Использование биопрепаратов на основе природных цеолитов и биогумуса при очищении нефтезагрязненных почв Апшеронского п-ва

BIOLOGICAL SCIENCES

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНЫХ ЦЕОЛИТОВ И БИОГУМУСА ПРИ ОЧИЩЕНИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ АПШЕРОНСКОГО П - ВА

Гасымова А.С.

Институт Микробиологии НАН Азербайджана, кандитат биологических наук, научный сотрудник

USE OF BIOLOGICAL PRODUCTS BASED ON NATURAL ZEOLITES AND BIOHUMUS IN CLEANSING CONTAMINATED SOILSABSHERONPENINSULA

GasimovaA.S., Institute of Microbiology Azerbaijan NAS.PhD of biological sciences, researcher

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются пути очистки нефтезагрязнённых почв Апшеронского п-ва от загрязнения нефтью и нефтепродуктами и повышение их эффективного плодородия. Для улучшения экологической обстановки предлагается разработка биопрепаратов на основе биогумуса- продукта переработки органических отходов дождевыми червями, а также цеолитов. Полученные результаты могут быть перспективными для процессов биоремедиации нефтезагрязненных почв.

ABSTRACT

This article discusses ways to clean contaminated soil Absheron Peninsula from oil pollution and oil products and increasing of their efficient fertility. For improvement ecological situation is proposed the development of biological products on the basis of biohumus- product recycling of organic waste by earthworms, and zeolites. The results can be promising for the process of bioremediation of oil-contaminated soil.

Ключевые слова: нефтяные сорбенты, биогумус, цеолитнефте загрязненные почвы, углеводоро-докисляющие микроорганизмы, активный ил, биопрепарат

Keywords: oil sorbents, vermin compost, zeolite oil-contaminated soils, hydrocarbon-oxidizing microorganisms, activated sludge, biological product.

Загрязненная почва в результате резкого снижения биологической продуктивности и физико-химических свойств не способна полноценно выполнять свои экологические функции. Загрязнение нефтью влияет на весь комплекс физико -химических, биологических свойств почв, определяющих их плодородие. Поэтому в настоящее время всё большее значение приобретает разработка различных методов очистки нефтезагрязнённых земель. Разработка средств очистки почвы от нефтяных углеводородов, представляет собой активно развивающиеся направления экологии и биотехнологии. Среди различных методов имеет место биологическая очистка почв с помощью сорбентов, микроорганизмов и т.д. Для ликвидации разливов нефти, используются около двух сотен различных сорбентов, которые подразделяют на природные органические сорбенты, неорганические и органоминеральные, а также синтетические. Качество сорбентов определяется, главным образом, их емкостью по отношению к нефти, степенью гидрофобности (ненамока-емости в воде), плавучестью после сорбции нефти, возможностью десорбции нефти и регенерации или утилизации сорбента. Для производства нефтяных сорбентов применяют самое разнообразное сырье [10; 12; 6]. К преимуществам сорбционного метода относят возможность удаления загрязнений любой природы практически до любой остаточной концентрации, а также управляемость процессом. Значительное количество биопрепаратов основано на адсорбции углеводородокисляющих микроорганизмов на различных адсорбентах.

Общепризнанным является тот факт, что гумус и важнейшая его часть - гуминовые кислоты - определяют основные свойства почв и их плодородие. В этой связи разрабатываются и используются различные гуминовые кислоты в качестве адсорбентов и катализаторов микробного разложения нефтепродуктов в почве. Например, используется гумино-вый сорбент под торговым названием «гумигель», который способен активизировать деятельность почвенных микроорганизмов, тем самым ускоряя процесс очистки почв от нефтяного загрязнения [8].

В качестве сорбента использовали биодеграда-бельный сорбент на основе растения пушицы (Erюphorwnvagmatum) [6]. Предложены технологии обработки почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, сорбентами растительного происхождения величиной нефтепоглощения 20-35 г/г сорбента, «DULROMAB SORB » [4].

