Экологическая оценка эффективности очистки нефтезагрязненных почв биопрепаратом "Псевдомин" в условиях различных режимов увлажнения

Алонге Олатунбосун Олавойе

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологическая оценка эффективности очистки нефтезагрязненных почв биопрепаратом "Псевдомин" в условиях различных режимов увлажнения
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка эффективности очистки нефтезагрязненных почв биопрепаратом "Псевдомин" в условиях различных режимов увлажнения"

На правах рукописи

005057616 АЛОНГЕ ОЛАТУНБОСУП ОЛАВОЙЕ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ БИОПРЕПАРАТОМ «ПСЕВДОМИН» В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ УВЛАЖНЕНИЯ

03.02.08 - экология (биология) 03.02.03 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1Є АПР 2013

Москва - 2013

005057616

Работа выполнена на кафедре экологии и кафедре микробиологии и иммунобиологии Российского государственного аграрного университета -МСХА имени К.А. Тимирязева.

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Васенев Иван Иванович кандидат биологических наук, доцент Селицкая Ольга Валентиновна

Официальные оппоненты: Макаров Олег Анатольевич

доктор биологических наук, профессор кафедры земельных ресурсов и оценка почв МГУ имени М.В. Ломоносова

Ананьева Надежда Дмитриевна

доктор биологических наук, профессор ведущий научный сотрудник ИФХиБПП РАН

Ведущая организация: Почвенный институт имени В.В. Докучаева

РАСХН

Защита состоится 24 апреля 2013 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 15.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан « » марта 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Н. Смирнов

Введение

Актуальность темы. Характерные для последних лет локально идущая (в крупных холдингах) интенсификация сельского хозяйства и активное освоение прилегающих к большим городам сельских территорий, с одной стороны, и все еще сохраняющееся преобладание очень старой сельскохозяйственной техники в небольших хозяйствах, с другой стороны, приводят к постепенному увеличению площади загрязненных нефтепродуктами сельскохозяйственных земель Центрального региона России (Колесников и др., 2007; Рахимова и др., 2009; Черногоров и др., 2012).

Это актуализирует задачи разработки экологически безопасных и экономически эффективных технологий очистки нефтезагрязненных земель с использованием современных биопрепаратов, ускоряющих процессы биоре-медиации, разложения углеводородов нефтепродуктов, восстановления плодородия и экологических сервисов агроландшафтов (Логинов, 2000; Mohan et al., 2006; Handi et al., 2007; Карасева и др., 2009; Loick et al., 2009; Керимов, Васенев, 2010).

Цель нашей работы состоит в проведении комплексных экологических исследований состояния загрязненных типичными нефтепродуктами дерново-подзолистых почв и выщелоченных черноземов Центрального региона России, с экологической оценкой эффективности их очистки биопрепаратом Псевдомин в условиях различных режимов увлажнения. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Исследовать влияние трех уровней увлажнения почв (полная влагоемкость (ПВ); 0,6 ПВ; 0,3 ПВ) на скорость разложения двух вариантов нефтепродуктов (дизельное топливо и трансмиссионное масло) в верхних горизонтах лесных дерново-подзолистых почв, характерных для Центрального региона России, в процессе их биоремедиации с использованием биопрепарата Псевдомин.

2. Дать сравнительную оценку экологической эффективности действия биопрепарата Псевдомин при очистке загрязненных дизельным топливом, гумусово-аккумулятивных и элювиальных горизонтов дерново-подзолистых почв.

3. Провести анализ влияния разных режимов увлажнения на „ экологическое состояние и биологическую активность загрязненных дизельным топливом верхних горизонтов дерново-подзолистых почв, характерных для Центрального региона России, в процессе их биоремедиации с использованием биопрепарата Псевдомин.

4. Провести анализ влияния разных режимов увлажнения на экологическое состояние и биологическую активность загрязненных дизельным топливом верхних горизонтов выщелоченных черноземов, характерных для Центрального Черноземного региона России, в процессе их биоремедиации с использованием биопрепарата Псевдомин.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований показано, что биопрепарат Псевдомин способен стимулировать естественную микрофлору гумусово-аккумулятивных и пахотных горизонтов незагрязненных и, особенно, нефтезагрязненных лесных и окультуренных дерново-подзолистых почв. Важным фактором, влияющим на приживаемость интродуцированной популяции бактерий рода Pseudomonas (штамм РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева), являются условия увлажнения почвы. Установлено, что наилучшая приживаемость бактерий, внесенных с биопрепаратом, отмечается при уровне влажности около 60 % ПВ. В оптимальных условиях увлажнения применение биопрепарата увеличивает скорость разложения дизельного топлива и трансмиссионного масла в лесных и окультуренных дерново-подзолистых почвах и выщелоченных черноземах, в среднем, до 2 раз.

нефтепродуктов (дизельное топливо и трансмиссионное масло) позволили выявить рабочий диапазон изменения оптимальных условии увлажнения в (0,6-0,5)ПВ. Это необходимо учитывать при планировании мероприятий по биоремедиации загрязненных этими нефтепродуктами верхних горизонтов зональных почв, характерных для Центрального региона России (от дерново-подзолистых почв до выщелоченных черноземов). Наряду с этим, полученные навыки и знания в области экологии, биоремедиации и выделения из нефтезагрязненных почв штаммов бактерий-деструкторов углеводородов нефти помогут выделить из нигерийских почв перспективные штаммы микроорганизмов-деструкторов нефти и разработать технологию приготовления нового биопрепарата, адаптированного к условиям региона.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждались на Экологическом форуме (Москва, 2010), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА (Москва, 2011), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2012» (МГУ, 2012), заседаниях кафедр экологии, микробиологии и иммунологии РГАУ-МСХА.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 работ, в том числе 1 - в профильном журнале по списку ВАК.

Структура и объем работы: диссертация изложена на 120 страницах, содержит 25 таблицу и 15 рисунков, состоит из введения, пяти глав (включающих обзор литературы, описания объектов и методов исследований, анализ и обсуждение результатов исследований), выводов, списка использованной литературы (223 источников, из которых 88 - на английском языке) и приложений.

Благодарю всех сотрудников лаборатории микробиологии и, особенно, JI.B. Самохина за помощь при проведении лабораторных анализов. Также спасибо моим друзьям, которые помогли мне в выполнении различных этапов моей работы.

Глава 1. Экологические основы биоремедиации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами

Наиболее перспективной технологией очистки почв загрязнённых нефтью и нефтепродуктами считается внесение в почву адаптированных к ней комплексов микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биоразложении основных углеводородных компонентов нефти и продуктов ее переработки (Atlas et al., 1992; Margesin, 2000; Vidali, 2001; Назарько, 2004; Tyagi et al., 2010).

Для разложения нефти, в основном используются углеводородоки-сляющие бактерии родов Pseudomonas, Acinetobacter, Arthrobacter, Azotobacter, Bacillus, Rhodococcus, Micobacterium; дрожжи родов Candida, Fusarium; нитевидные актиномицеты рода Streptomyces; грибы, относящихся к родам Aspergillus и Penicillium (Bossert, Bartha, 1984; Brown-Lewis, 1987; Chaillana et al., 2004; Могилевская, 2005; Wang et al., 2011). На их основе в России разработано около 40 биопрепаратов, примером которых являются: Биоприн, Деворойл, Деградойлас Инипол, Нафтокс, Ремедиаст, Фаерзайм (Кузнецов и др., 2010).

