Канадский метод рекультивации нефтезагрязненных земель. Способ рекультивации нефтезагрязненных земель Методы биоиндикации и биотестирования почв

Применяемые в России методы технической и биологической рекультивации земель имеют недостатки, которые делают их или неэффективными или дорогостоящими.

На практике наиболее часто используются следующие методы:

1. Техническая рекультивация с засыпкой грунтом и высеиванием трав – способ дает косметический эффект, поскольку нефть остается в грунте. Кроме того, необходим большой объем земляных работ.

2. Техническая рекультивация с вывозом нефтезагрязненного грунта на полигоны отходов. Способ практически нереальный с экономической точки зрения, так как большие обьемы нефтезагрязненного грунта и высокая стоимость транспортировки и размещения отходов могут многократно перекрыть прибыли компании.

3. Засыпка сорбентом (торфом) с последующей вывозкой на полигоны отходов. Недостатки те же, что и в предшествующем методе.

4. Использование нефтеэкстрагирующих установок импортного производства. Производительность этих установок 2-6 м3 в сутки, что при стоимости установки в 150000 $ и персонале 3 человека делают ее крайне неэффективной. Зарубежные компании уже не используют такие установки и пытаются продать их в России, выдавая за последнее слово науки и техники.

5. Использование микробиологических препаратов типа «путидойл» и им подобных. Препараты активны только на поверхности, поскольку необходим контакт с воздухом, и во влажной среде при относительно высокой температуре. Очень хорошо себя зарекомендовал при рекультивации летом морских побережий Кувейта, загрязненных во время военных действий. В Сибири популярен за счет легкости и дешевизны применения. Очень хорош для отчетности, когда нет проверки результата на месте (5).

Авторами рекомендуется канадский способ рекультивации грунта, который не капризен к температуре, не требует транспортировки грунта и полигонов отходов, не требует инвестиций в специальную технику и постоянного технического персонала. Способ очень гибкий, позволяет модифицировать, используя различные материалы, микробиологические препараты, удобрения (5).

Условное назвали метода - «парниковая гряда», потому что в основе метода лежит микробиологическое окисление с естественным повышением температуры - как «горит» навозная куча. Устройство гряды представлено на рис.1.

На грунтовую подушку шириной 3 метра укладываются змейкой перфорированные пластиковые трубы, которые затем засыпаются слоем гравия, щебня или керамзита, или материала типа «дорнит». На эту пористую подушку сэндвичем укладываются чередующиеся слои нефтезагрязненного грунта и удобрений. В качестве последнего используется навоз, торф, опил, солома и минеральные удобрения, можно добавлять микробиологические препараты. Гряда укрывается полиэтиленовой пленкой, в трубы подается воздух от компрессора соответствующей мощности. Компрессор может работать или на топливе, или на электричестве – если есть подключение. Воздух распыляется в пористой подушке и способствует быстрому окислению. Трубы можно использовать многократно. Пленка предотвращает охлаждение; если подавать нагретый воздух и дополнительно утеплить гряду торфом или «дорнитом», то способ будет эффективен и зимой. Нефть окисляется практически полностью за 2 недели, остаток нетоксичен и на нем прекрасно растут растения. Эффективно, экономично, производительно (5).

Рис. 1. Схема рекультивации нефтезагрязненных земель

Выводы

Таким образом, под рекультивацией земель понимается комплекс работ, направленных на восстановление биологической продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей природной среды.

Земельные участки в период осуществления биологической рекультивации в сельскохозяйственных и лесохозяйственных целях должны проходить стадию мелиоративной подготовки, т.е. биологический этап должен осуществляться после полного завершения технического этапа.

Для успешного проведения биологической рекультивации важное значение имеют исследования флористического состава формирующихся сообществ, процессов восстановления фиторазнообразия на нарушенных промышленностью землях, когда катастрофически уничтожены почвенный и растительный покровы.

Биологический этап рекультивации нефтезагрязненных земель включает комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на улучшение агрофизических, агрохимических, биохимических и других свойств почвы. Биологический этап заключается в подготовке почвы, внесении удобрений, подборе трав и травосмесей, посеве, уходе за посевами. Он направлен на закрепление поверхностного слоя почвы корневой системой растений, создание сомкнутого травостоя и предотвращение развития водной и ветровой эрозии почв на нарушенных землях.

Таким образом, технологическая схема (карта) работ по биологической рекультивации нарушенных и загрязненных нефтью земель включает:

· планировку поверхности;

· внесение химического мелиоранта, органических и минеральных удобрений, бактериального препарата;

· отвальную или безотвальную вспашку, плоскорезную обработку;

· лущение дисковой бороной или дисковым лущильником;

· кротование, щелевание с кротованием;

· лункование, прерывистое бороздование;

· снегозадержание и задержание талых вод;

· предпосевную подготовку почвы;

· буртование сильнозагрязненной почвы с устройством воздухоотводов;

· распределение почвы из бугров по поверхности участка;

· посев семян фитомелиоративных растений;

· уход за посевами;

· контроль за ходом рекультивации.

Рекомендуется канадский способ рекультивации грунта, который не капризен к температуре, не требует транспортировки грунта и полигонов отходов, не требует инвестиций в специальную технику и постоянного технического персонала. Способ очень гибкий, позволяет модифицировать, используя различные материалы, микробиологические препараты, удобрения. Условное назвали метода - «парниковая гряда», потому что в основе метода лежит микробиологическое окисление с естественным повышением температуры.

Список использованной литературы

1.ГОСТ 17.5.3.04-83. Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель.

2. Инструкция по рекультивации земель, нарушенных и загрязненных при аварийном и капитальном ремонте нефтепроводов от 6 февраля 1997 г. N РД 39-00147105-006-97.

3. Чибрик Т.С. Основы биологической рекультивации: Учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2002. 172 с.

4. Чибрик Т.С., Лукина Н.В., Глазырина М.А. Характеристика флоры нарушенных промышленностью земель Урала: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2004. 160 с.

5. Интернет-ресурс: www.oilnews.ru

2.3 Методы биоиндикации и биотестирования почв

Биодиагностика антропогенных изменений относится к экспрессным методам анализа и, кроме того, дает комплексную оценку экологического состояния почвы. Существует множество биологических показателей, с помощью которых оценивается состояние почв. Наиболее важными являются интегральные показатели биологической активности: токсичность, «дыхание», количество свободных аминокислот и белков. Интенсивность дыхания почвы является исключительно вариабельной величиной и зависит от большого количества факторов (температурного режима, влажности, состояния фитоценоза и др.). Для оценки экологического влияния загрязнений необходимо проводить сравнение данных, полученных на разных участках в максимально близких условиях. Информативными являются и другие показатели, например, ферментативная активность.

Попадание нефти и нефтепродуктов в почву приводит к изменению активности основных почвенных ферментов, что влияет на обмен азота, фосфора, углерода и серы (Киреева, Новоселова и др., 2001). Устойчивые изменения в активности некоторых почвенных ферментов могут использоваться в качестве диагностических показателей загрязнения почв нефтью. Удобна для этой цели группа ферментов, объединяемых под общим названием почвенные уреазы. Во-первых, они меньше подвержены воздействию других экологических факторов и, во-вторых, прослеживается четкая зависимость их активности от степени загрязнения почв (Киреева, Водопьянов и др., 2001).

Применение микроорганизмов для оценки интегральной токсичности почвы и создание на их основе комплексной системы чувствительных, достоверных и экономичных биотестов является перспективной областью исследований. Многие физиологические группы почвенных микроорганизмов проявляют чувствительность по отношению к нефтяным углеводородам.

Общая численность микроорганизмов, как правило, достаточно четко отражает микробиологическую активность почвы, скорость разложения органических веществ и круговорота минеральных элементов. На основании данного показателя можно не только судить о степени загрязненности почвы нефтью, но и о ее потенциальной способности к восстановлению, а также о процессах разложения нефти в естественных природных условиях и при рекультивации загрязненных почв (Киреева, 1995).

Нефтяное загрязнение может также способствовать накоплению в почве микроскопических грибов, вызывающих заболевания растений и фитотоксины (Киреева, Кузяхметов и др., 2003). Последнее обстоятельство играет немаловажную роль при разработке мероприятий по фитомелиорации нефтезагрязненных земель.

Непосредственное воздействие нефти на растительный покров в том, что замедляется рост растений, нарушаются функции фотосинтеза и дыхания, отмечаются различные морфологические нарушения, сильно страдают корневая система, листья, стебли и репродуктивные органы. Оперативную информацию о фитотоксичности загрязненной почвы можно получить, используя в качестве тест-объектов семена и проростки растений. Для удобства постановки тестов на токсичность семена подбирают по размерам и скорости их прорастания. Часто используют семена редиса, кресс-салата, кукурузы, зерновых. В качестве тест-функции выступают показатели всхожести семян, дружности и времени появления всходов, скорости удлинения проростков, последний из которых считается наиболее чувствительным.

В природных экосистемах почвенные беспозвоночные широко используются для мониторинга на уровне комплекса видов (Трублаевич, Семенова, 1997).

Набор тест-объектов из семян растений, микроорганизмов, почвенных беспозвоночных и ферментов можно использовать как в полном объеме, так и частично, в зависимости от целевого назначения исследований и степени нефтяного загрязнения почвы. Если пробы с почвенными ногохвостками и активность ферментов дают хорошую количественную характеристику токсичности почвы при низкой и средней степени ее загрязнения, то микробиологические тесты удобны для описания состояния сильнозагрязненных высокотоксичных почв (Киреева, 1995).

3. Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем

Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. При оценке последствий такого загрязнения не всегда можно сказать, вернется ли экосистема к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Суть восстановления загрязненных экосистем – максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс.

Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения - длительный процесс, особенно в условиях Сибири , где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. В связи с этим, разработка способов очистки почвы от загрязнения углеводородами нефти – одна из важнейших задач при решении проблемы снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.

Классификация методов рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами

Рекультивация земель – это комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель. Задача рекультивации – снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения (Реймерс, 1990). В настоящее время разработан ряд методов ликвидации нефтяных загрязнений почвы, включающие механические, физико-химические, биологические методы (таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Методы ликвидации нефтяных загрязнений почвы (Колесниченко, 2004).

	Способы ликвидации	Особенности применения
Механи-ческие	Обвалка загрязнения, откачка нефти в ёмкости	Первичные мероприятия при крупных разливах при наличии соответствующей техники и резервуаров (проблема очистки почвы при просачивании нефти в грунт не решается)
	Замена почвы	Вывоз почвы на свалку для естественного разложения
Физико-химические	Сжигание	Экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники. В зависимости от типа нефти и нефтепродукта уничтожается от 50 до 70% разлива, остальная часть просачивается в почву. Из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти; землю после сжигания необходимо вывозить на свалку
	Предотвращение возгорания	При разливе легковоспламеняющихся продуктов в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; изолируют разлив сверху противопожарными пенами или засыпают сорбентами
	Промывка почвы	Проводится в промывных барабанах с применением ПАВ, промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или ёмкостях, где впоследствии проводятся их разделение и очистка
	Дренирование почвы	Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с использованием нефтеразлагающих бактерий
	Экстракция растворителями	Обычно проводится в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром
		Разливы на сравнительно твёрдой поверхности (асфальт, бетон, утрамбованный грунт) засыпают сорбентами для поглощения нефтепродукта и снижения пожароопасности при разливе легковоспламеняющихся продуктов
	Термическая десорбция	Проводится редко при наличии соответствующего оборудования, позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций
Биологические	Биоремедиация	Применяют нефтеразрушающие микроорганизмы. Необходима запашка культуры в почву. Периодические подкормки растворами удобрений, ограничение по глубине обработки, температуре почвы (выше 15ºС), процесс занимает 2-3 сезона
	Фиторемедиация	Устранение остатков нефти путём высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока и др.), активизирующих почвенную микрофлору, является окончательной стадией рекультивации загрязнённых почв

До недавнего времени наиболее распространенным и дешевым методом ликвидации нефтяного загрязнения было простое сжигание. Этот способ неэффективен и вреден по двум причинам: 1) сжигание возможно, если нефть лежит на поверхности густым слоем или собрана в накопители, пропитанные ею почва или грунт гореть не будут; 2) на месте сожженных нефтепродуктов продуктивность почв, как правило, не восстанавливается, а среди продуктов сгорания, остающихся на месте или рассеянных в окружающей среде, появляется много токсичных, в частности канцерогенных веществ (Гриценко, Акопова, 1997).

Очистка почв и грунтов в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром дорогостояща и малоэффективна для больших объемов грунта. Требуются большие земляные работы, в результате чего нарушается естественный ландшафт, а после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды – источник канцерогенной опасности (Пиковский, 1993).

Землевание замедляет процессы разложения нефтяных углеводородов, приводит к образованию внутрипочвенных потоков нефти, пластовой жидкости и загрязнению грунтовых вод. Складирование загрязненной почвы создает очаги вторичного загрязнения.

Качественное удаление нефтяных загрязнителей при высоких уровнях загрязнения зачастую не обходится без применения различного рода сорбентов. Среди возможного сырья для производства сорбентов наиболее привлекательными являются естественное органическое сырье и отходы производства растительного происхождения. К такому сырью относятся торф, сапропели, отходы переработки сельскохозяйственных культур и др. На базе такого сырья разработаны, например, такие сорбенты, как «Сорбест», «РС», «Лессорб» и др. (Колесниченко, 2004).

Существует технология очистки почв и грунтовых вод путем промывания их поверхностно-активными веществами. Этим способом можно удалить до 86% нефти и нефтепродуктов. Применять его в широких масштабах вряд ли целесообразно, так как поверхностно-активные вещества сами загрязняют среду и появится проблема их сбора и утилизации (Пиковский, 1993).

Когда завершается сбор «видимой» нефти, тогда замеряется остаточная концентрация нефти в грунте, которая зависит, в частности, и от применяемых технологий.

После аварии власти часто ставят задачу полностью очистить территорию от нефтяного разлива. Но оказалось, чтобы выполнить такие жесткие нормативы, пришлось бы полностью уничтожить верхний слой не только на месте разлива. Ученые предложили отказаться от обязательного требования очистить почву до такой степени, чтобы на всей территории разлива содержание нефти было не более 1 г на 1 кг почвы, и поднять остаточное содержание нефти от 3 до 8 граммов - в зависимости от того, как используется земля. Во многих случаях не стоит даже пытаться восстановить полностью исходную экосистему. Во-первых, потому, что это практически невозможно, во-вторых, потому, что с определенными концентрациями нефти природа справляется сама.