Для очистки поверхности вод одним из эффективных сорбентов используется природный цеолит характеризующий высокой емкостью поглощения [10].

Целью наших исследований является разработка биопрепаратов для очистки почв на территории Апшеронского п-ва. от загрязнения нефтью и нефтепродуктами и повышение их эффективного плодородия. В основу разработки биопрепаратов для очистки почв от нефти и нефтепродуктов нами были выбраны цеолит, биогумус и полифункциональные микроорганизмы.

Нами изучена возможность получения нефте-сорбентов на основе биогумуса - продукта переработки органических отходов дождевыми червями, а также цеолитов.

Объекты и методы.

В качестве цеолита использовали цеолит Ай-дагского месторождения (Азербайджан, район То-вуз).

В лабораторных условиях с использованием красных калифорнийских червей, при переработке навоза крупного рогатого скота был получен биогумус.

Основным показателем, характеризующим эффективность сорбентов в очистке нефтезагрязнен-ных экосистем, является адсорбционная нефтеем-кость - способность поглощать максимально возможное количество адсорбата единицей массы адсорбента. Ее оценку проводили по ТУ 21410942238-03-95.

В качестве источника полифункциональных микроорганизмов, включающих углеводородокис-ляющие и целлюлозоразлагающие микроорганизмы, использовали активный ил, отобранный из Гоусанинской аэраторной станции, а также биоценоз углеводородокисляющих микроорганизмов, выделенных из нефтезагрязненных почв региона.

Известно, что штаммы микроорганизмов, являющиеся перспективными для процессов биоре-медиации нефтезагрязненных экосистем должны быть нетоксичными для живых организмов [11;2]. Для исключение негативного воздействия микро-

организмов на биологическую активность почвенной биоты на первом этапе нами изучена фитоток-сичность микроорганизмов активного ила. Изучение токсичности микроорганизмов активного ила проводили на семенах кукурузы и кресс-салата, так как растения особенно чувствительны к факторам внешней среды в ранние периода роста, когда прорастает семя и формируется проросток [5]. Оценку фитотоксичности штаммов осуществляли по методу Берестецкого [1].Для оценки степени токсичности использовали суспензии культур микроорганизмов с титром 107КОЕ/мл. Семена тест-культуры (кукурузы и кресс-салата) проращивали в течение 8 суток во влажных камерах на фильтровальной бумаге с добавлением 20 мл воды и 1 мл исследуемых бактериальных суспензий при постоянной температуре. В качестве контроля использовали испытуемые семена, не обработанные культуральной суспензией. Наличие в испытуемом образце фитоток-синов определяли по проценту проросших семян кукурузы и кресс-салата.

Результаты и обсуждение

В процессе исследования воздействия суспензии микроорганизмов на прорастание семян кукурузы не были обнаружены различия между микробиоценозом активного ила и биопрепаратом нефте-окисляющих микроорганизмов по признаку токсигенности. Ни один из исследуемых микробиоценозов полностью не подавлял прорастание семян растений (рис. 1 а-б).

1 2 3 4 5 Варианты опыта

89

о?

°х 88,5 к

§ 88 .о

8 87,5

О)

£ 87

о го

° 86,5

с

86

А

^ 91

0s

£ 90

s

<u

° 89

88

о о

<u

Я 87

О

го

О С

86

85

ЕВ

3

Варианты опыта

Б

Рис. 1. Оценка токсичности исследуемых штаммов по проращиванию семян (%): а) кукурузы; б) кресс-салата (1 -контроль; 2-3 активный ил Гоусанинской аэраторной станции; 4-5-биопрепарат

нефтеоксляющих микроорганизмов.

1

2

4

5

Таким образом, результаты исследований по изучению эмульгирующей и деструкционной активности, а также фитотоксичности выделенных из активного ила очистных станций микроорганизмов и биопрепарата нефтеокисляющих микроорганизмов показывают, что штаммы бактерий могут быть эффективны для разработки биотехнологии очистки нефтезагрязненных почв.

