Оценивается потенциал ремедиации с помощью биокомпоста физически нарушенной и загрязненной нефтью почвы. Диагностику потенциала ремедиации данной почвы осуществляли посредством анализа в ней содержания углеводородов нефти и активности ферментов.
Как известно, почва представляет собой органо-минеральное тело природы, исторически возникшее в результате воздействия живых и мертвых организмов и природных вод на поверхностные горизонты горных пород в различных условиях климата и рельефа в гравитационном поле Земли; почве свойственно закономерное строение ее вертикального профиля с особыми морфологией, химическим составом, физическими и биологическими свойствами слагающих данный профиль горизонтов [1]. Однако при строительстве объектов по добыче нефти происходит физическое нарушение почвы, в частности, на буровых площадках и по трассам дорог и трубопроводов, прокладываемых при строительстве скважин. В результате почва лишается растительного покрова и верхнего органогенного слоя, а нижележащие минеральные горизонты выходят на дневную поверхность (рис. 1, 2).
Ситуация усугубляется, когда аварии, возникающие при поиске, разведке, добыче и транспортировке нефти приводят к загрязнению данным веществом физически нарушенной почвы и его попаданию в грунтовые воды. Это связано с тем, что при отсутствии верхнего, самого биологически активного слоя почвы практически не происходит ее естественная ремедиация, то есть очистка от нефти, осуществляемая различными углеводородокисляющими микроорганизмами (бактериями, дрожжами и мицелиальными, нитевидными грибами), в результате чего возникает риск миграции нефти в грунтовые воды [2].
О возможности попадания нефти из загрязненной почвы в грунтовые воды свидетельствует ряд работ. Так, в исследованиях [3], на подзолистой иллювиально-гумусовой почве (Среднее Приобье) было установлено, что нефть по ее профилю просачивалась до глубины 50 см, достигая зеркала грунтовых вод. При этом грунтовые воды при подъеме вымывали часть нефти, тем самым повышая уровень своего загрязнения данным веществом. По наблюдениям [4], в условиях земляного амбара, предназначенного для захоронения разлившейся нефти, в профиле иловато-глеевой почвы (зона влажных субтропиков) было отмечено возникновение мощного внутрипочвенного потока нефти, двигающегося к месту разгрузки грунтовых вод. При этом верхняя граница потока прослеживалась на глубине 50-60 см, а нижняя смыкалась с зеркалом грунтовых вод. В другой работе [5], изучение содержания нефти в районе земляного амбара (Краснодарский край), используемого для сбора нефти, разлившейся вокруг скважины, показало, что загрязнение почвенного профиля распространялось до глубины 120-130 см.
Риск использования грунтовых вод, загрязненных нефтью для хозяйственно-питьевого водоснабжения связан со следующими обстоятельствами: во-первых, портятся вкусовые качества питьевой воды, а во-вторых, вода загрязняется не только нефтью, но и содержащим в последней канцерогенным веществом – бенз(а)пиреном (C20H12), колеблющимся в зависимости от нефтяного месторождения в пределах 240-8050 мкг/кг [6]. Между тем исследованиями [7], установлена прямая корреляция между загрязнением питьевой воды бенз(а)пиреном нефтяного генезиса в бассейне р. Урал и заболеваемостью местного населения раком пищевода.
В связи со сказанным, важное практическое значение приобретает испытание биологических средств ремедиации загрязненной нефтью почвы. При этом тестирование данных средств целесообразно первоначально проводить в лабораторных условиях, где существует широкая возможность моделирования действия различных факторов (доз веществ, температуры и влажности почвы) на разложение углеводородов нефти и оперативного получения необходимой информации для последующих полевых испытаний. Поэтому цель настоящей работы состояла в диагностике потенциала ремедиации физически нарушенной и загрязненной нефтью почвы в лабораторных условиях с помощью биокомпоста «Пикса», получаемого путем ферментации торфо-навозной смеси и обогащения почвенными,в том числе и углеводородокисляющими микроорганизмами, в количестве 106 клеток/г и питательными веществами [8]. Именно такое количество микроорганизмов считается достаточным для самовоспроизводства популяции, как одного из условий эффективной ремедиации почвы, загрязненной нефтью [2].
