Характеристика микробной составляющей подземных вод Республики Хакасия в условиях углеводородного загрязнения

Н.Г. Наливайко, Ю.С. Сыроватко, Е.М. Дутова, Д.С. Покровский

ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОБНОИ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД РЕСПУБЛИКИ ХАКАСИЯ В УСЛОВИЯХ УГЛЕВОДОРОДНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Рассмотрены состав и интенсивность развития микробиоты в подземных водах четвертичных и палеозойских отложений в условиях углеводородного загрязнения. Установлено наличие аборигенной микрофлоры, активно разрушающей нефть и ее производные. Сделан вывод, что микробиологические методы в условиях Республики Хакасия могут быть использованы для профилактики, выявления, контроля и ликвидации загрязнения подземных вод и почвы нефтепродуктами и нефтью.

Проблема техногенного загрязнения подземных вод Республики Хакасия весьма актуальна. Исследованиями Минусинской гидрогеологической партии установлены многочисленные источники загрязнения, многие из которых выявлены еще в 1980-е гг., но существуют и по настоящее время. Яркими примерами являются первоначально благополучные районы окраины г. Абакана, где выявленные источники загрязнения - Абаканская ТЭЦ, завод строительных материалов и конструкций, нефтебаза - привели к практической невозможности использования подземных вод населением частного сектора, г. Сорск, где водоносный горизонт деятельностью молибденового комбината приведен в непригодное для эксплуатации состояние, пгт. Усть-Абакан, в пределах которого загрязнение подземных вод - явление повсеместное.

Среди разнообразных загрязняющих компонентов главное место принадлежит нефтепродуктам. Многочисленные очаги загрязнения нефтепродуктами выявлены в городах Абакане, Черногорске и Саяногорске, в районных центрах Шира, Белый Яр, Копьево, Таштып и др. Большая часть объектов загрязнения связана с деятельностью нефтебаз и автотранспортных предприятий, имеющих склады ГСМ. Интенсивность загрязнения на таких объектах разнообразна - от единиц и десятков до сотен ПДК и даже полного замещения воды нефтепродуктами в приповерхностном слое водоносного горизонта. Имеются примеры рассредоточенного загрязнения, проявляющегося в пределах водоносных горизонтов, подземные воды которых используются для питьевого водоснабжения. Так, например, в воде некоторых скважин, использующихся для водоснабжения п. Шира, количество нефтепродуктов составляет 0,45-1,46 мг/л. В отдельных скважинах водозаборов, расположенных в черте промышленной зоны г. Саяногорска и испытывающих на себе типичное для городских условий техногенное воздействие, содержание нефтепродуктов иногда составляет 0,1-0,4 мг/л. Не всегда соответствует нормативным требованиям качество подземных вод, подаваемых для питьевого водоснабжения населения из локальных водозаборов, расположенных в долине р. Абакан. Повышенное содержание нефтепродуктов отмечалось и в групповых водозаборах [1].

Совершенно очевидно, что полностью предотвратить техногенное загрязнение не представляется возможным, как невозможно полностью исключить хозяйственную деятельность. Практически невозможно также однозначно установить и идентифицировать, а тем более ликвидировать все имеющиеся источники и очаги загрязнения. С помощью непосредственного анализа органических веществ в водной среде установить про-

никновение нефтепродуктов в водоносные горизонты весьма сложно, если даже известно, что подобный факт имел место. Причины неопределенности могут быть связаны как с характером миграции нефтепродуктов в подземных водах, так и их качественным составом, низкими абсолютными концентрациями и недостаточной чувствительностью методов аналитических определений. Ликвидация же уже существующего загрязнения требует применения технологических процессов и технических решений, к сожалению, до сих пор недостаточно разработанных. В этих условиях, как нам представляется, весьма широкие перспективы открываются перед микробиологическими технологиями. Микроорганизмы, обитающие в подземных водах, являясь непременным компонентом среды, чутко реагируют на загрязнения различного характера, в том числе и нефтяного, и, обладая весьма высокой избирательной чувствительностью к загрязнителю, могут быть использованы как для обнаружения, так и, в ряде случаев, для ликвидации загрязнения.