Эффективность и безопасность биоремедиации напрямую зависит от соблюдения и выполнения всех технологических тонкостей процесса внесения микроорганизмов в нефтезагрязненные среды; рода и вида вносимых микроорганизмов; типа нефтяного загрязнения и масштаба; учета климатических условий и факторов окружающей среды; содержания в загрязненных экосистемах элементов минерального питания, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов; физико-химических показателей почв, таких как гранулометрический состав, рН среды, и, особенно, влажность почвы.

Разработанный на кафедре микробиологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева биопрепарат Псевдоним создан на основе штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов рода Pseudomonas putida, выделенных из дерново-подзолистой почвы, длительное время подвергавшейся загрязнению нефтепродуктами АЗС. Согласно предыдущим исследованиям (Станкевич, 2002; Емцев, 2012), Псевдоним обладает выраженным пролонгированным деградационным последействием на нефтепродукты, остающиеся в почве после механической и/или физико-химической очистки. Он успешно прошел испытания в условиях южнотаежной зоны европейской части России и ряда нефтеносных районов Сибири. Однако пока еще недостаточно изучена эффективность действия этого биопрепарата на различные варианты нефтезагрязненных окультуренных и природных почв, характерных для Центрального региона России, в условиях различных режимов увлажнения, что определяет актуальность нашего исследования.

Глава 2. Объекты и методы исследований

Основными объектами исследования послужили представительные варианты окультуренных и лесных дерново-подзолистых почв и выщелоченного чернозема, характерных для Центрального региона России.

Для решения поставленных задач была поставлена несколько серий экспериментов (рис. 2.1), в которых изучалась эффективность действия биопрепарата Псевдомин на очистку нефтезагрязненных почв в лабораторных условиях:

• Эксперимент 1. Для изучения эффективности действия биопрепарата в условиях 3 режимов увлажнения использовали смешанный образец верхних гумусово-аккумулятивного (Ai) и переходного (А1А2) горизонтов слабо-дерново-глубокоподзолистой поверхностно-оглеенной легко-суглинистой почвы, отобранный на 4-ом ключевом участке экологического мониторинга Лесной Опытной Дачи (ЛОД) РГАУ-МСХА (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Краткая характеристика исследуемых образцов дерново-подзолистых почв ЛОД в эксперименте № і (Буринова, 2011)

Рельеф и (координаты) в месте отбора Горизонты Глубина Сорг,% рНшо рНксл Нг,мг-экв/ЮОг почвы

Средняя часть пологого слабовогнутого склона повышенной длины ЮЗ экспозиции (N55° 48' 59.50 Е037° 32' 59.4П) А, + АіАі 0-28 1,26 4,09 3,61 11,90

• Эксперимент 2. Для сравнительной оценки эффективности действия биопрепарата на разные горизонты дерново-подзолистых почв использовали смешанные образцы гумусово-аккумулятивного и переходного горизонтов (А1+А1А2) и элювиального горизонта (Аг), среднедерново-глубокоподзолистой легкосуглинистой почвы, отобранные на 3-м ключевом участке экологического мониторинга Лесной Опытной Дачи (ЛОД) РГАУ-МСХА (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Краткая характеристика исследуемых горизонтов дерново-подзолистых почв ЛОД в эксперименте № 2 (Буринова, 2011)

Рельеф и (координаты) в месте отбора Горизонты Глубина Сорг,% рНшо рНксл Нг,мг-экв/ЮОг почвы

Водораздельная часть мореного холма (N55° 49' 11.8 □ Е037° 33' 08.6П) Ai + А1А2 0-30 1,91 4,21 3,81 12,80

А2 30-44 0,31 4,32 4,93 8,50

• Эксперимент 3. Для изучения влияния разных режимов увлажнения на биологическую активность нефтезагрязненных почв под действием бактерий рода Pseudomonas, использовали смешанные образцы пахотного горизонта из двух типов зональных почв: дерново-подзолистая окультуренная легко-суглинистая почва (Опыт Точного Земледелия РГАУ-МСХА) и чернозем выщелоченный среднесуглинистый (Учхоз имени

Калинина, Тамбовская область). Образцы были отобраны из пахотного горизонта (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Краткая характеристика образцов смешанных верхних горизонтов исследуемых почв в эксперименте № 3

Почва Горизо -нты Глубина Сорг, % рНксл Нг, мг- экв/100 г почвы Р2О5 мг/кг почвы К20 мг/кг почвы

Окультуренная легкосуглинистая дерново-подзолистая АПах 0-24 2,4 4,8 3,7 173,0 107,0

Выщелоченный среднесуглинистый чернозем Апях 0-28 6,8 - 3,9 153,0 194,0

В качестве загрязнителя в лабораторных опытах использовали дизельное топливо (эксперимент 1, 2 и 3) и трансмиссионное масло (эксперимент 1), так как они чаше всего применяются в сельском хозяйстве. Краткая характеристика используемых нефтепродуктов приведена в табл. 2.4.

Табл. 2.4. Краткая характеристика используемых в эксперименте нефтепродуктов

Вид используемого нефтепродукта Плотность, кг/м3 Температура вспышки, °С. Температура застывания

Дизельное топливо 840 40 -35

Трансмиссионное масло 950 185 -18

В работе использовались чистые культуры впервые выделенных из нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы штаммов микроорганизмов-деструкторов нефти, отнесенных к роду Pseudomonas - Ps. putida st. 91 - 96 (кафедра микробиологии и иммунобиологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева). Инокуляция микроорганизмов-деструкторов нефти в почву проводилась внесением водной суспензии штаммов Pseudomonas putida.

Рис. 2.1. Блок-схема экспериментов

Влажность почвы при проведении эксперимента поддерживалась на 3-х (1-й эксперимент) или 2-х (3-й эксперимент) разных уровнях (см. рис. 1). В исследуемых почвах полная влагоёмкость (ПВ) соответствует 43,5%, 0,6ПВ -26% и 0,311В — 13%. Влажность поддерживали путем ежедневного полива, контролируя весовым методом.

Методы исследования. В процессе проведения экспериментов определяли в динамике следующие параметры:

1. Остаточное содержание углеводородов нефти в почве методом ИК-спектрометрии, на приборе «Флюорат-02» (ПНДФ 16.1:2.2.22-98).

2. Биологическая активность почвы оценивалась по показателям дыхания почвы, при измерении на газовом хроматографе «Хроматэк Кристалл 5000.2» (Ананьева, 2003). Численность и разнообразие почвенных микроорганизмов определяли методом микробиологического посева (Зенова, 2002; Нетрусов, 2005).

3. Фитотоксичность почв методом биотестирования на проростки овса и кресс-салата (Берестецкий, 1971; Федеральный реестр МВИ, 2006).

Исследования проводились в 2010-2012 годах в лабораториях агроэкологического мониторинга и микробиологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Статистическая обработка результатов выполнена в программе «Statistic 8.0».

