Сравнение степени утилизации нефти в почве спонтанной микрофлорой с природным и химически модифицированным цеолитом Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВ

УДК: 504.064

СРАВНЕНИЕ СТЕПЕНИ УТИЛИЗАЦИИ НЕФТИ В ПОЧВЕ СПОНТАННОЙ МИКРОФЛОРОЙ С ПРИРОДНЫМ И ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫМ ЦЕОЛИТОМ

УР. Идрисова1, Д.Ж. Идрисова1, Т.Б. Мусалдинов1, О.Н. Ауэзова2, И.Т. Мырзадаулетова1, С.А. Айткельдиева2, А.К. Саданов2

1ТОО «Таза Су» г. Алматы, taza-su@mail.ru. 2РГП «Институт микробиологии и вирусологии КН МОН РК, imv_rk@list.ru

Проведенные модельные эксперименты показали, что цеолит стимулирует деструкционную способность аборигенной микрофлоры. Во всех вариантах модельного эксперимента внесение цеолита постепенно повышало уровень как каталазнои, так и дегидрогеназнои активности. Существеннои разницы в значениях уровня активности этих ферментов в почве как с природным, так и с химически модифицированным цеолитом не отмечено. Определение убыли нефти в почве при этом показало, что химически модифицированный цеолит не имеет преимущества перед природным аналогом.

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение почв нефтью приводит к глубокому изменению практически всех основных характеристик почвы и обуславливает потерю плодородия. Происходит отчуждение значительных площадеи из регулярного землепользования, что сопровождается существенными потерями земельных ресурсов.

В связи с угрожающими размерами загрязнения почвенного покрова нефтью и нефтепродуктами разработка новых эффективных, экономически выгодных и экологически безопасных технологии очистки почвы имеет важное значение для поддержания экологического равновесия. Обширность нефтяных загрязнении почвенного покрова в регионах добычи нефти и длительньш период их существования, наряду с известными методами очистки нефтезагрязненных почв, диктуют необходимость разработки высокоэффективных биотехнологических способов - биоремедиации, направленных на интенсификацию процессов микробио-логическои утилизации нефтяных загрязнении и агромелиоративных приемов ремедиации. В последние годы повышен-ныи интерес вызывает использование

цеолитов в биоремедиации нефтезагряз-неннои почвы. Природные цеолиты - пер-спективныи материал для решения многих технологических и экологических задач [1,2]. Цеолитно-микробиологичес-кая очистка почв и грунтов от загрязнении нефтью и нефтепродуктами не оказывает отрицательного воздеиствия на компоненты окружающеи среды, так как цеолит экологически чистыи, нетоксич-ныи материал. Из литературных данных [3, 4] следует, что в промышленности часто используют модифицированныи цеолит. Целью исследовании было сравнение степени утилизации нефти в почве спон-таннои микрофлорои под воздеиствием природного и химически модифицированного цеолита.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследовании служила почва нефтегазового месторождения Кум-коль Кызылординскои области и цеолит Чанканаиского месторождения с размером частиц до 2 мм.

Для постановки модельных экспериментов по изучению степени очистки нефтезагрязненных почв и влиянию цеолита на биологическую активность, чистую почву перед началом опыта растира-

ли и просеивали через сито (2 мм). Попутно удаляли посторонние примеси и корневые остатки. Эксперимент проводили в пластиковых сосудах, в которые вносили по 100 г почвы. Затем почва была искусственно загрязнена нефтью (в концентрации 5 и 10 %). Согласно схеме опыта в этот грунт был добавлен цеолит. Контролями служила чистая почва и почва загрязненная нефтью, но без цеолита. Опыт был проведен в 3-х кратнои повтор-ности.

Через 1 и 2 месяца определяли ката-лазную активность почвы на специальном приборе, устроиство которого описано в [5]. Активность каталазы выражали в мл кислорода, выделившегося на 1 г почвы в течение 1 минуты.

Дегидрогеназную активность почвы определяли методом Ленарда, которьш основан на калориметрическом изменении формазана (ТТФ), образующегося в результате восстановления 2,3,5-триме-тилтетразолиихлорида (ТТХ). Количество формазана находили по калибровоч-нои кривои, построеннои по чистому фор-мазану. Активность выражали в мг фор-мазана на грамм почвы за сутки [6].

Убыль нефти в почвенных образцах определяли газожидкостным методом.