Целесообразно привязать нормативы загрязненности к различным природным зонам - тундре, тайге, широколистным лесам, лесостепям и так далее. Разные по своему строению и биохимическому составу почвы тоже ведут себя по отношению к загрязнению по-разному. Хуже всего дело обстоит с торфяником, который практически сразу впитывает нефть и нефтепродукты, и их практически невозможно извлечь. Килограмм торфа может удерживать от 100 до 500 граммов нефтепродуктов. Песчаные и глинистые почвы впитывают примерно в 100 раз меньше, и в случае разлива нефтяное пятно почти полностью остается на поверхности.

Задача состоит в том, чтобы определить, при каком уровне загрязненности не наблюдается угнетение экосистемы, и выбрать вариант очистки почв до допустимого уровня без нанесения большого ущерба окружающей среде. Наиболее жестким должен быть подход в тех случаях, когда продукты нефтяного загрязнения могут попасть в открытые водоемы -реки, озера, море.

Под термином «рекультивация нефтезагрязненных земель» понимается комплекс мер, направленный на ликвидацию разлива нефти как источника вторичного загрязнения природной среды, нейтрализацию остаточной нефти в почве до уровня фитотоксичности и восстановление плодородия загрязненных почв до приемлемой хозяйственной значимости.

Но нет четких нормативов, до какой степени надо очищать почву от разливов нефти и нефтепродуктов. Сегодня эта задача передана на региональный уровень, поскольку нормативы по загрязнению зависят от большого числа сугубо местных факторов. Эта работа весьма актуальна. Определение допустимых параметров нефтяного загрязнения, во-первых, позволит снизить как прямой, так и побочный экологический ущерб, возникающий при проведении работ по рекультивации земель. Во-вторых, даст возможность нефтяным компаниям выработать оптимальные корпоративные природоохранные стратегии. И, наконец, в-третьих, позволит государственным контролирующим органам эффективнее воздействовать на нарушителей.

Для успешной борьбы с последствиями разливов нужно достоверно знать степень их воздействия на природу, а это до сих пор представляется даже специалистам весьма сложным. В определенных концентрациях нефть может и не наносить ущерба почве - иногда гораздо больший вред наносят действия человека по ее очистке.

В советское время не существовало никаких нормативов, которые бы определяли, до какой степени предприятия должны были очищать почву, которая загрязнялась в процессе выполнения тех или иных работ. Теоретически считалось, что почву надо было очищать до исходного природного состояния. Расчетные ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) нефти в грунтах после проведения восстановительных работ приведены в таблице 3.

Таблица 3. Ориентировочно допустимые концентрации нефти в грунтах после проведения восстановительных работ

Биологическая рекультивация - этап рекультивации земель, включающий мероприятия по восстановлению их плодородия, осуществляемый после технической рекультивации. Принято различать в биологическом этапе восстановления земель два направления. Первое - это активизация разложения нефти в почве (восстановление почвы), второе - восстановление растительного покрова. Выбор направления зависит от исходного состояния почвы после технической рекультивации.

Когда дальнейшее проведение технической уборки уже не дает должного эффекта и может стать причиной уничтожения легкоуязвимых почв, тогда активизация микробиологического разложения нефти в почве (биоремедиация) остается единственно возможной мерой для ее доочистки. Под термином биоремедиация принято понимать применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистки почв и водоемов, т.е. для удаления из почвы и воды уже находившихся в них загрязнителей.

К основным принципам технологий биоремедиации почв относятся:

биостимуляция in siti, биостимуляция in vitro и биоаугментация.

Биостимуляция in siti (биостимуляция на месте загрязнения). Этот подход основан на стимуляции роста природных микроорганизмов, естественно содержащихся в загрязненной почве и потенциально способных утилизировать загрязнитель, но не способных делать это эффективно из-за отсутствия полного набора пищевых компонентов (недостаток соединений азота, фосфора, калия и др.). В этом случае в ходе лабораторных испытаний с использованием образцов загрязненной почвы устанавливают, какие именно пищевые добавки и в каких количествах следует внести в загрязненную почву, чтобы стимулировать рост микроорганизмов, способных утилизировать загрязнитель.

Биостимуляция in vitro. Отличие этого подхода от вышеописанного в том, что биостимуляция образцов естественной микрофлоры загрязненной почвы или воды проводится сначала в лабораторных или промышленных условиях (в биореакторах или в ферментерах). При этом в биореакторах обеспечивается преимущественный и избирательный рост тех микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель.

Затем таким образом «стимулированную» (специально отселекционированную, обогащенную) микрофлору вносят в загрязненную почву. При этом одновременно со «стимулированными» микроорганизмами вносят и необходимые пищевые добавки, повышающие эффективность утилизации загрязнителя. Иногда бывает необходимо обеспечить принудительную аэрацию загрязненной почвы, чтобы повысить скорость микробного окисления загрязнителей.

Биоаугментация (биоулучшение). В этом случае в загрязненную почву вносят относительно большие количества специализированных микроорганизмов, которые заранее были выделены из различных загрязнений и/или генетически модифицированы.

Основная цель агробиологических методов - это активизация аборигенной микрофлоры путем изменения субстратных условий (усиление аэрации почвы рыхлением и внесением органических удобрений, создание необходимого водного режима грунтов мелиоративными методами, улучшение минерального баланса добавлением в почву минеральных удобрений).

Достаточно важное место в успешном решении проблемы восстановления растительного покрова на участках, подвергшихся загрязнению нефтью и нефтепродуктами, занимает подбор видов многолетних трав, способных успешно развиваться в жестких рамках климатических условий и загрязняющих факторов. При благоприятных условиях среды (оптимальная температура, соленость, рН, достаточная степень аэрации, обеспеченность элементами минерального питания) удачно подобранная культура или смесь штаммов способны за короткое время практически полностью утилизировать десятки тонн нефтяных углеводородов, трансформируя их в органическое вещество собственной биомассы, углекислый газ и безвредные для окружающей среды продукты.

Матвеева Елена Александровна, ученица 11 «Б» класса МБОУ «СОШ №7»

В настоящее время одной из наиболее перспективной технологии очистки нефтеза­грязненных почв считается интродуцирование в почву различ­ных комплексов микроорга­низмов, отличающихся повышенной способностью к биодеструкции тех или иных углево­дородных компонентов нефти и нефте­продуктов. В природных условиях биотрансформация нефти и нефтепродуктов осуществляется под воздействием комплекса самых различных групп организ­мов.

Цель исследования: Рассмотрение методов и способов обезвреживания нефтезагрязненных субстратов.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Региональный этап всероссийской олимпиады школьников по экологии

Рекультивация

нефтезагрязненных земель

Ученица 11 «Б» класса МБОУ «СОШ №7»

Научные руководители: Сомкова Галина Михайловна

(учитель биологии МБОУ «СОШ №7»),

Матвеев Александр Юрьевич

(заместитель директора по производству

ООО «Индустриальный риск Ltd»)

г. Когалым, 2014 г.

Введение……………………………………………………………………………...3

Глава 1. Литературный обзор……………………………………………………….4

1. Нефть как фактор загрязнения земель ХМАО - Югры………………….…..4
2. Причины и последствия нефтяных разливов………………………………...5
3. Методы рекультивации. Рекультивация почвы и водоемов с помощью

биоразлагающих сорбентов…………………………………………………...8

Глава 2. Объекты и методы исследования………………………………………..11

2.1 Характеристика объектов исследования……………………………………11

2.2 Методика исследования……………………………………………………...11

Глава 3. Результаты собственных исследований и их обсуждение……………..14

3.1 Влияние микроорганизмов препарата на изменение концентрации нефти……………………………………………………………..…………...14

3.2 Динамика биодеградации нефти…………………………………………….15

Заключение………………………………………………………………………….17

Список литературы…………………………………………………………………18

Введение

Актуальность исследования. Нефть является одним из основных факторов мирового экономического развития в 21 веке и остается важнейшим энергоресурсом на обозримое будущее. Нефтяное загрязнение – как по масштабам, так и по токсичности представляет собой общепланетарную опасность. Нефть и нефтепродукты вызывают отравление, гибель организмов и деградацию почв. Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения - длительный процесс, особенно в условиях Сибири, где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. Поэтому исключительную актуальность приобретает проблема рекультивации нефтезагрязненных почв.

Гипотеза. В настоящее время одной из наиболее перспективной технологии очистки нефтезагрязненных почв считается интродуцирование в почву различных комплексов микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеструкции тех или иных углеводородных компонентов нефти и нефтепродуктов. В природных условиях биотрансформация нефти и нефтепродуктов осуществляется под воздействием комплекса самых различных групп организмов.

Цель исследования: Рассмотрение методов и способов обезвреживания нефтезагрязненных субстратов.

Объект исследования: Нефтезагрязненная почва.

Предмет исследования: Микробиологическая рекультивация нефтяных загрязнений

Задачи исследования:

1. Оценить влияние рекультивационных работ на нефтяные загрязнения.
2. Изучить возможные способы рекультивации.
3. На протяжении месяца наблюдать и отмечать прогресс рекультивационных работ.

Новизна работы. Определяется недостаточной изученностью данной проблемы.

Практическая значимость. Устранения нефтяных разливов в 21 веке относятся к числу приоритетных, поэтому любые исследования данной темы имеют весомую практическую значимость.

Глава 1. Литературный обзор

1. Нефть как фактор загрязнения земель ХМАО – Югры

Нефтегазодобывающая промышленность – одна из наиболее экологически опасных отраслей народного хозяйства. Она отличается большой землеемкостью, сильной загрязняющей способностью и высокой пожаро- и взрывоопасностью промышленных объектов (Васильев, 1998; Вершинин, 2005). На территории Ханты-Мансийского округа нефтедобывающая промышленность развивается преимущественно на землях гослесфонда и поэтому лесное хозяйство в первую очередь ощущает последствия ее деятельности (Чижков, 1998). Кроме того, значительно страдают болотные экосистемы (Зубайдулин, 1998).

Основными загрязняющими веществами, образующимися в процессе добычи и переработки нефти, являются углеводороды (48%) и оксид углерода (44%). Нефть содержит около 30 металлов, среди которых максимальные концентрации ванадия и никеля. В отличие от многих антропогенных воздействий, нефтяное загрязнение оказывает комплексное воздействие на окружающую среду и вызывает ее быструю отрицательную реакцию. Хронические разливы нефти, нефтепродуктов, соленых пластовых вод, выносимых эксплуатационными скважинами вместе с нефтью и газом, приводят к уменьшению продуктивности земель и деградации ландшафтов (Черных 2003, Солнцева 1988).

После разлива, как правило, сначала загрязняется нефтью органоминеральный слой почвы, но через 2 – 3 года углеводороды обнаруживаются на глубине до 140 – 160 см. На пашне глубина проникновения выше, чем на лугах. В лесотундровых ландшафтах Западной Сибири нефть поглощается органическим слоем почвы и, особенно, торфом, пористым грунтом. Препятствуют проникновению нефти вглубь барьеры – экраны (тяжелые грунты и глеевые горизонты), но по этим экранам нефть может мигрировать в горизонтальной плоскости. В насыщенную водой почву нефть глубоко не проникает, абсорбируясь с мхами, травой органогенным слоем. В верхнем слое обычно задерживаются смолы и асфальтены, а легкие фракции нефти могут проникать в грунтовые воды, но чаще в течении года испаряются или разлагаются (Оборин, 1998).

Нефть, попадая в почву, существенным образом изменяет ее физические характеристики, поскольку обладает выраженными гидрофобными свойствами, которые передаются почвенным частицам. Нефть обволакивает структурные единицы почвы пленкой, нарушая водный обмен, перенос активных соединений (Габбасова, 2002). К числу наиболее выраженных последствий загрязнения почвы нефтью следует отнести тенденцию к подкислению. Вскоре после разлива нефти обнаруживается обеднение почвы элементами минерального питания, особенно азотом. Из – за ухудшения водного режима, аэрации как правило, сначала резко увеличивается содержание аммиачного азота и уменьшается до следовых количеств нитратного. Ухудшение обеспеченности почв элементами минерального питания многие исследователи связывают с ингибированием ферментативной активности почв, в частности фосфогидролезной (Андреева, 2005)

Даже при небольшой концентрации нефти в почве (0,4%) ингибируется ферментативная активность главным образом азотного цикла, наиболее устойчивы ферменты, трансформирующие вещества циклической природы (гумус, углеводороды). Низкие дозы нефти стимулируют, а высокие ингибируют активность оксиредуктаз, полифенолоксиды с длительным восстановлением активности (Алехин, 1998).

Наиболее токсичными компонентами нефти являются полициклические ароматические углеводороды, а их в нефти 1 – 4%. Особенно опасен бензонирен (Оборин, 1998).

Попадая в почву, нефть слабо разлагается особенно при низких температурах. Показано, что фракции нефти цементируют почву, закупоривают поры, препятствуют проникновению в почву кислорода и воды (Алиев, 1977).

Таким образом, загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами изменяет морфологические, физические, физико-химические и микробиологические свойства почв.

1. Причины и последствия нефтяных разливов

Разлив нефти может произойти как при ее добыче, транспортировке и хранении, так и при переработке и применении в технологических процессах. Помимо этого причинами нефтезагрязнения зачастую становится физический износ оборудования или его механические повреждения. Лидирующие позиции по числу аварийных разливов нефти и нефтепродуктов занимают магистральные и внутрипромысловые продуктопроводы. Подавляющее большинство ЧП здесь связано с коррозией оборудования, некачественными строительно-монтажными работами, и лишь незначительная часть - с заводским браком и ошибками эксплуатации.

ХМАО – Югра занимает первое место в РФ не только по добыче нефти, но и по количеству аварий на трубопроводах. Анализ официальных данных по аварийности в системе нефтесбора на территории ХМАО за 14 лет показывает, что в среднем за год происходит от 1600 до 2000 аварий (Вершинин Ю.А., Зубайдулин А.А.)