С этих позиций на ряде объектов углеводородного загрязнения Республики Хакасия были выполнены предварительные опытно-методические работы по изучению роли микрофлоры в оценке экологического состояния подземных вод и возможности использования микроорганизмов для ликвидации загрязнения. Объектом изучения являлись подземные воды водоносных горизонтов четвертичных и палеозойских отложений, вскрытых скважинами на различной глубине. В процессе исследований выявлялись и количественно учитывались: гетеротрофы, сапрофиты, нефть- и углеводо-родокисляющие (пентан-, гексан-, толуолокисляющие), сульфатредуцирующие, нитрифицирующие, денитрифицирующие бактерии, а также оценивалась способность микробиоты осуществлять деструкцию нефти и ее дериватов. В комплексе с микробиологическим анализом проводилось определение минерализации, окис-ляемости и содержания нефтепродуктов. Обобщенные результаты исследований приведены в табл. 1.

Воды четвертичных и палеозойских отложений различаются как по природным химическим показателям, так и по степени загрязнения нефтепродуктами, что вполне естественно, учитывая значительное различие в глубинах залегания водоносных горизонтов. Различия в условиях среды обитания обусловили и различия количественнокачественных характеристик микробных сообществ.

Для бактериальных сообществ четвертичного водоносного горизонта характерно преобладание сапрофитных микроорганизмов, которые, как известно, являются типичными обитателями природных сред, богатых азотсодержащими органическими веществами. В от-

дельных пробах они составляют до 80% и более микробного населения, многократно превышая содержание гетеротрофов. Индекс трофности, характеризующий направленность процессов превращения органических веществ, выше единицы, что свидетельствует о постоянном притоке и накоплении лабильного органическо-

го вещества в результате низкой скорости его деструкции. Возможно, это связано с тем, что в составе сапро-фитов четвертичного водоносного горизонта присутствует аллохтонная микрофлора, привнесенная с поверхности, подтверждением чего служит особенно низкое содержание гетеротрофов в неглубоких скважинах.

Т а б л и ц а 1

Химические и микробиологические показатели состава подземных вод в районах углеводородного загрязнения

Показатели Значения показателей

Воды четвертичных отложений Воды палеозойских отложений

минимальное максимальное среднее минимальное максимальное среднее

Глубина отбора проб, м 3 19 7 42 57 51

Минерализация, г/л 0,2 1,4 0,8 4,8 9,2 6,3

рн 7,3 8,5 7,7 7,6 8,9 8,2

Окисляемость, мгО/л 0,8 9,0 4,2 1,3 24,0 6,5

Нефтепродукты, мг/л 0,03 39,7 14,9 1,2 7,9 3,2

Микрофлора, кл/мл гетеротрофы 50 774000 196693 46800 400000 127840

сапрофиты 12550 1105000 204262 1880 115000 35106

нефтеокисляющие 1044 110000 36469 43290 121200 74361

сульфатредуцирующие 10 1000 370 1 1000 277,8

денитрифицирующие 100 1000 400 10 1000 340

нитрифицирующие 10 50 33 20 2000 1504

углеводородокисляющие 5 122100 22428 255 11003 2844,7

Нефтеокисляющие бактерии, которые считаются основными деструкторами нефти и ее дериватов, составляют в микробных сообществах в среднем около 10%. Изучение их потенциальной способности к окислению сырой нефти выявило невысокую эффективность: в течение двух недель в условиях краткосрочного опыта бактериоценоз использует от 3 до 15% исходного количества нефти.

Углеводородокисляющие бактерии в бактериальном сообществе изученных вод составляют в среднем лишь около 5%, однако интенсивность развития пентан-, гексан- и толуолокисляющих бактерий достаточно высокая - в среднем около 300 усл. ед. Единично в изученных водах выявлены сульфатвосстанавливающие и денитрифицирующие анаэробные гетеротрофные микроорганизмы. Количество их в положительных пробах невелико, но они высокоактивны. В составе автотрофного компонента в воде четвертичного горизонта повсеместно присутствуют в небольшом количестве нитрифицирующие бактерии.

