Биологическая активность и микробиологическая рекультивыция почв, загрязненных нефтепродуктами

Алехин В.Г., Емцев В.Т.,Рогозина Е.А., Фахрутдинов А.И.

Загрязнение почвы углеводородным сырьем и ее биологическая активность

Естественное восстановление плодородия почв при загрязнении нефтью происходит значительно дольше, чем при других техногенных загрязнениях. Резко изменяется водопроницаемость вследствие гидрофобизации, структурные отдельности не смачиваются, а вода как бы "проваливается" в нижние горизонты профиля почвы; влажность уменьшается. Как следствие этого - выпадение одного из главных звеньев ценоза - растительности (I).

Нефть и нефтепродукты вызывают практически полную депрессию функциональной активности флоры и фауны. Ингибируется жизнедеятельность большинства микроорганизмов, включая их ферментативную активность. Управление процессами биодеградации нефти должно быть направлено, прежде всего, на активизацию микробных сообществ, создание оптимальных условий их существования (2). Отмечается большая неоднородность распределения нефтяных компонентов в почвах разных участков нефтепромыслов, что зависит от физических и химических свойств конкретных почвенных разностей, качества и состава поступившей нефти (З). В результате этого условия самоочищения окружающей среды от токсичных органических веществ техногенного происхождения в ландшафтных зонах и областях России различны (4).

Попадая в почву, нефть увеличивает общее количество углерода. В составе гумуса возрастает нерастворимый остаток, что является одной из причин ухудшения плодородия. Это, в свою очередь, наносит ощутимый экономический ущерб земледелию (5). Возрастает отношение C:N. Ухудшается азотный режим (б), что в случае рекультивации требует внесения повышенных доз азотных удобрений (7). На окисление 1 г нефти требуется 80 мг азота и 8 мг фосфора (8, 9). Рекомендуется вносить массированные дозы органических удобрений, что повышает биохимическую и микробиологическую активность почв, быстрее снижает количество остаточной нефти, чем при внесении одних минеральных удобрений (10).

Почва, обладая свойством дисперсного гетерогенного тела, действует как хромотографическая колонка, в которой происходит послойное перераспределение компонентов нефти. Показано, что угнетение растений начинается, когда количество нефтяных углеводородов (УВ) в почве становится выше 1 кг/м2.

И.Г.Калачников (11) выделяет три этапа процесса самоочищения почвы, 1-й этап (1-1,5 года) характеризуется физико-химическими процессами, включающими вы-мывание, выветривание, распределение нефтяных УВ по почвенному профилю. Исчезают УВ Cig-Cig. Наблюдается активизация микрофлоры. На П-ом этапе (3-4 года) происходит биологическое превращение метанонафтено-вых и ароматических УВ. 111-й этап включает деградацию полициклической ароматики. На всех этапах, а особенно на Ш-м, рекомендуется активное рыхление почвы, внесение разрыхлителей, например, торфа, а также NPK, которые способствуют снижению содержания алифатиче-ских структур в разрушающихся углеводородах (II). По силе токсического действия на микроорганизмы нефтяные фракции располагаются в следующей убывающей последовательности: ароматические УВ-циклопарафи-новая фракция-парафиновая (12, 13).

Небольшое количество УВ (5 г/100 г почвы) стимулирует деятельность микрофлоры (14). Однако, процесс нитрификации ингибируется любой концентрацией УВ; нитрификация является наиболее чувствительным процессом на "нефтяное" загрязнение почвы (15). Наиболее важными условиями активной деятельности микрофлоры в присутствии нефтяных загрязнений также является влажность и температура почвы (1б).

Для активной рекультивации почво-грунтов в качестве основных и необходимых компонентов нужны минеральные удобрения, предпочтительнее аммонийные формы азота и фосфор, а также активные культуры нефтеокис-ляющих микроорганизмов (НОМ) (17).

Внесение удобрений (NigoPlsoK-oo) в загрязненную почву (6% УВ) увеличивает биологическую активность: возрастает интенсивность дыхания, коэффициент минерализации, активность ряда ферментов. Чувствительность же отдельных групп микроорганизмов к отдельным фракциям нефти определяется химическим составом и физическими свойствами последних (18-20).

