Ремедиация нарушенных земель с применением консорциума аборигенных микроорганизмов-деструкторов и наноструктурного сорбента для получения экологически безопасной продукции сельского хозяйства

УДК 574.24

А. Я. Давлетшина, И. А. Дегтярева, И. А. Яппаров,

Т. Ю. Мотина, Г. Ф. Рахманова, Э. Л. Ибрагимова, Д. В. Ежкова

РЕМЕДИАЦИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОНСОРЦИУМА АБОРИГЕННЫХ

МИКРООРГАНИЗМОВ-ДЕСТРУКТОРОВ И НАНОСТРУКТУРНОГО СОРБЕНТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ

ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ПРОДУКЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Ключевые слова: ремедиация, загрязнение, микроорганизмы-деструкторы, консорциум, наноструктурный бентонит,

бионаноудобрение.

Для ремедиации нарушенных почв создано бионаноудобрение на основе консорциума, состоящего из трех штаммов-деструкторов в соотношении 1:1:1, с титром бактериальной суспензии 3,01012 КОЕ/см3, и наноструктурного бентонита (0,3 т/га). В условиях вегетационного эксперимента установлено, что содержание углеводородов к 90 сут в результате самоочищения снижается на 32,0%, при внесении в почву консорциума микроорганизмов-деструкторов - на 68,5%, наноструктурного сорбента - на 59,2%. В варианте с внесением бионаноудобрения (консорциум совместно с нанобентонитом) содержание углеводородов к концу эксперимента снижается на 70,5%. Наносорбент из почвы не удаляется, так как он является источником минерального питания для автохтонной микрофлоры и улучшает структуру почвы. Входящие в состав консорциума микроорганизмы-деструкторы активно встраиваются в естественную популяцию, адаптируются и начинают эффективно разлагать углеводороды, используя их в качестве питания и энергии. Таким образом, использование комплексного бионаноудобрения позволяет значительно сократить сроки ремедиации нефтезагрязненной почвы в природно-климатических условиях Республики Татарстан.

Key words: remediation, contamination, microorganisms-destructors, consortium, nanostructured bentonite, bionanofertility.

Bionano-fertilizer was created on the basis of a consortium consisting of three destructor strains in a 1:1:1 ratio, with a bacterial suspension titer of 3.0-1012 CFU/cm3 and nanostructured bentonite (0.3 t/ha) to remediate disturbed soils. It was found in the vegetation experiment conditions that the content of hydrocarbons up to 90 days is reduced to 32.0% as a result of self-cleaning; the consortium of microorganisms-destructors is introduced into the soil - to 68.5%; the nanostructured sorbent - to 59.2%. By the end of experiment the content of hydrocarbons was reduced by 70.5% in the variant with the introduction of bionano-fertilizers (consortium together with nanobentonite). Nanosorbent is not removed from the soil, as it is a source of mineral nutrition for autochthonous microflora and improves soil structure. The microorganisms-destructors included in the consortium are actively integrated into the natural population, adapt and begin to efficiently decompose hydrocarbons, using them as nutrition and energy. Thus, using of complex bionano-fertilizer can be significantly reduce the period of oil contaminated soil remediation in natural and climatic conditions of the Republic of Tatarstan.

Введение

Использование сорбентов в комбинации с микробиологическими методами является перспективным способом рекультивации и способствует снижению токсического действия углеводородов на почвенные системы и стимуляции активности микроорганизмов.

Большой практический интерес для снижения токсичности нефтезагрязненных почв в процессе рекультивации представляют сорбенты -природные нерудные минералы (агроминералы), например, бентонитовые глины, запасы которых в Республике Татарстан значительны (120 млн. т), и их активированные аналоги [1]. Бентониты обладают большой площадью активной поверхности благодаря своей высокопористой структуре, что обеспечивает и сорбцию углеводородов нефти и адгезию клеток углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ). Специфичность сорбционных и ионообменных свойств бентонитов обусловлена подвижной ленточно-слоистой структурой с разбухающими пакетами [2].

В работах Яппарова А.Х. с соавторами (2011), Глязнецовой Ю.С. (2012), Бахиревой О.И. с соавторами (2013) при ремедиации применяют соответственно бентонит, цеолит, глауконит [3-5].

