Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

RESULTS OF INVESTIGATIONS FOR REMEDIATION OF SOD-CALCAREOUS SOILS

Balandina A.V. 2 Eremchenko O.Z. 1 Odegova T.F. 2 Kuznecov D.B. 2
1 Perm of state University
2 Perm of state pharmaceutical academia
To date, there are many methods of biological remediation of soils contaminated with oil and petroleum products, but for the most part are changed only used biological and chemical components. A large number of different biological, chemical fertilizers, grass oil-resistantallow the land to recover a wide variety of species. This paper presents the findings of research on remediation of calcareous soils. The paper used for land reclamation different components: vermicompost, worm castings, yeast culture, manure, biological product «album», the agrochemical composition «Baikal M1», diammonium phosphate and lime. According to most studies destruction of oil ability to bioremediation of soil contaminated with oil at doses of 5 to 20 litres/m2 with occasional hoeing and watering for 2 months summer has strains of yeast cultures. Oil degradation level reached – 47 % compared with control samples. The best option is to use a set of bioremediation of hydrocarbon-oxidizing microorganisms in biological product «Album» containing biochemically active substances bacteria of hydrolyzateand mineral nutrients.
bioremediation
oil pollution
sod-calcareous soils
1. ArensV.Zh., Saushin A.Z., Gridin O.M., Gridin A.O. Ochistka okruzhajushhej sredy ot uglevodorodnyh zagrjaznenij. Izd-vo «Interbuk», 1999.
2. Gennadiev A.N., PikovskijJu.I. Geohimija policiklicheskih aromaticheskih uglevodorodov v gornyhporodah i pochvah. M.: MGU, 1996.
3. Gricenko A.I., Akopova G.S., Maksimov V.M. Jekologija. Neft’ i gaz. M.: Nauka, 1997.
4. Eremchenko O.Z., Fil’kin T.G.,Shestakov I.E. Redkie i ischezajushhie pochvy Permskogokraja Perm’ 2010.
5. Zolotova Ju.A. Osnovy analiticheskoj himii. M.: Vysshajashkola, 1996.
6. Orlov D.S., Ammosova Ja.M. Metody kontrolja pochv, zagrjaznen nyhneft’ju i nefteproduktami // Pochvenno-jekologicheskij monitoring. M.: Izd-vo MGU, 1994
7. Orlov D.S., Sadovnikova L.K., Lozanovskaja I.N. Jekologija i ohrana biosfery pri himicheskom zagrjaznenii. M.: Izd-vo «Vysshaja shkola», 2002.
8. PikovskijJu.I. Transformacija tehnogennyh potokov nefti v pochvennyhj ekosistemah. // Vosstanovlenie neftezagrjaznennyh pochv ennyhj ekosistem. M., 1988.
9. Solnceva N.P., Sadov A.P. Zakonomernosti migraciinefti i nefteproduktov v pochvah lesotundrovyh landshaftov Zapadnoj Sibiri // Pochvovedenie. 1998. no. 8.
10. Trofimov S.Ja. Rekul’tivacija i inventarizacija zagrjaznennyh zemel’ // Jekologija proizvodstva. 2006. no. 3.

Большие площади вблизи нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и нефтетранспортирующих промышленных объектов заняты разливами нефти [10]. С января 2002 г. Закон «Об охране окружающей среды» повышает требования к охране окружающей среды при добыче и транспортировке нефти (ст. 46), в т.ч. требуя «проведения рекультивации нарушенных и загрязненных земель, снижения негативного воздействия на окружающую среду, возмещения вреда окружающей среде, причиненного в процессе строительства и эксплуатации объектов нефтегазодобывающих производств, объектов переработки, транспортировки, хранения и реализации нефти».

Нефтью загрязнены тысячи гектар по всей России, чем наносят серьезный вред окружающей среде [10]. В естественных условиях нефть залегает на больших глубинах и не оказывает влияния на почву. Загрязнение почв нефтью происходит в результате антропогенной деятельности в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти. Поэтому проблема нефтяных загрязнений весьма актуальна в настоящее время при активном развитии нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Одновременно в связи с ростом внимания к экологическому фактору, связанному с промышленной деятельностью, возрастает интерес и к вопросам рекультивации [1]. К сожалению, полностью очистить почву от нефти весьма трудно в связи с ее медленным разложением, и в почве всегда можно обнаружить некоторое количество остаточных нефтепродуктов.

Мелкоделяночный опыт

Опыты проведены на территории опытного участка Ильинского района Пермского края. Полевые исследования включали серию опытов в 2002–2004 гг.

