Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Нефтяная промышленность является одной из отраслей, которая загрязняет окружающую среду, нанося ущерб биосфере. Отдельные территории вследствие разливов нефти приближаются по состоянию к районам экологического бедствия. Создается угроза устойчивой, часто необратимой, трансформация всех компонентов природной среды, что приводит к нарушению нормального функционирования природных экосистем и ухудшению условий жизни растений, животных, человека [1, 3]. Ранние работы авторов показали эффективность использования биологической рекультивации нефтезагрязненных почв с использованием штаммовых культур грибов-сапрофитов [2]. В настоящем исследовании показано, что возможно осуществлять рекультивацию комплексом биопрепаратов «Альбит», «Байкал ЭМ1» и минерального удобрения.

Материалы, методы и объекты рекультивации

Территория нефтебазы приурочена к надпойменной террасе правого берега р. Волги. Преобладающий рельеф террасы плоский и плоско-холмистый. Поверхность изрезана озерами и торфяными болотами, чередующимися с песчаными гривами, направленными параллельно руслу р. Волги. Для исследуемого участка характерно высокое залегание уровня грунтовых вод, вызывающих подтопление территории нефтебазы во влажные периоды года. Естественная растительность частично сведена при планировочных работах вокруг цистерн хранения нефтепродуктов. Оставшаяся растительность угнетена, разрежена и представлена участками злаково-разнотравных сообществ, а также кустарниками, редкими деревьями (клен, тополь, береза, ива). В соответствии с требованиями техники безопасности большая часть древесных пород на участках, непосредственно примыкающих к резервуарам хранения, была ликвидирована.

В 2002 г. на территории нефтебазы произошла утечка нефтепродукта из резервуара, что резко ухудшило экологическую обстановку на объекте.

Работы на Керженецкой нефтебазе начались в июне 2003 г., территорию базы покрывали техногенные поверхностные образования (ТПО), представляющие собой слоистые грунты разного гранулометрического состава с участками перемешанного почвенного материала, неравномерно пропитанные свежей и остаточной нефтью.

На весь загрязненный нефтью участок внесли минеральные удобрения –диамонийфосфат в дозе 40 кг/га. ТПО рыхлили 2 раза в месяц с целью увеличения доступа кислорода и ускорения процесса биодеградации нефтяных углеводородов. Затем для ускорения разложения нефтепродуктов внесли на почву биопрепараты «Альбит» + «Байкал ЭМ1» из расчета 200 л/га в соотношении 1:1, что обеспечивало содержание интродуцированных бактерий (Pseudomonas, Rhodococcus, Azotobakter и т.д.) в почве на уровне не менее 106 клеток/г почвы.

Посев трав проводили в середине лета. Семена трав предварительно в течение нескольких часов замачивали в биопрепарате «Альбит». Всходы трав появились через 15 дней после посева. Через 25 дней растения покрыли всю поверхность площади, подвергнутой рекультивации.

Образцы почвогрунта были отобраны из слоя 0–10 и 10–20 см из шести участков загрязненной территории для исследования агрохимических показателей (рис. 1) и десяти участков – для микробиологических показателей; для сравнения взяты образцы с незагрязненной (фоновой) территории.

Рис. 1. Схема разлива нефти и точек отбора (1, 2, 3, 4, 5, 6) почвенных проб на территории Керженецкой нефтебазы

Результаты исследования и их обсуждение

Изменение агрохимических показателей состояния ТПО

Агрохимические показатели состояния ТПО оценивались до начала рекультивации и спустя месяц в шести точках отбора на территории Керженецкой нефтебазы.

Перед началом рекультивации ТПО имели нейтральную реакцию среды, содержание углеводородов колебалось от 2 до 15 %, органического углерода – от 3 до 16 % (табл. 2), изменчивость данных показателей обусловлена неравномерным загрязнением ТПО нефтью.

В значительной степени варьировалось и количество нитратов. Количество подвижных фосфатов и калия в ТПО было низким и в меньшей степени изменялось по точкам отбора.

Спустя месяц с начала процесса рекультивации отмечено заметное изменение агрохимических свойств ТПО (табл. 3), обоснованное статистическими критериями достоверности (табл. 1). Отмечено подкисление ТПО, но реакция среды остается в пределах нейтральных значений. Заметно снизились содержание органического углерода и особенно углеводородов (в среднем в 5 раз ниже). Благодаря удобрениям и биопрепаратам возросло содержание подвижных соединений азота, фосфора и калия.

Изменение микробиологических показателей состояния ТПО

До рекультивации в поверхностных слоях нефтезагрязненных ТПО редко обнаруживались микроорганизмы родов Aspersillus, Mucor и Phytophtora; не во всех пробах присутствовали Erwinia, Bacillus, Rhodococeus, Pythium, Fusarium, Rhizoctonia, Synchyltsium. Чаще и обильнее остальных представлены в ТПО бактерии Clotridium и Pseudomonas, их количество находилось в пределах десятков – сотен КОЕ/г почвы (табл. 4).

Таблица 1

Показатели агрохимического состояния ТПО до ремедиации (08.06.2004 г.)

Таблица 2

Показатели агрохимического состояния ТПО в процессе ремедиации (26.08.2004 г.)

Таблица 3

Средние значения показателей состояния ТПО и достоверность их различий до и спустя месяц после начала ремедиации

После проведения мероприятий по рекультивации ТПО микробное сообщество изменилось качественно и количественно [4]. В нем присутствовали 1000…100000 КОЕ/г почвы бактерий родов Rhodococeus, Clotridium, Pseudomonаs, 1000…10000 Bacillus, 10…1000 грибов Pythium, Fusarium, Synchyltsium, Erwinia, Rhizoctonia, в том числе, ранее необнаруженные Aspersillus, Mucor, Phytophtora (табл. 4). По-видимому, микроорганизмы были внесены с препаратом «Байкал ЭМ1», активизированы питательными и биохимически активными веществами препаратов и удобрений. В благоприятных условиях активно размножалась аборигенная микробиота. Благодаря углеводородокисляющим бактериям и грибам количество нефти в ТПО за месяц снизилось в среднем в 5 раз.

