Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка использования углеводородокисляющих бактерий при биоремедиации нефтезагрязненных почв и вод на юге России

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка использования углеводородокисляющих бактерий при биоремедиации нефтезагрязненных почв и вод на юге России"

На правах рукописи

Кирий Оксана Аркадьевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ БАКТЕРИЙ ПРИ БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ И ВОД НА ЮГЕ РОССИИ

03.02.08 — экология (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

6 ИЮН 2013

005060810

Ростов-на-Дону - 2013

005060810

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Колесников Сергей Ильич

Официальные оппоненты:

Бакаева Елена Николаевна,

доктор биологических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник Южного отдела Института водных проблем РАН

Жаркова Мария Геннадьевна,

кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры безопасности жизнедеятельности и защиты окружающей среды, Донского государственного технического университета

Ведущая организация: ФГУП «Азовский научно-

исследовательский институт рыбного хозяйства», г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится 25 июня 2013 г. в 17.00 на заседании диссертационного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам при Южном федеральном университете (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б.Садовая, 105, ЮФУ, ауд. 304, e-mail: denisova777@inbox.ru, факс: (8632638723).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148).

Автореферат разослан « мая 2013 г. и размещен в сети Интернет на

сайте ЮФУ www.sfedu.ru и на сайте Минобрнауки России www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Денисова Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В результате поступления в окружающую среду нефть и нефтепродукты оказывают негативное воздействие на все ее природные компоненты. Они загрязняют почву, поверхностные и подземные воды, снижают продуктивность биоресурсов, ведут к деградации экосистем (Звягинцев и др., 1987; Исмаилов, 1988; Хазиев и др., 1988; Адамов, 1996; Ильенкова, Сиротина, 1996; Трофимов и др., 2000; Киреева и др., 2002; Пиковский и др., 2003; Колесников и др., 2007).

Исследованиями многих авторов показано, что самоочищение и естественное восстановление почв и водных объектов, загрязненных нефтепродуктами, происходит в течение длительного периода времени (Логинов и др., 2000; Габбасова, 2004; Кураков и др., 2006; Маганов и др., 2006). Использование только механических, физических и химических методов рекультивации не обеспечивает необходимого уровня очистки почв и вод (Суржко и др., 1995; Алексеева и др., 2000; Давыдова, Тагасов, 2006).

Среди биологических методов восстановления нефтезагрязненных почв и вод наиболее перспективным является биологическое разложение нефти и нефтепродуктов препаратами углеводородокисляющих бактерий. Использование таких препаратов позволяет существенно сократить время, стоимость и трудоемкость рекультивационных работ (Егоров и др., 1998; Волков, 1999; Маркарова, 1999; Орлов, 1999; Архипенко и др., 2004; Карасева и др., 2005; Середина и др., 2008).

При проведении работ по биоремедиации почв и водоемов загрязненных нефтью чаще используют нефтеокисляющие биопрепараты. В настоящий момент ведутся исследования их эффективности и целесообразности применения в тех или иных климатических условиях (Маркарова, 1997). Как показывают опыты, разные биопрепараты эффективны в различных экологических условиях в разной степени.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ — дать экологическую оценку использованию углеводородокисляющих бактерий при биоремедиации нефтезагрязненных почв и вод на юге России.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие ЗАДАЧИ:

1. Оценить эффективность бактериальных препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал» (разных штаммов углеводородокисляющих бактерий) в различных дозах при биоремедиации загрязненного нефтью чернозема обыкновенного в модельном опыте.

2. Установить закономерности изменения биологических свойств чернозема обыкновенного, таких как активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность, обилие бактерий рода АгоСоЬаМег, всхожесть, длина корней и надземной части редиса, при его очистке от нефти бактериальными препаратами «Дестройл», «Родер» и «Универсал».

3. Апробировать препарат углеводородокисляющих бактерий «Дестройл» для очистки от нефтепродуктов вод оборотного цикла водоснабжения и промышленных сточных вод.

4. Дать экологическую оценку использования бактериального препарата «Дестройл» при биоремедиации водоемов по степени деградации нефтепродуктов в воде и донных отложениях, а также его влияния на кислородный режим водоема.

5. Оценить эффективность применения препарата «Дестройл» при ликвидации очага мазутного загрязнения почвенного покрова и водоемов «Майкопского полигона».

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Применение препаратов углеводородокисляющих бактерий «Дестройл», «Родер» и «Универсал» увеличивает скорость разложения нефти в черноземе обыкновенном в 15-20 раз. По степени эффективности разложения нефти препараты образуют следующий ряд: «Универсал»=«Родер»>«Дестройл».

2. Использование биопрепаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал» вызывает разнонаправленные, как правило, статистически недостоверные тенденции изменения биологических свойств чернозема обыкновенного: незначительное увеличение активности дегидрогеназы и незначительное снижение активности каталазы, целлюлозолитической способности, всхожести, длины корней и проростков редиса, обилие бактерий рода Аго(оЬас1ег не изменяется.

3. Препараты углеводородокисляющих бактерий целесообразно использовать для очистки вод оборотных циклов водоснабжения и сточных вод промышленных предприятий (за 40 суток концентрация нефтепродуктов снижается в 15 раз), что уменьшает сбросы предприятиями нефтепродуктов, повышает производительность оборудования, снижает себестоимость выпускаемой продукции.

4. Применение биопрепарата «Дестройл» для очистки водных объектов приводит к существенному снижению содержания нефтепродуктов и увеличению концентрации кислорода в воде. Концентрация в донных отложениях низкомолекулярных углеводородов снижается в 1,7 раза быстрее, чем смол и асфальтенов.

5. Препарат «Дестройл» целесообразно использовать для ликвидации загрязнения почвенного покрова и водоемов мазутом: степень разложения мазута за 2 месяца составляет в почве до 92 %, в воде — до 98 %.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов проведенных исследований заключается в том, что впервые:

- оценена эффективность препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал», состоящих из разных штаммов углеводородокисляющих бактерий, и их различных доз при биоремедиации загрязненного нефтью чернозема обыкновенного;

- установлены закономерности изменения основных биологических свойств чернозема обыкновенного (таких как активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность, обилие бактерий рода Аго1оЬас1ег, всхожесть, длина корней и надземной части редиса) при его биоремедиации с применением бактериальных препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал» в зависимости от вида и дозы препарата, срока от начала его применения;

- отмечена высокая эффективность использования бактериального препарата «Дестройл» для очистки от нефтепродуктов вод оборотного цикла водоснабжения и промышленных сточных вод;

- установлена высокая эффективность применения бактериального препарата «Дестройл» при биоремедиации водоемов по степени деградации нефтепродуктов в воде и донных отложениях, а также по улучшению кислородного режима водоема;

- дана экологическая оценка применения препарата «Дестройл» при ликвидации очага мазутного загрязнения почвенного покрова и водоемов «Майкопского полигона».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ состоит в том, что доказана эффективность и целесообразность использования на юге России штаммов углеводородокисляющих бактерий, входящих в состав препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал».

Результаты исследования могут быть использованы для повышения экономической и экологической эффективности работ по биоремедиации почв юга России, загрязненных нефтепродуктами, при проведении мероприятий по очистке вод природных водоемов ЮФО, в случае их загрязнения нефтью или нефтесодержащими сточными водами, а также для очистки вод непосредственно на предприятиях (вода оборотных циклов водоснабжения, сточные воды) и при аварийных разливах вне их территории.