Глава 3. Влияние различных уровней увлажнения на скорость

разложения нефтепродуктов в исследуемых лесных дерново-подзолистых почвах

Проведенные исследования по влиянию 3 уровней увлажнения на скорость разложения дизельного топлива в исследуемой почве показали что, через 12 недель эксперимента наблюдается резкое снижение содержания дизельного топлива, скорость которого существенно изменяется по вариантам эксперимента: в 12-14 раз - в варианте (1,0-0,9)ПВ; в 60-70 раз - в варианте (0,6-0,5)ПВ; 13-14 раз в варианте (0,3-0,2)ПВ (относительно 1-ой недели эксперимента табл. 3.1). Это доказывает факт влияния различных уровней увлажнения на скорость разложения дизтоплива в исследуемых дерново-подзолистых почвах.

Наилучший результат наблюдается в вариантах с (0,6-0,5)ПВ влажности (3 и 4 варианты), что можно объяснить наблюдаемым в этом диапазоне влажности оптимальным соотношением жидкий и газообразный фаз почвы, оптимальным для минерализации органического вещества с отношением жидкий и газообразной фаз почв.

В вариантах с ПВ низкие значения остаточного содержания нефтепродуктов наблюдаются уже после 1 недели эксперимента. По все видимости это связано с регулярно повторяющимся фракционированием дизтоплива на поверхность полностью увлажненного образца с ее последующим испарением.

Ускоренное испарение легких (летучих) фракций углеводородов нефти (75 % в дизтопливе) в начальном этапе эксперимента уже отмечалась ранее (Киреева, Халимов и др., 1996; Станкевич, 2002;)

Проведенные исследования показали существенные различие в скорости разложения дизельного топлива между вариантами с инокуляцией Pseudomonas и без нее: ускорение разложения, в результате инокуляции в 11,25 раз.

Таблица 3.1. Анализ скорость разложения дизельного топлива в смешанных образцах верхних гумусово-аккумулятивного (Аі) и переходного (АіА2) горизонтов дерново-подзолистой почвы

Влажность, % Варианты опыта Фоновое содержание нефтепродуктов, мг/г Количество внесенных нефтепродуктов, мг/г Остаток нефтепродуктов, мг/г (по неделям)

1 2 3 4 8 12

(1,0-0,9) ПВ 1 Загрязненная почва 0,01 15,0 1,86 1,59 1,23 0,85 0,32 0,13

2 Загрязненная почва+ Pseudomonas 1,38 0,91 0,77 0,42 0,13 0,11

(0,6-0,5) ПВ 3 Загрязненная почва 0,01 15,0 9,08 7,44 6,09 5,10 0,68 0,15

4 Загрязненная почва+ Pseudomonas 8,68 7,08 5,49 4,80 0,59 0,12

<ч 9 а m С о -—* 5 Загрязненная почва 0,01 15,0 9,37 8,27 6,40 5,35 1,36 0,70

6 Загрязненная почва+ Pseudomonas 9,13 7,87 6,21 5,07 1.13 0,64

одк 4мг/г

НСР05 - 0,03

Другим важным загрязнителем является трансмиссионное масло, активно используемое для смазки зубчатых передач и других трущихся деталей механических, гидротехнических и гидрообъемных трансмиссий. Оно отличается большей плотностью (меньше алифатической и больше фенольных групп), чем дизтопливо и поэтому, как правило, скорость разложения в почве, медленнее протекала (табл. 3.2).

Влияние различных уровней увлажнения на скорость разложения трансмиссионного масла в исследуемой почве, показали что, через 12 недель эксперимента наблюдается резкое снижение содержания трансмиссионного масла, скорость которого существенно изменяется по вариантам эксперимента: в 9-10 раз - в варианте (1,0-0,9)ПВ; в 11-16 раз - в варианте (0,6-0,5)ПВ; в 5 раз - в варианте (0,3-0,2)ПВ (относительно 1-ой недели эксперимента табл. 3.1).

Таблица 3.2. Анализ скорость разложения трансмиссионного масла в смешанных образцах верхних гумусово-аккумулятивного (АО и переходного (А1А2) горизонтов дерново-подзолистой почвы

1 2 3 4 8 12

(1,0-0,9) ПВ 1 Загрязненная почва 0,01 15,0 2,15 1,76 1,12 0,81 0,54 0,20

2 Загрязненная почва+ Pseudomonas 1,73 1,04 0,67 0,50 0,35 0,19

(0,6-0,5) ПВ 3 Загрязненная почва 0,01 15,0 9,35 8,74 8,02 6,79 2,99 0,84

4 Загрязненная почва+ Pseudomonas 9,18 8,39 7,51 6,48 2,06 0,55

(0,3-0,2) ПВ 5 Загрязненная почва 0,01 15,0 9,54 9,00 8,40 7,97 3,92 1,72

6 Загрязненная почва+ Pseudomonas 9,36 8,86 8,19 7,45 3,55 1,65

одк 4мг/г

НСР05 - 0,04

В благоприятных условиях увлажнения (0,6-0,5)ПВ, скорость разложения происходит быстрее (особенно для трудно разлагаемого трансмиссионного масла) и эффект инокуляции Pseudomonas наиболее выраженном, по сравнению с другими уровней увлажнения, в этом случае скорость разложения трансмиссионного масла в результате инокуляции увеличивалась в 1-1,53 раз.

Таким образом, проведенные исследования показали существенное влияние фактора влажности, которая в 60-70 раз (в случае дизтоплива) и в 1116 раз (в случае трансмиссионного масла) ускоряет скорость разложения нефтепродуктов в исследуемой дерново-подзолистой почве, в условиях благоприятных увлажнений (0,6-0,5)ПВ, что наиболее проявляется в случае загрязнения более плотным нефтепродуктом (трансмиссионное масло) которое дольше сохраняется в почве. В случае переизбытки (ПВ) и недостатки (0,3-0,2)ПВ увлажнения процесс биоремедиации существенно замедляется.

Важным интегральным показателем экологического состояния почв является фитотоксичность, результаты исследования который на проростках овса показали, что в вариантах эксперимента с загрязнением нефтепродуктами наблюдалось существенное снижение процента проросших семян и уменьшение длины проростков овса (табл. 3.3).

Таблица 3.3. Влияние загрязнения дизельным топливом на фитотоксичность исследуемой дерново-подзолистой почвы на проростки овса, в условиях различных режимов увлажнения

1 неделя 7 недель 12 недель

№ Число Длина Число Длина Число Длина

пророс пророс пророс пророс пророс пророс

варианта -ших -тков, -ших -тков, -ших -тков,

семян, см семян, см семян, см

% % %

1 Незагрязненная почва 100 13,0 100 10,0 100 10,2

fT4 2 Загрязненная почва 0,0 - 20 2,5 80 5,3

ig 3 Незагрязненная почва + Pseudomonas 100 13,5 100 11,0 100 10,5

w 4 Загрязненная почва + Pseudomonas 20 1,2 60 6,0 100 7,3

5 Незагрязненная почва 100 12,0 100 9,1 100 11,0

9 я vo С 6 Загрязненная почва 0,0 - 80 7,2 100 6,2

7 Незагрязненная почва+ Pseudomonas 100 6,0 100 11,0 100 10,6

8 Загрязненная почва + Pseudomonas 20 1.4 100 8,5 100 7,8

9 Незагрязненная почва 60 1,7 60 6,0 60 6,4

--- оч 9 Й ГП В 10 Загрязненная почва 0,0 - 40 4,8 60 4,0

11 Незагрязненная почва+ Pseudomonas 20 0,1 60 5,1 60 7,7

12 Загрязненная почва + Pseudomonas 0,0 - 60 7,0 60 7,3

НСР05 - 0,27

Наиболее сильное повреждающее воздействие дизельного топлива на тест-растения отмечается в начальном периоде эксперимента в загрязненных вариантах без инокуляции Pseudomonas (2, 6, 10, 12) - происходит полное ингибирование прорастания семян. Со временем токсический эффект ослаблялся, за счет разложения дизтоплива микробиотой почвы и биопрепарата (см. табл. 3.1).