Согласно статистическим данным, предоставленным Росприроднадзором по ХМАО – Югре в отчете по состоянию на 2012 – 2013 г.г., положение с загрязнением земель округа и их рекультивацией выглядит так:

Наименование показателя	Всего, га	Из них
		при разработке месторождений полезных ископаемых (включая общераспространенные полезные ископаемые)	вследствие утечки при транзите нефти, газа, продуктов переработки нефти
Наличие нарушенных земель на 01.01.12 г. - всего	71794,2	31999,8	402,5
в том числе отработано	3174,2	2185,9	19,4
За отчетный 2012 г. нарушено земель - всего	15256,8	2217,5	50,5
Отработано из общей площади нарушенных земель	16964,8	15872,6
Рекультивировано земель - всего	14193,4	2955,2	52,9
Наличие нарушенных земель на 01.01. 13 г. - всего	72857,5	31262,2	400,1
в том числе отработано	2048,4	1282,0	19,7

Природоохранное законодательство РФ предписывает локализацию и ликвидацию разливов нефти и нефтепродуктов в кротчайшие сроки, а также доведение до допустимого уровня остаточного содержания углеводородов в окружающей среде. Должны быть проведены работы по рекультивации земель, полностью или частично утративших продуктивность в результате разлива нефти. Рекультивируемые земли, прилегающие к ним территории и водные резервуары, после завершения всего комплекса работ, должны представлять собой оптимально организованный и экологически сбалансированный устойчивый ландшафт. Согласно постановлению Правительства РФ «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» на каждом предприятии должен быть разработан план по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов (ПЛАРН). Однако на практике большинство предприятий не только не разрабатывают ПЛАРН, но и не имеют в наличии технических средств и материалов для устранения аварийных разливов нефти и нефтепродуктов.

Экологические последствия разливов нефти имеют трудно прогнозируемый характер, поскольку невозможно учесть все последствия нефтяного загрязнения, нарушающего естественные процессы и взаимосвязи. Разливы нефти существенно изменяют условия жизни всех видов живых организмов на его территории.

Нефть и нефтепродукты нарушают состояние покровов почвы, деформируют структуру биоценозов. Беспозвоночные почвенные микроорганизмы и бактерии, подвергшиеся интоксикации легкими фракциями нефти, не способны качественно выполнять свои важнейшие функции, возложенные на них природой.

При разливе нефти в пресном водоеме местное население может испытать трудности с питьевой водой, так как коммунальным службам становится сложнее очищать воду, поступающие в водопроводы.

Долгосрочный эффект подобных техногенных катастроф оценить сложно. В среде ученых есть две противоположные точки зрения. Одна группа считает, что разливы нефти способны оказывать негативное воздействие на экосистему на протяжении долгих лет и десятилетий, другая придерживается мнения, что последствия разливов достаточно серьезны, однако, пострадавшие экосистемы способны восстановиться за относительно небольшой срок (http://www.saveplanet.su/ )

1. Методы рекультивации. Рекультивация почвы и водоемов с помощью биоразлагающих сорбентов

В ХМАО – Югре в основу рекультивации загрязненных нефтью земель положен метод отчистки на месте разлива, основывающийся на способности наземных биогеоценозов к самоочищению почв (за счет испарения, вымывания, деструкции нефти под воздействием атмосферного кислорода, солнечной радиации, биодеградации) и к последующему восстановлению своих биоценотических характеристик (Вершинин Ю.А.)

Суть выполняемых рекультивационных работ состоит в ускорении процессов естественного самоочищения почв, в максимальной мобилизации внутренних ресурсов биогеоценозов на восстановление своих первоначальных функций при помощи комплекса различных агротехнических и агрохимических мероприятий (Зубайдулин А.А).

Восстановление нефтезагрязненных земель является в настоящее время одним из сложных и в то же время малоизученных объектов рекультивации. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении (Пиковский, 1985).

Попадая в окружающую среду, ископаемые углеводороды, в частности нефть и продукты ее переработки, не только губят флору и фауну, но и наносят прямой вред здоровью человека. Положение усугубляется тем, что решение этого вопроса (как, впрочем, и большинство других экологических проблем) долгие годы откладывалось на будущее. В связи с этим нам кажется актуальным поднятие вопроса о снижение риска аварий на предприятиях, перерабатывающих нефть и занимающихся транспортировкой и распространением нефтепродуктов (Терещенко, 2004).

Среди методов ликвидации нефтяных загрязнений почв выделяются следующие группы методов:

1. Механические: обваловка загрязнения, откачка нефти в емкости насосами и вакуумными сборщиками. Проблема очистки при просачивании нефти в грунт не решается, замена почвы. Вывоз почвы на свалку для естественного разложения (Терещенко, 2004).
2. Физико-химические:

• Сжигание (экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники). В зависимости от типа нефти и нефтепродукта таким путем уничтожается от 1/2 до 2/3 разлива, остальное просачивается в почву. При сжигании из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти. Землю после сжигания необходимо вывозить на свалку (так называемая "горелая земля");
• Предотвращение возгорания. Применяется при разливах в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; в этом случае изолируют разлив сверху противопожарными пенами или засыпают сорбентами (Терещенко, 2004);
• Промывка почвы. Проводится в промывных барабанах с применением ПАВ, промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или емкостях, где впоследствии производится их разделение и очистка;
• Дренирование почвы. Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с биологическими методами, использующими нефтеразлагающие бактерии;
• Экстракция растворителями. Обычно осуществляется в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром;
• Сорбция. Сорбентами засыпают разливы нефтепродуктов на сравнительно твердой поверхности (асфальте, бетоне, утрамбованном грунте) для поглощения нефтепродукта и снижения опасности пожара (Терещенко, 2004);
• Термическая десорбция (крекинг). Применяется при наличии соответствующего оборудования, но позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций;
• Химическое капсулирование. Новый метод, заключающийся в переводе углеводородов в неподвижную нетоксическую форму (Терещенко, 2004).

1. Биологические:

• Фитомелиорация. Устранение остатков нефти путем высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока), активизирующих почвенную микрофлору; является окончательной стадией рекультивации загрязненных почв (Терещенко, 2002);
• Биоремидиация. Применение нефтеразлагающих бактерий; необходима запашка культуры в почву, периодические подкормки растворами удобрений; ограничения по глубине обработке, температуре почвы; процесс занимает 2-3 сезона (Терещенко, 2002).

В настоящее время рекультивация нефтезагрязненных земель проводится, как правило, без достаточного научного обоснования. При сжигании нефти, засыпке загрязненных участков грунтом, вывозе загрязненной почвы в отвалы, т.е. при ликвидации разливов нефти на почвы последствием часто может быть необратимое уничтожение плодородного слоя почвы. Такие способы рекультивации совершенно неприемлемы. Механические и физические методы не могут обеспечить полного удаления нефти и нефтепродуктов с почвы, а процесс естественного разложения их в почвах чрезвычайно длителен, поэтому в настоящее время наиболее приемлемыми являются биологические методы (Терещенко, 2004).

Глава 2. Объекты и методы исследования.

2.1 Характеристика объектов исследования

Исследования проводили в модельных опытах и лабораторных условиях в декабре 2013 г. Объектами исследования в модельных опытах служила загрязненная нефтью песчаная почва. Для микробиологической рекультивации использовали биопрепарат «Ленойл».

Биопрепарат «Ленойл» разработан в Институте Биологии Уфимского Научного Центра Российской Академии Наук на основании результатов лабораторных и полевых работ по рекультивации нефтезагрязнённых земель. Биопрепарат «Ленойл» состоит из клеток микроорганизмов, обладающих углеводородокисляющей активностью и концентрацией не менее 10 8 клеток в грамме препарата.

Препарат, обладая высоковыраженной активностью в отношении углеводородов нефти и нефтепродуктов, переводит их в экологически нейтральные соединения и способствует ускорению рекультивации загрязненных объектов. Объектами применения могут быть почвы и воды, загрязненные нефтью и нефтепродуктами.

Так как биопрепарат не рассчитан на применение в зимнее время года, в лаборатории поддерживалась постоянная температура 20 о С.

2.2 Методика исследования

Для исследовательских работ мы использовали два сосуда с загрязненной нефтью песчаной почвой: непосредственно исследуемый (микробиологическая очистка) и контрольный (естественная очистка). В каждом мы предварительно замешали по 75 см 3 (1087,5 г) песка с 25 см 3 (212,5 г) нефти. То есть вес песчано-нефтяной смеси в каждом сосуде составил 1300,0 г.

Подготовка рабочей суспензии из сухого биопрепарата «Ленойл».

• 20 грамм биопрепарата растворить в 5 литрах воды;
• В разведенную смесь добавить 2 см 3 дизтоплива (необходимое микроорганизмам для питания);
• Оставить получившуюся массу на 24 часа, периодически помешивая и взбалтывая.

В течение месяца за сосудами с почвой велись наблюдения. Мы сравнивали концентрацию нефти в почве, цвет песка, маслянистость, вес сосудов. Концентрацию нефти мы определяли методом взвешивания обоих сосудов, при этом мы руководствовались следующей методикой:

1. Общий вес каждого сосуда с песчано-нефтяной смесью нам известен – 1300,0 г. Весом добавленного в исследуемый образец готового препарата «Ленойл» (≈10,0 г) мы пренебрегли, отнеся его в разряд погрешности.
2. В ходе опыта вес песка в сосудах уменьшаться не мог, т.к. песок не подвержен ни воздействию микробов, ни испарению – т.е. вес песка мы посчитали за константу.
3. Уменьшаться в нашей смеси мог только вес нефти, составляющий в обоих сосудах по 212,5 г, который, в одном случае, уменьшался за счет естественной деградации, а во втором – за счет разложения нефти микроорганизмами на воду, которая затем испарялась в окружающую атмосферу, и газ, также уходящий в атмосферу.

Глава 3. Результаты собственных исследований и их обсуждение.

1. Влияние микроорганизмов биопрепарата на изменение

концентрации нефти

За 30 суток эксперимента концентрация нефти изменилась как в контрольном, так и в используемом микроорганизмами сосудах. Исследования показали, что биопрепарат « Ленойл» , содержащий ассоциацию микроорганизмов (Bacillius brevis и Arthrobacter sp.) способен адаптироваться к высоким дозам нефти и эффективно утилизировать субстрат.

Результаты взвешивания сосудов:

Период	Вес контрольного сосуда	% концентрации нефти	Вес исследуемого сосуда	% концентрации нефти
Начало опыта	1300,0	100%	1300,0	100%
1-ая неделя	1287,3		1283,0
2-ая неделя	1278,8		1268,1
3-я неделя	1272,4		1240,5
4-ая неделя	1268,1		1215,0

Степень биодеградации нефти:

3.2 Динамика биодеградации нефти

В течении 30 суток эксперимента (4 недели) нами прослеживалась динамика биодеградации нефти в контрольном и используемом сосудах. Наблюдения показали, что при помощи биопрепарата, содержащего микроорганизмы, этот процесс протекает значительно быстрее.

В течение всего времени опыта прогресс в сосуде с биопрепаратом был виден невооруженным глазом, а также подтверждался результатами взвешивания.

Первая неделя:

Вторая неделя:

Третья неделя:

Четвертая неделя:

Заключение

На основе проведенных исследований по рекультивации нефтезагрязненной почвы мы делаем следующие выводы:

1. Процесс естественной биодеградации нефти протекает очень медленно;
2. Биопрепараты, содержащие микроорганизмы, обладающие уг леводородокисляющей активностью, значительно ускоряют процесс биодеградации нефти. В частности, биопрепарат «Ленойл» способен адаптироваться к высоким дозам нефти и эффективно утилизировать субстрат;
3. При помощи биопрепарата содержание нефти в почве сокращается значительно, однако не исчезает полностью. Для полного восстановления необходимо гораздо больше времени, чем мы это могли позволить в ходе проведенного опыта, а также необходимо проводить фиторекультивацию;
4. В естественных условиях, чем больше разлив, тем больше времени и средств займет рекультивация.

Список литературы

1. Алехин В.Г. Биологическая активность и микробиологическая рекультивация почв, загрязненных нефтепродуктами// Биологические ресурсы и природопользование: сборник научных трудов. – вып. 2. / В.Г. Алехин – Нижневартовск 1998. – с. 95 – 105.
2. Алиев С.А. Влияние загрязнения нефтяным органическим веществом на активность биологических процессов почв./ С.А. Алиев, Д.А. Гаджиев// из – во. АН FpCCH/ Сер. биол. наук. – 1998. – с. 95 – 105.
3. Вершинин Ю.А. Рекультивация загрязненной нефтью земли (аналитический обзор, 2005), с. 53
4. Габбасова И.М. Оценка состояния почв с разными сроками загрягнения сырой нефтью после биологической рекультивации/ И.М. Габбасова, 2002.
5. Зубайдулин А.А. К вопросу рекультивации нефтезагрязненных земель на верховых болотах биологические ресурсы и природопользование: сборник научных трудов: Вып. 2. 1998 г./ А.А. Зубайдулин – Нижневартовск 1998 г. – с. 106 – 116
6. Зубайдулин А.А., Вершинин Ю.А. Оценка экологических рисков при загрязнении болот и их рекультивации (аналитический обзор, 2008), стр. 1 – 5.
7. Оборин А.А., Калачникова И.Г., Масливец Т.А. и др. Биологическая рекультивация нефтезагрязненных земель в условиях таежной зоны// Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988.
8. Пиковский Ю.И. Экспериментальные исследования трансформации нефти в почвах // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л., 1985.
9. Постановление правительства РФ от 21.08.02 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».
10. Солнцева Н.П. Общие закономерности трансформации почв в районах добычи нефти (формы проявления, основные процессы, модели)/ Н.П. Солнцева// В сб. Восстанвление нефтезагрязненных экосистем. – М.: Наука, 1988, с. 23 – 42.
11. Терещенко Н.Н., Лушников С.В. К вопросу о рациональном применении минеральных удобрений для ускорения микробиологической деструкции нефтяных углеводородов в почве. IV Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды". Материалы симпозиума. Томск, 2004. c.117-119.
12. Терещенко Н.Н., Лушников С.В., Пышьева Е.В. Рекультивация нефтезагрязненных почв. Экология и промышленность России. Октябрь 2002. С. 17-20.
13. Черных Н.А., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере. М., РУДН. 2003 г., 430 с.
14. Чижов Б.Е. Лес и нефть Ханты-Мансийского автономного округа/ Предисл. В.В. Козина/ Экологический фонд Ханты-Мансийского автономного округа. – Тюмень: Издательство: Ю. Мандрики, 1998. – 144 с. + 48 с. Вкл.
15. www.saveplanet.su

Реферат

Дипломная работа 47 страниц, 2 рисунка, 3 таблицы, 50 источников.