На следующем этапе активный ил был использован для разработки модифицированного биопрепарата. С этой целью биогумус и цеолит модифицировали путем смешивания с 3% соапстоком (отходы при переработке растительных масел) и 3% СОПО (сырые остатки первичных отстойников). Для иммобилизации микробиоценоз активного ила перемешивали с 10 г сорбента - биогумусом и цеолитом с помощью мешалки в течение 1 часа. Затем сорбент выдерживали в суспензии без перемешивания в течение 1 часа. После иммобилизации суспензию пропускали через сито с размером ячеек 0,5 мм для отделения сорбента от жидкой среды. Сорбент сушили под инфракрасной лампой в течение 6 часов. Численность иммобилизованных на сорбенте

Эффективность биопрепаратов на основе цеоли

бактериальных клеток, определенная методом посева на плотную питательную среду, составила 2.52.7 109кл/г.

Для проведения модельных полевых опытов использовали модифицированные биопрепараты с иммобилизованными бактериальными клетками. Полученные биопрепараты вносили в загрязненную почву в количестве 10об.%. Затем почву помещали в термостат при температуре 250С. Время культивирования почв - 60 дней. В почве влажность поддерживали на уровне 50-60% от полевой влаго-емкости. Через два месяца в почве определяли остаточное содержание нефти гравиметрическим методом. Как известно из литературных данных, что внесение в почву структурообразующих субстратов, таких как опилки, торф и т.д., благотворно влияет на биоремедиацию, поскольку такие субстраты, во-первых, служат сорбентами нефтепродуктов, а во-вторых, улучшают аэрацию почвы [9]. Полученные результаты также подтверждают это. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица. 1.

и биогумуса на разложение нефти в серо-бурой

Варианты Концентрация нефти, гр./1кг почвы Разложение, %

В начале Через 3 месяца

Почва(контроль) 30 28 7

Почва+цеолит йй 25 17

Почва+цеолит+соапсток йй 20 34

Почва+цеолит+СОПО йй 18 40

Почва+цеолит+соапсток+АИ йй 9 70

Почва+цеолит+СОПО+АИ йй 6 80

Почва+биогумус йй 22 29,7

Почва+биогумус+соапсток йй 11 65,1

Почва+биогумус+СОПО йй 10 66,7

Почва+биогумус+соапсток+АИ йй 3 90,0

Почва+биогумус+СОПО+АИ йй 2 93,7

Примечание: СОПО-сырые остатки первичных отстойников; АИ-активный ил.

Как видно из данных табл. 4 внесение цеолита и биогумуса способствовало значительному ускорению процесса разложения нефти в почве. Во всех случаях гидрофобизация цеолита и биогумуса соап-стоком и СОПО заметно повышало скорость разложения в почве нефти. Вместе с тем модифицированный биогумус способствовал по сравнению с модифицированным цеолитом значительно более высокой скоростью разложения нефти. Это связано с тем, что в самом биогумусе в отличие от цеолита содержатся органические соединения, в том числе биологически активные соединения, способствующие активизации нефтеокисляющих микроорганизмов.

Адгезия на поверхности модифицированных соапстоком и СОПО цеолита и биогумуса клеток микроорганизмов активного ила еще более повышало скорость разложения нефти в почве. Этот эффект можно объяснить двумя факторами:

• функциональной деятельностью углеводо-родокисляющих микроорганизмов, обладающих способностью к разложению углеводородных компонентов нефти и нефтепродуктов, входящих в состав активного ила, адсорбированных на носителях;

• эмульгирующей способностью ПАВ, содержащихся в составе СОПО и соапстоке, а также биосурфактантов микробного происхождения, продуцентами которых являются микроорганизмы активного ила. Сурфактанты, в том числе микробного происхождения не только эмульгируют углеводородные соединения, но также дают возможность клеткам микроорганизмов прилипать к гидрофобным субстратам [13; 14].