Вследствие ослабления токсического эффекта нефтепродуктов, наблюдается постепенное увеличение процента проросших семян до 60-100% и длины проростков овса до 11 см. Следует также отметить, что самые лучшие результаты, по сравнению с контрольными вариантами, показали варианты с (0,6-0,5 )ПВ, в которых проводилась инокуляция Pseudomonas.

Аналогичная ситуация наблюдалась в эксперименте с трансмиссионным маслом: (резкое снижение прорастания семян овса при дефиците влаги и загрязнение почв маслом, табл. 3.4).

Таблица 3.4. Влияние загрязнения трансмиссионным маслом на фитотоксичность исследуемой дерново-подзолистой почвы на проростки овса, в условиях различных режимов увлажнения

№ 1 неделя 7 недель 12 недель

Число Длина Число Длина Число Длина

пророс пророс пророс пророс пророс пророс

-ших -тков, -ших -тков, -ших -тков,

семян, см семян, см семян, см

% % %

1 Незагрязненная почва 100 10,1 100 10,0 100 10,2

ч 2 Загрязненная почва 40 6,6 100 8,0 100 8,3

9 т о С 3 Незагрязненная почва + Pseudomonas 100 9,3 100 11,0 100 10,5

4 Загрязненная почва + Pseudomonas 40 6,2 100 7,1 100 7,3

5 Незагрязненная почва 100 10,0 100 9,1 100 11,0

s iß б Загрязненная почва 40 4,0 100 7,0 100 8,2

7 Незагрязненная почва+ Pseudomonas 100 10,1 100 11,0 100 10,6

S Загрязненная почва + Pseudomonas 60 4,0 100 6,5 100 8,8

9 Незагрязненная почва 60 9,1 60 6,0 60 6,4

(N 9" а т С 10 Загрязненная почва 0 - 60 5,5 60 6,0

11 Незагрязненная почва+ Pseudomonas 20 9,3 60 5,1 60 7,7

S- 12 Загрязненная почва + Pseudomonas 0 - 60 4,3 60 6,3

НСР05 - 0,37

В то же время трансмиссионное масло оказалось менее токсичным, чем дизельного топливо, и с 7 недели эксперимента отмечается увеличение процента проросших семян до 60-100% и длины проростков овса до 11 см.

Глава 4. Сравнительная оценка эффективности действия биопрепарата «Псевдомин» на очистку загрязненных дизельным топливом двух различных горизонтов лесных дерново-подзолистых почв

Проведенные исследования по изучению эффективности действия биопрепарата Псевдомин на очистку загрязненные дизельным топливом гумусово-аккумулятивных (А1+А1А2) и элювиальных (А2) горизонтов дерново-подзолистых почв показали, что через 12 недель эксперимента наблюдается резкое снижение содержания в них дизтоплива: в 25-48 раз в смешанном образце из горизонтов А1+А1А2 и в 6-8 раз в образце из горизонта Аг, - относительно 1-ой недели эксперимента (табл. 4.1).

Таблица 4.1. Анализ скорость разложения дизельного топлива в исследуемой дерново-подзолистой почве двух различных горизонтов.

Варианты опыта Фоновое содержание нефтепродуктов, мг/г Количество внесенных нефтепродуктов, мг/г Остаток нефтепродуктов, мг/г (по неделям.)

1 2 3 4 9 12

П д < 1 Загрязненная почва 0,01 18,2 8,54 7,02 5,01 3,16 0,76 0,34

2 Загрязненная почва+ Pseudomonas 7,25 6,15 4,75 2,58 0,57 0,15

£ О 3 Загрязненная почва 0,01 18,2 11,39 9,49 7,90 6,32 3,02 1,87

3 < г 4 Загрязненная почва+ Pseudomonas 10,75 9,14 7,55 5,72 2,59 1,31

одк 4мг/г

НСР05 - 0,16

Наилучший результат наблюдается в случае гумусово-аккумулятивных горизонтов, что можно объяснить наличием в них гумусовых веществ, которые служат дополнительным источником энергии (субстрат), для почвенных микробных сообществ и тем самим увеличивают их биологическую активность.

Следует также отметить, что проведенные исследования показали существенные различие в скорости разложения дизельного топлива между вариантами с инокуляцией Pseudomonas и без нее. Варианты, в которых проводилась инокуляция Pseudomonas, показали более существенное снижения остаточного содержания дизтоплива, по сравнению с вариантами без инокуляции (1,3 варианты), что и доказывает факт ускорения разложения нефтепродуктов в почве при помощи исследуемого биопрепарата: до 2,2 раза.

Проведенные исследования фитотоксичности исследуемой дерново-подзолистой почвы на проростках кресс-салата показали, что в начале эксперимента в обоих горизонтах отмечалось выраженное токсическое действие водных экстрактов из загрязненных дизельным топливом почв на тест-растения (табл. 4.2).

Таблица 4.2. Влияние загрязнения дизельного топлива на фитотоксичностъ исследуемой дерново-подзолистой почвы двух различных горизонтов на проростки кресс-салата

1 неделя 7 недель 12 недель

Варианты опыта Число пророс Длина пророс Число пророс Длина пророс Число пророс Длина пророс

-ших -тков, -ших -тков, -ших -тков,

семян, см семян, см семян, см

% °/о %

Контроль Вода 100 1,7 100 1,9 100 2,9

1 Незагрязненная почва 100 2,0 100 2,7 100 3,0

1 -а 2 Загрязненная почва 87,5 1,8 95,0 2,0 100 3,0

о S? Я + ё* 3 Незагрязненная почва+ Pseudomonas 95,0 2,0 97,5 2,0 100 2,7

4 Загрязненная почва + Pseudomonas 87,5 1,9 90,0 2,6 100 3,0

5 Незагрязненная почва 97,5 2,0 95,0 2,5 97,5 2,2

Й 6 Загрязненная почва 87,5 1,4 97,5 1,9 100 2,0

о СП Г1 К < Я- 7 Незагрязненная почва+ Pseudomonas 97,5 2,1 95,0 2,5 100 2,5

и 8 Загрязненная почва + Pseudomonas 90,0 1,6 92,5 2,0 97,5 2,4

HCPos-0,03

В этом эксперименте мы использовали водную вытяжку из загрязненных почв, поэтому ингибирующее влияние загрязнения выражено слабее, чем в предыдущем эксперименте с посевом семян овса в исследуемых почвах. Доли проросших семян снижались на 10-12,5%, но со временем токсический эффект ослаблялся, за счет разложения дизтоплива микробиотой почвы и биопрепарата (см. табл. 4.1). К 12 неделе наблюдается постепенное увеличение процента проросших семян до 97,5-100% и длины проростков кресс-салата до 3 см.

