Влияние плотности червей Limnodrilus hoffmeisteri на процессы очистки донных отложений от нефти | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 4 (20).

Влияние плотности червей Limnodrilus hoffmeisteri на процессы очистки донных отложений от нефти

Исследовано влияние плотности червей-лимнодрилусов на процессы деструкции нефти в илах в двух температурных режимах. Установлено, что по мере увеличения количества червей (2 500 экз./м2 - 5 000 экз./м2 - 10 000 экз./м2) наблюдалось статистически значимое (p < 0,05) снижение содержания нефти в илах. При низких температурах воды (5°C) процессы очищения, в среднем, проходили активнее, чем при температуре 21-22°С. Показана возможность использования технологии очистки донных отложений от нефти с использованием червей-тубифицид в зимний период с содержанием растворенного кислорода в воде не менее 5-6 мг/л.

Influence of Limnodrilus hoffmeisteri worms population size on cleaning oil polluted bottom sediments.pdf Введение Решение экологических проблем нефтезагрязненных территорий и акваторий - одна из важных и актуальных задач нефтедобывающих компаний. Несмотря на разнообразный спектр технологий по очистке и восстановлению нефтезагрязненных сред, данная проблема окончательно не решена. За последние годы только в морских водах произошло несколько глобальных катастроф, сопровождающихся загрязнением водных объектов (в Испании, на Сахалине, Ладоге, Амуре), в результате которых в морские воды вылились сотни тысяч тонн нефти. Многие акватории уже потеряли способность к самоочищению и превратились в практически мертвые районы [1]. По данным Ростехнадзора, не отвечает нормам по содержанию загрязняющих веществ в водах порядка 40% поверхностных и 17% подземных источников питьевого водоснабжения. В категорию «загрязненные» уже перешли такие реки, как Волга, Ока, Кама, Дон, Северная Двина и другие реки России. До 90% сточных вод попадают в водоёмы практически без очистки. От 35 до 60% населения России употребляют воду, не соответствующую санитарным нормам питьевой воды [2]. Целью нашей работы явилось исследование влияния плотности червейлимнодрилусов на активность процессов деструкции нефти в донных отлоениях для оптимизации технологии очистки донных отложений с использованием червей-тубифицид [3]. Материалы и методики исследования В эксперименте использовали распространенный вид тубифицид -Limnodrilus hoffmeisteri Claparede, 1862. Обладая высокой экологической пластичностью, лимнодрилус встречается практически во всех пресноводных объектах. Лимнодрилус, питаясь иловыми отложениями и мелким детритом, становится активным минерализатором органических веществ и биофильтратором воды [4]. В качестве субстрата для червей использовали ил, отобранный в условно чистом озере вблизи г. Томска и процеженный через мельничный газ № 19 для удаления грубого растительного детрита. Для «стерилизации» ила (уничтожения макробеспозвоночных животных, коконов олигохет и др.) его раскладывали в герметичные емкости-кюветы и в течение 5 ч выдерживали в термостате при температуре 70-72°С. Перед закладкой эксперимента ил сметанообразной консистенции помещали в 5-литровые емкости и добавляли различное количество нефти. Загрязненный ил находился в емкостях в течение 7 сут для прохождения процессов сорбции, где проводилось ежедневное перемешивание в течение 5-7 мин. Для проведения эксперимента был подготовлен загрязненный ил с различным содержанием нефти: № 1 - 2,35 г/кг; № 2 - 5,45 г/кг; № 3 -11,19 г/кг. Химический анализ массовой концентрации нефти в илах проводился в аккредитованной лаборатории природных превращений нефти Института химии нефти СО РАН методом ИК-спектрометрии на приборе «SPECORD M-80» («Carl Zeiss Jena», Германия) по РД 39-0147098-015-90. Через 7 сут после загрязнения ил помещался в емкости объемом 200 мл по 35 г в каждую по две повторности. Ил взвешивали на электронных весах марки «Krups» (Германия) с дискретностью 1,0 г. Емкости медленно (чтобы избежать размытия слоя ила на дне) наполняли отстоянной в течение 3 сут водопроводной водой (по 150 мл). После заполнения емкостей водой производили посадку взрослых лимнодрилусов: в контрольные емкости червей не помещали; в опытные емкости помещали лимнодрилусов, плотность 2 500, 5 000 и 10 000 