CC BY
399
Эбейты : отчет по теме // Западно-Сибирский геологоразведочный трест. — Новосибирск, 1950. — 25 с.
ТУСУПБЕКОВ Жанболат Ашикович, кандидат географических наук, доцент (Россия), доцент кафедры природообустройства, водопользования и охраны водных ресурсов.
РЯПОЛОВА Наталья Леонидовна, старший препо-
даватель кафедры природообустройства, водопользования и охраны водных ресурсов. НАДТОЧИЙ Виктория Сергеевна, старший преподаватель кафедры природообустройства, водопользования и охраны водных ресурсов. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 30.09.2014 г. © Ж. А. Тусупбеков, Н. Л. Ряполова, В. С. Надточий
№
УДК 57.063.7: 547.912:502.3/7
С. Б. ЧАЧИНА С. В. БОЛТУНОВА Н. В. ЧЕРКАШИНА
Омский государственный технический университет
ДЕСТРУКЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ НЕФТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ «БАЙКАЛ-ЭМ», «ТАМИР», «ВОСТОК»
В лабораторном эксперименте изучалась способность трех микробиологических препаратов «Байкал-Эм», «Тамир», «Восток» к деструкции полициклических ароматических углеводородов. Наиболее эффективным из исследованных биопрепаратов для разложения полициклических ароматических углеводородов нефти является препарат «Байкал-Эм», обеспечивающий деструкцию нефти на 37—41 % при концентрации нефти в почве до 100 г/кг. Ключевые слова: биоремедиация, загрязнение почв нефтью, микроорганизмы нефтедеструкторы.
Одними из наиболее опасных загрязнителей поверхностных и подземных вод, почв являются нефть, нефтепродукты. Ежегодно в мире образуются миллионы тонн жидких и твердых отходов нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности. Места хранения таких отходов представляют серьезную опасность для окружающей среды, а многочисленные аварии при добыче, переработке и транспортировке нефти и нефтепродуктов являются причиной масштабных загрязнений природных объектов. Попадая в окружающую среду, ископаемые углеводороды, в частности нефть и продукты ее переработки, наносят прямой вред здоровью человека. При этом самоочищение загрязненных территорий без вмешательства человека длится десятками лет [1, 2].
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, обладающих повышенной способностью к биодеградации нефти и продуктов её переработки. Среди всего спектра методов устранения последствий углеводородных загрязнений, биологические методы справедливо признаны в мире наиболее безопасными для окружающей среды и экономически целесообразными. Особенно перспективным является метод биоремедиации, основанный на ис-
пользовании микроорганизмов, способных утилизировать углеводороды в процессе своей жизнедеятельности. В процессе биоремедиации углерод из нефти и нефтепродуктов частично преобразуется в углекислый газ, частично переходит в биомассу клеток, и частично трансформируется в гумус и закрепляется в почве. В настоящее время изучению этой проблемы посвящено большое число научных исследований, и интерес к этой тематике растет. Научные лаборатории всего мира продолжают разрабатывать препараты-нефтедеструкторы, действие которых основано на использовании уникальных возможностей углеводородокисляющих микроорганизмов, входящих в их состав. Тем не менее при использовании микроорганизмов в биоремедиации возникает ряд проблем [3].