Интересно отметить, что УВ, попадающие в почву, обогащают ее углеродом и способны повысить активность биологической азотфиксации (2). Увеличение интенсивности нефтяного загрязнения (до нескольких процентов) приводит к увеличению концентрации азота, являющегося следствием увеличения численности свободно живущих азотфиксаторов; одновременно снижается нитрифицирующая активность, и основная часть азота выступает в аммонийной форме (21). Способность к фиксации азота азотобактером проявляется на средах с октаном, толуолом, салициллатом (22). Выделен ряд бактерий (ноккар-дия, артробактер, бревибактерум), способных усваивать атмосферный азот; у некоторых бактерий фиксация азота была выше при культивировании на средах с парафином (Cii-622), чем с сахарозой. В почвах, содержащих небольшое количество битумных веществ (0,2%), таких бактерий было больше, чем в контрольных почвах (23, 24).

Таким образом, влияние нефти и отдельных ее продуктов на почву и почвообразовательный процесс исследован довольно подробно. Окисление нефти начинается сразу после ее попадания в почву. Общими чертами этого процесса является быстрое разрушение метановонафтено-вых фракций, снижение содержания полициклических УВ в нафтен оароматической фракции, относительное увеличение доли смолистых веществ в нефти, переход части нефтяных компонентов в нерастворимые в органических растворителях формы. Скорость изменения отдельных УВ и групповых фракций зависит от природно-климатических зон и состава исходной нефти (25, 2б).

Необходимо отметить важность аэрирования почв, в частности, путем внесения рыхлых материалов, например, туффита, торфа, соломы, а также искусственных структурообразователей (27, 28).

Экспериментальная часть

Микрополевой опыт по разработке технологии рекультивации аварийного загрязнения почвы нелетучими фракциями газового конденсата проводился на участке насыпного песчаного грунта, расположенном возле кранового узла газоконденсатного трубопровода. Почвы-подзолы иллювиально-железистые, расположенные на размытых останцах в пойме р.Оби. Почвообразующими породами являются аллювиальные пески и слоистые супеси речных террас р.Оби. Имеют сильнокислую реакцию (рН 4,8).

Климатические условия района проведения исследований характеризуются суровой и продолжительной зимой, коротким, но порой жарким летом и коротким весенне-осенним периодом.

Весенний переход средней суточной температуры через О °С по многолетним наблюдениям происходит 21.4- 01.5, осенью - 11.10-21.10. Продолжительность безморозного периода - от 53 до 138 дней. Сумма эффективных температур - 1300 °С, колебания температур в июле - от -1 до +34 °С, средняя относительная влажность воздуха - 55-60% (в 13 часов). Средняя дата первого заморозка на почве - 1.09. Количество осадков за теплый период (апрель-октябрь) - 350-400 мм. Снежный покров удерживается от 200 до 220 дней в году. Продолжительность вегетационного периода со средней суточной температурой ниже 15 °С - 110-120 дней.

В опыте изучали процессы деструкции углеводородов препаратами нефтеокисляющих микроорганизмов, влияние на эти процессы торфа, древесных опилок хвойных пород и сбалансированных по NPK минеральных удобрений на фоне оптимизации рН. Внесением в почву мела рН доводили до 6,8. В качестве биотеста, характеризующего степень рекультивации, а также как возможного активного агента рекультивации, на опытные делянки в двух сериях опыта высевался костер безостый.

Для создания выровненного фона нефтезагрязнения, а также для имитации аварийного загрязнения, перед закладкой опыта на почву был нанесен газоконденсат, состоящий на 60% из тяжелых и 40% летучих углеводородов (алифатических, ароматических и алициклических), до проникновения его на глубину 20 см. До нанесения нефтепродукта в почву и после нанесения определяли содержание органического вещества и отдельно нефтепродукта: количество органического вещества в почве до внесения нефтепродукта было равным 1569 мг/кг, а нефтепродуктов - 1408 мг/кг, а после нанесения нефтепродукта количество органического вещества было 5907 мг/кг, нефтепродуктов - 4259 мг/кг.

Образцы для анализов отбирались в 10-кратной по-вторности до заливки почвы газовым конденсатом, через 3 дня после заливки почвы, во время закладки опыта и в период уборки урожая костра безостого. Всего рекульти-вационный период продолжался в течение 60 суток.