экз./м2. Экспериментальные емкости были помещены в светонепроницаемые ящики, чтобы исключить процессы фотоокисления нефти. Эксперимент проводился в двух температурных режимах: при температуре воды 21-22°C и 5°C. Аэрация воды в емкостях на протяжении всего эксперимента и кормление червей не проводились. Еженедельно доливали отстоянную водопроводную воду во все емкости до первоначального уровня. Длительность эксперимента составила 6 месяцев со дня посадки червей. Для математико-статистического анализа данных использовался алгоритм парного критерия Вилкоксона [5]. Статистическая обработка данных и построение графиков выполнены в программе Microsoft Office Excel 2003 («Microsoft Corporation», США). Данные представлены в виде средней арифметической с ошибкой. Результаты исследования и обсуждение Полученные результаты по содержанию нефти в экспериментальных емкостях через 6 месяцев посадки червей выявили тенденцию ускорения процессов очистки донных отложений от нефти по мере увеличения плотности лимнодрилусов. Во всех экспериментальных емкостях наблюдалось снижение содержания нефти по сравнению с исходным грунтом (рис. 1). Снижение содержания нефти в илах в емкостях без червей (контрольные емкости) наблюдалось как при высоких, так и при низких температурах воды (табл. 1). Т а б л и ц а 1 Отношение концентраций нефти «исходный грунт /контроль» через 6 месяцев Температура воды, °С Исходная концентрация А ± m № 1 (2,35 г/кг) № 2 (5,45 г/кг) № 3 (11,19 г/кг) 21-22 1,8 ± 0,5 1,7 ± 0,4 1,7 ± 0,4 1,73 ± 0,03 5 1,3 ± 0,3 1,2 ± 0,3 1,6 ± 0,4 1,37 ± 0,12 Примечание. Здесь и далее содержание нефти в донных отложениях в исходных концентрациях. В среднем, при температуре 21-22°C содержание нефти в контрольных емкостях снизилось в 1,73 раза; при температуре 5°C - в 1,37 раза. Снижение концентрации нефти связано в большей степени с физико-химическими и микробиологическими аспектами самоочищения нефтезагрязненных отложений. По результатам эксперимента прослеживается зависимость очищения донных отложений от плотности червей (табл. 2). Т а б л и ц а 2 Отношение концентраций нефти «контроль / опыт» («ил без червей / ил с червями») через 6 месяцев Плотность червей, экз./м2 21-22°С А ± m 5°С А ± m Исходная концентрация Исходная концентрация № 11 № 2 № 3 № 1 № 2 № 3 2 500 1,0 ± 0,3 1,2 ± 0,3 1,1 ± 0,3 1,13 ± 0,07 1,4 ± 0,3 1,2 ± 0,3 1,1 ± 0,3 1,24 ± 0,08 5 000 1,0 ± 0,3 1,3 ± 0,3 1,5 ± 0,4 1,30 ± 0,14 1,4 ± 0,4 1,2 ± 0,3 1,4 ± 0,3 1,35 ± 0,06 10 000 1,0 ± 0,3 1,5 ± 0,4 1,6 ± 0,4 1,39 ± 0,18 1,4 ± 0,3 1,6 ± 0,4 1,4 ± 0,4 1,47 ± 0,07 А ± m 1,0 1,33 ± 0,09 1,40 ± 0,15 1,24 ± 0,08 1,4 1,33 ± 0,13 1,30 ± 0,10 1,34 ± 0,05 Концентрация № 1 (начальное содержание нефти 2,35 г/кг) Концентрация № 2 (начальное содержание нефти 5,45 г/кг) Концентрация № 3 (начальное содержание нефти 11,19 г/кг) оо О f 1 rPi I исходный без 2500 5000 10000 фунт червей Количество червей экз./м2 исходный без 2500 5000 10000 грунт червей Количество червей экз./м2 исходный без грунт червей 2500 5000 10000 Количество червей экз./м2 исходный без 2500 5000 10000 грунт червей Количество червей экз./м2 исходный без 2500 5000 10000 грунт червей Количество червей экз./м2 исходный без грунт червей Количество червей экз./м Рис. 1. Содержание нефти (г/кг воздушно-сухого ила) в экспериментальных емкостях через 6 месяцев после начала эксперимента; «исходный грунт - ил» на момент постановки эксперимента (посадки червей) Следует отметить, что при низких температурах воды (5°C) процессы очищения, в среднем, проходили активнее (судя по отношению «контроль / опыт»), чем при температуре 21-22°C: при плотности червей 2 500 экз./м2 -на 10%, при 5 000 экз./м2 - на 4%, при 10 000 экз./м2 - на 6%. Общеизвестно, что одними из основных факторов, влияющих на активность процессов деструкции нефти, являются температура среды и содержание кислорода. При увеличении температуры активность углеводородокисляющих бактерий (УОБ) возрастает. Как отмечают И.