Ключевые слова: Арктика, нефтезагрязнение, почва, углеводороды, биопрепарат, биодеградация.
Разливы нефтепродуктов (НП) в Арктике происходят довольно часто при добыче углеводородного сырья, при его транспортировке и хранении [6, 11–13]. По данным МЧС России, за последние 5 лет около 20 % чрезвычайных ситуаций в Арктической зоне, связаны с разливами нефти и НП [9]. Известно, что мерзлотные почвы характеризуются низким потенциалом самоочищения [4]. Нефтезагрязнения при низких арктических температурах труднодоступны для бактериального разложения, поэтому скорость трансформации нефтяных углеводородов (УВ) очень медленная [10, 14, 15]. Вследствие этого важной задачей является разработка наиболее эффективных методов восстановления нарушенных земель, что позволит сократить срок восстановления почв и минимизировать негативные последствия влияния антропогенного воздействия на окружающую среду Арктики. Наиболее безопасным способом очистки почв считается биологический способ очистки нефтезагрязненных почв с применением биопрепаратов на основе микроорганизмов-нефтедеструкторов. Наряду с преимуществом данный способ имеет и ряд ограничений, основное из которых это низкая эффективность в районах с холодным климатом. На сегодняшний день уже разработано несколько биопрепаратов на основе криофильных бактерий, способных разлагать и утилизировать нефтяные УВ в условиях низких положительных температур [2, 3, 7, 8].
Целью работы было изучение возможности применения биопрепарата Ленойл»® - NORD, СХП [7] для очистки нефтезагрязненных арктических почв и оценка его эффективности по результатам геохимических исследований.
Биопрепарат торговой марки Ленойл»®–NORD, СХП, в состав которого входят клетки штамма Pseudomonas sp., по результатам исследований [7] предназначен для биологической обработки нефтезагрязненных почв, грунтов при температуре от +2 °С, что позволяет сократить сроки биорекультивации, это особенно ценно в районах с коротким вегетационным периодом.
Испытания биопрепарата проводили в модельной почвенной системе в камеральных и полевых условиях. Для камеральных опытов была использована чистая фоновая почва, отобранная на территории Норильского промышленного района, относящегося к Арктической зоне РФ. Почвы были искусственно загрязнены дизельным топливом (ДТ) в концентрациях 1 % и 5 % от массы почвы и обработаны биопрепаратом в виде суспензии. Сосуды с почвой находились в помещении при постоянной температуре +15 °С. Температура была выбрана с учетом средней температуры летних месяцев, характерной для Норильска. Время экспозиции биопрепарата составило 60 сут.
Полевые опытные участки для испытания биопрепарата проводили на специальном полигоне в районе г. Норильска (рис. 1). Участки были расположены на типичной для района бугристой лесотундре северной экспозиции. Почвы криометаморфические, по гранулометрическому составу среднесуглинистые. Схема испытаний была аналогичной, продолжительность эксперимента составила 38 сут.
Для определения остаточного содержания НП в почвах и изучения изменения химического состава нефтезагрязнения, почвы отбирали в первые сутки эксперимента (до внесения в почвы биопрепарата), на 30-е и 60-е сутки. Все испытания проводили в сравнении с контрольным опытом, в почвы которого добавляли ДТ в тех же дозах, но обработка биопрепаратом не проводилась.
Комплекс аналитических методов исследования включал: извлечение органических веществ из почв методом холодной экстракции в хлороформе; изучение структурно-группового состава хлороформенных экстрактов (ХЭ) методом ИК-Фурье спектрометрии; определение группового компонентного состава ХЭ методом жидкостно-адсорбционной колоночной хроматографии, определение индивидуального состава насыщенных УВ методом хромато-масс-спектрометрии [5]. Схема исследований представлена на рис. 2.
Для оценки эффективности биопрепарата используют показатель остаточного содержания НП (СНП) в почве по отношению к исходному загрязнению и называют его эффективностью очистки или степенью деструкции (Кдестр.). При этом следует учитывать, что общее снижение содержания НП обусловлено не только процессами биодеградации, но и испарением ДТ, фотоокислением, растворением и другими физико-химическими факторами. Как видно из приведенных данных (рис. 3, табл. 1), на протяжении всего эксперимента наблюдается выраженная динамика уменьшения концентрации НП в почвах как при 1%-ной, так и при 5%-ной добавке ДТ. Степень деструкции за 60 сут. эксперимента составила 67 % и 86 % соответственно по сравнению с контрольным вариантом, где степень деструкции составила 14 и 21 % (табл. 1). Вероятнее всего, в контрольном варианте уменьшение концентрации НП происходило в основном за счет испарения легких фракций ДТ.
