CC BY
54
УДК 504.05:581.14
Г. Ф. Рахманова, Н. Л. Шаронова, И. А. Дегтярева
ВЛИЯНИЕ НАНОСОРБЕНТА НА ПРОЦЕССЫ БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ
Ключевые слова: наноструктурная водно-бентонитовая суспензия, нефтяное загрязнение, биоремедиация, серая лесная
почва, вика посевная.
Исследовано влияние наноструктурной водно-бентонитовой суспензии на процесс биоремедиации серой лесной почвы при 3%-ном загрязнении девонской нефтью и при выращивании вики посевной. При внесении наносорбента в почву без растений установлено снижение содержания углеводородов на 43,3% по сравнению с исходным уровнем загрязнения. Отмечено снижение фитотоксичности при применении наноструктурной водно-бентонитовой суспензии в отношении всхожести семян и надземной биомассы вики посевной. Выявлен эффект фиторемедиации: концентрация углеводородов при предпосевной обработке семян наноструктурным бентонитом снизилась на 53,3% к начальному уровню.
Keywords: nanostructural water-bentonite suspension, oil pollution, bioremediation, grey forest soil, vetch.
The influence of nanostructured water-bentonite suspension on the process of bioremediation of gray forest soil was investigated with 3% pollution by Devonian oil and when growing vetch. Decrease of hydrocarbon content of 43,3% from initial level of contamination was measured after insertion of nanosorbent into soil without plants. The reduction of toxicity was observed after usage of nanostructured water-bentonite suspension in regard to seed germination and aboveground biomass of vetch. The effect of phytoremediation was identified: concentration of hydrocarbons in the pre-treatment of seeds with nanostructured bentonite decreased by 53.3% to the initial level.
Введение
Добыча и переработка нефти сопряжены с интенсивным загрязнением природной среды. Углеводороды нефти способны к вертикальной миграции по профилю почвы с током воды и сорбции в отдельных почвенных горизонтах, что способствует масштабному и длительному загрязнению всех сопредельных сред. Поступление компонентов нефти в почву приводит к комплексным изменениям ее физических, химических и микробиологических свойств, и, в конечном итоге, к снижению или полной потере плодородия.
В Российской Федерации в настоящее время добыча нефти составляет более 500 млн т в год, при этом в рекультивации нуждается более 1,2 млн га земель. Проблема загрязнения земель углеводородами остро стоит и в Республике Татарстан (РТ), что обусловлено многолетней добычей нефти (в 2013-2015 гг. более 30 млн т) и функционированием крупных нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий [1].
К основным технологиям восстановления нефтезагрязненных почв относятся механические, физико-химические и биологические. Особый интерес представляет применение фиторемедиации - процесса, основанного на использовании растений для очистки почв от углеводородного загрязнения. Однако применение этого метода ограничено из-за высокой фитотоксичности углеводородов, в результате чего растения рекомендуют выращивать на заключительных этапах рекультивационных мероприятий.
Перспективным направлением для решения этой проблемы является применение инновационных препаратов, созданных на основе нанотехнологий, имеющих высокую сорбционную активность в отношении широкого спектра углеводородов и
способных снижать токсическое действие поллютантов на почвенно-растительные системы [2, 3]. Такие сорбенты должны быть экологически безопасными, эффективными и доступными. В этой связи особый интерес представляют природные материалы с выраженной сорбционной активностью, в том числе, минералы, широко распространенные в РТ - бентониты, фосфориты, цеолиты и др.
В работе В.О. Ежкова с соавторами предложен способ получения наноструктурных минералов из бентонита, глауконита, сапропели, фосфорита, изучены физико-химические свойства, выявлены существенные различия в их строении в сравнении с макроаналогами [4]. Данные о положительном влиянии наноминералов, полученных тем же способом, на продуктивность сельскохозяйственных культур показаны в нескольких работах [5, 6]. Биорекультивации нефтезагрязненных почв с комплексным использованием консорциума аборигенных микроорганизмов-деструкторов и наноструктурного бентонита посвящена
диссертация А.Я. Хидиятуллиной [7].
Актуальны исследования о влиянии наноминералов на процессы жизнедеятельности растений в условиях загрязнения почвы углеводородами нефти. В связи с этим целью работы являлось изучение влияния наноструктурной водно-бентонитововй суспензии (НВБС) на морфометрические параметры вики посевной и процесс биоремедиации нефтезагрязненной серой лесной почве.
Экспериментальная часть
Объектами исследований являлись серая лесная почва, девонская нефть, наноструктурная водно-бентонитовая суспензия, изготовленная из
бентонитовых глин Тарн-Варского месторождения РТ, вика посевная сорта Льговская 22.
