Эффективность деструкции нефтепродуктов иммобилизованной микрофлорой при разных уровнях загрязнения почвы

1. Учитывая потенциальную возможность дополнительного радиационного техногенного загрязнения, необходимо в аграрных ландшафтах, принадлежащих зоне влияния ГХК, осуществлять мониторинговые исследования определения удельной активности 90Эг и 137Св в продукции животноводства.

2. Включить аграрный ландшафт с. Б. Балчуг как контрольную точку в мониторинговые исследования КГУ «Краевая ветеринарная ветлаборатория» Красноярского края.

3. В ландшафте с Б. Балчуг заложить тестовый участок для мониторинговых определений удельной активности техногенных радионуклидов в почве ФГУ ГЦАС «Красноярский».

4. При выборе новых сенокосно-биогеоценозов в условиях ландшафта с. Б. Балчуг необходим предварительный контроль уровня загрязнения почв 137Св.

Литература

1. Коваленко, В.В. Источники ионизирующего излучения и дозы облучения населения Красноярского края / В.В. Коваленко // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: мат-лы 2-й Междунар. конф. - Томск: Тандем-Арт, 2004. - 261с.

2. Геологический атлас России масштаба 1: 10 000 000. Раздел 4. Экологическое состояние геологической среды // отв. ред. А.А. Смыслов. - М.; СПб., 1996.

3. Закономерности распределения и миграции радионуклидов в долине реки Енисей / Ф.В. Сухоруков [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, фил. «Гео», 2004. - 286с.

4. Бугаков, П.С. Агрономическая характеристика почв земледельческой зоны Красноярского края / П.С. Бугаков, В.В. Чупрова. - Красноярск, 1995. - 176с.

5. Крупкин, П.И. Черноземы Красноярского края / П.И. Крупкин. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2002. - 332с.

УДК 62.09.33; 62.13.99 О.С. Федорова, Т.В. Рязанова, И.А. Кириенко, А.И. Машанов

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕСТРУКЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ ИММОБИЛИЗОВАННОЙ МИКРОФЛОРОЙ ПРИ

РАЗНЫХ УРОВНЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ

Проведены лабораторные эксперименты в течение 6 недель, чтобы испытать биопрепараты для очистки нефтезагрязненной почвы. По результатам испытаний установлены микробные препараты, которые способны полностью разрушать нефть в почве, как со средним, так и высоким уровнем загрязнения. Отдать должное следует препаратам «Унисорб-био», которые понижают концентрацию нефти в образцах почвы более чем на 50% в течение двух недель.

Ключевые слова: иммобилизация, биодеструкция, биоремедиация, биопрепараты, полимерный сорбент.

O.S. Fedorova, T.V. Ryazanova, I.A. Kirienko, A.I. Mashanov

EFFECTIVENESS OF OIL PRODUCTS DESTRUCTION IMMOBILIZED BY THE MICROFLORA WITH DIFFERENT DEGREES OF POLLUTION

The results of 6-week laboratory experiments to test biopreparations for oil contaminated soil purifying are given in the article. In the course of experiments the microbic preparations which are capable to destroy fully oil in the soil both with medium and high degree of pollution are defined. Special attention must be given to “Unisorb-bio” preparations which decrease oil concentration in the soil samples by more than 50% within two weeks.

Key words: immobilization, biodestruction, bioremediation, biopreparations, polymeric sorbent.

Применяемые способы ликвидации нефтезагрязнений в основном относятся к механическим и физико-химическим, которые затратны и не позволяют восстановить биоценоз без нарушения естественных ландшафтов и дополнительного вреда экосистемам. Поэтому актуальна задача по разработке методов биологического окисления углеводородородов нефти, которые максимально приближены к естественным процессам и являются наиболее перспективными. Микробиологический метод рекультивации, основанный на применении высокоэффективных штаммов нефтеокисляющих микроорганизмов, выделенных из загрязненных природных объектов, широко применяется в практике рекультивационных мероприятий [I]. Эффективная

S1

биодеструкция углеводородов нефти, внесенной в почву микрофлорой, возможна лишь в тех случаях, когда созданы благоприятные условия для ее жизнедеятельности и развития (наличие биогенов, необходимый тепловой, водный и воздушный режимы и т.д.) [2-4].