В. Перетрухина с соавт. [6], изменения углеводородокисляющей активности бактерий носят выраженный сезонный характер и связаны с изменениями температуры воды. Минимальные значения активности наблюдаются, когда температура воды близка к минимальной, а максимальные значения углеводородокисляющей активности имеют место в летний период времени при максимальных температурах воды. Кислородный режим влияет на активность УОБ аналогично: при увеличении концентрации растворенного кислорода процессы деструкции проходят более активно. Известно, что для полного окисления 1 мг углеводородов необходимо как минимум 3-4 мг кислорода [7]. В поставленном нами эксперименте наиболее оптимальный кислородный режим для прохождения процессов деструкции нефти наблюдался при температуре 5°С. Так как аэрация экспериментальных емкостей не проводилась и были исключены процессы фотоокисления нефти и, соответственно, фотосинтетические процессы, то одним из единственных путей поступления кислорода в экспериментальные емкости следует считать инвазию кислорода из атмосферы. Используя табличные данные по зависимости равновесной концентрации кислорода в воде от температуры [8], приведем значения концентрации кислорода при температурах эксперимента: 5,0°С - 12,79 мг/л; 21,5°С - 8,75 мг/л. Очевидно, что содержание кислорода в экспериментальных емкостях было ниже, чем в контроле, ввиду его потребления биоценозом аквариума (микроорганизмы и черви). По нашим данным, полученным ранее, при температуре 21-22°С в аквариумных емкостях, где не проводилась аэрация, содержание кислорода в аквариумах без червей наблюдалось на уровне 4,4-4,8 мг/л, а в аквариумах с лимнодрилусами - 3,1-3,2 мг/л. При содержании растворенного кислорода в воде менее 5 мг/л (при температуре 23°С) черви реагируют более активными «дыхательными» движениями, увеличением части тела, участвующей в этих движениях, и снижением пищевой активности [9]. В условиях нашего эксперимента содержание кислорода в емкостях с температурой воды 21-22° было не более 3 мг/л, что затормаживало процессы микробной деструкции нефти и снижало пищевую активность лимнодрилусов. Сравнительный анализ содержания нефти в исходных илах и в конце эксперимента показал, что максимальное снижение содержания нефти наблюдалось при максимальной концентрации нефти в илах в эксперименте (11,19 г/кг) при температуре 21-22°С: при численности лимнодрилусов 10 000 экз./м2 - в 2,8 раза и при численности лимнодрилусов 5 000 экз./м2 - в 2,6 раза. В условиях низких температур (5°C) эти показатели были немного ниже при той же концентрации нефти: при численности лимнодрилусов 10 000 экз./м2 - в 2,4 раза, 5 000 экз./м2 - в 2,3 раза. Объединив результаты, полученные в разных температурных условиях, в единые совокупности, используя критерий Вилкоксона, мы отметили 5%-ные достоверные отличия между содержаниями нефти в конце эксперимента в контрольных и опытных емкостях во всех концентрациях (рис. 2). 7 6 5% 5 5% -& „ о 4 га 3 £ 5% -1- 2 0 №2 Исходные концентрации нефти №1 №3 □ Контроль (без червей) Рис 2. Содержание нефти в экспериментальных емкостях в конце эксперимента Выводы 1. Установлено влияние плотности популяции червей Limnodrilus hoffmeisteri на активность процессов деструкции нефти в донных отложениях: с увеличением их количества наблюдается тенденция снижения содержания нефти в донных отложениях. 2. Содержание нефти в илах контрольных аквариумов (без червей) снизилось по сравнению с исходным загрязненным илом при температуре 21-22°C в 1,73 раза; при температуре 5°C - в 1,37 раза, что связано с физико-химическими и микробиологическими аспектами самоочищения илов. 3. При низких температурах воды (5°C) и при температуре 21-22°C активность процессов очищения практически одинакова; по средним значениям, процессы очищения проходили активнее при низких температурах: при плотности червей 2 500 экз./м2 - на 10%, 5 000 экз./м2 - на 4%, 10 000 экз./м2 - на 6%, что, вероятно, связано с более благоприятными кислородными условиями. □ Опыт (с червями) 4. Максимальное снижение содержания нефти наблюдалось при максимальной концентрации нефти в илах в эксперименте (11,19 г/кг) при температуре 21-22°С, при численности лимнодрилусов 10 000 экз./м2 - в 2,8 раза. 5. Относительно высокие темпы очистных процессов, проходящих в илах при низких температурах воды, расширяют перспективы использования технологии очистки донных отложений от нефти с использованием чер-вей-тубифицид в зимний период. Для эффективной реализации очистных мероприятий в зимний период требуется поддержание растворенного в воде кислорода не менее 5-6 мг/л.

