CC BY
43
УДК 631.453
А. А. Семенова, Э. Р. Зайнулгабидинов, М. В. Мадякина, Р.Ч. Юранец-Лужаева, М. В. Шулаев, А. М. Петров
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРЕПАРАТОВ
НА ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДЕСТРУКТИВНУЮ АКТИВНОСТЬ
НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ В ХОДЕ ПРОВЕДЕНИЯ РЕКУЛЬТИВАЦИОННЫХ РАБОТ
Ключевые слова: нефтепродукты нефтезагрязненная почва, биологически активные вещества, гуминовый препарат,
мелафен, фитотоксичность.
Проведены экспериментальные исследования перспективности применения биологически активных веществ (гуминового препарата и препарата «Мелафен») для детоксикации нефтезагрязненных почв. Определены эффективность биодеструкции нефтепродуктов, токсикологические характеристики исходных и обработанных исследуемыми препаратами нефтезагрязненных образцов дерново-подзолистой почвы на начальном этапе рекультивационных работ.
Keywords: petroleum products, oil contaminated soil, biologically active substances, humic preparation, Melaphene, phytotoxicity.
The experimental investigation of advanced application of Melaphene and humic preparation for the oil-contaminated soil toxicity elimination was carried out. The oil biodegradation effectiveness, toxicological characteristics of original and study preparations treated oil-contaminated samples of soddy-podzolic soils at the initial reclamation stage were determined.
Введение
В мире постоянно добывают огромное количество сырой нефти. При добыче, хранении, транспортировке и переработке нефти в почву попадает значительная часть нефти и нефтепродуктов, в результате чего загрязняются огромные территории суши, морские и океанические акватории.
Добыча, хранение, транспортировка и переработка нефти сопровождаются аварийными разливами. Техногенные аварии приводят к загрязнению нефтью и нефтепродуктами морских, океанических и речных акваторий, значительных площадей почвенного покрова.
Попадая в почву, нефть под действием гравитационных и капиллярных сил опускается вертикально вниз, распространяется по поверхности почвы.
Нефтяное загрязнение нарушает структуру почвы, изменяет ее физико-химические свойства: резко снижается водопроницаемость, увеличивается соотношение между углеродом и азотом (за счет углерода нефти), что приводит к ухудшению азотного режима, нарушению корневого питания растений.
Нефтяное загрязнение почвы снижает всхожесть и скорость прорастания высших растений. Даже относительно слабое загрязнение почвы нефтью изменяет качественный и количественный состав почвенного микробоценоза, приводит к увеличению численности углеводородокисляющих микроорганизмов.
В настоящее время активно ведутся исследования в области искусственного стимулирования аборигенных нефтеокислящих микроорганизмов. Применение биологически активных веществ при рекультивации почв, в сравнении с внесением специально
селекционированных штаммов микроорганизмов, является более предпочтительным ввиду того, что такие препараты не оказывают токсичного действия на флору и фауну, не содержат генетически синтезированных бактерий и не требуют дополнительных мероприятий по очистке почвы после окончания их действия [1].
Изучение действия биологически активных веществ, используемых в сверхнизких концентрациях, которые по своим свойствам близки к природным регуляторам роста, представляет особый интерес для специалистов в области биотехнологии для решения задач в области защиты окружающей среды [2].
Целью исследования было изучение влияния биологически активных веществ -гуминового препарата и препарата «Мелафен» на скорость деструкции нефтепродуктов, а также токсикологические характеристики
нефтезагрязненной дерново-подзолистой
легкосуглинистой почвы в процессе её рекультивации.
Материалы и методы
Объектом исследования являлась дерново-подзолистая легкосуглинистая почва.
Почва предварительно подсушивалась, из него удалялись корни растений. Пробы просеивались через сита Винклера с диаметром ячеек 3 мм.
Для получения опытных образцов в почву вносилась нефть, таким образом, чтобы начальное содержание нефтепродуктов в ней составляло 2,4 г/кг.
Для проведения опыта использовались пластиковые ёмкости размером 8х11х7см, в которых содержалось по 950 г почвы.
Для моделирования процесса
рекультивации нефтезагрязненных почв (НЗП) готовился 10% раствор гуминового препарата (ГП). В опытных вариантах производилась однократная обработка в начале эксперимента, таким образом, чтобы начальная концентрация гуминового препарата в нефтезагрязненных образцах составляла 0,5, 1,0 и 3,0 г/кг. После внесения гуминового препарата нефтесодержащие почвы тщательно перемешивались. В качестве контроля использовались почвенные образцы, в которые вносилась аликвота дистиллированной воды.
Для обработки НЗП препаратом «Мелафен» (М) готовился его раствор с концентрацией 10-4 г/дм3. Раствор вносился при тщательном перешивании из расчета на начальную концентрацию препарата в почве 10-6 г/кг. [3].
Исследования проводились в 8 вариантах опытов (табл. 1). В качестве контроля использовались чистые почвенные образцы, не содержащие нефтепродукты.
