Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РЕМЕДИАЦИИ ДЕРНОВО-КАРБОНАТНЫХ ПОЧВ

Баландина А.В. 2 Еремченко О.З. 1 Одегова Т.Ф. 2 Кузнецов Д.Б. 2
1 Пермский государственный университет
2 Пермская государственная фармацевтическая академия
К настоящему времени существует много методов биологической рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, однако по большей части меняются только используемые биологические и химические компоненты. Большое множество различных биопрепаратов, минеральных удобрений, нефтетолерантных трав дают возможность восстановить почвы самых различных видов. В настоящей работе представлены данные исследований по ремедиации дерново-карбонатных почв. В работе для рекультивации земель применялись разные компоненты: биогумус, вермикомпост, дрожжевые культуры, навоз, биопрепарат «Альбит», агрохимический препарат «Байкал М1», диаммонийфосфат и известь. По данным исследований, наибольшую нефтедеградирующую способность в биоремедиации почвы загрязненной нефтью в дозах от 5 до 20 л/м2при периодическом рыхлении и поливе за 2 месяца летнего периода имеют штаммы дрожжевых культур. Уровень деградации нефти составил 47 % по сравнению с контрольными образцами. Оптимальным вариантом биоремедиации является использование комплекса углеводородокисляющих микроорганизмов с биопрепаратом «Альбит», содержащим биохимически активные вещества, гидролизаты бактерий и элементы минерального питания.
биоремедиация
загрязнения нефтью
дерново-карбонатные почвы
1. Очистка окружающей среды от углеводородных загрязнений / В.Ж. Аренс, А.З. Саушин, О.М. Гридин, А.О. Гридин. – М.: Изд-во «Интербук», 1999.
2. Геннадиев А.Н., Пиковский Ю.И. Геохимия полициклических ароматических углеводородов в горных породах и почвах. – М.: МГУ, 1996.
3. Гриценко А.И., Акопова Г.С., Максимов В.М. Экология. Нефть и газ. – М.: Наука, 1997.
4. Еремченко О.З., ФилькинТ.Г., Шестаков И.Е. Редкие и исчезающие почвы Пермского края. – Пермь, 2010.
5. Золотова Ю.А. Основы аналитической химии. – М.: Высшая школа, 1996.
6. Орлов Д.С., Аммосова Я.М. Методы контроля почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами // Почвенно-экологический мониторинг. – М.: Изд-во МГУ, 1994.
7. Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. – М.: Изд-во «Высшая школа», 2002.
8. Пиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах. // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. – М., 1988.
9. Солнцева Н.П., Садов А.П. Закономерности миграции нефти и нефтепродуктов в почвах лесотундровых ландшафтов Западной Сибири // Почвоведение. – 1998. – № 8.
10. Трофимов С.Я. Рекультивация и инвентаризация загрязненных земель // Экология производства. – 2006. – № 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.


Библиографическая ссылка

Баландина А.В., Еремченко О.З., Одегова Т.Ф., Кузнецов Д.Б. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РЕМЕДИАЦИИ ДЕРНОВО-КАРБОНАТНЫХ ПОЧВ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-1. – С. 95-99;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32223 (дата обращения: 17.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074