Эффективность применения криогеля в технологиях рекультивации почв и грунтов загрязненных углеводородами

УДК 631. 4

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КРИОГЕЛЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВ И ГРУНТОВ ЗАГРЯЗНЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДАМИ

©2015 А.И. Фахрутдинов, Т.Д. Ямпольская, О.В. Гарайзуева

Сургутский государственный университет

Поступила в редакцию 26.05.2015

Проведены лабораторные и полевые исследования эффективности применения криогеля в сочетании с углеводородокисляющими микроорганизмами (УОМ) для снижения в почвах и грунтах углеводородного загрязнения различного характера и концентрации. В лабораторном эксперименте получена эффективность деструкции при 15 % внесенной нефти более 80%. При этом отмечаются значимые значения корреляций (г = 0,80-0,95) с УОМ и отдельными ферментами. Полевые исследования подтвердили эффективность применения криогеля, эффективность до 90 % на фоне высокой активности УОМ и ферментов (г = 0,80-0,90), вне зависимости от уровня и характера углеводородного загрязнения.

Ключевые слова: криогель, нефть, углеводородное загрязнение, деструкция углеводородов, углеводоро-докисляющие микроорганизмы, почвенные ферменты

Систематическое увеличение добычи углеводородного сырья формирует необходимость обоснования создания и использования новых технологий, направленных на восстановление нарушенной окружающей среды. Основным элементом, наиболее подверженным загрязнениями различными углеводородами, являются почвы, в которых сконцентрировано наибольшее количество различного рода полютантов. Основной трудностью с которой сталкиваются в процессе рекультивации нефтезагрязненных почв, является необходимость проведения рекультивационных мероприятий в благоприятные погодные условия, т.е. при высокой температуре и оптимальной влажности. В условиях крайнего Севера данные условия окружающей среды длятся не более полутора -двух месяцев и накладываются, в основном, на летний период. Помимо этого существует трудность, связанная с разворачиванием рекультива-ционных мероприятий на удаленных и труднодоступных точках нашего округа. Поэтому ежегодно появляются новые подходы к проведению восстановительных работ. Они связаны с повышением активности различного рода микробных препаратов, созданием новых образцов техники и новых химических или синтетических компонентов, направленных на углубление и расширение процессов рекультивации нефтезагрязненных территорий. Одним из них являются использование криогеля. Криогель (КГ) - синтетическое соединение,

Фахрутдинов Айвар Инталович, кандидат биологических наук, доцент кафедры микробиологии. E-mail: fachrutdinov_a_i@mail. ru

Ямпольская Татьяна Даниловна, кандидат биологических наук, доцент. E-mail: yampolska0105@mail.ru Гарайзуева Ольга Викторовна, младший научный сотрудник. E-mail: olga-garajzueva@yandex.ru

основной задачей которого является стабилизация температурного и водного режимов почвы при изменении температуры и влажности в окружающей среде[].

Цель работы: определить эффективность использования криогеля в сочетании с углеводо-родокисляющими микроорганизмами при различных по концентрации и характеру углеводородных загрязнениях почв и грунтов.

Методы исследования. Для проведения исследований был заложен лабораторный эксперимент в 13 вариантах (табл. 1). Использованный грунт представляет собой смешанный образец горизонтов А и В дерново-подзолистой почвы, отобранной в Сургутском районе. Объем грунта 2 кг загружался в емкость, в которую вносились экспериментальные компоненты. Использовалась нефть товарная Западно-Сургутского месторождения. В исследовании использовался криогель Р, ТУ 2454011-03534067-2013, производитель: ИХН СО РАН, г. Томск. В качестве углеводородокисляющих микроорганизмов использовались выделенные из нефтезагрязненных почв микроорганизмы: Pseudomonas monteilli №1 ВКМ B2681D, Kocuria sp. ВКМ Ас-2606Б с титром 2,8 - 3,1 х 109 кл/мл. В работе определялась численность углеводородокисляю-щих микроорганизмов, уровень деструкции углеводородов, активность отдельных почвенных ферментов: дегидрогеназы и инвертазы. Исследования проводились общепринятыми методами

