Большие площади вблизи нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и нефтетранспортирующих промышленных объектов заняты разливами нефти [10]. С января 2002 г. Закон «Об охране окружающей среды» повышает требования к охране окружающей среды при добыче и транспортировке нефти (ст. 46), в т.ч. требуя «проведения рекультивации нарушенных и загрязненных земель, снижения негативного воздействия на окружающую среду, возмещения вреда окружающей среде, причиненного в процессе строительства и эксплуатации объектов нефтегазодобывающих производств, объектов переработки, транспортировки, хранения и реализации нефти».
Нефтью загрязнены тысячи гектар по всей России, чем наносят серьезный вред окружающей среде [10]. В естественных условиях нефть залегает на больших глубинах и не оказывает влияния на почву. Загрязнение почв нефтью происходит в результате антропогенной деятельности в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти. Поэтому проблема нефтяных загрязнений весьма актуальна в настоящее время при активном развитии нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Одновременно в связи с ростом внимания к экологическому фактору, связанному с промышленной деятельностью, возрастает интерес и к вопросам рекультивации [1]. К сожалению, полностью очистить почву от нефти весьма трудно в связи с ее медленным разложением, и в почве всегда можно обнаружить некоторое количество остаточных нефтепродуктов.
Мелкоделяночный опыт
Опыты проведены на территории опытного участка Ильинского района Пермского края. Полевые исследования включали серию опытов в 2002–2004 гг.
Опыты заложены на свежезалежном участке на дерново-карбонатной тяжелосуглинистой почве. Пахотный слой имел серо-коричневую окраску, комковато-зернистую структуру и рыхлое сложение, тяжелосуглинистый гранулометрический состав, содержал кусочки извести. Переходный к породе горизонт красно-коричневой окраски, крупнозернистый, глинистый. Обилие плотных карбонатных включений отмечено с глубины около 40–50 см. Почвы, сформированные на пермских карбонатных породах, отнесены к категории редких почв и рекомендованы для включения в Красную книгу почв Пермского края [4].
Результаты определения показателей пахотного слоя [5] дерново-карбонатной почвы на опытном участке приведены в табл. 2. Дерново-карбонатная почва характеризуется средним содержанием гумуса, слабокислой реакцией среды, средним содержанием подвижного фосфора и обменного калия [8].
Опыты по применению биопрепаратов, удобрений и извести
Динамика остаточного содержания нефти в дерново-карбонатной почве прослежена в 3 срока. Через месяц после загрязнения почвы нефтью наибольшее очищение почвы отмечено на варианте с использованием штаммов дрожжевых культур; относительно контрольного варианта деградация нефти составила 47 % (табл. 1). На вариантах с биогумусом, вермикомпостом и «Альбитом» нагрузка нефти снизилась на 40 %. Наименьшая деградация нефти отмечена на фоне внесения диаммонийфосфата и особенно извести (15 %).
Таблица 1
Содержание нефти в почве по вариантам опыта
№ п/п |
Вариант |
Нефть, мг / кг |
||
15.05.04 |
18.06.03 |
22.09.04 |
||
1 |
Фон |
0 |
0 |
0 |
2 |
Нефть 20 л/м2 |
200 |
191 |
180 |
3 |
Нефть 20 л/м2 + биогумус |
119 |
116 |
100 |
4 |
Нефть 20 л/м2 + вермикомпост |
119 |
114 |
101 |
5 |
Нефть 20 л/м2 + дрожжевые культуры |
105 |
104 |
100 |
6 |
Нефть 20 л/м2 + навоз |
141 |
138 |
120 |
7 |
Нефть 20 л/м2 + «Альбит» |
118 |
112 |
91 |
8 |
Нефть 20 л/м2 + «Байкал М1» |
136 |
130 |
120 |
9 |
Нефть 20 л/м2 + диаммонийфосфат |
159 |
141 |
121 |
10 |
Нефть 20 л/м2 + известь |
169 |
146 |
140 |
Весной 2004 г. отмечено дальнейшее снижение количества нефти по всем вариантам, включая контроль, на котором нагрузка нефти за счет естественного самоочищения снизилась на 4,5 % (табл. 4). Скорость деструкции нефти снизилась на фоне дрожжевых культур, т.к. за год почти не изменилось количество нефти в почве. На вариантах с биопрепаратами (биогумус, вермикомпост, «Альбит») содержание нефти снизилось относительно начального уровня на 42–44 %, очевидно, действие этих натуральных биопрепаратов обусловлено присутствием активных групп углеводородокисляющих микроорганизмов и биохимически активных веществ. В биогумусе и вермикомпосте это могут быть гуминовые кислоты – известные биостимуляторы. В препарате «Альбит» стимуляция микробиологической активности может быть связана с питательными элементами и биоактивными веществами. Затем следует эффективность навоза и препарата «Байкал ЭМ1». Наименьшая деструкция по-прежнему характерна для вариантов с диамонийфосфатом и известью, последняя не столько влияет на почву (дерново-карбонатная почва не нуждается в нейтрализации кислотности), сколько, по-видимому, служит источником питательных элементов для микробиоты (Ca, Mg).