Объектом исследования послужил нижний, иллювиальный горизонт серой лесной почвы толщиной 50-90 см, представляющий собой по гранулометрическому составу тяжелый суглинок (Московская область), рис. 2. Образец из данного горизонта обрабатывали нефтью в дозах 50 и 100 г/кг, а затем вносили биокомпост «Пикса» в дозах 50, 100 и 200 г/кг. Образцы инкубировали в пластиковых емкостях объемом 250 мл при постоянной влажности - 70% от полной влагоемкости: первые 20 сут - при температуре +8оС, а остальные 20 сут - при +18оС, что было связано с имитацией годового хода температуры в исследуемом слое почвы на отрезке времени - май-июль месяцы. Здесь под полной влагоемкостью подразумевается то наибольшее количество влаги, которое содержится в почве при полном насыщении всех ее пор.
На 10 и 40-е сут проводили анализ содержания углеводородов нефти методом инфракрасной спектрофотометрии, основанной на абсорбции инфракрасного излучения молекулами данных веществ в области длины волны 3,42 мкм. С этой целью 1 г навески почвенного образца экстрагировали 50 мл четыреххлористого углерода, CCl4 (5 мин) в экстракторе. После отстаивания (10 мин) экстракт пропускали через хроматографическую колонку с Al2O3 и анализировали содержание углеводородов нефти на концентратомере. Для подтверждения микробиологического характера разложения углеводородов нефти на 40-е сут определяли активность ферментов каталазы и дегидрогеназы соответственно газометрическим и спектрофотометрическим методами, защищенными двумя патентами [9, 10]. Статистическую обработку результатов анализа осуществляли при общепринятом для геоэкологических исследований доверительном интервале для среднего значения показателей различных вариантов, рассчитываемом при уровне значимости Р1=0,05. Данные анализа содержания углеводородов нефти были использованы для расчета времени их практически полного разложения, то есть на 99% (Т99) по экспоненциальной зависимости: y = e-kt, где y - остаточное содержание углеводородов на время t, отнесенное к исходному; e – основание натурального логарифма; k – константа скорости разложения углеводородов. Соответствующая формула для расчета выглядит как: T99 = ln 100/k.
Исследования по разложению углеводородов нефти под воздействием биокомпоста показали, что при внесении различных его доз (50, 100 и 200 г/кг) в почву время практически полного разложения углеводородов при концентрации нефти в 50 г/кг сокращается относительно контрольного варианта в 1,8-5,4 раза, при концентрации 100 г/кг – 1,7-7,2 раза (табл. 1).
Диагностика процесса микробиологического разложения углеводородов нефти посредством анализа активности ферментов каталазы и дегидрогеназы показала, что с увеличением дозы биокомпоста (50, 100 и 200 г/кг), добавляемого в почву при различных уровнях ее загрязнения нефтью (50 и 100 г/кг) активности каталазы и дегидрогеназы возрастали соответственно в 9-41 и 4,7-15,6 раз (табл. 2).
Отмечаемые в процессе эксперимента убыль содержания углеводородов нефти и повышение активности ферментов под действием биокомпоста подтверждают микробиологический характер разложения данных веществ. Механизм наблюдаемого процесса заключается в поглощении веществ посредством гидрофобизации клеточной стенки, реализуемой через биосинтез специфических соединений – липофильных глико-, пептидо- и пептидогликолипидов [2]. При прямом контакте, например, бактерий с пленкой углеводородов последние проникают в клетку путем пассивной диффузии, постепенно пропитывая клеточную стенку, и достигают местоположения ферментов на мембранах. Наряду с молекулярно-диффузным прохождением углеводородов через поверхность всей клеточной стенки возможно их поступление через особые ультрамикроскопические поры. Такие каналы, заполненные электроноплотным (гранулярным) веществом, были впервые обнаружены у дрожжей.
