Изменение состава нормальных углеводородов нефти в зависимости от влажности и физико-химических характеристик серых лесных почв

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 631.423

Э. Р. Зайнулгабидинов, Ю. А. Игнатьев, А. М. Петров, Р. Э. Хабибуллин

ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА НОРМАЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ НЕФТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЛАЖНОСТИ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ

Ключевые слова: газохроматографический анализ, нефть, н-алканы, серые лесные почвы.

В ходе шестимесячного эксперимента показано, что способность серых лесных почв к самоочищению от нефтяного загрязнения зависит от их влажности. Оптимальный уровень почвенной влажности, который создает наиболее благоприятные условия для биодеградации углеводородов нефти, определяется физико-химическими характеристиками почв

Ключевые слова: gas chromatographic analysis, oil, n-alkanes, grey forest soil.

During a six-month experiment the ability of gray forest soils to self-clean from oil pollution depends on their moisture content was shown. The optimum level of soil moisture, which creates the most favorable conditions for the biodegradation ofpetroleum hydrocarbons, is determined by the physicochemical characteristics of the soils.

Введение

Ни один другой загрязнитель не может сравниться с нефтью по широте распространения, по количеству источников загрязнения, величине единовременных нагрузок на все компоненты природной среды во время различных аварийных ситуаций. При нефтяном загрязнении наземных экосистем основной антропогенный удар принимают на себя верхние, самые ценные горизонты почв. Загрязненные территории становятся непригодными для

народнохозяйственного использования и для их восстановления могут потребоваться вложения больших средств [1-7].

Для повышения результативности мероприятий по восстановлению нефтезагрязненных почв важным моментом является необходимость определения и контроля содержания углеводородов (УВ) нефти. В большинстве случаев это является важным условием для решения сложных задач, связанных как с идентификацией, так и с особенностями деградации и трансформации различных органических соединений нефти [8, 9]. Для решения данных задач используются хроматографические методы анализа, которые позволяют определить количественный и качественный состав углеводородов в нефтезагрязненных почвах [10].

Нормальные углеводороды

рассматриваются как биомаркеры разложения органического вещества в почвах [11-17]. Хроматографический анализ выявляет четкие пики нормальных алканов (н-алканов), что позволяет относительно просто использовать их распределение для анализа изменения состава и степени деградации нефтяного загрязнения [18].

Показано, что при нефтяном загрязнении активные изменения в свойствах и структуре почв зависят от почвенных характеристик, которые

связанны с ландшафтно-геохимическими условиями [19]. Указанные условия могут обуславливать разнообразие протекающих в почве метаболических процессов и, как следствие, особенности биотрансформации нефти в почве. Можно предположить, что процесс трансформации нефтепродуктов будет зависеть не только от типа почв, но и от условий влажности, которые определяют биологическую активность почвенной микрофлоры. Действительно, в ряде работ было показано, что скорость окисления УВ варьирует в зависимости от их биологической доступности, повышению которой может способствовать наличие влаги в почве. Считается, что оптимальная влажность лежит в пределах 60-80% от полной влагоемкости почвы [20, 21]. Так, в экспериментах с выщелоченным черноземом показано, что увеличение влажности почвы повышает позиционную доступность гомолога н-алканов тридекана для биодеградации, а при почвенной влажности более 26% создаются наиболее благоприятные условия для его биодеградации [22].

Целью настоящей работы являлось определение влияния влажности на изменения состава н-УВ нефтезагрязненных серых лесных почв в ходе проведения рекультивационных мероприятий.

Материалы и методы

В качестве объектов исследования в работе были использованы 3 типа лесных почв: светло-серая лесная тяжелосуглинистая (ССЛ), серая лесная (СЛ) и темно-серая лесная (ТСЛ) среднесуглинистые почвы, с содержанием гумуса 6,3%, 2,7% и 7,9%, соответственно.