Таблица 1. Схема лабораторного эксперимента

Контроль Незагрязненная почва, 2 кг

Н5 5% нефть

Н5У5 5% нефть + 5% УОМ

Н5К5 5% нефть + 5% криогель

Н5К5У5 5% нефть + 5% УОМ + 5% криогель

Н10 5% нефть

Н10У10 10% нефть + 10% УОМ

Н10К10 10% нефть + 10% криогель

10% нефть + 10% УОМ + 10% крио-

Н10К10У10 гель

Н15 15% нефть

Н15У15 15% нефть + 15% УОМ

Н15К15 5% нефть+ 5% криогель

15% нефть + 15% УОМ + 15% крио-

Н15К15У15 гель

Анализ результатов лабораторного эксперимента показывает, что увеличение дозы углеводородного нефтяного загрязнения снижает ак-

тивность углеводородокисляющих микроорганизмов как аборигенных так и внесенных (рис. 1). Применение КГ позволяет активизировать работу почвенного микробоценоза с достижением оптимальных значений после заморозки лабораторных образцов, с достижением значений 100-140 млн. клеток на грамм почвы. При этом высокая численность УОМ способствует активной деструкции углеводородов, как до заморозки, так и после (рис. 2.). Это говорит о двойственном функционировании КГ: с одной стороны как стабилизатора состояния почвенной системы, а с другой - как биохранилища различного рода ферментов и микроорганизмов, как до заморозки, так и после.

Рис. 1. Численность УОМ в различных вариантах лабораторного эксперимента

100.00

Рис. 2. Динамика деструкции углеводородов в различных вариантах лабораторного эксперимента

Активность деструкции нефтяных углеводородов обеспечивается рядом ферментов, в частности, активность дегидрогеназы как фермента, работающего на длинных углеводородных цепях, наиболее ярко наблюдается при высоких дозах углеводородного загрязнения с применением максимальной дозы КГ с достижением значений в 5-8 раз выше контрольных (рис. 3). Подобная значимая динамика прослеживается при анализе активности инвертазы, где видно, что максимальные значения достигаются как до замораживания ла-

бораторных почвенных образцов, так и после него (рис.4).

В целом, проведение лабораторного эксперимента показало перспективность использования КГ как дополнительного компонента при рекультивации нефтезагрязненных территорий. Данная эффективность подтверждается широким спектром положительных корелляционных значений, представленных в табл. 2. Наибольшее внимание, на наш взгляд, привлекают значение корреляции при 15% нефтяном загрязнении при внесении 15% КГ на фоне использования УОМ.

Таблица 2. Корреляционные зависимости полученных результатов применения КГ в разных вариантах лабораторного эксперимента

Параметр % деструкции Дегидрогеназа Инвертаза

до после общая до после общая до после общая

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

контроль - - - -0,10 0,17 -0,23 -0,32 0,54 0,47

Н5 0,92 -0,78 0,04 0,30 0,83 0,43 0,82 -0,71 0,22

Н5У5 0,43 -0,92 0,34 0,64 0,91 0,66 0,94 -0,55 0,15

Н5К5 0,31 -0,98 0,32 0,91 0,58 0,85 0,12 0,69 0,33

Рис. 3. Динамика дегидрогеназной активности почвы в различных вариантах

лабораторного эксперимента

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Н5К5У5 0,04 -0,85 0,60 0,93 0,83 0,89 0,21 -0,53 -0,06

