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.