СПОСОБ ОЧИСТКИ МОРСКИХ ПРИБРЕЖНЫХ ВОД ОТ ПЛЕНОЧНЫХ И ДИСПЕРГИРОВАННЫХ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ВОДЫ НЕФТЕПРОДУКТОВ
METHOD OF PURIFYING COASTAL WATER FROM FILM-TYPE AND DISPERSED PETROLEUM PRODUCTS IN WATER SURFACE LAYER

Изобретение относится к области инженерной экологии и касается способа очистки поверхностных вод в прибрежных районах моря, бухтах и других зонах возможного промышленного загрязнения нефтью и нефтепродуктами (НП) путем биологической обработки воды с использованием водорослей в сочетании с углеводородокисляющими (УВ-окисляющими) микроорганизмами.
Сущность изобретения сводится к разработке технологии очистки, включающей создание плантаций водорослей-макрофитов, заселенных микроорганизмами, способными разлагать углеводородные компоненты нефти и НП до безопасных для среды и бентоса веществ.
Необходимость разработки подобных способов диктуется тем, что прибрежные воды России все чаще становятся местом добычи, перегрузки, переработки, а также транспортировки газоконденсата, нефти и НП. Это ведет к усилению загрязнения прибрежных акваторий - зон размножения многих видов рыб, беспозвоночных, водорослей, планктона и птиц, подвергающихся воздействию соответствующих загрязнителей.
Особый интерес представляют моря арктического шельфа. Основными источниками загрязнения здесь являются морской транспорт, вынос углеводородов реками, эксплуатация морских буровых платформ, адсорбирование углеводородов водной поверхностью и льдами из атмосферы, причем, самоочищение арктических морей от углеводородов происходит в 10-15 раз медленнее, чем морей средних широт [1].
Анализ современных уровней загрязнения вод в прибрежной зоне российского сектора Арктики [2] показал, что во многих районах содержание нефтяных углеводородов в воде соответствует установленной существующими нормативами предельно допустимой концентрации (ПДК). Это свидетельствует о том, что процессы естественного очищения от подобных загрязнений за период наблюдения оказывались эффективнее процессов их накопления. Эти данные касаются, в основном, участков с интенсивным водообменом.
Разработка и внедрение предлагаемой технологии рекомендуются для различных климатических зон, но для северных регионов, где период естественного разложения поверхностных НП в силу природных условий существенно короче, это наиболее актуально. Угроза повышения загрязнения прибрежных акваторий существует, например, в Баренцевом море, где планируется не только разработка Штокмановского газоконденсатного месторождения, но и строительство на побережье Кольского полуострова завода по переработке газоконденсата и мощных перегрузочных топливных комплексов. Аналогичная опасность угрожает в настоящее время наиболее чистым и плодородным водам Охотского моря у побережья Западной Камчатки, где планируется проведение разведочного бурения на нефть и газ. Опыт проведения таких работ у восточного побережья о.Сахалин показывает, что в результате воздействия загрязнений, связанных с обустройством и эксплуатацией скважин, серьезно пострадали места обитания краба, гребешка и морского ежа. Детально вопросы воздействия морской добычи углеводородов на биоту рассмотрены в работе [3].
Обобщение результатов наблюдений и экспериментов, выполненных разными исследователями, позволяет приближенно оценить вклад отдельных факторов в процессы самоочищения следующим образом: испарение - 50-60%, окисление - 15-35%, биодеструкция - 10-20%. При этом надо иметь в виду, что зимой эффективность самоочищения снижается по сравнению с летом примерно в 3 раза. Происходит это в основном за счет снижения интенсивности первых двух факторов.
Однако надеяться на процессы природного самоочищения нельзя, так как любая природная система выдерживает только определенный уровень внешних нагрузок, включая и антропогенное загрязнение углеводородами. Завышение предела нагрузки на среду в случае, например, крупномасштабного разлива нефти в результате аварии танкера или трубопровода, может вывести природную систему целого региона из состояния равновесия и привести к тяжелым экологическим последствиям. Не менее опасным оказывается и постоянное поступление НП в бухты, на акваториях которых размещаются порты и причалы судостроительных, судоремонтных и судоразделочных предприятий. Из-за постоянных технологических утечек НП эффекты воздействия углеводородов, а также сопутствующих им примесей на биоту в таких бухтах усиливаются, приводя без специальных мер очистки к ее полной деградации.
В северных широтах низкие температуры, частые штормы и сезонный ледовый режим существенно ограничивают применение традиционных методов борьбы с загрязнениями нефтью и НП, таких как механический сбор, выжигание и пр. Применение же химических реагентов здесь способствует деградации природных систем сильнее, чем в теплых морях. Перспективным направлением борьбы с нефтяными загрязнениями прибрежных вод является использование биотехнологий, позволяющих увеличить вклад биодеструкции в процессы очистки акваторий, тем более, что последняя в зимний период по производительности самоочищения становится соизмеримой с испарением.
Изучение патентной литературы позволило выделить три основных направления в разработках биотехнологических способов борьбы с нефтезагрязнениями: сорбционные, микробиологические и прямую стимуляцию естественных реакций самоочищения. В настоящее время в практике работ по очистке вод наибольшая эффективность достигается путем одновременного использования сорбционного и микробиологического способов. Этот комбинированный способ и называется биосорбционным. Сорбент (порошкообразный, вспененный, гранулированный, волокнистый и т.п.) здесь играет роль подложки-носителя микроорганизмов и должен иметь развитую поверхность. Если в процессе чисто микробиологической очистки воды неокисляемые компоненты НП практически не удаляются, то сочетание с сорбцией дает возможность значительно повысить общую степень очистки.