В cентябре 2004 г. под покровом трав прослежен продолжающийся процесс деградации нефти (табл. 4). Благодаря самоочищению (без микробной стимуляции) разрушено всего 10 % нефти от исходного содержания. 50 % нефти деградировано на фоне внесения биогумуса и вермикомпоста, 55 % – «Альбита». Применение диаммонийфосфата, навоза и препарата «Байкал ЭМ1» привело к разрушению 40 % нефти от исходного количества. Наименьший эффект оказало известкование – 30 % от начального содержания нефти.
Таким образом, применение биопрепаратов и удобрений ускорило в несколько раз деградацию нефти, благодаря их применению за 14–15 месяцев деградировано 40–50 % нефти, внесенной на поверхность дерново-карбонатной почвы в количестве 20 л/м2. По сравнению с контрольным вариантом содержание нефти в обрабатываемом слое по фону препарата «Альбит» понижено почти на 50 %.
В сентябре 2004 г. были изучены некоторые агрохимические показатели дерново-карбонатной почвы. Внесение биопрепаратов, удобрений и извести несущественно повлияло на актуальную кислотность (табл. 2), которая осталась в пределах нейтральной среды; тенденция к слабому подщелачиванию прослежена на фоне извести и диаммонийфосфата.
Таблица 2
Агрохимические показатели дерново-карбонатной почвы по вариантам опыта (22.09.2003 г.)
№ п/п |
Площадка |
рНвод |
Сорг, % |
N–NO3–, мг/100 г |
Р2О5, мг/100 г |
К2О, мг/100 г |
1 |
Фон |
7,25 |
2,1 |
39,4 |
6,5 |
3,2 |
2 |
Нефть 20 л/м2 |
7,40 |
- |
90,2 |
6,6 |
3, 5 |
3 |
Нефть 20 л/м2 + биогумус |
7,32 |
12,0 |
26,67 |
7,65 |
4,00 |
4 |
Нефть 20 л/м2 + вермикомпост |
7,30 |
11,8 |
26, 7 |
7,6 |
4,0 |
5 |
Нефть 20 л/м2 + дрожжевые культуры |
7,03 |
14,1 |
34,0 |
16,2 |
13,4 |
6 |
Нефть 20 л/м2 + навоз |
7,08 |
16,5 |
195,7 |
13,8 |
10, 8 |
7 |
Нефть 20 л/м2 + «Альбит» |
7,44 |
10,1 |
69, 5 |
15,1 |
12,1 |
8 |
Нефть 20 л/м2 + «Байкал ЭМ1» |
7,26 |
9,6 |
17,7 |
10,2 |
7,2 |
9 |
Нефть 20 л/м2 + диаммонийфосфат |
7,70 |
13,2 |
103,8 |
11,4 |
8,9 |
10 |
Нефть 20 л/м2 + известь |
7,60 |
17,2 |
64,6 |
12,2 |
9,8 |
Фоновое содержание органического углерода в залежной дерново-карбонатной почве составляло 2,1 % (табл. 5). В результате внесения нефти все варианты опыта были обогащены органическим углеродом. Через 4 месяца с начала ремедиации наибольшее количество органического углерода отмечено на фоне извести и навоза; в первом случае это результат замедленного разложения нефти (см. табл. 4), а во втором – также последствие внесения органического удобрения. Меньшим содержанием органического углерода (9–12 %) характеризовались варианты с биопрепаратами «Альбит», «Байкал ЭМ1», биогумус и вермикомпост, что отразило повышенную скорость деградации нефти.