Опыты заложены на свежезалежном участке на дерново-карбонатной тяжелосуглинистой почве. Пахотный слой имел серо-коричневую окраску, комковато-зернистую структуру и рыхлое сложение, тяжелосуглинистый гранулометрический состав, содержал кусочки извести. Переходный к породе горизонт красно-коричневой окраски, крупнозернистый, глинистый. Обилие плотных карбонатных включений отмечено с глубины около 40–50 см. Почвы, сформированные на пермских карбонатных породах, отнесены к категории редких почв и рекомендованы для включения в Красную книгу почв Пермского края [4].

Результаты определения показателей пахотного слоя [5] дерново-карбонатной почвы на опытном участке приведены в табл. 2. Дерново-карбонатная почва характеризуется средним содержанием гумуса, слабокислой реакцией среды, средним содержанием подвижного фосфора и обменного калия [8].

Опыты по применению биопрепаратов, удобрений и извести

Динамика остаточного содержания нефти в дерново-карбонатной почве прослежена в 3 срока. Через месяц после загрязнения почвы нефтью наибольшее очищение почвы отмечено на варианте с использованием штаммов дрожжевых культур; относительно контрольного варианта деградация нефти составила 47 % (табл. 1). На вариантах с биогумусом, вермикомпостом и «Альбитом» нагрузка нефти снизилась на 40 %. Наименьшая деградация нефти отмечена на фоне внесения диаммонийфосфата и особенно извести (15 %).

Таблица 1

Содержание нефти в почве по вариантам опыта

№ п/п

Вариант

Нефть, мг / кг

15.05.04

18.06.03

22.09.04

1

Фон

0

0

0

2

Нефть 20 л/м2

200

191

180

3

Нефть 20 л/м2 + биогумус

119

116

100

4

Нефть 20 л/м2 + вермикомпост

119

114

101

5

Нефть 20 л/м2 + дрожжевые культуры

105

104

100

6

Нефть 20 л/м2 + навоз

141

138

120

7

Нефть 20 л/м2 + «Альбит»

118

112

91

8

Нефть 20 л/м2 + «Байкал М1»

136

130

120

9

Нефть 20 л/м2 + диаммонийфосфат

159

141

121

10

Нефть 20 л/м2 + известь

169

146

140

Весной 2004 г. отмечено дальнейшее снижение количества нефти по всем вариантам, включая контроль, на котором нагрузка нефти за счет естественного самоочищения снизилась на 4,5 % (табл. 4). Скорость деструкции нефти снизилась на фоне дрожжевых культур, т.к. за год почти не изменилось количество нефти в почве. На вариантах с биопрепаратами (биогумус, вермикомпост, «Альбит») содержание нефти снизилось относительно начального уровня на 42–44 %, очевидно, действие этих натуральных биопрепаратов обусловлено присутствием активных групп углеводородокисляющих микроорганизмов и биохимически активных веществ. В биогумусе и вермикомпосте это могут быть гуминовые кислоты – известные биостимуляторы. В препарате «Альбит» стимуляция микробиологической активности может быть связана с питательными элементами и биоактивными веществами. Затем следует эффективность навоза и препарата «Байкал ЭМ1». Наименьшая деструкция по-прежнему характерна для вариантов с диамонийфосфатом и известью, последняя не столько влияет на почву (дерново-карбонатная почва не нуждается в нейтрализации кислотности), сколько, по-видимому, служит источником питательных элементов для микробиоты (Ca, Mg).

В cентябре 2004 г. под покровом трав прослежен продолжающийся процесс деградации нефти (табл. 4). Благодаря самоочищению (без микробной стимуляции) разрушено всего 10 % нефти от исходного содержания. 50 % нефти деградировано на фоне внесения биогумуса и вермикомпоста, 55 %  – «Альбита». Применение диаммонийфосфата, навоза и препарата «Байкал ЭМ1» привело к разрушению 40 % нефти от исходного количества. Наименьший эффект оказало известкование – 30 % от начального содержания нефти.

Таким образом, применение биопрепаратов и удобрений ускорило в несколько раз деградацию нефти, благодаря их применению за 14–15 месяцев деградировано 40–50 % нефти, внесенной на поверхность дерново-карбонатной почвы в количестве 20 л/м2. По сравнению с контрольным вариантом содержание нефти в обрабатываемом слое по фону препарата «Альбит» понижено почти на 50 %.

В сентябре 2004 г. были изучены некоторые агрохимические показатели дерново-карбонатной почвы. Внесение биопрепаратов, удобрений и извести несущественно повлияло на актуальную кислотность (табл. 2), которая осталась в пределах нейтральной среды; тенденция к слабому подщелачиванию прослежена на фоне извести и диаммонийфосфата.