Перспективным решением проблемы

ремедиации нефтезагрязненных почв является использование как отдельных штаммов, так и консорциумов углеводородокисляющих

микроорганизмов. В работе О.Д. Сидоренко с соавторами (2002) при применении ассоциаций микроорганизмов биодеградация нефти происходит более эффективно и за меньшие сроки, чем при использовании индивидуальных бактерий [6]. Интродуцируемые микроорганизмы-деструкторы должны обладать высокой метаболической активностью и скоростью потребления углеводородов нефти, конкурентной способностью к длительному выживанию в изменяющихся условиях окружающей среды [7].

Цель исследований - оценка состояния нефтезагрязненной темно-серой лесной почвы при внесении комплексного бионаноудобрения на основе консорциума эффективных

микроорганизмов-деструкторов и наноструктурного бентонита.

Экспериментальная часть

Исследования углеводородокисляющих

микроорганизмов включали: выделение природных ассоциаций, определение их свойств [8, 9], характеристику эффективности микроорганизмов-

деструкторов по отношению к различным углеводородам.

Химический состав бентонита Тарн-Варского месторождения Республики Татарстан определяли методом количественного спектрального анализа на спектрометре ЭС-1 на базе дифракционного спектрографа ДФС-458С и фотоэлектронного регистрирующего устройства типа ФП-4, оснащенных компьютерной программой.

Наноструктурный бентонит получали методом ультразвукового воздействия. Бентонитовую глину, которую подвергли термообработке до влажности 5.0-7.0% и механическому измельчению до 0.035 мм, добавляли в деионизированную воду в концентрации 25.0 г на 100.0 мл воды. На водно-бентонитовую суспензию оказали ультразвуковое воздействие в приборе УЗУ-0,25 (ОАО УПП «Вектор», Россия) при частоте 18.5 кГц (±10%), удельной мощности - 80 Вт/л, амплитуде колебаний ультразвукового волновода 5 мкм. Длительность дисперсии - 20 мин. Размер и форму частиц бентопорошка и наноструктурного бентонита изучали методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе MultiMode V фирмы Veeco (США). Получение наноструктурного бентонита и исследование его структуры проводили в Научно-исследовательском инновационно-прикладном центре «Наноматериалы и нанотехнологии» г. Казани.

Структуру бентопорошка и наноструктурного бентонита исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии на электронном микроскопе-анализаторе (ЭММА-4) в аналитико-технологическом сертификационном

испытательном центре ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» г. Казани.

Бионаноудобрение, которое вносили из расчета 20 мл на вегетационный сосуд, создано из консорциума микроорганизмов-деструкторов (титр

бактериальной суспензии не менее 3,0 1012 КОЕ/см3) и наноструктурного бентонита (0,3 т/га).

Вегетационный опыт с фитомелиорантом (горох сорта Кабан) на темно-серой лесной почве, имеющей агрохимическую характеристику: гумус -4,05%, рН сол. - 5,90, Нг - 1,23 мг-экв/100 г, сумма поглощенных оснований - 20,4 мг-экв/100 г, No6^ -0,23%, Р2О5 - 130,0 мг/кг, К2О - 118,5 мг/кг, выполняли по схеме: 1) контроль (почва без растений); 2) почва + растения; 3) почва + дизельное топливо (ДТ) (5%); 4) почва + ДТ (5%) + растения; 5) почва + ДТ (5%) + консорциум микроорганизмов-деструкторов (КМД); 6) почва + ДТ (5%) + бентопорошок + растения; 7) почва + ДТ (5%) + КМД + бентопорошок; 8) почва + ДТ (5%) + КМД + бентопорошок + растения; 9) почва + ДТ (5%) + нанобентонит + растения; 10) почва + ДТ (5%) + бионаноудобрение; 11) почва + ДТ (5%) + бионаноудобрение + растения. Отбор проб проводили в день закладки опыта и через 10, 30, 45, 60, 90 сут.

Содержание углеводородов в почвенных образцах определяли согласно ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 «Методика выполнения измерений массовой доли

нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии». Определение численности углеводородокисляющих

микроорганизмов проводили по общепринятым методикам [10]. Статистическую обработку результатов проводили с помощью электронных таблиц Excel и программы Origin 4.1.

Результаты и их обсуждение

Ранее разработанная технология рекультивации нефтезагрязненных территорий [3] усилена применением бионаноудобрения.