Почва имела следующую агрохимическую характеристику: содержание гумуса - 3,3% по методу Тюрина в модификации ЦИНАО; рН солевой вытяжки (рНсол.) - 5,9 по методу ЦИНАО; гидролитическая кислотность (Нг) - 3,2 мг-экв/100 г почвы по методу Каппена в модификации ЦИНАО, сумма поглощенных оснований (Бпо) - 21,3 мг-экв./100 г почвы по методу Каппена, Р2О5 - 132,0 мг/кг и К2О - 116,0 мг/кг по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО. Учетная площадь делянки 50,0 м . Продолжительность эксперимента - 90 сут. Девонская нефть - маслянистая жидкость темно-бурого цвета с характерным запахом бензина и керосина, содержанием серы - 1,2%, кристаллического парафина - 4,3% и смол - до 37%.
Химический состав бентонита представлен, %: Б102 - 66,6; А1203 - 17,04; Ре203 - 5,5; К20 - 2,6;
- 1,5; СаО - 0,8; ТЮ2 - 0,6; 803 - 0,4; №20 -0,2; Р205 - 0,1; Мп0 - 0,03; органический остаток -5,1. Минеральный состав, %: монтмориллонит -80,0-82,0; гидрослюда - 6,0-8,0; каолинит - 6,0 и кварц - 5,0-7,0.
НВБС была получена в результате совместной работы ФГБНУ «Татарский НИИАХП» и Научно-исследовательского инновационно-прикладного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» ФГБОУ ВПО Казанского национального исследовательского технологического университета методом ультразвукового воздействия на бентонит при частоте 18,5 кГц (±10%) [8].
Полевые опыты закладывали в «ООО Алан» Тюлячинского муниципального района РТ на серой лесной среднесуглинистой почве по схеме: контроль-1 (без растений) при 0 и 3% нефти; контроль-2 (с растениями) при 0 и 3% нефти; внесение бентонита в почву без растений в дозе 12 т/га при 0 и 3% нефти; предпосевная обработка семян бентонитом в дозе 1,25 кг/т при 0 и 3% нефти; внесение НБВС в почву без растений в дозе 0,3 т/га при 0 и 3% нефти; предпосевная обработка семян НБВС в дозе 1,25 кг/т при 0 и 3% нефти. Дозы для предпосевной обработки семян и заделке в почву установлены опытным путем.
Всхожесть и энергия прорастания семян вики посевной определяли по методике, представленной в работе Ларионовой Н.Л. (2005) [9]. Содержание углеводородов в почвенных образцах согласно ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 на приборе КН-2 [10].
Результаты и их обсуждение
Всхожесть семян и энергия их прорастания являются одними из основных показателей, оказывающих существенное влияние на жизнедеятельность растений, а также качественные и количественные показатели урожайности. В контрольном варианте без загрязнения всхожесть семян составила 83,0%. При предпосевной обработке семян бентонитом в дозе 1,25 кг/т всхожесть повысилась до 87,0%, а наиболее высокие показатели 90,0% были отмечены при предпосевной
обработке семян НБВС в дозе 1,25 кг/т. При загрязнении почвы нефтью полевая всхожесть семян во всех вариантах снижалась: в контроле - на 25,4%, при предпосевной обработке бентонитом - на 15,2%, при обработке семян НБВС - на 10,6%.
Энергия прорастания в вариантах с предпосевной обработкой семян бентонитом и НБВС в дозе 1,25 кг/т снижалась в меньшей степени на 15,0% и 30,0% по сравнению с контрольным вариантом без внесения сорбентов - до 50,0%.
В работах некоторых исследователей также отмечается снижение всхожести и энергии прорастания семян при загрязнении почвы нефтью [11], что обусловлено нарушением водно-физических свойств почвы и токсическим действием углеводородов.
На основании полученных нами данных выявлено снижение токсического эффекта углеводородов в отношении всхожести семян вики посевной при применении НВБС и бентонита (в меньшей степени) в качестве средства предпосевной обработки семян.
Одним из информативных параметров роста и развития растений служит также накопление биомассы. В контроле в незагрязненной почве биомасса растений составила 0,96 кг/м2. Применение бентонита при предпосевной обработке семян в дозе 1,25 кг/т способствовало увеличению биомассы вики до 1,10 кг/м2, прирост составил 14,0% по сравнению с контролем. НВБС в той же дозе обладала большей стимулирующей активностью: урожайность надземной биомассы составила 1,15 кг/м2, прибавка к контролю - 20,0%. По нашему мнению, объяснением механизма действия НВБС может служить проникновение наночастиц в клетки растений последующая активация их метаболизма и стимуляция роста.
