Биовосстановление почв, загрязненных нефтепродуктами

2

Биовосстановление почв, загрязненных нефтепродуктами

В.А. Тюленева, канд. геол. наук;

В.А. Соляник, канд. техн. наук;

И.В. Соляник, асп. СумГУ

В настоящее время нефть и нефтепродукты признаны приоритетными загрязнителями окружающей среды. Основную техногенную нагрузку при добыче нефти испытывает почва - биологически активная среда, насыщенная большим количеством микроорганизмов.

Загрязнение грунтов нефтью в основном происходит при утечке или повреждении нефтепроводов. Загрязнение больших площадей возможно также при фонтанировании нефти из эксплуатационных скважин, при бурении.

Загрязнение нефтью приводит к значительным изменениям физико-химических свойств почв. Следует учесть, что нефть обладает ярко выраженными гидрофобными свойствами, которые передаются почвенным частицам. Вследствие чего снижается водопроницаемость почв.

Воды, сопутствующие нефти, часто содержат высокие концентрации солей натрия. Последние, попадая в почву, могут накапливаться, достигая токсичных для растений показателей. Кроме того, натрий вытесняет катионы, определяющие почвенную кислотность, что вызывает заметное подщелачивание почвы. В загрязненных почвах резко растет соотношение между углеродом и азотом за счет углерода нефти, снижается содержание элементов минерального питания [1].

Токсичность нефти для растений определяется главным образом наличием в ней летучих ароматических углеводородов (толуола, ксилола, бензола), нафталинов и некоторых других, растворимых в воде фракций. Однако эти соединения довольно быстро улетучиваются из почвы или разрушаются, а алканы и парафины разлагаются дольше.

Естественное самоочищение почв от нефтяного загрязнения является процессом длительным, продолжающимся от одного до нескольких десятилетий, в зависимости от природных условий региона. В связи с этим, а также с интенсивной добычей углеводородного сырья, проблема рекультивации нефтезагрязненных участков становится все более актуальной.

По скорости разложения разных классов углеводородов наиболее интенсивно этому процессу подвергаются алифатические углеводороды, а нафтеновые и ароматические соединения разлагаются намного медленнее. В природных процессах биодеградации большое значение имеют условия окружающей среды, в частности, концентрация солей, интенсивность освещения, содержание биогенных элементов в субстрате, температура, аэрация. Образование эмульсии из воды и нефти заметно замедляет разложение в связи с образованием анаэробных условий. Поэтому наибольшая часть микробиологического разложения происходит на поверхности почвы [2].

Эффект воздействия нефти на почву может проявляться и в изменении ее микробиологических свойств. Во всех почвах в большом количестве содержатся микроорганизмы, способные окислять углеводороды. В загрязненных же почвах находится значительно больше микроорганизмов, использующих н-алканы и ароматические углеводороды, чем в почвах без нефти. Также обнаруживается увеличение количества микроорганизмов окисляющих газообразные углеводороды, твердые парафины.

Значительную роль в процессах очистки почв от нефти играют микроорганизмы. Поскольку представители микрофлоры обладают высокой метаболической активностью, то, очевидно, что данная форма жизни способна быстро ликвидировать загрязнение. Поэтому в настоящее время все больше внимания уделяется исследованию методов рекультивации основанных на применении чистых или смешанных культур микроорганизмов.

Преобразование органических загрязнителей бактериями происходит вследствие того, что данные организмы могут использовать эти загрязнители для собственного роста и воспроизводства. Органические загрязнители отвечают двум целям организмов: они обеспечивают источник углерода, который является одним из основных строительных элементов клетки, и электронов, которые организмы используют для получения энергии [3]. Микроорганизмы получают энергию, катализируя окислительно-восстановительные реакции, проходящие с выделением энергии, что подразумевает разрыв химических связей. В этом случае органический загрязнитель является окислителем, соответственно химическое соединение, получающее электроны, является акцептором электронов (чаще всего в этой роли выступает кислород). Энергия, полученная от этих электронных перемещений, затем используется для создания новых клеток (рисунок 1).

Многие организмы используют молекулярный кислород как акцептор электронов. При аэробном дыхании бактерии используют кислород для окисления части углерода в загрязнителе до углекислого газа (СО₂), а остальную часть углерода используют для построения новых клеток. В процессе разложения кислорода образуется вода. Таким образом, главными побочными продуктами аэробного дыхания являются углекислый газ, вода и возросшая популяция микроорганизмов.