Из почв Республики Татарстан выделены консорциумы микроорганизмов-деструкторов

углеводородов. Наиболее эффективным из них является ассоциация из трех штаммов, способная активно расти в присутствии нефтепродуктов до 12% массы почвы и утилизировать различные углеводороды (дизельное топливо, мазут, вакуумный газойль, гексан, фенол, толуол). Каждый из штаммов консорциума способен утилизировать ДТ в концентрации до 10%. На основании молекулярно-биологических методов штаммы идентифицированы как Pseudomonas stutzeri Р-1026 (RCAM02107), Achromobacter insolitus А-102 (RCAM02108), Achromobacter xylosoxidans А-10 (RCAM02109).

Проведено изучение физических характеристик бентопорошка и установлено, что он состоит из отдельных крупных, обособленных конгломератов микрометрового размера. В поле зрения микроскопа при увеличении в 300 раз наблюдали до 250-300 объектов. Изображение поверхности

наноструктурного бентонита представляет собой распушенную, порошкообразную, объемную структуру с увеличением физической площади вещества в 15-19 раз, разбросом частиц, уменьшением их размеров и увеличением количества.

При изучении структуры бентопорошка и наноструктурного бентонита установлены размеры их частиц и площадь. При анализе с помощью АСМ топографического изображения поверхности бентопорошка выделены два вида конгломератов: размерами от 120 до 800 нм и от 0,9 до 22 мкм (рис. 1А). Изучение топографического изображения поверхности наноструктурного бентонита, полученного с применением АСМ, позволяет сделать вывод, что он представлен слипшимися частицами, но меньших размеров - от 5 до 82 нм (рис. 1Б). Сгруппированные частицы имеют форму расплющенных, стекающих бугорков.

Расположение частиц носит хаотичный характер. Диспергирование конгломератов бентонита размерами от 20 до 22 мкм обусловливает увеличение площади его поверхности примерно в 10 раз. Дробление системы до частиц размером 200 нм способствовало увеличению площади контакта в 90100 раз, до 20 нм - в 800-1000 раз.

Для ремедиации нарушенных почв создано бионаноудобрение на основе консорциума, состоящего из трех штаммов-деструкторов, и наноструктурного бентонита.

4

3

1 2 1

Б

Рис. 1 - Изображение топографии поверхности бентонита (А) и наноструктурного бентонита (Б). АСМ

Численность УОМ во всех вариантах с внесением наноструктурного бентонита уже на 30 сут достигала 250 10° КОЕ/г и продолжала увеличиваться до 45 сут, в то время как при применении бентонита количество УОМ на 30 сут составило 248 10° КОЕ/г и в дальнейшем находилось на этом уровне.

Внесение консорциума и с наноструктурным бентонитом, и с макроаналогом максимально стимулировало рост УОМ и способствовало сохранению численности этих микроорганизмов на высоком уровне в течение всего эксперимента.

При использовании бионаноудобрения на 10 сут численность УОМ превысила контроль в 2,9 раза и возрастала до 45 сут.

В условиях вегетационного эксперимента установлено, что содержание углеводородов к 90 сут в результате самоочищения снижается на 32,0%, при выращивании гороха на загрязненной почве -на 44,6%, при совместном использовании консорциума микроорганизмов-деструкторов и растений - на 61,8%, при внесении консорциума -на 68,5%.

С внесением наноструктурного сорбента и бентопорошка содержание углеводородов на 90-е

сут уменьшается на 59,2 и 45,6% соответственно. В вариантах с внесением консорциума совместно и с бентонитом, и с бионаноудобрением (консорциум совместно с нанобентонитом) содержание углеводородов к концу эксперимента снижается на 64,4 и 70,5% соответственно. По-видимому, сорбирование нефтепродуктов происходит за счет проникновения молекул углеводородов в межслоевые пространства наноструктурного бентонита, а свободные химически активные структуры обеспечивают удержание углеводородов в его составе.

Таким образом, наноструктурный бентонит, при дозе внесения в 40 раз меньшей по сравнению с дозой бентопорошка, усиливает эффективность очистки загрязненных почв до 13%. Наноструктурный сорбент не удаляется, так как он является источником минерального питания для автохтонной микрофлоры и улучшает структуру почвы. Входящие в состав консорциума микроорганизмы-деструкторы активно

встраиваются в естественную популяцию, адаптируются и начинают эффективно разлагать углеводороды, используя их в качестве питания и энергии.

