальных бактерий [6]. Интродуцируемые микроорганизмы-деструкторы должны обладать высокой метаболической активностью и скоростью потребления углеводородов нефти, конкурентной способностью к длительному выживанию в изменяющихся условиях окружающей среды [7].
Цель исследований - оценка состояния нефтезагрязненной темно-серой лесной почвы при внесении комплексного бионаноудобрения на основе консорциума эффективных
микроорганизмов-деструкторов и наноструктурного бентонита.
Экспериментальная часть
Исследования углеводородокисляющих
микроорганизмов включали: выделение природных ассоциаций, определение их свойств [8, 9], характеристику эффективности микроорганизмов-
деструкторов по отношению к различным углеводородам.
Химический состав бентонита Тарн-Варского месторождения Республики Татарстан определяли методом количественного спектрального анализа на спектрометре ЭС-1 на базе дифракционного спектрографа ДФС-458С и фотоэлектронного регистрирующего устройства типа ФП-4, оснащенных компьютерной программой.
Наноструктурный бентонит получали методом ультразвукового воздействия. Бентонитовую глину, которую подвергли термообработке до влажности 5.0-7.0% и механическому измельчению до 0.035 мм, добавляли в деионизированную воду в концентрации 25.0 г на 100.0 мл воды. На водно-бентонитовую суспензию оказали ультразвуковое воздействие в приборе УЗУ-0,25 (ОАО УПП «Вектор», Россия) при частоте 18.5 кГц (±10%), удельной мощности - 80 Вт/л, амплитуде колебаний ультразвукового волновода 5 мкм. Длительность дисперсии - 20 мин. Размер и форму частиц бентопорошка и наноструктурного бентонита изучали методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе MultiMode V фирмы Veeco (США). Получение наноструктурного бентонита и исследование его структуры проводили в Научно-исследовательском инновационно-прикладном центре «Наноматериалы и нанотехнологии» г. Казани.
Структуру бентопорошка и наноструктурного бентонита исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии на электронном микроскопе-анализаторе (ЭММА-4) в аналитико-технологическом сертификационном
испытательном центре ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» г. Казани.
Бионаноудобрение, которое вносили из расчета 20 мл на вегетационный сосуд, создано из консорциума микроорганизмов-деструкторов (титр
бактериальной суспензии не менее 3,0 1012 КОЕ/см3) и наноструктурного бентонита (0,3 т/га).
Вегетационный опыт с фитомелиорантом (горох сорта Кабан) на темно-серой лесной почве, имеющей агрохимическую характеристику: гумус -4,05%, рН сол. - 5,90, Нг - 1,23 мг-экв/100 г, сумма поглощенных оснований - 20,4 мг-экв/100 г, No6^ -0,23%, Р2О5 - 130,0 мг/кг, К2О - 118,5 мг/кг, выполняли по схеме: 1) контроль (почва без растений); 2) почва + растения; 3) почва + дизельное топливо (ДТ) (5%); 4) почва + ДТ (5%) + растения; 5) почва + ДТ (5%) + консорциум микроорганизмов-деструкторов (КМД); 6) почва + ДТ (5%) + бентопорошок + растения; 7) почва + ДТ (5%) + КМД + бентопорошок; 8) почва + ДТ (5%) + КМД + бентопорошок + растения; 9) почва + ДТ (5%) + нанобентонит + растения; 10) почва + ДТ (5%) + бионаноудобрение; 11) почва + ДТ (5%) + бионаноудобрение + растения. Отбор проб проводили в день закладки опыта и через 10, 30, 45, 60, 90 сут.
Содержание углеводородов в почвенных образцах определяли согласно ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 «Методика выполнения измерений массовой доли
нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии». Определение численности углеводородокисляющих
микроорганизмов проводили по общепринятым методикам [10]. Статистическую обработку результатов проводили с помощью электронных таблиц Excel и программы Origin 4.1.
Результаты и их обсуждение
Ранее разработанная технология рекультивации нефтезагрязненных территорий [3] усилена применением бионаноудобрения.
