Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Биорекультивация нефтезагрязненных почв с использованием активных аборигенных микроорганизмов-деструкторов и эколого-токсикологическая оценка процесса ремедиации

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "Биорекультивация нефтезагрязненных почв с использованием активных аборигенных микроорганизмов-деструкторов и эколого-токсикологическая оценка процесса ремедиации"

На правах рукописи

ХИДИЯТУЛЛИНА Айгуль Ядкарьевна

БИОРЕКУЛЬТИВАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВНЫХ АБОРИГЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ-ДЕСТРУКТОРОВ И ЭКОЛОГО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА РЕМЕДИАЦИИ

06.01.04 - агрохимия, 03.02.08 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

12 ДЕК 2013

005543345

Казань-2013

005543345

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения Российской академии сельскохозяйственных наук в 2008-2013 годы.

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 13- часов на заседании диссертационного совета Д 220.035.01 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет» по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д.65, зал заседаний, тел. (факс) 8(843) 236-66-51, е-таП:т£о@к^аи.ги

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г. и размещен на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации wwvv.vak.eg.gov.ru и ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет» http://www.kazgau.ru «22» ноября 2013 года.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 420011, г. Казань, Ферма 2, д. 53, агрономический факультет е-таП:Мо@каг§аи.ги

Научные руководители: доктор биологических наук

Дегтярева Ирина Александровна;

кандидат сельскохозяйственных наук Яппаров Ильдар Ахтамович

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук Мнннуллин Генаднй Самигуллинович; доктор биологических наук, профессор Рахимов Ильгизар Ильясович

Ведущая организация —

ФГБОУ Татарский институт переподготовки кадров агробизнеса (ТИПКА)

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

2. Эффективность процесса очистки загрязненных почв при использовании эффективного сообщества аборигенных микроорганизмов-деструкторов и бентонита в нативном и наноразмерном виде.

3. Эколого-токсикологическая оценка процесса биоремедиации.

Научная новизна. Из почв Республики Татарстан выделено эффективное сообщество микроорганизмов, способное утилизировать широкий спектр углеводородов в концентрациях до 12%. Штаммы-деструкторы, входящие в его состав, идентифицированы и задепонированы в Ведомственной коллекции полезных микроорганизмов сельскохозяйственного назначения Россельхозакадемии (RCAM): Pseudomonas stützen Р-1026 под регистрационным номером RCAM02107; Achromobacter insolitus А-102 (R.CAM02108); Achromobacter xylosoxidans А-10 (RCAM02109). Использование наноразмерного сорбента повышает эффективность биохимического окисления углеводородов.

Практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по рекультивации нефтезагрязненных почв и обоснована технология биологической рекультивации загрязненных в результате аварийного разлива нефти земель с использованием адаптированных к местным условиям микроорганизмов и доказана возможность получения экологически безопасной продукции после восстановления нарушенных земель.

Внедрение результатов исследований. Усовершенствованная технология биорекультивации с использованием эффективного сообщества аборигенных микроорганизмов-деструкторов и бентонита в нативном и наноразмерном виде внедрена на нефтезагрязненных участках территории ООО «Сульчинский» Нурлат-ского района Республики Татарстан.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и получили положительную оценку на Международных научно-практических конференциях: на Всеукраинской научно-практической конференции молодых ученых «Экологические проблемы сельскохозяйственного производства» (Скол, 2010); «Земледелие, растениеводство, селекция: настоящее и будущее» (Жодино, 2012); «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: теория и практика» (Казань, 2012); «Эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (Москва, 2012); «Достижения и перспективы развития биотехнологии» (Саранск, 2012); Всероссийских научно-практических конференциях: «Современные тенденции развития ветеринарной медицины и инновационные технологии в ветеринарии и животноводстве» (Казань, 2009); «Освоение адаптивно-ландшафтных систем земледелия» (Ульяновск, 2010); «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства» (Ульяновск, 2010); «Актуальные вопросы АПК Республики Татарстан и пути повышения эффективности» (Казань, 2012); Научно-практических конференциях: «Перспективы развития инноваций в биологии» (Москва, 2008); «Сельскохозяйственная радиология и агроэкология: итоги, современное состояние и перспективы» (Обнинск, 2011) и других.