Таким образом, проведенные исследования фитотоксичности в двух модификации эксперимента (посев на загрязненной почве и с использованием водной вытяжки из нее) показали положительное влияние микроорганизмов-деструкторов биопрепарата Псевдомин на снижение токсичности загрязненных почв на использованных тест-растениях.

Глава 5. Влияние режима увлажнения и внесения биопрепарата

«Псевдомин» на биологическую активность исследуемых почв загрязненных дизельным топливом

Для оценки биологической активности исследуемых почв в зависимости от их загрязнения дизельным топливом, внесения биопрепарата и уровня увлажнения, определяли базальное дыхание (БД), субстрат-индуцированное дыхание (СИД) и метаболический коэффициент (СЬ), как интегральные показатели экологического состояния и устойчивости микробного сообщества почвы. По их количественной оценке судили о влиянии изучаемых факторов на биологическую активность почв.

Проведенные исследования показали определяющую роль уровня увлажнения исследуемых почв в интегральной интенсивности их микробиологических процессов. При влажности почвы в (0,6-0,5)ПВ наблюдается наиболее интенсивное базального дыхания в исследуемых дерново-подзолистой почве (рис. 5.1. А, Б) и черноземе (рис. 5.1. В, Г), что свидетельствует о более активном прохождении микробиологических процессов, в

частности - с использованием загрязняющего почву дизельного топлива в качестве дополнительного питательного субстрата.

J?j- незагрязненная почва;[Г] - загрязненная почва;Иі- загрязненная почва + Pseudomonas Рис. 5.1. Динамика интенсивности базального дыхания микроорганизмов исследуемых

почв.

(А) дерново-подзолистая почва + влажность (0,6-0,5)ПВ. (Б) дерново-подзолистая почва + влажность (0,3-0,2)ПВ. (В) чернозем + влажность (0,6-0,5)ПВ. (Г) чернозем + влажность (0,3-0,2)ПВ.

В вариантах с пониженным уровнем увлажнения ((0,3-0,2)ПВ) интенсивность базального дыхания исследуемых почв гораздо ниже, что говорит об их низкой биологической активности, замедлении метаболизма, а также снижении способности микроорганизмов к разложению внесенного дизтоплива при этом уровне увлажнения.

Важно отметить существенное увеличение интенсивности выделения С02 в загрязненных вариантах с инокуляцией Pseudomonas: в 5,6-6,3 раз (в случае дерново-подзолистой почвы) и в 1,9-3,5 раз (в случае чернозема) - по сравнению с контрольными и загрязненными вариантами. Это позволяет

говорить об успешной интродукции биопрепарата в микробное сообщество и активизации действия почвенной микрофлоры, способны использовать дизтопливо в качестве дополнительного источника энергии.

При сравнительной оценке степени нарушения равновесия в микробном сообществе по Н.Д. Ананьевой (табл. 5.1) исследуемых дерново-подзолистых почв установлена их повышенная чувствительность к загрязнению при низком уровне увлажнения: внесение дизтоплива оказывало значительное больше нарушение (в 2,0-4,9 раз), и наибольшая величина С^ достигала катастрофических значений на 3 неделе эксперимента (рис. 5.2. А).

Таблица 5.1. Оценка воздействия поллютантов на устойчивость микробного сообщества почвы по величине микробного метаболического коэффициента

(<3к) (Ананьева, 2003)

Qr-БД/СИД Qr . БД/СИД(СЫ с поллютантом /Qr без поллютанта) Степень нарушения

0,1-0,2 1,0 Отсутствует

0,2-0,3 1-2 Слабая

0,3-0,5 2-5 Средняя

0,5-1,0 5-10 Сильная

> 1,0 > 10 Катастрофическая

Загрязненная почва + Pseudomonas + влажность: ■: - (0,6-0,5)ПВ; Q- (0,3-0,2)ПВ. Рис. 5.2. Динамика отношения метаболического коэффициента (Qr), в исследуемых дерново-подзолистых почвах (А); черноземах (Б), загрязненных дизельным топливом.

При увеличении уровня увлажнения до (0,6-0,5)ПВ микробный метаболический коэффициент значительно ниже, что свидетельствует о меньшей степени нарушения более увлажненной почвы и активизации микробиологических процессов, в том числе - разложение нефтепродуктов.

Такая же тенденция наблюдается в эксперименте с черноземом: при влажности (0,6-0,5)ПВ степень нарушения в загрязненных вариантах гораздо ниже (в 1,4-3,0 раза), чем при влажности (0,3-0,2)ПВ, пик которого оказался катастрофическим на 6 неделе (рис. 5.2. Б). Затем отношение величин QR уменьшалось за счет снижения количества нефтепродукта в почве.

Проведенные исследования по оценке биологической активности почв методом микробиологического посева на питательных средах с мясопеп-тонным агаром (МПА) показали, что при благоприятных условиях увлажнения почв ((0,6-0,5)ПВ) численность углеводородокисляющих микроорганизмов в вариантах эксперимента с загрязнением дизтопливом и инокуляцией Pseudomonas значительно выше, чем при пониженных уровня увлажнения ((0,3-0,2)ПВ): в 1,5-13 раз в случае с дерново-подзолистой почвой (рис. 5.3.А) и в 1,6-2,5 раз - в случае с черноземом (рис. 5.3.Б).

Загрязненная почва + Pseudomonas + влажность: ■ j- (0,6-0,5)ПВ; Q- (0,3-0,2)ПВ. Рис. 5.3. Динамика численности микроорганизмов исследуемых дерново-подзолистых почв (А); черноземов (Б), учитываемых на МПА.

Это подтверждает сделанный ранее вывод об оптимальном уровне увлажнения для эффективной работы биопрепарата Псевдомин в диапазоне (0,6-0,5)ПВ, при биоремедиации загрязненных нефтепродуктами почв.

Таким образом, анализ биологической активности исследуемых загрязненных почв методом измерения дыхания почв и микробиологического посева, показал значительное влияние уровня увлажнения и внесения биопрепарата Псевдомин на интенсивность микробиологических процессов и приживаемость микроорганизмов в исследуемых почвах. Биологическая активность микроорганизмов исследуемых почв достигается наибольших значений в условиях их благоприятных увлажнения ((0,6-0,5)ПВ).

Выводы

1. Проведенные исследования по изучению влияния трех уровней увлажнения на скорость разложения нефтепродуктов в исследуемых дерново -подзолистых почвах показали существенное влияние фактора влажности, который в 5 раз (в случае дизтоплива) и 3 раза (в случае трансмиссионного масла) ускоряет скорость разложения нефтепродуктов в условиях благоприятного увлажнения ((0,6-0,5)ПВ) - по сравнению с условиями недостатка ((0,3-0,2)ПВ) или переизбытка влаги (ПВ), которые существенно замедляют процесс биоремедиации исследуемой почвы.

2. Проведенные исследования фитотоксичности исследуемых дерново-подзолистых почв, загрязненных нефтепродуктами (дизельное топливо и трансмиссионное масло), показали значительное увеличение процента проросших семян (до 100%) и длины проростков овса (до 11 см) при благоприятных условиях увлажнений почвы ((0,6-0,5)ПВ). При пониженных уровня увлажнения ((0,3-0,2)ПВ) процент проросших семян увеличился всего до 60%, а длина проростков овса — до 7,7 см.

