Влияние биологически активных веществ на токсикологические характеристики нефтезагрязненных почв в ходе их рекультивации

УДК 628.3

М. В. Мадякина, Е. Г. Полескова, М. В. Шулаев, А. М. Петров

ВЛИЯНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ В ХОДЕ ИХ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

Ключевые слова: нефтезагрязненная почва, биологически активные вещества, гуминовый препарат, Мелафен.

Проведены экспериментальные исследования перспективности применения биологически активных веществ (гуминового препарата и препарата Мелафен) для детоксикации нефтезагрязненных почв Республики Татарстан. В ходе двухмесячного эксперимента определено изменение токсикологических характеристик, класса опасности исходных и обработанных исследуемыми препаратами нефтезагрязненных почв.

Keywords: oil contaminated soil, biologically active substances, humic preparation, Melaphene.

The experimental study ofperspective using of biologically active substances - humic preparation and Melaphene - for oil-contaminated soil detoxification of Tatarstan Republic was carried out. During the two-month study the change of toxicological characteristics, hazard categories of original and treated with test preparations oil-contaminated soils was determined.

Введение

Нефтяное загрязнение отличается от других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постоянную, а «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. При оценке последствий такого загрязнения не всегда можно однозначно судить о возможности возврата экосистемы к ее устойчивому состоянию. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме большой вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении [1].

В настоящее время активно ведутся исследования в области искусственного стимулирования аборигенных нефтеокислящих микроорганизмов. Применение биологически активных веществ при рекультивации почв, в сравнении с внесением штаммов микроорганизмов, является более предпочтительным ввиду того, что такие препараты не оказывают токсичного действия на флору и фауну, не содержат генетически синтезированных бактерий и не требуют дополнительных мероприятий по очистке почвы после окончания их действия [2].

Изучение действия биологически активных веществ, используемых в сверхнизких концентрациях, которые по своим свойствам близки к природным регуляторам роста, представляет особый интерес для специалистов в области биотехнологии для решения задач в области защиты окружающей среды [3].

Целью исследования был изучение влияния внесения биологически активных веществ гуминового препарата и препарата «Мелафен» на токсикологические характеристики (понижение класса опасности) нефтезагрязненных почв Альметьевского района Республики Татарстан (НЗП) в процессе их рекультивации.

Материалы и методы

Объектом исследования являлись нефтезагрязненные почвы Альметьевского района Республики Татарстан, отобранные через Х недель после их загрязнения. Содержание нефтепродуктов в почве составляло 6 % по массе.

Образцы почв предварительно

подсушивались, из них удалялись корни растений. Пробы просеивались через сита Винклера с диаметром ячеек 3 мм.

Для проведения опыта использовались пластиковые ёмкости размером 8х11х7см. В три таких емкости загружали по 200 г сухой НЗП.

Для моделирования процесса

рекультивации НЗП с помощью гуминового препарата готовился его 10 %-ный раствор и вносился и вносился в в образцы из расчета 1,5 % массы сухого вещества почвы. В опытных вариантах производилась однократная обработка НЗП в начале эксперимента. После внесения гуминового препарата нефтесодержащие почвы тщательно перемешивались. В качестве контроля использовались почвенные образцы, в которые вносилась аликвота дистиллированной воды.

Для обработки НЗП с помощью мелафена готовился его раствор с концентрацией 10-4 г/дм3. Раствор вносился при тщательном перешивании в каждую емкость с НЗП из расчета на начальную концентрацию препарата мелафена в почве 10-6 г/кг. Повторность последующих обработок раствором препарата - 10 дневная [3].

Время проведения эксперимента составляло 60 суток. Результаты оценивались по изменению токсикологических свойств опытных и контрольных образцов НЗП экспериментальным методом согласно [4]. В качестве тест-объектов были использованы инфузории Paramecium caudatum [5] и рачки Ceriodaphnia affinis [6].

При биотестировании определялись кратность разбавления, при которой устраняется вредное воздействие (Кр10) и безвредная концентрация (LCi0).

Синтетический препарат мелафен -представляет собой меламиновую соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты, является стимулятором роста растений. Химическая формула соли представлена на рис. 1 [7].

nh2

N

N

H2N

N'

NH2

O II

HO—P—CH2OH CH2OH

Рис. 1 - Химическая формула препарата Мелафен

Мелафен применяется в различных отраслях науки - биологии, медицине, биотехнологии, в сельском хозяйстве. В почве препарат полностью утилизируется (разлагается) на воду и соли азота и фосфора [8, 9].