Модификацию цеолита проводили следующим образом: небольшие порции цеолита (фракция 2 мм) по 1-2 г прокаливали в течение 2 часов, затем помещали в насыщенныи раствор аммиачнои селитры и мочевины. Колбы с насыщенными растворами инкубировали в условиях маг-нитнои мешалки при ^=80°С около 12 часов. Затем цеолит высушивали. В модельном эксперименте модифициро-ванныи таким образом цеолит вносили согласно схеме из расчета 2,5; 5,0; 7,5 и 10,0 т/га.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведение модельных экспериментов с природным цеолитом и его модифи-

цированным аналогом показало, что внесение этого минерала в нефтезагрязнен-ную почву способствует увеличению численности микрофлоры, особенно углево-дородокисляющих микроорганизмов (УОМ) по отношению к контрольным образцам, куда цеолит не вносился. Численность микроорганизмов является индикатором токсичности внесенного поллютанта. Этот показатель чутко реагирует как на дозу поступившеи в почву нефти, так и на ее вид. Как известно, ведущая роль в процессах очистки нефтезаг-рязненных почв принадлежит УОМ, их количество и активность в значительнои мере отражает интенсивнось процессов окисления нефти [7].

Эффективность очистки нефтезаг-рязненнои почвы возможно контролировать не только путем химического анализа остаточного содержания нефти, но и биологическими методами, в числе которых может быть анализ активности ферментов, принимающих непосредственное участие в трансформации углеводородов нефти. [8, 9].

В загрязненнои нефтью почве изменяется интенсивность окислительно- восстановительных ферментативных процессов. С этими биохимическими процессами, происходящими при участии различных ферментов, связан окислитель-ныи распад остатков нефти в почве. У почвенных микроорганизмов важнеиши-ми и широко распространенными деструкторами нефти являются ферменты каталаза и дегидрогеназа [10].

Уровни активности этих ферментов, отмеченные в модельном эксперименте, представлены в таблице 1.

Из данных таблицы видно, что при загрязнении почвы нефтью уровень активности каталазы резко снижается с 4,8 до 1,2 О2/мин/г при 5 % загрязнении и до 0,80 О/мин/г при 10 % загрязнении. Внесение природного цеолита в почву с 5 %

Таблица 1 - Ферментативная активность почвенных образцов с 5 и 10 % содер-

жанием нефти и различными дозами внесенного природного и модифицированного цеолита при фракции 2 мм через 1 и 2 месяца

Вариант Каталаза, О2/мин/г Дегидрогеназа, мкг ТФФ/г/сут.

5% нефти 10% нефти 5% нефти 10% нефти

1 мес. 2 мес. 1 мес. 2 мес. 1 мес. 2 мес. 1 мес. 2 мес.

Контроль (чистая почва) 4,8 1,25

Контроль (без цеолита) 1,2 1,3 0,8 1,0 0,46 0,50 0,20 0,22

природный цеолит

Цеолит 2,5 т/га 1,6 2,0 1,0 1,6 0,61 0,64 0,25 0,28

Цеолит 5,0 т/га 2,6 3,6 1,0 2,2 0,72 0,80 0,24 0,41

Цеолит 7,5 т/га 2,7 3,8 1,2 2,4 0,87 0,94 0,20 0,44

Цеолит 10,0 т/га 2,9 4,0 1,6 2,8 0,92 0,96 0,32 0,50

цеолит с аммиачнои селитрои

Цеолит 2,5 т/га 2,2 2,4 1,4 1,6 0,60 0,62 0,30 0,48

Цеолит 5,0 т/га 3,1 3,5 1,9 3,2 0,68 0,90 0,39 0,54

Цеолит 7,5 т/га 3,1 3,8 2,0 3,3 0,80 0,90 0,44 0,60

Цеолит 10,0 т/га 3,4 4,1 2,2 3,3 0,82 0,91 0,42 0,56

цеолит с мочевинои

Цеолит 2,5 т/га 2,4 2,5 2,0 2,4 0,51 0,56 0,30 0,40

Цеолит 5,0 т/га 2,8 3,0 3,4 3,2 0,55 0,59 0,46 0,48

Цеолит 7,5 т/га 3,0 3,2 2,8 3,2 0,58 0,60 0,48 0,48

Цеолит 10,0 т/га 3,2 4,0 2,9 3,2 0,52 0,59 0,32 0,50

нефтяным загрязнением повысило уровень каталазнои активности через месяц от 1,6 °2/мин/г до 2,9 О2/мин/г в зависимости от дозы внесенного цеолита. Через 2 месяца наибольшая каталазная активность наблюдалась в варианте с макси-мальнои дозои внесенного цеолита и достигала 4,0 О/мин/г. Такая же тенденция отмечена и для почвы с 10% загрязнением, однако, в этих почвах каталазная активность не превышала 2,8 О/мин/г. Значения каталазнои активности при внесении модифицированного цеолита с аммиачнои селитрои как при 5 %, так и при 10 % загрязнении через 1 месяц были несколько выше, чем с природным цеолитом, но уже через 2 месяца уровень катала-зы был практически таким же. Тестирование почвы с цеолитом и мочевинои показало сходные результаты.

