Эффективность мелиорантов на основе активированного торфа для восстановления нефтезагрязненных почв | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2013. № 2 (22).

Эффективность мелиорантов на основе активированного торфа для восстановления нефтезагрязненных почв

В лабораторном опыте показано, что мелиоранты, в составе которых используют торф и азотно-фосфорные удобрения, благодаря активной стимуляции микрофлоры способны увеличивать скорость разложения нефти в почве в 1,5- 2,0 раза. Изучено влияние разных доз и форм азотных удобрений в составе торфяного мелиоранта на интенсивность деструкции нефтяных углеводородов. Наиболее оптимальным видом азотного удобрения в составе торфяного мелиоранта является карбамид. Использование торфяного мелиоранта с карбамидом по сравнению с мелиорантом, содержащим аммиачную селитру, способствует на протяжении всего срока эксперимента более активному течению микробиологических и биохимических процессов, что обеспечивает более высокую степень деструкции нефтя-ныхуглеводородов - 32,4 и 54,3% против 21,6 и 42,5% за 6месяцев эксперимента. О более значимых окислительных процессах, происходящих в нефти в вариантах с использованием торфяного мелиоранта с карбамидом, свидетельствуют изменения в содержании карбоксильных групп и групповом составе нефти, произошедшие за 6 месяцев эксперимента. В этих вариантах, по сравнению с вариантами, где используется аммиачная селитра, отмечено более низкое содержание карбоксильных групп. В этом случае также достигнута максимальная степень деструкции пара-финонафтеновыхуглеводородов - в 2,6раза против 1,9. Высокая стартовая доза в составах торфяного мелиоранта азотного удобрения (как карбамида, так и аммиачной селитры), вносимая в нефтезагрязненную почву, не приводит к максимальной степени деструкции нефтяных углеводородов. Она выше при более широком соотношении С:М:Р (в данном случае - 863:1:1) и составила за 6 месяцев эксперимента 42,5 и 54,3% против 21,6 и 32,4 при соотношении С:М:Р, равном 20:1:0,15.