В качестве аналога предлагаемого изобретения можно рассматривать, например, применение биосорбента, полученного способом, изложенным в заявке РФ на изобретение [4]. Способ включает смешивание пористого термически обработанного алюмосиликата в качестве носителя с питательной водной средой и УВ-окисляющими микроорганизмами. К недостаткам способа относится сравнительно непродолжительная «жизнь» сорбента в процессе хранения, требующая его периодической замены.
Более эффективны составы, содержащие адсорбированные на пористом носителе препараты лиофильно высушенных культур автохтонных микроорганизмов, потребляющих определенные углеводороды. В этом плане в качестве другого аналога можно рассматривать патент РФ [5]. Здесь биосорбент содержит вещество-носитель, вещество-фактор роста микроорганизмов и биомассу углеводородокисляющих микроорганизмов. Основным компонентом вещества-носителя является композиция из Са-альгинатного геля и н-алканов (С14-С16). Состав биосорбента обеспечивает увеличение плотности микроорганизмов непосредственно в зоне носителя, прилегающей к границе раздела фаз НП и очищаемой среды. Биосорбент наносят на загрязненный участок, под действием воды он активируется, а микроорганизмы включаются в переработку углеводородов.
Так же как и в предыдущем способе, такой биопрепарат, не будучи ограничен от распространения по поверхности воды под воздействием ветровых и приливных течений, покидает обрабатываемую акваторию, что снижает эффективность очистки и приводит к значительному увеличению потребности в препаратах. Это же свойственно и чисто микробиологическим методам, которые, однако, эффективны для очистки вод в закрытых резервуарах, например трюмах нефтеналивных судов или цистерн для перевозки тяжелых фракций нефти.
Реализовать перечисленные способы можно, используя не только отдельные виды микроорганизмов, но и их суперштаммы, см., например, патент РФ на изобретение [6], обладающие способностью окислять широкий класс углеводородов и сопутствующих соединений. Для ускорения этих процессов на водной поверхности в пятнах загрязнителей предлагается использовать микроорганизмы в сочетании с поверхностно-активными веществами, обеспечивающими предварительное диспергирование загрязнений. Один из недостатков подобных суперштаммов - вероятность вступления в конфликт с природными ассоциациями микроорганизмов [7].
Для обеспечения длительного хранения в гранулах биосорбентов бактерии чаще всего находятся в состоянии анабиоза в виде лиофильно или термически высушенных субстанций, активирующихся при попадании гранул в морскую воду, но начинают «работать» они только при контакте с нефтью и НП. Попав не в морскую воду, а непосредственно в толщу углеводородного пятна, часть гранул обволакиваются веществами, противодействующими попаданию воды в их поры, что, в свою очередь, препятствует активации бактерий и снижает эффективность применения соответствующих препаратов. Кроме того, необходимо учитывать высокую стоимость получения и хранения культур микроорганизмов и сорбентов.
К аналогам предлагаемого решения могут быть условно отнесены и более традиционные способы, например, с использованием боновых заграждений, см. работу [1]. Описанные в этой монографии устройства позволяют при хорошей погоде (волнение моря менее 2 баллов) на продолжительное время задерживать распространение поверхностных выбросов НП и достаточно эффективно собирать их с помощью специальных судов-сборщиков, но только при условии, что толщина пятна не превышает осадки бонов. Таким образом, боновые заграждения способны перекрыть распространение загрязнений лишь в сравнительно тонком слое поверхностных вод, не препятствуя в случае значительного волнения загрязнителю переливаться через боны или просачиваться под ними. При этом диспергированный под воздействием ветра и волновых процессов загрязнитель переносится в толщу вод.
Задачи, решаемые настоящим изобретением, заключаются в расширении функциональных возможностей системы очистки за счет объединения обоих направлений борьбы с пленочными загрязнениями поверхностных вод нефтью и НП, а также устранении изложенных выше недостатков аналогов и увеличении срока действия системы за счет использования в качестве сорбирующей среды симбиотической ассоциации «водоросли-макрофиты - УВ-окисляющие микроорганизмы». Кроме того, используемые макрофиты обеспечивают частичное поглощение углеводородов путем включения их в процессы метаболизма самих водорослей, а также и попутное частичное поглощение из морской воды ряда присутствующих в ней токсичных металлов (ТМ) [8], что особенно важно для районов промстоков упоминавшихся выше предприятий.
Сущность изобретения состоит в том, что указанная симбиотическая ассоциация формируется в виде двухуровнего плавучего биофильтра, точнее санитарной водорослевой плантации (СВП), исполняющей роль биофильтра, каждый из уровней которого заселен своим видом водорослей-макрофитов. Верхний уровень занимает поверхностный слой толщиной примерно 0,3 м, обеспечивающий аккумуляцию, частичную ассимиляцию размещенными в нем водорослями пленки углеводородного загрязнителя и его окислительную деструкцию за счет населяющих пограничный слой у поверхностей водорослей микроорганизмов. На нижнем уровне располагается слой водорослей, способный занимать толщу вод до глубин 20-25 м и обеспечивающий окислительную деструкцию диспергированного в воде загрязнителя микроорганизмами и сорбционную очистку вод от ТМ.