В качестве загрязнителя использовали нефть парафинистого типа Ямашинского месторождения РТ. Почвы смешивали с нефтью в соотношении 150 г нефти на 850 г почвы.

Рассматривались два варианта эксперимента, которые отличались содержанием влаги. В первом варианте («сухой») во время инкубации почвы находились в воздушно-сухом состоянии, во втором («влажный») влажность почвенных образцов после загрязнения доводили до 60% от полной влагоемкости (ПВ) и поддерживали на данном уровне в течение всего опыта. Длительность инкубации нефтезагрязненных почв составила 6 месяцев. В ходе эксперимента осуществлялось периодическое рыхление почвенных образцов. Температура окружающей среды составляла 20-24оС. Определение степени нефтяного загрязнения в рассматриваемых вариантах проводили в конце срока инкубирования.

Выделение нефтепродуктов (НП) из почвенных образцов проводили согласно [23]. Экстракт пропускали через колонку, заполненную оксидом алюминия, и подвергали анализу

газохроматографическим (ГХ) методом.

Определение общего содержания органических соединений и группового состава н-алканов проводили на хроматографе «Хроматэк Кристалл-5000» с пламенно-ионизационным детектором на капиллярной колонке длиной 30 м и внутренним диаметром 0,255 мм. Толщина неподвижной жидкой фазы DB-1 составляла 0,25 мкм. В качестве газа-носителя использовали азот [8].

Идентификацию н-УВ проводили по реперным соединениям, в качестве которых использовали октан (С8), нонан (С9), декан (С10), ундекан (С11), додекан (С12), тридекан (С13), тетрадекан (С14), пентадекан (С15), гексадекан (С1б), эйкозан (С20) и трикозан (С23), а изопреноиды -2.6.10 триметилдодекан, 2.6.10 триметилтридекан, 2.6.10 триметилпентадекан, пристан и фитан - по индексам удерживания Ковача [24].

Расчет хроматограмм осуществляли при помощи программы Хроматэк Аналитик 2.6. В качестве отклика для расчётов использовали площадь пиков. Остаточное содержание углеводородов нефти рассчитывали по суммарной площади всех пиков.

Для учета степени микробной деградации н-УВ использовалось отношение суммы

низкомолекулярных гомологов (С14-С18) к сумме идентифицированных изопреноидов (ALK/ISO) [25]. Расчеты проводились по формуле: ALK/ISO = I ALK /USO.

Результаты и обсуждение

Хроматографический анализ почвенных экстрактов из анализируемых образцов позволил выявить чёткие пики н-УВ. Через 6 месяцев эксперимента в «сухом» варианте были идентифицированы н-алканы от С11 до С36, во «влажном» от С12 до С36.

В почвенных образцах с повышенным содержанием влаги суммарное количество УВ было меньше, по сравнению с «сухим» вариантом. Так, в экстрактах из образцов ССЛ и ТСЛ почв концентрация УВ нефти было примерно в два, а из СЛ в три раза ниже, чем в аналогичных образцах «сухого» варианта (табл. 1).

Доля н-алканов в рассматриваемых почвенных экстрактах составляла 28,6-49,1% (табл. 1). Изменение относительного содержания н-УВ зависело от физико-химических свойств и влажности почв. Более высокое содержание н-УВ отмечалось в «сухом» варианте опыта. Их доля варьировала в пределах 38,8-49,1%. В почвенных экстрактах «влажных» образцов содержание н-УВ было ниже и составляло 28,6%-42,5%. В элюате из более «тяжелой» ССЛ почвы, во «влажном» варианте содержание н-алканов было в 1,5 раза ниже, относительно «сухого» варианта (табл. 1). В экстрактах почв более легкого механического состава - СЛ и ТСЛ различие в содержании н-УВ было незначительным.

