Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

THE APPLICATION OF THE STRAIN CULTURES OF FUNGI SAPROPHYTE IN RECLAMATION METHODS OF SOILS POLLUTED BY OIL

Balandina A.V. 2 Odegova T.F. 2 Kazakov A.V. 1 Kuznecov D.B. 2
1 Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms
2 Perm state pharmaceutical academy
At present, the relevance of remediation of soils contaminated with oil is growing more and more. In some oil producing regions of the Russian Federation, the situation comes to environmental disaster. Now a growing interest in environmentally friendly and safe methods of oil pollution of the environment which are based on the introduction of cultures of microorganisms in the soil. The article contains the results of the research of strain saprophytic fungi cultures and agricultural products in remediation of oil-polluted soils. It also defines the of different combinations of strain saprophytic fungi cultures and agricultural products on soil acidity, carbon, hydrocarbon, potassium and phosphorus content. The optimum combinations were found for practical use in remediation of oil-polluted soils.
remediation
bioremediation
intensifiers
oil pollution
hydrocarbons
1. Zlotnikov A.K. Biopreparat Al’bit dlja povyshenija urozhaja i zashhity sel’skohozjajstvennyh kul’tur. Podol’sk: PFOP, 2006.
2. Karaseva Je.V., Girich I.E., Hudokormov A.A., Aleshina N.Ju., Karase S.G. Bioremediacija chernozemnoj pochvy, zagrjaznennoj neft’ju // Biotehnologija. 2005. no. 2.
3. Krasavin A.P. Sposob biologicheskoj remediacii nefterazlichnyh poch / Krasavin A.P., Kataeva I.V., Oborin G.A. 2006. Rossija no. 2290270 pp. 108.
4. Nazarov A.V., Ilarionov S.A. Potencial ispol’zovanija mikrobno-rastitel’nogo vzaimodejstvija dlja bioremediacii // Biotehnologija. 2005. no. 5.
5. Rahimova Je.R., Osipova A.L., Zaripova S.K. Ochistka pochvy ot neftjanogo zagrjaznenija s ispol’zovaniem denitrificirujushhih uglevodorodokisljajushh ih mikroorganizmov // Prikladnaja biohimija i mikrobiologija. 2004. T.40. no. 6.
6. Satton D., Fotergill A., Rinal’di M. Opredelitel’ patogennyh i uslovno patogennyh gribov. M.: 2001 468 p.
7. Jagodin B.A., Smirnov P.M., Peterburgskij A.V. i dr.; Agrohimija Pod red. B.A. Jagodina. 2-e izd.pererab i dop. M.: Agropromizdat, 1989. 639 p. (Uchebnik i ucheb. posobie dlja studentov vyssh. ucheb. zavedenij).

Естественное самоочищение почв от загрязнения нефтью и нефтепродуктами может длиться десятилетиями. В настоящее время большинство традиционных способов восстановления почв, загрязненных нефтью (сжигание, закапывание и т.п.), являются не только не эффективными, но и вредными, так как, например, при сжигании в результате пиролиза нефти и ее компонентов образуются канцерогенные полициклические ароматические углеводороды. Поэтому особую актуальность приобретает поиск безопасных для окружающей среды и человека средств и методов рекультивации нефтезагрязненных почв.

Альтернативой традиционных способов очистки земель, загрязненных нефтью, является метод биоремедиации с помощью биологически активных препаратов, в состав которых входят штаммы микроорганизмов – деструкторов нефтяных углеводородов, а также интенсификаторы местной почвенной микрофлоры [5].

В задачи работы входила оценка химического состояния почв площадок, подвергнутых рекультивации, и изучение эффекта воздействия препаратов и штаммов Phoma eupyrena и Cephaliophora tropica. Указанные препараты применялись на втором этапе рекультивации [7].

Результаты исследования смешанных образцов с площадок, подвергнутых рекультивации, показали, что проведенные мероприятия не оказывают существенного влияния на изменение актуальной кислотности. Значение последней в фоновых образцах дерново-подзолистой глинистой почвы, загрязненных нефтью, находилось на уровне нейтральной или слабощелочной, а разница между фоновым и образцами, загрязненными нефтью, не превышала 0,5 единицы рН.

Содержание углерода непосредственно связано с количеством внесенной нефти. Исходное содержание общего углерода составило 1,6 %. На площадках с применением диаммонийфосфата содержание углерода составило 9,3 % при нагрузке нефти 100 мг/кг, что свидетельствует о низкой эффективности препарата.