Результаты исследования используются в учебном процессе в Южном федеральном университете при преподавании экологии, почвоведения, природопользования и охраны окружающей среды и могут быть использованы в других вузах юга России, РФ.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Тема, цель, задачи, объекты и методы исследования определены автором совместно с научным руководителем. Полевые исследования и отбор образцов почв и вод проведены в ходе комплексных экспедиций. Лабораторные модельные опыты и анализы проведены лично автором или совместно с сотрудниками кафедры экологии и природопользования ЮФУ, аналитической испытательной лабораторией НИИ биологии ЮФУ и ООО «Научно-технический центр энергосбережения и экологии». Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Международной научной конференции

«Инновации в науке и образовании - 2005», посвященной 75-летию основания КГТУ и 750-летию Кенигсберга-Калининграда (Калининград, 2005); Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2006» (Калининград, 2006); Международной научной конференции «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии» (Астрахань, 2010); научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону, 2011 и 2012).

ПУБЛИКАЦИИ: По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Доля участия автора в публикациях составляет 62 % (2,67 п.л.).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа изложена на 142 страницах печатного текста. Состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы. Содержит 20 таблиц и 14 рисунков. Список литературы включает 193 источника, из них 59 на иностранных языках.

КОНКУРСНАЯ ПОДДЕРЖКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Исследование выполнено при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты П169, П322, 14.740.11.1029, 16.740.11.0528), Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашения 14.А18.21.0187, 14.А18.21.1269, 5.5160.2011), Президента РФ (грант НШ-5316.2010.4).

БЛАГОДАРНОСТИ. Автор глубоко признателен за помощь в работе своему научному руководителю — заведующему кафедрой экологии и природопользования ЮФУ, д.с.-х.н., профессору С.И. Колесникову и всем сотрудникам кафедры. За помощь в проведение анализов автор глубоко признателен заведующей аналитической испытательной лабораторией НИИ биологии ЮФУ, к.б.н. И.Я. Шерстневой, инженеру кафедры экологии и природопользования Д.В. Колесниковой и директору ООО «Научно-технический центр энергосбережения и экологии» А.Н. Зинчук.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. НЕГАТИВНОЕ ВЛИЯНИЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

В главе дана характеристика нефти, как источника загрязнения окружающей среды, оказывающего негативное влияние на все ее компоненты (Калачникова и др., 1991; Егоров и др., 1998; Волков, 1999; Margesin et al., 1999; Трофимов и др., 2000; Пиковский и др., 2003; Габбасова, 2004; Кураков и др., 2004; Колесников и др., 2006; Логинов и др., 2009; Карасева и др., 2009; Ayotamuno, 2009).

Рассмотрены химические свойства нефти, источники ее попадания в окружающую среду, процессы трансформации в почве, механизмы самоочищения почв (Логинов и др., 2000; Пиковский и др., 2003; Габбасова, 2004; Кураков и др., 2006).

Показано, что влияние нефтяного загрязнения на флору и фауну водоемов и происходящие при этом биологические процессы изучены

достаточно полно (Костюк, 1990; Крылов и др., 2002). При этом эффективных методов очистки водоемов загрязненных нефтью и нефтепродуктами крайне мало (гЬагоу, 1999; Середина и др., 2006; Колесников и др., 2007).

Также в главе рассмотрены основные подходы к восстановлению загрязненных нефтью почв, принятые в мировой практике (Дараселия и др., 1990; Турковская, Муратова, 2005; Ауо1атипо, 2009).

ГЛАВА 2. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА

ПРЕПАРАТОВ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ БАКТЕРИЙ ДЛЯ БИОРЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ И ВОДОЕМОВ

В главе представлен анализ применения различных бактериальных препаратов для очистки почв и вод от загрязнений нефтепродуктами. Показано, что при оптимальных условиях среды (температура, рН, необходимая аэрации, наличие элементов минерального питания) хорошо подобранная культура или смесь штаммов бактерий способна за небольшой промежуток времени практически полностью утилизировать тонны углеводородов нефти, трансформируя их в органическое вещество собственной биомассы, углекислый газ и безопасные для окружающей среды продукты (Соте11, 1990; Калачникова и др., 1991).

ПДК исследованных биопрепаратов для воды водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение, разработаны, утверждены в законодательном порядке и опубликованы в «Перечне рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение»: «Дестройл» - 0,5 мг/л, «Родер» -0,001мг/л, «Универсал» - 1,0 мг/л (Нормативы качества воды.., 2010).

Показано, что при поиске активного микроорганизма, способного разрушать углеводороды нефти, необходимо учитывать, что вносимая в почву биомасса не должна быть чужеродной для микрофлоры очищаемой почвы. Одним из главных требований, предъявляемых к вносимым в почву микроорганизмам, является их непатогенность (Коронелли, 1996). Кроме того, технология бактериальной очистки загрязненных нефтепродуктами почв предусматривает аэробные условия, в связи с этим, микроорганизм-деструктор должен быть аэробным (Логинова и др., 2011).

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объекты исследования.

— Чернозем обыкновенный (Ботанический сад Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону), загрязненный нефтью.

— Воды оборотного цикла водоснабжения и сточные воды Таганрогского металлургического завода, загрязненные нефтепродуктами.

— р. Глубокая — приток р. Дон в районе г. Миллерово, загрязненная мазутом.

- Водоем Дальний площадью около 10 га, расположенный в районе г. Шахты, загрязненный нефтью.

- «Майкопский полигон» — территория под г. Майкопом с загрязненным мазутом почвенным покровом (чернозем выщелоченный слитой и бурая лесная слабоненасыщенная почва) и пресными водотоками и водоемами.

Препараты углеводородокисляющих бактерий. Выбор бакпрепаратов связан с различием в их составе.

«Дестройл» — препарат на основе микробной культуры Acinetobacter speivs SN-2. Бактериальный штамм, положенный в основу данного биопрепарата не патогенен.

Биологический препарат «Дестройл» - порошок, состоящий из клеток микроорганизма, обладающих углеводородоокисляющей активностью с концентрацией 100 млн. клеток и более в 1 гр препарата, и остатков питательной среды. Нефтеокисляющие аэробные бактерии Acinetobacter speivs SN-2 разрушают углеводороды нефти до нетоксичных соединений.

«Дестройл» применяют для доочистки почвы и воды, кроме водоемов 1-го и 2-го классов водопользования, от загрязнений сырой нефтью и ее продуктами.

«Родер» состоит из двух высокоактивных не патогенных штаммов-деструкторов углеводородов нефти Rhodococcus ruber ВКМ Ac-1513D и Rhodococciis erythropolis ВКМАс-1514 D.

Препарат Родер может применяться и без предварительного сбора загрязнения, особенно на старых аварийных разливах нефти на трудно проходимых болотах, с высокой концентрацией углеводородов. Препарат применяется также на специализированных полигонах для биорекультивации нефтешламов с нефтеперерабатывающих заводов и собранного сорбентами углеводородного загрязнения.

«Универсал» представлен штаммами бактерий, относящимися к родам Pseudomonas, Artrobacter, Rhodotorula, Rhodococcus, Flavobacterium, Curtía и др., состоит из нефтеокисляющих бактерий, выделенных из нефтезагрязненных почв Усинского и Ухтинского районов Республики Коми и ряда месторождений Тюменской области.

Бактериальные штаммы, положенные в основу биопрепарата «Универсал» непатогененны. Препарат не образует токсических соединений в окружающей среде.

Действие биопрепаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал» основано на высокой активности микроорганизмов-деструкторов нефтепродуктов. Нефтеокисляющие бактерии разрушают углеводороды нефти и нефтепродуктов, от метана и вплоть до самых тяжелых остатков. Источниками питания для них служат углеводороды и минеральные соли, внесение минеральных удобрений стимулирует кроме того и местные биоценозы. Отмершие клетки бактерий составляют непатогенную и нетоксичную биомассу, которая в дальнейшем легко усваивается местной

сапротрофной микрофлорой, создавая основу для формирования гумуса в почве или образуя донный ил.