Н10 0,28 -0,36 0,44 0,78 0,78 0,76 -0,35 0,11 -0,09

Н10У10 0,68 -0,16 0,72 -0,13 0,06 -0,22 0,26 0,92 0,12

Н10К10 0,52 -0,53 0,49 0,29 0,36 -0,08 0,93 -0,55 0,72

Н10К10У10 0,96 -0,59 0,95 0,12 -0,92 -0,24 -0,77 0,68 0,23

Н15 -0,45 0,01 0,47 0,60 -0,48 0,21 0,90 0,06 0,34

Н15У15 0,10 -0,87 0,41 0,74 -0,08 0,44 0,63 0,95 0,68

Н15К15 0,93 -0,66 0,37 0,91 0,49 0,67 -0,05 -0,81 -0,09

Н15К15У15 0,56 -0,95 0,57 -0,24 0,68 0,73 -0,05 0,94 0,83

Для подтверждения эффективности были проведены полевые исследования на различных участках, имеющих разное по величине и характеру углеводородное загрязнение, а именно: свежее нефтяное загрязнение (32,2 г / 100 г почвы), шламовый амбар (24,3 г / 100 г почвы), газоконденсат-ные загрязнения (6,6 г /100 г почвы) и участок ур-банозема возле АЗС (1,6 г / 100 г почвы). Внесение крииогеля 5 л/м2, культуры УОМ - 3 л/м2, титром 2,0 - 3,0 х 109 кл/мл. Эффективность оценивалось в

период сентябрь-октябрь, май-июнь. Как видно из представленных графиков, наибольшие значения достигаются при применении УОМ с КГ, что подтверждает наше предположение о высокой протекторной активности криогеля (рис. 5). Эффективность УОМ подтверждается высокой деструкцией различных углеводородов (рис. 6). Как видно, в нефтяном загрязнении к концу эксперимента эффективность приближалось к 90%.

Рис. 4. Динамика инвертазной активности почвы в различных вариантах лабораторного эксперимента

сентябрь октябрь зима май июнь

сентябрь октябрь зима май июнь

сентябрь октябрь зима май июнь

Рис. 5. Численность УОМ на различных участках исследований

Рис. 6. Динамика деструкции углеводородов на различных участках исследований

Рис. 7. Дегидрогеназная активность почв на различных участках исследований

Как и в лабораторном эксперименте, проанализирована активность ряда ферментов: выявлена высокая активность дегидрогеназы, как до зимнего периода, так и после, что говорит о высокой поглотительной и накопительной способности внесенного КГ по отношению ферментам, т.е. он дублирует почвенную систему, создавая условия для сохранения функциональной активности различного фермента (рис. 7). Подобная динамика наблюдается при анализе активности инвертазы. При нефтяном загрязнении инвертазная активность достигает максимальных значений в

весенний период, при загрязнении газоконденсат-ным - в осенний, что говорит о возможности, как сохранения активности ферментов, так и их иммобилизации в необходимый нам период. Наиболее ровные и стабильные значения получены при использовании КГ на шламовом амбаре.

Эффективность применения криогеля при рекультивации почв с различного рода углеводородным загрязнением подтверждается высокими значениями корреляционных зависимостей, как до заморозки, так и после (табл. 3).

Рис. 8. Инвертазная активность почв на различных участках исследований

Таблица 3. Корреляционные зависимости полученных результатов применения КГ на различных участках полевых исследований

