Способ восстановления нефтезагрязненных почв путем внесения микробно-растительных сообществ

Способ восстановления нефтезагрязненных почв путем внесения микробно-растительных сообществ

Реферат

Область, к которой относится изобретение

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к биологическим способам очистки почв от нефтезагрязнений. Способ состоит в интродукции в нефтезагрязненную почву микроорганизмов-нефтедеструкторов с одновременным высеванием в почву устойчивых к нефтезагрязнению многолетних травянистых растений.

Уровень техники

Интенсивное развитие нефтегазового комплекса приводит к увеличению числа аварий, результатом которых становится загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами. Наиболее безопасными способами очистки почвогрунтов от нефтезагрязнений в настоящее время являются биологические методы. Для ускорения процессов микробной биодеградации нефти применяются главным образом два подхода: стимуляция собственной почвенной углеводородокисляющей микрофлоры (УОМ) и интродукция в нефтезагрязненную почву УОМ и их ассоциаций, т.е. бактериальных препаратов (1. Иларионов С.А. Экологические аспекты восстановления нефтезагрязненных почв. 2004. Екатеринбург: УрО РАН, 194 с.). Введение УОМ с бактериальными препаратами является эффективным при очистке нефтезагрязненных почв северных территорий, поскольку собственная микробиологическая активность почв мала из-за суровых климатических условий главным образом непродолжительного теплого сезона (2. Коронелли Т. В., Комарова Т.И., Ильинский В.В. Интродукция бактерий рода Rhodococcus в тундровую почву, загрязненную нефтью. Прикл. Биохим. и микроб. 1997. Т. 33, №2. С.198-201). В настоящее время в России создано несколько десятков бактериальных препаратов, в состав которых входит от одного до нескольких десятков штаммов микроорганизмов, активно разрушающих углеводороды нефти и нефтепродукты. Как правило, микроорганизмы принадлежат к следующим родам: Pseudomonas, Acinetobacter, Rhodococcus, Bacillus, Candida, Aspergillus, Penicillium и некоторым другим. Среди бактериальных препаратов, например, хорошо известны: препарат «Путидойл», «Бациспецин», «МУС-1», «Универсал», «Унирем», «Деворойл», «Дестройл» и другие (3. Оборин А.А., С.А.Иларионов, Назаров А.В. и др. Нефтезагрязненные биогеоценозы. 2008. Пермь: Пермск. Гос.Ун-т, 388 с.).

Внесение в почву бактериального препарата резко ускоряет процесс биодеградации нефти. Для большей эффективности очистки способы введения микробного препарата осуществляются с комплексом минеральных и (или) органических удобрений, а также сорбентов (3).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению - прототипу является способ очистки почв от нефтезагрязнений промышленным препаратом «Деворойл» (4. Пат.2023686 Российская Федерация. Консорциум микроорганизмов, используемых для очистки почвенных и солоноватоводных экосистем от загрязнения нефтепродуктами / Борзенков И.А., Милехина Е.И., Беляев С.С., Иванов М.В. / Б.и. 1994. №22). Препарат представляет консорциум микроорганизмов. В его состав входят бактериальные и дрожжевые клетки. Бактерии представлены как липофильными (Rhodocccus sp., 367-2; Rhodococcus maris, 367-5; Rhodococcus erythropolis, 367-6), так и гидрофильными (Pseudomonas stutzeri, 367-1) культурами. Дрожжевые клетки представлены штаммом Candida sp., 367-3. Бактерии, входящие в состав препарата, активно окисляют нефтяные н-алканы с длиной цепи С₅-С₃₀, а также ароматические соединения. Препарат работает в широком диапазоне кислотности среды (рН 5.5-9.5), температур (5-40°С) и солености среды (до 150 г/л). Согласно рекомендации разработчиков биопрепарата наилучший эффект достигается с одновременным внесением в почву минеральных солей.