Наиболее эффективно снижает содержание углерода внесение штаммов Phoma eupyrena + «Альбит» и Cephaliophora tropica + «Альбит» на нагрузках нефти 10 и 5 л/м2 – до 4,2 % и 8,8 % соответственно, а также при обработке почвы «Альбитом» на нагрузке 10 л/м2 углерод составил 9,2 %.

Применение гриба-сапрофита Phoma eupyrena + «Альбит» на нагрузке 100 мг/кг содержание углерода составило 10,09 %, при нагрузках 100 мг/кг – 9,04 %, при нагрузках 50 мг/кг – 3,02 % соответственно.

Применение штамма Phoma eupy­re­na + «Альбит» на почве, загрязненной нефтью, привело к снижению содержания углеводородов нефти в почве на 3–4 % по сравнению с контрольным опытом (5–10 %). Использование штамма Phoma eupyrena + Альбит привело к снижению содержания углеводородов нефти на 10,22 %. Наименьшее положительное влияние на разложение углеводородов в почве оказало действие диаммонийфосфата и препарата «Идеал» (1 %).

Таким образом, наибольшую эффективность в механизме разложении нефти продемонстрировало использование двух указанных штаммов в смеси с «Альбитом». Наименее эффективным оказалось использование диаммонийфосфата и «Идеала» (табл. 1) [6].

Таблица 1

Значение актуальной кислотности, содержания углерода и углеводорода в нефтезагрязненных и фоновых образцах почвы

№ п/п

Площадка

рН

С, %

УВ, %

% дег. УВ

1

Почва без нефти (контроль)

7,25

1,64

1,64

2

Почва, нефть(200 мг/кг) контроль

7,40

20,00

3

Почва, нефть (100 мг/кг) контроль

7,39

10,00

4

Почва, нефть (50 мг/кг) контроль

7,28

5,00

5

Почва, нефть (50 мг/кг), Phoma eupyrena, «Альбит»

7,30

3,02

3,00

32,00

6

Почва, нефть (100 мг/кг), Phoma eupyrena, «Альбит»

7,35

9,04

8,00

18,00

7

Почва, нефть (200 мг/кг), Phoma eupyrena, «Альбит»

7,32

10,02

10,00

49,50

8

Почва, нефть (100 мг/кг), диаммонийфосфат

7,70

9,30

9,00

9,10

9

Почва, нефть (50 мг/кг), «Идеал»

7,33

4,80

4,00

16,00

10

Почва, нефть (100 мг/кг), «Идеал»

7,32

9,80

9,00

9,00

11

Почва, нефть (200 мг/кг), «Идеал»

7,43

9,81

18,11

9,45

12

Почва, нефть (50 мг/кг), «Альбит»

7,34

4,89

2,55

49,00

13

Почва, нефть (100 мг/кг), «Альбит»

7,44

9,20

6,00

37,00

14

Почва, нефть (200 мг/кг), «Альбит»

7,54

11,55

9,11

54,45

15

Почва, нефть (50 мг/кг), Phoma eupyrena, Cephaliophora tropica, «Альбит»

7,28

2,40

2,00

52,10

16

Почва, нефть (100 мг/кг), Phoma eupyrena, Cephaliophora tropica, «Альбит»

7,27

8,80

6,00

37,00

17

Почва, нефть (200 мг/кг), Phoma eupyrena, Cephaliophora tropica, «Альбит»

7,45

10,35

10,12

49,40

На основании полученных результатов по исследованию содержания нитратного азота в почве экспериментальных площадок можно предположить, что при загрязнении вместе с углеводородами нефти в почву дополнительно поступают нитрат-ионы в виде солей, которые переходят в водную вытяжку при определении. Так, в контрольном загрязненном нефтью и необработанном препаратом образце с нагрузкой 200 мг/кг содержание нитрат-ионов выше в 2,3 раза, чем в соответствующем контрольным образце (без нефти). Применение штамма Phoma eupyrena + «Альбит» при нагрузке 200 и 100 мг/кг снижает нитратный азот в 3,3 раза, а при нагрузке 50 мг/кг – в 2,1 раза. Максимальное содержание нитратного азота было получено при применении препарата «Идеал» при нагрузке 100 мг/кг (11,20 мг/кг) и при нагрузке 50 мг/кг (24,56 мг/кг). Существенное снижение нитратного азота по сравнению с контрольным образцом, загрязненным нефтью, было получено при использовании штаммов Phoma eupyrena и Cephaliophora tropica + «Альбит» при нагрузке 100 и 50 мг/кг: в 4,5 и 4,1 раза соответственно.

