CC BY
47Влияние нефтяного загрязнения на ферментативную активность мерзлотных почв The effect of oil pollution on the enzymatic activity of permafrost soils
Ь Л московский
ШЩ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10715 Сивцев Семен Исаевич,
лаборант-исследователь, аспирант, Институт проблем нефти и газа СО РАН -обособленное подразделение ФИЦЯНЦ СО РАН, Якутск, Россия, sivtsevsemen@mail.ru
Ерофеевская Лариса Анатольевна, кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт проблем нефти и газа СО РАН - обособленное подразделение ФИЦ ЯНЦ СО РАН, Якутск, Россия, lora-07.65@mail.ru
Sivtsev Semyon Isaevich, research assistant, post-graduate student, Institute of Oil and Gas Problems of the Siberian Branch of the RAS — Division of Federal Research Centre "The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences", Yakutsk, Russia, sivtsevsemen@mail.ru
Erofeevskaya Larisa Anatolyevna, candidate of biological sciences, researcher, Institute of Oil and Gas Problems of the Siberian Branch of the RAS — Division of Federal Research Centre "The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences", Yakutsk, Russia, lora-07.65@mail.ru Аннотация. При активном использовании и добыче нефти и нефтепродуктов не редко происходят аварии и утечки. При очистке последствий утечки крайне важен мониторинг протекания процесса биодеградации, что можно реализовать, наблюдая за ферментативной активностью. В статье приведены результаты исследования ферментативной активности почвы в процессе биодеградации нефти и оценка активности микроорганизмов по этим показателям.
Summary. With the active use and production of oil and oil products, accidents and leaks are not uncommon. When cleaning up the consequences of a leak, it is extremely important to monitor the course of the biodegradation process, which can be realized by observing the enzymatic activity. The article presents the results of a study of the enzymatic activity of the soil
during the biodegradation of oil and an assessment of the activity of microorganisms by these indicators.
Ключевые слова: нефтезагрязнения, ферментативная активность, биоремедиация, биодеградация, микроорганизмы.
Key words: oil pollution, enzymatic activity, bioremediation, biodegradation, microorganisms.
Введение. В последние десятилетия большое внимание привлекли загрязнение нефтью и нефтепродуктами. Из-за увеличения добычи сырой нефти и увеличения вероятности аварий нефтяные соединения являются одним из наиболее часто встречающихся загрязнителей в почве. Поскольку он содержит много токсичных соединений в относительно высокой концентрации, сырая нефть является физически, химически и биологически вредной для почвенных микроорганизмов. Относительно высокая гидрофобность нефтяных углеводородов вызывает повышенную способность накапливаться в почве и отложениях по сравнению с водной средой [1]. Кроме того, высокая гидрофобность этих соединений приводит к их связыванию с частицами почвы и отложений, что приводит к снижению биодоступности этих загрязнителей для биологической сорбции [2].
Следовательно, должны быть найдены подходящие решения для удаления или контроля этих загрязнений почвы. Измерение микробиологических параметров, таких как дыхание почвы, активность углерода или ферментов в микробной биомассе, дает информацию о наличии и активности жизнеспособных микроорганизмов, а также о степени, типе и продолжительности воздействия углеводородного загрязнения на метаболическую активность почвы. Такие измерения могут служить хорошим показателем воздействия загрязнения на здоровье почвы [3]. Ферментативная активность ассоциируется в качестве индикаторов биогеохимических циклов, деградации органических веществ и процессов восстановления почвы, поэтому они могут определять, наряду с другими физическими или химическими свойствами, качество почвы. Ферменты являются хорошими индикаторами, поскольку а) они тесно связаны с органическим веществом, физическими характеристиками, микробной активностью и биомассой в почве и б) предоставляют раннюю информацию об изменениях качества почвы. и в) более быстро оцениваются [4]. Известно, что многочисленные ферменты участвуют в процессах разложения и минерализации органических веществ. Наиболее часто анализируемые ферменты включают различные гидролазы, участвующие в циклах C, N, P и S, а также некоторые оксидоредуктазы. Таким образом, по анализу почвенной активности ферментов
можно проследить за качеством биологической активности и деструкции нефтезагрязнения в почве.
Целью исследований настоящей работы являлась оценка влияния нефтяного загрязнения на ферментативную активность мерзлотных почв в процессе биоремедиации.
