CC BY
114
УДК 631.41
ФИТОЭКСТРАКЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ АПШЕРОНСКОГО ПОЛУОСТРОВА
Э.Р. БАБАЕВ, к.х.н., н.с.
Институт химии присадок им. акад. А.М. Кулиева НАН Азербайджана (Азербайджанская Республика, AZ 1029, г. Баку, Беюкшорское шоссе, квартал 2062). E-mail: [email protected] Э.М. МОВСУМЗАДЕ, д.х.н., проф., чл.-корр. РАО
ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: [email protected]
Описана методика ремедиации почв, загрязненных нефтью и тяжелыми металлами. Она предполагает фитоэкстракцию тяжелых металлов из почв путем выращивания на них специально подобранных видов высших наземных растений. Был осуществлен подбор сельскохозяйственных растений, устойчивых к воздействию нефти и способных аккумулировать широкий спектр металлов.
Ключевые слова: нефтезагрязненные почвы, фиторемедиация, тяжелые металлы, фито-токсичность.
концентрациям металлов, способными поглощать и аккумулировать несколько металлов одновременно, эффективно их трансформировать из корневой системы в надземную часть, иметь глубоко разрастающуюся корневую систему.
Целью настоящей работы была разработка метода очистки и детоксика-ции загрязненных нефтью и тяжелыми металлами почв с использованием углеводородокисляющих микроорганизмов в ассоциации с растениями, способными аккумулировать ионы металлов.
Несмотря на тот факт, что в последнее время технологии добычи и транспортировки нефти совершенствуются, а вред, наносимый окружающей среде, уменьшается, проблема загрязнения природный среды нефтью и сопутствующими ей тяжелыми металлами и другими загрязнителями все еще остается острейшей эгологической проблемой во многих нефтедобывающих странах. Вначале 20 века 50% всей мировой нефтедобычи приходилось на Азербайджан, большая часть которой добывалась на Ап-шеронском полуострове. Такая длительная и интенсивная добыча нефти и газа привела к загрязнению окружающей среды как углеводородными соединениями нефти, так и солями тяжелых металлов, такими как Дэ, Сс1, Сг, Си, Нд, Мо, М, РЬ, V, 7п [1]. В отличие от углеводородов, загрязнители тяжелыми металлами не подвергаются процессам разложения, а лишь перераспределяются между отдельными компонентами окружающей природной среды.
В мировой практике используют различные методы очистки нефтзагрязненых почв. В последние годы все более широкое применение находят микробиологические методы, которые отличаются экологической безопасностью и низкой себестоимостью. Перспективным считается метод, использующий объединенный метаболический потенциал микроорганизмов и растений. В силу своего взаимовыгодного сосуществования растительно-микробные ассоцации (симбиозы) имеют большие преимущества при выживании в неблагоприятных условиях окружающей среды.
Ускорить процессы деградации загрязнений в почве можно не только путем посева специально подобранных растений, но и созданием условий их интенсивного роста и повышения метаболической активности их ризосферного микробиоценоза. Растения, которые используются для извлечения тяжелых металлов из загрязненных почв, должны отвечать ряду требований: быть толерантными к высоким
Экспериментальная часть
С целью подбора растений, перспективных для фиторемедиации, были изучены некоторые сельскохозяйственные растения (овес, фасоль, подсолнух, кукуруза), имеющие разную чувствительность к неблагоприятным факторам воздействия среды.
На начальном этапе был осуществлен отбор образцов почв с различных территорий нефтепромыслового района Бузовны Апшеронского полуострова, отличающихся степенью загрязненности нефтью.
Для проведения сравнительного анализа были также отобраны образцы нефтезагрязненных почв с прикорневой сферы (ризосферы) растений, типичных для территорий данного нефтепромыслового района (Juncaginaceae -ситниковидные).
В качестве контроля использованы образцы незагрязненных почв территории того же района. Образцы были подвергнуты некоторым физико-химическим и микробиологическим анализам. Содержание нефтепродуктов в почвах определяли весовым методом после экстракции углеводородов из навесок почвы горячим гексаном или хлористым метиленом в аппарате Сокслета [2]
Концентрацию тяжелых металлов определяли методом ЕРА 6020 А на приборе Agilent Technologies 7500 Seri ICP-MS (serial # JP82802622). Численность гетеротрофных микроорганизмов в почве определяли методом 10-кратных разведений почвенной суспензии [3] с последующим высевом на поверхность агаризованнных сред: мясопептонный агар (МПА) для бактерий и сусло-агар (СА) для грибов и дрожжей при температуре 28-30 °С. Колонии бактерий подсчитывали через три дня, грибов и дрожжей - через пять дней, споро-вые - на 4-5 день актиномицеты - на 7-10 день. Численность углеводородокисляющих микроорганизмов определяли 10-кратным разведением в жидкой среде Раймонда с 1% нефти в качестве источника углерода [4]. Культивиро-
3•2016
НефтеГазоХимия 27
вание микроорганизмов проводили в колбах Эрленмейера, содержащих 100 мл жидкой питательной среды на круговой качалке (180 об/мин) при 24 °С в течение 10 суток.
