Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Толерантность дождевых червей в условиях нефтяного загрязнения субстратов

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Толерантность дождевых червей в условиях нефтяного загрязнения субстратов"

На правах рукописи

ВИННИК Валерия Владимировна

ТОЛЕРАНТНОСТЬ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ В УСЛОВИЯХ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СУБСТРАТОВ

03.00.16 -Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Ставрополь - 2004

Работа выполнена в Северо-Кавказском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор М.С. Дементьев

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

Корниенко Г.Г.

кандидат биологических наук,

доцент, Цвирко Н.И.

Ведущая организация: Ставропольский филиал Федерального

академического экологического университета РАН

Защита состоится «24» декабря 2004 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета К 307.011.01. при Азовском НИИ рыбного хозяйства по адресу: 344007, г. Ростов-на-Дону, ул. Береговая, 21/2,

АзНИИРХ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АзНИИРХ

Автореферат разослан «23» ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время большие площади земель практически безвозвратно выводятся из хозяйственного оборота в результате нефтяного загрязнения. По данным Министерства природных ресурсов Российской Федерации и Российского отделения «Гринпис» потери нефти и нефтепродуктов в России за счет аварийных ситуаций составляют от 17 до 20 млн. тонн ежегодно, что составляет до 7% от всего объема ее добычи в стране. Со временем нефтепродукты попадают в водоемы и накапливаются в илах.

Технические способы очистки субстратов, загрязненных нефтью, мало применимы. Во-первых, из-за своей дороговизны, во-вторых, в связи с последующим практически полным уничтожением почвенных экосистем в результате технологической обработки. Достаточно перспективные в принципе микробиологические способы не - используются достаточно широко из-за необходимости постоянного механического поддержания аэробных условий в загрязненном субстрате, а анаэробное разложение отличается низкой интенсивностью.

В последние десятилетия все большее распространение в управлении почвенными экосистемами получает вермикультурный подход, о пользе которого известно еще с дарвиновских времен. Особенно успешно внедряется культура практически одомашненного красного калифорнийского червя. Например, известно, что с их помощью практически из любых органических отходов можно получать биогумус, кормовую биомассу червей (для рыб, птиц и т.д.) и прочую полезную продукцию. Имеется также множество примеров повышения качества сельскохозяйственных земель (Игонин, 2002) при их использовании. Дождевые черви в этих случаях утилизируют органические вещества, повышают микробиологическую активность, а также оптимизируют механическую структуру различных субстратов. Можно предположить, что эти организмы могут стимулировать процессы биоразложения, в том числе таких органических веществ как нефть.

В этой связи актуальными являются исследования в области факториальной экологии - изучение влияния различных факторов среды на дождевых червей с целью установления их толерантности, например, в условиях нефтяного загрязнения.

Целью работы является изучение толерантности дождевых червей в условиях нефтяного загрязнения почвенных и других субстратов.

Р0С.ЙАЦ1ИИМ4ЫМЯ! икмшМ! 1

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи исследования:

- определить устойчивость различных видов дождевых червей к фактору среды, определяемому как нефтяное загрязнение;

- изучить толерантность дождевых червей в условиях нефтяного загрязнения к качеству субстратов, температуре, влажности и другим факторам среды.

- определить оптимальное сочетание факторов среды, повышающих толерантность дождевых червей в условиях нефтяного загрязнения субстратов;

- разработать биотехнологию восстановления нефтезагрязненных экосистем.

Научная новизна работы состоит в изучении толерантности различных видов дождевых червей в условиях нефтяного загрязнения субстратов. Было установлено, что наивысшую толерантность проявили аборигенные виды червей, приспособленные к природным условиям Северного Кавказа. Впервые получены данные по выживаемости, росту, подвижности и плодовитости дождевых червей в нефтезагрязненных субстратах в различных сочетаниях экологических условий. Определено, что состояние покровных тканей является индикатором устойчивости дождевых червей к нефтяному загрязнению. Оптимизированы экологические параметры существования червей при различных уровнях нефтяного загрязнения: пищевые и инертные добавки, плотность популяции, влажность и температура субстрата, наличие микроорганизмов, в том числе при увеличении их численности за счет внесения ЭМ-препаратов. Одним из аспектов научной новизны является использование листового опада в качестве основного корма для червей и фактора активизации микробиологической деятельности в субстратах.

Практическая значимость работы. В условиях все возрастающего нефтяного загрязнения окружающей среды предложена комплексная технология интенсификации процессов восстановления различных экосистем, в том числе донных иловых отложений летующих прудов и других органических субстратов. Это позволит не только устранить загрязнение, но и, например, может существенно повысить рыбопродуктивность прудов, так как черви представляют собой эффективную кормовую добавку для большинства рыб.