Такая же закономерность отмечена и при изучении дегидрогеназнои активности почвенных образцов. В контрольном образце (чистая почва) уровень

дегидрогеназнои активности составлял 1,25 мкг ТФФ/г/сут, внесение нефти снизило активность этого фермента до 0,46 мкг ТФФ/г/сут при 5% и 0,20 мкг ТФФ/г/сут при 10 % загрязнении. Самыи высокии уровень дегидрогеназнои активности с 5 % нефтяным загрязнением после 1 месяца инкубации отмечен с природным цеолитом, а с 10 % - с модифицированным цеолитом и аммиачнои селитрои. Во всех вариантах модельного эксперимента внесение цеолита постепенно повышало уровень как каталазнои, так и дегидрогеназнои активности. Отмечена корреляция между увеличением активности этих ферментов и дозои вносимого в почву цеолита. Уровень активности этих ферментов в почве, так же как и численность углеводородокисляющих микроорганизмов, является определенным критерием состояния почвы в отношении ее самоочищающеи способности от нефтяных ингредиентов [11].

Наиболее показательным тестом по самоочищению почвы от нефти является химическое определение убыли нефти в почвенных образцах. Деструкционную активность аборигеннои микрофлоры

выражали в процентах утилизируемои нефти от ее первоначальнои концентрации.

На рисунке 1 показана убыль нефти через 1 и 2 месяца в почвенных образцах с природным и модифицированным цеоли-

' модифицированный цеолит с аммиачной селитрой

I модифицированный цеолит с мочевиной

контроль

природный неолит

цеолит с аммиачной селитрой 'модифицированный цеолите мочевиной

5 % нефти 1 месяц

5 % нефти 2 месяца

контроль

- природный цеолит

У модифицированный неолит с аммиачной селитрой модифицированный неолит с мочевиной

12 13

и: природный цеолит

^ модифицированный цеолит с аммиачной селитрой I модифицированный цеолит с мочевиной

ю и

12 13

10 % нефти 1 месяц

10 % нефти 2 месяца

Рисунок 1 - Степень утилизации 5 % и 10 % нефти в почве с природным и модифицированным цеолитом через 1 и 2 месяц.

Примечание: 1 - контроль, 2 - цеолит 2,5 т/га, 3 - цеолит 5,0 т/га, 4 - цеолит 7,5 т/г, 5 - цеолит 10,0 т/г, 6 - цеолит 2,5 т/га + Ш4 N0, 7 - цеолит 5,0 т/га + Ш4 N0, 8 - цеолит 7,5 т/га + Ш4 N0, 9 -цеолит 10,0 т/га + NH4 N0, 10 - цеолит 2,5 т/га + ^Н2]2С0, и - цеолит 5,0 т/га + ^Н2]2С0, 12 -цеолит 7,5 т/га + ^Н2]2С0, 13 - цеолит 10,0 т/га + ^Н2]2С0

том с 5 % нефти на фоне контроля, куда модифицированного аналога с аммиач-цеолит не вносили. Как видно, через 1 нои селитрои, значения утилизации месяц экспозиции при дозе внесенного нефти примерно равнозначны и состав-цеолита 2,5 т/га убыль нефти была мини- ляют от 42,6 до 50,8 %. Внесение цеолита с мальнои во всех почвенных образцах и мочевинои, в тех же дозах, не вызвало уве-составила от 20,5 до 25,4 %. С увеличени- личения деструкционнои активности, за ем дозы вносимого цеолита, как природ- исключением дозы 10,0 т/га, где утилиза-ного, так и химически измененного, дес- ция нефти составила 48,7 %. Через 2 меся-трукционная способность спонтаннои ца инкубации с 5 % нефти наблюдалась микрофлоры возрастает. Отмечено, что аналогичная картина. Самая значитель-при внесении природного цеолита и его ная убыль нефти с 10 % нефтяным загряз-

нением через 1 и 2 месяца по отношению к контрольным почвенным образцам отмечена при внесении природного цеолита в дозах 5,0; 7,5 и 10,0 т/га. Доля утилизации нефти через 1 месяц при этом составляла от 32,7 до 38,0 %. Только внесение максимальнои дозы цеолита (10,0 т/га), как с аммиачнои селитрои, так и с мочевинои, приближало очистку почвы от нефти к этим значениям.

