CC BY
65
УДК 502.662.2+631.472.74:502.7
ВЛИЯНИЕ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ВОД НА МИКРОБИОЦЕНОЗ ПОЧВЫ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ УГЛЕВОДОРОДАМИ
И.А. ДЕГТЯРЕВА1, доктор биологических наук, зав. лабораторией
С.К. ЗАРИПОВА2, кандидат биологических, зав. лабораторией
А.Я. ХИДИЯТУЛЛИНА1, кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник
1Татарский НИИ агрохимии и почвоведения Рос-сельхозакадемии, Россия, Республика Татарстан, г. Казань, Оренбургский тракт, 20 а
2Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия, г. Казань, ул. К. Маркса, 58 Е-таН: [email protected]
Резюме. Для интенсификации процесса очищения дерново-карбонатной почвы от нефтяного загрязнения в условиях засоления высокоминерализованными нефтепромысловыми водами применяли эффективный консорциум микроорганизмов-деструкторов, выделенный из нефтешлама и способный активно разрушать нефть в концентрациях до 10% при содержании солей до 3,5%. Схема опыта включала следующие варианты: незагрязненная почва (контроль); почва, загрязненная нефтью; почва, загрязненная высокоминерализованными нефтепромысловыми водами (ВНВ); почва, загрязненная нефтью и ВНВ; почва, загрязненная нефтью и ВНВ + консорциумы углеводоро-докисляющих микроорганизмов, в том числе галотолерантных, выделенные из нефтезагрязненной почвы и нефтешламов. В период с 67-го по 75-й мес. после загрязнения количество негалотолерантных гетеротрофных бактерий в опытных вариантах находилось на уровне их численности в незагрязненной почве. Сохранение высокой численности галотолерантных микроорганизмов (2,0x1с)6...2,1x10я КОЕ/г почвы), несмотря на вымывание солей из почвы вследствие создания дренажной системы, свидетельствует о том, что даже через шесть лет после загрязнения биоценоз не вернулся в исходное состояние. Во всех вариантах с загрязнением отмечена низкая метаболическая активность почвенных микроорганизмов. Внесение консорциума микроорганизмов-деструкторов способствовало наиболее эффективному снижению содержания углеводородов (остаточное количество к 75-му мес. составило менее 30% против более чем 55% при самоочищении). Загрязнение нефтью в концентрации 10% способствовало изменению стратегии микробного поведения в сообществе, по сравнению с загрязнением солью в концентрации 3%. На шестой год ре-медиации дерново-карбонатной почвы, загрязненной нефтью и сопутствующими нефтепромысловыми водами, как общая численность, так и доля галотолерантных аэробных и гетеротрофных, а также углеводородокисляющих микроорганизмов в микробиоценозе стабилизировалась и стала сопоставимой с показателями незагрязненной почвы. Наиболее выраженное воздействие на почвенный микробиоценоз оказало нефтяное загрязнение, что проявилось в увеличении доли медленно растущих гетеротрофных бактерий. Галотолерантные микроорганизмы реализовывали К-стратегию. Ключевые слова: углеводородное загрязнение, высокоминерализованные нефтепромысловые воды, консорциум, микроорганизмы.
В нефтедобывающих регионах проблема углеводородного загрязнения почвы усугубляется сопутствующим засолением нефтепромысловыми водами, которые, как правило, высокоминерализованы и имеют в своем составе природные минеральные вещества и разнообразные химические реагенты, что вызывает резкое снижение общей численности микроорганизмов и их отдельных групп (нитрификаторов, актиномицетов, азотофиксаторов, микромицетов) [1...3]. При этом существенно уменьшается количество углеводород-окисляющих микроорганизмов (УОМ) и, как следствие, эффективность самоочищения почвы от нефти.
Достижения науки и техники АПК, №9-2014 —
Цель наших исследований - оценка состояния микробиоценоза дерново-карбонатной почвы, загрязненной нефтью и высокоминерализованными нефтепромысловыми водами (ВНВ), в течение шестого года биоремедиации.
Условия, материалы и методы. Опыты проводили в лабораторных условиях при комнатной температуре с периодическим рыхлением и увлажнением почвы. Начальный уровень загрязнения включал 10% товарной нефти и 3% (по содержанию солей) высокоминерализованных нефтепромысловых вод. В качестве микроорганизмов-деструкторов, участвующих в очистке нефтесолезагряз-ненной почвы, использовали УОМ (биомасса бактерий и дрожжей), выделенные из нефтезагрязненной почвы, консорциум U. Однако они так же, как и аборигенная микрофлора, оказались не способны активно разрушать нефть на фоне солевого загрязнения [8], что определило необходимость использования для интенсификации процесса очищения еще одного консорциума, который выделен из нефтешламов и способен активно разрушать нефть в концентрации до 10% при содержании солей до 3,5% - консорциум S. Это сообщество, состоящее из галотолерантных углеводородокисляющих микроорганизмов (бактерии + дрожжи), добавляли в почву дважды - через два и два с половиной года после начала эксперимента.