В настоящее время активно ведётся поиск микроорганизмов, разрушающих нефть, в особенности при низких температурах. Активные формы микроорганизмов выделяются из разнообразных водных экосистем, особенно загрязнённых углеводородами или нефтью, а также из микрофлоры нефти и пластовых вод нефтяных месторождений [4]. Углеводородокисляющей активностью обладают также представители актиномицетов, микро-мицетов и дрожжей. Среди актиномицетов особое внимание привлекает многочисленный род Б1гер1отусе8. Выделены грибы — деструкторы углеводородов, принадлежащие к 27 родам (роды
Trichoderma, Mortierella, Aspergillus, Pénicillium и др.). Среди деструкторов почвенного происхождения упоминаются грибы, принадлежащие к 31 роду. Устойчивость грибов к нефтяному загрязнению, а при больших концентрациях нефти увеличение численности грибов в почве, связано с тем, что pH загрязнённой почвы смещается в кислую область, что благоприятствует росту грибов [5]. Дрожжам, окисляющим углеводороды нефти, посвящено значительное количество исследований. Развитие этих работ обусловлено запросами микробиологической промышленности, широко использующей н-парафины для синтеза белковых веществ и витаминов. Наиболее широко используемые для получения дрожжевого белка культуры относятся к роду Candida (C.lipolitica, C.guillirmondii). Микроорганизмы способны трансформировать углеводороды как в аэробных, так и в анаэробных условиях [5]. Потенциальными акцепторами электронов для анаэробного окисления органических соединений в природных условиях являются нитраты, Mn (IV), Fe (III) и сульфаты [6]. Однако трансформация нефтепродуктов при попадании в почву происходит прежде всего в поверхностном слое, под воздействием кислорода, поэтому далее будут рассмотрены только процессы аэробной трансформации углеводородов.
Материалы и методы исследования. Исследования проводились с ноября 2014 по апрель 2015 г.
Нами были протестированы три вида биопрепаратов: «Тамир», «Байкал-ЭМ-1», «Восток-Эм1».
Биопрепарат «Тамир» на основе ЭМ технологии широко используется для процесса утилизации отходов органического происхождения. Средство «Тамир» используется для быстрого приготовления (2 — 3 недели) компоста высокого качества из бытовых и с/х отходов (пищевых отходов, сорняков, ботвы, навоза, опилок и др.). Биопрепарат содержит молочнокислые, азотфиксирующие, нитрифицирующие бактерии, актиномицеты, дрожжи и ферментирующие грибы. Согласно патенту 2012121547/13, от 24.05.2012 RU(11)2508281 «Способ получения гумифицированной почвы» Препарат «Тамир» может быть использован при переработке и утилизации целлюлозосодержащих промышленных отходов. Согласно патенту 2010119111/10, 11.05.2010 RU(11)2437845 «Способ получения изоляционного материала для полигонов захоронения бытовых и промышленных отходов» препарат «Тамир» может быть предложен как способ получения изоляционного материала для полигонов захоронения бытовых и промышленных отходов. Осуществляют детоксикацию осадка сточных вод гуминовым реагентом. Затем дополнительно продукт детоксикации осадка сточных вод гуминовым реагентом обрабатывают препаратом биологически активных микроорганизмов «Тамир».
Биопрепарат «Байкал-Эм-1». Биопрепарат содержит большое количество анабиотических (полезных) микроорганизмов, обитающих в почве: молочнокислые, азотфиксирующие, нитрифицирующие бактерии, актиномицеты, дрожжи и ферментирующие грибы. Молочнокислые бактерии вырабатывают молочную кислоту, подавляющую развитие гнилостной и патогенной микрофлоры, улучшают санитарное состояние обрабатываемого участка. Молочнокислые бактерии способствуют разложению лигнинов и целлюлозы и ферментируют эти вещества. Жизнедеятельность актиномицет подавляет рост грибков. Ферментирующие грибы
типа Aspergillus и Penicillium быстро разлагают органические вещества, в том числе участвуют в разрушении углеводородов нефти, выделяют антибиотики. Ферментирующие грибы подавляют запахи и предотвращают заражение почвы вредными насекомыми и их личинками, предотвращают развитие основных паразитов дождевых червей. Таким образом, внесение биопрепарата обеспечивает восстановление плодородия и экологических функций нефтезагрязненных субстратов.
Согласно патенту 2013101062/13, 09.01.2013 RU(11)2513558 «Способ приготовления компоста из осадка сточных вод (варианты)» препарат «Байкал-Эм» может быть использован для приготовления компоста из осадка сточных вод, который включает смешивание свежего осадка сточных вод сроком хранения менее 3 лет с органическим компонентом, в качестве которого используют опилки любых древесных пород.