3. Сравнительная оценка эффективности действия биопрепарата на биоремедиации загрязненных дизельным топливом гумусово-аккумулятив-ных (А1+А1А2) и элювиальных (Аг) горизонтов дерново-подзолистых почв показала, значительное более высокую скорость разложении дизельного топлива в гумусово-аккумулятивных горизонтах (до 8,7 раз) - по сравнению

с элювиальным горизонтом, что подтверждается результатам сравнительного анализа их фитотоксичность.

4. Проведенные исследования по оценке биологической активности методом измерения базального дыхания показали определяющую роль уровня увлажнения исследуемых почв в интенсивности их микробиологических процессов, которая при благоприятных условиях увлажнений ((0,6-0,5)ПВ) возрастает в 1,5-5,7 раз в случае дерново-подзолистой почвы и в 1,54 раза — в случае чернозема.

5. Сравнительный анализ приживаемости интродуцированной популяции Pseudomonas в исследуемых дерново-подзолистых почвах и черноземах значительно улучшается при оптимальном режиме увлажнения ((0,6-0,5)ПВ) - по сравнению с условиями дефицита влаги ((0,3-0,2)ПВ), что должно учитываться при планировании биоремедиационных мероприятий.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Алонге О.О., Федулова Е.А. Влияние биопрепарата «Псевдомин» в условиях разных режимов увлажнения на биологическую активность нефтезагрязненных дерново-подзолистых почв // Молодежный научный экологический форум: сборник тезисов. - М.: Изд-во МЦ «Тимирязевский» 2011.-С. 1-2.

2. Васенев И.И., Селицкая О.В., Алонге О.О. Влияние биопрепарата «Псевдомин» в условиях разных режимов увлажнения на биологическую активность нефтезагрязненных черноземных почв // Международная научная конференция молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева: сборник статей, том 1. - М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2012. - С. 101-105.

3. Ляпина О.С., Алонге О.О. Эколого-микробиологические основы биорекультивации нефтезагрязненных почв // Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2012». -М.: Изд-во МГУ, 2012. - С. 172-173.

4. Алонге О.О., Васенев И.И., Селицкая О.В. Влияние биопрепарата «Псевдомин» на биологическую активность и экологическое состояние нефтезагрязненных окультуренных дерново-подзолистых почв в условиях различного увлажнения // Агрохимический вестник, 2013. № 1.- С. 5-9.

Alonge O.O. Ecological evaluation of the effectiveness of biopreparation «Pseudomin» in the cleaning up of oil contaminated soils under different soil moisture conditions. Author summary of the thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Ecology and Microbiology. M.: RSAU-MTA, 2013.24p.

Executive Summary

Typical of recent years the local intensification of agricultural development (in large holdings), and the rapid takeover of agricultural territories in big cities on the one hand, and also the retention and predominance of very old farm machinery on small farms, on the other hand, lead to the gradual increment of the total area of farmland contaminated by petroleum products in the central region of Russia.

This fact actualizes the task of developing environmental safe and cost-effective technologies for the cleaning up of oil contaminated lands using modern biopreparations that accelerate the processes of bioremediation, petroleum hydrocarbon degradation, soil fertility and landscape environmental services restoration.

The most perspective cleanup technology of soils contaminated by petroleum and petroleum products is considered to be the introduction into the soil of a complex of microorganism adapted to that particular soil, which possess highly specialized biodegradable capabilities of the major hydrocarbon components of crude oil and its derivatives.

The efficacy and safety of bioremediation directly depends on the total compliance and implementation of all the technological details of the introductory process of microorganisms into the contaminated mediums; the genus and species of the introduced microorganisms; the type and scale of oil pollution; prevailing climatic conditions; the amount of mineral nutrients contained in the contaminated mediums, necessary for microbial activity, the physical and chemical properties of the soil, such as granulometric composition, pH, and especially soil moisture.

This study was conducted to evaluate the effectiveness of the biopreparation Pseudomin in the bioremediation of oil contaminated derno-podzoluvisols and leached black soils of the Russian central region under different soil moisture conditions. To achieve this goal the following objectives were placed:

1. Examine the effects of three different levels of soil moisture condition (total soil moisture capacity (TWC), 60 % and 30 % of total soil moisture capacity) on the rate of degradation of two variants of petroleum products (diesel fuel,

transmission oil) in the upper horizons of forest derno-podzoluvisols, typical of the Central Region of Russia, during the process of bioremediation using the biopreparation Pseudomin.

2. Make comparative assessments on the efficacy of the biopreparation Pseudomin in the bioremediation of diesel contaminated humus-accumulative (A1+A1A2) and eluvial (A2) horizons of derno-podzoluvisols.

3. Analyze the effects of different levels of soil moisture conditions on the ecological state and biological activity of the upper layers of diesel contaminated derno-podzoluvisols and black soils typical of the Central Russian Region, during the process of bioremediation using the biopreparation Pseudomin.

Materials for this study included two representatives of soils form the Central Russian Region: derno-podzoluvisols and black soils; diesel fuel and transmission fluid as pollution agents and Pseudomonas putida as petroleum hydrocarbon degradation microorganism. Methods of research included Total Petroleum Hydrocarbons (TPH) analysis using IR-spectrometry method; soil biological activity was assessed by measuring soil respiration using gas chromatography method and quantifying microbial population using microbial cultivation method; soil phytotoxicity test was carried out by method of biotesting on seedlings of oats and watercress.

The study was conducted from the years 2010 to 2012, in the agro-ecological monitoring and microbiology laboratories of the RSAA-MTA named after K.A. Timiryazev. Statistical analysis of the research results were performed with the program «Statistic 8.0».

Results of the research on the effect of three different levels of moisture on the rate of petroleum hydrocarbon degradation in the soil showed that the optimal condition in enhancing the efficacy of the biopreparation Pseudomin was noted under conditions of around (50-60)% of soil total moisture capacity. The rate of petroleum hydrocarbon degradation in the understudy derno-podzoluvisols under this soil moisture condition was accelerated up to 5 times (in the case of diesel) and up to 3 times (in the case of transmission fluid), in comparison with soil moisture conditions of around (20-30)% and complete saturation, which significantly slowed down the process of bioremediation in the soil under study.

Evaluation of the phytotoxicity of the understudy derno-podzoluvisols contaminated by petroleum products (diesel fuel and transmission fluid) after 12 weeks of experiment, showed a significant increase in the percentage of germinated seeds to 100% and the length of oat seedlings to 11 cm under favorable conditions of soil moisture (50-60%). Under deficient moisture conditions (2030%) the percentage of germinated seeds increased only to 60% and the length of oat seedlings to 7.7 cm.

Comparative assessment on the efficacy of the biopreparation Pseudomin in the bioremediation of diesel contaminated humus-accumulative (A1+A1A2) and eluvial (A2) horizons of the understudy demo-podzoluvisols showed a significantly higher rate of diesel fuel degradation in the humus-accumulative horizons (up 8.7 times) - compared to the eluvial horizon, which was verified by results of the comparative analysis of their phytotoxicity.