Фитотоксичность почвы оценивали биотестом - пшеницей, по соотношению числа проросших и не проросших семян, а также длин проростков и корней. Продолжительность эксперимента - 30 суток.
Результаты и обсуждение
Загрязнение почв нефтью и тяжелыми металлами вызывает глубокие изменения физико-химических и микробиологических свойств, нарушение функционирования почвы, отторжение их из сельскохозяйственного использования. При разработке рациональных методов очистки загрязненных почв необходимо учитывать зонально-климатические особенности, ландшафтно-геоморфологические условия, совместное негативное воздействие нефтепродуктов и сопутствующих загрязняющих веществ (легкорастворимых солей, тяжелых металлов и других ксенобиотиков) [5]. Объектами исследований были образцы нефтезагряз-ненных почв с различным содержанием нефтепродуктов, отобранных с поверхностных слоев почвы, а также с прикорневой сферы (ризосферы) дикорастущих растений ^ипсад1пасеае - ситниковидные), типичных для территории нефтепромыслового района Бузовны и устойчивых к воздействию нефтезагрязнений. Эти растения характеризуются сильной корневой системой и могут выдерживать
Таблица 1
Характеристика образцов почв
Характеристика образцов почв Образцы нефтезагрязненных почв Чистая почва (контроль)
Вариант 1 Вариант 2
Прикорневая зона, % Поверхностный слой, % Прикорневая зона, % Поверхностный слой, %
Содержание нефти, % 5,6 6,7 8,7 11,3 -
Влажность: полевая гигроскопическая 14,7 1,7 16,3 2,1 17,6 2,1 19,2 1,7 20,0 1,8
рН 7,6 7,3 7,8 8,2 7,2
Таблица 2
Количественный учет микроорганизмов в исследуемых почвах
Количество микроорганизмов в 1 г абсолютно сухой почвы Образцы почв
Поверхностный слой нефте-загрязненной почвы Ризоидная сфера под иипсад1пассае Чистая почва
Бактерии 27 ■ Ю6 53 ■ Ю7 97 ■ Ю7
Грибы 17 ■ Ю3 42 ■ Ю3 15 ■ Ю2
Дрожжи 42 ■ Ю2 57 ■ Ю2 67 ■ Ю3
Актиномицеты 15 ■ Ю3 32 ■ Ю4 42 ■ Ю4
Споровые 16 ■ Ю3 42 ■ Ю3 71 ■ Ю2
Углеводородо-кисляющие 21 ■ Ю4 63 ■ Ю5 51 ■ Ю3
Влажность, % 16 12 21
Количество нефти, % 6,7 5,6 7,"
в о л л а т е м х ы л е
X к
т е и н а
*
р
е д
о
О
£
¡с ф
X Х'ХТО 00
«
I §
тотощ
со
-о сг
о& о ¡а ¿р!
Н 2 3
с: | 8
1 , 3
|§ II I
г?- 01
ТОСУФ:—
I
а с со
2 о
5 -о 5 -
|§§! г=о§с
^ Ф
I I
су'5» ^^то
! И
то
ТО I „г
§
£ ¡? * Лфсо
5
¿5
о сл со О"
со сл О О О"
"
сл
О О"
т-
ю
го о"
ю сл
О
о"
со О
о"
со
си о о"
" "
о о"
"
о о"
си
о о"
ю си
о о"
"
си о о"
со
о о"
со со г^ си о"
со
о о"
ю со
со "
о о"
со
о о"
си о о"
" "
о о"
со со сл о о"
ю "
о о"
ю "
си о о"
со со
си "
о о"
"
сл
"
со со
со "
о о"
со со
си со си о о"
а
" "
ю о о"
а
сл
о о"
а
со "
о о"
СП <
а
о
о
затопленные почвы. В качестве контроля использовали образцы не загрязненных почв территории того же района.
Отобранные образцы почв были заложены в соответствующие емкости (деревянные ящики). Для всех типов почв были первоначально определены некоторые физико-химические показатели (табл.1).
Для дальнейших исследований использовали почвы с содержанием 6,7% нефтепродуктов. Растения влияют на численность, разнообразие и активность микроорганизмов за счет биологически активных корневых выделений [6]. В ризосфере часто активно развиваются микроорганизмы, обладающие ферментами, необходимыми для деструкции поллютантов. Для выделения из почв и учета групп микроорганизмов применялись специиальные методы и питательные среды. Они различаются в зависимости от биологических особенностей выделенных микроорганизмов. Полученные результаты микробиологических исследований приведены в табл. 2, откуда можно сделать вывод, что в исследуемых почвах количество бактерий значительно превышает количество грибов и дрожжей. Количество углеводородо-кисляющих микроорганизмов в нефтезагряз-ненных образцах почв больше, чем в контроле, что объясняется наличием органического питания в сфере.
В целом, из анализа табл. 2 следует, что количество микроорганизмов в ризосфере больше, чем в остальной массе почвы. Это, очевидно, связано с тем, что в выделениях корней имеются органические соединени-яобладающие большой физиологической активностью и играющие большую роль во взаимоотношениях растений с микроорганизмами.
На указанных почвах были высеяны различные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, подсолнух, фасоль. Для наблюдения за процессом фиторемедиации в лабораторных условиях некоторые образцы нефтезагряз-ненных почв под исследуемыми растениями были дополнительно инокулированы суспензиями культур углеводородокисляющих микроорганизмов, выделенных из прикорневой зоны растений, в частности, ^ипсад1пасеае -ситниковидные), прорастающих на исследуемых почвах.
Изучена способность этих растений аккумулировать тяжелые металлы, находящиеся в исследуемых нефтезагрязненных почвах (табл. 3-4).
Об эффективности фитоэкстракции судили по количеству тяжелых металлов, удаленных из загрязненных участков. Из данных табл. 3-4 следует, что выбранные для экспериментов сельскохозяйственные культуры способны аккумулировать тяжелые металлы, находящиеся в исследуемых нефтезагрязненных почвах. Полученные данные свидетельствуют о том, что эти растения могут применяться для восстановления загрязненных тяжелыми металлами почв. НГХ
3•2016
НефтеГазоХимия 29
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мустафина Э.А., Полетаева О.Ю., Мовсумзаде Э.М. Тяжелые металлоносные нефти и их деметаллизация / Нефтегазохимия. 2014. № 4. С. 15-18.
2. Современные методы исследования нефтей (Справочно-методическое пособие) // Под редакцией Богомолова А.И. и др., М. Недра, 1984, 431 с.
3. Методы почвенной микробиологии и биохимии// Под редакцией Звягинцева Д.Г., М., МГУ, 1980, 224 с.
4. Raymond R.L.// Dekclopments in Industrial Microbiology. 1961. V 2. Pp 23-32.
5. Шоба С.А., Трофимов С.Я., Авитов Н.А., Дорофеева Е.И., Кожевин П.А.,
Степанов А.А. Экологическое нормирование содержания нефти в почках таежной зоны Западной Сибири.// Тезисы докладов Международной конференции «Новые технологии для очистки нефтезагрязненных вод, почв, переработки и утилизации нефтешламов», М.2001.
6. Jones R., Sunw., Tang c.s., Robert F.M. Phytoremidiation of petroleum hydrocarbons in tropical coostal soins. Mikrobial response to plant roots and contaminant II Enxiron.Sci.Pollut.Res. 2004.v11 pp340-346
PHYTOEXTRACTION OF HEAVY METALS FROM THE SOILS CONTAMINATED BY OIL ON ABSHERON PENINSULA_
Babayev E.R., Cand. Sci. (Chem.)
Institute of Chemistry of Additives after Academician A.M. Guliyev (Azerbaijan Republic, AZ1029, Baku, Beyukshor Highway, Block 2062 ). Email: [email protected]
Movsumzade E.M., Corresponding Member Russian Academy of education, Dr. Sci. (Chem.), Prof.
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Russia). E-mail: [email protected]
ABSTRACT
A technique for remediation of soils contaminated with oil and heavy metals is described. It involves phytoextraction of heavy metals from the soil by growing on them specially selected species of higher terrestrial plants. The selection of crops that are resistant to oil and can accumulate a wide range of metals was carried out.
Keywords: oil-contaminated soil, phytoremediation, heavy metals, phytotoxicity.
REFERENCES
1. Mustafina E.A., Poletayeva O.YU., Movsumzade E.M. Heavy metal-bearing oils and their demetallization. Neftegazokhimiya, 2014, no. 4, pp. 15-18 (In Russian).
2. Murzakayev F.G., Maksimov G.G., Khimizatsiya neftedobyvayushchey promyshlennostii okhrana okruzhayushchey sredy [Chemisation of oil industry and environmental protection]. Ufa, Bashkirskoye knizhnoye izdatel'stvo Publ., 1989. 154 p.
3. Martos V.N. Primeneniye polimerov v neftedobyvayushchey promyshlennosti [The use of polymers in the oil industry]. Moscow, VNIIOENG Publ., 1974. 96 p.
4. Nebogina N.A., Prozova I.V., Yudina N.V. Influence of the water content of the
oil on the formation and the rheological properties of oil-water emulsions. Neftyanoye khozyaystvo, 2008, no. 12, pp. 90-92 (In Russian).
5. Usmanova A.R., Prochukhan K.YU, Prochukhan YU.A. Poverkhnostno-aktivnyye veshchestva dlya intensifikatsii protsessov neftedobychi [Surfactants for intensification of oil production processes]. Trudy II mezhd. nauch.-prak. konf. «Fundamental'naya nauka i tekhnologii -perspektivy razrabotki [Proc. 2-d Intl. scientific- prac. Conf. "Basic science and technology - Prospects of development]. Moscow, 2013, pp. 196-200.
6. Idogova YA.V., Vashchenko A.V., Prochukhan K.YU., Prochukhan YU.A. Effect of surfactant on the dynamic viscosity of the surfactant system - polymer. Bashkirskiy khimicheskiyzhurnal, 2014, vol. 21, no. 4, pp. 48-51 (In Russian).