Корреляционный анализ показал высокую положительную взаимосвязь концентрации нефтепродуктов с количеством нефтеокисляющих бактерий и сапрофитов. Определяющим экологическим условием формирования бактериальных сообществ водоносного горизонта четвертичных отложений является нефть, в деградации которой принимают участие не только специализированные нефтеокисляющие группы бактерий, но и сапрофитная микрофлора. В условиях этого водоносного горизонта в аэробных условиях происходит окисление в основном легких фракций нефти, о чем говорит присутствие значительного количества активных форм пентан-, гексан- и толуолокисляющих бактерий.

В бактериальных сообществах водоносного горизонта палеозойских отложений сапрофитов во много раз меньше, чем в четвертичном водоносном горизонте. Здесь преобладают гетеротрофы - микроорганизмы,

адаптированные к низкому содержанию органических веществ. Индекс трофности меньше единицы, что характерно для активно идущих процессов деструкции азотсодержащего органического вещества. Нефтеокисляющие бактерии составляют от 45 до 55% от общего состава микрофлоры, что в полтора раза больше, чем в водоносном горизонте четвертичных отложений при их одинаковой способности к окислению сырой нефти. Характерно наличие средней отрицательной корреляционной связи между концентрацией нефтепродуктов и количеством нефтеокисляющих микробов и высокой положительной корреляционной связи между концентрацией нефтепродуктов и способностью этих микробов к окислению сырой нефти. Это свидетельствует о том, что в водах присутствует значительное количество микроорганизмов, не разрушающих нефть, но развивающихся в сообществах с нефтеразрушающими организмами, вероятно, за счет низкомолекулярных продуктов деградации нефти или других минорных органических соединений. Высокая корреляционная связь между минерализацией и количеством высокоактивных форм нефтеокисляющих бактерий позволяет считать их аборигенной микрофлорой минерализованных вод палеозойских отложений, образующих естественный механизм самоочищения геологической среды от нефти. Сопутствующая микрофлора является привнесенной, не адаптированной к конкретным условиям местообитания, ее основным лимитирующим фактором является высокая минерализация.

Углеводородокисляющие бактерии представлены в основном пентан- и гексанокисляющими бактериями, хотя толуолокисляющие бактерии выявлены в 80% изученных проб. Практически повсеместны активные формы сульфатвосстанавливающих бактерий, хотя и в небольшом количестве. Содержание денитрифицирующих бактерий также невысокое. Обращает на себя внимание присутствие большого количества аэробных

автотрофных нитрифицирующих бактерий, что может быть обусловлено наличием большого количества аммония и углекислоты. Нитрифицирующие бактерии присутствуют повсеместно, почти в 30 раз превышая их количество в водоносном горизонте четвертичных отложений. Анаэробная микрофлора в подземных водах палеозойских отложений присутствует в незначительном количестве. Очевидно, что основным лимитирующим фактором, ограничивающим развитие микрофлоры в водах горизонта палеозойских отложений, является высокая минерализация этих вод. Поэтому в деградации нефти участвуют микроорганизмы, приспособившиеся не только к высокой концентрации нефти, но и к повышенной минерализации.

Интересны результаты исследований, проведенных в районе Абаканской нефтебазы, где четвертичный водоносный горизонт залегает на глубине 3-8 м от поверхности в толще гравийно-галечниковых отложений, перекрытых желтовато-серыми суглинками. За более чем шестидесятилетний период эксплуатации нефтебазы локальные утечки при разгрузке, перекачке и хранении нефтепродуктов провели к масштабному загрязнению грунтов зоны аэрации и водоносного горизонта. Здесь на площади около 40 га выявлено три линзы нефтепродуктов, состоящих из смеси бензина (60-80%) и дизельного топлива (20-40%) с незначительной примесью масел. Общее количество заключенных в них нефтепродуктов составляет 2000-2500 м3. Параметры линз меняются в зависимости от положения уровня грунтовых вод. Наибольшую площадь (до 6-7 га) и мощность (до 0,8-1,0 м) линзы имеют при низком уровне грунтовых вод. При подъеме уровня на 0,8-1,0 м значительное количество нефтепродуктов «защемляется» в зоне аэрации, вследствие чего мощность линз и их площадные размеры уменьшаются в полтора - два раза. Под

линзами водоносный горизонт загрязнен нефтепродуктами на глубину не менее 4-5 м, причем содержание нефтепродуктов меняется от 10-15 мг/л на глубине 0,5 м до 0,3-0,7 мг/л на глубине 3,5-4,0 м.

