Способы обезвреживания нефтезагрязненных субстратов

В настоящее время предложено большое количество различных коммерческих микробиологических препаратов как отечественного, так и импортного производства. Ряд из них нашел широкое применение на практике (Деворойл, Дестройл, Путидойл и т.п.)

Институтом Микробиологии АН России совместно с Научно - производственным предприятием «Биотехинвест» разработан микробиологический препарат «Деворойл». Препарат предназначен для биодеградации нефти и нефтепродуктов при загрязнении почв, водоемов, поверхностей акваторий, а также внутренних поверхностей танков нефтеналивных судов и прочих резервуаров.

Микробиологический препарат «Деворойл» состоит из тщательно подобранного сообщества углеводородоокисляющих бактерий и дрожжей. В состав ассоциации входят вегетативные клетки непатогенных штаммов культур родов Rhodococcus, Pseudomonas и Yarovvia. Бактерии способны окислять нефтяные n - алканы длиной цепи С9 - С30 и ароматические углеводороды. Удачно подобранная ассоциация микроорганизмов дает препарату множество принципиальных преимуществ.

Также для ликвидации нефтяных загрязнений почвы используется препарат «Дестройл». Коммерческий препарат, выпускаемый Бердским заводом биологических препаратов, полученный на основе выделенной из природы микробной культуры Acinetobacter sp. Обладает высоковыраженной активностью в отношении углеводородов нефти и нефтепродуктов, вызывая в них глубокие необратимые процессы деградации до остаточных продуктов, относящихся к экологически нейтральным соединениям.

3.4 Трансформация нефти в почве микробиологическим препаратом и дождевыми червями

Ученые Иркутского Государственного Университета проводили исследования. В лабораторных условиях изучали влияние дождевых червей и нефтеразрушающего микробиологического препарата, а также их бинарной смеси на образцы нефтезагрязненной почвы. Трансформация нефтяного загрязнения, снижение фитотоксичности исследуемых образцов и рекультивация почвы наиболее эффективно происходит под действием комплекса биодеструкторов.

Было предложено для элиминирования нефтегенного загрязнения совместное применение нефтеразрушающих микробиологических препаратов и дождевых червей. При использовании такого подхода предполагалось увеличение скорости и степени биотрансформации нефтепродуктов, восстановление структуры почвы, устранение необходимости дополнительной аэрации и повторного внесения препарата.

Источником микроорганизмов служил микробиологический препарат "Дестройл", рекомендованный для очистки почвы от нефти и нефтепродуктов. В качестве дождевых червей использовали красный калифорнийский гибрид дождевого червя Eisenia foetida.

Эксперименты проводили в садках размером 180 мм - 120 мм - 60 мм, помещая туда образцы нефтезагрязненной почвы (толщина слоя 50 мм). В работе использовали дерново-подзолистую почву, в которую добавляли нефть Марковского месторождения Иркутской области (из расчета 25 г нефти на 1 кг почвы). В один из опытных садков вносили микробиологический препарат "Дестройл" (0,5 г на 100 г нефтезагрязненной почвы), в другой - дождевых червей, а в третий - добавляли "Дестройл" совместно с дождевыми червями. Червей брали одинакового возраста длиной 60-70 мм по пять особей. Контролем служила нефтезагрязненная почва, в которую не добавляли ни червей, ни «Дестройл».

Количественное содержание нефти, экстрагированной хлороформом , в процессе опыта определяли на спектрофотометре СФ - 46, при l = 286 нм .

Определение скорости вермитрансформации почвы червями вели по оригинальной методике .В основе этого метода лежит регистрация толщины слоя копролитов накапливающихся на поверхности субстрата. Оценку фитотоксичности водных вытяжек из почв осуществляли по пробе на прорастание семян редиса .Подсчитывали число проросших семян и измеряли длину проростков. Каждый опыт проводили не менее чем с тремя параллелями и в 5 биологических повторностях.

Как видно из рисунка 3.1 добавление в почву червей, а еще в большей степени микробиологического препарата существенно активизировало процессы элиминирования нефти в исследуемых образцах. По мере увеличения продолжительности экспериментов наблюдали все более значительное снижение содержания нефти при совместном действии красного калифорнийского гибрида и препарата "Дестройл" по сравнению с действием биодеструкторов порознь. Особенно наглядно это проявлялось в сорокасуточных экспериментах, когда наблюдалось заметное снижение влияния отдельно внесенных дождевых червей и микробиологического препарата.