Техническим результатом изобретения является очистка поверхностных вод от рассредоточенных по морской поверхности и в приповерхностных водах углеводородных загрязнений путем преобразования их в неопасные для морской биоты продукты. СВП может обеспечить в течение 2-3 недель снижение уровня загрязнения УВ-окисляемыми компонентами НП от 10-20 ПДК до нормальной величины ПДК (0,05 мг/л). Кроме того, опыт авторов показывает, что при правильной эксплуатации срок службы СВП за счет происходящих в ее модулях процессов естественного развития и восстановления ассоциации водорослей и УВ-окисляющих микроорганизмов может достигать 6-8 лет.
Полученный результат достигается путем совместного использования свойств плавучей СВП, служащей преградой распространению пленки загрязнителя под воздействием течений и среды, удаляющей и окисляющей углеводороды. Это осуществляется за счет частичного включения углеводородов НП в процессы метаболизма ряда водорослей, а также их микробиологической деструкции путем создания условий для обеспечения жизнедеятельности в объеме плантации ассоциации «водоросли - УВ-окисляющие микроорганизмы». Особый интерес к деструкции УВ связан с тем, что они доминируют среди прочих компонентов различных сортов нефти, а их доля варьирует от 50 до 98%.
В объеме СВП создается развитая активная поверхность из талломов водорослей - концентратор микроорганизмов, происходит выделение в среду продуцируемого водорослями кислорода и ряда метаболитов, необходимых для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов, а также снижение скорости движения водных масс, препятствующее вымыванию углеводородов и микроорганизмов за пределы СВП. Эффективность использования описанного подхода подтверждается результатами работы [9], где показано увеличение УВ-окисляющей активности микроорганизмов при симбиозе с растениями на 20% по сравнению с их нахождением в свободном состоянии в морской воде. Дополнительным свойством такой СВП, как уже отмечалось выше, является способность ряда водорослей сорбировать присутствующие в морской воде катионы ТМ.
Принципиальное отличие способов с использованием СВП и с использованием минеральных сорбентов, гранулы которых заселены бактериями-деструкторами, состоит в возможности наращивания в процессе естественного роста водорослей эффективности работы плантации. Эффективность же основного аналога падает по мере уменьшения сорбционной емкости насыщенного загрязнителями минерального сорбента, поддерживаемой только за счет добавления новых гранул. Плантация-биофильтр является самовоспроизводящейся системой благодаря способности ассоциации водорослей и УВ-окисляющих микроорганизмов к развитию даже в суровых условиях приполярных морей.
Для заселения приповерхностного уровня СВП предлагается использовать фукусовые водоросли, распространение определенных представителей которых соответствует региону ее установки. Выбор вида диктуется его способностью обитать на морской поверхности, выдерживая воздействие ультрафиолета, распреснение вод, отрицательные температуры в зимний период, воздействие волн и течений. Виды фукусовых, соответствующих задаче, решаемой предлагаемым изобретением, с указанием ареалов и глубин распространения см. в табл.1.
Для заселения нижнего уровня плантации предлагается использовать ламинариевые водоросли (см. табл.2). Исключение составляет Азово-Черноморский бассейн, где нет ламинариевых, но заменить их можно глубоководным представителем фукусовых С.barbata.
Использование ламинариевых в толще морской воды позволяет в дополнение к созданию достаточно большого объема, заселенного с помощью водорослей микроорганизмами-деструкторами НП, обеспечить еще и очистку воды от целого ряда загрязнителей, попадающих в прибрежные воды вследствие некачественной очистки производственных стоков. Показана способность накопления ТМ, в том числе радионуклидов, бурыми водорослями в сотни и тысячи раз больше по сравнению с их концентрацией в окружающей среде [8].
Важным моментом является выращивание водорослей на двух горизонтах, позволяющее локализовать и нейтрализовать поверхностное загрязнение за счет фукусовых водорослей приповерхностного уровня, выдерживающих более высокие концентрации углеводородов. За счет же ламинариевых водорослей подповерхностного уровня происходит обогащение объема СВП кислородом, а также нейтрализация эмульгированной и растворенной в морской воде части НП и следов ТМ.
Предлагаемый способ реализуется в несколько этапов. Примеры конкретного исполнения отличаются в зависимости от имеющихся видов морской флоры, характерной микрофауны и климатических условий.
Вариант 1 (баренцевоморский)
Подготовительный период. Прежде всего, производится изучение района предполагаемой установки будущей СВП. При этом оцениваются географические, гидрофизические и гидрохимические характеристики, включая рельеф дна, скорости и направления преимущественных течений, определяются потенциальные направления поступления поверхностных загрязнений, оценивается характер и интенсивность общего загрязнения бухты для проведения предварительной очистки акватории от нежелательных плавучих объектов. В случае необходимости, проводится очистка. Для выявления и удаления представляющих опасность для СВП затонувших объектов производятся водолазное обследование дна и устранение помех.
Затем берутся пробы воды для определения фонового содержания нефтяных углеводородов и, в случае необходимости, ТМ, включая радионуклиды. Выполняются необходимые гидродинамические расчеты для определения конфигурации СВП, массы и расположения гравитационных якорей, длины крепежных тросов, длины и диаметра заготовок будущих элементов силового контура (основания) плантации для последующего крепления к ним канатов меньшего диаметра, выполняющих для водорослей роль субстрата.
