Н.Н.Терещенко, С.В.Лушников, Е.В.Пышьева

ООО "НТО "Приборсервис", г.Томск

[ Экология и промышленность России, октябрь 2002г. ]

Одной из серьезных проблем защиты природной среды при нефтегазодобыче является ликвидация нефтяного загрязнения почвы. Нефть и нефтепродукты нарушают экологическое состояние почвенных покровов и в целом деформируют структуру биоценозов [1,2]. Устранение разливов нефти позволяет значительно улучшить санитарное состояние не только на территориях, непосредственно прилегающих к технологическим объектам, но и окружающей среды — воздуха и воды [3].

Интенсивность и характер разложения нефтяных углеводородов в почве в основном определяется функциональной активностью углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), способных усваивать нефть в качестве единственного источника углерода [4,5].

Торфяные почвы северных регионов, согласно проведенным авторами исследованиям, содержат значительное количество УОМ, численность которых после нефтеразливов может возрастать на 2-3 порядка и составлять не менее Ю7 10s клеток на 1г почвы. Микрофлора торфяников, развивающаяся в условиях полуразложившейся органики, обладает высокой деструктивной активностью и не нуждается в длительном адаптивном периоде в случае загрязнения почвы нефтепродуктами [6].

В связи с этим широко используемый в настоящее время способ биологической очистки нефтезагрязненных почв, предполагающий внесение моно- и поликультур нефтеусваивающих микроорганизмов, целесообразно применять, с точки зрения получения наименьших ресурсозатрат, только для минеральных почв или в условиях интенсивной очистки почв на специально оборудованных технологических площадках.

Внесение культур нефтеусваивающих микроорганизмов в торфяные почвы северных регионов не оправдано не только с экономической, но и с экологической точки зрения. Если учесть, что максимальный титр клеток УОМ в любом жидком или на твердом носителе биопрепарате не превышает 10К-Ю1* клеток на I мл (г), внесение его в дозе 100-200кг на 1га почвы при обработке ее на глубину 20-30см обеспечивает плотность микробной культуры не более \W-101 клеток на 1г почвы. Это примерно в 10 тыс. раз меньше, чем плотность аборигенной нефтеусваивающей микрофлоры торфяной почвы [7]. Чрезвычайно низкий титр интродуцированной микробной культуры приводит к быстрой ее элиминации из состава микробного ценоза почвы по причине конкуренции с доминирующими аборигенными видами.

Поэтому при решении проблемы рекультивации нефтезагрязненных торфяных почв более целесообразным представляется разработка способов стимулирования активности аборигенной нефтеусваивающей микрофлоры загрязненного грунта, не требующих трудоемких, дорогостоящих операций, связанных с выделением, культивированием и внесением углеводородокисляющей культуры микроорганизмов.

Один из таких способов (приоритетная справка от 18.05.02) был разработан НТО "Приборсервис". В основу способа положено применение природных алюмосиликатных минералов, обогащенных необходимым для почвенных микроорганизмов комплексом микроэлементов и обладающих благодаря своей высокопористой структуре большой площадью активной поверхности, обеспечивающей одновременно сорбцию углеводородов нефти и адгезию клеток нефтеусваивающих микроорганизмов из почвы. Такое совмещение в одном объеме углеводородного субстрата и агентов его трансформации при наличии достаточного количества азота, фосфора и необходимых микроэлементов способствует формировав нию в загрязненном грунте центров активной деструкции веществ загрязнителей.

Кроме того, высокие концентрации углеводородных поллютантов в почве приводят к расширению соотношения углерода и азота и частичной гипоксии, что способствует 1,5-2 -кратному усилению в нефтезагрязненной почве процессов микробиологической азотфиксации. Введение в нефтезагрязненную почву минерала-мелиоранта, содержащего в составе микроэлементного комплекса молибден, обеспечивает максимальный уровень не-симбиотической азотфиксации в грунте за счет активации нитрогеназного ферментного комплекса азотфиксирующих бактерий.

Согласно экспериментальным данным применение минерала-мелиоранта в количестве 2т на 1га торфяной почвы, степень загрязнения которой нефтепродуктами составляет 15% при фоновом содержании азофоски 1т, обеспечило очистку почвы на 85-88% в течение одного летнего месяца. При этом внесение минерала-мелиоранта вместе с препаратом нефтеусваивающих микроорганизмов не обеспечило дополнительного положительного эффекта. Показатели численности углеводородокисляющих микроорганизмов, уровня азотфиксации и степени очистки в обоих вариантах значительно не различались (табл. 1).

Таблица 1.
Влияние минерала-мелиоранта и поликультуры нефтеусваивающих микроорганизмов на интенсивность процессов микробиологической деструкции нефти в торфяной почве

Исследуемый образец почвы Численность УОМ, млн.клеток/1г Активность азотфиксации, % Степень деструкции нефти, % с минералом-мелиорантом 139,7 10088 85-88 с минералом-мелиорантом и микробным препаратом 100,4 83-86

В целях определения эффективности применения минерала-мелиоранта для очистки почвы с высокой степенью загрязнения нефтепродуктами (25-30%) было проведено исследование трех образцов почвы: с минералом-мелиорантом (2,5т/га); с минералом-мелиорантом и микробным препаратом (2,5т/га); без минерала-мелиоранта (контрольный образец).
Минерал-мелиорант применяли при фоновом содержании аммиачной селитры 600кг/га и суперфосфата 1т/га.
Визуальные наблюдения за состоянием нефтезагрязненного грунта показали резкое скачкообразное изменение структуры грунта примерно через 5-6 сут после начала опыта. При этом исходная пастообразная, маслянистая масса грунта приобрела более рассыпчатую, рыхлую структуру.