НЕФТЬ, НЕФТЕПРОДУКТЫ, ПОЧВА, НЕФТЯНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ, РЕКУЛЬТИВАЦИЯ, БИОРЕМЕДИАЦИЯ, МИКРООРГАНИЗМЫ, ДОЖДЕВЫЕ ЧЕРВИ

Дипломная работа посвящена рассмотрению способов рекультивации нефтезагрязненных почв и грунтов с упором на подходы биоремедиации.

Цель работы - рассмотрение методов и способов обезвреживания нефтезагрязненных субстратов.

Первая глава работы посвящена проблеме нефтяного загрязнения, где особое внимание уделено почвам, загрязненным нефтью и нефтепродуктами. Во второй главе рассмотрены методы оценки нефтяного загрязнения почв. Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем рассмотрены в третьей главе. В ней показаны основные методы рекультивации нефтезагрязненных почв, особое внимание уделяется биоремедиации и исследованию по трансформации нефти в почве микробиологическим препаратом и дождевыми червями.

Введение

1. Влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую природную среду

1.1 Компоненты нефти и их действие

1.2.1 Механические нарушения почвенного покрова

1.2.2 Химическое загрязнение почв

1.2.3 Влияние нефтяного загрязнения на микробиологические процессы в почве

2. Методы оценки нефтяного загрязнения почв

2.1 Нормирование загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами

2.2 Методы контроля

2.3 Методы биоиндикации и биотестирования почв

3. Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем

3.1 Классификация методов рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами

3.2 Основные подходы и роль биоремедиации в восстановлении нефтезагрязненных почв

3.3 Микроорганизмы-деструкторы нефти и нефтепродуктов

3.5 Методы рекультивации основанные на интенсификации процессов самоочищения

Заключение

Список использованных источников

Введение

Нефть является одним из основных факторов мирового экономического развития в 20 веке и остается важнейшим энергоресурсом на обозримое будущее. Относительно невысокие цены на нефть и нефтепродукты при больших объемах их потребления, отсутствие адекватной создаваемой угрозе политики по охране окружающей среды приводили к весьма значительным потерям, последствиями которых явились загрязнения почв и грунтов.

Нефтяное загрязнение – как по масштабам, так и по токсичности представляет собой общепланетарную опасность. Нефть и нефтепродукты вызывают отравление, гибель организмов и деградацию почв. Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения - длительный процесс, особенно в условиях Сибири, где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. Поэтому исключительную актуальность приобретает проблема рекультивации нефтезагрязненных почв.

В настоящее время одной из наиболее перспективной технологии очистки нефтезагрязненных почв считается интродуцирование в почву различных комплексов микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеструкции тех или иных углеводородных компонентов нефти и нефтепродуктов.

В природных условиях биотрансформация нефти и нефтепродуктов осуществляется под воздействием комплекса самых различных групп организмов. Особое внимание уделяется исследованиям по совместному влиянию представителей двух смежных трофических уровней: микроорганизмов и дождевых червей на элиминирование нефти в почве.

Целью дипломной работы является рассмотрение методов и способов обезвреживания нефтезагрязненных субстратов.

1. Влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую природную среду

Нефть, продукты ее переработки и газоконденсаты оказывают отрицательное воздействие на воздух, воду и почву. Предприятия топливно-энергетического комплекса России, в том числе – по добыче и переработке нефти, не смотря на снижение объемов производства, остаются крупнейшим в промышленности источником загрязнителей окружающей среды. На их долю приходится около 48% выбросов вредных веществ в атмосферу, 27% сброса загрязненных сточных вод, свыше 30% твердых отходов и до 70% общего объема парниковых газов (Абросимов, 2002).

По величине прогнозных ресурсов нефти и газа Восточная Сибирь относится к числу потенциально наиболее благоприятных геологических объектов в материковой части России. Основные разведанные запасы нефти – 83% - сосредоточены в Верхнечонском, газа – 79% - в Ковыктинском месторождениях. Разведанные запасы углеводородов в Иркутской области, от их прогнозной оценки, составляют всего: по нефти – 10,7%, по газу – 18,6% (Государственный доклад…, 2004). В последние годы для обеспечения северных поселков нефтью в качестве котельного топлива, проводится опытно-промышленная эксплуатация ряда этих месторождений: Атовского газоконденсатного, Марковского, Ярактинского, Даниловского, Дулисминского нефтегазоконденсатных месторождений. Таким образом, для Иркутской области проблема нефтяного загрязнения окружающей среды является весьма актуальной.

Одна из серьезных глобальных проблем – загрязнение почвенного покрова нефтью и нефтепродуктами. Решение проблемы очистки почвенного покрова от загрязнений нефтью, разработка новых и совершенствование существующих технологий восстановления нефтезагрязненных земель, относится к числу приоритетных. Эта проблема коснулась и Иркутской области. По состоянию на 01.01.2004 года в Иркутской области насчитывалось 27883 га нарушенных земель. Наибольшая доля нарушенных земель приходится на районы и города с интенсивной добычей полезных ископаемых. В 2003 году рекультивировано 1850 гектаров нарушенных земель, что почти в 3 раза больше, чем в предыдущем (Государственный доклад…, 2004).

Экологические проблемы начинаются уже на стадии добычи нефтяного сырья и его поставки на предприятия. Наиболее характерными загрязнителями окружающей среды являются углеводороды (44,9% от суммарного выброса), оксид углерода (47,4%) и различные твердые вещества (4,3%). Не менее острые проблемы возникают при транспортировке нефти на нефтеперерабатывающие предприятия. Нефть транспортируется по трубопроводам, подверженным коррозии, отложениям смол и парафинов внутри труб. Ежегодно происходит более 60 крупных аварий и около 20 тыс. случаев, сопровождающихся значительными разливами нефти, попаданием ее в водоемы, гибелью людей, большими материальными потерями (Абросимов, 2002).

1.1 Компоненты нефти и их действие

Нефть (тур. neft, от перс. нефт), горючая маслянистая жидкость, распространенная в осадочной оболочке Земли; важнейшее полезное ископаемое. Сложная смесь алканов, некоторых циклоалканов и аренов, а также кислородных, сернистых и азотистых соединений (Советский …, 1981).

Химический состав нефти зависит от района добычи и в среднем определяется следующими данными: углерод (83-87%), водород (12-14%), азот, сера, кислород (1-2%, реже 3-6% за счет серы). Десятые и сотые доли процента составляют многочисленные микроэлементы, набор которых в любой нефти примерно одинаков.

К нефтепродуктам обычно относят различные углеводородные фракции, получаемые из нефтей. Основные компоненты нефтепродуктов – углеводороды. Наряду с углеводородами в нефтепродуктах, как и в нефтях, также содержатся соединения серы, азота и кислорода.

При нефтяном загрязнении тесно взаимодействуют три группы экологических факторов: 1) уникальная многокомпонентность состава нефти, находящегося в процессе постоянного изменения; 2) гетерогенность состава и структуры любой экосистемы, находящейся в процессе постоянного развития; 3) многообразие и изменчивость внешних факторов, под воздействием которых находится экосистема: температура, давление, влажность, состояние атмосферы, гидросферы и т. д. (Восстановление…, 1988).

Вполне очевидно, что оценивать последствия загрязнения экосистемы нефтью и намечать пути ликвидации этих последствий необходимо с учетом конкретного сочетания этих трех групп факторов.

В качестве эколого-геохимических характеристик основного состава нефти приняты содержание легкой фракции (начало кипения 200 °С), метановых углеводородов (включая твердые парафины), циклических углеводородов, смол и асфальтенов, сернистых соединений (Восстановление…, 1988).

Легкая фракция нефти, куда входят наиболее простые по строению низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафины) и ароматические углеводороды – наиболее подвижная часть нефти.

Большую часть легкой фракции составляют метановые углеводороды с числом углеводородных атомов от 5 до 11 (пектан, гексан, гептан, октан, нонан, декан, ундекан). Нормальные (неразветвленные) алканы составляют в этой фракции 50-70%.

Метановые углеводороды легкой фракции, находясь в почвах, оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеводородной цепью, содержащиеся в основном в легких фракциях нефти. Эти углеводороды лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цитоплазменные мембраны организма. Нормальные алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов углерода, большинством микроорганизмов не ассимилируются, хотя могут быть окислены. Их токсичность ослабляется в присутствии нетоксичного углеводорода, который уменьшает общую растворимость алканов (Гриценко и др., 1997).

Многие исследователи отмечают сильное токсическое действие легкой фракции на микробные сообщества и почвенных животных. Легкая фракция, мигрируя по почвенному профилю и водоносным горизонтам, расширяет, иногда значительно, ореол первоначального загрязнения. На поверхности эта фракция в первую очередь подвергается физико-химическим процессам разложения, входящие в ее состав углеводороды наиболее быстро перерабатываются микроорганизмами (Восстановление…, 1988).

Значительная часть легкой фракции нефти разлагается и улетучивается еще на поверхности почвы или смывается водными потоками. Путем испарения из почвы удаляется от 20 до 40% легкой фракции (Восстановление…, 1988).

В нефтях, богатых легкой фракцией, существенную роль играют более высокомолекулярные метановые углеводороды (С12 – С27), состоящие из нормальных алканов и изоалканов. Метановые углеводороды во фракции, кипящей выше 200 ºС, практически нерастворимы в воде. Их токсичность выражена гораздо слабее, чем у более низкомолекулярных структур.

Содержание твердых метановых углеводородов (парафина) в нефти (от очень малых количеств до 15-20%) – важная характеристика при изучении нефтяных разливов на почвах. Твердый парафин не токсичен для живых организмов, но вследствие высоких температур застывания (+18 ºС и выше) и растворимости нефти (+40 ºС) в условиях земной поверхности он переходит в твердое состояние, лишая нефть подвижности. Твердые парафины, выделенные из нефти и очищенные, с успехом применяются в медицине (Восстановление…, 1988).

Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе. Он надолго может «запечатать» все поры почвенного покрова, лишив почву свободного влагообмена и «дыхания». Это, в свою очередь, приводит к полной деградации биоценоза.

К циклическим углеводородам в составе нефти относятся нафтеновые (циклоалканы) и ароматические (арены).

Циклоалканы – это кольца из радикалов СН2 , с насыщенными связями. Часто в одном или нескольких радикалах вместо одного атома водорода присоединена цепочка алкана разной длины. Общее содержание нафтеновых углеводородов в нефти изменяется от 35 до 60%, в некоторых случаях составляя меньше или больше приведенных крайних значений (Петров, 1984).

О токсичности нафтеновых углеводородов сведений почти не имеется. Циклические углеводороды с насыщенными связями окисляются очень трудно. Биодеградацию циклоалканов затрудняет их малая растворимость и отсутствие функциональных групп (Восстановление…, 1988).

Ароматические углеводороды – наиболее токсичные компоненты нефти. В концентрации всего 1% в воде они убивают все водные растения; нефть, содержащая 38% ароматических углеводородов, значительно угнетает рост высших растений. С увеличением ароматичности нефти увеличивается ее гербицидная активность. Содержание ароматических углеводородов в нефти изменяется от 5 до 55%, чаще всего от 20 до 40%. Основную массу ароматических структур составляют моноядерные углеводороды – гомологи бензола. Полициклические ароматические углеводороды, т. е. углеводороды, состоящие из двух и более ароматических колец, содержатся в нефти в количестве от 1 до 4% (Восстановление…, 1988).

Бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое действие на организм, чем полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Последние действуют медленнее, но более длительное время, являясь хроническими токсикантами. Ароматические углеводороды трудно поддаются разрушению. Обычно они окисляются микроорганизмами(Шилина, 1985).

Смолы и асфальтены относятся к высокомолекулярным неуглеводородным компонентам нефти. В составе нефти они играют исключительно важную роль, определяя во многом ее физические свойства и химическую активность. Структурный каркас смол и асфальтенов составляют высококонденсированные полициклические ароматические структуры, состоящие из десятков колец, соединенных между собой гетероатомными структурами, содержащими серу, кислород, азот. Смолы – вязкие мазеподобные вещества, асфальтены – твердые вещества, нерастворимые в низкомолекулярных углеводородах. Относительная молекулярная масса смол – 500-1200, асфальтенов – 1200-3000 (Панов и др., 1986).

Смолы и асфальтены содержат основную часть микроэлементов нефти, в том числе почти все металлы. Общее содержание микроэлементов в нефти – сотые, десятые доли процента.

Смолистые вещества очень чувствительны к элементарному кислороду и активно присоединяют его. На воздухе смолистая нефть быстро густеет, теряет подвижность. Если нефть просачивается сверху, ее смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в основном в верхнем, гумусовом горизонте, иногда прочно цементируя его. При этом уменьшается поровое пространство почвы. Смолисто-асфальтеновые компоненты гидрофобны. Обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги, в результате чего растения засыхают. Эти вещества малодоступны микроорганизмам, процесс их метаболизма идет медленно, иногда десятки лет. Токсическое же влияние оказывают некоторые тяжелые металлы в составе смол и асфальтенов. Последние малодоступны микроорганизмам и обычно остаются в почвах в виде прочного органно-минерального комплекса (Восстановление…, 1988).

Из различных соединений серы в нефти наиболее часто обнаруживаются сероводород, меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, свободная сера. Сернистые соединения оказывают вредное влияние на живые организмы. Особенно сильным токсическим действием обладают сероводород и меркаптаны.

1.2 Нефтяное загрязнение почв

При освоении, обустройстве и эксплуатации месторождений нефти и газа в значительной мере изменяется природный ландшафт и идет интенсивное загрязнение земель.

Почвенный покров – основной элемент ландшафта – первым принимает на себя «экологический удар». В связи с механическим нарушением и нередко химическим загрязнением происходит постепенная деградация почв, которая стала одной из основных экологических проблем нефтегазового комплекса.

Наибольший ущерб природе наносят аварии на магистральных нефте- и газопроводах. Так, при одном порыве нефтепровода выбрасывается в среднем 2 т нефти, что выводит из строя 1000 м³ земли, а в результате аварии на газоконденсатопроводе на землю в среднем попадает не менее 2 млн. т/год нефтепродуктов (Гриценко и др., 1997).

Нефть, попадая в почву, вызывает значительные, порой необратимые изменения ее свойств – образование битуминозных солончаков, гудронизацию, цементацию и т. д. Эти изменения влекут за собой ухудшение состояния растительности и биопродуктивности земель. В результате нарушения почвенного покрова и растительности усиливаются нежелательные природные процессы – эрозия почв, деградация, криогенез.

Проблема деградации почв требует от компетентных отраслевых служб принятия незамедлительных мер, поскольку с почвами связана биологическая продуктивность всего ландшафта.