Существенное значение для жизнедеятельности нефтеокисляющих микроорганизмов имеет и качественный состав нефтяного загрязнения. Различные фракции нефти, их сочетания по-разному влияют на микроорганизмы [1]. Поэтому применение каждого биопрепарата, имеющего в своем составе активные формы микроорганизмов, требует создания оригинальной технологии и строгого ее выполнения в процессе использования препарата. Для эффективной жизнедеятельности микроорганизмов необходимо создать благоприятную экологическую нишу, в которой они будет развиваться [3-5]. Создание такой ниши обеспечивает их иммобилизация на пористом материале.

Исследуемый метод ликвидации нефтезагрязнений и восстановления территорий предполагает внесение адаптированной культуры нефтеокисляющих штаммов (относятся к родам Micrococcus и Bacillus), иммобилизованных на сорбенте «Унисорб». Технология получения разработана в СибГТУ [ 6].

Сорбент обладает свойствами, соответствующими требованиям течения процесса нефтеокисления. Он имеет ряд перспективных преимуществ: большую нефтеемкость и пористость при значительной механической прочности, саморазлагается с течением времени; закрепляет внесенные клетки на месте розлива, предотвращает их вымывание по профилю; создает для клеток условия микроокружения, переводит нефть в пленку, облегчая доступ кислорода в зону загрязнения для дополнительной аэрации, достаточно гидрофилен; источник дополнительного минерального питания, корректирующий соотношение биогенов: углерода, азота и фосфора; как мелиорант структурирует почву.

Цель нашей работы - оценить эффективность аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов, иммобилизованных на полимерном пористом сорбенте, и коммерческого препарата «Ленойл».

Методика проведения эксперимента

Нефтеокисляющие штаммы выделяли из загрязненной почвы методом смыва и разделения на плотных агаризованных средах [7,8].

Биомассу штаммов нефтеокислителей (относятся к родам Micrococcus и Bacillus) получали в условиях жидкофазного глубинного культивирования на полусинтетических средах, содержащих нефть в качестве единственного источника углерода и энергии.

Биопрепарат (биосорбент, или «Унисорб-био») получали иммобилизацией нефтеокисляющих штаммов на сорбент капельным методом, из расчета не менее 108 кл/г. Для иммобилизации использовали полимерный сорбент «Унисорб» в виде гранул случайной формы размером 8-15 мм.

Для испытания каждого из препаратов использовали два сосуда по 100 г нефтезагрязненной почвы в каждом, а также два сосуда с контрольными образцами. Опыт был поставлен на двух уровнях нефтяного загрязнения низком (50 г/кг) и среднем (150 г/кг). Сосуды с образцами в течение опыта находились при температуре 20-23°С. Биопрепарат «Ленойл» вносили в жидком виде (титр 108 кл/г), аборигенные штаммы - в жидком и иммобилизованном на сорбенте («Унисорб-био», титр 106 кл/г).

Содержание нефтепродуктов в грунте определяли весовым методом после экстракции гексаном или хлороформом и отгонки растворителя [4]. Анализы почвы на содержание нефти и микроорганизмов проводили через 2, 4 и 6 недель.

Эффективность воздействия биопрепаратов рассчитывалась по отношению разрушенных (усвоенных) микроорганизмами нефтеуглеводородов к исходному их содержанию в образцах за время t, выраженному в процентах:

Эфф = ((Со - Ct)/Co) x100,

где Со - исходное содержание нефтепродуктов в грунте;

С - содержание нефтепродуктов в отборах образцов грунта.

Качественный состав нефтяных фракций до и после биодеструкции был проведен методом хромато-масс спектрометрии на приборе ICD-Plus (Heulett Paccard) USA [9].

Численность нефтеокисляющих микроорганизмов определяли на твердой среде Маккланга [7], в которую добавлялась нефть как единственный источник углерода и энергии. Подсчет микроорганизмов вели чашечным методом [8].

Результаты исследований и их обсуждение

Рассмотрение полученных экспериментальных данных проводилось по двум критериям оценки способности биопрепаратов к деструкции углеводородов нефти: критерий 1-й - по времени, в течение которого достигается 50% эффективность, т.е. по скорости расщепления углеводородов нефти; критерий 2-й - по максимальному снижению содержания углеводородов нефти в образцах почвы за 6 недель.

На рисунке 1 показана динамика остаточного содержания нефтепродуктов в почве с разной степенью начального загрязнения (а - 50 г/кг, б - 150 г/кг почвы) и формой внесения нефтеокисляющих штаммов.

