Методы восстановления нефтезагрязненных территорий

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 in siti (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 in vitro. 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).

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.

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).

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.

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 

Улучшение процессов разрушения нефти, а также интенсификация переработки  нефтезагрязненных почв при добавлении наряду с препаратом "Дестройл" дождевых червей, подтверждается и увеличением толщины слоя копролитов (рисунок 3.2) - комочков земли пропущенных через кишечник червя. Через три недели, толщина слоя копролитов в опытах, где в почву добавляли нефть (25 г/кг) составила, в варианте с червями – 3 мм, а там, где кроме червей добавляли и микробиологический препарат – 9 мм.

Рисунок 3.2 – Толщина слоя копролитов на поверхности нефтезагрязненных субстратов

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

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 Pseudomonas sp. 30-3, способный переносить диапазон температур от 0 до 35 °С (Panicker et al., 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.