Согласно патенту 2004103172/13, 04.02.2004 RU(11)2004103172 «Способ получения биогумуса» препарат «Байкал-Эм» может быть использован дляполучения биогумуса из сельскохозяйственных и промышленных отходов, заключающийся в приготовлении субстрата, его предварительном компостировании, внесении в субстрат дождевых червей, проведении вермикомпостирования и отделении готового биогумуса, отличающийся тем, что используют популяцию червей «Владимирский гибрид «Старатель».
Согласно патенту 2011117840/13, 03.05.2011 RU(11)2481162 «Способ мелиорации нефтезагряз-ненных земель» препарат «Байкал-Эм» может быть использован для мелиорации нефтезагрязненных почв с использованием нефтестойких трав. Семена клевера предварительно замачивают в растворе биопрепарата «Байкал-Эм-1» в смеси с параамино-бензойной кислотой в концентрации 0,001 % каждого компонента в течение 2 — 3 часов.
Весной в фазе бутонизации-цветения биомассу запахивают в почву, с предварительным опрыскиванием травостоя аналогичным раствором смеси в количестве 200 — 300 л/га. Способ позволяет повысить эффективность восстановления загрязненных нефтью почв.
Препарат «Восток-Эм1» — биостимулятор роста и развития любых форм растений с биофунгицид-ным эффектом. Главной причиной исключительной многофункциональности препарата «Восток-Эм1» является широчайший диапазон действия входящих в его состав микроорганизмов. Содержит органические кислоты, микроэлементы питания Mg, Mn, Mo, Fe, Co, Zn, натуральные биологически активные вещества. «Восток Эм1» содержит комплекс специально отобранных эффективных природных микроорганизмов: молочнокислые, фотосинтези-рующие, азотофиксирующие бактерии, дрожжи и продукты их жизнедеятельности. Эти полезные микроорганизмы обеспечивают питание растениям, подавляют гнилостные бактерии, оздоравливают почву.
Взаимодействуя между собой в почве, они перерабатывают органику в легкодоступные и легко-усваеваемые вещества. При этом выделяется ряд всевозможных ферментов, аминокислот и прочих физиологически активных веществ, оказывающих положительное влияние на здоровье почв, рост и развитие растений.
Для эксперимента была использована черноземная почва из ОАО «Сибирский НИИ сельского
Таблица 1
Деструкция углеводородов нефти с использованием микробиологических препаратов
Вид нефтепродукта, концентрация, г/кг Биопрепарат, концентрация, г/кг Кон-цент-рация препарата мл/кг Содержание нефтепродуктов, г/кг Степень деградации,% Через 30 дней Степень деградации,% Через 60 дней
Через 30 дней Через 60 дней
Нефть 50 г/кг Байкал-Эм, 1 44,87 31,12 10,26 37,76
Нефть 50 г/кг Тамир-Эм 1 42,2 39,23 15,6 21,54
Нефть 50 г/кг Восток-Эм 1 49,89 47,98 0,2 4,04
Нефть 100 г/кг Байкал-Эм 1 79,56 58,56 20,44 41,44
Нефть 100 г/кг Тамир-Эм 1 68,13 57,28 31,87 42,72
Нефть 100 г/кг Восток-Эм 1 89,11 76,17 10,89 23,83
Нефть 125 г/кг Байкал-Эм 1 141,24 133,78 5,84 10,81
Нефть 125 г/кг Тамир-Эм 1 142,76 136,15 4,82 9,23
Нефть 125 г/кг Восток-Эм 1 149,17 145,48 2,16 3,01
№
хозяйства». Перед проведением эксперимента почва была подготовлена в соответствии с ISO 11268-1, 1993. Почву высушивали до постоянного веса и просеивали через сито с размером ячейки 5 мм, после чего ее гомогенизировали вручную, добавляли карбонат кальция в количестве, достаточном для достижения рН= 6,0±0,5 и дистиллированную воду, в количестве, 100 мл на 1 кг почвы. Подготовленная почва раскладывалась в полипропиленовые емкости объемом 2 л слоем толщиной 15 см (1 кг почвы).