Из почв Республики Татарстан выделены консорциумы микроорганизмов-деструкторов
углеводородов. Наиболее эффективным из них является ассоциация из трех штаммов, способная активно расти в присутствии нефтепродуктов до 12% массы почвы и утилизировать различные углеводороды (дизельное топливо, мазут, вакуумный газойль, гексан, фенол, толуол). Каждый из штаммов консорциума способен утилизировать ДТ в концентрации до 10%. На основании молекулярно-биологических методов штаммы идентифицированы как Pseudomonas stutzeri Р-1026 (RCAM02107), Achromobacter insolitus А-102 (RCAM02108), Achromobacter xylosoxidans А-10 (RCAM02109).
Проведено изучение физических характеристик бентопорошка и установлено, что он состоит из отдельных крупных, обособленных конгломератов микрометрового размера. В поле зрения микроскопа при увеличении в 300 раз наблюдали до 250-300 объектов. Изображение поверхности
наноструктурного бентонита представляет собой распушенную, порошкообразную, объемную структуру с увеличением физической площади вещества в 15-19 раз, разбросом частиц, уменьшением их размеров и увеличением количества.
При изучении структуры бентопорошка и наноструктурного бентонита установлены размеры их частиц и площадь. При анализе с помощью АСМ топографического изображения поверхности бентопорошка выделены два вида конгломератов: размерами от 120 до 800 нм и от 0,9 до 22 мкм (рис. 1А). Изучение топографического изображения поверхности наноструктурного бентонита, полученного с применением АСМ, позволяет сделать вывод, что он представлен слипшимися частицами, но меньших размеров - от 5 до 82 нм (рис. 1Б). Сгруппированные частицы имеют форму расплющенных, стекающих бугорков.
Расположение частиц носит хаотичный характер. Диспергирование конгломератов бентонита размерами от 20 до 22 мкм обусловливает увеличение площади его поверхности примерно в 10 раз. Дробление системы до частиц размером 200 нм способствовало увеличению площади контакта в 90100 раз, до 20 нм - в 800-1000 раз.
Для ремедиации нарушенных почв создано бионаноудобрение на основе консорциума, состоящего из трех штаммов-деструкторов, и наноструктурного бентонита.
4
3
1 2 1
Б
Рис. 1 - Изображение топографии поверхности бентонита (А) и наноструктурного бентонита (Б). АСМ
Численность УОМ во всех вариантах с внесением наноструктурного бентонита уже на 30 сут достигала 250 10° КОЕ/г и продолжала увеличиваться до 45 сут, в то время как при применении бентонита количество УОМ на 30 сут составило 248 10° КОЕ/г и в дальнейшем находилось на этом уровне.
Внесение консорциума и с наноструктурным бентонитом, и с макроаналогом максимально стимулировало рост УОМ и способствовало сохранению численности этих микроорганизмов на высоком уровне в течение всего эксперимента.
При использовании бионаноудобрения на 10 сут численность УОМ превысила контроль в 2,9 раза и возрастала до 45 сут.
В условиях вегетационного эксперимента установлено, что содержание углеводородов к 90 сут в результате самоочищения снижается на 32,0%, при выращивании гороха на загрязненной почве -на 44,6%, при совместном использовании консорциума микроорганизмов-деструкторов и растений - на 61,8%, при внесении консорциума -на 68,5%.
С внесением наноструктурного сорбента и бентопорошка содержание углеводородов на 90-е
сут уменьшается на 59,2 и 45,6% соответственно. В вариантах с внесением консорциума совместно и с бентонитом, и с бионаноудобрением (консорциум совместно с нанобентонитом) содержание углеводородов к концу эксперимента снижается на 64,4 и 70,5% соответственно. По-видимому, сорбирование нефтепродуктов происходит за счет проникновения молекул углеводородов в межслоевые пространства наноструктурного бентонита, а свободные химически активные структуры обеспечивают удержание углеводородов в его составе.
Таким образом, наноструктурный бентонит, при дозе внесения в 40 раз меньшей по сравнению с дозой бентопорошка, усиливает эффективность очистки загрязненных почв до 13%. Наноструктурный сорбент не удаляется, так как он является источником минерального питания для автохтонной микрофлоры и улучшает структуру почвы. Входящие в состав консорциума микроорганизмы-деструкторы активно
встраиваются в естественную популяцию, адаптируются и начинают эффективно разлагать углеводороды, используя их в качестве питания и энергии.