Таблица 2

Агрохимические показатели дерново-карбонатной почвы по вариантам опыта (22.09.2003 г.)

№ п/п

Площадка

рНвод

Сорг, %

N–NO3–, мг/100 г

Р2О5, мг/100 г

К2О, мг/100 г

1

Фон

7,25

2,1

39,4

6,5

3,2

2

Нефть 20 л/м2

7,40

-

90,2

6,6

3, 5

3

Нефть 20 л/м2 + биогумус

7,32

12,0

26,67

7,65

4,00

4

Нефть 20 л/м2 + вермикомпост

7,30

11,8

26, 7

7,6

4,0

5

Нефть 20 л/м2 + дрожжевые культуры

7,03

14,1

34,0

16,2

13,4

6

Нефть 20 л/м2 + навоз

7,08

16,5

195,7

13,8

10, 8

7

Нефть 20 л/м2 + «Альбит»

7,44

10,1

69, 5

15,1

12,1

8

Нефть 20 л/м2 + «Байкал ЭМ1»

7,26

9,6

17,7

10,2

7,2

9

Нефть 20 л/м2 + диаммонийфосфат

7,70

13,2

103,8

11,4

8,9

10

Нефть 20 л/м2 + известь

7,60

17,2

64,6

12,2

9,8

Фоновое содержание органического углерода в залежной дерново-карбонатной почве составляло 2,1 % (табл. 5). В результате внесения нефти все варианты опыта были обогащены органическим углеродом. Через 4 месяца с начала ремедиации наибольшее количество органического углерода отмечено на фоне извести и навоза; в первом случае это результат замедленного разложения нефти (см. табл. 4), а во втором – также последствие внесения органического удобрения. Меньшим содержанием органического углерода (9–12 %) характеризовались варианты с биопрепаратами «Альбит», «Байкал ЭМ1», биогумус и вермикомпост, что отразило повышенную скорость деградации нефти.

Количество подвижных нитратов сильно варьировалось по вариантам опыта. Содержание их в почве – интегральный результат микробиологических процессов трансформации минеральных соединений, разложения органических соединений и потребления растениями. Загрязнение нефтью увеличило количество нитратов относительно фона более чем в 2 раза. Вероятно, накопление нитратов – это результат, прежде всего, их внесения с нефтью, т.к. процессы азотфиксации и нитрификации подавляются при нефтезагрязнении [2, 9]. Слабо развитый травянистый покров ограничено потребляет почвенные нитраты. Повышенным количеством нитратов отмечена почва на вариантах с применением навоза и диаамонийфосфата, содержащих соединения азота в органической и/или минеральной формах. Количество нитратов на вариантах с применением препаратов биогумус, «Альбит», «Байкал ЭМ1», дрожжевые культуры, вермикомпост и известь ниже фона, вероятно, в почве сформировался замкнутый круговорот использования азотных соединений растениями и микроорганизмами.

Минимальное содержание подвижных фосфатов установлено в фоновой дерново-карбонатной почве и нефтезагрязненной почве (табл. 5). Количество подвижного фосфора было повышено на вариантах применения биопрепаратов, и в основном это связано с присутствием в них этого питательного элемента. В слабощелочных почвах подвижность и доступность фосфатов для растений понижена, поэтому особенно важно отметить, что ускоренная деградация нефти микроорганизмами не обеднила почву этим подвижным соединением.

Похожую картину показало количество подвижного калия в дерново-карбонатной почве по вариантам опыта; меньше всего его запасы в незагрязненной и загрязненной почве без использования биопрепаратов, извести и удобрений (табл. 2).

Бенз(а)пирен относят к веществам канцерогенного действия; он может накапливаться в почвах, испытавших загрязнение нефтью и нефтепродуктами [6, 7]. Исследования показали наибольшее его содержание в нефтезагрязненной почве, а также в нефтезагрязненной почве с внесением диаммонийфосфата и извести вследствие ослабленного процесса деградации нефти (табл. 3). Заметно ниже количество бенз(а)пирена на вариантах с дрожжевыми культурами и навозом, биогумусом и вермикомпостом. В три раза меньше его содержание с применением препаратов «Альбит» и «Байкал ЭМ1» по сравнению с нефтезагрязненной почвой.

Таблица 3

Продуктивность зеленой массы трав и количество бенз(а)пирена в почве по вариантам опыта (22.09.2003) г.