Параллельно производятся заготовка и разделка отрезков канатов требуемого диаметра и установка на них элементов для крепления. Для выращивания фукуса нарезаются модули из полимерного каната диаметром 10-20 мм, длиной не менее 20 м (субстраты), а для выращивания ламинарии - канаты диаметром 10 мм длиной, например, 3-6 м (поводцы). В случае необходимости, заготовки поводцов для выращивания ламинарии предварительно стерилизуются в растворе, например, NaClO, после чего они на 10-12 ч замачиваются в пресной воде.
Способ заселения поводцов выбирается в зависимости от требуемых сроков установки СВП. Поводцы либо оспориваются, для чего их укладывают в ванны для посева спор и заливают заранее подготовленной суспензией спор ламинарии требуемой концентрации, либо засаживаются путем вплетения молодых спорофитов в толщу канатов. Время выдержки субстрата в посадочных ваннах, необходимое для оседания и закрепления спор на субстрате, составляет 24 часа [14]. В процессе выдержки субстрата в посадочных ваннах ведется контроль за ходом посева, о качестве которого судят по остаточной концентрации спор в растворе. Оспоривание поводцов менее трудозатратно по сравнению с вплетением спорофитов, однако после оспоривания в августе-сентябре водоросли в Баренцевом море начнут функционировать в ассоциации только в мае-июне (после прорастания спор и развития спорофитов).
Отбор в природе (на нижнем горизонте литорали) растений ламинарии (молодые спорофиты L. saccharina длиной 10-20 см) и вплетение отобранных растений в заранее подготовленные поводцы производят группами по 3 растения через каждые 5-10 см. Для ускоренного заселения ламинарии микроорганизмами их на сутки помещают в емкости с морской водой, обогащенной природной композицией из культур УВ-окисляющих бактерий в комплексе с другими микроорганизмами-деструкторами НП и питательными веществами.
Для подготовки этой композиции заранее производится культивация соответствующих микроорганизмов. Для Кольского залива Баренцева моря такая композиция может включать, например, представителей дрожжеподобных грибов рода Candida sp., а также бактериальной микрофлоры - Pseudomonas sp., Corynebacterium sp., Brevibacterium sp., Nocardia sp., Arthrobacter sp., Streptomyces sp., Acremonium sp., являющихся сложившимися компонентами сообщества морских микроорганизмов прибрежья Баренцева моря, независимо от уровня их загрязнения НП [9].
При посадке фукусовых растения заранее отбираются на литорали, а вплетение производится в подготовленные субстраты группами по три-четыре растения через 5 см. Затем, так же, как и в случае ламинариевых, засаженные субстраты помещаются в емкости с морской водой, обогащенной описанной выше композицией микроорганизмов. Подготовленные модули в тех же емкостях доставляются к месту установки СВП.
Первый этап монтажа. В расчетных точках дна заданного района очищаемой бухты производится установка гравитационных якорей с прикрепленными к ним с помощью стальных тросов или полимерных канатов силовых буев для удержания плавучего силового основания СВП из полимерных канатов диаметром 30-40 мм, используемого в качестве каркаса для последующего крепления модулей-субстратов в приповерхностном слое воды.
Второй этап монтажа. К растянутым на якорях силовым канатам с помощью крепежных элементов присоединяются горизонтальные модули-субстраты приповерхностного слоя, засаженные фукусовыми водорослями. К ним присоединяются поплавки для удержания поводцов.
Третий этап монтажа. Производится установка вертикальных поводцов, несущих на себе спорофиты ламинариевых. Одним концом поводцы крепятся к горизонтальным канатам, а к их свободным концам прикрепляются грузы, обеспечивающие вертикальное положение поводцов в толще воды. После этого производится окончательное натяжение силовых тросов, обеспечивающее требуемую конфигурацию СВП и ее ориентацию относительно характерного направления поступления загрязнений.
Обслуживание СВП. В процессе эксплуатации на ранних сроках периодически ведется наблюдение за ростом водорослей, за состоянием конструкции и искусственным симбиотическим биоценозом, осуществляется в случае необходимости замена разрушившихся рабочих модулей, а также прореживание или дополнение рассады.
После выхода СВП на рабочий режим периодически производится проверка состояния силового каркаса, целостности водорослевого покрова, добавление в случае необходимости новых рабочих модулей. Периодически ведется отбор проб воды в пределах СВП и на подходах к ней, а также водорослей для проведения лабораторных исследований с целью определения фильтрующих свойств СВП.
В случае необходимости, плантация может наращиваться новыми модулями, могут также вноситься изменения в ее конфигурацию.
Вариант 2 (черноморский)
Отличается от варианта 1 тем, что в процессе подготовительного периода:
1) оба вида рабочих модулей подготавливаются вплетением заранее отобранных растений, причем для посадки на канаты приповерхностного слоя используется представитель фукусовых вида Cystoseira crinita, а для посадки на вертикальные поводцы - более тенеустойчивый вид С.barbata.
2) предварительное ускорение заселения модулей микроорганизмами не производится в связи с тем, что при достаточно высоких температурах воды оно происходит достаточно быстро естественным образом и начинается сразу после погружения засаженными водорослями модулей в воду.