Таблица 1 - Изменение суммарной площади пиков УВ нефти и относительного содержания н-алканов в образцах серых лесных почв в условиях инкубации при разной влажности

Варианты ССЛ СЛ ТСЛ

«Сухой» Z S 220,4 377,5 361,0

% 41,3 49,1 38,8

«Влажный» Z S 109,1 132,7 185,2

% 28,6 42,5 38,7

После шестимесячной инкубации выявлены определенные различия в составе н-УВ в зависимости от содержания влаги в почвенных образцах. Так, если для варианта с «сухими» почвами процентное соотношение гомологов было практически сходным (рис. 1), то в почвенных экстрактах «влажного» варианта выявлены определенные различия в ряду С13 - С18 (рис. 2), что указывает на существующие различия в деградации низкомолекулярных УВ нефти в зависимости от почвенных характеристик.

На рисунке 3 представлены данные по уменьшению содержания индивидуальных н-УВ в почвенных образцах «влажного» варианта. Наиболее существенные изменения были отмечены в ССЛ почве, которая отличалась более тяжелым механическим составом (табл. 1). Так относительно начального, содержание н-алканов

низкомолекулярного диапазона (С13-С18) в экстракте ССЛ уменьшилось 6-19 раз, тогда как в элюатах из образцов СЛ и ТСЛ почв содержания н-УВ снизилось лишь в 2-8 раз.

Рис. 1 - Относительное содержание н-алканов в почвенных образцах «сухого» варианта опыта

Относительное содержание н-алканов высокомолекулярного диапазона, как «влажного» так и «сухого» вариантов опыта было практически идентичным. Однако следует отметить, что в экстракте ССЛ отмечено увеличение доли высокомолекулярных н-УВ диапазона С28-С35 (рис. 2). Перераспределение процентного содержания н-алканов связано с относительно быстрой элиминацией низкомолекулярных гомологов и увеличением, вследствие этого, доли более устойчивых к микробиологическому окислению высокомолекулярных соединений [26].

Рис. 2 - Относительное содержание н-алканов в почвенных образцах «влажного» варианта опыта

Рис. 3 - Кратность снижения индивидуальных н-алканов в почвенных образцах «влажного» варианта опыта

Представленные в табл 2 значения отношения суммы низкомолекулярных гомологов (С14—С18) к сумме изопреноидов (ALK/ISO) позволяют оценить степень биодеградации н-алканов. Согласно полученным данным показатели коэффициента ALK/ISO «сухого» варианта опыта выше, чем для «влажного» (табл. 3). Если в первом случае значения отношения равны примерно 2, то во втором они ниже, и колеблются в пределах от 0,8 до 1,8. Снижение показателя ALK/ISO указывает на более активное протекание процессов микробиологического разложения УВ нефти в почвенных образцах содержащих воду, поскольку с повышением влажности может увеличиваться численность и активность почвенной микрофлоры [27].

Изменение отношения ALK/ISO отмеченное в почвенных образцах «влажного» варианта указывает на существующую зависимость биодеградации н-УВ как от наличия влаги, так и от

физико-химических свойств самих почв. Максимальное снижение коэффициента - в 2,8 раза, отмечено в ССЛ почве, которая характеризуется наиболее тяжелым механическим составом. Это связано более быстрой элиминацией низкомолекулярных н-алканов С12 - С18.

Таблица 2 - Значения коэффициента ALK/ISO в зависимости от уровня влажности нефтезагрязненных серых лесных почв.

Варианты ССЛ СЛ ТСЛ

«Сухой» 2,2 2,1 2,1

«Влажный» 0,8 1,8 1,7

Эффективность биодеградации УВ нефти в почве определяется активностью почвенной микрофлоры. Одним из основных факторов, влияющих на скорость микробиологических процессов, является уровень почвенной влажности. Влага не только стимулирует рост почвенных микроорганизмов, но и способствует повышению позиционной доступности УВ [22, 27]. Полученные данные показывают, что оптимальный уровень почвенной влажности, при котором создаются наиболее благоприятные условия для микробного окисления нефтяных углеводородов, будет определяться физико-химическими

характеристиками почв

Выводы

На основании ГХ анализа показано, что суммарное остаточное содержание углеводородов нефти и доля н-алканов в варианте с более высокой влажностью инкубирования ниже, чем в варианте с воздушно-сухой почвой.

