Рекультивация нефтезагрязненной почвы при использовании микроорганизмов-деструкторов и бентонита

УДК 502.662.2

И. А. Дегтярева, А. Я. Хидиятуллина

РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ-ДЕСТРУКТОРОВ И БЕНТОНИТА

Ключевые слова: нефть, углеводороды, почва, загрязнение, мониторинг, углеводородокисляющие микроорганизмы,

ассоциации, бентонит, фиторемедиация

Из нефтезагрязненных почв выделена эффективная ассоциация микроорганизмов-деструкторов, у которой была исследована способность к утилизации различных углеводородов. Результаты биотестирования в вегетационном опыте с горохом подтвердили ускорение процесса очищения загрязненной почвы после внесения ассоциации микроорганизмов и бентонита в качестве сорбента.

Keywords: petroleum, hydrocarbon, soil, contamination, monitoring, hydrocarbon oxidizing microorganism, association, bentonite,

phytoremediation

From oil contaminated soils allocated an effective association of microorganisms-destructors, which has been investigated the ability of the utilization of different hydrocarbons. The results of biotesting in vegetative experience with peas confirmed the acceleration of the process ofpurification of contaminated soil after the introduction of the association of microorganisms and bentonite as a sorbent.

Введение

В настоящее время актуальной проблемой является восстановление экосистем почв и грунтов, подверженных антропогенному загрязнению углеводородами нефти, которые являются одними из наиболее экологически опасных веществ. Углеводородное загрязнение вызывает значительные, преимущественно неблагоприятные и трудно обратимые изменения в почвенных экосистемах. Эта проблема является актуальной в Татарстане - республике нефтедобычи и нефтепереработки [1].

Поступление углеводородов нефти в почву приводит к потере ее основного свойства - плодородия: разрушается структура, способность к проникновению кислорода и воды, теряется инфильтрационная способность, изменяется реакция среды, возникает анаэробиоз, замедляются темпы биогеохимических процессов и др.

Механические и химические методы очистки нефтезагрязненной почвы не всегда являются приемлемыми и результативными. Использование биодеструкторов путем интродукции их в почву и применение биоаугментации являются наиболее эффективными способами биодеструкции нефтяного загрязнения почв [2]. Прогнозирование сроков восстановления свойств нефтезагрязненных почв требует учета показателей, к которым относятся численность микроорганизмов различных физиологических групп, микробная биомасса и дыхательная активность. Активно рекультивировать большие территории с относительно низкой, по сравнению с другими технологиями, стоимостью работ при слабом негативном воздействии на окружающую среду позволяет и фиторемедиация [3].

При восстановлении нефтезагрязненных почв особое внимание уделяется методам ремедиации, основанным на использовании сорбентов современного уровня. В настоящее время для ликвидации

разливов нефти производится и используется множество сорбентов, качество которых определяется, главным образом, их емкостью по отношению к нефти, степенью гидрофобности, плавучестью после сорбции нефти и регенерации или утилизации сорбента. В проводимых нами исследованиях предпочтение отдано местным агроминералам, в частности, бентонитам, которые являются экологически безопасным, наиболее доступным дешевым сырьем, способным эффективно связывать и нейтрализовы-вать наиболее вредные и губительные для растений отходы промышленного и сельскохозяйственного производства - нефтепродукты, остатки гербицидов, пестицидов, радионуклидов и др.

Цель настоящих исследований - изучение состояния нефтезагрязненной почвы при использовании углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) и бентонита.

Экспериментальная часть

Вегетационный опыт на серой лесной почве был заложен по следующей схеме: 1) почва (без растений); 2) почва + растения; 3) почва + дизельное топливо (ДТ) (5%); 4) почва + ДТ (5%) + бентонит; 5) почва + ДТ (5%) + бентонит + растение; 6) почва + ДТ (5%) + бентонит + сообщество УОМ; 7) почва + ДТ (5%) + бентонит + растение + сообщество УОМ. Вегетационный опыт проводили в теплице с естественным освещением в летний период в 6 кг сосудах.

Почву загрязняли дизельным топливом, в концентрации 5%. В качестве фитомелиоранта использовали горох (Pisum sativum). На основании ранее проведенных экспериментов [1] было использовано выделенное нами активное сообщество микроорганизмов-деструкторов, способное активно расти в присутствии нефтепродуктов до 12% от массы почвы и утилизировать различные алифатические и ароматические углеводороды. Титр УОМ -

1,6*1010 кл/мл. Бентонит Тарн-Варского месторождения РТ вносили из расчета 12 т/га. В ходе эксперимента, который длился 90 суток, растения поливали деминерализованной водой, поддерживая влажность почвы на уровне 60% предельной полевой влагоемко-сти. После прореживания в каждом сосуде оставляли по 15 растений.