Этапы монтажа и обслуживания остаются такими же, как в варианте 1.
Вариант 3 (япономорский)
Отличается от варианта 1 видами используемых водорослей (см. табл.1, 3) и возможностью не прибегать к искусственному обсеменению микрорганимами аналогично варианту 2. В случае образования в районе расположения СВП ледового покрытия необходимо предусмотреть возможность заглубления плантации во избежание перетирания канатов льдом.
Вариант 4 (авачинский)
Аналогичен варианту 3.
Результаты изучения работы экспериментальной СВП
Предлагаемый способ изначально разрабатывался для тонкой («финишной») очистки поверхностных вод, начинающейся, как правило, после окончания сбора основной массы оказавшихся на поверхности моря нефти и НП известными механическими способами, а также постоянной профилактической очистки акватории вблизи источников загрязнения. Однако опыт изучения экспериментальной СВП, установленной в одной из бухт Кольского залива, показывает, что плантация выдерживает и достаточно серьезные залповые выбросы НП. Так, при аварийном разливе НП, когда практически вся поверхность воды в губе, где стоит СВП, была покрыта пленкой, а содержание НП превышало 100 мг/л, фукусовые водоросли оказались функционально активными. Более того, в связи с тем, что загрязнение от источника поступало в губу длительное время (около 15 дней), они, задерживая и аккумулируя НП, все это время подвергались постоянному воздействию их высоких концентраций. Массовая доля НП в водорослях достигала 6 г/кг (сухой вес). Однако и в этом случае они сохраняли функциональную активность, хотя и на меньшем уровне (ниже на 30-40%), чем в чистой воде. Для баренцевоморского варианта СВП в зонах повышенной интенсивности движения водных масс оказалось предпочтительным использовать вид L. digitata, лучше переносящий воздействие турбулентных течений.
Пилотная СВП, построенная и действующая по описанному принципу, проработала более 18 месяцев в достаточно суровых условиях, выдержала несколько штормов и подтвердила эффекты локализации и нейтрализации углеводородных загрязнений. Указанный срок - не предел существования несущей конструкции.
Параллельно проводившийся эксперимент в Дальнезеленецкой бухте Баренцева моря показал возможность использования подобных СВП в качестве защитных заграждений для хозяйств марикультуры, что особенно важно в связи с развитием в прибрежье Баренцева моря садкового подращивания крабов и ихтиофауны.
Анализ технических результатов использования предлагаемого изобретения
Исследования, подтверждающие эффективность СВП, проводились, в основном, in vitro на лабораторной базе ММБИ КНЦ РАН, МГУ им. М.В.Ломоносова и ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. Результаты экспериментов отражают таблицы 3-7, в таблицу 8 сведены итоговые данные, позволяющие судить о преимуществах предложенного способа.
Образцы фукусовых водорослей для подтверждения их способности усваивать (включать в процессы метаболизма) углеводородные фракции НП были собраны с упомянутой СВП, установленной в одной из загрязненных производственными отходами бухт Кольского залива Баренцева моря. Контрольные образцы брались в чистых от НП водах этой же бухты. Затем все образцы были переданы на исследование в сектор хроматографии и хромато-масспектроскопии ВНИИМ. Результаты анализа приведены в табл.3.
Таблица 3Ассимиляция углеводородных фракций нефтепродуктов двухлетними образцами водорослей F. vesiculosus
№№ п/п
Место к дата взятия пробы
Содержание нефтепродуктов на поверхности и в тканях водорослей СВП
Суммарная массовая доля, мг/кг
Удалено с поверхности водорослей, мг/кг
Выделено из тканей НП, мг/кг
1
2
3
4
5
1
Проба №1. Чистый район (губа Ярнышная, 24.06.08),
Следы
0
<50
2
Проба №2. Загрязненный район (порт, г.Мурманск, сутки после взятия 25.06.08)
6956
3228
3718
3
Проба №2 через 7 суток хранения (02.07.08)
1084
832
252
4
Проба №2 через 14 суток хранения (09.07.08)
807
25
782
*В процессе эксперимента водоросли выдерживались в охлаждаемой камере при температуре 6°С и влажности 98%.
По результатам эксперимента можно сделать вывод о нелинейном характере снижения общего количества углеводородов, находящихся на поверхности фукусовых водорослей. При этом скорость ассимиляции и переработки углеводородов фукусовыми падает по мере снижения общей массы поверхностного загрязнения талломов водорослей, с одной стороны, и по мере насыщения их тканей продуктами переработки, с другой. Приведенные данные подтверждают факт усвоения фукусовыми углеводородов нефти и, следовательно, возможность использования последних для переработки поверхностных пленок НП.
Эти данные позволяют проводить предварительные расчеты скорости усвоения фукусом НП, что важно для оценки параметров СВП. Следует обратить особое внимание на изменение определяемых НП в тканях фукуса (колонка 5). За первые 7 суток выдержки в условиях термокамеры преобразовано 3466 мг/кг НП при средней скорости преобразования 495 мг/кг/сутки. Для последующей недели хранения отмечается значительное снижение скорости преобразования, так как переработано было всего 252 мг/кг НП при средней скорости 36 мг/кг/сутки.