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что препарат «Идеал» эффективно иммобилизует нитратный азот из почвы, но при этом подавляются процессы биологической денитрификации, в результате чего азот накапливается в почве в больших количествах. Штаммы, применяемые на нагрузках, наоборот, стимулируют рост микрофлоры, участвующей в процессе денитрификации, вызывая резкое падение содержания нитратного азота в почве.

Следует также отметить, что загрязнение нефтью не повлияло на содержание подвижных соединений фосфора. В образцах, загрязненных нефтью, содержание легкорастворимых фосфатов практически не отличалось от содержания в контрольном образце без нефти: 6,52 мг/100 г и при нагрузках нефти от 50 до 200 мг/кг: 6,68 мг/100 г; 6,35 мг/100 г; 6,41 мг/100 г.

Применение различных препаратов на загрязненных нефтью площадках повысило содержание фосфатов в почве в несколько раз по сравнению с контрольными опытами. Причем наибольший эффект для фосфатов наблюдался при внесении штаммов увеличение в 2,5 раза, а также применение «Альбита». Менее эффективным оказался препарат «Идеал» [4].

Отметим, что нефтяное загрязнение незначительно влияет на содержание в почве подвижных соединений калия.

Влияние ряда препаратов на содержание подвижного калия отражает те же тенденции, как и в случае подвижного фосфора. В образцах, на которых применялись штаммы, содержание подвижного калия увеличилось в 4–5 раз по сравнению с контрольным и загрязненным нефтью образцом. При применении препарата «Альбит» содержание калия увеличилось в 3,7 раза. (табл. 2).

Таблица 2

Содержание агрохимических показателей в нефтезагрязненных и фоновых образцах дерново-подзолистой глинистой почвы

№ п/п

Площадка

NO3–,

мг/100 г

P2O5,

мг/100 г

K2O,

мг/100 г

1

Почва без нефти (контроль)

39,35

6,52

3,21

2

Почва, нефть (200 мг/кг) контроль

90,27

6,68

3,46

3

Почва, нефть (100 мг/кг) контроль

80,30

6,35

3,24

4

Почва, нефть (50 мг/кг) контроль

67,58

6,41

3,18

5

Почва, нефть (50 мг/кг), Phoma eupyrena , «Альбит»

31,06

13,51

14,06

6

Почва, нефть (100 мг/кг), Phoma eupyrena, «Альбит»

24,15

14,01

13,10

7

Почва, нефть (200 мг/кг), Phoma eupyrena, «Альбит»

26,56

13,11

12,11

8

Почва, нефть (100 мг/кг), диаммонийфосфат

33,76

11,38

8,84

9

Почва, нефть (50 мг/кг), «Идеал»

92,14

7,98

7,22

10

Почва, нефть (100 мг/кг), «Идеал»

91,51

8,18

5,16

11

Почва, нефть (50 мг/кг), «Альбит»

44,34

22,54

14,11

12

Почва, нефть (100 мг/кг), «Альбит»

32,45

15,14

12,18

13

Почва, нефть (200 мг/кг), «Альбит»

23,12

16,32

14,03

14

Почва, нефть (100 мг/кг), Phoma eupyrena, Cephaliophora tropica, «Альбит»

17,78

16,12

14,37

15

Почва, нефть (50 мг/кг), Phoma eupyrena, Cephaliophora tropica, «Альбит»

16,54

17,08

15,18

16

Почва, нефть (200 мг/кг), Phoma eupyrena, Cephaliophora tropica, «Альбит»

15,33

18,54

13,21

17

Почва, нефть (200 мг/кг), « Идеал»

89,55

8,44

4,21

Характеристика биоценоза почв экспериментальных площадок

Биоценоз незагрязненной почвы типичен для подзолистых почв и представлен следующими группами бактерий: Pseudomonas (106 КОЕ/мл), Rhodococcus (108 КОЕ/мл), Bacillus (107 КОЕ/мл), а также мицеальные микромицеты родов Fusarium (106 КОЕ/мл), Penicillium (108 КОЕ/мл). Присутствуют патогенные бактерии и грибы следующих групп Xanthomonas 105 КОЕ/мл Clavibacter 106 (КОЕ/мл), Agrobactrium (108 КОЕ/мл), Rhizoctonia (106 КОЕ/мл), Phytoptora (108 КОЕ/мл) [2, 3].