На рис. 1 приведена схема опыта, состоящего из трех серий. В первой серии в качестве биодеструкторов нефтепродукта применялся препарат ВНИГРИ "Нафтокс". Во второй серии - "Нафтокс" и подсев костра безостого в варианты с внесением тех или иных биогенных веществ (NPK, торф и опилки). В третьей серии с такими же вариантами, как и во второй серии, в качестве биодеструктора испытывался препарат "Псевдомин", разработанный кафедрой микробиологии ТСХА.

Площадь делянок в вариантах опыта 2,25 м2. Повторность опыта трехкратная.

Бактериальные препараты и биогенные вещества, согласно схеме опыта, вносились в соответствующие варианты и повторности опыта и лопатой перемешивались со слоем грунта на глубину проникновения газового конденсата.

Рис. 1. Схема опыта по рекультивации почвы, загрязненной нефтепродуктами, с использованием микробиологических препаратов "Нафтокс", "Псевдомин" и растений Примечание: Серии опыта: I - Нафтокс, II - Нафтокс + костер безостый, III - Псевдомин + костер безостый; Варианты опыта: 1 - Контроль + микробиологический препарат, 2 - NigoPisoKgo + микробиологический препарат, 3 - NigoPisoKoo + торф + микробиологический препарат, 4 - NigoPisoKso + опилки + торф + микробиологический препарат.

Результаты опыта, приведенные на рис. 2, указывают на активную деструкцию нефтепродукта нефтеокисляю-щими микроорганизмами. Наиболее интенсивно разложение углеводородов отмечено в варианте, где вносился препарат "Нафтокс" на фоне известкования. Содержание нефтепродуктов было снижено до уровня ПДК (100 мг/кг) или ниже, а по сравнению с исходным содержанием их количество уменьшилось на 98,3-99,4%. При внесении в песчаный грунт NizoPisoKoo и извести интенсивность окисления нефтепродуктов несколько снизилась и составила от исходного содержания 96,8- 94,9%. При этомвнесение опилок, совместно с торфом и минеральными удобрениями, снизило содержание нефтепродуктов ниже уровня ПДК (67 мг/кг почвы или 98,4% от исходного содержания в грунте).

Препарат "Псевдомин" также интенсивно осуществлял деструкцию нефтепродуктов. На фоне известкования он снизил содержание нефтепродуктов до 82 мг/кг почвы или на 98,1% по сравнению с исходным уровнем.

Посев костра безостого в качестве тест-культуры на фоне действия испытуемых препаратов показал, что по мере возрастания количества нефтепродуктов в почве урожай закономерно снижается. Следует отметить снижение активности окисления нефтепродуктов под покровом растений костра безостого по сравнению с вариантом без растений.

Более активная деструкция нефтепродуктов в варианте без растений может быть объяснена отсутствием конкуренции внесенным в почву нефтеокисляющим микроорганизмам со стороны почвенной микрофлоры, уничтоженной в результате углеводородного загрязнения, тогда как под растениями костра безостого возрастала возможность конкуренции со стороны эпифитной микрофлоры.

Заключение

1. Препараты нефтеокисляющих микроорганизмов "Нафтокс" и "Псевдомин" за короткое северное лето способны окислять высокие концентрации газового конденсата (аварийные разливы) до уровня ПДК.

2. Основным условием активной жизнедеятельности микроорганизмов в иллювиально-железистых подзолах является оптимизация окислительно-восстановительного потенциала почвы и внесение органических и минеральных удобрений

3. Показана резко отрицательная реакция костра безостого как биоиндикатора на уровень загрязнения почвы НП. При увеличении содержания НП в почве выше уровня ПДК урожай зеленой массы резко снижался.

4. Установлено, что посев костра безостого совместно с внесением препаратов "Нафтокс" и "Псевдомин" снижал активность деструкции углеводородов в почве этими препаратами.

1. Минебаев В.Г. К вопросу охраны почвенного покрова в нефтедобывающих районах. Казань, 1986.

2. Исмаилов Н.М. Микробиологическая и ферментативная активность нефтезагрязненных почв // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М., 1988.

3. Пиковский Ю.И., Солнцева Н.П. Геохимическая трансформация дерново-подзолистых почв под влиянием потока нефти // Техногенный поток веществ в ландшафтах и состояние экосистем. М., 1981.