Всего было подготовлено 3 серии образцов не-фтезагрязненных почв. Было заложено 9 вариантов опыта по три повторности в каждом. Варианты опыта представлены в табл. 1. В полипропиленовые сосуды вносили по 1 кг почвы, увлажняли 100 мл дистиллированной воды и вносили концентрации нефти от 50 до 125 г/кг. В почву вносили по 1 мл биопрепарата 1 раз в неделю.
Отбор проб из образцов почвы, загрязненных нефтью и нефтепродуктами для анализа содержания нефтепродуктов и органических веществ в образцах проводили по ГОСТ 28168, ГОСТ 17.4.3.01 и ГОСТ 17.4.4.02. Почву размалывали в ступке. Из размолотой почвы отбирали пробу массой 3 — 5 г и дополнительно измельчали до размера частиц менее 0,3 мм и просеивали через сито с размерами ячеек 0,25 мм.
Определение содержания нефти, нефтепродуктов и органических веществ в загрязненных инкубированных почвах.
Для определения содержания нефти или нефтепродуктов в почве была использована методика, предложенная институтом экспериментальной метрологии. Данная методика основана на определении количества углеводородов, экстрагированных
четыреххлористым углеродом из нефтезагрязнен-ной почвы.
Измерения проводили при комнатной температуре. В стеклянную колонку диаметром 1 см, заполненную окисью алюминия слоем 5 см, наливали 3 мл четыреххлористого углерода для смачивания А1203. После того, как СС14 впитывался в окись алюминия, в колонку засыпали навеску почвы. Почву накрывали сверху слоем ваты толщиной 3 — 5 мм и приливали четыреххлористый углерод. Элюат нефтезагрязненной почвы истекал в установленный под колонкой мерный цилиндр со скоростью 0,1—0,2 мл/мин. Первые 3 мл элюата отбрасывали и продолжали приливать СС14 в колонку до получения пробы элюата в количестве 10 мл. Полученный элюат заливали в кювету ИК-спектрофотометра ИКН-025 и определяли количество нефтепродуктов в элюате при длине волны 3,42 мкм. В процессе измерений фиксировали показания прибора С, соответствующее количественному содержанию углеводородов в элюате (в мг/дм3).
Обработка результатов измерений. Содержание нефтепродуктов в пробе (X г/кг) рассчитывали по формуле
С ■ V-ц
X
m■1000
V,
где С — концентрация нефтепродуктов в пробе, по показаниям прибора, мг/дм3;
V — объем элюата, см3; m — навеска почвы, г; ^ — коэффициент разбавления; Л :
где V — объем элюата, см3; 1
V — объем СС14, взятого для разбавления, см3. Для определения массовой концентрации нефтепродуктов в почве была использована методика,
Характеристика наиболее известных препаратов нефтедеструкторов (по А. Е. Кузнецову, 2012)
Таблица 2
Препарат Действующее начало Условия работы Нормы расхода
Деградойл Azotobacter vinelandii и др. микроорганизмы ГС +10... + 35 загрязнение до 20 г/кг почвы, широкая субстратная специфичность 5—10 кг/га почвы
Олеоворин, (35-45 $/кг) Acinetobacter oleovorum, дрожжи р. Candida ГС +3... + 45. рН 3,5—10., загрязнение до 20 г/кг почвы 15 кг/га почвы
Экойл, 3,5-6 $/кг (с торфом), Pseudomonas sp., Acinetobacter sp., Mycobacterium ГС не ниже + 5, загрязненность до 25 г/кг 30-50 кг/ 100 м2 почвы,
Родер Rhodococcus sp. Загрязненность до 5 г/кг 3-кратное внесение
Ленойл Bacillus, Arthrobacter Эффективен при уровне загрязнения до 20 г/кг 3-кратное внесение
Сойлекс Pseudomonas putida Концентрация нефти в почве не более 5 %, глубина не более 50 см 1000 кг/га
Путидойл Pseudomonas putida ГС +10... + 35, концентрация загрязнений в почве не более 10% при глубине проникновения не более 15 см; 3-15 кг/га почвы, 3-5 г/м3 грунта,
Деворойл Ассоциация бактерий и дрожжей, (Rhodococcus spp. — 3 штамма, Alcaligencs sp., Jarrowia lipolytica ГС +5... + 40, рН 4,5 — 9,5 загрязнение до 20 кг/м2 поверхности почвы; окисляют н-алканы С9 — С30, ароматические соединения 5-10 кг/га почвы, 1 кг/га поверхности водоема 1-2 мес.
Биодеструктор -Валентис Acinetobacter valentis ГС +10...+50, рН 6 — 8 концентрация загрязнений не выше 20 кг/м2 15-20 кг/га почвы
Рис. 1. Деструкция углеводородов нефти с использованием микробиологических препаратов
предложенная институтом экспериментальной метрологии. Предложенный метод основан на экстракции нефтепродуктов из почвы четыреххлори-стым углеродом с одновременной очисткой элюатов на окиси алюминия в хроматографической колонке. Концентрацию нефтепродуктов в пробе определяли методом ИК-спектрофотометрии на анализаторе нефтепродуктов ИКН-025, диапазон измерений 0,1 мг/дм3 до 100 мг/дм3. При превышении массовой концентрации нефтепродуктов (НП) в анализируемой пробе применялось разбавление элюата таким образом, чтобы концентрация НП соответствовала регламентированному диапазону.
Результаты исследований. Наиболее распространенными препаратами-нефтедеструкторами являются «Деградойл», содержащий Лго1;оЬас1;ег
vinelandii, эффективен при t°C +10... + 35 загрязнение до 20 г/кг (табл. 2).
«Олеворойл», содержащий Acinetobacter oleovorum, дрожжи р. Candida, эффективен при t°C +3...+45. рН 3,5—10., и уровне загрязнения до 20 г/кг почвы.
«Родер», содержащий Rhodococcus spp., эффективен при t°C не ниже+ 5, и уровне загрязнения до 25 г/кг (табл. 2).
«Ленойл», содержащий Bacillus, Arthrobacter, эффективен при уровне загрязнения до 20 г/кг (табл. 2).
«Путидойл», содержащий Pseudomonas putida и эффективен при t°C +10... + 35, концентрации загрязнений в почве не более 10 % при глубине проникновения не более 15 см (табл. 2).
«Деворойл», содержащий ассоциацию бактерий и дрожжей, (ЯЬосЗососс^ врр. — 3 штамма, Л1саЦдепсв вр., Лаггота Цро1уИса эффективен при ГС +5... + 40, рН 4,5 — 9,5 загрязнение до 20 кг/м2 поверхности почвы (табл. 2).
Все перечисленные препараты активны при концентрации нефти в почве до 20 г/кг при температуре 20 — 25 °С и требуют трех кратного внесения.
В связи с тем что, большинство нефтяных разливов происходит на Севере России, где температуры не поднимаются выше 15 °С, исследования проводились при данной температуре.
Наиболее эффективным из исследованных биопрепаратов для разложения полициклических ароматических углеводородов нефти, является препарат «Байкал-Эм», обеспечивающий деструкцию нефти на 37 — 41 % при концентрации нефти в почве до 100 г/кг. При увеличении концентрации нефти до 150 г/кг его эффективность снижается и составляет 10,81 %. При концентрации нефти в почве 50 г/кг содержание нефти в течение 60 дней исследования снизилось на 37,7 % и составило 31,1 г/кг. При концентрации нефти в почве 100 г/кг содержание нефти в течение 60 дней исследования снизилось на 41,4 % и составило 58,6 г/кг. При концентрации нефти в почве 125 г/кг содержание нефти в течение 60 дней исследования снизилось на 10,8 % и составило 133,8 г/кг (табл. 1).
Второе место по способности к нефтедеструк-ции занимает препарат «Тамир», обеспечивающий деструкцию нефти на 21—42 % при концентрации нефти в почве до 100 г/кг. При концентрации нефти в почве 50 г/кг содержание нефти в течение 60 дней исследования снизилось на 21,5 % и составило 39,2 г/кг. При концентрации нефти в почве 100 г/кг содержание нефти в течение 60 дней исследования снизилось на 42,7 % и составило 57,28 г/кг. При концентрации нефти в почве 125 г/кг содержание нефти в течение 60 дней исследования снизилось на 9,2 % и составило 136,15 г/кг (табл. 1, рис. 1).
Микробиологический препарат «Восток-Эм» показал себя неэффективным в разложении полициклических ароматических углеводородов. Эффективность разложения углеводородов составила от 3 до 23 % (табл. 1).
Заключение. Микробиологические препараты «Байкал-Эм» и «Тамир» показали высокую эффективность при высоком уровне загрязнения почвы нефтью (50—150 г/кг) при низких температурах 10—15 °С и могут быть рекомендованы для рекультивации нефтезагрязненных почв в условиях Севера.
Библиографический список
1. Орлов, Д. С. Изменение физико-химических свойств почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами / Д. С. Орлов, Е. А. Бочарникова, Я. М. Амосова // Экотоксикология и охрана природы : тез. докл. республик. семинара. — Рига, 1988. - С. 128-130.
2. Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем / Под ред. М. А. Глазковской. — М., 1988. — 264 с.
3. Лысак, Л. В. Деструкция нефти монокультурами и природными ассоциациями почвенных бактерий / Л. В. Лысак, Е. В. Лапыгина // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. — 1994. — № 1. — С. 58 — 62.
4. Полевой эксперимент по очистке почв от нефтяного загрязнения с использованием углеводородокисляющих микроорганизмов // Д. Г. Сидоров [и др.] // Прикладная биохимия и микробиология. — 1997. — Т. 33, № 5. — С. 497—502.
5. Козлов, Г. В. Разнообразие деструкторов полициклических, ароматических углеводородов / Г. В. Козлов, А. В. Гарабад-жиу, А. А. Анкудинова // Российский химический журнал. — 2011. — Т. ГУ, №1. — С. 108 — 119.
>
ЧАЧИНА Светлана Борисовна, кандидат биологических наук, доцент кафедры химической технологии и биотехнологии Омского государственного технического университета (ОмГТУ); доцент кафедры биологии Омской государственной медицинской академии.
БОЛТУНОВА Светлана Владимировна, магистрант кафедры химической технологии и биотехнологии; инженер кафедры химии ОмГТУ. ЧЕРКАШИНА Наталья Викторовна, ассистент кафедры химической технологии и биотехнологии ОмГТУ.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 23.04.2015 г. © С. Б. Чачина, С. В. Болтунова, Н. В. Черкашина
Книжная полка
502/К88
Кубарева, М. В. Импактный и биологический мониторинг загрязнения ртутью окружающей среды [Электронный ресурс] : учеб. электрон. изд. локального распространения : моногр. / М. В. Кубарева. -Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Изложены вопросы экологической оценки загрязнения ртутью почв ОАО «Павлодарский химический завод» (Павлодарская область). Оценено вертикальное распределение ртути в почвах промплощадки, влияние степени минерализации и катионно-анионного состава почв на степень концентрирования в них ртути. Для оценки степени загрязнения ртутью поверхностных вод и донных отложений Иртыша на территории Омской области приведены их аналитические исследования. Кроме того, выявлена токсичность ртути через оценку всхожести, энергии прорастания, цитогенотоксический эффект азотнокислой ртути в зависимости от дозы и сроков экспозиции в ана- и телофазе митоза клеток апикальной меристемы растительного тест-объекта. Для научных работников, преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений.