Таким образом, из выделенных аборигенных микроорганизмов-деструкторов углеводородов сформирован эффективный консорциум, изготовлен сорбент нового поколения - наноструктурный бентонит, превосходящий по своей эффективности макроаналог. Использование бионаноудобрения на их основе позволило значительно сократить сроки ремедиации нефтезагрязненной почвы в природно-климатических условиях Республики Татарстан.

Литература

1. А.М. Ежкова, А.Х. Яппаров, И.А. Яппаров, В.О. Ежков Коррекция содержания солей тяжелых металлов бентонитами в системе «почва — растение — животное — животноводческая продукция» в регионах различной степени техногенной нагрузки Казань: Центр инновационных технологий, 2008. - 340 с.

2. И.А. Дегтярева, А.М. Ежкова, А.Х. Яппаров, И.А. Яппаров, В.О. Ежков, Э.В. Бабынин, А.Я. Давлетшина, Т.Ю. Мотина, Д.А. Яппаров Российские нанотехнологии, 11, 9-10, 116-122 (2016).

3. А.Х. Яппаров, И.А. Дегтярева, И.А. Яппаров, А.М. Ежкова, А.Я. Хидиятуллина Технология получения экологически безопасной продукции сельского хозяйства при биорекультивации нефтезагрязненных почв аборигенн ыми углеводородокисляющими микроорганизмами и наноструктурированными бентонитами Казань: Изд-во Центра инновационных технологий, 2011. - 220 с.

4. Ю.С. Глязнецова Арктика и Север, 5, 1-12 (2012).

5. О.И. Бахирева, А.В. Басов, Т.В. Кондратьева, С.А. Иларионов, В.В. Горелов, В.Н. Басов Научно-технический вестник Поволжья, 2, 79-81 (2013).

6. О.Д. Сидоренко, Л.И. Войно, Т.А. Павликова Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания: сб. докл. Всероссийской научно- технической конференции-выставки. М.: Изд-во МГУП. 176-178 (2002).

7. А.А. Ветрова, А.А. Иванова, А.Е. Филонов, В.А. Забелин, А.Б. Гафаров, С.Л. Соколов, И.А. Нечаева, И.Ф. Пунтус, А.М. Боронин Известия Тульского

государственного университета. Естественные науки, 2, 1, 241-257 (2013). 8. И.А. Дегтярева, А.Я. Хидиятуллина Вестник Казанского технологического университета, 15, 5, 134136 (2012).

9. И.А. Дегтярева, А.Я. Хидиятуллина Вестник Казанского технологического университета, 17, 13, 242-245 (2014).

10. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. М.: МГУ. - 1991. - 304 с.

© А. Я Давлетшина - кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник отдела агроэкологии и микробиологии, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», kindness2006@mail.ru; И. А. Дегтярева - доктор биологических наук, заведующий отделом агроэкологии и микробиологии, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», peace-1963@mail.ru; И. А. Яппаров - доктор биологических наук, врио директора Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», niiaxp2@mail.ru; Т. Ю. Мотина - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник отдела агроэкологии и микробиологии, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», motina.tatyana@mail.ru; Г. Ф. Рахманова - научный сотрудник отдела почвенной биологии, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», niiaxp2@mail.ru; Э. Л. Ибрагимова - магистрант кафедры промышленной биотехнологии, Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет, chicolat.ibragimova@gmail.com; Д. В. Ежкова - бакалавр кафедры пищевой биотехнологии, Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет, er_rer@mail.ru.

© A. Ya. Davletshina - Ph. D. of agricultural science, researcher of a department agroecology and microbiology, Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, kindness2006@mail.ru; 1 A. Degtyareva - dortor of biology Science, head of a department agroecology and microbiology, Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, peace-1963@mail.ru; I. A. Yapparov - dortor of biology Science, Acting Director Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, niiaxp2@mail.ru, T. Yu. Motina - Ph. D. of biological science, researcher of a department agroecology and microbiology Tatar Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, motina.tatyana@mail.ru; G. F. Rakhmanova - researcher of a department soil biology Scientific Research Institute of agricultural chemistry and soil sciences, niiaxp2@mail.ru; E. L. Ibragimova - master student of the department of industrial biotechnology, Kazan National Research Technological University, chicolat.ibragimova@gmail.com; D. V. Ezhkova - bachelor Department of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University, er_rer@mail.ru.