Такое снижение скорости переработки в лабораторных условиях не означает, что СВП в целом прекращает процесс усвоения НП. Дело в том, что в природе за 14 суток поток через СВП только по причине возникновения приливно-отливных течений не менее 28 раз изменял направление движения (со свойственным для Кольского побережья свойственны полусуточные приливы). При этом нефтяное пятно то откатывалось от СВП, то вновь накрывало ее. Более того, та часть НП, которая до этого была «в тылу» СВП, имела возможность вернуться и осесть на фукус в тыловой части. Таким образом, за счет реверсивных процессов обтекания СВП в поверхностных модулях происходит перераспределение НП и усиливаются процессы усвоения НП в ранее менее загрязненных зонах.
Характер взаимодействия СВП с водной средой целиком зависит от погодных условий, накладывающихся на стационарные явления, каковыми являются приливные течения. В табл.4 приведены данные изменения скорости движения водных масс внутри СВП, полученные в межприливный период, когда течение в бухте формировалось под действием сравнительно слабого ветрового нагона при волнении моря не более 1 балла. Для измерения гидродинамической активности внутри СВП использовали метод гипсовых структур (растворение в потоке гипсовых шаров диаметром 31 мм).
Таблица 4Пример изменения скорости течения в зависимости от глубины и удаления от входного сечения СВП
Участки СВП
Глубина установки датчиков, м
Расстояние от входного сечения СВП до места установки датчика скорости (м) и скорость потока (см/с)
0
5
10
15
1
2
3
4
5
6
Прибрежный(внутренний)
0,2
32,5
27,5
26,6
16,1
3,0
19,5
19,6
15,0
13,0
7,0
14,5
22,8
14,7
9,2
10,0
14,3
17,3
-
-
Удаленный
0,2
58,5
23,8
28,3
12,2
от берега
3,0
52,3
17,6
20,2
9,3
(внешний)
7,0
45,2
14,8
22,2
10,5
10,0
38,8
14,9
→ направление основного переноса загрязнений на момент проведения съемки
Направление течения в районе установки СВП не является постоянным, что связано с изменением приливной и ветровой составляющих, векторы которых обычно разнонаправлены. В случае усиления ветра и увеличения волнения на фоне прилива одномерный характер взаимодействия среды с СВП сменяется на более сложный. В результате появляются восходящие потоки, изменяется направление движения вод с глубиной, усиливается нагрузка на водоросли, возникает турбулентность, в результате которой талломы не просто отклоняются по течению, но включаются в колебательные процессы с горизонтальной и вертикальной составляющими. Все это усиливает перенос углеводородных загрязнений и выравнивает их перераспределение по всему объему СВП.
Прочие исследования проводились в лабораторных условия, при этом изучались заселенность фукуса и ламинарии УВ-окисляющими микроорганизмами (табл.5), их окисляющая способность (табл.6), интегральные показатели очистки морской воды от НП фукусовыми водорослями (табл.7).
Результаты, приведенные в табл.5, позволяют оценить относительную роль фукуса и ламинарии в процессах окисления НП эпифитными УВ-окисляющими микроорганизмами, сосредоточенными на поверхностях талломов.
Таблица 5Заселенность фукуса и ламинарии УВ-окисляющими микроорганизмами в характерных точках акватории порта Мурманска (Кольский залив)
Объект исследования
ММС (УВ-окисляющие бактерии)
Среда Зобелла (сапротрофные бактерии)
рост
НВЗ, кл/мл
НВЗ, кл/см<sup>2</sup>
рост
НВЗ, кл/мл
НВЗ, кл/см<sup>2</sup>
1
2
3
4
5
6
7
ВГ вода (загрязненная вода от причала)
10<sup>1</sup>10<sup>1</sup>
50
10<sup>2</sup>10<sup>3</sup>
1200
ВЧ вода (чистая вода, взятая из чистого места у берега)
10<sup>2</sup>10<sup>1</sup>
120
10<sup>2</sup>10<sup>3</sup>
1200
ФЧ-2р (фукус из чистого места, 2 повторности)
10<sup>1</sup>10<sup>1</sup>
125
10<sup>3</sup>10<sup>2</sup>
2987
ФГ-1p (грязный фукус от причала, 1 повторность)
10<sup>3</sup>10<sup>2</sup>
1728
10<sup>4</sup>10<sup>4</sup>
71984
ЛЧ-1р (чистая ламинария от бочки, 1 повторность)
10<sup>2</sup>10<sup>1</sup>
150
10<sup>3</sup>10<sup>3</sup>
313
ЛГ-1р (загрязненная ламинария от причала, 1 повторность)
10<sup>1</sup>10<sup>2</sup>
150
10<sup>3</sup>10<sup>2</sup>
1500
Примечания: ММС - морская минеральная среда, НВЗ-наиболее вероятное значение;в дальнейших расчетах используются данные столбца 4.
2
2
2
Выявлено, что число клеток бактерий на поверхности таллома ламинарии может достигать 6250 кл/см, в том числе углеводородокисляющих 150 кл/см. С учетом средней площади пластины двухлетней ламинарии на Баренцевом море 3600 см, общее количество бактерий на двухсторонней пластине достигает 22500000 кл, в том числе УВ-окисляющих 540000 кл. Соотношения между количеством УВ-окисляющими микроорганизмов на талломах фукуса и ламинарии отличаются примерно в 11 раз в пользу фукуса.