Следует отметить, что исследования о влиянии нановеществ на рост и развитие растений, а также на процессы био- и фиторемедиации в условиях загрязнения единичны. В работе Дегтяревой И.А. и Давлетшиной А.Я. (2015) приведены данные о выращивании гороха и яровой пшеницы в черноземной почве, загрязненной дизельным топливом [12].
В ходе исследования установлено, что
загрязнение почвы нефтью сопровождалось
депрессией биомассы растений во всех вариантах.
Снижение показателя в контроле-2 при 3%-ном
загрязнении составило 16,7% по сравнению с
аналогичным контролем без загрязнения, при
предпосевной обработке семян бентонитом в дозе
1,25 кг/т в нефтезагрязненной почве биомасса - 0,92 22 кг/м , в варианте без обработки - 0,80 кг/м (прирост
15,0%). По сравнению с контролем без загрязнения
накопление биомассы при обработке семян
бентонитом снижалось на 4,2%, в то время как в
незагрязненном варианте с предпосевной
обработкой - на 16,4%.
В варианте с предпосевной обработкой семян НБВС в дозе 1,25 кг/т биомасса составила 0,99 кг/м2, прирост к контролю с загрязнением - 23,4%, а к контролю без загрязнения - 3,1%. По сравнению с
предпосевной обработкой семян НБВС в дозе 1,25 кг/т (0%) надземная биомасса снижалась на 13,9%.
Таким образом, выращивание вики посевной из семенного материала, обработанного и бентопорошком, и наноструктурным минералом, способствовало снижению токсического эффекта нефтяного загрязнения почвы в отношении накопления биомассы растений.
Сорбционная емкость природных нерудных минералов и их активированных аналогов является важным фактором, влияющим на биологическую активность нефтезагрязненной почвы, и может играть положительную роль в биодеградации в зависимости от типа сорбента и природы углеводородов. Поэтому на следующем этапе исследовали процесс биоремедиации загрязненной нефтью почвы.
Так, если в контрольном варианте без растений содержание углеводородов составило 2,9 мг/кг, то при заделке бентонита в почву без растений в дозе 12 т/га их содержание снизилось до 2,1 мг/кг: уменьшение по сравнению с исходным уровнем на 30,0%, по отношению к контролю без растений на 26,7%. При внесении в почву НБВС в дозе 0,3 т/га содержание углеводородов составило 1,7 мг/кг, что ниже показателей исходного содержания на 43,3%; контроля без растений - на 40,0%, при заделке бентонита - на 13,3%. Следовательно, применение бентонита и НБВС способствует существенному снижению содержания углеводородов в почве, усиливая эффект биоремедиации.
При выращивании вики посевной в контрольном варианте был выявлен фиторемедиационный эффект - концентрация углеводородов в почве составила 2,2 мг/кг (снижение на 26,7%). При обработке семян бентонитом в дозе 1,25 кг/т содержание углеводородов составило 2,0 мг/кг (снижение на 33,3% от исходного уровня, на 6,6% по сравнению с контрольным вариантом с растениями). При предпосевной обработке семян НБВС в дозе 1,25 кг/т содержание углеводородов в почве составило 1,4 мг/кг: снижение относительно исходного уровня на 53,3%, контроля с растениями - на 26,6%, предпосевной обработки семян бентонитом в дозе 1,25 кг/т - на 20,0%.
На основании полученных данных можно сделать вывод об усилении фиторемедиационного эффекта при применении бентонита и НВБС. Необходимо отметить, что использование наноструктурной водно-бентонитовой суспензии оказалось более эффективным по сравнению с бентонитом как в случае внесения сорбентов в почву, так и при предпосевной обработке семян. Наиболее эффективная деструкция углеводородов отмечена при предпосевной обработке семян вики НВБС в дозе 1,25 кг/т.
Одним из основных факторов, обеспечивающих снижение содержания углеводородов в почвенной среде, является их сорбция почвенными компонентами и внесенными сорбентами. Исходя из данных Дегтяревой И.А. и Хидиятуллиной А.Я. (2012), наноструктурный бентонит активно сорбирует углеводороды, при этом установлено
значительное увеличение сорбентных свойств по сравнению с макроаналогом. Важным механизмом биодеградации при использовании бентопорошка и нанобентонита является стимуляция микробиологической активности загрязненной почвы. В вышеуказанной работе при применении бентонита выявлена стимуляция почвенной микрофлоры в случае загрязнения серой лесной почвы дизельным топливом в концентрации 5%, а в публикации Гафаровой Е.В. с соавторами (2005) установлено положительное влияние
комплексного применения другого агроминерала (цеолита) в выщелоченном черноземе, загрязненном углеводородами в концентрации 2% [3, 13]. Сорбция происходит за счет проникновения молекул углеводородов в межслоевые пространства наноминерала, в то время как свободные активные структуры обеспечивают их удерживание [3]. Повышение сорбционных свойств нановещества обусловлено также возникновением большого числа открытых связей частиц [2].