4. Глазовская М.А. Способность окружающей среды к самоочищению // Природа. 1979.№ 3.

5. King D.H., Perry J.J. The origin of fatty acids in hydro-cardon-utlizing microorganisms Mycrobacterium vaccae. Canad. J.MicrobioL, 1975. V. 21. № 1.

6. Кахаткина М.И. Состав гумуса пойменных почв, загрязненных нефтью // Рациональное использование почв и почвенного покрова Западной Сибири. Томск, 1986.

7. Абзалов Р.3. Влияние минеральных удобрений на свойства нефтезагрязненных серых лесных почв лесостепной зоны Башкирии // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М., 1988.

8. Ильинский В.В., Семяняко М.Н., Юферова С.Г., Троши-на Н.Н., Коронелли Т.В. Азотно-фосфорные удобрения для стимуляции биодеградации нефтяных УВ в морской среде // Вестник МГУ. Сер. биол. 1991. № 2.

9. Исмаилов Н.М., Паковский Ю.Ш. Биодинамика загрязненных нефтью почв // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л., 1985.

10. Тишкина Е.И., Киреева Н.А. Изменение биохимических и микробиологических параметров нефтезагрязненных почв: Тезисы докладов 7 делегатского съезда ВО почвоведов. Ташкент, 1985. Ч. 2.

11. Калачников И.Г. Влияние нефтяного загрязнения на экологию почв и почвенных микроорганизмов // Экология и популяционная генетика микроорганизмов. Свердловск, 1987.

12. Тишкина Е.И., Киреева Н.А. Изменение биохимических и микробиологических параметров нефтезагрязненных почв: Тезисы докладов 7 делегатского съезда ВО почвоведов. Ташкент, 1985. Ч. 2.

13. Никифорова Е.М. Полициклические ароматические УВ в выщелоченных черноземах и серых лесных почвах // Почвоведение.1989. № 2.

14. Славнина Т.П. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на свойства почв // Мелиорация земель Сибири. Красноярск, 1984.

15.Dzienia Y.S., Westlake D.W.S. Crude oil utilization by fungi. Canad. J.MicrobioL, 1979. V. 24.

16. Harper Y.J. The effect of natural gas the growth of micro-flora. Soil Sci., 1939. V. 48.

17-Голодяев Г.П. Виодеградация нефтепродуктов в почвах и почвогрунтах: Тезисы докладов 7 делегатского съезда ВО почвоведов. Ташкент, 1985. Ч. 2.

18. Лиштвин Л.М., Зименко Т.Г. Влияние высоких доз нефтяного загрязнения на биологическую активность дерново-подзолистых почв // Изв. АН ВССР. 1987. № 2.

19. Хазиев Ф.Х. и др. Влияние нефтепродуктов на биологическую активность почвы: Научн. докл. высш. школы. Отд. биолог, наук. 1988. № 10.

20. Бочарникова Е.Д. Влияние нефтяного загрязнения на свойства серо-бурых почв Апшерона и серых лесных почв Башкирии: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 1990.

21-Керимов Ф.И. Численность азотфиксирующих микроорганизмов и азотфиксаторов-биодеструкторов нефти в восточной части среднего и южного Каспия // Изв. АН Азерб. ССР. Сер. биол. 1985. № 4.

22. Исмаилов Н.М. Влияние нефтяного загрязнения на круговорот азота в почве // Микробиология. 1983. Т. 52. № 6.

23. Перебитюк А.Н. и др. Метаболизм ароматических соединений в культурах различных штаммов Azotobacter // Бюл. ВНИИСХМ. 1983. № 39.

24. Квасникова Е.И. и др. Фиксация атмосферного азота микроорганизмами, окисляющими углеводороды // ДФН СССР. 1973. № 3.

25. Пиковский Ю.И. Экспериментальные исследования трансформации нефти в почвах // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л., 1985.

26. Никифорова Е.М., Теплицкая Т.А. Полициклические ароматические УВ в почвах Валдайской возвышенности // Почвоведение. 1979. № 9.

27. Хантургаев Ф.А. и др. Фильтрующий материал для очистки сточных вод от нефтепродуктов // Бюл. изобретений. 1979. № 27.

28. Кульман А. Искусственное структурообразование почвы. М., 1982.