н

8

о

р

Продолжительность процесса, нед

-контроль ——биосорбент —А—жидкийбиопрепарат

Продолжительность процесса, нед - контр оль —— биосор бент —А— жидкий биопр епар ат б

Рис. 1. Динамика содержания остаточной нефти в почве, обработанной биопрепаратом на основе аборигенных нефтеокисляющих штаммов: а - 50 г/кг; б - 150 г/кг

Результаты показали, что разовое внесение биопрепарата на основе аборигенных нефтеокисляющих штаммов (106 КОЕ/г почвы) позволяет снизить концентрацию нефтепродуктов в почве при низком уровне загрязнения (рис. 1, а) на 50% меньше, чем за две недели экспозиции. К концу шестой недели биологическая деструкция привела к утилизации практически 90% внесенной нефти, при этом форма внесения биопрепарата не оказала существенного влияния. В контрольном опыте 50% снижение нефтепродуктов наблюдается только через 6 недель. Снижение загрязнения в контрольном образце, возможно, происходит за счет активизации собственной микрофлоры почвы и фотохимического разложения легких фракций.

Результаты анализов остаточного содержания нефтепродуктов в образцах почвы со средним уровнем загрязнения (рис.1, б) показывают, что через две недели при одностадийной обработке почвы в сосудах 50%-го уровня эффективности снижения нефтепродуктов достиг жидкий биопрепарат, у биосорбента - 60%. Эта концентрация относится к разряду более токсичных, поэтому процессы биологической деструкции углеводородов замедляются. Через 6 недель остаточное содержание нефтепродуктов в почве составило 2025%, при чем при применении биосорбента эффективность более высокая. Иммобилизация микроорганизмов позволяет повысить эффективность процесса на 10%.

Для достижения максимальной степени очистки почвы от нефти со средним уровнем загрязнения были проведены эксперименты с рыхлением почвы. В качестве биодеструкторов использовали биосорбент и биопрепарат «Ленойл». Результаты приведены на рисунке 2. На рисунке 2,а представлена динамика содержания остаточной нефти без рыхления и с рыхлением почвы после внесения жидкого биопрепарата на основе аборигенных штаммов, а на рисунке 2,б - препарата «Ленойл».

Как видно из результатов (рис.2,а), при рыхлении почвы скорость процесса биодеструкции нефти значительно возрастает. К концу второй недели содержание остаточной нефти составляет 40%. Через 6 недель содержание остаточной нефти в случае рыхления составляет 20%, без рыхления 29%. Очевидно, что рых-

а

ление почвы создает более благоприятные условия для жизнедеятельности внесенных микроорганизмов, что позволяет сократить деструкцию на две недели. Эффективность действия биопрепарата «Ленойл» сравнима с действием биосорбента. Пятидесятипроцентный барьер был также преодолен через две недели после обработки, значение эффективности составило: «Унисорб-био» - 67%, «Ленойл» - 63%. В контрольной пробе к этому времени был достигнут только 50% барьер.

100

80

Е 60 е

£

•&

100 80

60

О

£

8 40

& 20

без р ыхления с р ыхлением

В внесенная нефть В 2 недели В 4 недели  6 недель

контроль "Унисорб-Био" "Ленойл"

I внесенная нефть И 2 недели О 4 недели  6 недель

а б

Рис. 2. Динамика содержания остаточной нефти в почве, обработанной биопрепаратом на основе аборигенных нефтеокисляющих штаммов «Унисорб-био» и «Ленойл»

Через 6 недель содержание остаточных нефтепродуктов в почве составило при обработке биосорбентом «Унисорб-био» 17%, биопрепаратом «Ленойл» - 23%. Однако следует учесть, что для достижения одинакового уровня эффективности (около 80%) при обработке «Ленойлом» необходимо вносить в 100 раз больше клеток нефтеокислителей, чем при использовании «Унисорб-био», так как титр их составлял 108 и 106 кл/г почвы соответственно. Таким образом, смешанная культура нефтеокислителей, иммобилизованная на сорбенте «Унисорб», обладает большой устойчивостью к повышенной концентрации углеводородов в среде, а также обеспечивает высокий уровень эффективности за короткий промежуток времени.

Исследования группового состава исходной и остаточной нефти после биодеструкции в течение шести недель биосорбентом «Унисорб-био», проведенные с использованием метода хромато-масс-спектрометрии (рис. 3), показали, что окисление нефти начинается сразу после попадания ее в почву.