Параметр % деструкции Дегидрогеназа инвертаза

до после общая до после общая до после общая

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

нефть -0,83 0,93 0,01 0,83 0,99 0,57 0,81 0,58 0,13

нефть + УОМ -0,06 -0,99 0,31 0,74 -0,97 0,65 0,57 -0,81 0,63

нефть + КГ 0,35 0,69 0,42 0,75 0,61 0,82 0,48 -0,03 0,64

нефть + УОМ + КГ 0,63 -0,20 0,52 0,35 0,86 0,72 -0,08 0,65 0,56

шламовый амбар -0,83 0,22 0,06 0,62 0,94 0,14 0,89 0,95 0,26

шламовый амбар + УОМ -0,20 0,87 0,55 0,89 0,95 0,42 0,94 0,92 0,72

шламовый амбар + КГ -0,11 0,81 0,42 0,89 0,26 0,17 0,87 1,00 0,86

шламовый амбар + УОМ + КГ 0,82 0,96 0,70 0,60 0,83 0,71 0,13 0,81 0,52

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

газоконденсат -0,85 0,17 -0,61 0,86 0,96 0,55 0,90 0,95 0,69

газоконденсат + УОМ -0,41 0,94 -0,18 0,96 0,78 0,74 0,94 0,71 0,70

газоконденсат + КГ -0,20 -0,14 -0,31 0,93 -0,22 0,65 0,93 -0,44 0,67

газоконденсат + УОМ + КГ 0,29 0,96 0,49 0,78 0,99 0,71 0,84 0,95 0,57

урбанозем 0,28 -0,47 -0,83 0,96 0,90 0,36 0,99 0,86 0,52

урбанозем + УОМ -0,01 0,49 -0,24 0,56 0,51 0,45 0,51 0,48 0,65

урбанозем +КГ 0,25 0,93 0,20 0,71 0,93 0,59 0,53 0,70 0,70

урбанозем + УОМ + КГ 0,68 0,88 0,74 0,38 0,55 0,70 0,36 0,83 0,68

Выводы: представленные результаты впервые проведенных широкомасштабных лабораторных и полевых исследований по оценке возможности применения криогеля в качестве дополнительного компонента-криопротектора при разработке и внедрении технологий рекультивации почв и грунтов загрязненных углеводородами и оценке его эффективности выявило широкие перспективы его применения. Впервые за многолетнюю практику исследований получена эффективность деструкции остаточных углеводородов на уровне 8090%, при этом подтверждена ведущая микробиологическая составляющая в процессе снижения концентрации полютанта на фоне высокой ферментативной активности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Гарайзуева, О.В. Биологическая активность нефте-загрязненного грунта при использовании криогеля / О.В. Гарайзуева, А.И. Фахрутдинов, Т.Д. Ямпольская // Известия Самарского научного центра Россий-

ской академии наук. 2014. Том 16, №1(4).С. 10731079.

2. Алтунина, Л.К. Изменение свойств почвы под влиянием криогеля // Почвоведение. 2014. № 5. С. 563-570.

3. Филатов, Д.А. Методы защиты почв от дефляции, с применением криогелей и многолетних растений / Д.А. Филатов, Л.К. Алтунина, М.С. Фуфаева и др. // Экология и природопользование в Югре : мат-лы Всерос. науч.-практ. конф., посвящ. 15-летию кафедры экологии СурГУ (Сургут 24-25 октября 2014 г.). - Сургут. гос. ун-т ХМАО-Югры. - Сургут: ИЦ СурГУ, 2014. С. 52-54

4. Определение концентрации нефти в почве методом инфракрасной спектрофотометрии http://www.znaytovar.ru/gost/2/MUK_41195605_Opred elenie_konce.html МУК 4.1.1956-05

5. ПНД Ф 16.1;2.2.22-98 Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных, органоминеральных почвах

6. Хазиев, Ф.Г. Методы почвенной энзимологии. - М.: Наука, 2005. 252 с.

7. Звягинцев, Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии: Учебное пособие. - М., 1991. 304 с.

THE EFFICIENCY OF CRYOGEL USING IN TECHNOLOGIES OF RECULTIVATION THE SOILS, POLLUTED BY HYDROCARBONS

©2015 A.I. Fakhrutdinov, T.D. Yampolskaya, O. V. Garayzuyeva Surgut State University

Laboratory and field researches of efficiency of cryogel using in combination with hydrocarbon-oxidizing microorganisms (HOM) for decrease in soils the hydrocarbon pollution of various character and concentration are conducted. In laboratory experiment efficiency of destruction at 15% of the brought oil is received more than 80%. Thus significant values of correlations (r = 0,80-0,95) with HOM and separate enzymes are noted. Field researches confirmed efficiency of cryogel using, efficiency to 90% against high activity of HOM and enzymes (r = 0,80-0,90), regardless of level and nature of hydrocarbon pollution.

Key words: cryogel, oil, hydrocarbon pollution, destruction of hydrocarbons, hydrocarbon-oxidizing microorganisms, soil enzymes

Ayvar Fakhrutdinov, Candidate of Biology, Associate Professor at the Microbiology Department. E-mail: fachrutdinov_a_i@mail.ru

Tatiana Yampolskaya, Candidate of Biology, Associate Professor. E-mail: yampolska0105@mail.ru Olga Garayzuyeva, Minor Research Fellow. E-mail: olga-garajzueva@yandex. ru