Реat-based ameliorants for purification of soil from oil pollutants.pdf Введение Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами в районах нефте- и газодобычи является серьезной экологической проблемой. Почва обладает мощной самоочищающей способностью. Вместе с тем способность к самоочищению имеет свои границы. Период самовосстановления растительного покрова после загрязнения его нефтью и нефтепродуктами длителен и для северных регионов составляет 15-20 лет [1-2]. В последнее время большое внимание уделяется разработке способов биологической рекультивации, в основу которых положена активация процессов микробиологической деструкции нефти загрязненных почв [3-6]. Согласно ранее полученным нами данным для интенсификации микробиологической деструкции нефти можно использовать экологически чистый мелиорант на основе торфа, обладающего хорошими сорбционными свойствами и обогащенного активной углеводородокисляющей микрофлорой [7]. Сорбционная емкость верхового и низинного торфа по отношению к нефти составляет соответственно 7,5 и 5 г нефти на 1 г воздушно-сухого (в.с.) торфа. При этом численность углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) в нативном торфе может в 5 раз превышать аналогичный показатель для почвы. После активации торфа путем внесения азотно-фосфорных удобрений количество разнообразной углеводородокисляющей микрофлоры возрастает приблизительно в 100 раз и составляет в среднем 5*1010 клеток/г в.с. торфа, что обеспечивает высокую степень деструкции нефти в короткие сроки [8]. Как известно, скорость биодеградации нефтяных углеводородов в почве может в значительной степени определяться формой и дозами используемых азотных удобрений [9-10]. Цель работы - создание мелиоранта на основе торфа для очистки почвы от нефтяных загрязнений, определение влияния разных доз и форм азотных удобрений в составе торфяного мелиоранта на интенсивность деструкции нефтяных углеводородов. Материалы и методики исследования Работа проведена в ГНУ СибНИИ сельского хозяйства и торфа СО Рос-сельхозакадемии (г. Томск). Для определения влияния разных доз и форм азотных удобрений в составе торфяного мелиоранта на интенсивность деструкции нефтяных углеводородов поставлен модельный опыт. Для моделирования процессов микробиологической деструкции использовалась дерново-подзолистая почва, искусственно загрязненная сборной товарной западно-сибирской нефтью. Торфяной мелиорант приготовлен на основе низинного торфа месторождения Темное Томской области (степень разложения 25-30%, зольность 15% мас.) и минеральных удобрений - карбамида или аммиачной селитры, суперфосфата. В лабораторном опыте испытывали 4 состава торфяных мелиорантов (ТМ). Мелиоранты в своем составе содержали разные виды азотных удобрений и разное количество азотно-фосфорных удобрений. Мелиоранты ТМ1 и ТМ2 в качестве азотного удобрения содержали карбамид, ТМ3 и ТМ4 - аммиачную селитру. Мелиоранты ТМ1 и ТМ3 содержали такое количество азотно-фосфор-ных удобрений, внесение которых в нефтезагрязненную почву обеспечивает соотношение С:№Р, равное 20:1:0,15, необходимое, по мнению ряда авторов [11], для нормального роста и развития нефтеокисляющих микроорганизмов. Мелиоранты ТМ2 и ТМ4 приготовлены из расчета внесения с ними в нефтезагряз-ненную почву 60 кг/га N и Р205, количества, необходимого для произрастания сельскохозяйственных культур, используемых при фитомелиорации. В условиях данного эксперимента соотношение С:№Р равнялось 863:1:1. Доза внесения рассматриваемых торфяных мелиорантов в нефтезагрязненную почву одинакова и составила 50 т/га. Исходя из этого, стартовая доза минеральных удобрений, вносимая с составами ТМ1 и ТМ3, выше, чем с составами ТМ2 и ТМ4. При проведении лабораторного опыта сухую почву с глубины 0-20 см просеивали через сито 3 мм, увлажняли до 30% от полной влагоемкости, вносили расчетное количество нефти и торфяного мелиоранта, тщательно перемешивали до однородного состояния и помещали в лабораторные сосуды. Для поддержания оптимальной влажности (60% от полной влагоемкости) проводили периодический полив до конца эксперимента. Образцы почвы для анализа отбирали через 3 дня, 1 месяц, 6 месяцев с момента постановки эксперимента. Нефть из загрязненных образцов почвы экстрагировали горячим способом в аппарате «Сокслет» с использованием смеси хлороформ : метанол (93:7), который затем удаляли на вакуумном роторном испарителе. Извлеченную нефть взвешивали на аналитических весах, определяли ее массовое содержание в почве. Анализ группового состава нефтяных образцов осуществляли методом жидкостно-адсорбционной хроматографии на силикагеле [12]. Определение карбоксильных групп карбоновых кислот проводили методом потенциоме-трического титрования нефтяного образца спиртовым раствором щелочи по ГОСТ 11362-96 [13]. Общую численность микроорганизмов определяли на мясопептонном агаре, а численность уробактерий - на среде Федорова [14], количество углеводородокисляющих микроорганизмов учитывали на среде следующего состава (г/л): NH4NO3 - 1,45; KNO3 - 1; MgSO4x7H2O - 0,1; K2PO4 - 2,4; KH2PO4 - 0,6; NaCl - 1; (NH4)2MoO4- 0,004; ZnSO4x7H2O - 0,009; FeSO 4x7H2O -0,014; CoCl2*5H2O - 0,008; агар-агар - 20; сырая нефть - 10. Численность грибов определяли на картофельно-глюкозном агаре с рН 4,5-5,0 [14]. Активность фермента каталазы определяли газометрическим методом, основанном на разложении перекиси водорода, дегидрогеназную активность - фотоколориметрическим методом [15]. Варианты опыта (повторность 3-кратная): 1) почва (П) +ТМ1; 2) П + нефть (Н) + ТМ1 (С:№Р = 20:1:0,15); 3) П + Н+ ТМ2 (С:№Р = 863:1:1); 4) П + Н+ ТМ3 (С:№Р = 20:1:0,15); 5) П + Н+ ТМ4 (С:№Р = 863:1:1). Данные, полученные в ходе экспериментов, обрабатывались с помощью программы StatSoft STATISTICA 6.0. и представлены в виде средних арифметических с доверительными интервалами. Результаты исследования и обсуждение На основании экспериментальных данных установлено, что самая высокая степень деструкции нефтяных углеводородов за 6 месяцев эксперимента (42,5 и 54,3%) достигнута в вариантах с использованием торфяных мелиорантов, внесение которых в нефтезагрязненную почву обеспечивало широкое соотношение С:№Р, равное 863:1:1, что характерно для составов мелиорантов, содержащих как карбамид, так и аммиачную селитру (варианты 3 и 5) (табл. 1). При более узком соотношении С:№Р, равном 20:1:0,15, степень деструкции за этот период оказалась ниже (21,6 и 32,4%) (варианты 2 и 4), что можно объяснить токсическим воздействием на почвенную биоту высоких стартовых доз минеральных удобрений, содержащихся в составах торфяных мелиорантов, вносимых в нефтезагрязненную почву. Отмечено также, что при любом соотношении С:№Р степень деструкции нефтяных углеводородов в вариантах с использованием мелиорантов с карбамидом выше, чем в случае с аммиачной селитрой: 32,4 и 54,3% против 21,6 и 42,5%. Т а б л и ц а 1 Результаты биодеградации нефтяных образцов за период 6 месяцев Вариант опыта Содержание нефти в почве, % мас. Степень деструкции, % (за 6 мес.) Исходное состояние Через 6 мес. П + Н + ТМ1 3,7 2,5 32,4 П + Н + ТМ2 3,5 1,6 54,3 П + Н + ТМ3 3,7 2,9 21,6 П + Н + ТМ4 4,0 2,3 42,5 О более значимых окислительных процессах, происходящих в нефтяных образцах в вариантах с использованием торфяных мелиорантов с карбамидом (варианты 2 и 3), свидетельствуют также изменения в содержании карбоксильных групп и групповом составе нефти, произошедшие за 6 месяцев эксперимента (табл. 2). Т а б л и ц а 2 Изменения группового состава нефти и содержания СООН-групп за 6 месяцев Вариант опыта Время отбора Содержание СООН-гр., % мас. Содержание, % отн. ПНУ АУ Смолы Асфальтены П+Н+ТМ1 исходное 0,85 55,0 16,0 10,0 12,0 6 мес. 1,63 21,0 16,2 16,9 8,1 П+Н+ТМ2 исходное 0,85 55,0 16,0 10,0 12,0 6 мес. 1,41 - - - - П+Н+ТМ3 исходное 0,85 58,0 15,0 12,0 12,0 6 мес. 2,28 32,0 18,0 15,7 11,0 П+Н+ТМ4 исходное 0,85 55,0 16,0 10,0 12,0 6 мес. 1,53 - - - - Примечание: 11НУ - парафино-нафтеновые углеводороды; Ау - ароматические углеводороды. В нефтяных образцах рассматриваемых вариантов с течением времени образуется дополнительное количество карбоксильных групп (COOH), характерное для процессов биодеградации (табл. 2). Спустя 6 месяцев от начала эксперимента самое высокое содержание COOH-групп зафиксировано в нефтяных образцах вариантов с использованием торфяных мелиорантов с аммиачной селитрой (варианты 4 и 5). Более низкое содержание COOH-групп в нефтяных образцах при использовании торфяного мелиоранта с карбамидом связано, по всей вероятности, с тем, что в этом случае достигнута более высокая степень деструкции нефтяных углеводородов (32,4 и 54,3% против 21,6 и 42,5%), и к этому сроку карбоновые кислоты преобразовались в другие кислородсодержащие соединения (сложные эфиры, продукты уплотнения, окислы углерода и др.). Как показали исследования группового состава нефти, в вариантах опыта с присутствием в мелиоранте как карбамида, так и аммиачной селитры произошло значительное снижение содержания парафино-нафтеновых углеводородов (ПНУ) по сравнению с исходным состоянием. Наибольшая степень деструкции ПНУ была достигнута в варианте использования мелиоранта с карбамидом (вариант 2) - в 2,6 раза. Содержание ароматических углеводородов за этот период времени практически не изменилось, а асфальтенов -уменьшилось незначительно. Некоторое увеличение содержания смол в биодеградированных нефтяных образцах связано с их остаточным накоплением, а также дополнительным образованием в виде продуктов биодеградации ПНУ (см. табл. 2). О преимуществе использования в составе торфяного мелиоранта карбамида свидетельствуют также результаты микробиологического и ферментативного анализа почвы (табл. 3, 4). Сопоставление вариантов с внесением в нефтезагрязненную почву мелиорантов с карбамидом и аммиачной селитрой показало, что использование в составе торфяного мелиоранта карбамида способствует более активному течению микробиологических процессов в почве, что подтверждается более чем двукратным превышением численности углеводородокисляющих микроорганизмов в этом случае уже на 3-и сут наблюдения (табл. 3). Начиная с 8-х сут опыта различия в численности УОМ в этих вариантах становятся еще более значительными, что, вероятнее всего, связано с высокой токсичностью почвы в случае использования мелиоранта с аммиачной селитрой. Данное предположение подтверждается и более высокой численностью в почве в этом случае микроскопических грибов, продукты метаболизма которых в условиях нефтяного загрязнения токсичны как для микробного сообщества почвы, так и для растений [16]. Примечательно, что спустя 30 сут численность грибов (микромицетов) в вариантах с использованием мелиоранта с аммиачной селитрой продолжала оставаться высокой, тогда как общая численность микроорганизмов обнаружила тенденцию к снижению (табл. 3). Т а б л и ц а 3 Влияние торфяных мелиорантов различного состава на численность микроорганизмов в нефтезагрязненной почве, млн клеток/г сухой почвы Микроорганизмы Время отбора Вариант опыта П+ТМ1 П+Н+ТМ1 П+Н+ТМ2 П+Н+ТМ3 П+Н+ТМ4 Общая численность 3 сут 3,17 3,50 1,67 0,66 6,25 8 сут 4,83 130,33 166,0 0,75 45,83 30 сут 6,33 410,83 22,42 1,69 8,67 УОМ 3 сут 0,11 1,49 0,87 0,67 0,40 8 сут 0,03 10,0 43,50 0,14 8,83 30 сут 6,45 41,33 15,17 12,17 7,67 Грибы 3 сут