Ключевые слова

донные отложения, ил, нефтяное загрязнение, тубифициды, очистка водоемов, bottom sediments, sludge, oil pollution, Tubificidae, cleaning of water bodies

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Лушников Сергей ВалерьевичООО Научно-технического объединения «Приборсервис» (г. Томск)генеральный директорmail@priborservice.tomsk.ru
Франк Юлия АлександровнаНациональный исследовательский Томский государственный университет; Научно-технического объединения «Приборсервис» (г. Томск)кандидат биологических наук, старший научный сотрудник кафедры физиологии растений и биотехнологии Биологического института; зам. генерального директора по научной работеsci@priborservice.tomsk.ru
Воробьев Данил СергеевичОАО «ТомскНИПИнефть» (г. Томск); Национальный исследовательский Томский государственный университеткандидат биологических наук, доцент кафедры ихтиологии и гидробиологии Биологического института; начальник отдела комплексных экологических проектовdanilvorobiev@yandex.ru
Всего: 3

Ссылки

Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми ме тодами. СПб. : Крисмас+, 2004. 248 с.
Воробьев Д.С., Залозный Н.А., Франк Ю.А. и др. К вопросу о роли тубифицид в потре блении кислорода в донных отложениях, загрязненных нефтью // Известия Самарского научного центра РАН. 2009. Т. 11, № 1 (4). С. 702-706.
Израэль Ю.А., Цыбань А.В. Антропогенная экология океана. Л. : Гидрометеоиздат, 1989. 528 с.
Иоганзен Б.Г., Залозный Н.А., Иголкин Н.И. и др. Исследование биоценотопов таежной зоны // Проблемы экологии / под ред. Б.Г. Иоганзена. Томск : Изд-во Том. ун-та, 1976. Т. 4. С. 3-25.
Зайцев Г.Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М. : Наука, 1984. 424 с.
Перетрухина И.В., Ильинский В.В., Литвинова М.Ю. Определение скоростей био деградации нефтяных углеводородов в воде литорали Кольского залива // Вестник МГТУ. 2006. Т. 9, № 5. С. 828-832.
Способ биологической очистки донных отложений от нефти и нефтепродуктов: пат. 2357929 Рос. Федерация: МПК CT2F3/32, C12N1/26 / Воробьев Д.С., Залозный Н.А., Лушников С.В., Франк Ю.А. / заявитель и патентообладатель ООО «НТО «Прибор-сервис». № 2007124025/13; заявл. от 26.06.2007; опубл. 10.06.2009, 1 табл. (ил.).
Мещеряков С.В., Смирнова Т.С. Проблемы загрязнения природных вод предприятиями нефтегазового комплекса и пути их решения // Экология и промышленность России. 2008. № 8. С. 33-37.
Собгайда Н.А., Ольшанская Л.Н., Кутукова К.Н. Комплексное использование отходов производства в качестве сорбентов нефтепродуктов // Экология и промышленность России. 2009. № 1. С. 36-38.
 Влияние плотности червей Limnodrilus hoffmeisteri на процессы очистки донных отложений от нефти | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 4 (20).

Влияние плотности червей Limnodrilus hoffmeisteri на процессы очистки донных отложений от нефти | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 4 (20).