Таблица 1 - Варианты опытов
№ Вариант
0 Контроль, чистая почва
1 Загрязненная почва без препаратов
2 Загрязненная почва + ГП 0,5 г/кг
3 Загрязненная почва + ГП 1,0 г/кг
4 Загрязненная почва + ГП 3,0 г/кг
5 Загрязненная почва + М
6 Загрязненная почва + ГП 0,5 г/кг + М
7 Загрязненная почва + ГП 1,0 г/кг + М
8 Загрязненная почва + ГП 3,0 г/кг + М
Время проведения эксперимента составляло 15 суток. Влажность почвы поддерживалась на уровне 60% от полной влагоемкости. Температура окружающего воздуха составляла 23-25 °С.
Результаты оценивались по изменению токсикологических свойств опытных образцов НЗП.
При проведении фитотестирования использовали семена однодольных растений -Triticum vulgare (пшеница) со всхожестью 96 % Норма высева семян в каждом параллельном определении составляла - 20 штук. Количество параллельных высевов в контрольных и испытуемых пробах -3 [4].
Постановка фитотоксикологических
экспериментов осуществлялась в лабораторных условиях при 16-ти часовом освещении «фитолампами» с интенсивностью 6000+1000 Лк. Для выравнивания условий культивирования местоположение вегетационных сосудов ежедневно меняли.
При биотестировании определялись кратность разбавления водной вытяжки из почв, при которой устраняется вредное воздействие поллютанта на тест-объекты (Кр10), в качестве которых были использованы инфузории Paramecium
caudatum [5] и рачки Ceriodaphnia affims [6].
Определение суммарного содержания нефтепродуктов в почве проводили согласно ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 [7].
Обсуждение результатов
При проведении рекультивационных работ на НЗП, принципиальным моментом является увеличение активности почвенного микробного сообщества, отвечающего за окисление нефтяных компонентов, снижение сроков проведения восстановительных работ.
В работе были использованы 2 биологических активных препарата: «Мелафен» и гуминовый препарат.
Синтетический препарат «Мелафен» -представляет собой меламиновую соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты, является стимулятором роста растений. Мелафен применяется в различных отраслях науки -биологии, медицине, биотехнологии, в сельском хозяйстве. В почве препарат полностью разлагается на воду и нетоксичные соединения азота и фосфора.
Гуминовый препарат - суспендированное комплексное гуминовое удобрение. Его состав включает в себя макро- и микроэлементы, природные стимуляторы роста - гуминовые и фульвиновые соединения. Гуминовый препарат представляет собой пастообразное вещество темно-коричневого цвета. Препарат малотоксичен и характеризуется IV классом опасности [8].
Внесение испытуемых препаратов должно способствовать интенсификации процессов биодеструкции загрязняющих веществ, токсичности НЗП. Экономически и экологически важным является определение минимально эффективной концентрации гуминового препарата, оценка комбинированного действия испытуемых биологически активных веществ.
С целью решения поставленных задач были определены варианты опытов (табл. 1). Полученные результаты показали, что на 3 сутки после загрязнения опытных образцов нефтью в вариантах содержащих «Мелафен» (варианты 5-8) длина корней пшеницы, была в 1,5-1,6 раз больше (рис. 1). Увеличение времени инкубации до 8 суток, нивелировало положительное действие
«Мелафена», однако и в этом случае корни проростков пшеницы в загрязненных образцах, содержащих только «Мелафен» или «Мелафен» в комбинации с гуминовым препаратом в концентрации 0,5 и 1,0 г/кг, была в 1,2-1,3 раза длиннее, что указывает на наличие протекторных свойств препарата «Мелафен».
С целью решения поставленных задач были определены варианты опытов (табл. 1). Полученные результаты показали, что на 3 и 8 сутки после загрязнения опытных образцов нефтью в вариантах содержащих «Мелафен» (варианты 5-8) фитотоксичность была в 1,2-1,3 и в 1,2-1,4 раза ниже, чем в вариантах без данного препарата (рис. 1). При увеличении времени инкубации до 8 суток положительное действие «Мелафена» достоверно
регистрировалось в загрязненных образцах, содержащих только «Мелафен» и «Мелафен» в комбинации с гуминовым препаратом в концентрации 0,5 и 1,0 г/кг. Фитотоксичность в данных пробах, была в 1,2-1,4 ниже, что указывает на наличие протекторных свойств препарата «Мелафен».
4(1
12 3 4П678
Варианты
Рис. 1 - Изменение фитотоксических свойств нефтезагрязненных почв на начальном этапе рекультивационных работ
Биотестирование водной вытяжки из образцов НЗП, отобранных на 15 день инкубации не выявило их вредного воздействия тест-объект Paramecium caudatum. Наличие вредного воздействия на рачков Ceriodaphnia affinis, которое устранялось при двухкратном разбавлении водной вытяжки (Кр10=2,0, LCi0=50%) было зарегистрировано только в пробе содержащей «Мелафен» и гуминовый препарат в концентрации 3,0 г/кг,. Наличие токсического действия в водной вытяжке из данного образца, вероятно, определяется высокой концентрацией гуминового препарата в почве.