Деградация почв возникает в результате разных природных и антропогенных причин, принимая формы химического загрязнения, опустынивания, заболачивания и т.д. Антропогенная деградация является либо непосредственным результатом залповой техногенной нагрузки (механическая, химическая), либо связана с природными гипергенными или почвообразовательными процессами.

В результате формируются отдельные сочетания неблагоприятных почвенных свойств, и происходит снижение биологической продуктивности ландшафтов.

1.2.1 Механические нарушения почвенного покрова

Механическое нарушение почв наблюдается на всех объектах нефтяной и газовой отрасли и связано со строительными (возведение буровых установок, устьевого оборудования, прокладка трубопроводов, строительство промышленных корпусов, жилых поселков и коммуникаций) и рекультивационными (снятие плодородного слоя, засыпка траншей, планировка амбаров и пр.) работами. Эта разновидность техногенного воздействия на почвы свойственна промышленному освоению природной среды вообще и не является специфической для нефтегазового комплекса. Масштабы нарушений почвенного покрова, вызванных механическим воздействием, зависят, с одной стороны, от размера и назначения возводимых сооружений, а с другой – от ранимости природной среды в разных биогеоценозах.

Снятие плодородных горизонтов почвы имеет два основных следствия. Во-первых, кардинально изменяются почвенные свойства (физические, химические, биологическая активность). Во-вторых, развиваются несвойственные ненарушенному почвенному покрову гипергенные процессы (водная и ветровая эрозия, заболачивание, деградация болот и др.) либо интенсивность этих процессов возрастает (Трофимов и др., 1979).

При механическом разрушении почвенного профиля, как правило, происходит частичное или полное уничтожение гумусоаккумулятивных горизонтов, определяющих актуальное плодородие, перемешивание материала разных горизонтов, выполняющих в ненарушенном ландшафте самостоятельную экологическую функцию, внедрение подстилающих пород с неблагоприятными физическими свойствами и низким потенциальным плодородием.

Так, в результате исследований в районе подземного хранилища газа установлено, что на его территории почвенный слой характеризуется пониженным содержанием гумуса, азота, низкой суммой обменных оснований по сравнению с аналогичными показателями фоновых почв (Сидорова и др., 1994).

1.2.2 Химическое загрязнение почв

Основные причины химического загрязнения почв на объектах нефтегазовой отрасли следующие (Панов и др., 1986):

На нефтегазодобывающих предприятиях: возникновение газовых и нефтяных фонтанов, самовозгорание газа, выбросы подземных высокоминерализированных вод, сброс загрязненных сточных вод на рельеф, разлив буровой жидкости, ликвидация амбаров, разлив метанола, поступающего от установки регенерации, складирование шламообразных отходов, диффузная миграция газа, излив пластовой смеси, выброс продуктов сгорания топлива и т. д;

На нефте- и газотранспортных предприятиях: разлив углеводородного конденсата, ингибиторов коррозии, газопроводов, разлив турбинного топлива, метанола, органических кислот, поверхностно-активных веществ (ПАВ), смазочных компрессорных масел;

На нефтегазоперерабатывающих предприятиях: разлив и утечки конденсата и смазочных масел, а также химреагентов (метанола, диэтиленгликоля, диэтаноламина и др.).

Таким образом, основными загрязнителями почв в нефтяной и газовой отраслях являются: жидкости (нефтяные углеводороды, минерализованные пластовые воды, химреагенты, буровые растворы); газы (попутный и природный газ и продукты его сгорания); твердые вещества (шламы, серная пыль в районах предприятия переработки сернистого углеводородного сырья).

Химическое загрязнение почвы негативно влияет на ее физические, химические, ионообменные свойства и биологическую активность (Панов и др., 1986).

Показатели изменения этих свойств почвы целесообразно использовать в качестве признаков ее деградации. Это особенно актуально для объектов нефтегазового комплекса, так как в данном случае задача определения ПДК усложняется многокомпонентностью большинства загрязнителей почвы (Панов и др., 1986).

1.3 Влияние нефтяного загрязнения на микробиологические процессы в почве

Процесс естественного фракционирования и разложения нефти начинается с момента ее поступления на поверхность почвы. Выделяют три наиболее общих этапа трансформации нефти в почвах (Исмаилов и др., 1988):

1) физико-химическое и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов;

2) микробиологическое разрушение главным образом низкомолекулярных структур разных классов, новообразование смолистых веществ;

3) трансформация высокомолекулярных соединений; смол, асфальтенов, полициклических углеводородов.

Длительность всего процесса трансформации нефти в разных почвенно-климатических зонах различна: от нескольких месяцев до нескольких десятков лет (Бочарникова, 1990).

Загрязнение нефтью оказывает отрицательное воздействие на химические, физические и биологические свойства почв. Под влиянием нефти и ее компонентов изменяется численность микроорганизмов основных физиологических групп, ухудшаются агрофизические, агрохимические свойства почвы, снижаются активность окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов, обеспеченность почвы подвижными формами азота и фосфора.

На разложение нефти в почве решающим образом влияет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти и нефтепродуктов до углекислого газа и воды. На первой стадии изменение почвенной биоты характеризуется массовой гибелью мезо- и микрофауны; на второй стадии – «бумом» микробиологической активности специализированных микроорганизмов и последующей постепенной эволюцией биоценоза, коррелирующей с постоянно изменяющейся геохимической ситуацией в почве (Логинов и др., 2000).

В работе Н. А. Киреевой показана токсичность ароматических углеводородов для микроорганизмов почвы и их негативное воздействие на ферментативную активность. Наиболее чувствительными к загрязнению ароматическими углеводородами являются нитрифицирующие и целлюлозоразрушающие микроорганизмы, которые могут служить индикаторами загрязнения почв (Киреева, 1995).

Загрязнение нефтью существенно изменяет комплекс почвенных актиномицетов, снижая их численность и обедняя видовой состав. Кроме того, в загрязненной нефтью почве возрастает число фитопатогенных и фитотоксичных видов микроскопических грибов. Развитие фитотоксичных форм грибов может усилить отрицательное воздействие на почву нефтяного загрязнения (Киреева, 1996).

Показано, что загрязнение нефтью приводит к существенному (на два порядка) снижению численности гетеротрофной части микробного комплекса, отмеченного на начальных этапах воздействия нефти. Через три месяца происходит восстановление численности гетеротрофов (Сидоров и др., 1997).

Первоначально, в интервале концентраций нефти соответствующих зоне гомеостаза (до 1 мл/кг), она не оказывает существенного влияния на почвенную микробиоту, выступает как биологический стимулятор. Более высокие дозы (зона стресса 1-30 мл/кг) приводят к необратимым изменениям микробиологических свойств почвы, а в дальнейшем, - к нарушению её водно-воздушного режима. Затем, в зоне резистентности, она становится основным трофическим субстратом для углеводородокисляющих микроорганизмов, одновременно угнетая жизнедеятель-ность других гетеротрофных микроорганизмов, растений и животных. Наконец, при ещё больших дозах, в зоне репрессии, нефть выступает как ингибитор биологической активности почвы (Левин и др., 1995).

Изменения микробиологических параметров почвы первыми рассматриваются как значимые экологические нарушения. Они зафиксированы при концентрациях нефти более 1-5 мл/кг в зависимости от типа почвы.

2. Методы оценки нефтяного загрязнения почв

2.1 Нормирование загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами

Выработка методологии борьбы с загрязнением окружающей среды нефтью и нефтепродуктами крайне сложное дело. Реакция почв на загрязнение нефтью, их чувствительность к этим загрязнителям отличаются в разных почвенных зонах, также в пределах сопряженных ландшафтов.

Предельно допустимые концентрации нефтяных загрязнений в почвах зависят от вида нефтепродуктов (НП) и составляет для почвы 0,1 мг/кг. Однако ПДК суммарного содержания нефтепродуктов в почве не стандартизовано; установлены ПДК для некоторых видов нефтепродуктов: бензол – 0,3 мг/кг, толуол – 0,3 мг/кг, ксилол – 0,3 мг/кг (Саксонов и др., 2005).

Минимальный уровень содержания нефтепродуктов в почвах и грунтах, выше которого наступает ухудшение качества природной среды, рассматривается как верхний безопасный уровень концентрации (ВБУК) (Пиковский, 1993). ВБУК нефтепродуктов в почвах зависит от сочетания многих факторов, таких как тип, состав и свойства почв и грунтов, климатические условия, состав нефтепродуктов, тип растительности, тип землепользования и др. Эти нормы должны различаться в зависимости от климатических условий и типов почвообразования.

Верхний безопасный уровень концентрации НП в почвах можно принять за ориентировочный уровень допустимой концентрации (ОДК) в почвах. Ориентировочным допустимым уровнем загрязнения почвы НП предлагается считать нижний допустимый уровень загрязнения, при котором в данных природных условиях почва в течение одного года восстановит свою продуктивность, а негативные последствия для почвенного биоценоза могут быть самопроизвольно ликвидированы. Такая оценка ОДК как общесанитарного показателя может быть дана для верхнего гумусо-аккумулятивного горизонта почв (примерно до глубины 20-30 см) (Саксонов и др., 2005).

Вполне очевидно, что ОДК нефти и НП в почве не может быть единым для всех типов почв и природных зон. Он зависит от факторов, определяющих влияние вещества на свойства почв и растений, от потенциала самоочищения почв, от данного вида загрязнения. Главные из таких факторов – химический состав загрязняющего вещества, свойства и состав почв, физико-географические (главным образом, климатические) условия данной территории (Пиковский, 2003).

В обзоре МакДжила (McGill, 1977) приводятся данные исследователей из разных стран по установлению безопасных пределов содержания нефти и НП в почвах. Эти оценки существенно расходятся по причине резко различных климатических и почвенных условий тех районов, где проводились эксперименты.

На основе сообщения мирового опыта и данных экспериментов МакДжилом составлена таблица ориентировочных нормативов содержания НП в почвах, подлежащих рекультивации (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Относительная степень нарушенности почв, содержащих различные количества нефти

2.2 Методы контроля

При количественных оценках уровня нефтяных загрязнений наибольшее распространение получили методы инфракрасной спектрофотометрии, ультрафиолетовой люминесценции, газовой и газожидкостной хроматографии.

ИК-спектроскопия. Все органические вещества имеют в инфракрасном диапазоне свои индивидуальные спектры поглощения. Положение полос поглощения в ИК-спектрах веществ характеризуется длиной волны l, нм (мкм) (Митчелл и др., 1980). Для ИК-анализа углеводородов используют диапазон от 0,7 до 25 мкм, который обычно подразделяют на три области: ближнюю – 0,7-2,5 мкм, область основных частот – 2,6-6 мкм, дальнюю – 6-25 мкм.

Ближняя ИК-область для аналитических определений в технологических и экологических целях в нашей стране в отличие от многих развитых стран практически не осваивается.

Наиболее широко используется область основных частот. Нормативные документы по анализу суммарного загрязнения окружающей среды нефтепродуктами с ИК-спектроскопическим окончанием регламентируют проведение измерений в интервале длин волн 3,3-3,5 мкм. Стандартная смесь, содержащая 37,5% изооктана, 37,5% цетана, 25% бензола, предназначена для калибровки приборов в этой области (Проскуряков, 1995).

Дальняя ИК-область используется в основном для идентификации источника загрязнения, а также для определения типов нефтей по показателю ароматизированности и для структурно-группового анализа (Проскуряков, 1995).

Пробоподготовка для ИК-детектирования не вызывает сложностей. Анализ требует малого количества вещества любой молекулярной массы в любом агрегатном состоянии. После анализа вещество остается неизменным (Саксонов и др., 2005). Принципиально новым шагом явилось создание лабораторных Ик-спектрометров на основе Фурье-преобразования. Большинство отечественных нефтепродуктов проводят измерение концентраций нефтяных загрязнений на одной длине волны. Следует выделить прибор ИКАН-1, в котором предусмотрена возможность установки любой длины волны в диапазоне от 1,85 до 3,5 мкм с индикацией ее значения на цифровом табло. Это дает принципиально новую возможность проводить анализ многокомпонентных смесей на нескольких длинах волн.

Существующие люминесцентные методы оценки нефтяного загрязнения характеризуются высокой экспрессностью и чувствительностью. Они позволяют определять микроэлементы, а также суммарное содержание загрязняющих органических веществ и индивидуальных органических соединений.

Приборы для люминесцентного анализа могут быть разделены на две группы: флуориметры и спектрофлуориметры. В флуориметрах используют светофильтры, а в спетрофлуориметрах – дифракционные решётки.

В нашей стране наибольшее распространение получил люминесцентно-фотометрический анализатор «Флюорат-0,2». В этом приборе источником возбуждения люминесценции служит газоразрядная лампа (для измерения нефтепродуктов - ксеноновая). Несмотря на высокую чувствительность люминесцентного метода, при использовании приборов типа «Флюорат-0,2» для измерения суммарного содержания НП возникает проблема калибровки прибора по стандартному раствору, что необходимо для получения достоверных данных. Однако, до настоящего времени такой стандартный раствор для люминесцентных методов отсутствует. Стандартный раствор изооктан – цетан - бензол, используемый для ИК-спектрометрии, изготавливается на четырёххлористом углероде, который поглощает в рабочей области флуориметра, поэтому калибровку проводят по какому-либо известному НП, например маслу Т-22 (Саксонов и др., 2005). В результате при измерениях «тяжёлых» НП (мазут и прочие) прибор может дать погрешность до 40-50%, а при определении «лёгких» НП (бензин и прочее) результаты измерений концентрации могут быть занижены в несколько раз. Следует отметить, что в европейских странах ультрафиолетовые методы анализа применяются мало (Берне и др., 1997).

Наиболее перспективными для мониторинга нефтепродуктов с одновременной идентификацией и расшифровкой химического состава являются методы газовой, газожидкостной или высокоэффективной жидкостной хроматографии. Наиболее распространён газохроматографический метод, особенно в сочетании с ИК-спектрометрией, позволяющий определять индивидуальные компоненты в смеси нефтепродуктов, что делает этот метод анализа незаменимым при установлении источника загрязнения почв, идентификации веществ нефтяного происхождения в процессе биодеградации, при исследовании процессов разрушения нефтепродуктов.

Однако при выполнении массовых анализов его использование ограничено низкой производительностью и высокой стоимостью аналитических работ.