Снижение содержания НП сопровождалось изменениями в структурно-групповом составе почвенных экстрактов, свидетельствующие о биодеградации нефтезагрязнения. В химической структуре исходной загрязненной почвы в первые сутки эксперимента преобладали соединения с метильными и метиленовыми группами (полоса поглощения (п.п.) 1460, 1380, 720 см-1), с участием ароматических циклов (п.п. 750, 810 и 1600 см-1) (рис. 4а, б), присущих НП, в данном случае ДТ. После обработки почв биопрепаратом в составе ХЭ обозначились определенные изменения. Отмечено постепенное увеличение количества карбонильных групп (п.п. 1710 см-1), эфирных связей (п.п. 1170 см-1), гидроксильных групп (п.п. 3300–3400 см-1) (рис. 4б). Это отражает процессы окисления нефтяных УВ с образованием карбоновых кислот и сложных эфиров. В контрольном опыте эти изменения менее выражены (рис. 4а).
О процессах биодеградации нефтяных УВ можно судить по относительным коэффициентам поглощения кислородсодержащих групп и связей ХЭ почв. При 1%-ной добавке ДТ на 30 сут. в почвах в четыре раза увеличилось количество эфирных связей – D'1170 и в 6,6 раза – на 60 сут. по сравнению с исходным загрязнением (рис. 5а). В 16 раз возросло количество карбонильных групп – D'1710, и появились гидроксильные группы в области 3300 см-1 (рис. 5а). При 5 % ДТ в 5 раз возросло содержание эфирных связей и в 13 раз – карбонильных групп (рис. 5б). Также было высокое содержание гидроксильных групп D'3300 по сравнению с контролем, в котором гидроксильные группы отсутствовали на протяжении всего эксперимента.
В групповом компонентом составе за 60 сут. эксперимента в почвах в два раза снизилось содержание углеводородных компонентов и увеличилось содержание смолисто-асфальтеновых, главным образом за счет новообразования спирто-бензольных смол (табл. 1). Такая тенденция наблюдается как при 1 % ДТ, так и при 5 %. В контрольном опыте изменения незначительные и обусловлены главным образом процессами испарения ДТ с поверхности почвы.
В составе алифатических УВ также произошли изменения, указывающие на биодеградацию нефтяных УВ. В два раза уменьшилось содержание относительно низкомолекулярных н-алканов, о чем свидетельствует значение коэффициента L/H=(∑н.к.-С20) /(∑С21-к.к.) (рис. 6). В 2,5 раза увеличилось содержание изопреноидов, индекса нечетности CPI и в два раза – коэффициента микробной деградации Кi= (Pr+Ph)/(C17+C18).
Испытания биопрепарата в условиях открытой экосистемы показали, что всего за 38 сут. удалось снизить концентрацию НП в почвах опытных участков в два раза, степень деструкции составила 53 % (табл. 2). Можно предположить, что какая-то часть ДТ, добавленного в опытные участки, испарилась с поверхности почвы уже в первые сутки. Наряду с уменьшением концентрации НП в почвах произошли изменения в химическом составе почвенных экстрактов, в котором незначительно снизилась доля углеводородных компонентов – с 87 % до 73 %, возросло содержание кислородсодержащих соединений, что выражается в увеличении спектральных коэффициентов – количество карбонильных групп возросло в 4,5 раза, эфирных связей в три раза, появились гидроксильные группы (табл. 2). Все это указывает на направленные процессы микробной деструкции нефтяных УВ.
Применение биопрепарата-нефтедеструктора «Ленойл»®–NORD позволило значительно снизить концентрацию НП в почвах как в камеральном опыте (при разных уровнях загрязнения эффективность очистки за 60 сут. составила 67 % и 86 %), так и в естественных условиях (за 38 сут. 53 %). Результаты геохимических исследований по оценке эффективности применения биопрепарата позволили установить признаки биохимического окисления нефтяных структур. После очистки произошли изменения в составе нефтезагрязнения: в групповом составе почвенных экстрактов значительно снизилась доля углеводородных компонентов, в структурно-групповом составе возросло содержание кислородсодержащих соединений. Несмотря на происходившие процессы биодеградации нефтезагрязнения, следует отметить, что в полевом эксперименте за 38 сут. остаточное содержание НП в почвах все еще оставалось высоким 12 430 мг/кг, в два раза превышающим региональный норматив допустимого остаточного содержания НП в почвах после проведения восстановительных работ, который для криоземов территории г. Норильска составляет 5800 мг/кг [1]. Это требует продолжения очистных работ с повторной обработкой почв биопрепаратом и дальнейшего мониторинга за процессами восстановления почв. В результате проведенных исследований показана способность биопрепарата «Ленойл»®–NORD, СХП повысить эффективность биоразложения НП в почве, что позволяет рекомендовать его применение для очистки арктических почв.