Препарат мелафен не обладает токсическим, мутагенным, ДНК-повреждающим, генотоксическим действием в широком диапазоне исследованных концентраций от 0.46.10-9 М до 0.46.10-3 М [10]. Установлено, что препарат относится к IV классу - незначительно опасные вещества со слабо выраженной кумуляцией. Препарат не обладает раздражающим и сенсибилизирующим действием, острой ингаляционной токсичностью, тератогенным и эмбриотоксическим действием [11, 12].

Для приготовления препарата

использовалась дистиллированная вода, рабочие концентрации составляли 10-6 г/дм3.

Гуминовые кислоты - органические вещества, извлекаемые из природных продуктов (торф, бурый уголь, каменный уголь, сапропель) и лигносульфоната (побочный продукт переработки древесины) водными растворами щелочей. Гуминовые кислоты влияют на органолептические свойства воды (запах, цвет), ускоряют коррозию металла, влияют на химический состав воды (снижают содержание кислорода, влияют на ионные и фазовые равновесия) [13].

Гуминовый препарат - суспендированное комплексное гуминовое удобрение. Его состав включает в себя макро- и микроэлементы, природные стимуляторы роста - гуминовые и фульвиновые соединения. Гуминовый препарат представляет собой пастообразное вещество темно-коричневого цвета. Препарат малотоксичен, IV класс опасности. Химическая формула гуминовой кислоты по Д. С. Орлову представлена на рис. 2.

Готовили раствор гуминового препарата с концентрацией 10 %. Для этого брали 48,33 г гуминового препарата и разводили его в 155 мл стерильной дистиллированной воды.

Готовили раствор гуминового препарата с концентрацией 10 %. Для этого брали 48,33 г гуминового препарата и разводили его в 155 мл стерильной дистиллированной воды.

Рис. 2 - Гипотетическая формула гуминовой кислоты по Д.С. Орлову: А - негидролизуемая часть, В - гидролизуемая часть

Обсуждение результатов

Биотестирование водной вытяжки из исходных образцов НЗП показало, что при использовании в качестве тест-объекта инфузорий Paramecium caudatum двухкратное разбавление приводило к устранению ее вредного воздействия (расчетная Крю=1,7, LCi0=58,6%).

Действие водной вытяжки на тест-объект Ceriodahpnia affinis было более выражено и устранялось только при разведении исходной пробы в 172 раза (Кр10), безвредная концентрация (LC10) составляла 0,58%. Таким образом, согласно [4] исходная НЗП может быть отнесена к отходу III класса опасности.

Проведеный расчет класса опасности по исходному физико-химическому составу НЗП, согласно приказа Министерства природных ресурсов Российской Федерации № 511 от 15.06.01 [4] показал, что результаты расчетов совпали с экспериментальными данными и которые подтвердили отнесение НПЗ к III классу опасности.

Биотестирование, проведенное на 30 и 60 сутки эксперимента показало, что вытяжка из контрольных и опытных образцов НЗП не обладает вредным воздействием на инфузорий -выживаемость Paramecium caudatum в ней составила 100%.

В тоже время, если в контрольных вариантах по результатам тестирования на Ceriodaphnia affinis не зарегистрировано достоверное снижение токсикологических свойств НЗП, то в опытных вариантах обработанных препаратом «Мелафен» и гуминовым препаратом уже на 30 сутки наблюдалось снижение токсического действия водной вытяжки на гидробионтов (табл. 1). Увеличение времени инкубации проб до 60 суток привело к еще более выраженному снижению токсичности НЗП.

После обработки гуминовым препаратом и препаратом «Мелафен» класс опасности образцов НЗП снизился с III до IV.

Следует отметить, что кратность разбавления водной вытяжки, при которой устраняется вредное воздействие на живые организмы снизилась в среднем в 17-18 и 19-24 раза соответственно к 30 и 60 суткам эксперимента. Наиболее выраженное положительное воздействие на почвенный микробиоценоз НЗП проявил

препарат «Мелафен» активность которого была 1,3 раза выше, чем гуминового препарата.