Количество подвижных нитратов сильно варьировалось по вариантам опыта. Содержание их в почве – интегральный результат микробиологических процессов трансформации минеральных соединений, разложения органических соединений и потребления растениями. Загрязнение нефтью увеличило количество нитратов относительно фона более чем в 2 раза. Вероятно, накопление нитратов – это результат, прежде всего, их внесения с нефтью, т.к. процессы азотфиксации и нитрификации подавляются при нефтезагрязнении [2, 9]. Слабо развитый травянистый покров ограничено потребляет почвенные нитраты. Повышенным количеством нитратов отмечена почва на вариантах с применением навоза и диаамонийфосфата, содержащих соединения азота в органической и/или минеральной формах. Количество нитратов на вариантах с применением препаратов биогумус, «Альбит», «Байкал ЭМ1», дрожжевые культуры, вермикомпост и известь ниже фона, вероятно, в почве сформировался замкнутый круговорот использования азотных соединений растениями и микроорганизмами.
Минимальное содержание подвижных фосфатов установлено в фоновой дерново-карбонатной почве и нефтезагрязненной почве (табл. 5). Количество подвижного фосфора было повышено на вариантах применения биопрепаратов, и в основном это связано с присутствием в них этого питательного элемента. В слабощелочных почвах подвижность и доступность фосфатов для растений понижена, поэтому особенно важно отметить, что ускоренная деградация нефти микроорганизмами не обеднила почву этим подвижным соединением.
Похожую картину показало количество подвижного калия в дерново-карбонатной почве по вариантам опыта; меньше всего его запасы в незагрязненной и загрязненной почве без использования биопрепаратов, извести и удобрений (табл. 2).
Бенз(а)пирен относят к веществам канцерогенного действия; он может накапливаться в почвах, испытавших загрязнение нефтью и нефтепродуктами [6, 7]. Исследования показали наибольшее его содержание в нефтезагрязненной почве, а также в нефтезагрязненной почве с внесением диаммонийфосфата и извести вследствие ослабленного процесса деградации нефти (табл. 3). Заметно ниже количество бенз(а)пирена на вариантах с дрожжевыми культурами и навозом, биогумусом и вермикомпостом. В три раза меньше его содержание с применением препаратов «Альбит» и «Байкал ЭМ1» по сравнению с нефтезагрязненной почвой.
Таблица 3
Продуктивность зеленой массы трав и количество бенз(а)пирена в почве по вариантам опыта (22.09.2003) г.
Вариант |
Бенз(а)пирен, нг/г почвы |
Продуктивность зеленой массы, кг/м2 |
Нефть 20 л/м2 |
18,96 |
8,0 |
Нефть 20 л/м2 + биогумус |
5,12 |
15,0 |
Нефть 20 л/м2 + вермикомпост |
6,22 |
15,0 |
Нефть 20 л/м2 + дрожжевые культуры |
8,87 |
16,0 |
Нефть 20 л/м2 + навоз |
9,86 |
14,0 |
Нефть 20 л/м2 + «Альбит» |
4,82 |
17,5 |
Нефть 20 л/м2 + «Байкал ЭМ1» |
4,91 |
16,4 |
Нефть 20 л/м2 + диаммонийфосфат |
17,80 |
12,3 |
Нефть 20 л/м2 + известь |
15,86 |
10,2 |
Продуктивность сеяных трав отражает общую картину биодеградации нефти по вариантам опыта (табл. 3). Ниже всего их продуктивность на контроле с одной нефтью, что может быть обусловлено как токсичностью самой нефти, так и изменениями в составе микробоценозов, в том числе возрастанием частоты встречаемости и обилия фитотоксичныхмикромицетов [3]. Затем следуют варианты с применением извести, диаммонийфосфата и навоза. Самая высокая продуктивность трав отмечена на вариантах с биопрепаратами биогумус и вермикомпост и особенно с препаратами «Альбит» и «Байкал ЭМ1»; на фоне последних она увеличилась в 2 раза относительно варианта с контрольным загрязнением почвы.