Материалом для исследований являлись фоново-чистые и нефтезагрязненные мерзлотные почвы нефтегазового комплекса (НГК) Якутии.
Методы и методики исследований
Основные операции по отбору проб и пробоподготовке при выполнении исследований осуществляли по методическим требованиям [5].
Транспортировку и хранение отобранных проб осуществляли в сумках-холодильниках .
Активность окислительно-восстановительных ферментов, участвующих в биодеградации углеводородов, определяли по методам, описанным Ф.Х. Хазиевым [6].
Культивирование углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) осуществляли в качалочных условиях на среде Мюнца с нефтью [7].
Остаточное содержание нефтепродуктов в почве в процессе биормедиации осуществляли согласно утвержденной инструкции [8].
Экспериментальная часть
Успешная, экологически безопасная рекультивация нефтезагрязнений возможна при применении микробиологического метода с использованием активных культур нефтеокисляющих аборигенных микроорганизмов. Однако, активной жизнедеятельности этих микроорганизмов способствуют лишь оптимальные условия. Это предполагает разработку технологий применения бактериальных препаратов нефтеокисляющих микроорганизмов для каждой почвенно-климатической зоны с целью адаптации микроорганизмов к условиям окружающей среды. Этот вид исследований является особенно важным в суровых условиях северных регионов России, в частности в Якутии с жарким сухим летом и долгой холодной зимой.
Эффективность обработки бактериальными препаратами загрязненных нефтью территорий можно исследовать по изменению активности уреазы в почве [9].
Изучения велись в лабораторно-полевых условиях на нескольких участках, загрязнённых сырой нефтью, вдоль трассы трубопровода «Восточная Сибирь — Тихий океан». Образцы брали до и после биологической рекультивации. Для измерения уреазной активности использовали колориметрический метод на спектрофотометре CECIL Aquarius.
В результате выполненной работы были получены следующие данные для трех разных мест, которые показаны в таблице 1.
Характеристика почв контрольных площадок
Тип почвы Опыт Активность уреазы. аЛ
Дерыов о-под зол истая сугпхгаистав Аборигенные VOM 100
Аборигенные VOM S ,5
Аборигенные VOM 6?2
Аборигенные VOM 16,4
Аборигенные VOM 0,3
Мерзлотная подзолистая Фон 100
Дестройл 3,8
Аборигенные VOM 125.S
Мерзлотная подзолистая-болотная Фон 100
Аборигенные VOM 71,2
Экосорб -+- VOM 50,3
Байкал ЭМ1 262.1
Первичная микробиологическая обработка загрязненных дерново-подзолистых суглинистых почв привела к снижению общего содержания нефтепродуктов, но уреазная активность не достигла фонового значения. Тогда как, обработка мерзлотных подзолистых типов почв местными микроорганизмами дает более эффективные результаты. Следует отметить, что добавление препарата «Дестройл» (Д1-2) к местным микроорганизмам для обработки мерзлотных подзолистых почв приводит к подавлению уреазной активности, что свидетельствует о недостаточно эффективном использовании этого препарата в данных условиях. Напротив этого использование микробного биопрепарата «Байкал ЭМ-1» (СУ-5Б) приводит к более чем 2 кратному повышению активности уреазы.
Биологическую активность почвы и ее способность к самоочищению оценивали по количеству УОМ и содержанию остаточной нефти в почве (таблица 2)
Таблица 2.
Характеристика почв контрольных площадок
Tim почвы HIT до рекуль ТИЕ яттттт мг-.- ьсг НО подите рекуль ТИЕ яттттт ixr. кг Елаж ность. í-i pH OIVT4, млн. КОЕ-г дев VOM, ?.пн. КОЕ. г АСЕ Vpeasa
IV1 ер зл охи ая подзолистая-болотная ОООО ОООО «9,3 7,91 45 9 30,0 100
J2S09 5 1-S1 20,0 6,96 5 0 00 0,2 71,2
2 323 70 7 24,1 6,62 20100 2,2 J0,j
1 3SS ICOS 1 75,1 6,2 1 4130 0,005 262.1
\1ерзлотная и одзиэ лист ал í>6 6 7 134 öl,9 7,49 ТЕЗ 10,0 3,3
09,3 7,91 45 9 30,0 12 ; = s
а ооа а ооо S5,S 7,S 1 136S00 0,6 100,0
,Цер sog о -подзолистая сут-.лини с т ая 1 11 6S 149 09 30,0 7,SO 52000 0,3 8,5
53 14 2 2S9 20,9 7,4-2 4 1000 0.S 6,2
12752 70S1 24,3 7,11 72000 0,6 16,4
3 446 2 949 21,0 7,64 22. 0.04 0,3
оооо а ООО 35,5 6,66 SS00 0,02 100,0
Таким образом, результаты исследования уреазной активности нефтезагрязненных почв показывают неэффективность однократной обработки мерзлотных почв. Поэтому, для достижения желаемых результатов, необходимо проведения рекультивационных работ в несколько этапов.