Пробы почв отбирали в динамике на 10, 21, 30, 45, 60, 90 сутки. Отобранные образцы измельчали, просеивали через 2-3 мм сито, хранили при естественной влажности в холодильнике (10°С) до использования в исследованиях.

Определение численности различных ризо-сферных микроорганизмов проводили по общепринятым методикам [4, 5] на элективных питательных средах: углеводородокисляющие микроорганизмы -на среде Ворошиловой-Диановой; гетеротрофные бактерии - на мясо-пептонном агаре, микромицеты -на агаризованной среде Чапека. Численность микроорганизмов выражали в количестве колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 г почвы после ее высушивания при температуре 105оС [6]. Суммарную микробную биомассу (Ст1с) вычисляли на основе субстрат -индуцированной респираторной активности [7]. Респираторную активность почвенного микробного сообщества оценивали путем титриметрического определения количества СО2, выделившегося после поглощения щелочью [7].

Результаты и их обсуждение

Известно, что почвенная микрофлора активно участвует в процессах естественной деструкции углеводородов, и численность гетеротрофных микроорганизмов в загрязненной почве может коррелировать с интенсивностью процесса деградации [8].

Во всех вариантах с внесением в почву бентонита (варианты 4-7) численность гетеротрофов до 20 суток сохранялась на уровне контроля (49,0-99,5 млн/г). Только отдельное внесение бентонита не привело к увеличению их количества по отношению к варианту с загрязненной почвой, в то время как в других вариантах с его использованием (варианты 5-7) достоверное увеличение численности гетеротрофов было отмечено на 30 сутки. Стимуляция роста гетеротрофных микроорганизмов в этот период происходит путем взаимодействия растений и УОМ, бентонита и сообщества микроорганизмов-деструкторов и совместным использованием всех трех составляющих (486,0; 394,0; 530,0 млн/г).

Включение с систему ремедиации сообщества микроорганизмов-деструкторов и растений привело к стимулированию роста гетеротрофов (особенно на 30 сутки), также как и при совместном использовании всех трех составляющих (вариант 7). Как видим, воздействие нефти на гетеротрофные микроорганизмы неоднозначно. Полученные нами данные согласуются с результатами других исследователей [9].

Микромицеты являются важным экологическим компонентом почвенной биосистемы и представляют собой группу микроорганизмов, универсальную по своему значению для формирования плодородия почвы.

В нашем опыте при отдельном внесении бентонита количество грибов было ниже контрольных значений практически до конца эксперимента (5,0-35,0 тыс/г).

Численность микромицетов была примерно на уровне контроля в вариантах с внесением бентонита, где рос горох, и бентонита с сообществом УОМ.

В варианте с бентонитом, горохом и сообществом УОМ в течение всего эксперимента численность почвенных грибов была выше контроля.

Интегральным показателем, в который вносят вклад отдельные группы микроорганизмов, является микробная биомасса. В контрольной почве микробная биомасса на протяжении эксперимента варьировала в интервале 21,4-57,0 мг Ст1с/г. Необходимо отметить, что в начале эксперимента (10 и 20 сутки) во всех вариантах с бентонитом этот показатель был ниже контроля (исключение составил вариант, где растения гороха выращивались при внесении бентонита и сообщества УОМ). При совместном выращивании гороха с бентонитом и сообществом микроорганизмов-деструкторов уровень микробной биомассы на протяжении всего эксперимента был выше контроля. При этом наибольшая величина отмечена на 30 сутки (74,1 мг Ст1с/г).

Самым оптимальным являлся вариант, где бентонит использовался с сообществом микроорганизмов-деструкторов. При внесении этих компонентов микробная биомасса активно увеличивалась и достигала своего максимума на 30 сутки (84,4 мг Ст1с/г), оставаясь до конца эксперимента достаточно высокой. Возможно это связано с тем, что бентонит как сорбент не только улучшает структуру почвы, но и является источником минерального питания для входящих в сообщество микроорганизмов-деструкторов. Полученные нами данные согласуются с исследованиями многих авторов, которые отмечали увеличение микробной биомассы вследствие загрязнения почвы углеводородами нефти [10].

О микробиологической активности судят по параметрам почвенного дыхания. Базальное дыхание в контроле (увлажненная незагрязненная почва) на протяжении всего эксперимента изменялось в пределах 5,9-15,9 мг С02/100г*24 ч. В почве, загрязненной дизельным топливом, респираторная активность сохранялась на уровне контроля до 20 суток. Это, по-видимому, связано со стрессовым действием высокой концентрации углеводородов на микроорганизмы. Максимальный уровень базального дыхания был достигнут только на 30-45 сутки эксперимента (35,3-37,1 мг С02/100г*24 ч), затем наблюдалось постепенное снижение.