Для выбора наиболее эффективного варианта микробной ремедиации нефтезагрязненной дерново-карбонатной почвы был использован метод математической оптимизации. Из каждой выборки показателей состояния почвы (х1, х2, х3, х4, …, хn) по всем вариантам опыта выбирался экстремум – минимальное (хmin) или максимальное (xmax) значение (приложение 1). Для показателей рН, содержания органического углерода, нефти и бенз(а)пирена были выбраны минимальные значения; а для подвижных фосфатов, калия и продуктивности трав – максимальные значения экстремумов. Относительно экстремума рассчитали нормированные значения показателей: xk = хmin/хn, или xk = хn/хmax. Сложили нормированные значения показателей и получили критерий оптимизации по каждому варианту ремедиации (табл. 4). При данном подходе был учтен комплекс экологически важных показателей, отражающих состояние нефтезагрязненной почвы в процессе микробной ремедиации. Исходя из критериев оптимизации по комплексу изученных показателей, лучшими являются варианты микробной ремедиации нефтезагрязненной дерново-карбонатной почвы с применением биопрепаратов «Альбит», «Байкал ЭМ1» и дрожжевых культур.
Выводы
В дерново-карбонатной почве, загрязненной нефтью в дозах от 5 до 20 л/м2, на фоне периодического рыхления и полива за 2 месяца летнего периода отмечено 40–50 %-е разрушение нефти благодаря активизации пула углеводородокисляющих микроорганизмов биопрепаратом «Альбит», содержащим биохимически активные вещества и элементы минерального питания. Экологическое состояние почвы, подвергнутой ремедиации, позволило получить всходы и создать покров из злаков.
Таблица 4
Нормированные значения показателей по вариантам ремедиации, пос. Ильинский, опыты 2002–2004 гг.
Вариант |
Параметр |
Критерий оптимизации |
||||||||
Р2О5 |
К2О |
NO3 |
Cорг |
Продуктивность |
Нефть I |
Нефть II |
Нефть III |
Бенз(а)-пирен |
||
Нефть 20 л/м2 + биогумус |
0,47 |
0,30 |
0,66 |
0,80 |
0,86 |
0,53 |
0,54 |
0,50 |
0,94 |
5,6 |
Нефть 20 л/м2 + вермикомпост |
0,49 |
0,39 |
0,19 |
0,81 |
0,86 |
0,88 |
0,90 |
0,91 |
0,77 |
6,2 |
Нефть 20 л/м2 + дрожжевые культуры |
1,00 |
1,00 |
0,52 |
0,68 |
0,91 |
0,88 |
0,91 |
0,90 |
0,54 |
7,34 |
Нефть 20 л/м2 + навоз |
0,85 |
0,78 |
0,09 |
0,58 |
0,80 |
1,00 |
1,00 |
0,91 |
0,49 |
6,50 |
Нефть 20 л/м2 + «Альбит» |
0,93 |
0,90 |
0,25 |
0,95 |
1,00 |
0,74 |
0,75 |
0,76 |
1,00 |
7,28 |
Нефть 20 л/м2 + «Байкал М1» |
0,63 |
0,54 |
1,00 |
1,00 |
0,94 |
0,89 |
0,93 |
1,00 |
0,98 |
7,91 |
Нефть 20 л/м2 + диаммонийфосфат |
0,70 |
0,67 |
0,17 |
0,73 |
0,70 |
0,77 |
0,8 |
0,76 |
0,27 |
5,76 |
Нефть 20 л/м2 + известь |
0,75 |
0,73 |
0,27 |
0,56 |
0,58 |
0,66 |
0,74 |
0,75 |
0,30 |
5,34 |
Примечание. Нефть I – содержание нефти в почве 18.06.2003 г., нефть II – содержание нефти 15.05.2004 г., нефть III – содержание нефти 22.09.2004 г.
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 01.08.2013.
Библиографическая ссылка
Баландина А.В., Еремченко О.З., Одегова Т.Ф., Кузнецов Д.Б. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РЕМЕДИАЦИИ ДЕРНОВО-КАРБОНАТНЫХ ПОЧВ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-1. – С. 95-99;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32223 (дата обращения: 16.08.2024).