1) в результате механического воздействия техники, связанной с осуществлением геологоразведки, бурением скважин и обустройством нефтегазовых промыслов;
2) при случайной пирогенизации, то есть горении почвенного покрова, пропитанного углеводородами;
3) при загрязнении почвы нефтью и газовым конденсатом, в результате их аварийного разлива и других обстоятельствах.
Основная цель данной работы заключалась в изложении примеров и особенностей проведения опытов по геоэкологическому моделированию in vitro и in situ при восстановлении нарушенных и загрязненных углеводородами почв. Во всех вышеназванных случаях оценку эффективности восстановления почв производили посредством анализа активности ферментов каталазы и дегидрогеназы, как ключевых биохимических показателей регенерации почв [2, 3].
Геоэкологическое моделирование in vitro при восстановлении нарушенных почв
Геоэкологическое моделирование in vitro осуществляли при восстановлении нарушенных тундровых почв на Тазовском полуострове (68○09' с. ш., 76○02' в. д., Ямало-Ненецкий автономный округ). С этой целью использовали усредненные репрезентативные образцы двух почв (слой 0-6 см), представляющих собой по гранулометрическому составу связный песок, и отобранных на участках в районе расположения установок комплексной подготовки газа, обеспечивающих сбор и обработку природного газа и газового конденсата. На одном участке растительность полностью отсутствовала, на другом участке отмечалась фрагментарная растительность в виде отдельных представителей многолетних злаковых трав и мхов. В опытах для восстановления нарушенных почв, применяли торф, добавляемый в почву в соотношении 1:4. В качестве эталона использовали 0-10 см слой торфяно-глеезема типичного тундрового [4].
Для оценки эффективности восстановления нарушенных почв образцы массой 50 г без добавления и с добавлением торфа, увлажненные до 70% от полной влагоемкости инкубировали в чашках Петри в термостате при температуре 30ºС. В динамике на 5, 10, 20 и 30 сут анализировали активность ферментов каталазы и дегидрогеназы образцов различных вариантов опыта методами, описанными в работах [2, 3].
Таблица 1. Динамика активности ферментов нарушенных тундровых почв при их восстановлении с помощью торфа (Тазовский полуостров, Ямало-Ненецкий автономный округ)
Данные табл. 1 показали, что наиболее близкой к активности каталазы торфяно-глеезема типичного тундрового, принятой за 100%, была соответствующая активность фермента нарушенной почвы с растительностью, которая за период наблюдения составляла 61,5-75,0%, что больше активности торфа, используемого для восстановления почв. Итак, регенерация растительного покрова как признак самовосстановления нарушенной почвы диагностировалась путем повышения активности каталазы. Что касается активности дегидрогеназы, то за период наблюдения добавление торфа существенно повышало активность фермента нарушенной почвы без растительности и, особенно с растительностью, как свидетельство биохимической диагностики эффективности восстановления нарушенных почв. Что касается активности дегидрогеназы торфа, то она не только достигала соответствующей активности торфяно-глеезема типичного тундрового, но была больше ее на 28,5% в течение первых 5 сут.
Итак, геоэкологическое моделирование in vitro восстановления нарушенных тундровых почв показало возможность оценки посредством анализа активности каталазы регенерации растительности на нарушенных почвах, а посредством анализа активности дегидрогеназы эффективности восстановления нарушенных почв с помощью торфа.
Геоэкологическое моделирование in situ при восстановлении нарушенной почвы
Геоэкологическое моделирование in situ было проведено при восстановлении нарушенной под действием пирогенизации почвы бермы амбара, то есть полосы, прилегающей к круглому контуру данного объекта газовой промышленности (Ставропольский край, 45○03' с. ш., 43○16' в. д.). Причиной случайного возгорания исследуемой темно-каштановой тяжелосуглинистой почвы бермы амбара могла быть ее насыщенность углеводородами газового конденсата, поступающего в составе жидких отходов, образуемых при очистке полости газопроводов и резервуаров, что придавало высокую горючесть почве и в результате привело к пирогенному образованию терракотового цвета. Следует отметить, что возгорание почвы может происходить при концентрациях углеводородов в 4-8 раз меньших, чем концентрациях, при которых горючее вещество способно выделиться в отдельную фазу и образовать жидкие скопления на поверхности почвы [5].
Восстановление пирогенной почвы производилось следующим образом: предварительно на берме амбара обустраивали делянки (0,25 м2), в которые после разрыхления почвы (слой 0-15 см) заделывали биокомпост «Пикса» в дозах 6,5 и 13,0 кг/м2 [6]; затем осуществляли посев смеси многолетних злаковых трав (30 г семян на 1 м2): мятлика лугового (Poa pratensis), овсяницы красной (Festuca rubra), райграса пастбищного (Lolium perenne), гребенника обыкновенного (Cynosurus cristatus), полевицы белой (Agrostis alba) и полевицы обыкновенной (Agrostis vulgaris). Контрольный вариант представлял собой делянку без внесения биокомпоста, но c посевом и выращиванием трав. Отбор проб почвы и растений на анализ производили на 42 сутки. Эффективность восстановления пирогенной почвы оценивали посредством определения активности ферментов каталазы и дегидрогеназы, а также биомассы смеси многолетних злаковых трав [2, 3].