По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 7 — в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и предложений производству. Работа изложена на 139 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 18 таблицами и 22 рисунками. Список литературы включает 200 источников, в том числе — 54 зарубежных авторов.

2. УСЛОВИЯ, ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследований были углеводородокислякмцие микроорганизмы (УОМ), выделенные из загрязненных почв Республики Татарстан; сорбенты - бентонит и наноразмерный бентонит; почвы - черноземная и серая лесная, сельскохозяйственные растения - Triticum aestivum L. и Pisum sativum.

Бентонит Тарн-Варского месторождения РТ имеет химический состав, в %: Si02 - 66,57; ТЮ2 - 0,58; А1203 - 17,04; Fe203 - 5,51; МпО - 0,03; СаО - 0,80; MgO - 1,5; Na20 - 0,2; К20 - 2,57; Р205 - 0,09; S03 - 0,42; п.п.п. - 5,11. Сумма обменных катионов 45,98 мг/экв. на 100 г. Показатель сорбции составляет 58-62%. Минеральный состав в %: монтмориллонит - 80,0-82,0; гидрослюда - 6,0-8,0; каолинит - 6,0 и кварц — 5,0-7,0. Имеет подвижную ленточно-слоистую структуру с разбухающими пакетами.

Наноразмерный бентонит получали диспергированием в ультразвуковой установке УЗУ-0,25 при частоте 18,5 кГц (±10,0%). Выходная мощность УЗУ-0,25 составила 80 Вт, амплитуда колебаний ультразвукового волновода - 5 мкм.

Черноземная почва была отобрана на фоновой территории Азнакаевского района РТ и имела следующую агрохимическую характеристику: гумус - 4,2%, рН сол. - 6,13, Нг - 1,15 мг-экв/100 г, сумма поглощенных оснований - 28,4 мг-экв/100 г, No6ul. - 0,24%, Р205 - 167,0 мг/кг, К20 - 143,4 мг/кг. Серая лесная почва была отобрана на фоновой территории Альметьевского района РТ и имела следующую агрохимическую характеристику: гумус - 4,05%, рН сол. - 5,90, Нг - 1,23 мг-экв/100 г, сумма поглощенных оснований - 20,4 мг-экв/100 г, No6tu. - 0,23%, Р205- 130,0 мг/кг, К20 - 118,5 мг/кг.

Исследования по использованию УОМ состояли из несколько этапов: выделение природных ассоциаций (Колешко, 1981); определение их свойств (Методы, 1991); характеристика эффективности микроорганизмов-деструкторов в отношении различных углеводородов (метод реплик), определение солеустойчивости штаммов. Видовую идентификацию УОМ осуществляли методами молекулярной биологии: секвенирование фрагмента последовательности гена 16S рРНК и муль-тисубстратное тестирование с помощью системы GENIII Microplate (BioLog).

Первый вегетационный опыт по определению эффективности выделенных сообществ проводили на выщелоченном черноземе с яровой пшеницей Triticum aestivum L. по схеме: 1) контроль (незагрязненная почва); 2) почва + дизельное топливо (ДТ) (5%); 3) почва + ДТ (5%) + мочевина; 4) почва + ДТ (5%) + растения; 5) почва + ДТ (5%) + сообщество А; 6) почва + ДТ (5%) + сообщество Б; 7) почва + ДТ (5%) + мочевина + сообщество А; 8) почва + ДТ (5%) + мочевина + сообщество Б; 9) почва + ДГ (5%) + растения + сообщество А; 10) почва + ДТ (5%) + растения + сообщество Б.