После шестимесячного инкубирования в «сухом» варианте идентифицированы н-алканы ряда С11-С36. Во «влажном» опыте зарегистрированы н-УВ С12-С36. Наличие гомолога С11 не отмечено.

Уровень снижения содержания н-УВ диапазона С12-С18 в почвенных образцах «влажного» варианта эксперимента зависел от физико-химических свойств почв. Состав и уровень содержания высокомолекулярных н-алканов является более консервативным поскольку они в меньшей степени подвергается микробиологической деградации.

На основе коэффициента ALK/ISO показано, что оптимальный уровень почвенной влажности, при котором создаются наиболее благоприятные условия для микробиологической деградации нефтяных УВ, определяется физико-химическими характеристиками почв.

Литература

1. Справочник. Технологии восстановления почв, загрязнённых нефтью и нефтепродуктами. - М.: РЭФИА, НИА-Природа. 2001. - 185 с.

2. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв. /Под Ред. Д.С. Орлова и В.Д. Васильевской. М.: МГУ. 1994. 272 с.

3. А.А. Вершинин, А.М. Петров, Ю.А. Игнатьев, Р.Р. Шагидуллин Дыхательная активность дерново-

карбонатной почвы, загрязненной дизельным топливом // Вестник Казанского технологического университета,

14, 7, 168-174 (2011).

4. А.А. Вершинин, А.М. Петров, Д.В. Акайкин, Ю.А. Игнатьев Оценка биологической активности дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава в условиях нефтяного загрязнения // Почвоведение, 2, 250-256 (2014).

5. Н.А. Киреева, В.В. Водопьянов, А.М. Мифтахова Биологическая активность нефтезагрязненных почв, Гилем, Уфа, 2001. - 376 с.

6. Н.А. Киреева, Г.Г. Кузяхметов, А.М. Мифтахова, В.В. Водопьянов Фитотоксичность антропогенно-загрязненных почв.- Уфа: Гилем, 2003.- 266 с.

7. А.А. Вершинин, А.М. Петров, Л.К. Каримуллин, Ю.А. Игнатьев Влияние нефтяного загрязнения на эколого-биологическое состояние различных типов почв // Вестник Казанского технологического университета,

15, 8, 207-211 (2012).

8. Ю.А. Игнатьев, Э.Р. Зайнулгабидинов, А.М. Петров. Изменение углеводородного состава нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы в стандартизированных условиях инкубации // Вестник Казанского технологического университета, 17, 15, 256-260 (2014).

9. Э.Р. Зайнулгабидинов, Ю.А. Игнатьев, А.М. Петров, Р.Э. Хабибуллин. Влияние длительной инкубации на состав нормальных углеводородов при разных уровнях начального содержания нефти в почве //Вестник технологического университета, 19, 10, 56-60 (2016).

10. Петров А.А. Углеводороды нефти // Наука, Москва,1984. - 264 с.

11. F. J. Stevenson Lipids in Soil. // J.Am.Oil.Chem. Soc., 43, 203-206 (1966).

12. F. Marseille, J.R. Disnar, B. Guillet, Y.Noack n-Alkanes and free fatty acids in humus and A1 horizon of soils under beech, spruce and grass in the Massif-Central (Mont-Loze Are), France // European Journal of Soil Science, 50, 433441 (1999).

13. Y. Wang, X. Fang, Y. Bai, X. Xi, X. Zhang, Y. Wang Distribution of lipids in modern soils from various regions with continuous climate (moisture-heat) change in China and their climate significance. // Sci. China Ser. D-Earth Sci., 50, 4, 600-612 (2007).