В основе всех предложенных методов лежит извлечение нефти и нефтепродуктов из проб органическими растворителями. Почва является очень трудным объектом анализа, поскольку её органическая часть довольно сложна и разнообразна по составу. В любой почве содержится от 1% до 15% органических веществ в зависимости от типа почвы. Гумус составляет 85-90% от общего количества органического вещества почвы. Кроме этого, в почве содержатся и неспецифические вещества: жиры, углеводы (целлюлоза, пектины, пентозаны, маннаны и т.д.), протеины, белки, аминокислоты, амиды, лигнины, дубильные вещества, терпены, смолы и т.п. Таким образом, при выборе растворителя необходимо учитывать сложный химический состав, как определяемого вещества – нефтепродукта, так и исследуемого объекта – почвы (Почвенно-экологический…, 1994).

Многие авторы отдают предпочтение гексану. Химические свойства гексана благоприятны для количественного извлечения нефтепродуктов из почвы. Этот растворитель используют для разработки ускоренных вариантов метода оценки степени загрязнения почв нефтью. Данная методика определения нефти и НП в почве основана на их экстракции из почвы при конденсации кипящего гексана в аппарате Сокстек.

Содержание нефтепродуктов в экстрактах определяют гравиметрическим методом после отгонки растворителя. В модельных опытах была изучена полнота экстракции нефти в зависимости от времени взаимодействия нефти и почвы. Установлено, что даже в первый день после добавления гексан извлекает всего 60-75% внесённого количества. Со временем степень извлечения имеет тенденцию к снижению (Почвенно-экологический…, 1994).

По результатам хроматографического исследования анализа гексанового экстракта было показано, что гексан не извлекает гуминовые кислоты и другие неспецифические вещества почв. В тоже время гексан растворяет все группы углеводородов, за исключением асфальтенов и высокомолекулярных смол, содержание которых в нефтепродуктах обычно не превышает 2% (Почвенно-экологический…, 1994).

К настоящему времени создано множество методик и приборов для экологического мониторинга нефтей и нефтепродуктов. Однако вопрос о разработке наиболее оптимальных методов их определения и идентификации нельзя считать закрытым, поскольку у каждого метода есть свои преимущества и недостатки. К тому же, само понятие «нефтепродукт» весьма расплывчато, особенно с учётом непостоянства и разнообразия состава нефтей и нефтепродуктов. Необходим мониторинг нефтепродуктов с одновременной идентификацией и расшифровкой его химического состава.

нефтяное загрязнение почва биоремедиация

2.3 Методы биоиндикации и биотестирования почв

Биодиагностика антропогенных изменений относится к экспрессным методам анализа и, кроме того, дает комплексную оценку экологического состояния почвы. Существует множество биологических показателей, с помощью которых оценивается состояние почв. Наиболее важными являются интегральные показатели биологической активности: токсичность, «дыхание», количество свободных аминокислот и белков. Интенсивность дыхания почвы является исключительно вариабельной величиной и зависит от большого количества факторов (температурного режима, влажности, состояния фитоценоза и др.). Для оценки экологического влияния загрязнений необходимо проводить сравнение данных, полученных на разных участках в максимально близких условиях. Информативными являются и другие показатели, например, ферментативная активность.

Попадание нефти и нефтепродуктов в почву приводит к изменению активности основных почвенных ферментов, что влияет на обмен азота, фосфора, углерода и серы (Киреева, Новоселова и др., 2001). Устойчивые изменения в активности некоторых почвенных ферментов могут использоваться в качестве диагностических показателей загрязнения почв нефтью. Удобна для этой цели группа ферментов, объединяемых под общим названием почвенные уреазы. Во-первых, они меньше подвержены воздействию других экологических факторов и, во-вторых, прослеживается четкая зависимость их активности от степени загрязнения почв (Киреева, Водопьянов и др., 2001).

Применение микроорганизмов для оценки интегральной токсичности почвы и создание на их основе комплексной системы чувствительных, достоверных и экономичных биотестов является перспективной областью исследований. Многие физиологические группы почвенных микроорганизмов проявляют чувствительность по отношению к нефтяным углеводородам.

Общая численность микроорганизмов, как правило, достаточно четко отражает микробиологическую активность почвы, скорость разложения органических веществ и круговорота минеральных элементов. На основании данного показателя можно не только судить о степени загрязненности почвы нефтью, но и о ее потенциальной способности к восстановлению, а также о процессах разложения нефти в естественных природных условиях и при рекультивации загрязненных почв (Киреева, 1995).

Нефтяное загрязнение может также способствовать накоплению в почве микроскопических грибов, вызывающих заболевания растений и фитотоксины (Киреева, Кузяхметов и др., 2003). Последнее обстоятельство играет немаловажную роль при разработке мероприятий по фитомелиорации нефтезагрязненных земель.

Непосредственное воздействие нефти на растительный покров в том, что замедляется рост растений, нарушаются функции фотосинтеза и дыхания, отмечаются различные морфологические нарушения, сильно страдают корневая система, листья, стебли и репродуктивные органы. Оперативную информацию о фитотоксичности загрязненной почвы можно получить, используя в качестве тест-объектов семена и проростки растений. Для удобства постановки тестов на токсичность семена подбирают по размерам и скорости их прорастания. Часто используют семена редиса, кресс-салата, кукурузы, зерновых. В качестве тест-функции выступают показатели всхожести семян, дружности и времени появления всходов, скорости удлинения проростков, последний из которых считается наиболее чувствительным.

В природных экосистемах почвенные беспозвоночные широко используются для мониторинга на уровне комплекса видов (Трублаевич, Семенова, 1997).

Набор тест-объектов из семян растений, микроорганизмов, почвенных беспозвоночных и ферментов можно использовать как в полном объеме, так и частично, в зависимости от целевого назначения исследований и степени нефтяного загрязнения почвы. Если пробы с почвенными ногохвостками и активность ферментов дают хорошую количественную характеристику токсичности почвы при низкой и средней степени ее загрязнения, то микробиологические тесты удобны для описания состояния сильнозагрязненных высокотоксичных почв (Киреева, 1995).

3. Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем

Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. При оценке последствий такого загрязнения не всегда можно сказать, вернется ли экосистема к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Суть восстановления загрязненных экосистем – максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс.

Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения - длительный процесс, особенно в условиях Сибири, где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. В связи с этим, разработка способов очистки почвы от загрязнения углеводородами нефти – одна из важнейших задач при решении проблемы снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.

3.1 Классификация методов рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами

Рекультивация земель – это комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель. Задача рекультивации – снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения (Реймерс, 1990). В настоящее время разработан ряд методов ликвидации нефтяных загрязнений почвы, включающие механические, физико-химические, биологические методы (таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Методы ликвидации нефтяных загрязнений почвы (Колесниченко, 2004).

Методы	Способы ликвидации	Особенности применения
Механи-ческие	Обвалка загрязнения, откачка нефти в ёмкости	Первичные мероприятия при крупных разливах при наличии соответствующей техники и резервуаров (проблема очистки почвы при просачивании нефти в грунт не решается)
	Замена почвы	Вывоз почвы на свалку для естественного разложения
Физико-химические	Сжигание	Экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники. В зависимости от типа нефти и нефтепродукта уничтожается от 50 до 70% разлива, остальная часть просачивается в почву. Из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти; землю после сжигания необходимо вывозить на свалку
	Предотвращение возгорания	При разливе легковоспламеняющихся продуктов в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; изолируют разлив сверху противопожарными пенами или засыпают сорбентами
	Промывка почвы	Проводится в промывных барабанах с применением ПАВ, промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или ёмкостях, где впоследствии проводятся их разделение и очистка
	Дренирование почвы	Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с использованием нефтеразлагающих бактерий
	Экстракция растворителями	Обычно проводится в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром
	Сорбция	Разливы на сравнительно твёрдой поверхности (асфальт, бетон, утрамбованный грунт) засыпают сорбентами для поглощения нефтепродукта и снижения пожароопасности при разливе легковоспламеняющихся продуктов
	Термическая десорбция	Проводится редко при наличии соответствующего оборудования, позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций
Биологические	Биоремедиация	Применяют нефтеразрушающие микроорганизмы. Необходима запашка культуры в почву. Периодические подкормки растворами удобрений, ограничение по глубине обработки, температуре почвы (выше 15ºС), процесс занимает 2-3 сезона
	Фиторемедиация	Устранение остатков нефти путём высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока и др.), активизирующих почвенную микрофлору, является окончательной стадией рекультивации загрязнённых почв

До недавнего времени наиболее распространенным и дешевым методом ликвидации нефтяного загрязнения было простое сжигание. Этот способ неэффективен и вреден по двум причинам: 1) сжигание возможно, если нефть лежит на поверхности густым слоем или собрана в накопители, пропитанные ею почва или грунт гореть не будут; 2) на месте сожженных нефтепродуктов продуктивность почв, как правило, не восстанавливается, а среди продуктов сгорания, остающихся на месте или рассеянных в окружающей среде, появляется много токсичных, в частности канцерогенных веществ (Гриценко, Акопова, 1997).

Очистка почв и грунтов в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром дорогостояща и малоэффективна для больших объемов грунта. Требуются большие земляные работы, в результате чего нарушается естественный ландшафт, а после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды – источник канцерогенной опасности (Пиковский, 1993).

Землевание замедляет процессы разложения нефтяных углеводородов, приводит к образованию внутрипочвенных потоков нефти, пластовой жидкости и загрязнению грунтовых вод. Складирование загрязненной почвы создает очаги вторичного загрязнения.

Качественное удаление нефтяных загрязнителей при высоких уровнях загрязнения зачастую не обходится без применения различного рода сорбентов. Среди возможного сырья для производства сорбентов наиболее привлекательными являются естественное органическое сырье и отходы производства растительного происхождения. К такому сырью относятся торф, сапропели, отходы переработки сельскохозяйственных культур и др. На базе такого сырья разработаны, например, такие сорбенты, как «Сорбест», «РС», «Лессорб» и др. (Колесниченко, 2004).

Существует технология очистки почв и грунтовых вод путем промывания их поверхностно-активными веществами. Этим способом можно удалить до 86% нефти и нефтепродуктов. Применять его в широких масштабах вряд ли целесообразно, так как поверхностно-активные вещества сами загрязняют среду и появится проблема их сбора и утилизации (Пиковский, 1993).

3.2 Основные подходы и роль биоремедиации в восстановлении нефтезагрязненных почв

Существующие механические, термические и физико-химические методы очистки почв от нефтяных загрязнений дорогостоящи и эффективны только при определенном уровне загрязнения (как правило, не менее 1% нефти в почве), часто связаны с дополнительным внесением загрязнения и не обеспечивают полноты очистки. В настоящее время наиболее перспективным методом для очистки нефтезагрязненных почв, как в экономическом, так и в экологическом плане является биотехнологический подход, основанный на использовании различных групп микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеградации компонентов нефтей и нефтепродуктов (Логинов и др., 2000). Способность утилизировать трудноразлагаемые вещества антропогенного происхождения (ксенобиотики) обнаружена у многих организмов. Это свойство обеспечивается наличием у микроорганизмов специфических ферментных систем, осуществляющих катаболизм таких соединений. Поскольку микроорганизмы имеют сравнительно высокий потенциал разрушения ксенобиотиков, проявляют способность к быстрой метаболической перестройке и обмену генетическим материалом, им придается большое значение при разработке путей биоремедиации загрязненных объектов.

Под термином «биоремедиация» принято понимать применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистке почв, т.е. для удаления из почвы уже находящихся в ней загрязнителей (Биология. Большой энциклопедический…, 1999). Биоремедиация включает в себя два основных подхода:

1 биостимуляция – активизация деградирующей способности аборигенной микрофлоры внесением биогенных элементов, кислорода, различных субстратов;

2 биодополнение – интродукция природных и генноинженерных штаммов-деструкторов чужеродных соединений.

Биостимуляция insiti (биостимуляция в месте загрязнения). Этот подход основан на стимулировании роста природных микроорганизмов, обитающих в загрязненной почве и потенциально способных утилизировать загрязнитель, но не способных делать это эффективно из-за недостатка основных биогенных элементов (соединений азота, фосфора, калия и др.) или неблагоприятных физико-химических условий. В этом случае в ходе лабораторных испытаний с использованием образцов загрязненной почвы устанавливают, какие именно компоненты и в каких количествах следует внести в загрязненный объект, чтобы стимулировать рост микроорганизмов, способных утилизировать загрязнитель (Логинов и др., 2000).

Биостимуляция invitro. Отличие этого подхода в том, что биостимуляция образцов естественной микрофлоры загрязненной почвы проводится сначала в лабораторных или промышленных условиях (в биореакторах или ферментерах). При этом обеспечивается преимущественный и избирательный рост тех микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. «Активизированную» микрофлору вносят в загрязненный объект одновременно с необходимыми добавками, повышающими эффективность утилизации загрязнителя (Логинов и др., 2000).

Существующие два пути интенсификации биодеградации ксенобиотиков в окружающей среде – стимуляция естественной микрофлоры и интродукция активных штаммов, не только не противоречат, но и дополняют друг – друга (Коронелли, 1996).

Биорекультивация нефтезагрязненных почв – это многостадийный биотехнологический процесс, включающий физико-химические методы детоксикации загрязнителя, применение органических и минеральных добавок, использование биопрепаратов (Вельков,1995).

Основными факторами, влияющими на ход биоразрушения органических загрязнителей, являются их химическая природа (которая обусловливает возможные пути биотрансформации), концентрация и взаимодействие с другими загрязнителями (на уровне их непосредственного взаимодействия или взаимного влияния на трансформацию).

К неблагоприятным физико-химическим условиям, лимитирующим деградацию микроорганизмами ксенобиотиков в окружающей среде, можно отнести низкую или чрезмерную влажность почвы, недостаточное содержание кислорода, неблагоприятную температуру и рH, низкую концентрацию или доступность ксенобиотиков, наличие альтернативных, более предпочтительных субстратов и т.д.. Среди биологических факторов отмечены поедание интродуцируемых микроорганизмов простейшими, обмен генетической информацией в популяции, физиологическое состояние и плотность интродуцируемой микробной популяции (Providenti, 1993). Некоторые из перечисленных проблем могут быть решены путем создания генетически сконструированных штаммов-деструкторов и их консорциумов, усовершенствования методов интродукции, оптимизации условий существования природных микробных популяций.

Таким образом, интродукция микроорганизмов приводит к положительным результатам только при создании соответствующих условий для развития внесенной популяции, для чего необходимо знать физиологические особенности интродуцента, а также учитывать складывающиеся микробные взаимодействия.