Микробиологический анализ численности УОМ в контрольных и опытных образцах грунта показал, что максимальное количество УВ-окисляющих микроорганизмов в первые 7-10 суток опыта было установлено при использовании чистого минерала-мелиоранта без микробного препарата. Численность УОМ при контрольном варианте и применении минерала-мелиоранта с микробным препаратом была почти в 5 раз ниже. Активность азотобактера во всех исследованных образцах в этот период была довольно высокой. Внесение минерала-мелиоранта в обоих случаях привело к усилению азотфиксации (табл.2).

Таблица 2.
Динамика численности УВ-окисляющих микроорганизмов и активность азотобактера в нефтезагрязненном грунте

Исследуемый образец почвы Продолжитель- ность наблюдений Количество УОМ, тыс.клеток/1г Активность азотобактера, % контрольный 7-10 суток 12580 76,5 с минералом-мелиорантом - 62330 100 с минералом-мелиорантом и микробным препаратом - 13500 100 контрольный 2,5-3 мес. 7,5 0 с минералом-мелиорантом - 15,4 0 с минералом-мелиорантом и микробным препаратом - 11,9 0 контрольный 4-4,5 мес. 2075,0 0 с минералом-мелиорантом - 3550,3 0 с минералом-мелиорантом и микробным препаратом - 2001,0 0

Согласно данным химического анализа на 10-е сутки от начала опыта наибольшее количество остаточной нефти было обнаружено в случае контрольного варианта, а наименьшее - при использовании минерала-мелиоранта. В соответствии с этим наибольшая степень деструкции нефти была получена при использовании минерала-мелиоранта (47-53%), а наименьшая - при контрольном варианте (32,3%).
Микробиологический анализ численности УОМ спустя 3 месяца от начала опыта показал резкое уменьшение количества УВ-окисляющих микроорганизмов в исследуемом грунте всех вариантов.

По-видимому, это обусловлено сокращением в составе нефти легкодоступных парафинонафтеновых низкомолекулярных углеводородов и исчерпанием биогенных элементов. Кроме того, велика вероятность накопления в грунте токсичных продуктов деструкции нефти [8]. Максимальное количество УОМ, как и в начале опыта, по-прежнему сохранялось и при внесении в грунт чистого минерала-мелиоранта.

Необходимо отметить резкое снижение активности азотобактера при всех вариантах исследования, по-видимому, из-за сокращения количества легкодоступных источников углерода (парафиновых углеводородов нефти), а также уменьшения гипоксии. Парциальное давление углекислого газа в почвенном воздухе благодаря замедлению деструкционных процессов уменьшается, а кислорода, в связи с улучшением структуры грунта, возрастает.
Следовательно, приходится констатировать, что активное поступление азота в грунт, загрязненный нефтепродуктами, имеет место только на начальных этапах деструкции нефти. По мере снижения содержания в грунте нефтяных углеводородов и восстановления нормального газообмена азотобактер теряет свои преимущества, и активность его падает. Представляется интересным установить связь между уровнем активности азотобактера, содержанием нефти в почве и степенью ее токсичности. Возможно, активность азотобактера станет одним из качественных критериев степени очистки загрязненной почвы.

Микробиологический анализ грунта через четыре месяца показал, что численность УОМ во всех вариантах опыта вновь заметно возросла, хотя и не достигла исходных значений. Причем анализ систематической принадлежности микроорганизмов выявил перестройку микробного УВ-окисляющего сообщества фунта в этот период по сравнению с начальными этапами деструкции нефтепродуктов. Культуры, выделенные через четыре месяца с начала опыта, обнаружили способность активного роста не только на исходной нефти, но и на углеводородах с высоким содержанием тяжелых ароматических фракций, в том числе на мазуте. По-видимому, возрастание численности УОМ, обнаруженное на четвертом месяце наблюдений, свидетельствует, во-первых, о снижении уровня токсичности фунта, а во-вторых, о перестройке микробного УВ-окисляющего комплекса грунта в направлении увеличения в его составе доли активных деструкторов тяжелых фракций нефти.

Результаты анализа содержания остаточной нефти в исследуемом грунте через четыре месяца показали, что наиболее эффективным является вариант с внесением чистого минерала-мелиоранта, обеспечивающего максимальную степень деструкции нефти - 63,4-65% (табл.3).

Таблица 3.
Интенсивность деструкции нефти через 4 месяца наблюдений

Исследуемый образец почвы Исходное содержание нефти, г/г грунта Содержание остаточной нефти, г/г грунта Интенсив- ность деструкции нефти, % Разница с контролем, % контрольный 0,15 0,074 50,7 - с минералом-мелиорантом 0,15 0,055 63,4 12,7 с минералом-мелиорантом и микробным препаратом 0,15 0,067 56,0 5,3

Сравнение темпов деструкции нефти в первые 7-10 суток опыта и в последующий период свидетельствует о резком замедлении деструкционных процессов в последние месяцы опыта, что обусловлено исчерпанием в почве источников азотного и фосфорного питания для микробов. Основная масса нефтепродуктов была утилизирована УВ-окисляющими микроорганизмами в первые 7-10 суток после внесения минерала-мелиоранта и удобрений.

Учитывая высокий уровень естественной биологической азотфиксации в нефтезагрязненной почве и ее дополнительное стимулирование внесением минерала-мелиоранта, можно сделать предположение о целесообразности дробного внесения азотных и фосфорных удобрений. Причем на первом этапе в период интенсивного притока атмосферного азота в почву можно ограничиться внесением не более 1/3 общего объема применяемых удобрений. Оставшиеся 2/3 минеральных удобрений целесообразнее внести через 10-20 суток после начала рекультивации, когда количество нефтепродуктов в почве и, следовательно, уровень азот-иксации заметно снижается.

Литература