Предложенный метод может не только использоваться для разового восстановления экологических функций почвенных субстратов -придорожных агроценозов, зон угнетения жизни вдоль нефтепроводов, заправок, нефтебаз и но и сгладить отрицательные

последствия в природные экосистемы за

счет формирования в них популяций дождевых червей и других организмов, адаптированных к этому фактору среды.

Полученные материалы могут быть использованы в учебном процессе вузов биологической, сельскохозяйственной, медицинской, ветеринарной и других специализаций.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Аборигенные виды червей в условиях нефтяного загрязнения субстратов проявляют большую толерантность, чем привнесенные извне, как, например, широко распространяемый по всему миру калифорнийский червь.

2. Возможность использования вермикультуры для устранения нефтяного загрязнения достигается предварительным снижением концентрации нефтепродуктов (до уровня менее 5 г/кг) в результате добавок в субстрат органических веществ и нефтесорбирующих материалов.

3.В биоутилизации нефтяного загрязнения участвует вся экосистема субстрата, в том числе дождевые черви и микроорганизмы. Их совместная деятельность взаимообразно повышает толерантность этих организмов.

4.В условиях нефтяного загрязнения оптимальные для жизнедеятельности дождевых червей параметры среды изменяются.

Апробация работы. Основные положения диссертации были изложены: на ежегодных научных конференциях Северо-Кавказского государственного технического университета (VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону», Ставрополь, 2003, XXXIII научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ, Ставрополь, 2004), на Международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и сохранения природно-ресурсного потенциала» (Ставрополь, 2004), на международной выставке "Чистота -21 век" (Екатеринбург, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 148 странице компьютерного текста. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка литературы, содержащего 258 источников (в том числе 208 отечественных и 50 зарубежных авторов). Работа иллюстрирована 22 таблицами и 19 рисунками.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ЭКОСИСТЕМ

В целом аналитический обзор показал, что к настоящему времени целостного представления о толерантности дождевых червей в условиях нефтяного загрязнения субстратов не имеется. Не обнаружено также технологии биовосстановления нефтезагрязненнь х субстратов с использованием вермикультуры.

2 . МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Работа выполнялась в период с 2001 по 2004 год на базе СевероКавказского государственного технического университета в соответствии с федеральной целевой программой «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 7 декабря 2001 года № 860.

Исследования проводились в лабораторных и полевых условиях (Шпаковский район Ставропольского края) на дождевых червях ЕишЬпаёиз гиЬе11из Е., Е1:зеша 1ЬеШа Е. и других местных видах, а также красном калифорнийском гибриде.

Для проведения экспериментов, отбирались половозрелые и неповрежденные особи. Масса определялась на весах ВТ-500. Осмотр проводился с помощью бинокулярного микроскопа МБС - 10. Интенсивность обмена веществ определяли на основе рекомендаций Н.И. Калабухова (1951).

В качестве корма для червей использовали: листовой опад, ботву сельскохозяйственных растений, древесные опилки, пищевые отходы, коровий навоз и т.д., в том числе их комбинации.

Экспериментальными емкостей служили пластмассовые сосуды, вмещающие 10 кг субстрата. Приготовление почвенных смесей проводилось по общепринятой методике (ВаИ:егпа8, ^па1ау1сшз, 2001). Емкости содержали при комнатной температуре от 18 до 22°С, кроме специальных опытов. Отбор проб на анализ, осмотр популяции, контрольные измерения и анализы проводились еженедельно. Определение содержания нефти в субстрате проводилось в соответствии с рекомендациями К.И. Годовской с соавторами (1967).

ЭМ-препараты производства ООО «Новые технологии» вносились в почву в виде свежеприготовленных растворов. Рабочий раствор готовился согласно инструкции Е.В. Халтурина (2000).

Биотестирование образцов почвы проводилось в пластмассовых контейнерах вместимостью 2 л путем посева семян кресс-салата. Через 14

дней определяли конечную массу выращенных растений, а также отмечали день появления первых проростков, первого листа, момент почернения растения.

Все опыты проводились в трехкратной повторности по методу групп-аналогов, взятие проб - методом систематического выбора со случайным началом (Парчевская, 1969). Статистическая обработка проводилась на IBM PC с применением компьютерных программ Microsoft Excel 5.0a, Biostatics version 4.03. Графическую и математическую обработку материалов проводили с помощью компьютерной программы Microsoft Graph 98. Для калькуляции себестоимости проведения практических работ использовался программный комплекс АВС-4 (редакция 3.9 Windows) в ценах 2004 года.