Comparative analysis of the effects of different soil moisture conditions on soil biological activity showed that biopreparation Pseudomin was capable of efficiently stimulating the natural microflora of uncontaminated and especially oil contaminated understudy derno-podzoluvisols and black soils. It was established that the best survival rate of the introduced population of Pseudomonas species (RTSAU strain) with the biological preparation, was noted under conditions of around (50-60)% of soil total moisture capacity, in comparison to conditions of around (20-30)%, which should be considered when planning bioremediation measures.

This study is the first of its kind on the effects of different soil moisture conditions on the efficacy of the biopreparation Pseudomin in the cleanup and restoration of the fertility of oil contaminated soils of the agricultural landscapes of the Central Russian Region. Results of which established the optimal working range of soil moisture conditions of between (60-50) % of total soil moisture capacity, which should be considered when planning bioremediation measures, especially of soils of the agricultural landscapes of the Central Russian Region. This also provides the basis for isolating perspective strains of petroleum hydrocarbon decomposing microorganism from Nigerian soils and developing new biopreparations adapted to the climatic conditions of the region, using the results, skills and knowledge obtained.

Keywords: soil ecology, soil bioremediation, oil contamination, bioremediation conditions, moisture factor, microbial metabolism, phytotoxicity, petroleum hydrocarbon.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Формат 60х841/16. Усл. печ. л 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 95.

Издательство РГАУ - МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44 Тел.: (499) 977-00-12, 977-26-90, 977-40-64

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Алонге Олатунбосун Олавойе, Москва

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный аграрный университет - МСХА имени

К.А. Тимирязева

На правах рукописи

04201355418

АЛОНГЕ ОЛАТУНБОСУН ОЛАВОИЕ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ БИОПРЕПАРАТОМ «ПСЕВДОМИН» В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ УВЛАЖНЕНИЯ.

03.02.08 - экология (биология) 03.02.03 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители:

доктор биологических наук, профессор Васенев Иван Иванович кандидат биологических наук, доцент Селицкая Ольга Валентиновна

Москва - 2013

Содержание

Введение...................................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы: Экологические проблемы загрязнения почв нефтепродуктами и биоремедиация загрязненных почв.....................................9

1.1. Экологические проблемы загрязнения нефтью и нефтепродуктами.......9

1.2. Влияние загрязнения нефтепродуктами на почвы и другие компоненты экосистем.............................................................................................................14

1.3. Особенности трансформации и миграции нефти и нефтепродуктов в почве....................................................................................................................20

1.4. Нормирование загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами..............23

1.5. Экологические основы биоремедиации загрязненных нефтепродуктами почв.............................................................................................................27

1.6. Основные факторы, влияющие на выбор способов рекультивации почв ..............................................................................................................................35

1.7. Бактерии рода Pseudomonas и их биологические особенности..............38

1.8. Биопрепараты для устранения загрязнений.............................................41

Глава 2. Объекты и методы исследований..........................................................45

2.1. Объекты исследования................................................................................45

2.2. Методика закладки лабораторных экспериментов..................................49

2.3. Метод определения остаточного содержания углеводородов нефти в почве....................................................................................................................53

2.4. Метод изучения биологической активности почвы................................54

2.5. Методика изучения фитотоксичности загрязненных нефтепродуктами почв......................................................................................................................57

Глава 3. Влияние различных уровней увлажнения на скорость разложения нефтепродуктов в исследуемых лесных дерново-подзолистых почвах..........59

3.1. Анализ остаточного содержания углеводородов нефти в исследуемой дерново-подзолистой почве..............................................................................59

3.2. Анализ влияния нефтепродуктов на фитотоксичность исследуемой дерново-подзолистой почвы в условиях различных уровней увлажнения..64

Глава 4. Сравнительная оценка эффективности действия биопрепарата Псевдомин на очистку загрязненных дизельным топливом двух различных горизонтов лесных дерново-подзолистых почв.................................................67

4.1. Анализ остаточного содержания углеводородов нефти в двух различных горизонтах исследуемой дерново-подзолистой почвы...............67

4.2. Анализ влияния дизельного топлива на фитотоксичность двух различных горизонтов исследуемой дерново-подзолистой почвы...............69

Глава 5. Влияние режима увлажнения и внесения биопрепарата Псевдомин на биологическую активность исследуемых почв, загрязненных дизельным топливом.................................................................................................................71

5.1. Анализ влияния разных режимов увлажнения и биопрепарата Псевдомин на скорость дыхания микроорганизмов исследуемых почв......71

5.2. Анализ изменения динамики численности микроорганизмов различных физиологических групп исследуемых почв, загрязненных нефтепродуктами, в условиях разных режимов увлажнения..............................................77

Выводы...................................................................................................................86

Список литературы................................................................................................88

Приложения..........................................................................................................109

Для разложения нефти, в основном используются углеводородокисл-яющие бактерии родов Pseudomonas, Acinetobacter, Arthrobacter, Azotobacter, Bacillus, Rhodococcus, Micobacterium; дрожжи родов Candida, Fusarium; нитевидные актиномицеты рода Streptomyces; грибы, относящихся к родам Aspergillus и Penicillium (Bossert, Bartha, 1984; Brown-Lewis, 1987; Chaillana et al., 2004; Могилевская, 2005; Wang et al., 2011). На их основе в России разработано около 40 биопрепаратов, примером которых являются: Биоприн,

Деворойл, Деградойлас Инипол, Нафтокс, Ремедиаст, Фаерзайм (Кузнецов и др., 2010).

Эффективность и безопасность биоремедиации напрямую зависит от соблюдения и выполнения всех технологических тонкостей процесса внесения микроорганизмов в нефтезагрязненные среды; рода и вида вносимых микроорганизмов; типа нефтяного загрязнения и масштаба; учета климатических условий и факторов окружающей среды; содержания в загрязненных экосистемах элементов минерального питания, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов; физико-химических показателей почв, таких как гранулометрический состав, pH среды, и особенно, влажность почвы.

Разработанный на кафедре микробиологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева биопрепарат Псевдоним создан на основе штаммов углеводород-окисляющих микроорганизмов рода Pseudomonas putida, выделенных из дерново-подзолистой почвы, длительное время подвергавшейся загрязнению нефтепродуктами АЗС. Согласно предыдущим исследованиям (Станкевич, 2002; Емцев, 2012), Псевдоним обладает выраженным пролонгированным деградационным последействием на нефтепродукты, остающиеся в почве после механической и/или физико-химической очистки. Он успешно прошел испытания в условиях южно-таежной зоны европейской части России и ряда нефтеносных районов Сибири. Однако пока еще недостаточно изучена эффективность действия этого биопрепарата на различные варианты нефтеза-грязненных окультуренных и природных почв, характерных для Центрального региона России, в условиях различных режимов увлажнения, что определяет актуальность нашего исследования.

биопрепаратом Псевдомин в условиях различных режимов увлажнения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать влияние трех уровней увлажнения почв (полная влагоемкость (ПВ); 0,6 ПВ; 0,3 ПВ) на скорость разложения двух вариантов нефтепродуктов (дизельное топливо и трансмиссионное масло) в верхних горизонтах лесных дерново-подзолистых почв, характерных для Центрального региона России, в процессе их биоремедиации с использованием биопрепарата Псевдомин.