В пробах воды, отобранных из скважин на территории нефтебазы, определялись общее количество микроорганизмов, а также физиологические группы бактерий, осуществляющих деструкцию легкорастворимых азотсодержащих органических веществ (сапрофиты), нефти и углеводородов различных классов. Результаты определений показали наличие всех исследуемых групп бактерий. Их дифференциация по площади подтверждает повсеместное комплексное загрязнение территории и одновременно свидетельствует о достаточно интенсивно идущих процессах деструкции органических веществ. Количество сапрофитов, обнаруженных во всех пробах, имеет приблизительно пятикратный разброс значений и колеблется от 8 до 42 тыс. клеток на 1 мл. Гораздо больший разброс - от 100 до 2290 кл./мл - имеют нефтеокисляющие бактерии, т.к. мы имеем дело как с относительно чистыми, так и с загрязненными нефтью водами. Обращает на себя внимание, что, несмотря на сравнительно небольшое количество, их жизнеспособность очень велика. Об этом свидетельствует интенсивный рост бактериальной биомассы при посевах на твердых питательных средах. Преобладающее распространение имеет активная микрофлора, окисляющая углеводороды различных классов, что естественно для водоносного горизонта, в котором присутствуют углеводороды различной сложности. Микроорганизмы обладают высокой потенциальной способностью к окислению широкого спектра углеводородов: от короткоцепочечных метанового ряда до ароматических. Общая биогенная активность девяти различных бактериальных групп нефтеокисляющих бактерий невелика (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

Характеристика микрофлоры подземных вод и почв района Абаканской нефтебазы

Объект исследований Сапрофиты, Кл./мл Нефтеокисляющие бактерии, Кл./мл Углеводородокисляющие бактерии

количество исследованных групп общая биогенная активность, усл. ед.

Вода - скв.905 13700 390 9 4260

Вода - скв.857 8000 100 9 3140

Вода - скв.881 42000 2290 9 2460

Почва 240000 340000 9 4500

Почва на территории нефтебазы в месте отбора содержит сравнительно небольшое количество как сапрофитных, так и нефтеокисляющих бактерий, что связано с недостатком необходимых компонентов биопитания. Известно, что сапрофиты - типичные показатели бытового загрязнения - при недостатке легко доступной азотсодержащей органики могут переходить на питание нефтепродуктами, усиливая способность природных субстратов к микробиологическому самоочищению. Кроме того, развиваясь в подпочвенных горизонтах, в местах углеводородных эманаций, микроорганизмы создают «бактериальный фильтр», меняя конфигурацию площадного распространения углеводородов [1-3].

Микрофлора почв очень активна. Это подтверждается краткосрочным экспериментом, поставленным нами с целью выявления способности почвы к самоочищению от нефти и ее дериватов. В процессе эксперимента иссле-

дуемую почву в количестве 15 г заливали 100 мл минерального стерильного питательного раствора, содержащего азот, фосфор, калий, магний, и добавляли 20 г нефти. Экспериментальный раствор инкубировали при 17 °С с минимальной аэрацией. В течение 6 дней микрофлорой почвы в элективных условиях среды было разрушено 12 г нефти. Результаты эксперимента и анализа распространения микроорганизмов говорят о том, что микрофлора почвы обладает высокой потенциальной активностью к окислению нефти и широкого спектра углеводородов: гексана, гептана, октана, нонана, декана, фенола, нафталина, бензола и толуола. Значительная эффективность окисления нефти и высокая интенсивность развития бактерий объясняются адаптацией микрофлоры к постоянным многолетним утечкам углеводородов.

Таким образом, как воды, так и почва содержат активную нефте- и углеводородокисляющую микрофло-

ру, которая при создании соответствующих условий (обеспечение биогенными элементами и аэрации) интенсивно развивается и может служить фактором защиты от проникновения нефти и ее продуктов в водоносный горизонт.

Опыт рекультивации загрязненных нефтью земель показал высокую эффективность их очистки при использовании бактериальных препаратов [3, 4]. В то же время известно, что препараты, хорошо зарекомендовавшие себя в определенной обстановке, не всегда дают высокий ожидаемый результат при использовании в других регионах. По нашему мнению, причиной этого являются конкретные почвенно-эдафические факторы района проведения работ, а также конкуренция со стороны аборигенной микрофлоры.