14. Z. G. Rao, Z. Y. Zhu, G. D. Jia, X. Zhang, S.P. Wang Compound-specific hydrogen isotopes of long-chain n-alkanes extracted from topsoil under a grassland ecosystem in northern China. // Sci. China Ser. D-Earth Sci., 54, 12, 1902-1911 (2011).

15. G. L. Lei, H. C. Zhang, F. Q. Chang, Y. Pu, Y. Zhu, M. S. Yang, W. X. Zhang Biomarkers of modern plants and soils from Xinglong Mountain in the transitional area between the Tibetan and Loess Plateaus. // Quaternary International, 218, 143-150 (2010).

16. Э.Р. Зайнулгабидинов, Ю.А. Игнатьев, А.М. Петров, Р.Э. Хабибуллин. Особенности распределения нормальных алканов в современных дерново-подзолистых почвах // Вестник Казанского технологического университета, 18, 4, 271-274 (2015).

17. М. Кальвин Химическая эволюция. М.: Мир, 1971. -283 с.

18. Z. Wang, M. Fingas Study of the effects of weathering on the chemical composition of light crude oil using GC/MS GC/FID. // J. Microcolumn Separation, 7, 6, 617-639 (1995).

19. Пиковский Ю.И., Солнцева Н.П. Геохимическая трансформация дерново-подзолистых почв под влиянием потоков нефти // Техногенные потоки вещества в ландшафтах и состояние экосистем. - М.: Наука 1981, 149-154.

20. Н.А. Киреева А.М. Мифтахова, Г.Г. Кузяхметов Влияние загрязнения нефтью на фитотоксичность серой лесной почвы //Агрохимия, 5, 64-69 (2001).

21. Е.В. Смирнова Трансформация и распределение жидких углеводородов в выщелоченном черноземе. Автореф. дисс. канд. биол. наук. Казань, 2003. - 24 с.

22. А.В. Костерин, О.А. Софинская Эффект влажности и верхнего техногенно незагрязненного слоя почвы в биодеградации тридекана // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия, 4 (2004).

23. ПНД Ф 16.1.2.2.22-98. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных, органо-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии. М.: 1998. -11 с.

24. А.Н. Король Неподвижные фазы в газожидкостной хроматографии: Справочник. // М.: Химия, 1985. -240 с.

25. P.D. Boehm, D.L. Fiest Physical-Chemical weathering of petroleum hydrocarbons from the Ixtoc I blowout: Chemical measurements and a weathering model. // Environ. Sci. Technol., 16, 498-505 (1982).

26. В.И. Билай, Э.З. Коваль Рост грибов на углеводородах нефти. // Киев: Наукова думка, 1980. - 340 с.

27. Д.Г. Звягинцев Влияние степени увлажнения на количество микроорганизмов, развивающихся в почве // Вестник Московского ун-та. 6, 4, 119-126 (1996).

© Э. Р. Зайнулгабидинов - к.б.н., с.н.с. лаборатории экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, Казань, comp05@mail.ru; Ю. А. Игнатьев - к.х.н., с.н.с. лаборатории эколого-аналитических измерений и мониторинга окружающей среды Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, Казань, А. М. Петров - к.б.н., заведующий лабораторией экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, Казань, zpam2@rambler.ru; Р. Э. Хабибуллин - д.т.н., профессор кафедры ТММП ФГОУ ВО КНИТУ, hrustik@yandex.ru.

© E. R. Zainulgabidinov - Cand. Sci. (Biol.), senior researcher of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, comp05@mail.ru; Yu. A. Ignatiev - Cand. Sci. (Chem.), senior researcher of the Laboratory of Ecological and Analytical Measurements and Environmental Monitoring Research Institute for Problems of of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences; A. M. Petrov - Cand. Sci. (Biol), Head of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, zpam2@rambler.ru; R. E. Khabibullin - Doctor of technical sciences (Full Professor), Professor Department of Meat and Milk Products Technology, hrustik@yandex.ru.