З.ТОЛЕРАНТНОСТЬ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ К РАЗЛИЧНЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ В УСЛОВИЯХ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

3.1. Выбор объекта исследования

В предварительных экспериментах использовались L. rubellus, E. foetida и еще 8 других местных видов, а также красный калифорнийский гибрид. При этом видовом испытании червей концентрация нефти в почве составляла 1, 3, 5, 7, 9, 12 и 15 г/кг.

Было установлено, что видовая специфика червей имеет принципиальное значение. В частности, для всех видов червей характерна полная гибель при концентрациях нефти в пределах 7-15 г/кг, особенно в течение первых 3-5 дней. При более низких концентрациях выживаемость червей была близкой к обратно пропорциональной зависимости от содержания нефти в субстрате: у = - 21,3х + 115. При повторном внесении червей через 7 - 10 дней или при их предварительной адаптации при малых концентрациях нефти выживаемость червей существенно повышается.

Самым устойчивым на всех испытанных субстратах и концентрациях нефти оказался L. rubellus. Причем на прудовом иле этот червь выживал в пределах 98-99% даже при концентрациях нефти до 3 г/кг. Однако при больших концентрациях выживаемость этого вида уменьшалась, как и других, с вышеуказанной обратно пропорциональной зависимостью вплоть до концентрации 7-8 г/кг.

Очень близким к этому виду по выживаемости оказался навозный червь Е. foetida, который в наибольшей степени приспособлен к жизни в агрессивной среде - навозе. Однако загрязненный нефтью прудовый ил оказался менее приемлемым для данного вида. Выживаемость червей в

последнем случае достигала 87-88 % при концентрациях нефти в прудовом иле до 3 г/кг.

Показательно, что одомашненная форма червя Е. ЮеШа выживала в условиях нефтяного загрязнения существенно хуже всех других видов. Например, при концентрации нефти в прудовом иле равной 5 г/кг выжило около 40% диких червей и только около 20% одомашненной формы. Другие изученные виды червей показали худшую выживаемость по сравнению с Е. fъetida и Ь. гаЬеИш, но во всех случаях они были более устойчивыми к изучаемому фактору среды, чем калифорнийский червь.

3.2. Субстраты

В контрольных вариантах опытов (с чистыми субстратами) результаты выращивания червей прямо зависели от биопродуктивных свойств субстратов (рис. 1).

Рис. 1. Продуктивность дождевого червя Ь. гаЬеИш в различных субстратах при их нефтяном загрязнении

Проведенный эксперимент с высокой степенью достоверности показал, что толерантность дождевых червей к нефтяному загрязнению связана, прежде всего, с общебиологическими свойствами субстратов. При этом соотношение продуктивности червей, выращиваемых в различных субстратах (табл.1), было близким к принятому в растениеводстве общему баллу по свойствам почв (Земельный кодекс, 1991).

Таблица 1

Соотношение биопродуктивности червей, выращиваемых на различных нефтезагрязненных субстратах

Субстраты Общий балл по свойствам почв в растениеводстве Продуктивность червей, % к максимуму

Прудовый ил - 91,5

Навоз - 100

Чернозем среднемощный 70 71,2

Темно-каштановая почва 47 50,8

Каштановая почва 39 41,2

Песчаная почва 13 15,2

Для улучшения структурных свойств субстратов были испытаны опилки и песок. В первом случае при увеличении количества добавленных опилок с 5 до 35% толерантность дождевых червей ухудшилась почти на 50% , во втором случае наблюдалось увеличение толерантности на 18 -19%.

3.3. Температура

Для определения видовых особенностей по отношению к температурному фактору среды было отобрано два типичных вида: Ь. гаЬеИш и Е. Юейда (дикая и одомашненная формы), которые существенно отличаются как по происхождению, так и по типовому месту обитания.

Влияние температуры на рост и развитие червей было видоспецифическим. Например, в чистых субстратах (рис. 2) наибольшую продуктивность показала одомашненная форма, наименьшую Ь. гаЬеИш. Очевидно, существует типичная 8-образная зависимость снижения продуктивности как при высоких температурах, так и при низких. Показательно, что появление потомства у Ь. гаЬеИш наблюдалось уже при 10°С, дикого навозного при 12°С, одомашненного навозного при 16°С. Оптимальной температурой для Ь. гаЬеИш была 16 - 18°С, 20 - 22°С у дикой и 24 - 26°С у одомашненной формы Е. Юейда.