К анализу микробного сообщества ТПО до начала рекультивации и спустя один месяц применили ранее использованный метод оптимизации [2]. Для углеводородокисляющих микроорганизмов Bacillus, Rhodococeus, Clotridium, Pseudomonаs, Aspersillus, Pythium, Synchyltsium использовали при расчете нормированных показателей в качестве экстремума максимальные значения. Для групп с представителями фитопатогенных видов (Fusarium, Rhizoctonia, Erwinia, Mucor, Phytophtora) были применены минимальные (но отличные от нуля) экстремумы. Нормированные показатели и критерии оптимизации рассчитаны для каждой пробы ТПО в оба срока наблюдений (табл. 5). Критерии оптимизации поверхностных слоев нефтезагрязненных ТПО до рекультивации колебались в пределах 0–5,5. После проведения рекультивационных мероприятий ТПО границы колебаний критериев оптимизации составили 3–12, при этом критерий ниже 5 единиц имели 5 проб из 20 (25 %). По отдельным точкам отбора критерий оптимизации микробного сообщества ТПО увеличился в десятки раз. Таким образом, можно утверждать, что сообщество микроорганизмов благодаря рекультивационным мероприятиям оптимизировано на количественном и качественном уровне, как и экологическое состояние ТПО в целом, включая агрохимические показатели и количество остаточной нефти.

Таблица 4

Количество микроорганизмов в ТПО нефтебазы до начала и в процессе ремедиации

Таблица 5

Нормированные критерии оптимизации количества микроорганизмов в ТПО нефтебазы Керженец

Ферментативная активность ТПО

Для характеристики биохимической активности ТПО были исследованы показатели активности почвенных ферментов, относящихся к группам оксидоредуктаз (каталазная и дегидрогеназная активность) и гидролаз (инвертазная активность почв).

После рекультивации ТПО активность каталазы повышена относительно фонового уровня (рис. 2, а). Активность инвертазы и особенно дегидрогеназы выше активности этих ферментов в фоновых ТПО (рис. 3, б). Известно, что основными поставщиками ферментов в почвы служат микроорганизмы, в меньшей мере растения. По-видимому, благодаря проведению мероприятий по рекультивации ТПО усилилась выработка некоторых экзоферментов почвенной микробиотой.

Образцы нефтезагрязненных ТПО характеризовались меньшей скоростью азотфиксации, чем образец фоновой ТПО (рис. 3, а,), что соответствует литературным данным о снижении азотфиксации в нефтезагрязненных почвах [5]. Скорость денитрификации почти не отличается от фона (рис. 3, б).

а б

Рис. 2. a – активность каталазы, см3 0,1 КМnО4/г, мин: 1 – проба фонового ТПО; 2, 3, 4, 5– пробы ТПО в процессе ремедиации; б – активность инвертазы, мг глюкозы/г, 24 ч: 1 – проба фонового ТПО; 2, 3, 4, 5 – пробы в процессе ремедиации

а б

Рис. 3. a – скорость азотфиксации, нмоль С2Н4/г, 24 ч:1 – проба фоновой ТПО; 2, 3, 4, 5 – пробы ТПО в процессе ремедиации; б – скорость денитрификации, мкмольN2О/г, 24 ч: 1 – проба фоновой почвы; 2, 3, 4, 5 – пробы после ремедиации

Поверхностные слои ТПО более однородны по каталазной активности и скорости денитрификации; выше изменчивость ТПО по активности инвертазы, дегидрогеназы и скорости азотфиксации.

Таким образом, в нефтезагрязненном ТПО, спустя один месяц после начала рекультивации, по сравнению с фоновым ТПО повышена активность каталазы, инвертазы и особенно дегидрогеназы, что отражает развивающиеся процессы микробной рекультивации, направленные на деструкцию нефти. Активность азотфиксации в ТПО понижена, что характерно для нефтезагрязненных почв по сравнению с контролем. Процессы денитрификации не отличаются в целом от фонового уровня, что свидетельствует об аэробной обстановке, не благоприятствующей восстановлению азота и его потере в форме газообразных соединений.

Выводы

1. Процесс рекультивации нефтезагрязненных ТПО развивался благодаря активизации микробиоты путем рыхления поверхностных слоев, применения биопрепаратов «Альбит», «Байкал ЭМ1» и минерального удобрения. В ТПО повысилось содержание подвижных форм фосфора и калия и в несколько раз уменьшилось количество нефти.

2. В микробной ремедиации ТПО принимали активное участие бактерии (Rhodococeus, Clotridium, Pseudomonаs) и микромицеты (Fusarium, Rhizoctonia, Synchyltsium), количество которых увеличилось на несколько порядков в течение месяца на фоне рыхления, применения препаратов «Альбит», «Байкал ЭМ1» и минеральных удобрений. В соответствии с нормированным коэффициентом оптимизации экологическое состояние поверхностных слоев ТПО менее чем за два месяца улучшилось в несколько раз, что позволило сформировать покров из сеянных толерантных трав.

3. В процессе микробной рекультивации нефтезагрязненных ТПО уровень активности ферментов инвертазы, дегидрогеназы и каталазы превысил фоновую величину; интенсивность денитрификации не уступила фоновым показателям, однако был подавлен процесс азотфиксации.

Рецензенты:

Глушков В.А., д.х.н., доцент, ФГБУН «Институт технической химии» УрО 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 07.08.2013.