Таким образом, из выделенных аборигенных микроорганизмов-деструкторов углеводородов сформирован эффективный консорциум, изготовлен сорбент нового поколения - наноструктурный бентонит, превосходящий по своей эффективности макроаналог. Использование бионаноудобрения на их основе позволило значительно сократить сроки ремедиации нефтезагрязненной почвы в природно-климатических условиях Республики Татарстан.
Литература
1. А.М. Ежкова, А.Х. Яппаров, И.А. Яппаров, В.О. Ежков Коррекция содержания солей тяжелых металлов бентонитами в системе «почва — растение — животное — животноводческая продукция» в регионах различной степени техногенной нагрузки Казань: Центр инновационных технологий, 2008. - 340 с.
2. И.А. Дегтярева, А.М. Ежкова, А.Х. Яппаров, И.А. Яппаров, В.О. Ежков, Э.В. Бабынин, А.Я. Давлетшина, Т.Ю. Мотина, Д.А. Яппаров Российские нанотехнологии, 11, 9-10, 116-122 (2016).
3. А.Х. Яппаров, И.А. Дегтярева, И.А. Яппаров, А.М. Ежкова, А.Я. Хидиятуллина Технология получения экологически безопасной продукции сельского хозяйства при биорекультивации нефтезагрязненных почв аборигенн ыми углеводородокисляющими микроорганизмами и наноструктурированными бентонитами Казань: Изд-во Центра инновационных технологий, 2011. - 220 с.
4. Ю.С. Глязнецова Арктика и Север, 5, 1-12 (2012).
5. О.И. Бахирева, А.В. Басов, Т.В. Кондратьева, С.А. Иларионов, В.В. Горелов, В.Н. Басов Научно-технический вестник Поволжья, 2, 79-81 (2013).
6. О.Д. Сидоренко, Л.И. Войно, Т.А. Павликова Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания: сб. докл. Всероссийской научно- технической конференции-выставки. М.: Изд-во МГУП. 176-178 (2002).
7. А.А. Ветрова, А.А. Иванова, А.Е. Филонов, В.А. Забелин, А.Б. Гафаров, С.Л. Соколов, И.А. Нечаева, И.Ф. Пунтус, А.М. Боронин Известия Тульского
государственного университета. Естественные науки, 2, 1, 241-257 (2013). 8. И.А. Дегтярева, А.Я. Хидиятуллина Вестник Казанского технологического университета, 15, 5, 134136 (2012).
9. И.А. Дегтярева, А.Я. Хидиятуллина Вестник Казанского технологического университета, 17, 13, 242-245 (2014).
10. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. М.: МГУ. - 1991. - 304 с.
© А. Я Давлетшина - кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник отдела агроэкологии и микробиологии, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; И. А. Дегтярева - доктор биологических наук, заведующий отделом агроэкологии и микробиологии, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; И. А. Яппаров - доктор биологических наук, врио директора Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; Т. Ю. Мотина - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник отдела агроэкологии и микробиологии, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; Г. Ф. Рахманова - научный сотрудник отдела почвенной биологии, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; Э. Л. Ибрагимова - магистрант кафедры промышленной биотехнологии, Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет, [email protected]; Д. В. Ежкова - бакалавр кафедры пищевой биотехнологии, Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет, [email protected].
© A. Ya. Davletshina - Ph. D. of agricultural science, researcher of a department agroecology and microbiology, Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, [email protected]; 1 A. Degtyareva - dortor of biology Science, head of a department agroecology and microbiology, Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, [email protected]; I. A. Yapparov - dortor of biology Science, Acting Director Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, [email protected], T. Yu. Motina - Ph. D. of biological science, researcher of a department agroecology and microbiology Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, [email protected]; G. F. Rakhmanova - researcher of a department soil biology Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, [email protected]; E. L. Ibragimova - master student of the department of industrial biotechnology, Kazan National Research Technological University, [email protected]; D. V. Ezhkova - bachelor Department of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University, [email protected].