Таблица 1 - Изменение токсикологических характеристик водных вытяжек из НЗП в ходе лабораторной рекультивации в присутствии биологически активных веществ

Время инкубации, сутки «Мелафен» Гуминовый препарат

Крю LCi0,% Крю LCj0,%

0 172,0 0,58 172,0 0,58

30 10,0 10,0 9,4 10,7

60 7,1 14,1 8,7 11,5

Выводы

1. С целью уменьшения антропогенного воздействия на окружающую природную среду при нефтедобыче, восстановления природных ресурсов в лабораторных условиях экспериментально исследована возможность снижения класса опасности НЗП Альметьевского района Республики Татарстан с использованием препарата «Мелафен» и гуминового препарата.

2. Экспериментальным и расчетным методами определено, что исходно изученные НЗП можно отнести к III классу опасности отходов. Показано совпадение экспериментальных и расчетных результатов.

3. Экспериментально показана перспективность использования испытанных препарата «Мелафен» и гуминового препарата для повышения активности аборигенной почвенной микрофлоры, ускорения снижения техногенного воздействия нефтяных загрязнений.

4. Показано, что применение испытанных биологически активных веществ позволяет в течение 30 суток снизить класс опасности с III до IV, при исходном содержании нефтепродуктов в НЗП до 6%.

Литература

1. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Нефтяные сорбенты, Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005, 268 с.

2. К.А. Захарова. Дисс. канд. техн. наук, Казанский государственный технологический университет, Казань, 2008, 172 с.

3. Е.О. Михайлова, С.В. Ахмадиева, Л.И. Хабибуллина, М.В. Шулаев, Вестник Казанского технологического унуниверситета №7, 184-187 (2011).

4. Об утверждении критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды: приказ Министерства природных ресурсов Российской Федерации № 511от 15.06.01. - М., 2001 - 4 с.

5. ФР.1.39.2007.03221. Методика выполнения измерений. Биологические методы контроля. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний. Федеральный реестр [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://law7.ru/russia/government2q/r515.htm, свободный. Проверено 08.04.2014.

6. ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06, ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.10-06 Методика определения токсичности отходов, почв, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод методом биотестирования с использованием равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg.

7. Пат. РФ 2158735, (2000).

8. С.Г. Фаттахов, В.С. Резник, А.И. Коновалов В сб. научных трудов 13-ой международной конференции по химии соединений фосфора, СПб., 2002, 80.

9. С.Г.Фаттахов, Н.Л. Лосева, А.И Коновалов, В.С. Резник, А.Ю. Алябьев, О.А. Кашина, Л.Х. Гордон Доклады АН, Т. 394., № 1, 127-129 (2004).

10. Маргулис А.Б, Ильинская О.Н. В сб. материалов Всероссийского семинара-совещания «Состояние исследований и перспективы применения регулятора роста растений нового поколения «Мелафен» в сельском хозяйстве и биотехнологии», Казань: Школа, 2006, 150.

11. А.И. Хисамова, Н. А. Югина, Е. О. Михайлова, М. В. Шулаев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 10, 201 - 203 (2013).

12. М.Я. Тремасов, А.И. Сергейчев, Э.И. Семенов В сб. материалов Всероссийского семинара-совещания «Состояние исследований и перспективы применения регулятора роста растений нового поколения «Мелафен» в сельском хозяйстве и биотехнологии». -Казань: Школа, 2006, 143.

13. А. И. Горовая, Д. С. Орлов, О. В. Щербенко Гуминовые вещества. Киев: Наук. думка, 1995, 304 с.

© М. В. Мадякина - аспирант каф. химической кибернетики КНИТУ, scarlett-lynx@mail.ru; Е. Г. Полескова - магистр кафедры химической кибернетики КНИТУ, alyona_poleskova@mail.ru; М. В. Шулаев - д-р. техн. наук, профессор каф. химической кибернетики КНИТУ, mshulaev@mail.ru; А. М. Петров - канд. биол. наук, зав. лабораторией экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования АН РТ, zpam2@rambler.ru.

© M. V. Madyakina - postgraduate student of the Department of chemical Cybernetics, KNRTU, scarlett-lynx@mail.ru; H. G. Poleskova - graduate student of the Department of chemical Cybernetics, KNRTU, alyona_poleskova@mail.ru; M. V. Shulaev -Doctor of technical sciences (Full Professor), Professor of the Department of chemical Cybernetics, KNRTU, mshulaev@mail.ru; 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.