Нефтеокисляющие бактериальные препараты могут быть использованы, как самостоятельно, так и в комплексе природоохранных мероприятий. Применение препаратов возможно после проведения оценки загрязнения и выбора способа его использования (в сухом виде или в виде суспензии) (ТУ № 9291-027-00147-64-04, ТУ № 9291-006-05803071-96, ТУ № 9291-027-00148-65-05).

Методы исследования. Содержание нефти и нефтепродуктов в почве определяли гравиметрическим методом с экстракцией четыреххлористым углеродом (ПНД Ф 16.1:2.2.22-98) в аналитической лаборатории НИИ биологии ЮФУ и в лаборатории ООО «НТЦЭЭ».

Содержание нефти и нефтепродуктов в воде определяли систематическим методом, который позволяет из одной пробы определить основные компоненты нефти (низкомолекулярные углеводороды, смолы, асфальтены). Он основан на извлечении нефти и нефтепродуктов экстракцией, хроматографическом разделении в тонком слое оксида алюминия и определили концентрации УФ-, ИК-, люминесцентным и спектрофотометрическим методом (МУК 4.1.1013-01) Выделение нефти и нефтепродуктов из воды проводили двукратной экстракцией четыреххлористым углеродом. Определения проводили в лабораториях ООО «НТЦЭЭ» и промышленных предприятий.

Определение биологических показателей состояния почв были выполнены на кафедре экологии и природопользования ЮФУ с использованием общепринятых методов (Практикум по агрохимии, 1989; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991; Казеев и др., 2003). Активность каталазы измеряли по методике Галстяна, дегидрогеназы — по методике Галстяна в модификации Хазиева. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 30 дней. Обилие бактерий рода АгоЬоЪаМег — методом комочков обрастания на среде Эшби. О фитотоксических свойствах очищаемой почвы судили по изменению показателей прорастания семян и интенсивности начального роста растений (длина корней, длина побегов). В качестве тест-объекта использовали редис сорта «Корунд».

Интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы (Колесников и др., 2000) определяли по следующим показателям: активность каталазы, активность дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность, обилие бактерий рода Аго^ЬаМег, длина корней редиса.

Статистическую обработку результатов производили с использованием компьютерной программы 81а^51юа 6.0. При оценке статистической достоверности средних полученных данных в целях удобства интерпретации результатов дисперсионного анализа по его данным вычисляли наименьшую существенную разность (НСР).

ГЛАВА 4. БИОРЕМЕДИАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОГО ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПРЕПАРАТОВ «ДЕСТРОЙЛ», «РОДЕР» И «УНИВЕРСАЛ»

Моделирование биоремедиации нефтезагрязнения бакпрепаратами было проведено на черноземе обыкновенном (североприазовском). Он был отобран в Ботаническом саду Южного федерального университета (г. Ростов-на-Дону). Гранулометрический состав использованного чернозема тяжелосуглинистый, реакция среды 7,7, содержание гумуса 4,1 %.

Чернозем загрязняли нефтью в концентрации 10% от массы почвы. ПДК нефти в почве не разработана.

В предварительно увлаженную почву поочередно вносили нефть, 0,3%-ную водную суспензию препаратов «Дестройл», «Родер», «Универсал» и раствор комплексного удобрения с микроэлементами «Кемира осеннее», после чего почву в сосуде перемешивали. Использовали три различные концентрации биопрепаратов — рекомендуемая производителями доза, а также дозы в 10 раз больше ив 10 раз меньше нее: «Дестройл» - 0,5 мг/кг, 5 мг/кг и 50 мг/кг; «Родер» - 0,5 мг/кг, 5 мг/кг и 50 мг/кг; «Универсал» - 1 мг/кг, 10 мг/кг и 100 мг/кг. Норма внесения минерального удобрения была рассчитана из рекомендуемого производителями препаратов соотношения-С(1):>1(0,01):Р(0,001): К(0,003).

Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20-22°С) и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости). Повторность трехкратная. Сроки инкубации - 2, 5, 10, 15, 30 суток. Через указанные сроки почвы извлекали из вегетационного сосуда и перемешивали, получая «средний образец» для отбора проб для изучения.

Образцы для определения активности каталазы и дегидрогеназы, всхожести, длины корней и надземной части редиса отбирали на 2, 5, 10, 15 30-е сутки. Целлюлозолитическую активность почвы и обилие бактерий рода Аго^ЬаЫег определяли только на 30-е сутки.

При проведении опытов по диагностике действия бакпрепаратов на загрязненную почву за 100 % принималось значение каждого из показателей в почве загрязненной нефтью и по отношению к нему, в процентах выражалось значение этого же показателя в загрязненной почве с различными концентрациями препаратов.

По эффективности разложения нефти в почве препараты образовали следующую последовательность: «Родер» = «Универсал» > «Дестройл» (рис. 1).

Препараты «Универсал» и «Родер» показали наилучшие результаты в концентрациях рекомендованных производителями «Универсал» - 10 мг/кг; «Родер» - 5 мг/кг. Препарат «Дестройл» с концентрацией в 10 раз выше рекомендуемой производителями оказался более эффективен.

Почва + + Дестройл + Дестройл + Дестройл + Родер +Родер +Родер ♦ Универсал + Универсал + Универсал Нефть 10% 0,5 мг/кг 5 мг/кг 50 мг/кг 0,5 мг/кг 5 мг/кг 50 ыг/кг 1 мг/кг 10 мг/кг 100 мг/кг

■ 0 12 сутки В 5 суток 010 суток 115 суток □ 30 суток И ШНСР05

Рис. 1. Остаточное содержание углеводородов в черноземе обыкновенном после применения бактериальных препаратов в лабораторных опытах, %

Таким образом, за 30 дней без применения препарата нефтепродукты разложились на 1,5 %, при использовании препарата «Родер» и «Универсал» более высокие значения степени разложения были достигнуты на рекомендованных производителем дозах и составили 30,1 и 30,2 % соответственно. Препарат «Дестройл» был наиболее эффективен в концентрации в 10 раз превышающей рекомендуемую, а именно 50 мг/кг, степень разложения нефтепродуктов составила 26 %. В тоже время, в концентрации 5 мг/кг за 30 дней «Дестройл» разложил нефтепродукты на 24,7%.

Применение бакпрепаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал» для биоремедиации нефтяного загрязнения чернозема обыкновенного оказало на его биологические свойства, в основном, незначительное разнонаправленное действие.

Наблюдались следующие, как правило, статистически недостоверные, тенденции: незначительно увеличилась активность дегидрогеназы (табл. 1) и незначительно снизились активность каталазы (табл. 2), целлюлозолитическая способность, всхожесть, длина корней и проростков редиса. Обилие бактерий рода Аго(оЬа^ег не изменилось.

Увеличение активности дегидрогеназы, очевидно, связано с активной деятельностью углеводородокисляющих бактерий, для которых характерно продуцирование большого количества дегидрогеназы в процессе разложения нефти.

Наилучшие биологические показатели состояния чернозема отмечались при использовании препарата «Дестройл». Значения биологических показателей уменьшались в ряду «Дестройл» >= «Универсал» >= «Родер».