Ключевые слова

нефть, почва, торф, мелиорант, ферменты, микроорганизмы, crude oil, soil, peat, ameliorant, ferments, microorganisms

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Терещенко Наталья НиколаевнаСибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа Россельхозакадемии (г. Томск); Томский государственный университетдоктор биологических наук, профессор кафедры экологической и сельскохозяйственной биотехнологииternat@mail.ru
Алексеева Татьяна ПетровнаСибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа Россельхозакадемии (г. Томск)кандидат химических наук, старший научный сотрудник, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических исследованийburmistrova@sibniit.tomsknet.ru
Бурмистрова Татьяна ИвановнаСибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа Россельхозакадемии (г. Томск)кандидат химических наук, зав. лабораторией физико-химических исследованийburmistrova@sibniit.tomsknet.ru
Стахина Лариса ДмитриевнаИнститут химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук (г. Томск)кандидат химических наук, старший научный сотрудникsl@ips.tsc.ru
Всего: 4

Ссылки

Хазиев Р.Х. Ферментативная активность почв. М. : Наука, 1976. С. 177-180.
Киреева Н.А., Бакаева М.Д., Галилезянова Н.Ф. Влияние нефтепродуктов на комплекс почвенных микромицетов // Микология и фитопатология. 2004. Вып. 1. Т. 38. С. 27-31.
Соколова В.И., Колбин М.А. Жидкостная хроматография нефтепродуктов. М. : Колос, 1984. С. 26-30.
ГОСТ 11362-96 «Нефтепродукты и смазочные материалы. Число нейтрализации. Метод потенциометрического титрования». 10 с.
Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. М. : МГУ, 1991. С. 304-308.
Пиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М. : Наука, 1988. С. 7-22.
Терещенко Н.Н., Лушников С.В., Пышьева Е.В. Биологическая азотфиксация как фактор ускорения микробиологической деструкции нефтяных углеводородов в почве и способы ее стимулирования // Биотехнология. 2004. № 5. С. 69-79.
Исмаилов Н.М. Микробиология и ферментативная активность нефтезагрязненных почв // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М. : Наука, 1988. С. 42-56.
Алексеева Т.П., Бурмистрова Т.И., Терещенко Н.Н. и др. Перспективы использования торфа для очистки нефтезагрязненных почв // Биотехнология. 2000. № 1. С. 58-65.
Алексеева Т.П., Бурмистрова Т.И., Стахина Н.Д., Терещенко Н.Н. Мелиорант на основе торфа для очистки почвы от нефтяных загрязнений // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2010. № 1 (9). С. 5-13.
Кирееа Н.А. Использование биогумуса для ускорения деструкции нефти в почве // Биотехнология. 1995. № 5-6. С. 32-34.
Терещенко Н.Н., Лушников С.В., Пышьева Е.В. Рекультивация нефтезагрязненных почв // Экология и промышленность России. 2002. Октябрь. С. 17-20.
Киреева Н.А., Тишкина Е.И. Ускорение биодеструкции нефтяных загрязнений при ре культивации почв // Актуальные вопросы биотехнологии : межвуз. сб. Уфа : Изд-во БГУ, 1990. С. 36-44.
Хазиев Ф.Х., Фатхиев Ф.Ф. Изменение биохимических процессов в почвах при нефтя ном загрязнении и активация разложения нефти // Агрохимия. 1981. № 10. С. 102-111.
Кесельман Г.С., Брановский В.Д., Попов А.А. Защита окружающей среды при интенси фикации добычи нефти: обзорная информация / Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности М. : ВНИИОЭНГ, 1983. Вып. 10. 58 с.
Андерсон Р.К., Хазиев Р.Х. Охрана окружающей среды от загрязнения нефтью и про мысловыми сточными водами: обзорная информация / Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М. : ВНИИОЭНГ, 1979. 54 с.
 Эффективность мелиорантов на основе активированного торфа для восстановления нефтезагрязненных почв | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2013. № 2 (22).

Эффективность мелиорантов на основе активированного торфа для восстановления нефтезагрязненных почв | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2013. № 2 (22).