Через 35 мес. были внесены минеральные компоненты - КН2РО4 и (NH4)2S04 в соотношении C:N:P=100:5:1.
В работе представлены результаты оценки состояния нефтесолезагрязненной почвы в процессе биоремедиации в период с 67 по 75 месяцы после загрязнения.
Схема опыта включала следующие варианты: незагрязненная почва (контроль); почва, загрязненная нефтью; почва, загрязненная ВНВ; почва, загрязненная нефтью и ВНВ; почва, загрязненная нефтью и ВНВ + консорциумы углеводородокисляющих микроорганизмов.
Дерново-карбонатная почва имела следующие агрохимические характеристики: содержание щелочно-гидролизуемого азота - 5,2 мг/100 г почвы, подвижного фосфора - 16,2 мг/100 г почвы, обменного калия - 11,55 мг/100 г почвы [4].
В ходе эксперимента контролировали численность аэробных гетеротрофных и углеводородокисляющих, в том числе галотолерантных, микроорганизмов на мясо-пептонном агаре и среде Ворошиловой-Диановой [5]. В качестве источника углерода использовали дизельную фракцию нефти в концентрации 1%. Учет галотолерантных микроорганизмов проводили на соответствующих средах с добавлением 3%-ного раствора NaCl. Активность микробиоценоза оценивали газохроматографическим методом по выделению СО2 [6]. Концентрацию нефти в почвенных образцах определяли весовым методом с четыреххлористым углеродом (CCl4) [7]. Статистическую обработку результатов осуществляли с помощью программы Excel 7.0.
Результаты и обсуждение. С 67-го по 75-й мес. после загрязнения численность негалотолерантных гетеротрофных бактерий во всех вариантах находилась в пределах величины этого показателя в незагрязненной почве, а количество галотолерантных бактерий варьировало от 2,0х106 до 2,1 х109 КОЕ/г почвы. Сохранение высокого уровня галотолерантных микроорганизмов в сообществе, несмотря на вымывание солей вследствие создания дренажной системы, на наш взгляд, свидетельствует о том, что даже через шесть лет после
- 43
загрязнения биоценоз почвы не вернулся в исходное состояние.
Один из показателей биологической активности, который тесно коррелирует не только со скоростью исчезновения ксенобиотиков из почвы, но и с ее реальным состоянием - базальное дыхание [9]. Уровень респираторной активности загрязненной почвы в течение шестого года оставался на треть ниже, чем у незагрязненной, что указывает на снижение метаболической деятельности почвенных микроорганизмов под влиянием антропогенной нагрузки.
Для оценки состояния среды и интенсивности процесса очищения почвы от углеводородов нефти целесообразно проводить оценку численности углеводородокисляющих микроорганизмов. Величина этого показателя в вариантах с нефтесолезагрязненной почвой и интродуцированными консорциумами в период наших исследований оставалась высокой - 4х108 и 2х109 КОЕ/г почвы соответственно, что свидетельствует как о присутствии в почве доступных для микроорганизмов углеводородов, так и о сохраняющейся способности интродуцированного консорциума к их утилизации. С внесением сообществ деструкторов процесс очищения почвы от нефтяных углеводородов протекал наиболее эффективно. К 75-му месяцу их остаточное содержание в этом варианте не превышало 30%, тогда как при самоочищении даже в условиях снижения осмотического напряжения среды путем дренирования почвенной системы оно было больше 55%.
Один из информативных методов характеристики микробных сообществ с позиции доминирующей стратегии - оценка численности быстро (г) и медленно (К) растущих гетеротрофных микроорганизмов [10]. На незагрязненной почве большая часть микробного сообщества была способна к быстрому росту уже с первых суток опыта, что означает преобладание г-стратегии роста в общем г-^-континууме.
При загрязнении солью и комплексном нефть + соль пик роста гетеротрофных микроорганизмов приходился лишь на третьи сутки эксперимента. Наиболее выраженное воздействие на распределение численности медленно и быстро растущих микроорганизмов оказало нефтяное загрязнение в концентрации 10% - максимальный рост наблюдали лишь на четвертые сутки.
По мнению английских ученых [10], важная характеристика состава биоценоза почв - соотношения грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов. Изучение грампринадлежности показало, что большинство бактерий во всех вариантах было представлено грамположительными формами. Появление грамотрицательных микроорганизмов отмечали лишь на вторые и третьи сутки эксперимента, а их численность была на порядок ниже, чем грамположительных.
Пик роста галотолерантных микроорганизмов во всех вариантах наблюдали на четвертые сутки эксперимента, что указывает на их доминирование среди медленно растущих бактерий исследуемой почвы.