Второй вегетационный опыт на серой лесной почве с сообществом Б заложен с горохом Pisum sativum по схеме: 1) почва (без растений); 2) почва + растения; 3) почва + ДТ (5%); 4) почва + ДТ (5%) + аммиачная селитра; 5) почва + ДТ (5%) + растение; 6) почва + ДТ (5%) + сообщество Б; 7) почва + ДТ (5%) + растение + сообщество Б; 8) почва + ДТ (5%) + аммиачная селитра + растение; 9) почва + ДТ (5%) + аммиачная селитра + сообщество Б; 10) почва + ДТ (5%) + аммиачная селитра + растение + сообщество Б.

Третий вегетационный опыт по изучению влияния сорбентов и сообщества Б на скорость разложения углеводородов на серой лесной почве закладывали по схеме: 1) почва (без растений); 2) почва + растения; 3) почва + ДТ (5%); 4) почва + ДТ (5%) + растение; 5) почва + ДТ (5%) + сообщество Б; 6) почва + ДТ (5%) + бентонит + растение; 7) почва + ДТ (5%) + бентонит + сообщество Б; 8) почва + ДТ (5%) + бентонит + растение + сообщество Б; 9) почва + ДТ (5%) + нанобентонит + растение; 10) почва + ДТ (5%) + нанобентонит + сообщество Б; 11) почва + ДТ (5%) + нанобентонит + растение + сообщество Б.

Почву загрязняли дизельным топливом в концентрации 5% от массы почвы. УОМ вносили из расчета 20 мл на вегетационный сосуд (титр бактериальной суспензии 2,5*1012 кл./мл); минеральные удобрения (мочевина и аммиачная селитра) - 0,15 г/кг почвы; бентонит - 12,0 т/га, нанобентонит (размер частиц 5,0-95,0 нм) -0,3 т/га. Отбор проб в вегетационных опытах производили в динамике - на 0, 10, 30, 60 и 90 сутки.

Агрохимическую характеристику почв определяли классическими методами: содержание гумуса - по методу Тюрина (Модифицированные..., 1976), рНсол. - по методу ЦИНАО (Почвы..., 1985), гидролитическую кислотность - по Каппену (Почвы..., 1991), сумму поглощенных оснований — по Каппену (Почвы..., 1988), общий азот - по ГОСТ 26107-84 (Почвы..., 1984), подвижный фосфор и обменный калий в выщелоченном черноземе по Чирикову (Почвы..., 1992), в серой лесной почве - по Кирсанову в модификации ЦИНАО (Почвы..., 1992).

Определение численности почвенных микроорганизмов проводили по общепринятым методикам (Семенов, 1990; Методы, 1991): УОМ - на среде Ворошиловой* Диановой (Колешко, 1981), гетеротрофные бактерии - на мясо-пептонном агаре, микромицеты - на агаризованной среде Чапека (Методы, 1991). Респираторную активность почвенного микробного сообщества оценивали путем титри-метрического определения количества выделившегося СОг после поглощения щелочью (Microbiological..., 2006). Фитотоксичность оценивали по влиянию водных вытяжек из исследуемых почв на биометрические показатели (длину проростков и их биомассу, длину корешков и их биомассу) (Алимова и др., 1993).

Определение содержания нефтепродуктов в почве проводили методом ИК-спектрометрии с предварительной экстракцией четыреххлористым углеродом (ПНДФ 16.1:2.2.22-98, 1998).

Статистическую обработку результатов исследований проводили с помощью электронных таблиц Excel и программы Origin 4.1. Достоверность различий полученных результатов оценивали с использованием коэффициента Стьюдента (р<0,05).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3. ВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ ПОЧВ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН МИКРООРГАНИЗМОВ-ДЕСТРУКТОРОВ УГЛЕВОДОРОДОВ

В Государственном научном учреждении Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения Россельхозакадемии разработана технология рекультивации нефтезагрязненных почв, включающая блок ремедиации. Интенсификация процесса биоремедиации осуществляется различными способами, одним из которых является использование микрофлоры, адаптированной к конкретным природно-климатическим условиям.

Были исследованы 10 образцов серой лесной и 12 черноземных почв с диапазоном загрязнения углеводородами 0,5-9,0%. Отобрано 15 ассоциаций микроорганизмов-деструкторов, использующих дизельное топливо как единственный источник углерода и энергии в концентрации 7-12%. Две ассоциации, именуемые в дальнейшем А и Б, выделенные из черноземных почв, проявили способность к активному росту на среде с различными углеводородами (дизельное топливо, мазут, вакуумная газоль, гексан, фенол, толуол). При культивировании сообщества А формировались оранжевые сгустки биомассы на жидкой среде Ворошиловой и Диановой с образованием пленки толщиной 3 мм, количество ДТ уменьшалось на 7-е сутки более чем на 80%. Культивирование консорциума Б приводило к изменению цвета среды, формированию сгустков биомассы и бежевой пленки толщиной 5 мм, количество ДТ на 6-е сутки уменьшалось на 85%.

Проверка сообщества А и Б на солеустойчивость показала, что консорциум А может активно развиваться до 3% засоления, а сообщество Б - до 6%.

4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕСТРУКЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ ВЫДЕЛЕННЫМИ СООБЩЕСТВАМИ МИКРООРГАНИЗМОВ В ВЕГЕТАЦИОННЫХ ОПЫТАХ

Ремедиация черноземной почвы с фитомелиорантом ТгШсит аезйхит Ь. Агрохимические данные во всех опытных вариантах на 90 сут. были сопоставимы с контрольным вариантом по изучаемым показателям (табл. 1).

Численность УОМ, как показатель интенсивности процесса очищения почвы от углеводородов, в начале эксперимента составляла 0,9-10,0 млн/г почвы (табл. 2). В течение 45 сут. экспозиции в опытных вариантах без внесения сообществ существенных изменений количества не отмечено, что, вероятно, обусловлено высокой токсичностью созданной среды, активный рост этих микроорганизмов наблюдали после 45 сут. В вариантах (сообщество Б, минеральное удобрение + сообщество Б и яровая пшеница + сообщество Б) численность УОМ превышала контроль в 1,4-5,0 раза на протяжении всего опыта. На 60 сут. количество УОМ увеличилось на один-два порядка во всех вариантах, в дальнейшем наступала стабилизация их численности. Максимальное количество этих микроорганизмов отмечено в двух вариантах — при внесении сообщества Б и сообщества А совместно с минеральным удобрением. Считаем, что увеличение количества УОМ в опытных вариантах связано с адаптацией и активным ростом исследуемых сообществ. Изменение численности УОМ может свидетельствовать о значительном ускорении

Международной научной конференции «Достижения и перспективы развития биотехнологии». - Саранск, 2012. - С. 109.

16. Яппаров, А.Х. Совместное использование наноразмерной фосмуки и биопрепарата комплексного действия / А.Х. Яппаров, И.А. Дегтярева, А.Я. Хидиятул-лина // Материалы IV Международного Казанского инновационного нанотехноло-гического форума (NANOTECH'2012). - Казань, 2012. - С. 331.

17. Дегтярева, И.А. Оценка влияния природной ассоциации углеводородокис-ляющих микроорганизмов и фитомелиорантов на состояние нефтезагрязненной почвы / И.А. Дегтярева, А.Я. Хндиятуллнна // Земледелие, растениеводство, селекция: настоящее и будущее. Материалы международной научно-практической конф. - Беларусь, г. Жодино, 2012. - С. 97-99

Монографии и рекомендации:

18. Дегтярева, И.А. Методические указания по выделению аборигенных микроорганизмов для создания адаптированных биопрепаратов / И.А. Дегтярева, И.А. Яппаров, А.Я. Хидиятуллина // Казань, 2009. - 24 с.

19. Яппаров, А.Х. Технология биологической рекультивации загрязненных земель в результате аварийного разлива нефти / А.Х. Яппаров, И.А. Дегтярева, И.А. Яппаров, А.Я. Хидиятуллина // Казань, 2010. - 59 с.

20. Дегтярева, И.А. Методика выделения адаптированных к местным условиям микроорганизмов / И.А. Дегтярева, И.А. Яппаров, А.Я. Хидиятуллина // Казань, 2011.-24 с.

21. Яппаров, А.Х. Технология получения экологически безопасной продукции сельского хозяйства при биорекультивации нефтезагрязненных почв аборигенными углеводородокисляющими микроорганизмами и наноструктурированными бентонитами / А.Х. Яппаров, И.А. Дегтярева, И.А. Яппаров, A.M. Ежкова, А.Я. Хидиятуллина // Казань: Изд-во Центра инновационных технологий, 2011. - 220 с.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Хидиятуллина, Айгуль Ядкарьевна, Казань

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ТАТАРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АГРОХИМИИ И ПОЧВОВЕДЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

БИОРЕКУЛЬТИВАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВНЫХ АБОРИГЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ-ДЕСТРУКТОРОВ И ЭКОЛОГО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА РЕМЕДИАЦИИ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук 06.01.04 - агрохимия, 03.02.08 - экология

04201454078

На правах рукописи

Хидиятуллина Айгуль Ядкарьевна

Научные руководители:

доктор биологических наук Дегтярева И. А.

кандидат сельскохозяйственных наук

Яппаров И.А.

Казань-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10

1.1. Влияние углеводородного загрязнения на характеристики почвы 10

1.2. Пути превращения углеводородов нефти в почве 14

1.3. Методы очистки нефтезагрязненных экосистем 18

1.4. Роль углеводородокисляющих микроорганизмов при рекультивации 21

1.5. Фиторемедиация и фитотоксичность 29

1.6. Сорбенты 39 Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 45

2.1. Физико-географическая характеристика и природно-климатические условия региона исследований 45

2.2. Характеристика почв 46

2.3. Характеристика сорбентов (нативный и наноразмерный бентониты) 46

2.4. Определение численности почвенных микроорганизмов 48

2.5. Выделение природных ассоциаций углеводородокисляющих микроорганизмов 48

2.6. Рост и состав сообщества микроорганизмов-деструкторов 49

2.7. Определение видового состава углеводородокисляющих микроорганизмов 50

2.8. Определение спектра утилизируемых углеводородов микроорганизмами-деструкторами 50

2.9. Определение солеустойчивости микроорганизмов-деструкторов 50

2.10. Оценка эффективности выделенных сообществ

микроорганизмов-дестру кторов в вегетационных опытах 50

2.11. Агрохимические исследования 53

2.12. Респираторная активность почвенного микробного сообщества 53

2.13. Фитотоксичность 5 4

2.14. Определение содержания углеводородов 54

2.15. Статистическая обработка результатов 5 5 Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 56

3.1. Выделение микроорганизмов из почв Республики Татарстан, адаптированных к различным концентрациям загрязнения в конкретных природно-климатических условиях 56

3.2. Изучение концентрационного диапазона и спектра углеводородов, окисляемых выделенными сообществами микроорганизмов-деструкторов 57

3.3. Оценка эффективности выделенных сообществ микроорганизмов-деструкторов на различных почвах в вегетационных опытах при выращивании растений -фитомелиорантов 59

3.3.1. Ремедиация черноземной почвы с фитомелиорантом

Triticum aestivum L. 59

3.3.2. Ремедиация серой лесной почвы с фитомелиорантом

Pisum sativum L. 71

3.3.3. Влияние бентонита в нативном и наноразмерном виде

на ремедиацию серой лесной почвы 84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97

4. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 99

5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ 100 ВЫВОДЫ 102 ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВУ 103 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 104 ПРИЛОЖЕНИЕ 128

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ACM - атомно-силовая микроскопия

ВД - среда Ворошиловой-Диановой

ДТ - дизельное топливо

ИК - инфракрасный

МПА - мясо-пептонный агар

111Ш - полная полевая влагоемкость

РТ - Республика Татарстан

УВ - углеводород

УОМ - углеводородокисляющие микроорганизмы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Масштабное углеводородное загрязнение и ежегодное расширение его площадей с возрастанием антропогенной нагрузки увеличивает актуальность и первостепенное значение проблемы охраны почвенных экосистем от нефтяного загрязнения. Свидетельством этому является возникновение новой области науки - нефтеэкологии, главной задачей которой является быстрейший возврат непригодных для использования земель в сельскохозяйственное производство, восстановление их первоначальной продуктивности или рекреационных качеств (Глазовская, 1979; Пиковский, Солнцева, 1981; Яппаров и др., 2009, 2012).