В вариантах с добавлением червей отмечалось повышение структурированности почвы, ее скважности. Это, без сомнения, должно повышать аэрацию и улучшать водный режим почвы (Орлов, 1978), тем самым, способствуя физико-химическим и микробиологическим процессам разрушения нефти.

Рисунок 3.1 - Влияние различных биодеструкторов на содержание нефти в почве

Улучшение процессов разрушения нефти, а также интенсификация переработки нефтезагрязненных почв при добавлении наряду с препаратом "Дестройл" дождевых червей, подтверждается и увеличением толщины слоя копролитов (Рисунок 3.2) - комочков земли пропущенных через кишечник червя. Через три недели, толщина слоя копролитов в опытах, где в почву добавляли нефть (25 г/кг) составила, в варианте с червями - 3 мм, а там, где кроме червей добавляли и микробиологический препарат - 9 мм.

Рисунок 3.2 - Толщина слоя копролитов на поверхности нефтезагрязненных субстратов

О том, что при действии комплекса биодеструкторов происходило значительно более интенсивное обезвреживание нефти, свидетельствовали и данные, полученные при тестировании на семенах редиса.

Из таблицы 3.2 можно увидеть, что при совместном влиянии микробиологического препарата и красного калифорнийского гибрида, происходило значительно более эффективное снижение фитотоксичности водных вытяжек из почвы, в которую добавляли нефть, чем в тех случаях, когда компоненты действовали порознь.

Таблица 3.2 - Влияние биодеструкторов на фитотоксичность водных вытяжек из почвы, загрязненной нефтью

Примечание: Контроль: водная вытяжка почвы, в которую не вносили нефть; кол-во проросших семян - 29; средняя длина проростков, мм - 57; исходная концентрация нефти в 1 кг почвы - 25 г.

Через 30 суток от начала эксперимента в вариантах с водными вытяжками, из нефтезагрязненных почв, в которые запускали красных калифорнийских червей, прорастало всего 3,5 % семян, там где был добавлен «Дестройл» - 17%, а там где присутствовали и черви и микробиологический препарат - 68 %. Длина проростков редиса через 30 суток составила соответственно 11,0, 33,0 и 60,5 мм.

Таким образом, проведенные исследования показали, что комплекс биодеструкторов, состоящий из представителей двух трофических уровней - ассоциаций нефтеразрушающих микроорганизмов - "Дестройл" и дождевых червей, более эффективно элиминировал нефть из нефтезагрязненных почв, снижал фитотоксичность образцов, и вел к рекультивации почв, чем названные биодеструкторы это делали по отдельности [2].

Эта работа продолжается и дальше, рассматривается химическая сторона.

3.5 Методы рекультивации, основанные на интенсификации процессов самоочищения

Самоочищение и самовосстановление почвенных экосистем, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, - это стадийный биогеохимический процесс трансформации загрязняющих веществ, сопряженный со стадийным процессом восстановления биоценоза. Для разных природных зон длительность отдельных стадий этих процессов различна, что связано в основном с почвенно-климатическими условиями. Важную роль играют и состав нефти, наличие сопутствующих солей, начальная концентрация загрязняющих веществ.

Механизм самовосстановления экосистемы после нефтяного загрязнения достаточно сложен. С помощью агротехнических приемов можно ускорить процесс самоочищения нефтезагрязненных почв путем создания оптимальных условий для проявления потенциальной активности микроорганизмов, входящих в состав естественного микробиоценоза [13].

Одним из основных факторов, лимитирующих процесс разложения углеводородов, является газовоздушный режим загрязненной почвы.

Нефтяное загрязнение ухудшает газовый обмен почвы, создает условия для усиления восстановительных процессов. Для окисления углеводородов микроорганизмами необходимо наличие молекулярного кислорода, в анаэробных условиях процесс окисления крайне затруднен.

Из свыше 100 видов бактерий, грибов, дрожжей, способных утилизировать один или несколько нефтяных углеводородов в качестве источника углерода и энергии, только один принадлежал к анаэробам .Приемы обработки почв, способствующие улучшению аэрации, стимулируют активность микроорганизмов, усиливают окислительные процессы. Интенсификация разложения нефти и нефтепродуктов в почве возможна путем рыхления, частой вспашки, дискования.

Обработка является мощным регулирующим фактором, стимулирующим самоочистку нефтезагрязненных почв. Она положительно влияет на микробиологическую и ферментативную активность, так как способствует улучшению условий жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, которые количественно и по интенсивности метаболизма доминируют в почвах и являются основными деструкторами углеводородов. Рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, снижает концентрацию углеводородов в почве в результате улетучивания легких фракций, обеспечивает разрыв поверхностных пор, насыщенных нефтью, но в то же время способствует равномерному распределению компонентов нефти и нефтепродуктов в почве и увеличению активной поверхности. Обработка почвы создает мощный биологически активный слой с улучшенными агрофизическими свойствами. В почве при этом создается оптимальный водный, газовоздушный и тепловой режим, растет численность микроорганизмов и их активность, усиливается активность почвенных ферментов, увеличивается энергия биохимических процессов.