3. Провести анализ влияния разных режимов увлажнения на экологическое состояние и биологическую активность загрязненных дизельным топливом верхних горизонтов дерново-подзолистых почв, характерных для Центрального региона России, в процессе их биоремедиации с использованием биопрепарата Псевдомин.

биопрепаратом, отмечается при уровне влажности около 60 % ПВ. В оптимальных условиях увлажнения применение биопрепарата увеличивает скорость разложения дизельного топлива и трансмиссионного масла в лесных и окультуренных дерново-подзолистых почвах и выщелоченных черноземах, в среднем, до 2 раз.

Практическая значимость работы. Установленные в рамках проведенного исследования региональные закономерности функционального влияния уровня увлажнения на скорость разложения исследуемых нефтепродуктов (дизельное топливо и трансмиссионное масло) позволили выявить рабочий диапазон изменения оптимальных условии увлажнения в (0,6-0,5)ПВ. Это необходимо учитывать при планировании мероприятий по биоремедиации загрязненных этими нефтепродуктами верхних горизонтов зональных почв, характерных для Центрального региона России (от дерново-подзолистых почв до выщелоченных черноземов). Наряду с этим, полученные навыки и знания в области экологии, биоремедиации и выделения из нефтезагрязненных почв штаммов бактерий-деструкторов углеводородов нефти помогут выделить из нигерийских почв перспективные штаммы микроорганизмов-деструкторов нефти и разработать технологию приготовления нового биопрепарата, адаптированного к условиям региона.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 работ, в том числе 1 - в профильном журнале по списку ВАК.

Благодарность. Я выражаю самую глубокую признательность правительствам Нигерии и России за предоставленную мне возможность учиться и совершенствовать свои знания в России. Я благодарен моим научным руководителям профессору И.И. Васеневу и доценту О.В. Селицкой за постоянную помощь и ценные советы во время выполнения работы. Благодарю всех сотрудников лаборатории микробиологии и, особенно, Л.В. Самохина за помощь при проведении лабораторных анализов. Также спасибо моим друзьям, которые помогли мне в выполнении различных этапов моей работы.

Глава 1. Обзор литературы: Экологические проблемы загрязнения почв нефтепродуктами и биоремедиация

загрязненных почв

1.1. Экологические проблемы загрязнения нефтью и нефтепродуктами

Проблема разливов нефти и нефтепродуктов является одной из главных проблем современной экологии (Васенев и др., 2010; Черногоров и др., 2012). В настоящее время в связи с увеличением объемов добычи нефти, строительства новых нефтепроводов и нефтеперерабатывающих заводов, происходит увеличение масштабов нефтезагрязненных площадей и ухудшению экологического состояния окружающей среды (Amadi et al., 1993; Колесников и др., 2007; Голованов и др., 2009).

При объёме ежегодной мировой добычи нефти свыше 2,5 млрд. тонн сырой нефти, около 50 млн. тонн теряется в год в результате аварий, утечек и прочие. В связи с этим создается острейшая экологическая проблема во многих странах мира, в том числе и в России и в Нигерии (International Petroleum Monthly, 2011).

Россия и Нигерия относятся к странам, где добыча нефти ведется в сложных гидролого-геоморфологических и погодных условиях, результатом чего является большой объём нефти, поступающий в основные компоненты окружающий среды: почвы, поверхностные водоемы и грунтовые воды. Ежегодное поступление нефти в окружающую среду этих стран по разным источникам варьирует от сотен тысяч до миллионов тонн в год (Vasilyeva, 2012; NNPC, 2011).

По данным Гостехнадзора России, в местах добычи нефти происходит до 35 тыс. аварий в год, в результате которых в природные объекты попадает не менее 10 тыс. тонн сырой нефти, что составляет 3,5% всей добываемой нефти в год (Черногоров и др., 2012). Основной причиной аварий является физический износ нефтяного оборудования и коррозия металла.

Серьезное негативное воздействие оказывают масштабные аварии,

связанные с водным и железнодорожным транспортом, также мелкоочаговые

загрязнения различных баз хранения и перераспределения ГСМ, топливозаправочных станций, станций ремонта и обслуживания техники. Несмотря на сравнительно низкие потери, они равномерно загрязняют многие районы страны.

Для Нигерии проблема ликвидации разливов нефти особенно актуальна, поскольку на ее территории добывают свыше 2 млн. баррелей сырой нефти в сутки. Согласно данным Нигерийской Национальной Нефтяной Корпорации, сброс нефти в окружающую среду ежегодно составляет более 100 тыс. тонн, в среднем по 300 отдельных разливов в год. Разливы нефти в Нигерии происходят из-за ряда причин, в том числе: коррозии трубопроводов и танкеров (на которые приходится 50% всех разливов), саботаж (28%), нефтедобыча (21%), нефункциональное оборудование (1%) (Amu, 1997; Tolulope, 2004; NNPC, 2008).

Рис. 1.1. Участки разливов нефти в России (А) и Нигерии (Б)

Нефтяные загрязнения, произошедшие в результате аварий, отличаются от остальных техногенных воздействий тем, что они вызывают в основном скоротечную ответную реакцию в связи залповой нагрузкой на окружающую среду. Нефть и ее производные приводят к резким негативным последствиям, возникновению экологически опасных ситуаций — загрязнению всех сред жизни: почвенного покрова, атмосферного воздуха, водной

оболочки Земли и, в конечном счете, к широкому токсическому воздействию на живые организмы (Каменщиков и др., 2003).

Почвы и водная оболочка планеты загрязняются при добыче нефти, транспортировке ее и ее продуктов, переработке, хранении, заправке машин горючим, в результате техногенных аварий, утечек, испарений. Попадая в почву, нефть увеличивает общее количество углерода. В составе гумуса увеличивается нерастворимый остаток, что может привести и к понижению плодородия (King, 1975; Голованов, 2009).

Испаряющиеся производные нефти загрязняют атмосферный воздух, что опасно образованием соединений, канцерогенных для организма. Пары нефтепродуктов распределяются с воздухом и, выпадая вместе с атмосферными осадками, увеличивают площадь и масштабы загрязнения. В почве значительная часть нефтепродуктов вызывает отрицательные изменения микроэлементного состава, физико-химических свойств, водно-воздушного и окислительно-восстановительного режимов, изменение нормального соотношения углерода и азота, приводя к недостатку кислорода, азота и фосфора. В местах добычи, на территориях хранения, переработки нефтепродуктов и на прилегающих площадях почвенный покров деградирует и полностью разрушается (Другов, 2000; Бурмистрова, 2003).

Доля потерь нефтепродуктов, особенно их легкие фракции, испаряются из самого верхнего слоя почвы, но значительная их часть мигрирует вниз с почвенной влагой, достигает уровня грунтовых вод и образует зону влияния загрязнения, в которой в разных соотношениях присутствуют нефтепродукты и подземные воды. Указанная зона распределяется по площади и переносится в сторону потока грунтовых вод. При сезонных колебаниях уровня грунтовых вод загрязнение мигрирует вглубь, а за пределами очага проливов и утечек - также и выше среднегодового уровня залегания г

Информация о работе

Алонге Олатунбосун Олавойе
кандидата биологических наук
Москва, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Экологическая оценка эффективности очистки нефтезагрязненных почв биопрепаратом "Псевдомин" в условиях различных режимов увлажнения - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы