Влияние биопрепаратов на снижение остаточной концентрации углеводородов нефти в почве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние биопрепаратов на снижение остаточной концентрации углеводородов нефти в почве

Целью данной работы было исследование действия различных биопрепаратов на снижение остаточного содержания нефтепродуктов в почвах с учетом почвенно-климатических условий региона Среднего Приобья.

Аналитические обзоры показывают, что потери нефти в результате аварийных проливов составляют более 3% от годовой добычи нефти. Нефть, попадая на поверхность земли и впитываясь в грунт, загрязняет подземные воды и почву, в результате чего плодородный слой земли не восстанавливается в течение длительного периода времени.

Разложение углеводородов в почве в естественных условиях является биогеохимическим процессом, когда главное значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти до углекислого газа и воды. Так как эти микроорганизмы являются постоянными компонентами почвенных биоценозов, возникает стремление использовать их активность для восстановления почв, загрязненных нефтью.

Химическое загрязнение почвы негативно влияет на ее физические, химические, ионообменные свойства и биологическую активность [12]. Нефтяное загрязнение отличается от других загрязнений тем, что оно дает не постепенную, а одномоментную нагрузку на экосистему, вызывая быструю ответную реакцию.

Процесс естественного разложения нефти начинается с момента ее поступления на поверхность почвы [7]. Длительность всего процесса трансформации нефти в разных почвенно-климатических зонах различна: от нескольких месяцев до нескольких десятков лет [2]. В обзоре У. Мак-Джилла [17] приводятся данные исследователей из разных стран по установлению безопасных пределов содержания нефти и нефтепродуктов в почвах. Эти оценки существенно расходятся по причине резко различных климатических и почвенных условий тех районов, где проводились эксперименты.

На поверхности легкая фракция нефти подвергается физико-химическим процессам разложения, входящие в ее состав углеводороды наиболее быстро перерабатываются микроорганизмами [4]. Качественное удаление нефтяных загрязнителей при высоких уровнях загрязнения часто не обходится без применения различного рода сорбентов. Среди возможного сырья для производства сорбентов наиболее привлекательными являются естественное органическое сырье и отходы производства растительного происхождения [8].

Биологическая рекультивация нефтезагрязненных почв является многостадийным биотехнологическим процессом, включающим физико-химические методы детоксикации загрязнителя, применение органических и минеральных добавок, использование биопрепаратов [3]. Существующие механические, термические и физико-химические методы очистки почв от нефтяных загрязнений очень дорогие и эффективны только при определенном уровне загрязнения, часто не обеспечивают полноты очистки. В настоящее время наиболее перспективным методом для очистки нефтезагрязненных почв, как в экономическом, так и в экологическом плане является биотехнологический подход, основанный на использовании различных групп микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеградации компонентов нефти и нефтепродуктов [5], [6], [10], [15].

Единой стандартной методики оценки эффективности действия биопрепаратов, применяемых для биологической рекультивации почвенных экосистем, не существует из-за специфики области применения каждого препарата и особенностей почвы и углеводородного состава нефти. В связи с этим нами были проведены лабораторные и полевые исследования, в процессе которого мы оценивали 1) влияние фактора времени на эффективность снижения концентрации нефтепродуктов под воздействием тестируемых препаратов при исходном содержании нефтепродуктов в почве до 20%; 2) механизм работы нефтедеструкторов на почвах с остаточным содержанием нефтепродуктов менее 25%; 3) влияние фактора времени на эффективность снижения концентрации нефтепродуктов под воздействием тестируемых препаратов при исходном содержании нефтепродуктов в почве до 30%; 4) влияние фактора температуры на активность действия препаратов при исходном содержании нефтепродуктов в почве до 20%.

В ходе лабораторных исследований опытные образцы почвы с содержанием нефти 20-25% и 30% (по массе) были обработаны биопрепаратами в соответствии с инструкцией приготовления соответствующего биопрепарата. Также обработали образцы почвы, отобранные с участков, характеризующихся наличием битумной корки и недавним сроком загрязнения («свежий разлив»). В качестве контроля служили необработанные образцы. Влажность поддерживали на уровне 50-60%, температура окружающего воздуха составляла 20°С. Рыхление образцов производили раз в 7-10 дней. Длительность эксперимента составила 60 суток.

Подготовка препаратов перед вносом в тестируемый образец проводилась в соответствии с инструкцией.

Анализ концентрации нефти в образцах почв проводили с помощью методики выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии (ПНДФ 16.1:2.2.22-98) [11].

Активность (титр) предоставленных препаратов проверяли методом предельных разведений на среде Раймонда с добавлением в качестве источника углерода нефти и высевом активизированной суспензии бактериального препарата на пластины Петрифилм.

В лабораторных условиях степень снижения концентрации нефтепродуктов под действием некоторых биопрепаратов достигала 80% при исходном содержании нефтепродуктов 15%. Следовало ожидать аналогичных результатов для данной степени загрязнения и в полевых условиях. Гораздо интереснее и целесообразнее представлялось изучить влияние биопрепаратов на снижение концентрации нефтепродуктов при их исходном содержании 20-25%. Логично предположить, что биопрепарат, показавший хорошие результаты для почв с повышенным содержанием нефтепродуктов, эффективно снизит концентрацию нефтепродуктов и при более низком углеводородном загрязнении (менее 20%.).

В связи с этим в полевых условиях было изучено действия биопрепаратов, для снижения концентрации нефтепродуктов в почвах Матюшкинского нефтегазовом месторождения (Томская область), характеризующихся остаточным содержанием нефтепродуктов 20-25%. Отобранный нами участок является «типичным» для данного месторождения, три года назад на нем были произведены работы по перепашке после неэффективно выполненного этапа сбора нефти. Участок представляет собой верховое болото. Проективное покрытие участка составляет 0-5%, грунт представлен коричнево-черным торфом.

В пошедшем и текущем году закончен технический этап рекультивации. Участок расположен в непосредственной близости от дороги и характеризовался однородной степенью загрязнения (содержание нефтепродуктов в поверхностной пробе достигало 25%., наблюдалось загрязнение участка на глубине до 50 см).

Для выполнения работ по тестированию действия биопрепаратов при биологической рекультивации нефтезагрязненных земель, рекультивируемый участок был разделен на экспериментальные выделы (делянки) площадью не менее 0,01 га. С целью изучения влияния концентрации биопрепарата на снижение содержания нефтепродуктов на каждую делянку вносили биопрепарат в концентрации, рекомендованной производителем, и в 2 раза меньшей. Сведения о расходе биопрепаратов на обработку 1 га нефтезагрязненной поверхности участка четко фиксировались.

Обработка почвы растворами тестируемых биопрепаратов производилась методом дождевания. Приготовление и активация растворов осуществлялись в цистернах объемом 200 л. Рецептура приготовления растворов препаратов была предоставлена производителями. Следует заметить, что в полевые испытания не входила механическая обработка участка перед каждым несением препаратов.

Результаты исследования влияния биопрепаратов на снижение остаточной концентрации углеводородов нефти в почве оказались следующими.

1. Исследование влияния фактора времени на эффективность снижения концентрации нефтепродуктов под воздействием тестируемых препаратов при исходном содержании нефтепродуктов в почве до 20%. Данные исследования подразумевали проведение контрольных опытов по определению остаточного содержания нефтепродуктов через 10, 20, 30, 50 и 60 суток от начала испытаний.

Все полученные препараты добавлялись к предварительно взвешенным пробам торфа с остаточным содержанием нефтепродуктов 19±5% массы в пересчете на сухое вещество. Следует заметить, что производители многих биопрепаратов рекомендуют их многократное внесение на нефтезагрязненный участок. В таблице 1 приведена характеристика тестированных препаратов. Здесь же представлены результаты анализа на определение титра биопрепаратов. Для проверки активности тестируемых биопрепаратов, был проведен микробиологический анализ препаратов «Родарт», «Деворойл», «Микрозим^тм Петро Трит», «Родер», «Биоойл», «Дестройл».

Таблица 1 - Сравнительная характеристика титров тестированных биопрепаратов

Анализы проводились при соблюдении условий стерильности в помещении, предварительно облученном в течение часа ультрафиолетовой лампой. Количество углеводородокисляющих клеток определяли методом предельных разведений на среде Раймонда. В стерильные пробирки со средой Раймонда и нефтью стерильными пипетками вносили 0,5 мл суспензии разведения, которому соответствовало ориентировочное содержание клеток в растворе 1000, 100, 10 и 0 соответственно. Засеянные пробирки выдерживали в течение 14 дней при температуре 20°С. Помутнение раствора в пробирке свидетельствовало об активности клеток в соответствующем разведении. В случае, когда пробирка с наименьшим из засеянных разведений суспензии клеток оставалась прозрачной по истечении 14 дней, активность препарата принимали за разведение, предшествующее наименьшему из засеянных.

Результаты микробиологического анализа тестированных препаратов показали, что активность разных препаратов различна, разница между количеством жизнеспособных клеток и титром, заявленным производителем не превышает двух порядков для некоторых деструкторов. В целом можно сделать вывод о том, что качество предоставленных для тестирования биопрепаратов остается на достаточно высоком уровне и соответствует заявленному производителями.

Снижения концентрации нефтепродуктов под воздействием исследуемых препаратов наблюдалась уже по истечении 10 суток (увеличение степени деструкции нефтепродуктов говорит о том, что наблюдается развитие углеводородокисляющей микрофлоры, что, в свою очередь, ведет к окислению загрязняющего биоценоз агента).

Исследования показали, что в лабораторных условиях значительное снижение концентрации нефтепродуктов происходило не ранее 3-х недель при температуре воздуха в помещении 20⁰С.

На рисунке 1 показаны данные по эффективности работы обследуемых препаратов на пробах почв с остаточным содержанием нефтепродуктов 20%.

Рис. 1 - Сравнительные данные эффективности применения биопрепаратов по степени деструкции нефти в зависимости от времени

Из приведенного рисунка видно, что максимальное снижение остаточного содержания нефтепродуктов наблюдается для препарата «Деворойл» через 60 дней после его применения. Следует отметить, что данный препарат вносился в анализируемый образец почвы один раз, в то время как для всех остальных биопрепаратов применялось 2-3 кратное внесение в зависимости от требований производителя. Препарат «Деворойл» является поликультурой, имеющий в своем составе 5 видов микроорганизмов. Наличие в препарате как липофильных, так и гидрофильных микроорганизмов, приводит к тому, что микроорганизмы окисляют нефть не только на границе водонефтяного контакта, но и в толще загрязнителя [1]. По данным производителя эффективность окисления углеводородов достигает 99%.

Наименьшее снижение содержания нефтепродуктов в почве (38%) через 60 дней было достигнуто после её обработки «Родартом». Наилучшие результаты были получены при однократной обработке почвы «Деворойлом» (61% снижения). Остальные препараты снижают остаточное содержание нефтепродуктов в почве 40-45%.

2. Изучение механизма работы нефтедеструкторов на почвах с остаточным содержанием нефтепродуктов менее 25%.

Для рассмотрения механизма работы тестируемых нефтедеструкторов, была проведена экстракция нефтепродуктов из исследуемых образцов в аппарате Сокслета до внесения препаратов и по истечении 60 дней их работы. Экстракция по Сокслету ? стандартный метод определения углеводородов в различных объектах, основанный на извлечении вещества горячим растворителем [16].

Полученные экстракты анализировались методом газовой хроматографии с масс-селективным детектором с целью идентификации типов углеводородов, разлагающихся в почве под действием тестируемых биопрепаратов. Хроматограммы экстрактов, выделенные из тестируемых почв (характеризующихся содержанием нефтепродуктов менее 25%) до и после работы препаратов, показавших себя наиболее эффективно для образца с исходным содержанием нефтепродуктов 25%, представлены на рисунке 2.

Рис. 2 - Фрагмент хроматограммы экстракта фонового образца (FONISP), и экстракта проб почв с исходным содержанием тяжелых фракций углеводородов менее 25% после 60 дней работы «Деворойла» (DEV10)

На хроматограмме видно снижение концентрации нефтепродуктов тяжелого ряда (длина цепи более С₁₁ ) в экстрактах проб, при этом содержание легких углеводородов остается на уровне исходного (фонового). Скорее всего, действие всех указанных препаратов направлено на переработку углеводородов тяжелого ряда, переводя их в более легкие. Н-алканы с длиной цепи более С₂₀ при температуре окружающей среды представляют собой вязкие жидкости либо твердые вещества, поэтому транспорт их к клеткам затруднен. В смеси с Н-алканами с меньшей длиной цепи они находятся в виде жидкости и потребляются относительно легко. Незначительные изменения в содержании углеводородов с длиной цепи не более С₁₁ объясняются одновременным действием двух факторов - окислением их микроорганизмами и образованием новых в ходе расщепления углеводородов с большей длиной цепи.