Многое изменилось при загрязнении среды нефтью, например, при концентрации 3 г/кг (рис. 3). Как оказалось, в наибольшей степени на нефтяное загрязнение отреагировали одомашненные черви, продуктивность которых существенно снизилась по сравнению с контролем (на 48%) и другими испытуемыми группами (на 24,5% по сравнению с дикой формой и на 6,8% - с Ь. гаЬеИш).

Температура среды,град .Цельсия

Рис. 2. Оптимальная температура для выращивания различных видов и форм дождевых червей в отсутствии нефти

Температура, град. Цельсия

Рис. 3. Оптимальная температура для выращивания дождевых червей при загрязнении субстрата нефтью в концентрации 3 г/кг

Оптимум температуры при нефтяном загрязнении изменился по сравнению с контролем и составил 14 - 15°С у Ь. гиЬе11ш, 18 - 19°С у дикой и 22 - 23°С у одомашненной формы Е. Юейда.

Изменение температурного оптимума, по нашему мнению, вызвано характерным изменением уровня интенсивности обмена веществ в различных условиях (табл. 2). В частности, очевидно, что в целом в условиях нефтяного загрязнения интенсивность обмена веществ повышена.

Кроме того, за исключением сублетальных температур, сохраняется обычное повышение интенсивности обмена веществ с ростом температуры. В этом случае дождевые черви способны снижать свой уровень обмена веществ, собираясь в группы и образуя, так называемые «общественные коконы».

Таблица 2

Изменение интенсивности дыхания дождевых червей Е. гиЬеИш (мм3 ч/г) в условиях нефтяного загрязнения при различной температуре

В целом продолжительность разложения нефти при различных температурах в присутствии дождевых червей отражена в табл. 3.

Таблица 3

Продолжительность разложения нефти (недели) до фоновых величин в зависимости от ее концентрации и температуры окружающей среды в присутствии дождевых червей и контроль

Уровень загрязнения, г/кг Температура, °С

12 16 20 24 28

Контроль (без червей) 24 ±0,3 22 ±0,4 21 ±0,3 20 ±0,4 20 ±0,4

2 11 ±0,2 10 ±0,2 9 ±0,2 9 ±0,2 8 ±0,1

4 16 ±0,3 14 ±0,3 13 ±0,2 12 ±0,3 12 ±0,2

6 22 ±0,4 20 ±0,3 19 ±0,3 19 ±0,3 18 ±0,2

3.4. Кормовые добавки

В проведенных экспериментах в качестве органической пищевой добавки использовались сырые и прошедшие термообработку пищевые отходы, листовой опад, навоз и т.д.

При сравнении различных возрастных групп оказалось, что наиболее легко происходила адаптация у молодых особей, не достигших половой зрелости. Установлено, что при резком переходе с одного вида корма на другой погибает до 10% популяции дождевых червей.

При внесении в загрязненный нефтью субстрат всех видов пищевых добавок и различных популяций дождевых червей во всех случаях

наблюдались положительные результаты - интенсивность процесса снижения концентрации нефти в субстрате была значительно выше, чем при естественном самоочищении. Это происходило за счет повышения выживаемости червей (табл. 4).

Таблица 4

Зависимость толерантности дождевых червей от внесения листового опада в нефтезагрязненный субстрат

Характеристика субстрата Скорость разложения нефти, % в неделю Выживаемость червей, %

Прудовой ил (контроль) 0,5 ±0,09 0

Прудовый ил с листовым опадом 1,8±0,07 0

Прудовый ил с червями 1,2±0,06 71,9 ±1,9

Прудовый ил с червями и листовым опадом 2,3±0,07 99,1± 1,2

Необходимо учесть, что внесение незагрязненного нефтью листового опада послужило не только кормовой добавкой, но и одновременно снизило саму концентрацию загрязняющего компонента за счет его механического разбавления. Последнее обстоятельство является принципиально важным, поскольку позволяет разработать биотехнологию устранения последствий нефтяного загрязнения субстратов именно с использованием вермикультуры. Изменение эффективности разложения нефти в почве в зависимости от количества внесенного листового опада представлено на рис. 4.

3.5. Влажность

По литературным данным дождевой червь за час с 1 см2 поверхности тела при дефиците насыщения 1 мм рт. ст. (0,13 кПа) теряет около 400 микрограмм воды (Shmidt-Nielsen, 1969), а поэтому оптимальная влажность для этих организмов достаточно высока - 65 % (Игонин, 1995). Углеводороды нефти являются гидрофобными веществами и способны высушивающе действовать на слизистые оболочки живых организмов.