Результаты работы получены в рамках Госзадания Министерства науки и высшего образования РФ №122011200369-1 с использованием научного оборудования ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН.
Литература
1. Постановление Правительства Красноярского края от 17 декабря 2021 г. № 902-П «Об утверждении региональных нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в почвах после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ на земельных участках, подверженных загрязнению в результате аварийного разлива нефти и нефтепродуктов, на территории Таймырского Долгано-Ненецкого муниципального района и г. Норильска». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://base.garant.ru/403259790/.
2. Патент № 2565549 C2 Российская Федерация, МПК B09C 1/10, B01J 20/16, C09K 17/40. Биопрепарат для биоремедиации нефтезагрязненных почв для климатических условий Крайнего Севера: заявл. 17.12.2013: опубл. 20.10.2015 / Ерофеевская Л.А., Глязнецова Ю.С.
3. Патент № 2539148 Российская Федерация, МПК B09C 1/10, C12N 1/20, C12R 1/38. Способ очистки почв от нефти в условиях низких положительных температур психротолерантными бактериями Pseudomonas sp. ИБ-1.1: заявл. 20.08.2013: опубл. 10.01.2015 / ЗАО НПП «Биомедхим», ФГБУН ИБ УНЦ РАН.
4. Геннадиев, А.Н. Карты устойчивости почв к загрязнению нефтепродуктами и полициклическими ароматическими углеводородами: метод и опыт составления / А.Н. Геннадиев, Ю.И. Пиковский // Почвоведение. – 2007. – № 1. – С. 80–92.
5. Глязнецова Ю.С. Нефтезагрязнение почвогрунтов и донных отложений на территории Якутии (состав, распространение, трансформация) / Ю.С. Глязнецова, И.Н. Зуева, О.Н. Чалая, С.Х. Лифшиц – Якутск: Асхаан, 2010. – 160 с.
6. Диагностический анализ состояния окружающей среды Арктической зоны Российской Федерации / В.В. Гордеев, А.А. Данилов, А.В. Евсеев [и др.]; Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП); Глобальный экологический фонд (ГЭФ). – Москва: Глобальный экологический фонд, 2011. – 1260 с.
7. Коршунова, Т.Ю. Токсикологическая оценка биопрепарата-нефтедеструктора «Ленойл»®–NORD, СХП / Т.Ю. Коршунова, О.Н. Логинов // Токсикологический вестник. – 2017. – № 3 (144). – С. 58–60. – DOI 10.36946/0869-7922-2017-3-58-60.
8. Маркарова, М.Ю. Использование углеводородокисляющих бактерий для восстановления нефтезагрязненных земель в условиях Крайнего Севера: специальность 03.02.03 «Микробиология»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук / Маркарова Мария Юрьевна. – Пермь, 1999.
9. МЧС связало каждую пятую ЧС в Арктике с разливами нефти или нефтепродуктов // Арктика в зеркале СМИ. Информационно-аналитический центр Государственной комиссии по вопросам развития Арктики. Дайджест 26.05.2023 г. – С. 7.
10. Оборин А.А. Нефтезагрязненные биоценозы / А.А. Оборин, В.Т. Хмурчик, С.А. Иларионов, М.Ю. Маркарова, А.В. Назаров. – УрО РАН; Перм. гос. ун-т; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2008. – 511 с.
11. Трошко К.А. Наблюдение загрязнений реки Амбарной, возникших в результате аварии на ТЭЦ-3 города Норильска 29 мая 2020 г / К.А. Трошко, П.В. Денисов, О.Ю. Лаврова [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – 2020. – Т. 17, № 3. – С. 267–274. – DOI 10.21046/2070-7401-2020-17-3-267-274.
12. Юркевич Н.В. Техногенное воздействие на окружающую среду в Российской Арктике на примере Норильского промышленного района / Н.В. Юркевич, И.Н. Ельцов, В.Н. Гуреев [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2021. – Т. 332, № 12. – С. 230–249. – DOI 10.18799/24131830/2021/12/3207.
13. AMAP (Arctic Monitoring and Assessment Programme). Ch. 4. Sources, Inputs and Concentrations of Petroleum Hydrocarbons, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, and other Contaminants Related to Oil and Gas Activities in the Arctic. – Oslo, 2007. – AMAP. – 87 p.
14. Lifshits S., Glyaznetsova Yu., Erofeevskaya L., Chalaya O., Zueva I. Effect of oil pollution on the ecological condition of soils and bottom sediments of the arctic region (Yakutia) // Environmental Pollution. – 2021. – Vol. 288. – https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.117680.
15. Margesin R., Schinner F. Biodegradation and bioremediation of hydrocarbons in extreme environments // Applied Microbiology and biotechnology. – 2001. – V. 56. – № 5–6. – рр. 650–663.