Таблица 1

Влияние биопрепаратов на активность дегидрогеназы чернозема _обыкновенного, мг ТТФ/г/24ч

Вариант Доза препарата, мг/кг Срок, сутки НСРо.5

1 2 5 10 15 30

Контроль 19,5 18,5 18,3 17,0 45,2 46,3 3,3

Нефть (10 %) 21,4 18,2 22,4 21,9 27,5 27,1 2,8

Нефть + Дест-ройл 0,5 21,0 18,6 24,5 24,8 33,4 27,9 3,0

5 25,9 22,1 25,4 23,9 31,1 28,9 3,1

50 22,0 20,9 23,2 25,8 29,8 30,4 3,0

НСРо.5 3,2 2,8 3,3 3,4 4,3 4,0

Нефть (10 %) 21,4 18,2 22,4 21,9 27,5 27,1 2,8

Нефть + Родер 0,5 20,3 17,4 27,7 24,9 29,6 27,6 3,0

5 24,0 19,2 27,3 25,0 29,7 27,3 3,0

50 22,7 18,6 18,5 26,9 29,3 26,3 2,8

НСР0,5 3,1 2,6 3,4 3,5 4,1 3,8

Нефть (10 %) 21,4 18,2 22,4 21,9 27,5 27,1 2,8

Нефть + Универсал 1 21,3 21,8 19,1 24,1 34,0 29,7 3,0

10 20,3 21,4 25,8 23,4 28,0 26,9 2,9

100 23,1 19,5 22,4 22,1 31,4 28,1 2,9

НСРо.5 3,0 2,8 3,1 3,2 4,2 3,9

Таблица 2

Влияние биопрепаратов на активность каталазы чернозема обыкновенного, __мл О2 /г/мин_

Вариант Доза препарата, мг/кг Срок, сутки НСРо.5

1 2 5 10 15 30

Контроль 6,3 6,2 6,0 5,9 5,4 4,7 0,6

Нефть (10 %) 2,8 3,1 3,0 3,2 3,2 3,0 0,3

Нефть + Дестройл 0,5 2,5 3,2 2,8 3,3 3,0 3,2 0,3

5 2,7 3,4 3,0 2,6 3,1 2,8 0,3

50 2,6 3,2 3,0 3,4 3,1 3,1 0,3

НСРо.5 0,3 0,4 0,3 0,3 0,3 0,3

Нефть (10 %) 2,8 3,1 3,0 3,2 3,2 3,0 0,3

Нефть + Родер 0,5 2,5 2,8 2,5 3,0 2,6 2,8 0,3

5 2,6 3,3 3,0 2,5 3,0 3,2 0,3

50 2,8 3,0 3,2 3,2 2,8 2,8 0,3

НСР0.5 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

Нефть (10 %) 2,8 3,1 3,0 3,2 3,2 3,0 0,3

Нефть + Универсал 1 2,5 2,9 2,7 2,8 2,5 2,9 0,3

10 2,7 2,9 2,7 2,6 2,9 2,8 0,3

100 2,4 3,1 2,8 2,7 3,3 3,1 0,3

НСРо.5 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

ГЛАВА 5. ОЧИСТКА ВОД ОБОРОТНОГО ЦИКЛА ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ БАКТЕРИАЛЬНОГО ПРЕПАРАТА «ДЕСТРОЙЛ»

Бактериальный препарат «Дестройл» апробировали для очистки от нефтепродуктов воды оборотного цикла водоснабжения Таганрогского металлургического завода.

Препарат активировали по стандартным методикам. Для очистки применяли суспензию «Дестройла» с концентрацией 0,3%. Предварительной активации подвергали суспензию, приготовленную из сухого препарата. Для этого обеспечивали ее аэрацию при температуре 18-32°С в течение 4-6 часов. Для обеспечения бездефицитного питания бактериальных клеток в загрязненную воду внесли азотнофосфорные удобрения с соотношением N : Р = 1 : 2,5.

Для использования бактериального препарата, на краю отстойника была смонтирована емкость для его активации. Активированный препарат раз в неделю сбрасывали в технологический водоем, используемый для оборотного цикла водоснабжения Таганрогского металлургического завода. Под действием углеводородокисляющих бактерий происходило интенсивное разрушение нефтепродуктов (рис. 2).

-

^--

« \ /Л

1» \ \

\ / \

V_.—^^

Рис. 2. Содержание нефтепродуктов в водоеме оборотного водоснабжения Таганрогского металлургического завода при использовании препарата

«Дестройл», мг/л

В результате деятельности бактерий внутри оборудования оборотного цикла водоснабжения завода, в водоем происходил приток части разрушаемых нефтепродуктов (рис. 2). В исследуемом технологическом водоеме, наблюдалось 4 пика снижения и 3 пика увеличения содержания

нефтепродуктов в воде за период 40 суток после начала проведения исследований. Пики объясняются тем, что нефть поднималась в толщу воды со дна и стенок водоема-отстойника. Периодичность появления пиков зависела от режима работы завода.

В целом при исходном содержании нефтепродуктов в воде 18 мг/л к окончанию срока наблюдений (через 40 суток) концентрация нефтепродуктов составляла всего 1,2 мг/л.

Процессы деградации нефтепродуктов протекали не только в водоеме, но и непосредственно в трубопроводах и теплообменниках заводского оборудования, что увеличило его производительность.

В результате анализа существующих методов очистки сточных вод и воды оборотных циклов водоснабжения промышленных предприятий установлено, что наиболее перспективным является сочетание существующего на предприятии метода очистки с дополнительной биологической фазой, основанной на применении бактериальных нефтеокисляющих препаратов.

Применение бактериальных препаратов способствует очистке воды оборотных циклов водоснабжения и сточных вод промышленных предприятий, позволяет снизить сбросы нефтепродуктов за их пределы, повысить производительность оборудования и снизить себестоимость выпускаемой продукции.

ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОГО ПРЕПАРАТА «ДЕСТРОЙЛ» ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПРЕСНЫХ ВОДОЕМОВ

Ликвидация мазутного загрязнения р. Глубокой. Работа проводилась на реке Глубокая, которая впадает в р. Дон в районе г. Миллерово. В среднем течении глубина реки 2 - 2,5 м, ширина от 12 до 25 м.

В результате аварии в реку попало около 15 т мазута. Как следствие наблюдалась массовая гибель рыбы и беспозвоночных, берега покрылись мазутом. Содержание кислорода в воде снизилось до 0,5 мг/л.

Берега реки в районе попадания мазута и в средних участках подвергли обработке бактериальным препаратом «Дестройл». Всего было подвергнуто обработке 5 участков реки наиболее загрязненных мазутом на протяжении 10 км.

Обработке биологическим препаратом подвергались зоны попадания нефтепродуктов, прибрежная часть водоема и районы водозаборов. Температура воды при проведении данных работ составляла +15-23°С.

В первые 10 дней после обработки водоема препаратом содержание нефтепродуктов снизилось в 15 раз с 2 - 3 до 0,15 - 0,20 мг/л (рис. 3). При этом на поверхности воды нефтепродукты не обнаруживались уже через 6-7 суток.

Рис. 3. Содержание растворенного в воде кислорода и нефтепродуктов в р. Глубокой при использовании препарата «Дестройл», мг/л

До начала работ по очистке водоема содержание кислорода в воде снизилось до 1 мг/л и менее. После обработки водоема бактериальным препаратом количество кислорода возросло и в течение 24 часов увеличилось в 2 - 3 раза в разных участках водоема. Уже на 5-е сутки его концентрация достигла 5,8 мг/л, что составляет средний показатель кислорода в весенне-летний период года для исследованного водоема.

В течение первых 2-3 суток содержания кислорода увеличивалось за счет деградации нефтепродуктов на поверхности водоема и снижения концентрации нефтепродуктов в толще воды. После этого количество кислорода начало возрастать еще и вследствие того, что при деградации нефтепродуктов образовывалось большое количество продуктов распада углеводородов, которые легко усваивались бактериями и фитопланктоном в ходе фотосинтеза.