Экспериментальные данные по выяснению оптимальной влажности субстрата с начальной концентрацией нефти в почве 3 г/кг представлены на рис. 5. При 20% влажности и ниже черви Ь rubellus погибают в течение 5-7 дней. Влажность субстрата от 30 до 50% определяет низкую выживаемость, менее 50%. В этих условиях черви малоподвижны, имеют

признаки обезвоживания, преимущественно находятся на дне контейнера. Влажность почвы от 60 до 70% обеспечивает выживаемость червей более 50%. При этом максимальная выживаемость наблюдается при влажности почвенно-листовой смеси в пределах 70 - 75%. В целом до показателя 70% зависимость выживаемости червей от влажности близка к прямо пропорциональной (у = 14,534х - 12,02 при высокой степени достоверности аппроксимации Я2 = 0,9915). При этом влажность более 8090% очевидно чрезмерна.

Рис. 4. Плодовитость дождевых червей при различной плотности посадки в нефтезагрязненном субстрате

Рис. 5. Выживаемость дождевых червей при различных уровнях влажности почвы с концентрацией нефти 3 г/кг

Эти факты находят подтверждение при изучении плодовитости червей. В частности, коконы обнаруживаются в почве с влажностью не менее 40%. При дальнейшем повышении влажности субстрата наблюдается увеличение производства коконов на особь. Наибольшее производство коконов при данном уровне загрязнения достигается при влажности субстрата между 70 и 80% - от 2,9 ±0,1 до 3,2 ±0,1 шт. При дальнейшем увеличении влажности субстрата наблюдается падение плодовитости червей - при влажности 90% в пересчете на одну особь в среднем было обнаружено всего 1,2 ± 0,09 кокона. Таким образом, оптимальная влажность субстрата, загрязненного нефтью, составляет 70 -80%, что в среднем на 15% больше, чем в чистой среде.

3.6. Плотность популяции

По литературным данным плотность заселения дождевыми червями природных субстратов существенно различается, а также оказывает значительное влияние на толерантность этих организмов. Согласно нашим исследованиям, выживаемость дождевых червей во всех рассматриваемых случаях наблюдалась достаточно высокая - от 88 до 99%.

В результате исследований показано, что зависимость между оптимальной плотностью посадки червей и концентрацией нефти не пропорциональна. Это частично связано с тем, что при повышении концентрации нефти в 6 раз выживаемость снижается всего на четверть. В целом анализ полученных нами результатов показывает, что увеличение плотности посадки дождевых червей более 35 экз./кг не эффективно (табл. 5), поскольку это не приводит к увеличению скорости разложения нефти.

Таблица 5

Оптимальные плотности внесения дождевых червей в субстрат при различных уровнях загрязнения нефтью

Концен- Выжи- Остаточная Плодовитость, Оптимальная

трация ваемость, концентрация коконов/особь плотность,

нефти, г/кг % нефти, % ЭКЗ./КГ

1 98,6± 2,1 20,9 ± 0,1 3,8 ±0,1 20 ±0,1

2 98,7± 3,0 21,6 ±0,1 3,6 ±0,2 20 ±0,1

3 98,8± 2,7 25,1 ±0,1 3,6 ±0,1 20 ±0,1

4 94,2± 2,5 28,1 ±0,1 3,1 ±0,1 25 ±0,1

5 83,1± 2,8 28,6 ±0,1 2,9 ±0,1 30 ±0,1

6 72,1± 2,2 31,1 ±0,1 2,8 ±0,1 35 ±0,1

3.7. Присутствие эффективных микроорганизмов

Интересной проблемой в этих экспериментах является вопрос о том, каким образом посторонние организмы повышают толерантность дождевых червей в нефтезагрязненных субстратах. Частично на этот вопрос дает ответ анализ снижения концентрации нефти в результате совместной деятельности червей и микроорганизмов (рис. 6).

Черви+ЭМ — ЭМ ■ - Черви — Без червей и ЭМ

ьй О -I-1-1-1-1-1-1-1-

О 5 10 15 20 25 30 35 День эксперимента

Рис. 6. Динамика концентрации нефти в субстрате в присутствии червей и

микроорганизмов

Например, за 35 дней эксперимента концентрация нефти в субстрате снизилась примерно на 34% только за счет участия аборигенной микрофлоры. При добавке ЭМ-культуры снижение уже составило около 84%, тогда как добавка только червей снизила концентрацию нефти в субстрате всего на 76%. Принципиально важно, что при совместном присутствии червей и микроорганизмов снижение составило еще большую величину - около 90%.

Косвенным индикатором изменения толерантности дождевых червей является динамика прироста их средней массы. На рис. 7 показано, что этот показатель без внесения дополнительных микроорганизмов достоверно менее интенсивен. Во всех наших опытах наблюдалось угнетение процессов жизнедеятельности дождевых червей в течение первых 5-7 суток нахождения в нефтезагрязненном субстрате. По окончании периода острого токсического действия нефтяных углеводородов и адаптации особей к новым условиям их жизнедеятельность нормализовывалась.

Рис. 7. Динамика средней массы дождевых червей в условиях нефтяного загрязнения субстрата в присутствии ЭМ-культуры

3.8. Оптимальное сочетание экологических факторов

Были определены оптимальные количественные показатели сочетания различных факторов среды, при которых толерантность дождевых червей к нефтяному загрязнению проявляется в наибольшей степени: температура, влажность субстрата, плотность заселения, количество вносимого листового опада, песка и ЭМ-культуры. Проведение восстановительных мероприятий позволяет за 1 месяц снизить содержание нефти в почве на 30 - 85% в зависимости от исходной концентрации. При этом наблюдается высокая выживаемость дождевых червей - от 99 до 80%. Наиболее активно идет снижение содержания углеводородов при малых уровнях загрязнения, когда концентрация нефти составляет 1 - 2 г/кг. При этих условиях можно добиться 70 - 80%-ного снижения содержания загрязняющего вещества за 4 — 5 недель.

Результаты оптимизации основных экологических факторов в условиях нефтяного загрязнения подтверждаются результатами проведенного биотестрования. В частности, кресс-салат выращивался в субстратах с различными вариантами обработки (рис. 8).

ВСвежезагр. ил

□ Илбезобраб

□Незагр. почва

■ Нефгь+лист. он ад

120 -

■ Нефгь+черви + листов, опад

й» 100-

о

20

40-

ш

Рис. 8. Результаты биотестирования субстратов, очищенных от нефти разными способами

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Предлагаемый способ снижения нефтяного загрязнения отличает экономичность, простота, надежность и экологичность. Кроме того, он удачно комбинируется с механическими и физическими способами. Интенсивность деструкции нефтяных углеводородов составляет от 30 до 85%, то есть практически до уровня, близкого к фоновому содержанию, за период от нескольких недель до 6 месяцев.

Основные этапы предлагаемой технологии следующие:

I. Подготовительный этап. Обследование загрязненной территории; отбор проб и химический анализ; разработка графика проведения восстановительных работ; выращивание ,и подготовка популяции дождевых червей (адаптация к нефтяному загрязнению), заготовка вспомогательных материалов, приготовление рабочей суспензии ЭМ, подготовка необходимых технических средств.

II. Основной этап работ. Обработка загрязненной среды, включает несколько стадий. Внесение органического материала, например, листового опада и инертного разрыхлителя (песок). Проведение вспашки участка, внесение популяции адаптированных дождевых червей, обработка ЭМ-препаратами, увлажнение субстрата до оптимального уровня. Контроль процесса снижения концентрации нефти в субстрате производится периодически - не реже 1 раза в 2 недели.

III. Заключительный этап. Обследование восстановленной экосистемы, а также проведение биотестирования очищенного субстрата.

Рекомендуемые параметры обработки нефтезагрязненных субстратов, а так же поправочный коэффициент, учитывающий гибель части популяции в новых условиях окружающей среды, представлены в табл. 6.

На территории Ставропольского края для проведения работ по снижению содержания углеводородов нефти в различных субстратах наиболее предпочтительным является использование местной формы дождевых червей, например, Ь rubeИus. Отбираются взрослые особи, достигшие массы от 0,5 - до 1,2 г, обладающие высокой подвижностью и не имеющие повреждений покровных тканей. Желательно использование червей, выращенных с использованием будущей органической добавки в качестве основного корма в условиях слабого нефтяного загрязнения. В противном случае при расчете оптимальной плотности внесения червей необходимо учитывать поправку - полученное значение следует увеличить не менее чем на 10% с учетом гибели части популяции при переходе на непривычный корм. Популяцию дождевых червей рекомендуется перевозить и вносить в почву с частью культурального субстрата.

Расчет себестоимости необходимых работ по очистке нефтезагрязненных субстратов представлен в табл. 7.