Биодеградация тяжелых фракций нефти, содержащих смолы и асфальтены, затруднена устойчивостью к воздействию ферментов и низкой способностью их диспергироваться в жидкой среде. В составе нефти смолы и асфальтены играют важную роль, определяя во многом ее физические свойства и химическую активность. Время распада этих соединений варьирует от 3 до 2000 недель [9].

Для изучения воздействия тестируемых препаратов на снижение содержания тяжелых фракций, было изучено изменение содержания асфальтенов в экстрактах проб. Для извлечения нефтепродуктов из почв проводили экстракцию Сокслета в хлороформ, затем полученный экстракт выпаривали, остаток растворяли в гексане и оставляли раствор на 24 часа. В течение этого времени асфальтены, перешедшие из исходной пробы в хлороформ, но нерастворимые в гексане, выпадали в осадок. Содержание асфальтенов в пробе определяли путем взвешивания образовавшегося осадка. Результаты исследования для варианта нефтяного загрязнения менее 25% масс. представлены ниже в таблице 2. Изучено воздействие на содержание асфальтенов тех препаратов, что наиболее эффективно проявили себя в снижении общего содержания нефтепродуктов в исследуемых образцах почв.

Таблица 2 - Изменение содержания асфальтенов в пробах почв под действием различных биопрепаратов

Как видно из данных таблицы, наилучшие результаты по снижению концентрации асфальтенов достигнуты под действием препаратов «Spillsorb» и «Дизойл» (23 и 28% соответственно).

3. Исследование влияния фактора времени на эффективность снижения концентрации нефтепродуктов под воздействием тестируемых препаратов при исходном содержании нефтепродуктов в почве до 30%.

Все полученные препараты добавлялись к предварительно взвешенным пробам торфа, отобранных с участков «исторического наследия» с остаточным содержанием нефтепродуктов 27±5% массы (в пересчете на сухое вещество). Схема внесения и сроки внесения были такие же, как в предыдущем эксперименте.

Учитывая, что исследуемые почвы содержат в основном плохо разлагаемые тяжелые фракции, мы наблюдали другую картину поведения биопрепаратов. На рисунке 3 приведены данные, характеризующие эффективность применения тестируемых биопрепаратов по степени снижения содержания нефтепродуктов в почве с остаточным содержанием нефтепродуктов от 25% до 30% через 60 дней.

Рис. 3 - Эффективность применения тестируемых биопрепаратов по степени снижения содержания нефтепродуктов в почве с остаточным содержанием нефтепродуктов более 25% через 60 дней

Наименьшее снижение содержания нефтепродуктов в почве (20%) было достигнуто после её обработки «Дизойлом». Однократная обработка почвы «Деворойлом»в этом случае явно недостаточна. В соответствии производителя такие участки должны обрабатываться не менее 2 раз. Наилучшие результаты были получены при трехкратной обработке почвы «Родартом» (60%), «Родером» (80%) и «UNI REM» (более 60%). Остальные препараты снижают остаточное содержание нефтепродуктов в почве до 45%.

При обработке препаратами тестируемых образцов почв с содержанием нефтепродуктов 25-30% на 60-е сутки эксперимента наблюдалось достижение остаточного содержания нефтепродуктов (до 10% массы) при многократном внесении биопрепаратов: «Родарт», «UNI REM», «Родер». Однократного вноса препарата «Деворойл» явно не достаточно для эффективного снижении остаточного содержания нефтепродуктов.

4. Исследование влияния фактора температуры на активность действия препаратов при исходном содержании нефтепродуктов в почве до 20%.

Как известно, в условиях холодного климата биодеградация нефти вследствие низкой активности естественных процессов может длиться десятки лет [14].

Нами были проведены исследование влияния фактора температуры на активность действия препаратов при исходном содержании нефтепродуктов в почве до 20%. Все полученные препараты добавлялись к предварительно взвешенным пробам торфа с остаточным содержанием нефтепродуктов 19±5 массы (в пересчете на сухое вещество). Пробы выдерживались при температуре 20⁰С в течение 15 дней, а затем помещались в холодильник и при температуре -18⁰С с целью имитации зимних условий. Через 90 дней с момента помещения проб в холодильник они были извлечены и перенесены в помещение с температурой 20⁰С для оценки эффективности использования биопрепаратов после вымораживания [13]. После извлечения из холодильника пробы почв не подкармливались удобрениями и биопрепаратами.

Наилучшие результаты показали препараты «Родер», «Родарт», «UNI REM» и «Деворойл» (рис. 4).

Рис. 4 - Диаграмма, иллюстрирующая степень снижения содержания нефтепродуктов в пробах в зависимости от условий эксперимента

Результаты анализа проб показали снижение в них остаточного содержания нефтепродуктов до 38-45%. В случае других нефтедеструкторов степень снижения остаточного содержания нефтепродуктов не превысила порог в 35%. Следует отметить, что в случае всех тестируемых препаратов эффект после вымораживания остается на уровне такового при работе в теплых условиях. Исключение составляет лишь «UNI REM», эффективность его действия снизилась на 20% после пребывания в морозильной камере.

Таким образом, эксперимент показал принципиальную возможность «озимой» биологической рекультивации. Данный подход может быть особенно интересен в том случае, когда качество рекультивации не было достигнуто в текущем году и загрязненный участок оставляют на доработку, либо в случае позднего окончания технического этапа рекультивации. Весной микроорганизмы внесенных ранее препаратов начнут работу сразу же при образовании благоприятных для их жизнедеятельности условий.

Отсюда следует, что применение биопрепаратов для рекультивации (очистки от нефти) земель, имеющих в своем составе активные формы микроорганизмов, требует создания оригинальной технологии и строгого ее соблюдения в процессе использования препаратов.

Список литературы

биопрепарат нефтепродукт почва

1. Биопрепараты ? общие сведения. URL: http://clearing.dkl.ua/biocommon.html. (дата обращения: 13.04.2017).

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

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

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

5. Головцов М.В. Переработка нефтешламов с последующей доочисткой до экологически безопасного уровня: дис. … канд. техн. наук. ? Уфа, 2008. ? 119 с.

6. Дядечко В.Н. О биологической рекультивации нефтезагрязненных лесных почв Среднего Приобья // Почвоведение. ? 1990. ? N 9. ? С. 148-154.

7. Исмайлов Н.И., Пиковский Ю.И. Современное состояние методов рекультивации нефтезагрязненных земель // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. ? М.: Наука, 1988. ? С. 222-236.

8. Колесниченко А.В., Марченко А.И., Побежимова Т.П., Зыкова В.В. Процессы биодеградации в нефтезагрязненных почвах. ? М.: Промэкобезопасность, 2004. ? 194 с.

9. Компоненты нефти и их действие. URL: http://studbooks.net/1239691/ekologiya/komponenty_nefti_deystvie. (дата обращения: 13.04.2017)

10. Логинов О.Н., Силищев Н.Н., Бойко Т.Ф., Галимзянова Н.Ф. Биотехнологические методы очистки окружающей среды от техногенных загрязнений. - Уфа: изд-во науч.-тех. лит-ры «Реактив», 2000. - 100 с.

11. Методы определения нефтепродуктов в почвах и грунтах. URL: http://nortest.pro/stati/pochva/opredelenie-nefteproductov.html. (дата обращения: 13.04.2017)

12. Панов Г.Е., Петряшин Л.Ф., Лысяный Г.Н. Охрана окружающей среды на предприятиях нефтяной и газовой промышленности. ? М.: Недра, 1986. ? 244 с.

13. Ротарь О.В., Искрижицкая Д.В., Искрижицкий А.А Биологическая рекультивация нефтезагрязненных грунтов // Международный научно-исследовательский журнал. ? 2013. ? Вып. 7(14). ? Часть 1. ? С. 51-53.

14. Чижов Б.Е. Рекультивация нефтезагрязненных земель Ханты-Мансийского автономного округа (практические рекомендации). ? Тюмень: Изд-во Тюм. ун-та, 2000. ? 52 с.

15. Ягафаров И.Р. Совершенствование методов и средств для обезвреживания и ликвидации нефтешламовых накопителей: Дис. … канд. техн. наук. ? Уфа, 2006. ? 116 с.

16. Jensen W.B. The Origin of the Soxhlet Extractor // J. Chem. Educ. ? 2007. ? V. 84, No 12. ? P. 1913-1914.

17. McGill W.W. Soil restoration following oil spills - a review // J. Canad. Petrol. Technol. ? 1977. ? V.16, No 2. ? Р.60-67.

Размещено на Allbest.ru