После 10 - 12 дней от начала работ планктоноядные рыбы стали активно питаться в местах, обработанных бакпрепаратом. Отмечалось увеличение биомассы фито- и зоопланктона (гЬагоу, 2001).

В целом за 25 дней содержание нефтепродуктов снизилось до ПДК (0,05 мг/л). Количество кислорода при этом колебалось незначительно и зависело от протекания естественных биологических и гидрохимических процессов в водоеме и от погоды.

Ликвидация нефтяного загрязнения водоема Дальний.

Водоем Дальний площадью около 10 га, расположенный в районе г. Шахты, длительное время подвергался загрязнению неорганизованными сбросами нефтепродуктов с территории близлежащего предприятия.

К началу исследования 99% нефтепродуктов находилось уже в донных отложениях водоема, кроме того смолы и асфальтены составляли 40% этого

загрязнения. Производили анализ содержания нефтепродуктов по каждой фракции отдельно и в сумме.

В результате применения бактериального препарата «Дестройл» содержание нефтепродуктов в донных отложениях водоема снизилось на 61,5%, при этом содержание низкомолекулярных углеводородов сократилось на 72,8%, а смол и асфальтенов на примерно 42-44% (рис. 4), то есть нефтеокисляющие бактерии легче расщепляют короткие углеводородные цепи.

углеводороды

асфальтены

сумма

1 сутки В 20 сутки

Рис. 4. Изменение содержания нефтепродуктов в донных отложениях пресноводного водоема Дальний при использовании препарата «Дестройл»,

мг/г

Вследствие того, что нефтепродукты, попавшие на дно водоема, подвергались деградации, происходило вторичное загрязнение воды. В течение данного эксперимента содержание углеводородов в воде увеличилось, вследствие поступления углеводородов в толщу воды из донных отложений. Концентрация тяжелых фракций нефтепродуктов (асфальтенов и смол) при этом сначала немного возросла, а в дальнейшем снизилась в два раза.

ГЛАВА 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БАКПРЕПАРАТА «ДЕСТРОЙЛ» ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТ МАЗУТА ПОЧВ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД «МАЙКОПСКОГО ПОЛИГОНА»

В Республике Адыгея под Майкопом располагался один из крупных очагов мазутного загрязнения, названный впоследствии - «Майкопский полигон». Сбросы мазута и конденсата с мазутом из котельной в течение длительного времени привели к катастрофическому загрязнению прилегающей к ней территории. Таким образом, загрязненный участок стал полигоном для изучения влияния мазутного загрязнения на почвы и поверхностные воды в естественных условиях и для исследования

биоремедиации загрязненных мазутом почв и пресных водоемов при использовании углеводородокисляющих бактерий.

Источником загрязнения мазутом «Майкопского полигона» была котельная, использовавшая топочный мазут 100, четвертого вида, с массовой долей серы менее 2 %, с зольностью зольность 0,14 % и менее и температурой застывания до - 25°С.

Почвенный покров территории представлен • двумя типами почв: черноземом выщелоченным слитым и бурой лесной слабоненасыщенной почвой. Зональная растительность территории представлена буково-дубово-грабовым лесом.

При осмотре местности были обнаружены старые и свежие пятна мазута, в водоеме была сплошная пленка мазута.

Территория «Майкопского полигона» была подвергнута биоремедиации. Образцы почвы и пробы воды отбирали до и после применения бактериального препарата «Дестройл».

С целью предотвращения попадания нефтепродуктов в нижнее течение ручья и далее в р. Белая при проведении работ по очистке территории от мазута был сооружен водоем нефтеловушка на ручье Мазутном. Строительные работы заключались в следующих этапах: увеличение площади существующего водоема, прокладка нового русла ручья Мазутного, монтаж донного водосброса, перегораживание старого русла ручья дамбой.

После подъема уровня воды в водоеме и стабилизации естественного водотока был произведен процесс деградации нефтепродуктов непосредственно в водоеме за счет применения нефтеокисляющего препарата «Дестройл». Для этого препарат активировали и залили рабочий раствор в водоем нефтеловушку на ручье Мазутном. При попадании загрязненной воды в водоем происходило разделение мазута по фракциям. Легкие фракции всплывали вверх, а тяжелые опускались на дно. Сброс воды происходил из среднего слоя водоема, что предотвращало выход нефтепродуктов из водоема.

Для биоремедиации загрязненной мазутом почвы экскаватором был вырыт котлован размером 20 х 10 х 0,8 м, в него бьша засыпана собранная с территории загрязненная почва и обработана препаратом «Дестройл» из расчета 25 м3/га (2,5 л на 1м2).

После удаления наиболее загрязненного мазутом слоя, оставшаяся почва также была обработана бакпрепаратом из расчета 5 м3/га (0,5 л на 1м2). По мере подсыхания, почву увлажняли водой, через месяц произвели подкормку микробной ассоциации аммофосом. Погодные условия были благоприятными, что способствовало разложению нефтепродуктов. Заключительным этапом рекультивации загрязненного участка являлся посев многолетних трав: осенью посев сидеративной культуры - озимого рапса, весной посев травосмеси в местах со слабым травостоем (10-20% от общей площади).

Первым этапом оценки эффективности применения биопрепарата «Дестройл» было его использование для очистки загрязненной почвы от мазута (табл. 3).

Таблица 3

Содержание нефтепродуктов в почве (0-20 см) «Майкопского полигона» до и через 2 месяца после применения препарата «Дестройл» (до / после), мг/г

Участок Низкомоле кулярные УВ Степень разложения низкомолеку лярных УВ, % Смолистые компоненты Степень разложения смолистых компоненте! ,% Суммарное содержание Степень разложения нефтепроду ктов, %

1 2,84 / 0,64 77,5 0,79/0,17 78,5 3,63/0,81 77,7

2 2,42/0,12 95,0 0,21 / 0,09 57,1 2,63 / 0,21 92,0

3 0,70/0,21 70,0 0,05 / 0,02 60,0 0,75 / 0,23 69,3

4 0,98/0,18 81,6 0,08 / 0,02 75,0 1,06/0,20 81,1

5 0,52/0,12 76,9 0,14/0,05 64,3 0,66/0,17 74,2

6 0,57/0,23 59,7 0,10/0,05 50,0 0,67 / 0,28 58,2

7 0,39/0,12 69,2 0,00 / 0,00 - 0,39/0,12 69,2

Среднее - 75,7 - 64,1 - 74,5

Как видно из табл. 3, после применения бактериального препарата «Дестройл» количество нефтепродуктов во всех точках отбора проб значительно сократилось. Так содержание низкомолекулярных углеводородов уменьшилось в среднем на 75,7%, степень разложения смолистых компонентов составила 64,1%, а суммарное содержание нефтепродуктов снизилось на 74,5%.

Такая скорость разложения нефтепродуктов может быть достигнута только при использовании бактериальных препаратов. Так согласно результатам лабораторного моделирования разложения нефти (глава 4), даже в оптимальных условиях деградация нефти без применения бакпрепаратов протекает значительно медленнее, а именно 1,5 % за 30 дней. Тогда как после применения бактериальных препаратов степень разложения нефтепродуктов составляет 20 - 30 % в зависимости от применяемого биологического препарата и его концентрации. В полевых условиях степень разложение мазута в результате применения биопрепарата «Дестройл» составила около 75 % за два месяца (табл. 3).

Следующим этапом работы было исследование воздействия биологического препарата «Дестройл» на скорость очистки загрязненных мазутом водных объектов (табл. 4).

Для сравнения, естественное содержание нефтепродуктов в речных, озерных, подземных водах и атмосферных осадках обычно составляет сотые доли миллиграмма на литр (Семенова, 1977).