Сравнительные исследования продемонстрировали превышение данных показателей более чем в четыре раза у ламинарий из загрязненных мест обитания по сравнению с ламинариями из чистых мест. Надо отметить, что в реальных условиях большее количество таких микроорганизмов сосредоточено не на поверхности пластины, а в ее пограничном слое, составляющем в зависимости от ее размеров и скорости обтекания потоком воды от нескольких миллиметров до 2 см.
Результаты, приведенные в табл.6, позволяют оценить окисляющую способность УВ-окисляющих микроорганизмов как на фукусе, так и на ламинарии. Вероятно, что в реальных системах эти показатели для фукуса и ламинарии отличаются.
Следующим этапом эксперимента было определение окисляющей способности эпифитных УВ-окисляющих микроорганизмов, субстратом для которых являются талломы водорослей. Эксперимент включал обработку талломов фукуса ультразвуком для десорбции бактерий. Талломы массой 1,78-1,90 г обмывали стерильным 3% раствором хлористого натрия, помещали в стерильный стеклянный стакан на 100 мл, содержащий 50 мл стерильной минеральной среды ММС и подвергали ультразвуковой обработке. Затем очищенный фукус удаляли из стакана, а его содержимое переливали в качалочный стакан объемом 0,5 л, содержащий 150 мл среды ММС, куда затем вносился 1 мл (0,76 г) стерильного дизельного топлива (ДТ), имитировавшего НП.
Колбы помещали на качалку и инкубировали при температуре 20°С в течение 3 недель, после чего экстрагировали остаточное ДТ четыреххлористым углеродом, отстаивали в течение суток, сливали нижний слой экстрагента и анализировали на спектрофотометре. Результаты анализа приведены в табл.6.
Таблица 6Лабораторные исследования окисляющей способности УВ-окисляющих микроорганизмов
№№ п/п
Образец
Масса образца фукуса, г
Остаток ДТ в стакане, мг/л
Потребление ДТ, %
Примечание
1
2
3
4
5
6
1
Фукус чистый
1,80
4000
40,0
2
Фукус чистый
1,78
3800
42,0
3
Фукус загрязненный
1,76
3300
49,0
4
Фукус загрязненный
1,94
3300
49,0
5
Фукус загрязненный
35,0
0,174
63,0
Примечание: - в качестве образца НП использовалось стерильное дизельное топливо (ДТ) при начальной концентрации в сосуде 6500 мг;- эпифитные УВ-окисляющие микроорганизмы получены путем десорбции с поверхности водорослей вида Fucus vesiculosus;- опыт 5 проводился в отличных от опытов 1-4 условиях путем помещения фукуса из загрязненного района моря в 100 мл раствора ДТ с его начальной концентрацией 0,316 мг/л.
На основе данных табл.6 можно сделать вывод о способности эпифитных микроорганизмов к декструкции НП в условиях лабораторного эксперимента. Максимальное потребление ДТ бактериями в течение 3 недель экспозиции составило 49% от контроля. При этом УВ-окисляющие микроорганизмы, обитающие на талломах фукуса, взятого в загрязненных НП точках акватории, потребляют на 7-9% ДТ больше, чем их аналоги, обитающие на фукусе, извлеченном на чистом от НП талломе. Последнее подтверждает, что выдержка фукуса в среде с повышенным содержанием ДТ повышает его УВ-окислительную активность. Таким образом, очевидно, что предварительная обработка фукуса небольшим количеством ДТ позволяет ускорить вывод бактериальной составляющей процесса окисления НП на «рабочий» режим.
Кроме эксперимента на фукусе, покрытом нефтяной пленкой (табл.3), в 2008 г. в ММБИ было проведено исследование поглощения «чистым» фукусом ДТ при различных концентрациях последнего в среде (табл.7).
Таблица 7Результаты лабораторного эксперимента по очистке морской воды фукусовыми водорослями (ФВ)(район взятия проб - Кольский залив, губа Белокаменная, 02.09.08)
Объект/ срок выдержки,
Изменение содержания НП в морской воде (мг/л) и водорослях, мг/кг
Вода чистая
Вода чистая+ФВ
Вода+ДТ
Вода+ДТ+ФВ
Вода+ДТ+ФВ
Вода+ДТ/ ФВ
Опыт
1
2
3
4
5
6
Контроль Вода/Фукус
0,05
0,05
1.54
1,53
6,42
12,24/0.165
3 сут
-
-
-
0,41
1,9
-
7 сут
0,05
0,034
1,54
0,26 (0,32)
0,72
2,84/5,62
14 сут
0,05
0,03
1,52
0,06 (0,09)
0,09/8,68
21 сут
0,05
0,03
1,54
0,032(0,04)
0,04 (0,8)
-
Примечание: - ПДК содержания НП в морской воде 0,04-0,05 мг/л;- использовались талломы водорослей с 6-7 дихотомиями (возраст 3 г);- использовалось «летнее» дизельное топливо;- эксперимент проводился в батарейных стаканах емкостью 3 л на магнитных мешалках при температуре +8-10°С;- после внесения топлива в стакан и интенсивного перемешивания ему давали сутки отстояться, а затем удаляли поверхностную пленку;- значения в скобках в колонках 4 и 5 являются результатом 2 повторов эксперимента;- в колонке 6 приведены соотношения содержания ДТ в воде и в тканях талломов водорослей.