Через 2 месяца экспозиции самыи луч-шии эффект по очистке почвы отмечен так же с природным цеолитом и в тех же дозах. Он составил от 39,4 до 40,9 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведенные модельные эксперименты показали, что цеолит

стимулирует деструкционную способность аборигеннои микрофлоры. Во всех вариантах модельного эксперимента внесение цеолита постепенно повышало уровень как каталазнои, так и дегидрогеназ-нои активности. Существеннои разницы в значениях уровня активности этих ферментов в почве как с природным, так и с химически модифицированным цеолитом не отмечено. Определение убыли нефти в почве при этом показало, что химически модифицированныи цеолит не имеет преимущества перед природным аналогом. При биоремедиации нефтезагрязненных почв экономически более оправданным будет использование природного, а не модифицированного цеолита.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Терещенко Н.Н., Лушников С.В., Бубина А.Б. Цеолиты и нефтяные загрязнения почвы // Энергия: Экономика, техника, экология. 2007. №1. С. 24-30.

2. Коновалова Е.В. Влияние цеолитов и фитомелиоранта на агроэкологические показатели нефтезагрязненных почв в криоаридных условиях Забаикалья. Дисс. на соис. ученои степени кандидата сельскохозяиственных наук. Улан-Удэ. 2009. 142 с.

3. Челищев Н.Ф. Ионообменные своиства природных высококремнистых цеолитов. М.: Наука. 1988. 128 с.

4. Поляков В.Е., Тарасевич Ю.И., Медведев М.И. Ионообменная сорбция аммония и калия клиноптилолитом и разработка технологии их извлечения из сточных вод // Химия и технология воды. 1979. Т.1. № 2. С.19-24.

5. Звягинцев Д.Г. Методы почвеннои микробиологии и биохимии. Изд-во МГУ 1991. С. 59-75.

6. Башкин В.Н., Калинина И.Е., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А. Диагностика углеводородного загрязнения почвы и ее биоремедиации посредством анализа активности дегидрогеназы // Защита окружающеи среды в нефтегазовом комплексе. 2009. №6. С. 4-7.

7. Идрисова У. Р., Идрисова Д. Ж., Мусалдинов Т. Б., Ауэзова О. Н., Мырзадаулетова И.Т. Курманбаев А. А., Аиткельдиева С. А. Определение оптимальнои дозы и фракции цеолита для увеличения активности микрофлоры нефтезагрязненнои почвы // Микробиология жэне вирусология. 2013. №1. С. 21-31.

8. Baran S. Bielinsko J.E., Oleazezuk P. Enzimatic activity in an airfield soil polluted with polycyclic aromatic hydrocarbons // Geoderma. 2004. Vol. 118. P. 221-232.

9. Boopathy R. Factors limiting bioremediation technologies // Bioresur. Technol. 2000. Vol.74. P. 63-67.

10. Башкин В.Н., Калинина И.Е., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А. Экспресс-диагностика углеводородного загрязнения почвы и ее биоремедиации посредством анализа каталазы // Защита окружающеи среды в нефтегазовом комплексе. 2009. №7. С. 4-7.

11. Bieederbeck V.O., Zenter R.P, CambellCA Soil microbial populations and activités as influenced by legume green fallow in a semiramid climate // Soil. Biol. Bioch. 2005. Vol. 37. P. 1775-1784.

TYftlH

ЖYргiзiлген модельщ тэжiрибелер цеолитан, аборигендж микрофлоралардын, ыдырату цабыетш жылдамдататынын керсета. Модельдiк тэжiрибешн, барлы^ нус^аларында цеолита енпзу эрекет каталазалыщ жэне дегидрогеназальщ бел-сендiлiк децгешн бiртiндеп арттырады. Табиги да, химиялыщ жетiлдiрiлген цеолит-пен де топыра^тагы осы ферменттердщ белсендiлiк децгешнщ мэндерiнде елеулi айырмашылыщ бай^алмады. Топыра^тагы мунайдыц азаюын аны^тауда химиялыщ жетiлдiрiлген цеолитан, табиги цеолиттен басымдылыгы жо^тыгын керсеттi.

SUMMARY

Conducted simulation experiments showed that the zeolite promotes destructive capacity of the indigenous microflora. In all variants of the model experiment making zeolite gradually increased as the level of catalase and gehydrogenase activity. No significant difference in the values of the level of activity of these enzymesin the soil so as to natural and chemically modified zeolite was not observed. Determination of loss of oil in the soil thus showed that the chemically - modified zeolite has no advantages over the natural analogue.