Таблица 2. Активность ферментов и биомасса смеси многолетних злаковых трав при восстановлении пирогенной почвы с помощью биокомпоста «Пикса» (Ставропольский край)
Как видно из табл. 2, внесение биокомпоста «Пикса» в пирогенную почву повышало активность ферментов каталазы и дегидрогеназы в зависимости от дозы биокомпоста, соответственно, в 1,4 и 1,6; 2,5 и 3,0 раза относительно контрольного варианта. Что касается биомассы смеси многолетних злаковых трав, то она возрастала с повышением дозы вносимого в почву биокомпоста, соответственно, в 1,8 и 2,3 раза относительно контрольного варианта.
Итак, геоэкологическое моделирование in situ восстановления пирогенной почвы показало, что повышение активности исследуемых ферментов и факт хорошего произрастания смеси многолетних злаковых трав на берме амбара является достаточным доказательством регенерации ее плодородия в результате внесения биокомпоста «Пикса».
Геоэкологическое моделирование in vitro при восстановлении нарушенной и загрязненной нефтью почвы
Геоэкологическое моделирование in vitro при восстановлении нарушенной и загрязненной нефтью почвы было осуществлено с использованием усредненного репрезентативного образца нарушенной серой лесной тяжелосуглинистой почвы (Московская область, 55○37' с.ш., 33○44' в.д.), то есть с отсутствием верхнего органогенного слоя и представляющей собой иллювиальный горизонт (слой 50-90 см).
Образец почвы обрабатывали нефтью в дозах 50 и 100 г/кг и вносили биокомпост «Пикса» (50 и 100 г/кг) [6]. Обработанные нефтью и биокомпостом почвенные образцы инкубировали в пластиковых емкостях (объем 250 мл) при постоянной влажности – 70% от полной влагоемкости: первые 20 сут – при температуре 8оС, последующие 20 сут – при температуре 18оС. Такой температурный режим был связан с имитацией годового хода температуры в исследуемом слое почвы в период май-июль данного региона.
На 10 и 40 сутки проводили анализ содержания углеводородов нефти в почве методом инфракрасной спектрометрии на концентратомере ИКН-025. С этой целью 1 г навески почвы экстрагировали 50 мл четыреххлористого углерода (CCl4) в течение 5 мин в экстракторе Экрос-8000. После отстаивания (10 мин) экстракт пропускали через хроматографическую колонку с оксидом алюминия (AI2O3) и анализировали содержание углеводородов нефти на концентратомере.
Для подтверждения микробиологического характера процесса разложения углеводородов нефти, на 40-е сутки определяли активность ферментов каталазы и дегидрогеназы, как биохимических катализаторов данного процесса [2, 3]. Данные анализа содержания углеводородов нефти в почве были использованы для расчета времени их практически полного разложения, то есть на 99 % (Т99) по экспоненциальной зависимости: у = e-kt, где y - остаточное содержание углеводородов на время t, отнесенное к исходному y0; e – основание натурального логарифма; k - константа скорости разложения углеводородов. Соответствующая формула для расчета выглядит так: Т99 = ln 100/k, где k = ln (y0 / y)/ t.
Исследования по разложению углеводородов нефти под действием биокомпоста показали, что при внесении его доз в количестве 50 и 100 г/кг в почву, время практически полного разложения углеводородов сокращалось относительно контрольного варианта при концентрации нефти в 50 и 100 г/кг, соответственно, в 1,8 и 4,8 раза; 1,7 и 4,0 раза, табл. 3.
Таблица 3. Время практически полного разложения углеводородов нефти (Т99) в почве под действием биокомпоста «Пикса» (Московская область)
Диагностика процесса разложения углеводородов нефти посредством анализа активности ферментов каталазы и дегидрогеназы показала, что контрольные варианты характеризовались самыми низкими величинами этих биохимических показателей, табл. 4.
Таблица 4. Активность ферментов каталазы и дегидрогеназы при внесении биокомпоста «Пикса» в почву, загрязненную нефтью (Московская область)
Однако при внесении биокомпоста в дозах 50 и 100 г/кг активность каталазы в почве, загрязненной нефтью в количестве 50 г/кг, возрастала в 15 и 27 раз, а загрязненной нефтью в количестве 100 г/кг - в 9 и 22 раза относительно контрольного варианта. При внесении биокомпоста в дозе 50 и 100 г/кг активность дегидрогеназы в почве, загрязненной нефтью в количестве 50 г/кг, возрастала в 5,7 и 10,6 раз, а загрязненной нефтью в количестве 100 г/кг - в 4,7 и 15,6 раз относительно контрольного варианта.