Выводы. Таким образом, на шестой год ремедиа-ции дерново-карбонатной почвы, загрязненной нефтью и сопутствующими нефтепромысловыми водами, с использованием консорциумов углеводородокисляющих микроорганизмов, в том числе галотолерантных, предварительно выделенных из нефтезагрязненной почвы и нефтешламов, как общая численность, так и доля негалотолерантных аэробных и гетеротрофных, и углеводородокисляющих микроорганизмов в микробиоценозе стабилизировалась и стала сопоставимой с незагрязненной почвой. Наиболее выраженное воздействие на почвенный микробиоценоз оказало нефтяное загрязнение в концентрации 10%, что проявилось в увеличении доли медленно растущих гетеротрофных бактерий.Галотолерантные микроорганизмы в изучаемой почве реализовывали ^-стратегию.
Литература.
1. Солнцева Н.П. Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988. С. 23-42.
2. Поскряков А.Н. Влияние загрязнения высокоминерализованными нефтепромысловыми сточными водами на свойства черноземов Предуралья:автореф.... канд. биол. наук. Уфа, 2007. 22с.
3. Сидорова Л.В. Влияние техногенного засоления на фитотоксичность почв //Вестник Омского государственного университета. 2009. № 6 (100). С. 611-612.
4. Минеева В.Г. Практикум по агрохимии: учебное пособие. М.: Изд-во Московского ун-та, 2001. 689 с.
5. Колешко О.И. Экология микроорганизмов почвы: лабораторный практикум. Минск: Высшая школа, 1981. 175 с.
6. Гарусов А.В., Алимова Ф.К., Захарова Н.Г. Газохроматографический метод анализа в биомониторинге почвы: методическое пособие. Казань: Изд-во Казанского государственного университета, 1998.28 с.
7. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984.447с.
8. Микроорганизмы в условиях комплексного загрязнения дерново-карбонатной почвы нефтью и высокоминерализованными сточными водами/С.К. Зарипова, Ю.С. Сабирова, А.В. Гарусов, Э.Р. Рахимова, Р.П. Наумова//Вестник Татарстанского отделения Российской экологической академии. 2000. №4. С. 38-42.
9. Хидиятуллина А.Я. Биорекультивация нефтезагрязненных почв с использованием активных аборигенных микроорганизмов-деструкторов иэколого-токсикологическаяоценка процесса ремедиации: автореф.... канд. с.-х. наук. Казань, 2013. 22с.
10. Lynch J.M. Resilience of the rhizosphere to anthropogenic disturbance//Biodégradation. 2002. №13. Р. 21-27.
INFLUENCE OF OILFIELD WATERS ON MICROBIOCENOSIS OF HYDROCARBON-CONTAMINATED SOIL
I.A. Degtyareva1, S.K. Zaripova2, A.Ya. Hidiyatullina1
1 Tatar Research Institute of Soil Science and Agricultural Chemistry of the Russian Academy of Agrarian Sciences, Russia, Republic of Tatarstan, Kazan city, Orenburg tract, 20 a
2Kazan National Research Technological University, Russia, Republic ofTatarstan, Kazan city, Karl Marks Str., 58
Summary. With the aim of intensifying the process of purification of sod-calcareous soil from oil pollution in saline conditions with highly efficient oilfield waters the consortium of destructor microorganisms isolated from sludge and capable to destroying the oil at concentrations up to 10% and salt content to 3,5% was applied. In the period from the 67th upto the 75th month from the date of pollution the number of non galotolerant heterotrophic bacteria in the experimental variants were within the level of microorganisms in uncontaminated soil. Maintaining the level of halotolerant microorganisms (2,0*106.. ,2,1*109 CFU / g of soil) despite the leaching of salts from the soil due to the creation of a drainage system that indicates that even after six years of soil contamination biocenosis didn't return to beginning conditions. In all variants of the pollution the level of metabolic activity of soil microorganisms under the influence of anthropogenic load was low. Adding a consortium of microorganisms-destructors contributed to the most effective decreasing the number of hydrocarbons (the number of residuals after 75 months amounted less than 30%, with self-cleaning - more than 55%). Contamination with the oil concentration of 10% contributed to significant changes in behavior strategies of microbial community in comparison with the soil contamination into a salt concentration of 3%. Up to the sixth year of remediation of sod-calcareous soil contaminated with oil and related oilfield waters the total number and proportion of halotolerant aerobic heterotrophic and hydrocarbon-oxidizing microorganisms in microbiocenosis stabilized and became comparable to those in uncontaminated soil. The most pronounced effects on soil microbiocenosis produced oil pollution expressed in increasing the proportion of slowly growing heterotrophic bacteria. Halotolerant microorganisms in the researched soil implemented K-strategy. Keywords: hydrocarbon pollution, highly mineralized oilfield water, consortium microorganisms.
44
Достижения науки и техники АПК, №9-2014