С нашей точки зрения, наиболее сложным с методической и технической стороны является очистка от нефти прудовых илов, если это спускные пруды и в них целесообразно выращивать сеголеток карпа и растительноядных рыб в поликультуре. В этой связи была проведена оценка экономического эффекта предлагаемой технологии (табл. 8).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отмечено, что современные технологии очистки нефтезагрязненных субстратов в основном опираются на физико-химические и микробиологические способы. Их основным недостатком в первом случае является высокая себестоимость, а во втором - необходимость механически поддерживать требуемую структуру субстратов.

Таблица 6

Рекомендуемые параметры обработки нефтезагрязненных субстратов

Исход Вид субстрата Оптимальное количество Попра Влаж Мини

ная конце нтра ция нефти г/кг Органи ческого материа ла 1, % масс. песка Р, % масс. червей с, шт/кг вочный коэффиц иент, К ность, % мальная глубина обработки И, м

1 „ 10 5 20 1,1 65-70 0,1

2 § : 15 5 20 1,15 65-70 0,1

3 « « 3 < 20 5 20 1,2 65-75 0,15

4 О 1 а ! 25 5 25 1,2 70-80 0,2

5 >> : е- 25 5 30 1,25 70-80 0,25

6 30 5 35 1,3 80-85 0,3

1 15 10 20 1,1 65-70 0,1

2 ¡4 20 10 20 1,15 65-70 0,1

3 20 10 20 1,2 65-75 0,1

4 1 О 25 15 25 1,2 70-80 0,1

5 30 15 30 1,25 70-80 0,15

6 35 15 35 1,3 80-85 0,15

В этой связи актуальным может быть применение дождевых червей, структурообразующая роль которых известна уже давно. В процессе исследований предложенная гипотеза полностью подтвердилась. В условиях нефтяного загрязнения были определены пределы толерантности дождевых червей к различным количественным уровням наиболее значимых факторов окружающей среды: температуре, влажности, плотности популяции, структуре и пищевой ценности различных субстратов.

Предложены меры по повышению выживаемости червей в заданных условиях: добавки органических веществ, песка, микробиологических препаратов.

В результате разработана высокоэффективная с экономической и технической точек зрения технология вермикультурной очистки субстратов, загрязненных нефтью.

Таблица 7

Себестоимость вермикультурного способа очистки одного гектара нефтезагрязненного субстрата со средним уровнем загрязнения

Общая стоимость, руб.

№ Вид работ Эксплуа основной мате- Всего

п/п тации машин зарплаты риалов

1 Внесение органического материала 142 42 500 684

2 Внесение неорганического материала 311 61 500 872

3 Вспашка 727 228 955

4 Внесение червесубстрата 142 42 - 184

5 Приготовление раствора и полив 790 130 625 1545

6 Регулярный полив (2 раза в неделю,30 дней) 6111 657 3825 10593

7 Итого 14833

Таблица 8

Окупаемость использования вермикультуры для очистки нефтезагрязненных субстратов

Вид Цена Нормати Себестои Затраты на Срок

использования 1т вныи мость восстановитель окупае

восстанов продук выход продук ные мости,

ленной ции, продук ции с га, мероприятия, годы

территории руб. ции, т/га руб. руб.

Спускные

пруды,. 25000 0,55 13750 14833 1,1

(выращивание

сеголеток)

ВЫВОДЫ

Исследование толерантности дождевых червей в условиях

нефтяного загрязнения субстратов позволило сделать следующие выводы:

1. Дождевые черви способны выживать и восстанавливать численность популяции в субстратах с содержанием сырой нефти до 5 г/кг. Наиболее перспективно использование аборигенных видов червей, а в условиях Ставрополья Ь rubeИus.

2. Продуктивность червей, выращиваемых в различных субстратах, в целом коррелирует с принятыми в растениеводстве общими баллами по биологическим свойствам почв. Добавка песка (до 15%) существенно улучшает структуру субстратов и соответственно повышает толерантность дождевых червей.

3. Органическая составляющая субстратов является одним из главных факторов среды для дождевых червей. В этой связи добавки органических веществ биологического происхождения существенно повышают толерантность червей к нефтяному загрязнению. С экономической и экологической точек зрения наиболее перспективна добавка листового опада в количестве до 35%.

4. Толерантность дождевых червей к нефтяному загрязнению существенно зависит от температурного фактора среды. Принципиальное значение имеет их видовая принадлежность. Загрязнение нефтью вызывает сдвиг температурного оптимума в среднем на 2°С в сторону его снижения. Наиболее существенное снижение толерантности дождевых червей в этих условиях наблюдается при относительно высоких температурах.