Анализ активности каталазы и дегидрогеназы, проведенный в ходе исследований, был связан с участием этих ферментов в разложении углеводородов нефти. Так, каталаза ускоряет окисление углеводородов, пероксидом водорода, разрушая последний, до необходимого для этой реакции кислорода, а дегидрогеназа катализирует отщепление водорода от молекул продуктов окисления углеводородов (реакция дегидрирования). Участие пероксида водорода в данной биохимической реакции связано с его образованием в процессе дыхания микроорганизмов и в результате окисления углеводородов. Так, исследованиями [11] было установлено, что у дрожжей, выращенных на углеводородах, существует прямая связь между увеличением количества пероксисом (микротела в цитоплазме клетки) и повышением активности каталазы, в которых этот фермент локализован.
Таким образом, исследования показали очевидное преимущество диагностики потенциала ремедиации физически нарушенной и загрязненной нефтью почвы в лабораторных условиях, позволяющей оперативно получать первоначальную информацию об эффективности испытуемого биологического средства. Следующий этап исследований заключается в целенаправленном проведении полевых опытов по ремедиации на территориях добычи нефти, где существует риск загрязнения физически нарушенных почв данным веществом.
Литература
1. Толковый словарь по почвоведению. М.: Наука, 1975. 288 с.
2. Коронелли Т.В. Принципы и методы интенсификации биологического разрушения углеводородов в окружающей среде (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. 1996. Т. 32. № 6. С. 579-585.
3. Калачникова И.Г., Масливец Т.А., Оборин А.А., Оглоблина А.И., Пиковский Ю.И. Трансформация нефти в подзолистых почвах Среднего Приобья // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. С. 74-80.
4. Пиковский Ю.И., Веселовский В.А., Вшивцев В.С., Эрнестова Л.С., Бия Л.А. Геохимическое и экологическое изучение нефтяных потоков в зоне влажных субтропиков // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. С. 64-69.
5. Максименко А.П., Герш В.А. Оценка загрязнителей почвы – нефтешламовых амбаров // АгроXXI. 2006. № 7-9. С. 47-48.
6. Серковская Г.С. Содержание бенз-α-пирена в образцах товарных нефтей // Химия и технология топлив и масел. 2011. № 3. С. 56.
7. Белякова Т.М., Дианова Т.М., Трефилова Н.Я. Геоэкологическое изучение ландшафтов бассейна реки Урал в связи с заболеваемостью населения раком // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. 2006. № 1 (1). С. 183-191.
8. Семенцов А.Ю. Применение суперкомпоста ПИКСА для реабилитации городских почв. Методические рекомендации. М.: ВНИИА. 2006. 32 с.
9. Башкин В.Н., Бухгалтер Э.Б., Галиулин Р.В., Коняев С.В., Калинина И.Е., Галиулина Р.А. Патент на изобретение № 2387995. Российская Федерация. Способ контроля очистки почв, загрязненных углеводородами, и нейтрализации углеводородных шламов посредством анализа активности каталазы // Бюллетень. Изобретения. Полезные модели. 2010. № 12 (IV ч.). С. 938.
10. Башкин В.Н., Бухгалтер Э.Б., Галиулин Р.В., Коняев С.В., Калинина И.Е., Галиулина Р.А. Патент на изобретение № 2387996. Российская Федерация. Способ контроля очистки почв, загрязненных углеводородами, и нейтрализации углеводородных шламов посредством анализа активности дегидрогеназы // Бюллетень. Изобретения. Полезные модели. 2010. № 12 (IV ч.). С. 938-939.
11. Teranishi Y., Kawamoto S., Tanaka A. et al. Induction of catalase activity by hydrocarbons in Candida tropicalis pK 233 // Agricultural and Biological Chemistry. 1974. V. 38. № 6. P. 1221-1225.