Одним из наиболее распространенных методов в отечественной и мировой практике по борьбе с нефтяным загрязнением является использование специфических микроорганизмов, способных к разложению сложных органических соединений до элементарного состояния. В природных условиях этот процесс происходит за счет автохтонной микрофлоры (редуценты и сапрофиты), но из-за недостаточной быстроты протекания он является довольно длительным [4]. Для того чтобы воссоздать эволюционную цепь природной утилизации углеводородов и обеспечить их биодеградацию в экологическом направлении, необходимо интенсифицировать процесс трансформации этих соединений. Для этого специалисты выделяют из природы и культивируют специальную углеводородокисляющую микрофлору, которая намного ускоряет процессы деструкции углеводородов в природе.

Рисунок 1 - Действие органического загрязнителя на углеводородокисляющие микроорганизмы

Видовое разнообразие микроорганизмов-деструкторов объясняется тем, что такой субстрат, как нефть, которая представляет собой сложную смесь широкого ряда углеводородов с элементами серы, кислорода, азота, неблагоприятен для роста монокультур. Имеет значение и тот факт, что нефть различных месторождений различается по составу. Как показывают исследования, ни один из видов бактерий в природных условиях не может разлагать все компоненты сырой нефти. Полное разложение нефти до CO₂, CO, NO и т.д. зависит от комплексных связей между разными видами микроорганизмов. Некоторые из них могут разлагать широкую гамму веществ, в то время как другие способны утилизировать только один вид углеводородов и использовать его для своего роста при одновременном окислении другого углеводорода (мутуалистический симбиоз, комменсализм) [2].

Для исследования процесса биодеградации нефти в почве нами был проведен лабораторный эксперимент, в ходе которого исследовались условия разложения нефтяного загрязнения незначительной глубины (до 3 см).

Отбор проб для лабораторного опыта произведен 16 июля 2003 года на окраине г. Сум (р-н Барановки). Метеорологические условия на момент взятия проб: средняя температура воздуха 23С, относительная влажность воздуха - 70%, переменная облачность, слабый ветер. Время отбора - 16.30

Пробы представляют собой монолиты размером 8080 мм и высотой 150 мм.

Для проведения эксперимента было отобрано 12 монолитов, которые были разделены на четыре серии. В каждой серии пробы отличались глубиной проникновения загрязнителя, а между собой серии отличались условиями увлажнения (таблица 1).

В качестве биоактивного препарата использовали комплекс молочно-кислых бактерий, подавляющих гнилостную микрофлору. В комплекс препарата, кроме молочно-кислых, входили азотфиксирующие бактерии и дрожжи.

Наблюдение за разложением нефтяного пятна в почвенных образцах проводилось в течение двух месяцев. В образцах поддерживалась постоянно заданная влажность (см. табл.).

Наиболее успешно разложение произошло в пробах третьей серии (№7,8,9), где влажность составляла 70% НПВ, а также в пробах №10,11, где поддерживалась влажность на уровне 70% НПВ и была произведена обработка биоактивным составом с наибольшей концентрацией.

Таким образом, можно сделать вывод, что разложение нефтяного пятна сравнительно небольшой мощности происходит довольно быстро даже без внесения дополнительной микрофлоры. Тогда как более сильное загрязнение требует комплексного подхода к решению задачи его деградации. Этот подход подразумевает, прежде всего, агротехническую обработку почвы - регулярную аэрацию и поддержание оптимального режима увлажнения. На основе экспериментальных данных мы пришли к выводу, что наиболее подходящая влажность почвы для работы углеводородокисляющих бактерий - 70% НПВ. Для усиления эффекта и ускорения процесса можно применять различные препараты, содержащие микроорганизмы. Однако мы полагаем, что внесение на участок несвойственных ему форм бактерий не оправдывает себя с экологической точки зрения. Это может привести к подавлению местной микрофлоры и к возникновению у нее несвойственных ей ранее адаптаций. Поэтому дальнейшие исследования мы планируем построить на исследовании интенсификации деградационных способностей местных форм микроорганизмов.

Таблица 1 - Сводная таблица эксперимента

Список литературы

1. Кесельман Г.С., Махмудбеков Э.А. Защита ОС при добыче, транспорте и хранении нефти и газа. - М.: Недра, 1981. - 256с

2. Калюжин В.А. Биодеградация нефти. - М.: Недра, 1997. - С.167-172.

3. In Situ Bioremediation. When does it work? // Committee on In Situ Bioremediation - NATIONAL ACADEMY PRESS, Washington, D. C., 1993

4. Тюленева В.А., Соляник И.В. Биоремедиация - альтернативная технология восстановления нефтезагрязненных почв // Межрегиональные проблемы экологической безопасности "МПЭБ-2003": Сборник тезисов трудов симпозиума. - Сумы: Довкілля, 2003, 114 с.