Цеолит, биогумус и АИ имеют комплексный состав, поэтому при смешивании их взаимодействие вызывает большое число реакций. Цеолит и органическое вещество - биогумус и органическое по своей сути АИ различны по своей природе. Активный ил является активатором аборигенной микрофлоры, благоприятно влияет на биологические свойства почвы, возвращая, к исходному уровню активность окислительно-восстановительных гидролитических ферментов и служат энергетическим материалом для почвенной микрофлоры, благодаря чему происходит мобилизация питательных веществ [7]. Под действием микроорганизмов АИ определенные вещества биогумуса могут разлагаться (например, белки, сахара и др.), попадать в окружающую среду и оказывать определенное воздействие на процесс самоочищения.

Таким образом, проведенные исследования говорят о потенциальной возможности применения разработанных биопрепаратов на основе модифицированных биогумуса и цеолита в технологиях биоремедиации почв от нефти и нефтепродуктов и восстановления их плодородия. Полученные результаты могут стать основой для разработки комплексной природоохранной технологии очистки почв, в той или иной степени загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

Литература.

1. Берестецкий О.А. Изучение фитотоксиче-ских свойств микроскопических грибов //Методы экспериментальной микологии. Киев, Наукова думка, 1982. - с.321-333.

2. Вельков В.В. Стандартизация формата описаний промышленных технологий биоремедиа-ции // Биотехнология. - 2001, № 2. - с.70 -76.

3. Киреева Н.А. и др.Комплексная биореме-диация нефтезагрязненных почв для снижения токсичности // Биотехнология. - 2004. - № 6. - с. 6370.

4. Консейсао Аугусто Агостино да. Разработка новых сорбентов и адгезионных нефтесборщиков для сбора аварийных разливов нефти. //Авт.дисс... д.т.н. Уфа, 2008. -45с.

5. Логинов О.Н., Силищев Н.Н., Бойко Т.Ф., Галимзянова Н.Ф. Биотехнологические методы очистки окружающей среды от техногенных загрязнений. Уфа: Гос. изд. научно-тех. литературы «Реактив», 2000.-100 с.

6. Нечаева И.А. Биодеградация углеводородов нефти психотрофными микроорганизмами - деструкторами //Автореф. Дисс....к.б.н. Пущино, 2009.-21с.

7. Полянскова Е.А., Евремова С.Ю. Исследование приемов рекультивации нефтезагрязненных почв. // Научно-методический журнал «ХХ1 век-итоги прошлого и проблемы настоящего. Серия Экология. Пенза, 2012.- с. 268-271.

8. Пуцыкин Ю.Г., Шаповалов А.А. Использование гуминовых сорбентов для решения экологических проблем // Транспорт и хранение нефтепродуктов, 2003. №11. с. 17-18.

9. Рахимова Э.Р., Осипова А.Л., Зарипова С.К. Очистка почвы от нефтяного загрязнения с использованием денитрифицирующих углеводородо-кисляющих микроорганизмов //Прикладная биохимия и микробиология 2009.-Т 40.-№6.

10. Сироткина Е.Е., Новоселова Л.Ю. Материалы для адсорбционной очистки воды от нефти и нефтепродуктов // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. №13.-с.359-377.

11. Фомин Г.С., Фомин А.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам. Справочник. - М.:Изд-во «Протектор», 2001. - 304 с.

12. Kutchin A., Demin V., Shubnitcina E., Sazo-nov M. Protection of ground and water areas with use natural adsorbents. London:Thomas Telford, 2000.^2.-1486р.

13. Oberbremer A., Muller-Hurtig R. Aerobic stepwise hydrocarbon degradation and formation of bi-osurfactants by an original soil population in a stirred reactor Appl. Microbiol, and Biotechnol. 1989. - V. 31. № 5-6. - P. 582-586.

14. Zhang Y., Miller R.M. Effect of a Pseudomonas rhamnolipidbiosurfactant on cell hydophobicity and biodegradation of octadecane // Appl.Environ.Mi-crobiol.1994. -T60 .-p.2101-2106.