Таблица 4

Содержание нефтепродуктов в поверхностных водах «Майкопского полигона» до и через 2 месяца после применения препарата «Дестройл»

(до / после), мг/л

Водный объект Низкомоле кулярные УВ Степень разложения низкомолеку лярных УВ, % Смолистые компоненты Степень разложения смолистых компонен тов, % Суммарное содержание Степень разложения нефтепро дуктов, %

Временный водоем 218,90/2,15 99,0 247,10/11,00 95,5 466,00/ 13,15 97,2

Ручей Мазутный до отстойника 303,12/3,12 99,0 126,12/84,00 33,4 429,24/87,12 79,7

Водоем-отстойник 326,92/2,21 99,3 173,10/7,00 96,0 500,02/9,21 98,2

Ручей Мазутный ниже отстойника 16,31/0,09 99,5 5,37 / 0,97 81,9 21,68/1,06 95,1

Ручей Мазутный до впадение в ручей Деу 1,06/0,51 51,9 0,00 / 0,00 - 1,06/0,51 51,9

Среднее значение - 89,7 - 61,4 - 84,4

Как показали результаты химических анализов поверхностных вод до и после использования бактериального препарата «Дестройл» (табл. 4), количество низкомолекулярных углеводородов и смолистых компонентов в исследуемых точках сократилось в среднем на 89,7 и 61,4 % соответственно; суммарное содержание нефтепродуктов уменьшилось на 84,41 %.

Таким образом, применение бактериального препарата «Дестройл» является весьма эффективным средством очистки почв и вод от нефтепродуктов.

ВЫВОДЫ

1. Применение препаратов углеводородокисляющих бактерий «Дестройл», «Родер» и «Универсал» увеличивает скорость разложения нефти в черноземе обыкновенном в 15-20 раз. По степени эффективности разложения нефти углеводородокисляющими бактериями исследованные препараты образуют следующую последовательность: «Универсал»=«Родер»>«Дестройл». Препараты «Родер» и «Универсала» наиболее эффективны в дозах, рекомендованных производителями: 5 мг/кг и 10 мг/кг почвы, «Дестройл» — в большей дозе.

2. Использование препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал» вызывает незначительные разнонаправленные изменения биологических

свойств чернозема обыкновенного, которые зависят от вида и дозы препарата, срока от начала его применения. Наилучшие биологические показатели состояния чернозема отмечены при использовании препарата «Дестройл».

3. Активность дегидрогеназы незначительно увеличилась, что, очевидно, связано с активной деятельностью углеводородокисляющих бактерий, для которых характерно продуцирование большого количества дегидрогеназы в процессе разложения нефти. Активность каталазы, целлюлозолитическая способность, всхожесть, длина корней и проростков редиса незначительно снизились, в основном при использовании препарата «Родер». Обилие бактерий рода Azotobacter не изменилось.

4. Применение биопрепарата «Дестройл» привело к снижению содержания нефтепродуктов в водах оборотного цикла водоснабжения и сточных водах Таганрогского металлургического завода за 40 суток в 15 раз. Процессы деградации нефтепродуктов протекали не только в технологическом водоеме, но и непосредственно в трубопроводах и теплообменниках заводского оборудования. Применение препаратов углеводородокисляющих бактерий для очистки вод оборотного цикла водоснабжения и сточных вод промышленных предприятий уменьшает сбросы предприятиями нефтепродуктов, повышает производительность оборудования.

5. Уже в первые сутки после применения препарата углеводородокисляющих бактерий «Дестройл» происходит существенное снижение содержания нефтепродуктов и увеличение концентрации кислорода в воде, что позволяет избежать заморных явлений в очищаемых водоемах.

6. Нефтеокисляющие бактерии легче расщепляют короткие углеводородные цепи: концентрация в донных отложениях низкомолекулярных углеводородов снижается в 1,7 раза быстрее, чем смол и асфальтенов.

7. Ремедиация загрязненных мазутом почв и вод с использованием препарата «Дестройл» снизила содержание мазута в черноземе слитом и бурой лесной почве через 2 месяца до 92 %, а в ручьях и водоемах до 98 %.

8. Штаммы углеводородокисляющих бактерий, входящие в состав препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал», целесообразно использовать в целях санации наземных и водных экосистем на юге России.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кирий O.A. Биорекультивация почв загрязненных нефтепродуктами при помощи нефтеокисляющих биологических препаратов «Родер», «Дестройл» и «Универсал» // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 6. http://www.science-education.ru/106-7986

2. Кирий O.A. Применение бактериального препарата «Дестройл» для ликвидации загрязнений нефтепродуктами пресных водоемов / O.A. Кирий, С.И. Колесников, А.Н. Зинчук // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №09(83). - http://ei.kubagro.ru/2012/09/pdf/46.pdf

3. Колесников С.И., Ротина E.H., Кирий O.A., Казеев К.Ш. Оценка эффективности рекультивации загрязненных мазутом земель по биологическим показателям // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2012. -№ 2. С. 30-37.

4. Кирий O.A. Применение бактериального препарата «Дестройл» для очистки от мазута загрязненных почв и водоемов в Майкопском районе / O.A. Кирий // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2013. - №01(85). -http://ej .kubagro.ru/2013/0 l/pdf/33 .pdf

Статьи и тезисы в других изданиях:

5. Зинчук А.Н., Зинчук O.A. (Кирий O.A.) Применение бактериальных препаратов для ликвидации нефтяных загрязнений водоемов // Аквакультура и биомониторинг водоемов: Сб. науч. тр./ Калининградский государственный технический университет. Калининград, 2001. - С. 25-32.

6. Зинчук А.Н., Зинчук O.A. (Кирий O.A.), Зинчук Д.А. Восстановление биоценозов почв, загрязненных нефтепродуктами, с использованием бактериальных препаратов // Материалы Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2005», посвященной 75-летию основания КГТУ и 750-летию Кенигсберга-Калининграда. Калининград, 2005. - С. 152.

7. Зинчук O.A., Зинчук O.A. (Кирий O.A.), Зинчук Д.А. Эколого-рыбохозяйственная оценка пестицидов // Материалы Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2005», посвященной 75-летию основания КГТУ и 750-летию Кенигсберга-Калининграда. Калининград, 2005. - С. 155-157.

8. Зинчук А.Н., Зинчук O.A. (Кирий O.A.), Зинчук Д.А. Очистка сбросных вод предприятий от нефтепродуктов с применением бактериальных препаратов // Материалы Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2006» Калининград, 2006. -С. 119-221.

9. Колесникова Д.В., Кирий O.A., Колесников С.И. Влияние биопрепаратов на активность каталазы при рекультивации нефтезагрязненной почвы // Материалы Международной научной конференции «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии». Астрахань. 2010. С. 270-272.

10. Колесникова Д.В., Кирий O.A., Колесников С.И. Оценка эффективности биопрепаратов при рекультивации нефтезагрязненного

чернозема обыкновенного // Материалы научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования». Ростов-на-Дону. 2011. С. 50-51.

11. Колесникова Д.В., Кирий О.А., Колесников С.И. Оценка эффективности микробных препаратов «Универсал», «Дестройл», «Родер» при рекультивации нефтезагрязненного чернозема обыкновенного / Материалы II Ростовского молодежного научно-практического форума «Молодежная инициатива - 2011». - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2011. - С. 101.

12. Кирий О.А., Колесников С.И., Зинчук А.Н. Использование бактериального препарата «Дестройл» для очистки промышленных сточных вод от загрязнений нефтепродуктами // Материалы научной конференции «Актуальные вопросы экологии и природопользования». Ростов-на-Дону, 2012. С. 63-70.