Итак, геоэкологическое моделирование in vitro восстановления нарушенной и загрязненной нефтью почвы показало, что существует реальная возможность использования биокомпоста «Пикса» для кардинальной очистки почвы от нефти, попадающей в нее при аварийных ситуациях.
Геоэкологическое моделирование in situ при восстановлении загрязненной газовым конденсатом почвы
Геоэкологическое моделирование in situ восстановлении почвы, загрязненной газовым конденсатом было осуществлено на территории дожимной компрессорной станции (Ставропольский край, 45○03' с.ш., 43○16' в.д.) с черноземной тяжелосуглинистой почвой. Здесь происходило хроническое загрязнение данной почвы в результате воздушного поступления газового конденсата из «продувочной свечи» (вертикальной трубы с оголовком) и его осаждения на почву, что выразилось в постоянном ощущении специфического запаха бензиновых и керосиновых компонентов данного вещества и полном отсутствии растительности вокруг «продувочной свечи».
С целью восстановления почвы, загрязненной газовым конденсатом, на искомом участке обустраивали делянки (0,25 м2), в которые после разрыхления почвы (слой 0-6 см) заделывали биокомпост «Пикса» в дозах 4 и 8 кг/м2 [6]. Затем производили посев и выращивание смеси многолетних злаковых трав (30 г семян на 1 м2) вышеуказанного состава. Контрольный вариант представлял собой делянку без внесения биокомпоста, но c посевом и выращиванием трав. Отбор проб почвы и растений на анализ производили на 42 сутки. Эффективность восстановления почвы, загрязненной газовым конденсатом оценивали посредством определения активности ферментов каталазы и дегидрогеназы, а также биомассы смеси многолетних злаковых трав [2, 3].
Анализ содержания углеводородов газового конденсата в поверхностном слое почвы (0-6 см), проведенный методом инфракрасной спектрометрии, показал неравномерный характер хронического загрязнения участка вокруг «продувочной свечи», то есть на разных делянках количество вещества колебалось в пределах 1,8-5,4 г/кг. Между тем, при внесении в почву биокомпоста активность ферментов каталазы и дегидрогеназы повышалась соответственно в 1,9 и 2,4; 6,2 и 9,4 раза по сравнению с контрольным вариантом, табл. 5.
Таблица 5. Активность ферментов и биомасса смеси многолетних злаковых трав при восстановлении почвы, загрязненной газовым конденсатом с помощью биокомпоста «Пикса» (Ставропольский край)
Результаты посева и выращивания смеси многолетних злаковых трав показали, что биомасса растений при внесении биокомпоста в дозах 4 и 8 кг/м2 был выше по сравнению с контролем в 8,6 и 16,9 раза.
Итак, геоэкологическое моделирование in situ восстановления почвы, загрязненной газовым конденсатом показало, что повышение активности исследуемых ферментов и факт хорошего произрастания смеси многолетних злаковых трав на участке вокруг «продувочной свечи» дожимной компрессорной станции является достаточным доказательством восстановления плодородия почвы в результате внесения биокомпоста «Пикса».
Заключение
Таким образом, опыты по геоэкологическому моделированию in vitro и in situ восстановления плодородия нарушенных и загрязненных углеводородами почв позволили прийти к выводу о возможности оперативного a priori получения информации для рационального проведения в последующем регенерации почв в широких масштабах. Для восстановления почв используются торф и биокомпост с выращиванием смеси многолетних злаковых трав. При этом важным методом оценки эффективности восстановления почв является анализ активности ключевых ферментов этого процесса в виде каталазы и дегидрогеназы.
Литература
1. Арно О., Арабский А., Башкин В., Галиулин Р. Инновационная технология рекультивации лицензионных участков для газовой промышленности // International Business Guide, 2018. №128/129. Октябрь. С. 10.
2. Патент РФ на изобретение № 2387995. Способ контроля очистки почв, загрязненных углеводородами, и нейтрализации углеводородных шламов посредством анализа активности каталазы. Башкин В.Н., Бухгалтер Э.Б., Галиулин Р.В., Коняев С.В., Калинина И.Е., Галиулина Р.А. Заявлено: 22.09.2008. Опубликовано: 27.04.2010. Бюллетень № 12.
3. Патент РФ на изобретение № 2387996. Способ контроля очистки почв, загрязненных углеводородами, и нейтрализации углеводородных шламов посредством анализа активности дегидрогеназы. Башкин В.Н., Бухгалтер Э.Б., Галиулин Р.В., Коняев С.В., Калинина И.Е., Галиулина Р.А. Заявлено: 22.09.2008. Опубликовано: 27.04.2010. Бюллетень № 12.
4. Хренов В.Я. Почвы криолитозоны Западной Сибири: морфология, физико-химические свойства, геохимия. Новосибирск: Наука, 2011. 211 с.
5. Галишев М.А. Исследование пожарной опасности дисперсных систем // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2017. № 1 (22). С. 17-23.
6. Семенцов А.Ю. Применение суперкомпоста Пикса для реабилитации городских почв. Методические рекомендации. М.: ВНИИА, 2006. 32 с.