3.3 Микроорганизмы-деструкторы нефти и нефтепродуктов

Способность усваивать углеводороды нефти присуща микроорганизмам, представленным различными систематическими группами. К ним относятся различные виды микромицетов, дрожжей и бактерий. Наиболее активные деструкторы нефти встречаются среди бактерий. Они характеризуются способностью к усвоению широкого спектра углеводородов, включая и ароматические, обладают высокой скоростью роста и, следовательно, представляют большой практический интерес.

Углеводородокисляющая группа микроорганизмов природного происхождения таксономически очень разнообразна. Наиболее активные бактериальные штаммы относятся к родам: Pseudomonas, Arthrobacter, Rhodococcus, Acinetobacter, Flavobacterium, Corynebacterium, Xanthomonas, Alcaligenes, Nocardia, Brevibacterium, Mycobacterium, Beijerinkia, Bacillus, Enterobacteriaceae, Klebsiella, Micrococcus, Sphaerotilus. Среди актиномицетов внимание привлекает многочисленный род Streptomyces. Из дрожжей выделяют род Candida и Torulopsis (Сидоров и др., 1997).

Постоянными и доминирующими компонентами естественных биоценозов нефтяных загрязнений являются родококки, их основная экологическая функция – аккумуляция газообразных н-алканов, жидких углеводородов нефти и трансформация их в биомассу. Бактерии этого рода отличаются высокой жизнестойкостью при действии неблагоприятных факторов – низкой температуры, солнечного ультрафиолета, длительного отсутствия питательных веществ. Естественная нефтеокисляющая микрофлора нефтезагрязненной тундровой почвы представлена главным образом бактериями R. Erythropolis. В связи с этим понятен интерес к родококкам – деструкторам нефти (Коронелли, 1996).

Т. В. Коронелли с соавт. с целью выбора штамма, сохраняющего в наибольшей степени углеводородокисляющую активность при низких температурах, провели скрининг всей коллекции углеводородокисляющих бактерий (роды Pseudomonas, Arthrobacter, Rhodococcus) в агаризованной среде с парафином при температуре плюс 6°С. Отобранные таким образом 17 штаммов выращивали в жидкой среде с нефтью при плюс 8°С. Через 14 суток определяли концентрацию нефтяных углеводородов методом ИК-спектроскопии. Оказалось, что 12 штаммов использовали от 13 до 36% внесенной нефти, два штамма – 5-6%, а три были неэффективными. Все 12 штаммов являлись представителями рода Rhodococcus: 11 принадлежали к виду R. Erythropolis; один – к виду R. Maris (Коронелли, 1996).

Немалый интерес представляют спорообразующие бактерии, так как они наиболее устойчивы к различным неблагоприятным воздействиям окружающей среды.

В настоящее время активно ведётся поиск микроорганизмов, разрушающих нефть, в особенности при низких температурах. Активные формы микроорганизмов выделяются из разнообразных водных и почвенных экосистем, особенно загрязнённых углеводородами или нефтью, а также из микрофлоры нефти и пластовых вод нефтяных месторождений.

Выбор активного микроорганизма-деструктора углеводородных загрязнений должен производиться с учетом ряда требований. При поиске микроорганизма-деструктора необходимо учитывать, что вносимая в почву микробная биомасса не должна быть чужеродной для почвенной микрофлоры. Еще одним важным требованием к вносимым в почву микроорганизмам является их непатогенность. В связи с тем, что технология микробиологической очистки загрязненных почв предусматривает аэробные условия, необходимо вести выбор микроорганизма-деструктора среди аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов. Микробные клетки могут подвергаться воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды, следовательно, микроорганизм-деструктор должен обладать высокой жизнестойкостью.

В настоящее время предложено большое количество различных коммерческих микробиологических препаратов как отечественного, так и импортного производства. Ряд из них нашел широкое применение на практике (Деворойл, Дестройл, Путидойл и т.п.)

Институтом Микробиологии АН России совместно с Научно – производственным предприятием «Биотехинвест» разработан микробиологический препарат «Деворойл». Препарат предназначен для биодеградации нефти и нефтепродуктов при загрязнении почв, водоемов, поверхностей акваторий, а также внутренних поверхностей танков нефтеналивных судов и прочих резервуаров.

Микробиологический препарат «Деворойл» состоит из тщательно подобранного сообщества углеводородоокисляющих бактерий и дрожжей. В состав ассоциации входят вегетативные клетки непатогенных штаммов культур родов Rhodococcus, Pseudomonas и Yarovvia. Бактерии способны окислять нефтяные n – алканы длиной цепи С9 – С30 и ароматические углеводороды. Удачно подобранная ассоциация микроорганизмов дает препарату множество принципиальных преимуществ.

Также для ликвидации нефтяных загрязнений почвы используется препарат «Дестройл». Коммерческий препарат, выпускаемый Бердским заводом биологических препаратов, полученный на основе выделенной из природы микробной культуры Acinetobacter sp. Обладает высоковыраженной активностью в отношении углеводородов нефти и нефтепродуктов, вызывая в них глубокие необратимые процессы деградации до остаточных продуктов, относящихся к экологически нейтральным соединениям.

3.4 Трансформация нефти в почве микробиологическим препаратом и дождевыми червями

Ученые Иркутского Государственного Университета (Стом, Матвеева и др., 2006) проводили исследования. В лабораторных условиях изучали влияние дождевых червей и нефтеразрушающего микробиологического препарата, а также их бинарной смеси на образцы нефтезагрязненной почвы. Трансформация нефтяного загрязнения, снижение фитотоксичности исследуемых образцов и рекультивация почвы наиболее эффективно происходит под действием комплекса биодеструкторов.

Было предложено для элиминирования нефтегенного загрязнения совместное применение нефтеразрушающих микробиологических препаратов и дождевых червей. При использовании такого подхода предполагалось увеличение скорости и степени биотрансформации нефтепродуктов, восстановление структуры почвы, устранение необходимости дополнительной аэрации и повторного внесения препарата.

Источником микроорганизмов служил микробиологический препарат "Дестройл", рекомендованный для очистки почвы от нефти и нефтепродуктов. В качестве дождевых червей использовали красный калифорнийский гибрид дождевого червя Eisenia foetida.

Эксперименты проводили в садках размером 180 мм - 120 мм - 60 мм, помещая туда образцы нефтезагрязненной почвы (толщина слоя 50 мм). В работе использовали дерново-подзолистую почву, в которую добавляли нефть Марковского месторождения Иркутской области (из расчета 25 г нефти на 1 кг почвы). В один из опытных садков вносили микробиологический препарат "Дестройл" (0,5 г на 100 г нефтезагрязненной почвы), в другой - дождевых червей, а в третий - добавляли "Дестройл" совместно с дождевыми червями. Червей брали одинакового возраста длиной 60-70 мм по пять особей. Контролем служила нефтезагрязненная почва, в которую не добавляли ни червей, ни «Дестройл».

Количественное содержание нефти, экстрагированной хлороформом (Агранович, 1979), в процессе опыта определяли на спектрофотометре СФ - 46, при l = 286 нм (Куркова, Бриль, 1990).

Определение скорости вермитрансформации почвы червями вели по оригинальной методике (Стом и др., патент №96114221). В основе этого метода лежит регистрация толщины слоя копролитов накапливающихся на поверхности субстрата. Оценку фитотоксичности водных вытяжек из почв осуществляли по пробе на прорастание семян редиса (Stom, 1982). Подсчитывали число проросших семян и измеряли длину проростков. Каждый опыт проводили не менее чем с тремя параллелями и в 5 биологических повторностях.

Как видно из рисунка 3.1 добавление в почву червей, а еще в большей степени микробиологического препарата существенно активизировало процессы элиминирования нефти в исследуемых образцах. По мере увеличения продолжительности экспериментов наблюдали все более значительное снижение содержания нефти при совместном действии красного калифорнийского гибрида и препарата "Дестройл" по сравнению с действием биодеструкторов порознь. Особенно наглядно это проявлялось в сорокасуточных экспериментах, когда наблюдалось заметное снижение влияния отдельно внесенных дождевых червей и микробиологического препарата.

В вариантах с добавлением червей отмечалось повышение структурированности почвы, ее скважности. Это, без сомнения, должно повышать аэрацию и улучшать водный режим почвы (Орлов, 1978), тем самым, способствуя физико-химическим и микробиологическим процессам разрушения нефти.

Рисунок 3.1 – Влияние различных биодеструкторов на содержание нефти в почве

О том, что при действии комплекса биодеструкторов происходило значительно более интенсивное обезвреживание нефти, свидетельствовали и данные, полученные при тестировании на семенах редиса.

Из таблицы 3.2 можно увидеть, что при совместном влиянии микробиологического препарата и красного калифорнийского гибрида, происходило значительно более эффективное снижение фитотоксичности водных вытяжек из почвы, в которую добавляли нефть, чем в тех случаях, когда компоненты действовали порознь.

Таблица 3.2 – Влияние биодеструкторов на фитотоксичность водных вытяжек из почвы, загрязненной нефтью

Примечание: Контроль: водная вытяжка почвы, в которую не вносили нефть; кол-во проросших семян - 29; средняя длина проростков, мм - 57; исходная концентрация нефти в 1 кг почвы – 25 г.

Через 30 суток от начала эксперимента в вариантах с водными вытяжками, из нефтезагрязненных почв, в которые запускали красных калифорнийских червей, прорастало всего 3,5 % семян, там где был добавлен «Дестройл» - 17%, а там где присутствовали и черви и микробиологический препарат – 68 %. Длина проростков редиса через 30 суток составила соответственно 11,0, 33,0 и 60,5 мм.

Таким образом, проведенные исследования показали, что комплекс биодеструкторов, состоящий из представителей двух трофических уровней - ассоциаций нефтеразрушающих микроорганизмов - "Дестройл" и дождевых червей, более эффективно элиминировал нефть из нефтезагрязненных почв, снижал фитотоксичность образцов, и вел к рекультивации почв, чем названные биодеструкторы это делали по отдельности.

3.5 Методы рекультивации, основанные на интенсификации процессов самоочищения

Самоочищение и самовосстановление почвенных экосистем, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, - это стадийный биогеохимический процесс трансформации загрязняющих веществ, сопряженный со стадийным процессом восстановления биоценоза. Для разных природных зон длительность отдельных стадий этих процессов различна, что связано в основном с почвенно-климатическими условиями. Важную роль играют и состав нефти, наличие сопутствующих солей, начальная концентрация загрязняющих веществ (Исмаилов и др., 1998).

Механизм самовосстановления экосистемы после нефтяного загрязнения достаточно сложен. С помощью агротехнических приемов можно ускорить процесс самоочищения нефтезагрязненных почв путем создания оптимальных условий для проявления потенциальной активности микроорганизмов, входящих в состав естественного микробиоценоза.

Одним из основных факторов, лимитирующих процесс разложения углеводородов, является газовоздушный режим загрязненной почвы. Нефтяное загрязнение ухудшает газовый обмен почвы, создает условия для усиления восстановительных процессов. Для окисления углеводородов микроорганизмами необходимо наличие молекулярного кислорода, в анаэробных условиях процесс окисления крайне затруднен.

Из свыше 100 видов бактерий, грибов, дрожжей, способных утилизировать один или несколько нефтяных углеводородов в качестве источника углерода и энергии, только один принадлежал к анаэробам (Колесниченко, 2004). Приемы обработки почв, способствующие улучшению аэрации, стимулируют активность микроорганизмов, усиливают окислительные процессы. Интенсификация разложения нефти и нефтепродуктов в почве возможна путем рыхления, частой вспашки, дискования.

Обработка является мощным регулирующим фактором, стимулирующим самоочистку нефтезагрязненных почв. Она положительно влияет на микробиологическую и ферментативную активность, так как способствует улучшению условий жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, которые количественно и по интенсивности метаболизма доминируют в почвах и являются основными деструкторами углеводородов. Рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, снижает концентрацию углеводородов в почве в результате улетучивания легких фракций, обеспечивает разрыв поверхностных пор, насыщенных нефтью, но в то же время способствует равномерному распределению компонентов нефти и нефтепродуктов в почве и увеличению активной поверхности. Обработка почвы создает мощный биологически активный слой с улучшенными агрофизическими свойствами. В почве при этом создается оптимальный водный, газовоздушный и тепловой режим, растет численность микроорганизмов и их активность, усиливается активность почвенных ферментов, увеличивается энергия биохимических процессов (Колесниченко, 2004).

Обеспеченность почв биогенными элементами - азотом, фосфором и калием - важный фактор, определяющий интенсивность разложения нефти и нефтепродуктов. Недостаток биогенных элементов необходимо восполнять путем внесения в почву минеральных удобрений. Практически во всех случаях внесение биогенных элементов в виде минеральных удобрений стимулирует разложение углеводородов в почве. Наиболее интенсивно разложение углеводородов протекает при ежегодном внесении комплекса N, P, K – содержащих удобрений в сочетании с навозом, а также при внесении в почву биогумуса (Андерсон и др., 1979).

Биогумус получают переработкой навоза (крупного рогатого скота, свиного, конского), опилок, измельченной вермикультурой соломы. Биогумус поддерживает высокую численность бактерий, утилизирующих органические и минеральные формы азота, целлюлозоразрушающих микроорганизмов, нитрификатов. Способствует перестройке микробного ценоза нефтезагрязненной почвы, что проявляется в расширении видового разнообразия бактериальной флоры. Почвенная микрофлора использует компоненты биогумуса в качестве источника азота, фосфора и калия, обеспеченность которыми в нефтезагрязненной почве снижается. Многие органические вещества биогумуса служат энергетическим материалом для почвенной микрофлоры, благодаря чему в почве повышается активность микробиологических процессов, соответственно усиливается мобилизация питательных веществ (Логинов, 2000).

Температура - важный фактор, при прочих равных условиях определяющий интенсивность микробиологического разложения нефти и нефтепродуктов. Оптимальной температурой для разложения нефти и нефтепродуктов в почве считается 20-37°С. В почвах, расположенных в аридных зонах с повышенной среднегодовой температурой, интенсивность самоочищения загрязненных почв значительно выше, чем в почвах, расположенных в гумидных зонах с относительно низкими среднегодовыми температурами.