Обеспеченность почв биогенными элементами - азотом, фосфором и калием - важный фактор, определяющий интенсивность разложения нефти и нефтепродуктов. Недостаток биогенных элементов необходимо восполнять путем внесения в почву минеральных удобрений. Практически во всех случаях внесение биогенных элементов в виде минеральных удобрений стимулирует разложение углеводородов в почве. Наиболее интенсивно разложение углеводородов протекает при ежегодном внесении комплекса N, P, K - содержащих удобрений в сочетании с навозом, а также при внесении в почву биогумуса .

Биогумус получают переработкой навоза (крупного рогатого скота, свиного, конского), опилок, измельченной вермикультурой соломы. Биогумус поддерживает высокую численность бактерий, утилизирующих органические и минеральные формы азота, целлюлозоразрушающих микроорганизмов, нитрификатов. Способствует перестройке микробного ценоза нефтезагрязненной почвы, что проявляется в расширении видового разнообразия бактериальной флоры. Почвенная микрофлора использует компоненты биогумуса в качестве источника азота, фосфора и калия, обеспеченность которыми в нефтезагрязненной почве снижается. Многие органические вещества биогумуса служат энергетическим материалом для почвенной микрофлоры, благодаря чему в почве повышается активность микробиологических процессов, соответственно усиливается мобилизация питательных веществ.

Температура - важный фактор, при прочих равных условиях определяющий интенсивность микробиологического разложения нефти и нефтепродуктов. Оптимальной температурой для разложения нефти и нефтепродуктов в почве считается 20-37°С. В почвах, расположенных в аридных зонах с повышенной среднегодовой температурой, интенсивность самоочищения загрязненных почв значительно выше, чем в почвах, расположенных в гумидных зонах с относительно низкими среднегодовыми температурами.

В виду сильного влияния температуры на скорость биодеградации нефтепродуктов особое внимание исследователей в последнее время привлекают природные микроорганизмы, обладающие высокой устойчивостью к низким температурам. В частности, из загрязненных нефтепродуктами почв Антарктики был выделен штамм Pseudomonassp. 30-3, способный переносить диапазон температур от 0 до 35 °С .

Поддержание почвы во влажном состоянии является одним из агротехнических приемов управления биологической активностью и оказывает эффективное воздействие на темпы разложения нефти и нефтепродуктов. Благоприятный водный режим почвы достигается путем полива. Улучшение водного режима путем полива обусловливает улучшение агрохимических свойств почв, в частности влияет на подвижность питательных веществ, микробиологическую деятельность и активность биологических процессов. Одновременно с этим усиливается действие на микробиологическую и ферментативную активность агрохимических приемов, например внесения удобрений, рыхления [8].

Кислотность почвы играет важную роль в разложении нефти и нефтепродуктов. Значения рН, близкие к нейтральным, являются оптимальными для роста на углеводородах большинства бактериальных микроорганизмов. В подзолистых почвах с кислой реакцией этот фактор имеет решающее значение при разложении нефти и нефтепродуктов. Поэтому для создания рН, оптимального для их биоразложения, кислые почвы подвергают известкованию .

Посев на нефтезагрязненную почву люцерны и других бобовых культур, трав с разветвленной корневой системой способствует ускорению разложения углеводородов .Положительное воздействие посевов сельскохозяйственных растений, и в частности многолетних трав, объясняется тем, что своей развитой корневой системой они способствуют улучшению газовоздушного режима загрязненной почвы, обогащают почву азотом и биологически активными соединениями, выделяемыми корневой системой в почву в процессе жизнедеятельности растений. Все это стимулирует рост микроорганизмов и соответственно интенсифицирует разложение нефти и нефтепродуктов.

Заключение

Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами - одна из сложных и многоплановых проблем экологии и охраны окружающей среды. В настоящее время успешно развиваются технологии биоремедиации нефтезагрязненных территорий. При этом решение проблемы достигается за счет стимуляции микробных ценозов путем внесения удобрений, микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель или путем внесения различных биопрепаратов.