После разлива нефти через неделю была проведена оценка биоценоза почвы и в результате получены следующие данные: у групп Pseudomonas, Rhodococcus и Bacillus снизился титр в 2–2,5 раза. Отсутствовали грибы родов Penicillium, Fusarium. Патогенные микроорганизмы Xanthomonas, Rhizoctonia также снизили свой титр, а патогены Clavibacter, Agrobactrium, Phytoptora полностью отсутствовали.

Через 2 недели биоценоз почв существенно не изменился. После внесения штамма Phoma eupyrena + «Альбит», индивидуального «Альбита», диаммонийфосфата через 35 дней обнаружены микробиологические группы Pseudomonas, Rhodococcus, Bacillus, Xanthomonas на начальной стадии восстановления. Выяснено, что концентрация патогенных микроорганизмов нарастает быстрее, чем концентрация полезной микрофлоры (~в 2 раза). Наиболее эффективный рост микрофлоры наблюдался после обработок штаммами Phoma eupyrena + «Альбит», Cephaliophora tropica + «Альбит» и «Альбит». Концентрация штамма Phoma eupyrena на нагрузке нефти 50 мг/кг составили 108 КОЕ/мл [1].

Групповой анализ через 70 дней (табл. 3) после внесения всех составов на нефтезагрязненные площадки показал существенное изменении микробиологических групп Pseudomonas, Rhodococcus, Bacillus. Их содержание приблизилось к фоному образцу при нагрузке 50 мг/кг (105, 107, 106 КОЕ/мл) соответственно. Группа Xanthomonas достигла фоновой концентрации 105 КОЕ/мл при нагрузку 50 мг/кг. Патогенные микроорганизмы Clavibacter, Rhizoctonia, Phytoptora отсутствовали на площадках с нагрузкой нефти 50 мг/кг, обработанных смесями Phoma eupyrena + «Альбит»; Phoma eupyrena + Cephaliophora tropica + «Альбит» или индивидуальным препаратом «Альбит». Данные препараты оказывали губительное действие на патогенный состав почвы, загрязненной нефтью. Нарастание штамма Phoma eupyrena и Cephaliophora tropica достигло 108 и 1010 КОЕ/мл при нагрузке нефти 50 мг/кг.

Таблица 3

Биоценоз после разлива через 70 дней на экспериментальных площадках Ильинского района (2007 г.)

Наимен. микробиол. групп

Биоценоз до разлива, Фон

Площадка по нагрузкам

20, контроль

10, контроль

5, контроль

20, «Альбит» + штамм

10, «Альбит» + штамм

5, «Альбит» + штамм

10, диаммон.фосфат

10, «Альбит»

10, «Альбит» + штамм 1,2

5, «Альбит» + штамм 1,2

10, вытяжка преп. «Идеал»

5, вытяж.преп. «Идеал»

Pseudomonas

107

102

102

103

104

104

105

104

104

105

106

103

102

Rhodococcus

108

102

102

104

105

106

107

103

104

105

105

102

102

Bacillus

107

-

103

102

105

105

106

103

105

104

104

102

103

Xanthomonas

105

102

102

102

104

104

105

104

105

104

105

103

103

Clavibacter

106

103

104

104

103

102

-

103

102

103

-

104

103

Agrobacterium

108

102

104

104

103

105

106

102

104

102

103

103

102

Rhizoctonia

106

104

103

102

103

102

-

103

102

102

-

104

103

Phytoptora

108

105

104

104

102

102

-

103

103

102

-

103

103

Penicillium

108

102

102

103

103

105

102

102

103

102

102

102

102

Fusarium

106

104

103

104

102

104

103

103

103

102

103

102

103

Штамм № 1

       

106

107

1010

   

107

107

   

Штамм № 2

                 

106

10s

   

Заключение

Проведенные исследования показывают перспективность использования штаммовых культур грибов-сапрофитов совместно с сельскохозяйственными препаратами. По результатам исследования восстановительной способности биологического состояния почвы, загрязненной нефтью, на разложение углеводородов нефти наиболее эффективно влияют штаммы Phoma eupyrena и Cephaliophora tropica на фоне препарата «Альбит».

Рецензенты:

Глушков В.А., д.х.н., доцент, ФГБУН «Институт технической химии УфО РАН», г. Пермь;

Леснов А.Е., д.х.н., профессор кафедры экологии Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 22.04.2013.