В виду сильного влияния температуры на скорость биодеградации нефтепродуктов особое внимание исследователей в последнее время привлекают природные микроорганизмы, обладающие высокой устойчивостью к низким температурам. В частности, из загрязненных нефтепродуктами почв Антарктики был выделен штамм Pseudomonassp. 30-3, способный переносить диапазон температур от 0 до 35 °С (Panickeretal., 2002).

Поддержание почвы во влажном состоянии является одним из агротехнических приемов управления биологической активностью и оказывает эффективное воздействие на темпы разложения нефти и нефтепродуктов. Благоприятный водный режим почвы достигается путем полива. Улучшение водного режима путем полива обусловливает улучшение агрохимических свойств почв, в частности влияет на подвижность питательных веществ, микробиологическую деятельность и активность биологических процессов. Одновременно с этим усиливается действие на микробиологическую и ферментативную активность агрохимических приемов, например внесения удобрений, рыхления.

Кислотность почвы играет важную роль в разложении нефти и нефтепродуктов. Значения рН, близкие к нейтральным, являются оптимальными для роста на углеводородах большинства бактериальных микроорганизмов. В подзолистых почвах с кислой реакцией этот фактор имеет решающее значение при разложении нефти и нефтепродуктов. Поэтому для создания рН, оптимального для их биоразложения, кислые почвы подвергают известкованию (Колесниченко, 2004).

Посев на нефтезагрязненную почву люцерны и других бобовых культур, трав с разветвленной корневой системой способствует ускорению разложения углеводородов (Алиев и др., 1977). Положительное воздействие посевов сельскохозяйственных растений, и в частности многолетних трав, объясняется тем, что своей развитой корневой системой они способствуют улучшению газовоздушного режима загрязненной почвы, обогащают почву азотом и биологически активными соединениями, выделяемыми корневой системой в почву в процессе жизнедеятельности растений. Все это стимулирует рост микроорганизмов и соответственно интенсифицирует разложение нефти и нефтепродуктов.

Заключение

Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами - одна из сложных и многоплановых проблем экологии и охраны окружающей среды. В настоящее время успешно развиваются технологии биоремедиации нефтезагрязненных территорий. При этом решение проблемы достигается за счет стимуляции микробных ценозов путем внесения удобрений, микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель или путем внесения различных биопрепаратов.

Единственным реальным в настоящее время способом борьбы с последствиями разлива нефти и нефтепродуктов является комплекс работ, включающий механическое или физико-химическое удаление разлитых нефтепродуктов с последующей очисткой остающейся в почве нефти биологическими методами при помощи биодеструкции нефтеокисляющими микроорганизмами.

В то же время существующие в настоящее время в России препараты оказываются недостаточно эффективными в различных экстремальных почвенно-климатических условиях различных регионов России, в связи с чем для ликвидации масштабных последствий разливов нефти в настоящее время необходим активный поиск и выделение аборигенных штаммов и разработка новых препаратов.

Однако необходимо отметить, что природные аборигенные микроорганизмы обладают ограниченной нефтеокисляющей активностью, несмотря на более высокую устойчивость к воздействию факторов внешней среды. Поэтому возможным перспективным решением является разработка новых, не существующих в природе видов микроорганизмов. Эти новые виды, обладающие как минимум на порядок более высокой нефтеокисляющей активностью, должны создаваться обязательно с искусственным ограничением срока жизни с целью предотвращения биогенной катастрофы.

Разработаны и активно внедряются большое количество коммерческих микробиологических препаратов иностранного и отечественного производства, таких как «Дестройл», «Путидойл», «Деворойл» и др. Однако в природных условиях биодеградация протекает под воздействием всего комплекса почвенной биоты, неотъемлемой частью которой являются и дождевые черви. В связи с этим можно было предположить, что вермикультура окажется перспективной и для интенсификации переработки нефтезагрязненных материалов.

Проведенные исследования показали, что комплекс биодеструкторов, состоящий из представителей двух трофических уровней - ассоциации нефтеразрушающих микроорганизмов - "Дестройл" и дождевых червей, более эффективно элиминировал нефть из нефтезагрязненных почв и снижал фитотоксичность исследуемых образцов, чем в случае их раздельного внесения.

Проблема нефтяного загрязнения почв в настоящее время в нашей стране практически не решается. Работы по очистке нефтяных загрязнений с использованием микроорганизмов не координируются, их научный и технологический уровень невысокий. Таки образом, проблема загрязнения нефтью и нефтепродуктами почв Российской Федерации стоит в настоящее время как никогда остро и для поиска путей разрешения всех ее аспектов необходима координируемая концентрация усилий всех заинтересованных правительственных, научных и производственных организаций.

Список используемых источников

1 Абросимов А.А. Экология переработки углеводородных систем / Под ред. М. Ю. Доломатова, Э. Г. Теляшева.-М.: Химия, 2002.-608 с.

3 Андресон Р.К. Изучение факторов, влияющих на биоразложение нефти в почве / Р.К. Андресон, Л.А. Пропадущая // Коррозия и защита в нефтегазодобывающей промышленности.- М., 1979.- №3.- С. 30-32.

4 Берне Ф.Ж. Водоочистка / Ф. Бернье, Ж. Кордонье. – М.: Химия, 1997. – 288 с.

5 Биология. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. М.С. Гиляров. – 3-е изд. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. – 864 с.

6 Бочарникова Е.Д. Влияние нефтяного загрязнения на свойства серо-бурых почв Апшерона и серых лесных почв Башкирии / Е.Д Бочарникова // Автореф. Дис. … канд. биол. наук.- М.: 1990.-16 с.

7 Вельков В.В. Биоремедиация; принципы, проблемы, подходы / В.В. Вельков // Биотехнология.- 1995.- № 3–4.- С. 20-27.

8 Восстановление нефтезагрязнённых почвенных экосистем / Под ред. М.А. Глазковской.- М. Наука, 1988.- 264 с.

9 Власов А.В. Борьба с потерями нефтепродуктов при транспортировании и хранении (анализ и оценка потерь) / А.В. Власов - М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1994.- 50 с.

10 Гольдберг В. М. Техногенное загрязнение природных вод углеводородами и его экологические последствия / В.М. Гольдберг, В.П. Зверев, А.И. Арбузов, и др.– М.: Наука, 2001.-125с

11 Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2003 году. – Иркутск: Изд-во «Облмашинформ», 2004.-296 с.

12 Гриценко А.И. Экология. Нефть и газ / А.И. Гриценко, Г.С. Акопов, В.М. Максимов. - М.: Наука, 1997.-598 с.

13 Давыдова С.Л. Нефть как топливный ресурс и загрязнитель окружающей среды / С.Л. Давыдова, В.И. Тагасов. – М.: Изд-во РУДН, 2004. – 131 с.

14 Динков В.А. Высоконадежный трубопроводный транспорт / В.А. Динков, О.М. Иванцов // Строительство трубопроводов.- М.: ТОТ, 1994.- С. 5-9.

15 Иерусалимский Н.Д. Исследование микрофлоры сточных вод нефтеперераба-тывающих предприятий / Н.Д. Иерусалимский, Е.А. Андреева, Е.Л. Гришанкова, Е.Л. Головлев, В.В. Дорохов, Л.Н. Жукова // Прикладная биохимия и микробиология. – 1965.- № 2.-С.163-166.

16 Исмайлов Н.И. Современное состояние методов рекультивации нефтезагрязненных земель / Н.И. Исмайлов, Ю.И. Пиковский // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем.- М.: Наука, 1988.-С. 222-236.

17 Киреева Н.А. Биологическая активность нефтезагрязненных почв / Н.А. Киреева, В.В. Водопьянов, А.М. Мифтахова. – Уфа Гилем, 2001.

18 Киреева Н.А. Диагностические критерии самоочищения почв от нефти / Н.А. Киреева, Е.И. Новоселова, Г.Ф. Ямалетдинова // Экология и промышленность России 2001 Декабрь.

19 Киреева Н.А. Фитотоксичность антропогенно-загрязненных почв / Н.А.Киреева, Г.Г. Кузяхметов, А.М.Мифтахова, В.В.Водопьянов.-Уфа Гилем, 2003.

20 Киреева Н.А. Микробиологическая оценка почвы, загрязненной нефтяными углеводородами / Н.А. Киреева // Баш. Хим. ж.-1995.-2, № 3-4.-С. 65-68.

21 Киреева Н.А. Влияние загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами на численность и видовой состав микромицетов / Н.А. Киреева, Н.Ф Галимзянова // Почвоведение, 1995.- №2,- С.211-216.

22 Киреева Н.А. Состояние комплекса актиномицетов нефтезагрязненных почв / Н.А. Киреева // Вест. Баш. Ун-та.-1996.- № 1.-С. 42-45.

23 Колесниченко А.В. Процессы биодеградации в нефтезагрязненных почвах / А.В. Колесниченко, А.И. Марченко, Т.П. Побежимова, В.В. Зыкова.- Москва: «Промэкобезопасность», 2004. - 194 с.

24 Коронелли Т.В. Принципы и методы интенсификации биологического разрушения углеводородов в окружающей среде (обзор) / Т.В. Коронелли // Прикладная биохимия и микробиология.-1996.- 32, № 6.- С.579-585.

25 Куркова З.В. Использование диэлькометрического метода для определения содержания и дисперсности нефтепродуктов в сточной воде / З.В. Куркова, З.М. Бриль, Н.Н. Гулина // Химия и технология воды.- 1990.-т.12, № 11. – С.1036-1038.

26 Левин С.В. Эколого-микробиологическое нормирование содержания нефти в почве / С.В. Левин, Э.М. Халимов, В.С. Гузев // Токсикологический вестник.–1995.- №1.- С. 11-15.

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

28 Методика определения нефтепродуктов в сточных водах производств люминисцентно-хроматографическим методом. – В кн.: Справочник по физико-химическим методам исследования объектов окружающей среды / Под ред. Г.И. Агранович – Л.: Судостроитель, 1979. – С.87.

29 Митчел Дж. Акваметрия / Дж. Митчелл, Д. Смит.- М.: Химия, 1980.-С.600.

30 Орлов Д. С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении / Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, И.Н. Лозановская. – М.: Высш. Шк, 2002. – 334 с.

31 Орлов Д.С. Химия почв / Д.С. Орлов.– М.: Высшая школа, 1978.-С.342.

32 Панов Г. Е. Охрана окружающей среды на предприятиях нефтяной и газовой промышленности / Г.Е. Панов, Л.Ф. Петряшин, Г.Н. Лысяный. - М.: Недра, 1986.- 244 с.

33 Петров А. А. Углеводороды нефти / А.А. Петров.- М.: Наука, 1984.-263 с.

34 Пиковский Ю.И. Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде / Ю.И. Пиковский.– М.: Изд-во МГУ, 1993. – 208 с

35 Пиковский Ю.И. Проблема диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами / Ю.И. Пиковский, А.Н. Геннадиев, С.С. Чернянский, Г.Н. Сахаров // Почвоведение.-№ 9.-2003.-С.1132-1140.

36 Проскуряков В.А. Химия нефти игаза / В.А. Проскуряков.- СПб.: Химия, 1995. – С.448.

37 Реймерс Н.Ф. Природопользование / Н.Ф. Реймерс // Словарь-справочник. – М.: Мысль, 1990.-637, С.

38 Рокитский П.Ф. Биологическая статистика / П.Ф. Рокитский.–Минск.: Высшая школа, 1973. – 318 с.

39 Ржавский Е.А. Пути уменьшения потерь нефтегрузов при железнодорожных перевозках / Е.А. Ржавский, И.О. Суходольский // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов.- М.,1967. -Т.1.-С.29-30.

40 Саксонов М.А. Экологический мониторинг нефтегазовой отрасли / М.А. Саксонов, А.Д. Абалаков, Л.В. Данько, О.А. Бархатова, А.Э. Балаян, Д.И. Стом // Физико-химические и биологические методы. - Иркутск: Иркут. Ун-т, 2005.-114 с.

41 Сидорова Е.В. Охрана почв на объектах газовой промышленности / Е.В. Сидорова, Г.С. Акопова, Н.С. Немкова.- М.: ИРЦ Газпрома, 1994.- 50 с.

42 Сидоров Д.Г. Полевой эксперимент по очистке почв от нефтяного загрязнения с использованием углеводородокисляющих микроорганизмов / Д.Г. Сидоров, И.А. Борзенков, Р.Р. Ибатулин, Е.И. Милехина, И.Т. Храмов, С.С. Беляев, М.В. Иванов // Прикладная биохимия и микробиология.- 1997.- Т.33, №5.- С.497-502.

43 Стом Д.И. Трансформация нефти в простейшие трофические цепи / Д.И. Стом, Д.С. Потапов, А.Э. Балаян, О.Н. Матвеева, В.К. Баранская // Проблемы систематики, экологии и токсикологии беспозвоночных. – Иркутск: Изд-во ИГУ, 2000.-С. 90-95.

44 Стом Д.И. Экспрессный метод оптимизации состава сред для вермикультивирования / Д.И. Стом, Д.С. Потапов, А.Э. Балаян. – Приоритетная справка на патент. – ВНИИГПЭ ОТД № 20.-№ 96114221.

45 Советский энциклопедический словарь / Под ред. А.М. Прохоров.-М.: «Советская Энциклопедия», 1981.-1600 с.

46 Трофимов С.С. Системный подход к изучению процесса почвообразования в техногенных ландшафтах / С.С. Трофимов, А.А. Титлянова, И.Л. Клевенская // Почвообразование в техногенных ландшафтах.- Новосибирск: Наука, 1979.- С.3-18.

47 Трублаевич Ж.М. Оценка токсичности почв с помощью лабораторной культуры коллембол Polзогша сапсШа / Ж.М. Трублаевич, Е.Н. Семенова // Экология, 1997.-№5.

48 Химия океана. М.: Наука, 1979. Т.1. Химия вод океана. 518 с.

49 Шилина А.И. Моделирование физико-химического превращения бенз(а)перена в аэрозольной фазе / А.И. Шилина // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах.- Л.: Гидрометиздат, 1985.- С. 128-142.

50 McGillW.W. Soilrestorationfollowingoilspils – areview // J. Canad. Petrol. Technol, 1977.-V.16, №2. – Р.60-67.

51 PanickerG., Aislabie J., Saul D., Bej A.K. Cold tolerance of Pseudomonas sp. 30-3 isolated from oil-contaminated soil, Antarctica // Polar Biol, 2002, 25, P 5-11.

52 Stom D.I. Effect of polyphenols on shootand root growth and on seed germination // Biologia Plantarum.- 1982. – Vol. 24, N. 1. – P. 1451-1457/