Единственным реальным в настоящее время способом борьбы с последствиями разлива нефти и нефтепродуктов является комплекс работ, включающий механическое или физико-химическое удаление разлитых нефтепродуктов с последующей очисткой остающейся в почве нефти биологическими методами при помощи биодеструкции нефтеокисляющими микроорганизмами.

В то же время существующие в настоящее время в России препараты оказываются недостаточно эффективными в различных экстремальных почвенно-климатических условиях различных регионов России, в связи с чем для ликвидации масштабных последствий разливов нефти в настоящее время необходим активный поиск и выделение аборигенных штаммов и разработка новых препаратов.

Однако необходимо отметить, что природные аборигенные микроорганизмы обладают ограниченной нефтеокисляющей активностью, несмотря на более высокую устойчивость к воздействию факторов внешней среды. Поэтому возможным перспективным решением является разработка новых, не существующих в природе видов микроорганизмов. Эти новые виды, обладающие как минимум на порядок более высокой нефтеокисляющей активностью, должны создаваться обязательно с искусственным ограничением срока жизни с целью предотвращения биогенной катастрофы.

Разработаны и активно внедряются большое количество коммерческих микробиологических препаратов иностранного и отечественного производства, таких как «Дестройл», «Путидойл», «Деворойл» и др. Однако в природных условиях биодеградация протекает под воздействием всего комплекса почвенной биоты, неотъемлемой частью которой являются и дождевые черви. В связи с этим можно было предположить, что вермикультура окажется перспективной и для интенсификации переработки нефтезагрязненных материалов.

Проведенные исследования показали, что комплекс биодеструкторов, состоящий из представителей двух трофических уровней - ассоциации нефтеразрушающих микроорганизмов - "Дестройл" и дождевых червей, более эффективно элиминировал нефть из нефтезагрязненных почв и снижал фитотоксичность исследуемых образцов, чем в случае их раздельного внесения.

Проблема нефтяного загрязнения почв в настоящее время в нашей стране практически не решается. Работы по очистке нефтяных загрязнений с использованием микроорганизмов не координируются, их научный и технологический уровень невысокий. Таки образом, проблема загрязнения нефтью и нефтепродуктами почв Российской Федерации стоит в настоящее время как никогда остро и для поиска путей разрешения всех ее аспектов необходима координируемая концентрация усилий всех заинтересованных правительственных, научных и производственных организаций.

Список используемых источников

Абросимов А.А. Экология переработки углеводородных систем / Под ред. М. Ю. Доломатова, Э. Г. Теляшева.-М.: Химия, 2002.-608 с.

Алиев С.А. Рекомендации по рекультивации нефтезагрязненных земель / Гвозденко Д.В., Бабаев М.П., Гаджиев Д.А.- Баку: Элм, 1981.-26 с.

Андресон Р.К. Изучение факторов, влияющих на биоразложение нефти в почве / Р.К. Андресон, Л.А. Пропадущая // Коррозия и защита в нефтегазодобывающей промышленности.- М., 1979.- №3.- С. 30-32.

Берне Ф.Ж. Водоочистка / Ф. Бернье, Ж. Кордонье. - М.: Химия, 1997. - 288 с.

Биология. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. М.С. Гиляров. - 3-е изд. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 864 с.

Бочарникова Е.Д. Влияние нефтяного загрязнения на свойства серо-бурых почв Апшерона и серых лесных почв Башкирии / Е.Д Бочарникова // Автореф. Дис. … канд. биол. наук.- М.: 1990.-16 с.

Вельков В.В. Биоремедиация; принципы, проблемы, подходы / В.В. Вельков // Биотехнология.- 1995.- № 3-4.- С. 20-27.

Восстановление нефтезагрязнённых почвенных экосистем / Под ред. М.А. Глазковской.- М. Наука, 1988.- 264 с.

Власов А.В. Борьба с потерями нефтепродуктов при транспортировании и хранении (анализ и оценка потерь) / А.В. Власов - М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1994.- 50 с.

Гольдберг В. М. Техногенное загрязнение природных вод углеводородами и его экологические последствия / В.М. Гольдберг, В.П. Зверев, А.И. Арбузов, и др.- М.: Наука, 2001.-125с

Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2003 году. - Иркутск: Изд-во «Облмашинформ», 2004.-296 с.

Гриценко А.И. Экология. Нефть и газ / А.И. Гриценко, Г.С. Акопов, В.М. Максимов. - М.: Наука, 1997.-598 с.

Давыдова С.Л. Нефть как топливный ресурс и загрязнитель окружающей среды / С.Л. Давыдова, В.И. Тагасов. - М.: Изд-во РУДН, 2004. - 131 с.

Размещено на Allbest.ru