13. A.N. Zinchuk, О.А. Zinchuk {О.A. Kiriy) Restoring of the soil's biocenoses, polluted by petroleum, with the usage of bacterial preparations // Transboundary pollution/ Abstracts 4th International Conference of the Balkan Environmental Association B.E.N.A. 18-21 October 2001/ Edirne: Publications of Trakya University No 44- 2001, p 160.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ИПБС - интегральный показатель биологического состояния,

ПДК - предельно допустимая концентрация,

ЮФУ - Южный федеральный университет.

Сдано в набор 14.05.2013 г. Подписано в печать 14.05.2013 г. Заказ № 16/5-2013. Тираж 100 экз. Формат 60*84 1/16. Печ. лист 1,0. Усл. печ. л. 1,0. Отдел оперативного тиражирования документов Южного федерального университета. 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105, тел (863) 2184002.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кирий, Оксана Аркадьевна, Ростов-на-Дону

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи 0420135906? ^

КИРИЙ ОКСАНА АРКАДЬЕВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ БАКТЕРИЙ ПРИ БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ И ВОД НА ЮГЕ РОССИИ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

03.02.08 - экология (биологические науки)

Научный руководитель: д.с.-х.н., профессор Колесников С.И.

Ростов-на-Дону - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

ГЛАВА 1. НЕГАТИВНОЕ ВЛИЯНИЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.........................................................................11

1.1. Проблема очистки почв и водных экосистем, загрязненных нефтью ..............................................................................................................................11

1.2. Нефть - основной загрязнитель окружающей среды...........................15

1.2.1. Нефть, ее состав и свойства.............................................................15

1.3. Водные объекты и их очистка от загрязнений.....................................17

1.3.1. Вода и ее роль в обществе...................................................................17

1.3.2 Характеристика загрязненности воды нефтью...............................18

1.3.3 Состояние поверхностных водных объектов Ростовской области ...........................................................................................................................19

1.3.4 Влияние хозяйственной деятельности на водную среду...................20

1.3.5 Способы очистки водоемов от нефти и нефтепродуктов..............23

1.4. Почва и ее основной зарязнитель...........................................................27

1.4.1 Почва, ее свойства и состав................................................................27

1.4.2. Загрязнение почвы нефтью.................................................................28

1.4.3 Естественная трансформация нефти в почве..................................30

1.4.4. Мероприятия по восстановлению почв, загрязненных нефтью.....31

1.4.5. Основные подходы к восстановлению загрязненных нефтью почв, принятые в мировой практике......................................................................32

ГЛАВА 2. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРЕПАРАТОВ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ БАКТЕРИЙ ДЛЯ БИОРЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ И ВОДОЕМОВ.................................................38

2.1. Факторы самоочищения нефтезагрязненных почв и основные направления рекультивации земель.............................................................38

2.2. Воздействие нефти на почву и влияние внешних факторов на процессы самовосстановления....................................................................41

2.3. Разработка нормативной базы рекультивационных работ...............45

2.4. Наиболее распространенные в России биопрепараты.......................47

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................51

3.1. Выбор активного микроорганизма-деструктора углеводородных

загрязнений........................................................................................................51

3.2. условия применения биопрепарата «родер».......................................51

3.3. Характеристика препарата «Универсал».............................................52

3.4. Применение бактериального препарата «Дестройл».........................53

3.5. Критерии оценки токсичности биопрепаратов для водных объектов ..............................................................................................................................56

3.5.1. Биохимические методы оценки препаратной интоксикации ихтиофауны и других водных объектов.......................................................57

3.5.2. Эколого-рыбохозяйственное нормирование препаратов «Дестройл», «Родер», «Универсал» в водерыбохозяйственных водоемов ...........................................................................................................................64

3.6. Характеристика используемой в исследовании нефти.....................82

ГЛАВА 4. БИОРЕМЕДИАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОГО ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПРЕПАРАТОВ «ДЕСТРОЙЛ», «РОДЕР» И «УНИВЕРСАЛ»....................................................................................................84

4.1. эффективность применения бактериальных препаратов при биоремедиации нефтезагрязненных почв в лабораторных условиях.... 84

4.2. Влияние биопрепаратов на фитотоксические свойства

рекультивируемой нефтезагрязненной почвы............................................88

ГЛАВА 5. ОЧИСТКА ВОД ОБОРОТНОГО ЦИКЛА ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ БАКТЕРИАЛЬНОГО ПРЕПАРАТА «ДЕСТРОЙЛ»..........................................................................103

5.1. Очистка сточных вод и воды оборотных циклов водоснабжения

предприятий от нефтепродуктов с применением бактериальных препаратов.......................................................................................................103

5.2. Снижение содержания нефтепродуктов в эмульсионных стоках

промышленных предприятий с использованием биопрепарата «дестройл».......................................................................................................105

ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОГО ПРЕПАРАТА «ДЕСТРОЙЛ» ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НЕФТЕПРОДУКТАМИ ПРЕСНЫХ ВОДОЕМОВ....................................108

6.1. Ликвидация мазутного загрязнения на реке Глубокой...................108

6.2. Ликвидация нефтяного загрязнения водоема Дальний.................110

ГЛАВА 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БАКПРЕПАРАТА «ДЕСТРОЙЛ» ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТ МАЗУТА ПОЧВ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД «МАЙКОПСКОГО ПОЛИГОНА».................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................118

ВЫВОДЫ............................................................................................................120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Человечество, как биологический вид и социальная общность неразрывно связано с процессами, происходящими в окружающей среде, и во все возрастающих масштабах черпает из нее ресурсы, загрязняет отходами, продуктами жизнедеятельности (Глазовская, 1979).

В нынешнем цивилизованном мире ни общественное, ни научно-техническое совершенство не обеспечивает возможность жизнедеятельности человека вопреки законам природы. Безопасность жизнедеятельности человека неразрывно связана с условиями окружающей природной среды: составом воздуха, питьевой воды и пищи, температурой, влажностью, давлением, радиацией и другими факторами. Эти условия сложились в течение эволюции биосферы, и отклонения их характеристик от уровней жизнеобеспечения любых организмов и человека приведут к их гибели (Адамов, 1996; Егоров, 1998; Волков, 1999; Орлов, 1999)

Загрязнение - это самое отрицательное воздействие производства на окружающую природную среду, которое во многих странах мира достигло критического уровня для устойчивости экологических систем и здоровья людей (Маркарова, 1999).

Негативное влияние производства на окружающую среду обусловлено не только его нерациональной структурой, но и несовершенством технологических процессов.

Перед человечеством неотвратимо встала задача разумного, рационального природопользования, позволяющего удовлетворять жизненные потребности людей в сочетании с охраной и воспроизводством природной среды (Егоров, 1998; Орлов, 1999).

Все это ставит перед людьми объективное требование — учитывать воздействие производства на окружающую среду и искать наиболее безопасные методы очистки уже существующих или появляющихся загрязнений. Не допускать превышения порогов устойчивости экологических

систем, чтобы не вызвать необратимых процессов в природе, способных привести к ее критической деградации и гибели всего живого на Земле. Предотвращение загрязнения вод и почв является одной из самых главных задач, стоящих перед людьми (Орлов, 1999).

Очистка природной среды от загрязнений нефтью и продуктами ее переработки - одна из сложных и многоплановых проблем охраны природной среды. Ни один другой загрязнитель, как бы опасен он ни был, не может сравниться с нефтью по широте распространения, числу источников загрязнения, величине нагрузок на все компоненты природной среды (Карасева, 2009).

Объемы отходов нефтепродуктов и нефтезагрязнений, скопившиеся на отдельных объектах, составляют десятки и сотни тысяч кубометров. Добывающие предприятия, системы перекачки и транспортировки, нефтяные терминалы и нефтебазы, хранилища нефтепродуктов, железнодорожный транспорт, речные и морские нефтеналивные танкеры, автозаправочные комплексы и станции являются основными источниками загрязнений нефтью и нефтепродуктами (Голодяев, 1985).