Если на 10 сутки величина базального дыхания во всех вариантах была практически одинаковой (14,8-18,0 мг С02/100г*24 ч), то применение бентонита (варианты 4-7) способствовало росту этого показателя. Следует отметить, что до 30 суток значения респираторной активности во всех вариантах были выше по сравнению с загрязненной почвой. Совместное внесение бентонита и сообщества микроорганизмов-деструкторов способствовало то-

му, что базальное дыхание, достигнув максимальной величины на 30 сутки (58,2 мг С02/100г*24 ч), оставалось на этом уровне до 45 суток, затем немного снижалось к 60 суткам (32,3 мг С02/100г*24 ч) и с последующим незначительным уменьшением.

При совместном использовании бентонита и растений респираторная активность увеличивалось к 30 суткам (48,4 мг С02/100г*24 ч) и незначительно снижалась к концу эксперимента. Следует выделить вариант, где растения взаимодействовали с бентонитом и сообществом УОМ. Именно здесь на протяжении всего эксперимента была отмечена наибольшая респираторная активность (14,8-58,8 мг С02/100г*24 ч).

При использовании фитомелиоранта на фоне бентонита изучаемый показатель был несколько ниже (16,7-48,4 мг С02/100г*24 ч), но превышал контрольный вариант.

Заключение

Ценным свойством бентонита является не только способность структурировать почву и увеличивать содержание микро- и макроэлементов, но и поглощать, удерживать в почвах и медленно расходовать воду, аммиак, фосфатные соединения, микроэлементы и другие необходимые питательные компоненты, но и создавать благоприятный режим для микробиологической деятельности [Яппаров и др., 2011].

В проведенных нами исследованиях введение в систему микроорганизмов-деструкторов и бентонита способствовало улучшению состояния нефтезаг-рязненной почвы по изученным биологическим параметрам. Было показано, что положительное влияние бентонита на биологические показатели микробоце-ноза нефтезагрязненной почвы усиливается при использовании дополнительных ремедиационных технологий, а именно биоаугментации и фиторемедиации.

Литература

1. Дегтярева, И.А. Оценка влияния природных ассоциаций углеводородокисляющих микроорганизмов на состояние

нефтезагрязненной почвы / И.А. Дегтярева, А.Я. Хидия-туллина // Ученые записки Казанского ун-та. - Казань, 2011. - Том 153, кн. 3. - С. 137-143.

2. Яппаров, А.Х. Использование эффективных аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов при биологической рекультивации нефтезагрязненных территорий РТ / А.Х. Яппаров, И.А. Дегтярева, А.Я. Хидия-туллина // Ученые записки Казанской государственной академии ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана. -Казань, 2009. - Том 199. - С. 218-222.

3. Яппаров, А.Х. Технология получения экологически безопасной продукции сельского хозяйства при биорекультивации нефтезагрязненных почв аборигенными углеводородокисляющими микроорганизмами и нано-структурированными бентонитами / А. Х. Яппаров, И. А. Дегтярева, И.А. Яппаров, А.М. Ежкова, А.Я. Хидиятул-лина // Казань: Центр инновационных технологий, 2011.

- 220 с.

4. Колешко, О.И. Экология микроорганизмов почвы. Лабораторный практикум / О.И. Колешко // Минск: Высшая школа, 1981. - 175 с.

5. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. -304 с.

6. Зенова, Г.М. Практикум по микробиологии почв / Г.М. Зенова, А.Л. Степанов, Н.А. Лихачева // М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. - 120 с.

7. Microbiological methods for assessing soil quality / ed. By J. Dloem, D.W. Hopkins, A. Benedetti // CABI Publishing.

- 2006. - 307 p.

8. Bachoon, D.S. Microbial community dynamics and evaluation of bioremediation strategies in oil-impacted salt marsh sediment microcosms / D.S. Bachoon, R. Araujo, M. Molina, R.E. Hodson // Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology. - 2001. - V. 27. - P. 72-79.

9. Шамраев, А.В. Влияние нефти и нефтепродуктов на различные компоненты окружающей среды / А.В. Шамраев, Т.С. Шорина // Вестник ОГУ, 2009. - №6(100). -С.642-645.

10. Lee, S.-H. Effects of various amendments on heavy mineral oil bioremediation and soil microbial activity / S.-H. Lee, B.-I. Oh, J.-G. Kim // Bioresource Technology. - 2008. -Vol.99. - Is.7. - P.2578-2587.

© И. А. Дегтярева - д-р биол. наук, зав. лабораторией агроэкологии и микробиологии ГНУ Татарский НИИАХП Россельхо-закадемии), kindness2006@yandex.ru; А. Я. Хидиятуллина - науч. сотр. той же лаборатории.