Что касается биодеградации нефтяных углеводородов, то эффективность их минерализации на 15 день инкубации во всех вариантах содержащих «Мелафен» была достоверно выше, чем в вариантах, в которых данный препарат отсутствовал (рис. 2). На начальных этапах рекультивационных работ, максимальное снижение содержания нефтепродуктов было зарегистрировано в вариантах содержащих «Мелафен» и «Мелафен» в комбинации с гуминовым препаратом в концентрации 0,5 г/кг.
1 г Л S 6 7 s
иарманты
Рис. 2 - Влияние препаратов на эффективность биодеструкции нефтепродуктов в почве (в % относительно варианта 1)
Выводы
1. С целью уменьшения антропогенного воздействия на окружающую природную среду исследовано влияние гуминового препарата и препарата «Мелафен» на токсикологические характеристики почв и эффективность биодеградации нефтепродуктов на ранних этапах рекультивационных работ при низком содержании нефтяных загрязнений.
2. Показано, что на 15-е сутки после загрязнения почвы нефтью при остаточном содержании нефтепродуктов в почве 1,5 г/кг и менее, не отмечено токсического воздействия водной вытяжки из почвенных образцов на инфузорий Paramecium caudatum и рачков Ceriodaphnia affinis.
3. Проведенные исследования не выявили зависимостей между фитотоксичностью и концентрацией нефтепродуктов в почве.
4. Экспериментально показана перспективность использования препарата «Мелафен» и комбинации «Мелафен» + гуминовый препарат в концентрации 0,5 г/кг для повышения активности аборигенной почвенной микрофлоры и снижения техногенного воздействия нефтяных загрязнений.
5. Применение испытанных биологически активных веществ позволяет снизить токсикологический пресс нефтяных загрязнений на почвенную микрофлору уже на первых этапах рекультивационных работ.
Литература
1. Каменщиков, Ф.А. Нефтяные сорбенты / Ф.А. Каменщиков, Е.И. Богомольный. - М. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2005. - 268 с.
2. Биологическая очистка нефтезагрязненных почв Западной Сибири с применением препаратов «Мелафен» и «Еуге-7уте»:дис...канд. техн. наук / К. А. Захарова. - Казань, 2008. - 172 с.
3. Влияние мелафена на микроорганизмы, входящие в состав активного ила очистных сооружений / Е. О. Михайлова, С. В. Ахмадиева, Л. И. Хабибуллина, М. В. Шулаев // Вестник Казанского технол. ун-та - 2011. №7. - С. 184-187.
4. ФР.1.39.2006.02264. Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков растений для определения токсичности техногенно загрязненных почв: Федеральный реестр / Л.П. Капелькина [и др.]: СПб, 2009.-19 с.
5. ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06 (ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.10-06) Методика определения токсичности отходов, почв, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод методом биотестирования с использованием равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg, Москва, 2006, 42 с.
6. ФР.1.39.2007.03221, Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний. АКВАРОС, Москва, 2007, 52 с.
7. ПНД Ф 16.1:2.2.22-98. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных, органо-минеральных
почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии. 8. Влияние биологически активных веществ на токсикологические характеристики нефтезагрязненных
почв в ходе их рекультивации / М.В. Мадякина, Е.Г. Полескова, М.В. Шулаев, А.М. Петров // Вестник Казанского технол. ун-та- 2014. №20.-С. 177-180.
© А. А. Семенова - студентка КНИТУ, [email protected]; Э. Р. Зайнулгабидинов - к.б.н., с.н.с. лаборатории экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования АН РТ, [email protected]; М. В. Мадякина -аспирант кафедры химической кибернетики КНИТУ, [email protected]; Р. Ч. Юранец-Лужаева - н.с. лаборатории эколого-аналитических измерений и мониторинга окружающей среды Института проблем экологии и недропользования АН РТ; М. В. Шулаев, д-р. техн. наук, профессор кафедры химической кибернетики КНИТУ, [email protected]; А. М. Петров -к. б.н., заведующий лабораторией экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования АН РТ, [email protected].
© A. A. Semenova, student KNRTU, [email protected]; E. R. Zainulgabidinov, Cand. Sci. (Biol.), senior researcher of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, [email protected]; M. V. Madyakina, postgraduate student of the Department of chemical Cybernetics, KNRTU, [email protected]; R. Ch. Yuranets-Luzhaeva, researcher of the Laboratory of Ecological and Analytical Measurements and Environmental Monitoring Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences; M. V. Shulaev, Ph.D., Professor of the Department of Chemical Cybernetics, [email protected]; A. M. Petrov, Cand. Sci. (Biol), Head of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, [email protected].