Предложенный ранее метод бактериальной рекультивации нефтезагрязненного грунта, основанный на использовании аборигенной микрофлоры [4], может быть применен в условиях республики. Здесь на основе выявленной природной микрофлоры возможно получение бактериального препарата, обладающего высокой конкурентной способностью и приспособленного для местных почвенно-экологических и климатических условий. Опытные образцы препарата в лабораторных условиях эффективно разрушают нефть при концентрации до 45-50 г/л и температуре окружающей среды от +5 до +35 °С. В течение 70 сут эффективность очистки, как правило, достигает 85% от исходного загрязнения. Препарат может быть использован как в жидком, так и в сухом виде. Для обработки 1 га поверхности почвы ориентировочно требуется 50 л раствора с плотностью бактериальных клеток 104 на 1 мл. Количество сухого препарата подсчитывается, исходя из концентрации бактерий в жидком состоянии.

Технология обработки территории определяется степенью ее загрязненности. На начальных стадиях загрязнения, когда степень его развития невелика, а загрязнению нефтепродуктами подвержен только почвенный слой, целесообразно использование простейших приемов - создание так называемого бактериального фильтра. Суть технического решения в этом случае заключается во внесении биопрепарата на дневную

поверхность загрязненной территории. В качестве носителя биопрепарата могут быть использованы природные вещества, в том числе местного происхождения (глинистые минералы, целлюлоза и др.). Возможна как ручная, так и механизированная обработка территории. Необходимая степень очистки территории может быть достигнута в течение одного летнего сезона при наличии достаточного количества бактериальной культуры. В этом случае препарат не только очищает загрязненные участки, но и выполняет профилактическую функцию по отношению к относительно чистым площадям.

При значительной степени загрязнения грунтов зоны аэрации и непосредственно подземных вод водоносных горизонтов микробиологические методы целесообразно использовать в комплексе с техническими мероприятиями, направленными на учет естественноприродного гидрогеодинамического режима подземных вод либо на создание условий, наиболее благоприятных для жизнедеятельности бактерий. В качестве вариантов таких мероприятий могут являться закачка препарата в зону сезонных колебаний уровней подземных вод, где при низком стоянии последних создается благоприятная аэробная обстановка, либо закачка в зону аэрации, искусственно созданную работой водопонизительных систем. В последнем случае откачиваемая вода после отделения нефтепродуктов и очистки микробиологическими методами может возвращаться в водоносный горизонт либо использоваться для технических нужд.

Естественно, что выбор вариантов, организация и проведение мероприятий, связанных с микробиологической рекультивацией водоносных горизонтов, загрязненных нефтепродуктами, в каждом конкретном случае требуют тщательной всесторонней проработки и предварительной постановки опытных работ. В целом же проведенные исследования дают основание полагать, что микробиологические методы в условиях Республики Хакасия могут быть широко использованы как для выявления, контроля и ликвидации существующего загрязнения подземных вод и почвы нефтепродуктами и нефтью, так и для предотвращения возможности его потенциального возникновения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Покровский Д.С., Дутова Е.М., Булатов А.А., Кузеванов К.И. Подземные воды Республики Хакасия и водоснабжение населения / Под ред. Д.С. По-

кровского. Томск: НТЛ, 2001. 300 с.

2. Нетрусов А.И., Бонч-Ослоповская Е.А., Горленко В.М. и др. Экология микроорганизмов / Под ред. А.И. Нетрусова. М.: Академия, 2004.

272 с.

3. Экологическая биотехнология / Пер. с англ.; Под ред. К.Ф. Форстера, Д. А. Дж. Вейза. Л.: Химия, 1990. 384 с.

4. Наливайко Н.Г., Назаров А.Д. Использование микроорганизмов для очистки нефтезагрязненных вод и почв в условиях Томской области //

Многоцелевые гидрогеохимические исследования в связи с поисками полезных ископаемых и охраной подземных вод. Томск, 1993. С. 116-120.

Статья поступила в редакцию журнала 13 ноября 2006 г., принята к печати 20 ноября 2006 г.