30

20

10

0

1 2 3 4 5 6 7 8

Фракции

Р исходная нефть Д нефть после биодеструкции

Рис. 3. Динамика фракционного состава нефти при воздействии биосорбента «Унисорб-био»:

1 - С8-11; 2 - С12-15; 3 - С16-17; 4 - С18-21; 5 - С22-23; 6 - С24-26; 7 - С27-30; 8 - С31-35

Общими чертами этого процесса является быстрое разрушение метано-нафтеновых фракций, снижение содержания полициклических углеводородов в нафтеноароматической фракции, относительное увеличение доли смолистых веществ, переход части нефтяных компонентов в нерастворимые в органических растворителях формы.

0

Процесс деградации углеводородов в короткие сроки происходит не полностью, но эти условия позволяют полноценно развиваться некоторым растениям. Для определения токсичного влияния остаточных углеводородов в почве, в опытные сосуды вносили семена кресс-салата. Результаты показали, что в данном случае остаточные нефтепродукты не проявили токсичность. В контрольном опыте всходов нет, в почве после обработки биосорбентом «Унисорб-био» всхожесть - 100 %.

Таким образом, отмеченная выше способность биосорбента «Унисорб-био» быстро разрушать нефтепродукты в условиях высоких концентраций связана с физиологическими и биохимическими особенностями нефтеокисляющих микроорганизмов, иммобилизацией и разработанной технологией его применения.

Выводы

1. Показано, что наиболее полной деструкции нефтепродуктов можно добиться при обработке загрязненной почвы нефтеокисляющими микроорганизмами, иммобилизованными на полимерном пористом материале.

2. Наивысшей активностью деструкции нефти при сравнительно высоком (до 150 г/кг) уровне загрязнения обладал «Унисорб-био» при рыхлении почвы, способность которого к интенсивному разрушению нефти связана с физиологическими и биохимическими особенностями слагающих его микроорганизмов и благоприятными условиями жизнедеятельности.

3. Для достижения высокого уровня эффективности (около 80%) при обработке «Ленойлом» необходимо вносить в 100 раз больше клеток нефтеокислителей, чем при использовании «Унисорб-био».

4. При обработке биосорбентом деструкции подвергаются все фракции нефти. Полностью утилизируются фракции нефти с содержанием атомов углерода 8-15, происходит относительное увеличение фракций с числом атомов углерода 27-35.

5. Остаточное содержание нефтепродуктов в почве после обработки биосорбентом «Унисорб-био» не оказало токсичного воздействия на кресс-салат, всхожесть семян - 100%.

6. Для подтверждения полученных результатов необходимо провести исследования по изучению способности биопрепаратов к деструкции углеводородов нефти на различных нефтяных загрязнениях в реальных условиях, с определением воздействия биопрепаратов на различные фракции нефти.

Литература

1. Калыгин, В.Г. Промышленная экология / В.Г. Калыгин. - М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. - 240 с.

2. Королев, В.А. Очистка грунтов от загрязнений / В.А. Королев. - М.: Наука, 2001. - 365 с.

3. Кузнецов, А.Е. Научные основы экобиотехнологии / А.Е. Кузнецов. - М.: Мир, 2006. - 503 с.

4. Сравнительная эффективность деструкции нефтепродуктов различными биопрепаратами при разных уровнях загрязнения торфогрунтов / В.Г. Алехин [и др.] // Биологические ресурсы и природопользование: сб. науч. тр. - Нижневартовск: Изд-во Нижневарт. пед. ин-та, 1999. - Вып. 3. - С.96-106.

5. Другов, Ю.С. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов / Ю.С. Другов, А.А. Родин. - СПб.: Изд-во «Анатолия», 2000. - 250 с.

6. Стригунова, А.А. Получение пеносорбентов с заданными свойствами на основе карбамидных смол: дис. ... канд. техн. наук: 03.00.16 / А.А. Стригунова; Сиб. гос. технол. ун-т. - Красноярск, 2001. - 110 с.

7. Теппер, Е.З. Практикум по микробиологии: учеб. пособие для вузов - 5-е изд., перераб. и доп. / Е.З. Теппер, В.К. Шильникова, Г.И. Переверзева; под ред. В. К. Шильниковой.- М.: Дрофа, 2004. - 256 с.

8. Практикум по микробиологии: учеб. пособие для студ. высш. учеб заведений / А.И. Нетрусов [и др.]; под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Академия, 2005. - 608 с.

9. Федорова, О.С. Получение комбинированного биопрепарата для борьбы с нефтяными загрязнениями на основе иммобилизированной аборигенной микрофлоры: дис. ... канд. техн. наук. / О.С. Федорова. -Красноярск, 2005. - 183 с.