В рамках работ по биоремедиации были проведены анализы для определения каталазной активности почв.
Каталаза является очень распространенным ферментом, который содержится почти во всех аэробно дышащих клетках и в некоторых факультативных анаэробах. Функция каталазы заключается в защите организма от активных кислородсодержащих радикалов и пероксида водорода [10,11]. Исследования показали, что отклонения от среднего значения активности каталазы могут достигать 250%. Эти данные демонстрируют, насколько осторожно следует относиться к выводам об активности каталазы в зависимости от вида и рода живого организма или внешних воздействий. [11].
Во время биоремедиации в ряде испытательных зон с недостаточным содержанием воды в почве (до 30%), было отмечено сдерживание процессов разложения перекиси водорода, токсичной для живых организмов, на кислород и воду.
По обеспеченности каталазой исследуемые почвы отнесены в разряд бедных (1-3 ед. ферментативного действия) (таблица 3).
Таблица 3
Результаты исследования активности каталазы
Опыт Xs по каталогу У ОМ, млрд. ЕЛ г АСВ Влажность. Активность каталазы. мл
май июнь май июнь май июнь
Условно-чистая Контрольная 0:0006 0.0009 9.S 1S,0 4.57 4,3 5
Биопрепарат У-3 0,815 1:1 20,6 6: S 3,03 1,33
Биопрепарат У-б 0,202 20,3 25,3 3,07 2,49
Биопрепарат У-7 0.67" 2:0 20,3 14.S 3,46 2,62
Биопрепарат У-8 0,506 1:2 9:S 1S,0 3,63 2,67
Таким образом, для рекультивируемых мерзлотных почв активность уреазы и каталазы можно рассматривать как информативный показатель состояния почв в процессе биодеструкции нефтяного загрязнения.
Список литературы
1. Karthikeyan, R., Bhandari, A., 2001. Anaerobic biotransformation of aromatic and polycyclic aromatic hydrocarbons in soil microcosms: a review. J. Hazard. Subst. Res. 3, 1.
2. Parrish, Z.D., Banks, M.K., Schwab, A.B., 2005. Assessment of contaminant lability during phytoremediation of polycyclic aromatic hydrocarbon impacted soil. Environ. Pollut. 137, 187.
3. Eibes, G., Cajthaml, J., Moreira, M.T., Feijoo, G., Lema, J.M., 2006. Enzymatic degradation of anthracene, dibenzothiophene and pyrene by manganese peroxidase in media containing acetone. Chemosphere 64, 408e414.
4. Nielsen, M., Winding, A., 2001. Microorganisms as Indicators of Soil Health. National Environmental Research Institute, Denmark.
5. ГОСТ 17.4.4.02-84 Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализов.
6. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. — М: Наука, 1990. - 189 с.
7. Керстен Д.К. Морфологические и культуральные свойства индикаторных микроорганизмов нефтегазовой съемки //Микробиология,1963,№5,С.1024-1030.
8. РД 39-0147098-90 Инструкция по контролю за состоянием почв на объектах предприятий Миннефтегазпрома.
9. Томский И.С., Ерофеевская Л.А. Изучение активности фермента уреазы в мерзлотных почвах Якутии, загрязненных углеводородами нефти // Химия и химическое образование: Сборник научных трудов 5-го Международного симпозиума (12 — 18 сентября 2011 г., г. Владивосток). — Владивосток: Издательство Дальневосточного федерального университета, 2011 — С. 51-53.
10. Краткая химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1963. С. 455-456.
11. Михлин Д М. Биохимия клеточного дыхания. М.: АН СССР, 1960. С. 246-260.