Результаты этого эксперимента показывают, что в системе вода-ДТ-ФВ, в отличие от системы вода-НП-ФВ, процесс поглощения существенно ускоряется. Вероятно, это связано с лучшими условиями взаимодействия ДТ и поверхности мембран ФВ при более высоких температурах. В этом случае, так же как и в случае с пленкой НП (табл.3), на последней неделе эксперимента скорость переработки ДТ в тканях снизилась: судя по данным столбца 6, за первые 10 суток средняя скорость переработки составляла 0,38 мг ДТ/кг ФВ /сут, а за последующие 7 суток - 0,31 мг ДТ/кг ФВ, т.е. примерно на 18% меньше. Таким образом, тенденция к снижению скорости переработки ДТ в тканях фукуса так же, как и таковая для НП, проявляется, хотя и не так сильно. Можно сделать вывод, что в теплых морях для утилизации разливов ДТ можно использовать предлагаемую СВП с большей эффективностью.
В табл.8 собраны и обобщены результаты описанных выше экспериментов по окислению и переработке ПН, позволяющих дать предварительную оценку эффективности СВП для северного варианта.
Данные табл. 8 свидетельствуют о том, что
1) основной эффект пилотная СВП дает благодаря использованию естественной симбиотической ассоциации «водоросли-макрофиты - УВ-окисляющие микроорганизмы»;
2) из графы 9 таблицы следует, что эффективность бикультурной СВП почти в 2 раза превышает таковую для монокультурной;
3) процесс усвоения НП фукусом при температуре 2-12°С составляет лишь около 6% от общего положительного эффекта, даваемого монокультурным вариантом;
4) достоинство монокультурного варианта на фукусе состоит с том, что фукус способен локализовать поверхностное пятно НП и за счет этого создать условия для более эффективного развития УВ-окисляющих микроорганизмов, нежели заглубленная и свободная от пленки НП ламинария;
5) производительность СВП по окислению НП в теплых водах при температуре воды около 25°С увеличивается примерно в 5-7 раз [7], однако, в связи с необходимостью удалять не ДТ, распространяющееся по поверхности, а его часть, проникающую в подповерхностные слои, стоит вопрос о замене ламинариевых (предел устойчивости 15°С) на более устойчивые к теплу виды водорослей, например для Черного моря - цистозирой бородатой. Такая плантация здесь сможет работать в любое время года.
Список использованной литературы
1. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Удаление нефтепродуктов с водной поверхности и грунта. - М. - Ижевск, 2006. - 528 с.
2. Серова И.П., Петров B.C. Нефть в морях с ледовым режимом и использование биотехнологий для деструкции нефтяного загрязнения в Арктике // Арктические моря: биоиндикация, состояние среды, биотестирование и технология деструкции загрязнений. - Апатиты, 1993. - С.127-136.
3. С.А.Патин. Нефть и экология континентального шельфа. - М.: Изд-во ВНИРО, 2001. - 248 с.
4. Заявка РФ на изобретение №2001135951/13 «Способ получения биосорбента для очистки природных вод от нефти и нефтепродуктов».
5. Патент РФ на изобретение №2255052 «Способ очистки водной среды от загрязнений нефтепродуктами и биопрепарат для очистки водной среды от загрязнений нефтепродуктами».
6. Патент РФ на изобретение №2182529 «Консорциум штаммов микроорганизмов-декструкторов: Bacillus species, Aeromonas species, Alcaligenes eutro-phus, Alcaligenes denitrificans, используемый для очистки почв, почвогрунтов и вод от нефтяных загрязнений».
7. Ильинский В.В. Гетеротрофный бактериопланктон: экология и роль в процессах естественного очищения среды от нефтяных загрязнений. Автореф. дис. докт. биол. наук. - Москва, МГУ, 2000. - 53 с.
8. Камнев А.Н. Структура и функции бурых водорослей. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 200 с.
9. Перетрухина И.В. Гетеротрофный бактериопланктон литорали Кольского залива и его роль в процессах естественного очищения вод от нефтяных углеводородов. Автореф. дис.…канд. биол. наук. - М., 2006. - 25 с.
10. Воскобойников Г.М. Механизмы адаптации, регуляции роста и перспективы использования макрофитов Баренцева моря. Дис. на соиск. учен. ст. докт. биол. наук. - Мурманск, ММБИ КНЦ РАН, 2006. - 465 с.
11. Кизеветтер И.В., Суховеева М.В., Шмелькова Л.П. Промысловые морские водоросли и травы дальневосточных морей. - М.: Пищ. пром-сть, 1981.
12. Афанасьев Д.Ф., Степаньян О.В. Размерно-возрастная структура популяции цистозиры Северо-Кавказского побережья Черного и Азовского морей. // Среда, биота и моделирование экологических процессов в Азовском море. - Апатиты: Изд.-во КНЦ РАН. 2001 - С.125-135.
13. Селиванова О.Н. Поглощение токсических элементов некоторыми бурыми водорослями из загрязненных участков Авачинской губы // Сб. научных статей по экологии и охране окружающей среды Авачинской бухты. - Петропавловск. - Токио: Изд.-во Госкомкамчатэкологии, 1998. - С.39-45.
14. Макаров В.Н., Джус В.Е., Матишов Г.Г. и др. Научно-практические аспекты культивирования ламинарии сахаристой в Баренцевом море: Препр.-Апатиты: Изд.-во КНЦ РАН, 1986 - 35 с.