Выводы
Суммируя вышеизложенное, может сделать следующее заключение. При оценке эффективности различных способов применения бентонита и наноструктурной водно-бентонитовой суспензии установлено, что фитотоксичность нефти в отношении вики посевной снижалась при предпосевной обработке семян этими сорбентами. Эффект биоремедиации усиливался в присутствии бентонита, при внесении которого в почву наблюдали снижение содержания углеводородов до 30,0% от начального уровня загрязнения и наноструктурной водно-бентонитовой суспензии -до 43,3%. Применение бентонита и НБВС способствовало усилению эффекта
фиторемедиации: концентрация углеводородов уменьшалась на 33,3 и 53,3% соответственно относительно начального уровня загрязнения.
Литература
1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2013 году». - Электрон. дан. - 2013. - URL: http://www.mnr.gov.ru/upload/iblock/6c7/gosdokladeco.pdf (23.12.2015).
2. 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 аборигенными углеводородокисляющими микроорганизмами и наноструктурированными бентонитами. Центр инновационных технологий, Казань, 2011. 218 с.
3. И.А. Дегтярева, А.Я. Хидиятуллина, Вестник Казанского технологического университета, 15, 5, 134136 (2012).
4. В.О. Ежков, А.Х. Яппаров, Е.С. Нефедьев, А.М. Ежкова, И.А. Яппаров, А.П. Герасимов, Вестник Казанского технологического университета, 17, 11, 4144 (2014).
5. N.L. Sharonova, A.Kh. Yapparov, N.Sh. Khisamutdinov, A.M. Ezhkova, I.A. Yapparov, V.O. Ezhkov, I.A.
Degtyareva, E.V. Babynin, Nanotechnologies in Russia, 10, 7-8, 651-661 (2015).
6. A.Kh. Yapparov, L.M.-Kh. Bikkinina, I.A. Yapparov, Sh.A. Aliev, A.M. Ezhkova, V.O. Ezhkov, R.R. Gazizov, Eurasian Soil Science, 48, 10, 1149-1158 (2015).
7. А.Я. Хидиятуллина. Автореф. дисс. канд. с.-х. наук, Казанский аграрный ун-т, Казань, 2013. 22 с.
8. A.M. Ezhkova, A.Kh. Yapparov, V.O. Ezhkov, I.A. Yapparov, N.L. Sharonova, I.A. Degtyareva, N.Sh. Khisamutdinov, L.M. -Kh. Bikkinina / Nanotechnologies in Russia, 10, 1-2, 120-127 (2015).
9. Н.Л. Ларионова. Автореф. дисс. канд. биол. наук, Казанский гос. ун-т, Казань, 2005. 22 с.
10. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии. ПНД Ф 16.1:2.2.22-98. М., 1998. 35 с.
11. Т.Г. Кольцова, Л.М. Сунгатуллина, Б.Р. Григорьян, В.Н. Башкиров, Вестник Казанского технологического университета, 18, 1, 376-382 (2015).
12. И.А. Дегтярева, А.Я. Давлетшина, Вестник Казанского технологического университета, 18, 4, 275-279 (2015).
13. Е.В. Гафарова, Г.А. Ситдикова, Н.Л. Ларионова, С.К. Зарипова, Ученые записки Казанского университета, 147, 3, 81-89 (2005).
Авторы выражают признательность д.х.н. Е.С. Нефедьеву и к.х.н. И.Р. Низамееву за проведение аттестации исследованных бентонитов и нанобентонитов.
© Г. Ф. Рахманова - аспирант, научный сотрудник отдела физиологии и биохимии растений, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; Н. Л. Шаронова - кандидат биологических наук, заведующий отделом физиологии и биохимии растений, 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].
© G. F. Rakhmanova - postgraduate, researcher of a department physiology and biochemistry of plants Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, [email protected]; N. L. Sharonova - Ph. D. of biology science, head of department of physiology and biochemistry of plants Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, [email protected]; I. A. Degtyareva - doctor of biology Science, head of a department agroecology and microbiology Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, [email protected].