Поэтому необходимо не только разрабатывать высокоэффективные технологии для реабилитации нефтезагрязненных земель в зонах добычи, переработки, транспортировки нефти, но и проводить оценку степени восстановленности основных свойств нарушенных земель (Гайнутдинов и др., 1982; Габбасова и др., 2002а, б; Сулейманов, Назырова, 2007).

Увеличение объемов добычи нефти, строительство нефтепроводов и нефтеперерабатывающих заводов оказывает неблагоприятное воздействие не только на атмосферу, воду, растительность, животный мир, но и приводит к росту площадей загрязненных земель (Гилязов, Гайсин, 2003; Рогозина и др., 2004; Войно, 2006; Злотников и др., 2007; Поскряков, 2007; Водопьянов и др., 2009; Гилязов и др., 2009; Киреева и др., 2009; Мосунова, 2009; García Frutos et al., 2012; Liado et al., 2012). Загрязнение происходит главным образом при прорывах трубопроводов, когда в почву поступает от десятков до нескольких сотен тысяч кубических метров поллютантов. Основной негативный «пресс» приходится в первую очередь на органические горизонты и выражается в существенном, а иногда и полном нарушении агроэкологических функций почв, в результате этого утрачивается их сельскохозяйственное значение.

Почва, как компонент биосферы, обладая комплексом экологических и биоценологических функций, является уникальным природным телом, так как обладает огромной адсорбирующей способностью. Она аккумулирует в себе большую часть углеводородов, при этом изменяются ее физические, агрохимические и микробиологические характеристики.

В почве возможно значительное снижение токсического действия различных химических соединений за счет ее буферных свойств. Однако буферная емкость почвы и ее очищающая способность не бесконечны, она может необратимо деградировать и терять свои положительные свойства при насыщении токсикантами (Сулейманов, Назырова, 2007).

В связи с этим актуальным является поиск экологически безопасных и экономически обоснованных методов, направленных на интенсификацию процессов биоразложения углеводородов и восстановление плодородия сельскохозяйственных земель (Рахимова и др., 2004; Карасева и др., 2005; Злотников и др., 2007; Поскряков, 2007; Liado et al., 2013).

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является усовершенствование технологии биорекультивации нефтезагрязненных почв с использованием активных аборигенных микроорганизмов-деструкторов и сорбентов (нативного и наноразмерного бентонита), и эколого-токсикологическая оценка процесса ремедиации.

Для осуществления поставленной цели в ходе исследований предусматривалось решение следующих задач:

1. Выделить из почв Республики Татарстан микроорганизмы, адаптированные к различным концентрациям углеводородного загрязнения.

2. Изучить концентрационный диапазон и спектр углеводородов, окисляемых выделенными аборигенными сообществами.

3. Оценить углеводородокисляющую активность выделенных сообществ микроорганизмов-деструкторов на различных типах почв,

загрязненных дизельным топливом, в вегетационных опытах при варьировании растений - фитомелиорантов.

4. Изучить возможность повышения эффективности очистки загрязненных почв при использовании бентонита как сорбента в нативном и наноразмерном виде.

5. Оценить биологические и эколого-токсикологические показатели почв в процессе ремедиации.

6. Оценить эффективность технологии биологической рекультивации нефтезагрязненных земель с использованием наноразмерного бентонита и консорциума аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов.

Работа выполнена в соответствии с Программами фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению агропромышленного комплекса Российской Федерации в 2006-2010, 20112015 гг. и соответствует паспорту специальности 06.01.04 - агрохимия, 03.02.08 - экология.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экологическая безопасность микроорганизмов, адаптированных к различным концентрациям и спектру углеводородов.

2. Эффективность процесса очистки загрязненных почв при использовании эффективного сообщества аборигенных микроорганизмов-деструкторов и бентонита в нативном и наноразмерном виде.

3. Эколого-токсикологическая оценка процесса биоремедиации.

Научная новизна. Из почв Республики Татарстан выделено

эффективное сообщество микроорганизмов, способное утилизировать широкий спектр углеводородов в концентрациях до 12%. Штаммы-деструкторы, входящие в его состав, идентифицированы и задепонированы в Ведомственной коллекции полезных микроорганизмов сельскохозяйственного назначения Россельхозакадемии (RCAM): Pseudomonas stützen Р-1026 под регистрационным номером RCAM02107; Achromobacter insolitus А-102 (RCAM02108); Achromobacter xylosoxidans

А-10 (ЯСАМ02109). Использование наноразмерного сорбента повышает эффективность биохимического окисления углеводородов.

Практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по рекультивации нефтезагрязненных почв и обоснована технология биологической рекультивации загрязненных в результате аварийного разлива нефти земель с использованием адаптированных к местным условиям микроорганизмов и доказана возможность получения экологически безопасной продукции после восстановления нарушенных земель.

Внедрение результатов исследований. Усовершенствованная технология биорекультивации с использованием эффективного сообщества аборигенных микроорганизмов-деструкторов и бентонита в нативном и наноразмерном виде внедрена на нефтезагрязненных участках территории ООО «Сульчинский» Нурлатского района Республики Татарстан.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и получили положительную оценку на Международных научно-практических конференциях: на Всеукраинской научно-практической конференции молодых ученых «Экологические проблемы сельскохозяйственного производства» (Скол, 2010); «Земледелие, растениеводство, селекция: настоящее и будущее» (Жодино, 2012); «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: теория и практика» (Казань, 2012); «Эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (Москва, 2012); «Достижения и перспективы развития биотехнологии» (Саранск, 2012); Всероссийских научно-практических конференциях: «Современные тенденции развития ветеринарной медицины и инновационные технологии в ветеринарии и животноводстве» (Казань, 2009); «Освоение адаптивно-ландшафтных систем земледелия» (Ульяновск, 2010); «Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства» (Ульяновск, 2010); «Актуальные

вопросы АПК Республики Татарстан и пути повышения эффективности» (Казань, 2012); Научно-практических конференциях: «Перспективы развития инноваций в биологии» (Москва, 2008); «Сельскохозяйственная радиология и агроэкология: итоги, современное состояние и перспективы» (Обнинск, 2011) и других.

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 7 - в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК Российской Федерации.

Личный вклад диссертанта состоял в разработке программы исследований, выполнении экспериментальной части диссертации, обсуждении результатов и формулировании выводов на их основе. Соавторами некоторых публикаций являются научные руководители доктор биологических наук Дегтярева И.А. и кандидат сельскохозяйственных наук Яппаров И.А.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и предложений производству. Работа изложена на 139 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 18 таблицами и 22 рисунками. Библиография включает 200 источников, в том числе - 54 зарубежных авторов.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Влияние углеводородного загрязнения на характеристики почвы

Темпы прироста площадей нарушенных земель в настоящее время настолько велики, что восстановление их продуктивности является неотъемлемой частью любой производственной деятельности и государственной политики Российской Федерации. Значительные площади нарушаются предприятиями нефтяной промышленности, которые являются весьма серьезными источниками загрязнения окружающей среды.

Согласно опубликованным данным (Панов и др., 1986; Кузнецов и др., 2000; Войно, 2006; Рогозина, 2006; Оборин и др., 2008; Рогозина и др., 2010), потери нефти в мире при ее добыче, переработке и использовании превышают 45 млн. т в год, что составляет около 2% годовой добычи. Причем из них 22 млн. т теряются на суше, около 7 млн. т - в море и до 16 млн. т - в атмосфере из-за неполного сгорания нефтепродуктов при работе различных типов двигателей. Исходя из приведенных оценок, можно подсчитать, что на суше ежегодно теряется 0,97% добываемой нефти.