Значительное число хранилищ нефтешламов и отходов, построенных с начала 50-х годов, превратились из средства предотвращения нефтезагрязнений в постоянно действующий источник таких загрязнений (Гусев, Коронелли, 1981). Защита интересов природы и ее охрана невозможны в автономном режиме, вне сферы производственных отношений, без определения разумных форм взаимного сочетания экологических и экономических интересов, при которых сохранение качества окружающей природной среды и ее объектов — цель единственная и конечная (Волков, 1999).

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Нефть и нефтепродукты, поступая в окружающую среду, оказывают негативное влияние на все ее природные компоненты. Они загрязняют почву, поверхностные и подземные воды, снижают продуктивность биоресурсов, ведут к деградации экосистем

(Звягинцев и др., 1987; Исмаилов, 1988; Хазиев и др., 1988; Адамов, 1996; Ильенкова, Сиротина, 1996; Трофимов и др., 2000; Киреева и др., 2002; Пиковский и др., 2003; Колесников и др., 2007).

Исследованиями многих авторов показано, что естественное восстановление почв и водоемов, загрязненных нефтяными углеводородами, занимает длительный период (Логинов и др., 2000; Габбасова, 2004; Кураков и др., 2006; Маганов и др., 2006). Использование только механических, физических и химических методов рекультивации не обеспечивает необходимого уровня очистки почв и вод (Суржко и др., 1995; Алексеева и др., 2000; Давыдова, Тагасов, 2006).

Среди биологических методов восстановления нефтезагрязненных почв и вод наиболее перспективным является биологическое разложение нефти и нефтепродуктов препаратами углеводородокисляющих бактерий. Использование таких препаратов позволяет существенно сократить время, стоимость и трудоемкость рекультивационных работ (Егоров и др., 1998; Волков, 1999; Маркарова, 1999; Орлов, 1999; Архипенко и др., 2004; Карасева и др., 2005; Середина и др., 2006).

Актуальными являются исследования эффективности препаратов нефтеокисляющих бактерий в различных климатических условиях (Маркарова, 1997).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ — дать экологическую оценку использованию углеводородокисляющих бактерий при биоремедиации нефтезагрязненных почв и вод на юге России.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие ЗАДАЧИ:

1. Оценить эффективность бактериальных препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал» (разных штаммов углеводородокисляющих бактерий) в различных дозах при биоремедиации загрязненного нефтью чернозема обыкновенного в модельном опыте.

2. Установить закономерности изменения биологических свойств чернозема обыкновенного, таких как активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность, обилие бактерий рода Аго^Ьас1ег, всхожесть, длина корней и надземной части редиса, при его очистке от нефти бактериальными препаратами «Дестройл», «Родер» и «Универсал».

3. Апробировать препарат углеводородокисляющих бактерий «Дестройл» для очистки от нефтепродуктов вод оборотного цикла водоснабжения и промышленных сточных вод.

4. Дать экологическую оценку использования бактериального препарата «Дестройл» при биоремедиации водоемов по степени деградации нефтепродуктов в воде и донных отложениях, а также его влияния на кислородный режим водоема.

5. Оценить эффективность применения препарата «Дестройл» при ликвидации очага мазутного загрязнения почвенного покрова и водоемов «Майкопского полигона».

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Применение препаратов углеводородокисляющих бактерий «Дестройл», «Родер» и «Универсал» увеличивает скорость разложения нефти в черноземе обыкновенном в 15-20 раз. По степени эффективности разложения нефти препараты образуют следующий ряд: «У ниверсал»=«Родер»>« Дестройл».

2. Использование биопрепаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал» вызывает разнонаправленные, как правило, статистически недостоверные тенденции изменения биологических свойств чернозема обыкновенного: незначительное увеличение активности дегидрогеназы и незначительное снижение активности каталазы, целлюлозолитической способности, всхожести, длины корней и проростков редиса, обилие бактерий рода Аго^ЬаШг не изменяется.

3. Препараты углеводородокисляющих бактерий целесообразно использовать для очистки вод оборотных циклов водоснабжения и сточных

вод промышленных предприятий (за 40 суток концентрация нефтепродуктов снижается в 15 раз), что уменьшает сбросы предприятиями нефтепродуктов, повышает производительность оборудования, снижает себестоимость выпускаемой продукции.

4. Применение биопрепарата «Дестройл» для очистки водных объектов приводит к существенному снижению содержания нефтепродуктов и увеличению концентрации кислорода в воде. Концентрация в донных отложениях низкомолекулярных углеводородов снижается в 1,7 раза быстрее, чем смол и асфальтенов.

5. Препарат «Дестройл» целесообразно использовать для ликвидации загрязнения почвенного покрова и водоемов мазутом: степень разложения мазута за 2 месяца составляет в почве до 92 %, в воде — до 98 %.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов проведенных исследований заключается в том, что впервые:

- оценена эффективность препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал», состоящих из разных штаммов углеводородокисляющих бактерий, и их различных доз при биоремедиации загрязненного нефтью чернозема обыкновенного;

- установлены закономерности изменения основных биологических свойств чернозема обыкновенного (таких как активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность, обилие бактерий рода Аго1оЬаМег, всхожесть, длина корней и надземной части редиса) при его биоремедиации с применением бактериальных препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал» в зависимости от вида и дозы препарата, срока от начала его применения;

- отмечена высокая эффективность использования бактериального препарата «Дестройл» для очистки от нефтепродуктов вод оборотного цикла водоснабжения и промышленных сточных вод;

- установлена высокая эффективность применения бактериального препарата «Дестройл» при биоремедиации водоемов по степени деградации

нефтепродуктов в воде и донных отложениях, а также по улучшению кислородного режима водоема;

- дана экологическая оценка применения препарата «Дестройл» при ликвидации очага мазутного загрязнения почвенного покрова и водоемов «Майкопского полигона».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ состоит в том, что доказана эффективность и целесообразность использования на юге России штаммов углеводородокисляющих бактерий, входящих в состав препаратов «Дестройл», «Родер» и «Универсал».

Результаты исследования могут быть использованы для повышения экономической и экологической эффективности работ по биоремедиации почв юга России, загрязненных нефтепродуктами, при проведении мероприятий по очистке вод природных водоемов ЮФО, в случае их загрязнения нефтью или нефтесодержащими сточными водами, а также для очистки вод непосредственно на предприятиях (вода оборотных циклов водоснабжения, сточные воды) и при аварийных разливах вне их территории.

Результаты исследования используются в учебном процессе в Южном федеральном университете при преподавании экологии, почвоведения, природопользования и охраны окружающей среды и могут быть использованы в других вузах юга России, РФ.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Тема, цель, задачи, объекты и методы исследования определены автором совместно с научным руководителем. Полевые исследования и отбор образцов почв и вод проведены в ходе комплексных экспедиций. Лабораторные модельные опыты и анализы проведены лично автором или совместно с сотрудниками кафедры экологии и природопользования ЮФУ, аналитической испытательной лабораторией НИИ биологии ЮФУ и ООО «Научно-технический центр энергосбережения и экологии». Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2005», посвященной 75-летию основания КГТУ и 750-летию Кенигсберга-Калининграда (Калининград, 2005); Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2006» (Калининград, 2006); Международной научной конференции «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии» (Астрахань, 2010); научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону, 2011 и 2012).

ПУБЛИКАЦИИ: По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Доля участия автора в публикациях составляет 62 % (2,67 п. л.).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИСС