НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ПОЧВОГРУНТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Гаврилин И.И. ¹, Шигапов А.М. ²

¹ Кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры Техносферная безопасность; ² Аспирант, Уральский государственный университет путей сообщения, Екатеринбург

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ПОЧВОГРУНТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Аннотация

В статье представлены результаты исследований биодеградации нефтяного загрязнения почвогрунтов при использовании структурообразующих субстратов (углеродсодержащих веществ). Рассмотрены перспективы использования метода фиторемедиации в очистке почвогнрунтов, загрязненных нефтепродуктами. Получены закономерности снижения концентрации нефтепродуктов в почвогрунтах во времени при использовании процессов биоремедиации. Особое внимание уделено определению исходных концентраций нефтяного загрязнения почвогрунтов, снижение которых до уровня предельно допустимых концентраций достигается методом био-фиторемедиации.

Ключевые слова: нефтяное загрязнение, биосферосовместимые технологии, биоремедиаци, почвогрунты, фиторемедиация.

Gavrilin I.I.¹, Shigapov A.M.²

PhD, senior lecturer in Technosphere safety¹; Postgraduate student, Ural State University of Railway Transport, Ekaterinburg².

SOME BIOLOGICAL CLEANING METHODS SOIL POLLUTION OIL

Abstract

The article presents the results of studies of biodegradation of oil contamination of soil by using structure- substrates (carbonaceous substance). Examined the prospects of using the method of phytoremediation to clean of soil contaminated by petroleum. Received regularities reduce oil concentrations in soils over time using the bioremediation processes . Particular attention is paid to the definition of the initial concentrations of oil pollution of soil , reduced to a level the maximum permissible concentrations which is the achieved by bio- phytoremediation.

Keywords: oil pollution, compatible with the biosphere technology, bioremediation, soils, phytoremediation.

В настоящее время состояние окружающей среды и ее отдельных компонентов определяется качественным и количественным составом, поступающих в нее загрязняющих веществ. При этом нефтепродукты являются одними из наиболее токсичных и распространенных веществ, образующихся в результате антропогенной деятельности. Работа транспортного комплекса, предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, многочисленные разливы нефти и нефтепродуктов в результате аварий, пожаров на нефтехранилищах и нефтеперегонных заводах приводят к существенному загрязнению окружающей среды огромным количеством сырой нефти и продуктами её переработки, что в свою очередь создает серьёзную угрозу для жизни и здоровья населения страны.

В результате процессов микробиологического и химического разложения происходит испарение нефти и нефтепродуктов, что является источником загрязнения атмосферного воздуха [1]. Так же происходит вымывание нефтепродуктов из почвенного профиля в водные объекты поверхностными ливневыми и талыми водами, что с одной стороны приводит к их загрязнению, а с другой, попадая в поверхностные воды, придает воде нефтяной запах и привкус, вследствие чего вода становится непригодной для водопотребления по органолептическим показателям [2].

Загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами нарушает и угнетает все жизненные процессы: начинается деградация растительного покрова, падает продуктивность сельскохозяйственных земель, происходит вытеснение отдельными видами растительности остальных, происходит вымывание нефтепродуктов из почв в подземные или поверхностные воды, нарушается экологическое равновесие в почвенном биоценозе, т.е. направленность происходящих процессов является несовместимой с биосферными процессами [3, 4].

В случае загрязнения окружающей среды нефтью или нефтепродуктами, нефтяные разливы должны быть ликвидированы в кротчайшие сроки, а загрязненные компоненты окружающей среды обезврежены и очищены. На сегодняшний день для обезвреживания нефтезагрязненных почвогрунтов наиболее широко применяют следующие способы очистки: механические, термические, физико-химические и биологические.

Механическая очистка осуществляется путем отстаивания, фильтрации, либо сорбции загрязнений, однако не решает проблемы очистки и утилизации самих загрязнений, которые остаются практически в неизменном виде.

Термическое обезвреживание основывается на сжигании загрязняющих веществ, однако из-за недостаточно высокой температуры в атмосферный воздух попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти, а обезвреживаемые почвогрунты после сжигания необходимо размещать на полигонах ТБО.

Химическая очистка, с одной стороны решает проблему очистки от нефтяных соединений, с другой, является непригодным методом обезвреживания на сегодняшний день, т.к. биологический ущерб от применения химических веществ оказывается больше, чем ущерб, который возможен только от загрязнения нефтью, по причине высокой токсичности данных соединений.

В связи с отмеченным выше несовершенством существующих методов обезвреживания загрязненных нефтью и нефтепродуктами почвогрунтов, приоритетным направлением является разработка биосферосовместимых технологий, т.е. очищение окружающей среды и ее компонентов от загрязнений при помощи биологических методов, исходя из главного принципа: не нанести экосистемам больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. При этом технологии должны обеспечивать очистку почвогрунтов от нефтяного загрязнения, разложение сложных нефтяных углеводородов до безвредных компонентов для биосферы, или, как минимум, снижать класс опасности загрязняющих веществ [5].

Наиболее распространенным и изучаемым методом данной технологии является биоремедиация, осуществляемая с помощью биостимуляции аборигенной микрофлоры, или внесением специализированных препаратов микроорганизмов, созданных для очистки загрязненных экосистем [6, 7].

В основе этого метода лежит использование уникальной способности микроорганизмов превращать различные токсические органические соединения в углекислый газ, воду и в собственную биомассу [8].

Использование нефтеокисляющих микроорганизмов для очистки окружающей среды является областью исследований многих отечественных и зарубежных ученых, однако информации о возможностях применения данного метода явно недостаточно, многие вопросы остаются не изученными.

На современном этапе разработка и совершенствование технологий биоремедиации природных сред - область активных фундаментальных и прикладных исследований, в которой продолжается развитие технологий и поиск новых деструкторов углеводородов нефти для выявления оптимальных условий эффективного использования имеющихся способов очистки.

Некоторые ученые считают [9, 10], что максимального результата в процессах очистки от нефтепродуктов можно достигнуть, используя отдельные штаммы или ассоциации микроорганизмов, выделенные из почв, долгое время подвергавшиеся воздействию нефтяного загрязнения. Данная технология очистки почв и грунтов гарантирует получение положительного эффекта в течение одного вегетационного периода, в регионах с умеренным климатом. Однако, на практике, применение бактериальных препаратов, разработанных для районов, по климатическим и экологическим условиям сильно отличающихся от регионов применения препарата, зачастую, оказывается малоэффективным. Кроме того, неконтролируемое внесение в открытые экосистемы искусственных микробных популяций, зачастую неизвестного состава, может представлять значительную опасность как для функционирования почвенных биоценозов, так и для здоровья людей, занятых в технологическом процессе, ведь нередко такие микроорганизмы оказываются токсичными, токсигенными или фитопатогенными, а в некоторых случаях препятствуют восстановлению первоначального микробного сообщества в почве после проведения мероприятий по обезвреживанию загрязнений (микробная интродукция).

Согласно современным данным, микроорганизмы, способные к деструкции нефти и нефтепродуктов, распространены в окружающей среде очень широко и могут быть выделены из любой почвы, осадочных пород, морской и речной воды. Такие микроорганизмы могут усваивать разнообразные органические соединения – углеводы, белки, жиры и пр. Численность микроорганизмов способных к деструкции нефтепродуктов в естественных биоценозах в большой степени зависит от климатических условий, типов почв, степени их обработки, глубины залегания грунтовых вод и т.д. Поэтому на современном этапе развития технологии, к наиболее успешным технологиям биоремедиации относятся те, в которых используются микроорганизмы, в естественных условиях присутствующие в загрязненной среде.

Совершенно очевидно, что использование естественных процессов для очистки среды от опасных соединений - процесс длительный, и при уровне загрязнения 5 г/кг почвогрунтов может длиться от 2 до 30 лет и выше [11, 12]. Это особенно актуально в условиях Севера Российской Федерации, в связи с коротким вегетационным периодом и низкими среднегодовыми температурами. Поэтому актуальность исследований в области решения задач по повышению скорости деструкции нефтяного загрязнения аборигенной микрофлорой не вызывает сомнения.

В связи с этим проведено исследование, рассматривающее возможность интенсификации процессов деструкции нефти и нефтепродуктов с помощью внедрения структурообразующих субстратов. Цель работы заключалась в изучение зависимости скорости ликвидации нефтезагрязнения в процессе биоремедиации под действием различных структурообразующих субстратов. Для достижения поставленной цели проводились лабораторные исследования по очистке нефтезагрязненных почвогрунтов с имитацией аварийных разливов с последующей обработкой, полученных результатов. В качестве структурообразующих субстратов применялись: опил сосновый, торф, сфагнум.

Камеральные работы выполнялись на двух уровнях загрязнения 50мл/0,01м² и 100мл/0,01м². В качестве загрязняющего вещества в исследованиях использовалась сырая нефть.

В результате исследования почвогрунтов с внесенными в них структурообразующими субстратами достигнуто снижение концентрации нефтепродуктов во всех представленных вариантах образцов.

В слабозагрязненных образцах с добавлением структурообразующих субстратов содержание нефтепродуктов снизилось на 61% от первоначального. Максимальный эффект достигнут в варианте с добавлением опила соснового.

Результаты снижения содержания концентрации нефтепродуктов в слабозагрязненных почвогрунтах приведены на рисунке 1.

 

Рис. 1 – Зависимость остаточного содержания нефтепродуктов в почвогрунтах от времени деструкции в слабозагрязненных пробах

Динамика снижения концентрации углеводородов нефти в почвогрунтах во времени с исходной концентрацией до 4 г/кг описывается уравнением:

         (1)

где, С_t – концентрация нефтепродуктов в почвогрунтах в зависимости от времени, г/кг; t – время, месяц; R² – величина достоверности аппроксимации.

Необходимо отметить, что так же достигнуты положительные результаты за период проведения исследований изменения концентрации нефтепродуктов в сильнозагрязненных почвогрунтах, загрязненных в расчете 10 л на 1 м² почвогрунта. Максимальный эффект составил 59,64 % в образце с добавлением опила соснового. Данные по снижению концентрации нефтепродуктов в сильнозагрязненных почвогрунтах представлены на рисунке 2.

Рис. 2 – Зависимость значения остаточного содержания нефтепродуктов в почвогрунтах от времени деструкции в сильнозагрязненных образцах

Динамика снижения концентрации углеводородов нефти во времени в почвогрунтах с исходной концентрацией до 7 г/кг описывается уравнением:

      (2)

где, С_t – концентрация нефтепродуктов в почвогрунтах в зависимости от времени, г/кг; t – время, месяц; R² – величина достоверности аппроксимации.

Полученные результаты исследований свидетельствуют о том, что внесение структурообразующих субстратов способствует развитию аборигенной микрофлоры в загрязненной почве, и способствуют очищению почвогрунтов от нефтяного загрязнения. К окончанию вегетационного периода биологическая деструкция привела к утилизации до 60% нефти от первоначального её содержания, что позволяет говорить об эффективности предлагаемого метода. В контрольном образце почвогрунта за идентичный период времени снижение достигло лишь 40-45%. Содержание концентрации нефтяного загрязнения в почве снижается, что может быть связано с деятельностью микроорганизмов деструкторов нефти. К концу исследований динамика деградации загрязнения закономерно замедляется, вследствие уменьшения концентрации нефтепродуктов, используемых почвенными микроорганизмами в качестве источника питания.

Таким образом, использование метода обеспечивает восстановление сильнозагрязненных почв и грунтов с последующей возможностью их дальнейшего хозяйственного использования, и является абсолютно безопасным методом, позволяющим производить переработку накопленного загрязнения непосредственно на месте, без выемки и транспортировки загрязненных грунтов.

Для достижения очистки почвогрунтов от нефтяного загрязнения до  уровня ПДК (предельно допустимых концентраций) были проведены дополнительные исследования по применению фиторемедиации. Фиторемедиация – это применение специально подобранных растений, которые «работают» своеобразными «насосами», выкачивающими загрязнение с помощью своей корневой системы [13]. В качестве тест-объекта использовалась горчица обыкновенная (Brássica nígra (L.) Koch.). Время выращивания горчицы обыкновенной от момента посева в образцы загрязненных нефтепродуктами почвогрунтов до окончания исследований составило 15 дней.

Результаты исследований применения метода фиторемедиации представлены на рисунке 3. На рисунке 3 а) представлено изменение содержания концентрации нефти в слабозагрязненных почвогрунтах при использовании метода фиторемедиации, на рисунке 3 б) – в сильнозагрязненных почвогрунтах.

Рис. 3 – Уменьшение остаточного содержания нефтепродуктов в почвогрунтах при использовании метода фиторемедиации: а) слабозагрязненных, б) сильнозагрязненных

Как видно из рисунка 3 при использовании метода фиторемедиации деградация нефтяного загрязнения ускоряется. К концу второй недели после начала фиторемедиации содержание остаточной нефти в образцах составляет: 29,5% в слабозагрязненных почвогрунтах, в сильнозагрязненных – 37%. Следует отметить, что применение метода фиторемедиации создает более благоприятные условия для жизнедеятельности микрофлоры и позволяет значительно ускорить процесс деструкции нефтяного загрязнения.

Таким образом, включение органических структурообразующих субстратов, в состав загрязненных нефтью почвогрунтов, при поддержании определенного водного и воздушного режима, позволяет добиться практически полной деструкции нефтяного загрязнения, вследствие активизации жизнедеятельности аборигенной почвенной микрофлоры. Учитывая полученные результаты исследований, можно сделать вывод о перспективности использования предлагаемых методов очистки, основанных на интенсификации жизнедеятельности аборигенной микрофлоры с последующим применением фиторемедиации.

Литература

1. Назаров А.В. Изучение причин фитотоксичности нефтезагрязненных почв / А.В. Назаров, С.А. Иларионов // Письма в Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2005. №1. С. 60-65.
2. Звягинцев Д.Г. Диагностические признаки различных уровней загрязнения почвы нефтью / Д.Г. Звягинцев, В.С. Гусев, С.В. Левин и др. // Почвоведение. 1989. - №1. – С. 72 – 78.
3. Давыдова С.Л. Превращение нефти в биосфере // Энергия. 2006. - №5. – С. 53-58.
4. Халимов Э.М. Экологические и микробиологические аспекты повреждающего действия нефти и свойства почвы / Э.М. Халимов, С.В. Левин, В.С. Гузеев // Вестник Московского ун-та, серия: Почвоведение, 1996. - №2. – С. 59-64.
5. Бондаренко В.В. Биосферосовместимые технологии защиты окружающей среды от нефтепродуктов. / В.В. Бондаренко, А.М. Шигапов // Материалы Всероссийской научно-практической конференции: Современное российское общество: проблемы развития. М., 2013. С.235-242.
6. Пономарева Л.В. Биоремедиация нефтезагрязненных почв с использованием биопрепарата «Биосэг» и пероксида кальция / Л.В. Пономарева, В.Г. Крупчак, Н.П. Цветкова // Биотехнология, 1998. - №1. – С.79-84.
7. Холоденко В.П. Разработка биотехнологических методов ликвидации нефтяных загрязнений окружающей среды / В.П. Холоденко, В.А. Чугунов, С.К. Жиглецова // Российский химический журнал. 2001. – Т.45, №5-6. – С. 135-141.
8. Пиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988. – С. 7-22.
9. Киреева Н.А. Микробиологическая рекультивация нефтезагрязненных почв / Н.А. Киреева, В.В. Водопьянов, Е.И. Новоселова // М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2001. С. 40.
10. Мещерякова С.Б. Биорекультивация нефтезагрязненных почв гуминовыми препаратами // Экология и промышленность. 2003, №4. – С. 54-60.
11. Плешакова Е.В. Приемы стимуляции аборигенной нефтеокисляющей микрофлоры / Е.В. Плешакова, Е.В. Дубровская, О.В. Турковская // Биотехнология. 2005. - №1. – С. 42-50.
12. Бакина Л.Г. Особенности процессов естественной биодеградации нефти в разных типах почв Ленинградской области / Л.Г. Бакина, М.В. Чугунова, Н.В. Маячкина, Л.П. Капелькин // Матер. Всерос. научной конф., посвященной 40 – летнему юбилею ин-та физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, 2010. С. 27-29.
13. Гашев С.Н. Рекомендации по фитомелиорации нефтезагрязненных земель в Среднем Приобье / С.Н. Гашев, М.Н. Казанцева, А.В. Соромотин // Тюмень: Тюменская ЛОС ВНИИЛМ, 1995. С. 18.