В структуре земельного фонда Республики Татарстан основная доля приходится на земли сельскохозяйственного назначения. При этом большая часть плодородных черноземов сосредоточена в Юго-Восточной части и Восточном Закамье республики (Тазетдинова и др., 2007). Это регионы интенсивной добычи и транспортировки нефти. Начиная с 2000 гг. средний размер загрязненных участков стал заметно ниже, что связано с заметным ужесточением контроля за аварийными прорывами в последние годы и принятием достаточно эффективных способов обнаружения и ликвидации аварий на нефтепроводах.

Почва принимает на себя давление всех выбросов и отходов, она аккумулирует химические загрязняющие вещества, тяжелые металлы и т.д.

Концентрация поллютантов, главным образом, происходит в ее верхних горизонтах, которые являются основной средой обитания растений, беспозвоночных животных и микроорганизмов, что может привести в последующем к отравлению как сельскохозяйственных животных, так и человека (Рогозина, Калимуллина, 2009; Рогозина и др., 2010 и др.).

Изменение свойств почвы при загрязнении нефтью, а также процессы ее миграции, аккумуляции и метаболизма зависят от физико-химического состава и количества пролитой нефти, почвенно-климатических и ландшафтных условий, типа почвы, наличия тех или иных биохимических барьеров, каналов миграции и диффузии в почвенном профиле (Логинов, 2000; Ситдиков, 2002; Гилязов и др., 2009; Roy, Мс. Gill, 1996). Благодаря высокой адсорбирующей способности почвы нефтяные углеводороды надолго задерживаются в ней, изменяя при этом не только биологические свойства и нарушая структуру биоценозов (Киреева и др., 2006), а при сильной степени загрязнения могут провоцировать существенные изменения почвенного профиля и, как следствие, потерю плодородия и отторжение территории из зоны сельскохозяйственного использования.

При нефтяном загрязнении, прежде всего, существенно изменяются морфологические признаки почвы. Для загрязненных почв характерен более темный цвет по сравнению с незагрязненными аналогами, большая плотность, наличие маслянистых и радужных пленок по граням структурных отдельностей в иллювиальных горизонтах, появление столбчатой структуры в нижней части профиля почв (Габбасова, 2001). В подобных почвах преобладают черные, серо-коричневые оттенки в верхней части профиля и темно-бурые, коричнево-бурые, буро-охристые -в нижней. Происходит увеличение количества охристых, ржаво-бурых пятен, примазок, возрастание степени сегрегации железа, усиление оглеения (Сулейманов, Назырова, 2007). Глубина проникновения нефти в почвенном профиле зависит от свойств нефти и механического состава почвы.

Изменение морфологических признаков почвы влечет за собой и изменение физических свойств. Под влиянием нефти увеличивается количество водопрочных агрегатов, структурных отдельностей размером больше 10 мм, происходит агрегирование почвенных частиц - содержание глыбистых частиц увеличивается, а содержание агрономически ценных структурных отдельностей уменьшается.

Наиболее значимые нарушения агрономических свойств нефтезагрязненных почв заключаются в резком ухудшении агрофизических и агрохимических свойств, а также снижении многих показателей биологической активности почвы (Милащенко и др., 2000; Турковская, Муратова, 2005; Кудрина, Максимов, 2007; Водопьянов и др., 2009; Мосунова, 2009; Житин и др., 2010). В результате этого на большинстве загрязненных участков в зависимости от уровня загрязнения урожай сельскохозяйственных культур резко снижается или вовсе отсутствует (Назарюк и др., 2007).

Изменение физических свойств почвы при загрязнении приводит к вытеснению воздуха нефтью, нарушению поступления воды, питательных веществ, что является главной причиной торможения развития растений и их гибели (Шамраев, Шорина, 2009). Почвы, насыщенные нефтепродуктами, теряют способность впитывать и удерживать влагу, для них характерны более низкие значения гигроскопической влажности, водопроницаемости, влагоемкости по сравнению с фоновыми аналогами (Логинов, 2000).

В нефтезагрязненных почвах, наряду с ухудшением азотного режима, происходит уменьшен