К недостаткам прототипа, как и других микробных препаратов, следует отнести следующее. УОМ развиваются в аэробных условиях, а потому биодеградация загрязнения преимущественно идет в приповерхностных слоях почвы. При попадании нефти и нефтепродуктов в почву происходит гидрофобизация ее поверхности, вследствие чего нарушается водно-воздушный режим почва-атмосфера. Это, в свою очередь, негативно влияет на активность микроорганизмов. Активность и численность микроорганизмов-нефтедеструкторов резко снижается также в случае образования корки, которая задерживает поступление влаги и воздуха в приповерхностные слои почвы. Корка образуется в результате испарения легких фракций нефти и нефтепродуктов и склеивания частиц почвы тяжелыми нефтяными остатками. Вследствие этого для более эффективной очистки, активизации УОМ рекомендуется периодически проводить рыхление, дискование почвы и полив загрязненных участков (5. Логинов О.Н., Силищев Н.Н., Бойко Т.Ф., Галимзянова Н.Ф. Биорекультивация. Микробиологические технологии очистки нефтезагрязненных почв и техногенных отходов. 2009. М.: Наука. 112 с.), что требует дополнительных экономических затрат.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа очистки почв от нефтезагрязнений, результатом использования которого является более высокий уровень очистки почв, ускорение процессов их восстановления, приближение состава почвенных битумоидов к природному фону, экономическая выгода и защита окружающей среды.

Указанный результат достигается внесением в нефтезагрязненную почву одновременно микробно-растительных сообществ. Т.е. восстановление нефтезагрязненной почвы осуществляется путем интродукции в нее микроорганизмов-нефтедеструкторов с одновременным высеванием устойчивых к нефтезагрязнению многолетних травянистых растений.

Интродукция микроорганизмов-нефтедеструкторов способствует быстрой биодеградации нефтезагрязнения. Это уменьшает фитотоксичность загрязненных почв, ведет к увеличению всхожести высаженных семян и выживаемости проростков. Произрастание растений, в свою очередь, сдерживает миграцию нефтезагрязнения на близлежащие участки. Образование растительного покрова препятствует пересыханию почвы, образованию корки, что важно для сохранения УОМ высокой микробиологической активности. Кроме того, растения через ризосферу (симбиотические микроорганизмы) положительно влияют на деструкцию нефти и нефтепродуктов. Так, произрастание растений на нефтезагрязненной почве ускоряет процессы биодеградации и стимулирует трансформацию более широкого спектра нефтяных углеводородов (6. Лифшиц С.X., Чалая О Н., Шашурин М. М., Глязнецова Ю. С., Зуева И. Н., Кершенгольц Б. М. Трансформация нефтезагрязнения и формирование адаптивной реакции растений в модельном эксперименте с мерзлотной почвой Якутии /Химия в интересах устойчивого развития. 2011. №19. С.169-178). Вследствие этого наблюдается уменьшение доли 2- и 3-метилалканов и значительное уменьшение содержания реликтовых 12- и 13-метилалканов, не характерных для органического вещества современных осадков; трансформация изопреноидов; появляется дополнительный максимум в высокомолекулярной области нС_27,29,31, характерный для распределения н-алканов современных осадков; повышается значение отношения нечетных н-алканов к четным по сравнению со значением такового в нефтях, близким к 1.

Растения, произрастающие на нефтезагрязненной почве, адаптируясь к токсичной среде, используют в своем арсенале все возможные механизмы защиты: от увеличения активности антиоксидантных систем и систем репараций ДНК до включения апоптоза и SOS-репараций, а часть продуктов биодеградации нефтезагрязнений используются растениями в качестве питательной среды (7. Lifshits S.Kh., Chalaya O.N., Glaznetsova Yu.S., Zueva I.N. The effect of oil contamination on the adaptive potential of plants in criolite zones /AAAPG-2012. Abstract of "The 8^th Intern. Conf. on Petroleum Geocemistry and Exploration in the Afro-Asian Region". Hangzhou, China. November 2-4, 2012. P. 91).

При высоких загрязнениях часть растений погибает, однако те проростки, что смогли адаптироваться и выжить, на следующий год дают многочисленные всходы. Вследствие этого целесообразно высевать многолетние растения, т.к. сформированный ими адаптивный потенциал не теряется и проявляется в следующем потомстве. Это способствует более быстрому восстановлению экосистем нарушенных земель.

Таким образом, биотехнологический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в достижении синергетического эффекта, когда каждое из проведенных мероприятий (интродукция микроорганизмов-нефтедеструкторов и высевание устойчивых к нефтезагрязнению многолетних травянистых растений) усиливает положительный эффект другого, способствуя реализации положительных обратных связей. Т.е. реализация предлагаемого способа восстановления нефтезагрязненной почвы направлена на взаимоактивацию работы внесенных микробных и растительных компонентов, что увеличивает скорость процессов биодеградации загрязнения, способствует обеспечению стабильности протекающих процессов, вовлечению в процессы трансформации более широкого спектра углеводородов и приближению состава почвенных битумоидов к природному фону.