5. Гидрофобные свойства нефти определяют необходимость увеличения влажности загрязненных ею субстратов на 10 - 15% для повышения толерантности дождевых червей.

6. Увеличение численности популяции червей интенсифицирует разложение нефти в субстратах, что само по себе повышает выживаемость этих организмов. Предел этого увеличения в результате проявления раум-фактора составляет 35 экз. червей/кг субстрата.

7. Оптимизация основных факторов внешней среды в соответствии с уровнем нефтяного загрязнения существенно повышает толерантность дождевых червей. При этом их выживаемость при всех допустимых уровнях загрязнения составляет не менее 80%, а продолжительность биоразложения нефти до фоновых величин составляет не более 6 месяцев в зависимости от исходного уровня загрязнения субстрата, что подтверждено результатами биотестирования.

8. Проведенное исследование способствовало созданию экономически и экологически эффективной вермикультурной технологии восстановления биологических функций нефтезагрязненных субстратов. Себестоимость предложенного метода составляет около 15 тыс. руб. на га, а срок окупаемости от 1 до 3 лет, в зависимости от конкретных условий.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

На территории Ставропольского края в год происходит более 4000 порывов, утечек, других аварий нефтепроводов, в результате которых почва (более 3,7 тыс. га), а впоследствии и водоемы (более 50 тыс. га) загрязняются нефтью и нефтепродуктами. В этой связи предлагается:

1.На территории Северного Кавказа целесообразно приступить к созданию крупномасштабных вермикультурных производств. В условиях Ставрополья для восстановления нефтезагрязненных территорий требуется около 1500 кг червесубстрата на га.

2. Особенно важно применение этой технологии в рыбоводных прудах в период их летования, так как за счет кормовой ценности червей возможно не только восстановить исходную рыбопродуктивность водоемов, но и существенно повысить ее.

3. Предложенная схема исследований может быть использована при разработке других подобных технологий, в частности, с применением трубочников, дафний и других водных организмов в процессах биоочистки от нефтяного загрязнения различных водоемов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Винник В.В., Дементьев М.С., Овчаров С.Н. Выживание дождевых червей в почвах, загрязненных сырой нефтью. // Объединенный научный журнал. - 2003. - №27.- С. 72-74.

2. Винник В.В., Овчаров С.Н., Дементьев М.С. Экологические аспекты вермикультивирования. // Актуальные проблемы экологии. Сборник научных работ. - 2004. - Том 3, №3. - С. 410 - 411.

3. Винник В В., Овчаров С.Н., Дементьев М.С. Интенсификация процессов самоочищения почв, загрязненных сырой нефтью, в присутствии местных форм дождевых червей. // Актуальные проблемы экологии. Сборник научных работ. - 2004. - Том 3, №3. - С. 409 - 410.

4. Винник В.В., Дементьев М.С. Особенности токсического действия нефти на червей Lumbricidus гиЬеИш Ь // Материалы VII региональной научно-технической конференции "Вузовская наука - СевероКавказскому региону". - Ставрополь, СевКавГТУ, 2003. - С. 113 - 114.

5. Винник В.В., Алфимова К.И., Тюленева Н.П. Использование местной вермикультуры для улучшения экологии г. Ставрополя. // Материалы VII региональной научно-технической конференции "Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону". - Ставрополь, СевКавГТУ, 2003. -С. 114.

6. Винник В.В., Алфимова К.И., Тюленева Н.П. Биологическое восстановления нефтезагрязнененных почв. // Материалы XXXIII научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2003 год. Том 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь, СевКавГТУ, 2004. - С. 66-67.

7. Винник В.В. Влияние жизнедеятельности дождевых червей на снижение содержания нефти в почве. // Материалы XXXIII научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2003 год. Том 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь, СевКавГТУ, 2004. - С. 103 - 104.

8. Винник В.В., Алфимова К.И., Тюленева Н.П. Комплексный метод очистки нефтезагрязненных почв // Международная научно-практическая конференция "Проблемы экологической безопасности и сохранения природно-ресурсного потенциала". - Ставрополь, СГАУ, 2004.-С. 101-103.

9. Винник В.В., Овчаров С.Н., Дементьев М.С. Перспективы использования вермикультуры в рекультивации нефтезагрязненных почв. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. -2004.-№3.-С. 106-107.

Подписано в печать 15.11.2004. Формат 60x84 1/16 . Бумага офсетная. Гарнитура «Times». Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,63. Тираж 100 экз. Заказ 259.

»25290