Вариант

Бенз(а)пирен, нг/г почвы

Продуктивность зеленой массы, кг/м2

Нефть 20 л/м2

18,96

8,0

Нефть 20 л/м2 + биогумус

5,12

15,0

Нефть 20 л/м2 + вермикомпост

6,22

15,0

Нефть 20 л/м2 + дрожжевые культуры

8,87

16,0

Нефть 20 л/м2 + навоз

9,86

14,0

Нефть 20 л/м2 + «Альбит»

4,82

17,5

Нефть 20 л/м2 + «Байкал ЭМ1»

4,91

16,4

Нефть 20 л/м2 + диаммонийфосфат

17,80

12,3

Нефть 20 л/м2 + известь

15,86

10,2

Продуктивность сеяных трав отражает общую картину биодеградации нефти по вариантам опыта (табл. 3). Ниже всего их продуктивность на контроле с одной нефтью, что может быть обусловлено как токсичностью самой нефти, так и изменениями в составе микробоценозов, в том числе возрастанием частоты встречаемости и обилия фитотоксичныхмикромицетов [3]. Затем следуют варианты с применением извести, диаммонийфосфата и навоза. Самая высокая продуктивность трав отмечена на вариантах с биопрепаратами биогумус и вермикомпост и особенно с препаратами «Альбит» и «Байкал ЭМ1»; на фоне последних она увеличилась в 2 раза относительно варианта с контрольным загрязнением почвы.

Для выбора наиболее эффективного варианта микробной ремедиации нефтезагрязненной дерново-карбонатной почвы был использован метод математической оптимизации. Из каждой выборки показателей состояния почвы (х1, х2, х3, х4, …, хn) по всем вариантам опыта выбирался экстремум – минимальное (хmin) или максимальное (xmax) значение (приложение 1). Для показателей рН, содержания органического углерода, нефти и бенз(а)пирена были выбраны минимальные значения; а для подвижных фосфатов, калия и продуктивности трав – максимальные значения экстремумов. Относительно экстремума рассчитали нормированные значения показателей: xk = хmin/хn, или xk = хn/хmax. Сложили нормированные значения показателей и получили критерий оптимизации по каждому варианту ремедиации (табл. 4). При данном подходе был учтен комплекс экологически важных показателей, отражающих состояние нефтезагрязненной почвы в процессе микробной ремедиации. Исходя из критериев оптимизации по комплексу изученных показателей, лучшими являются варианты микробной ремедиации нефтезагрязненной дерново-карбонатной почвы с применением биопрепаратов «Альбит», «Байкал ЭМ1» и дрожжевых культур.

Выводы

В дерново-карбонатной почве, загрязненной нефтью в дозах от 5 до 20 л/м2, на фоне периодического рыхления и полива за 2 месяца летнего периода отмечено 40–50 %-е разрушение нефти благодаря активизации пула углеводородокисляющих микроорганизмов биопрепаратом «Альбит», содержащим биохимически активные вещества и элементы минерального питания. Экологическое состояние почвы, подвергнутой ремедиации, позволило получить всходы и создать покров из злаков.

Таблица 4

Нормированные значения показателей по вариантам ремедиации, пос. Ильинский, опыты 2002–2004 гг.

Вариант

Параметр

Критерий оптимизации

Р2О5

К2О

NO3

Cорг

Продуктивность

Нефть I

Нефть II

Нефть III

Бенз(а)-пирен

Нефть 20 л/м2 + биогумус

0,47

0,30

0,66

0,80

0,86

0,53

0,54

0,50

0,94

5,6

Нефть 20 л/м2 + вермикомпост

0,49

0,39

0,19

0,81

0,86

0,88

0,90

0,91

0,77

6,2

Нефть 20 л/м2 + дрожжевые культуры

1,00

1,00

0,52

0,68

0,91

0,88

0,91

0,90

0,54

7,34

Нефть 20 л/м2 + навоз

0,85

0,78

0,09

0,58

0,80

1,00

1,00

0,91

0,49

6,50

Нефть 20 л/м2 + «Альбит»

0,93

0,90

0,25

0,95

1,00

0,74

0,75

0,76

1,00

7,28

Нефть 20 л/м2 + «Байкал М1»

0,63

0,54

1,00

1,00

0,94

0,89

0,93

1,00

0,98

7,91

Нефть 20 л/м2 + диаммонийфосфат

0,70

0,67

0,17

0,73

0,70

0,77

0,8

0,76

0,27

5,76

Нефть 20 л/м2 + известь

0,75

0,73

0,27

0,56

0,58

0,66

0,74

0,75

0,30

5,34

Примечание. Нефть I – содержание нефти в почве 18.06.2003 г., нефть II – содержание нефти 15.05.2004 г., нефть III – содержание нефти 22.09.2004 г.

Рецензенты:

Глушков В.А., д.х.н., доцент, ФГБУН «Институт технической химии» УрО РАН, г. Пермь;

Леснов А.Е., д.х.н., профессор кафедры экологии Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 01.08.2013.