Предлагаемый способ очистки почв от нефтезагрязнений является экологически безопасным, поскольку для его реализации используются биологические системы (УОМ и растения), функционирование которых ускоряет процессы биодеградации нефтезагрязнения.

Предлагаемый способ может быть использован для очистки почв от нефтезагрязнений различной степени после предварительного сбора с почвенной поверхности избыточной нефти. Эффективность заявляемого способа оценивали по степени биодеградации нефтезагрязнения (отношению количества биодеградировавшей нефти к исходному загрязнению, в процентах) и по приближению состава почвенного битумоида к природному фону, которое оценивали по ряду геохимических показателей, приведенных в таблице. Для сравнения в таблице приведены геохимические показатели для чистой почвы (природный фон).

Рабочий раствор препарата «Деворойл» с минеральными удобрениями для обработки нефтезагрязненной почвы готовили согласно инструкции (8. Инструкция по применению биопрепарата «Деворойл». Утверждена Госкомитетом санитарно-эпидемиологического надзора при Президенте РФ, №01-13/1102-1129.08.1995 г.). Расчет расхода семян для высевания определяли согласно рекомендациям (9. Гендрин А.Г., Надоховская Г.А., Сидоренко Т.Н. и др. Экологическое сопровождение нефтегазовых месторождений. Выпуск 1. Новосибирск. 2005. 112 с. (Сер. Экология. Вып.78)).

Пример 1. В нефтезагрязненную почву с уровнем нефтезагрязнения 4,8 г/кг почвы был внесен биопрепарат «Деворойл» в дозе 5 кг/га и одновременно высеяны семена тимофеевки луговой (Phleum prantense) из расчета 35 кг/га. Тимофеевка луговая способствует дернообразованию и накоплению гумуса. Опытные образцы почв были отобраны через 3 месяца после начала проведения восстановительных работ. Результаты эксперимента приведены в таблице. Степень биодеградации нефтезагрязнения за 3 месяца составила 87%. В составе почвенного битумоида отмечены изменения в сторону восстановления природного фона. Об этом свидетельствуют изменения геохимических показателей, таких как: уменьшение содержания углеводородов и возрастание смол; в групповом составе алкановых углеводородов значительно снизилось содержание 2- и 3-метилалканов и 12-и 13-метилалканов, а также относительно низкомолекулярных н-алканов, вследствие чего отношение Σн.к.-нС₂₀/ΣнС₂₁-к.к. стало равным 0,43 в сравнении с 1,58 для загрязненной почвы; максимум н-алканов переместился в высокомолекулярную область нС27,29,31; коэффициент нч/ч вырос с 1,13 до 2,81.

Пример 2. В нефтезагрязненную почву с уровнем нефтезагрязнения 12,3 г/кг почвы был внесен биопрепарат «Деворойл» в дозе 10 кг/га и одновременно высеяны семена клевера лугового (Trifolium prantense) из расчета 30 кг/га. Клевер луговой был выбран с целью обогащения почв рекультивируемого участка клубеньковыми бактериями, которые поселяются в ризосфере, фиксируя атмосферный азот, необходимый для развития УОМ, что также должно повлиять на интенсификацию процессов деструкции углеводородов и восстановления плодородия нарушенных земель. Опытные образцы почв были отобраны через 3 месяца после начала проведения восстановительных работ. Результаты эксперимента приведены в таблице. Как видно, после проведения восстановительных работ наблюдается высокий уровень очистки почв, степень биодеградации составила 81%. В составе почвенного битумоида отмечается тенденция к приближению к природному фону. Это: уменьшение содержания в составе почвенного битумоида углеводородов и увеличение смол. В групповом составе алкановых углеводородов отмечено перераспределение в сторону уменьшения содержания 2- и 3-метилалканов и 12- и 13-метилалканов. Значительно снизилось количество относительно низкомолекулярных н-алканов, вследствие чего отношение Σн.к.-нС₂₀/ΣнС₂₁-к.к. стало равным 0,58 в сравнении с 1,62 для загрязненной почвы. Максимум н-алканов переместился в высокомолекулярную область НС₂₇. Начал расти коэффициент нч/ч.

Способ биологической очистки почв от нефтезагрязнений с интродукцией микроорганизмов-нефтедеструкторов, отличающийся тем, что после предварительного сбора с почвенной поверхности нефти в нефтезагрязненную почву одновременно с интродукцией микроорганизмов-нефтедеструкторов в виде раствора биопрепарата, содержащего микроорганизмы-нефтедеструкторы с минеральными удобрениями, высевают устойчивые к нефтезагрязнению многолетние травянистые растения.