Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Фиторемедиация нефтешлама

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Фиторемедиация нефтешлама"

00305834Э

ГАЛИЕВ РИНАТ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ФИТОРЕМЕДИАЦИЯ НЕФТЕШЛАМА 03.00.07 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Казань - 2007

003058349

Работа выполнена на кафедре микробиологии биолого-почвенного факультета ГОУ ВПО «Казанский государственный университет им В И Ульянова-

Ленина»

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор Наумова Римма Павловна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор Селивановская Светлана Юрьевна (кафедра прикладной экологии факультета географии и экологии Казанского гос) дарственного университета)

доктор биологических наук, профессор Чиков Владимир Иванович (лаборатория биохимии апопласта Казанского института биохимии и биофизики КНЦ РАН, г Казань)

Ведущая организация: Институт Экологии Природных

Систем АН РТ (г Казань)

Защита диссертации состоится «17» мая 2007 г в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212 081 08 при Казанском государственном университете им В И Ульянова-Ленина по адресу 420008, г Казань, ул Кремлевская, д 18, главное здание, ауд № 209

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им НИ Лобачевского при Казанского государственном университете

Автореферат разослан «j^T» апреля 2007 г

Актуальность проблемы Деятельность нефтехимического комплекса Республики Татарстан сопровождается образованием твердых отходов (нефтешламов), содержащих остаточную нефть и целевые и побочные продукты нефтехимического синтеза

Согласно Государственный докладу "О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды в Республике Татарстан в 2005 году", на территории Республики продолжаются процессы деградации загрязненных земель В результате загрязнения нефтью и нефтепродуктами ежегодно выводится из оборота около 200 Га продуктивных земель, снижается их биологическая активность, возникают или усиливаются эрозионные процессы Традиционные технологии детоксикации и рекультивации нефтезагрязненных почв и шламов неэффективны Ввиду отсутствия приемлемой технологии восстановления загрязненных территорий вторичное введение их в оборот не представляется возможным (Государственный доклад , 2006)

Практика депонирования нефтешламов в специальных накопителях до сих пор остается наиболее распространенной во многих странах В результате многолетнего накопления осадков сточных вод нефтехимических предприятий Татарстана лимит их складирования почти полностью исчерпан, поэтому в настоящее время ведется активный поиск новых эффективных и экономичных технологий для решения проблемы обезвреживания и утилизации нефтешламов

Физико-химические методы обработки нефтешламов являются дорогостоящими и сопряжены с образованием вторичных отходов в виде постэкстракционных и постсорбционных осадков, и, в случае сжигания, высокотоксичных продуктов неполного сгорания, захоронение и обезвреживание которых представляет дополнительную проблему В свою очередь, биологические методы (биоремедиация) нефтесодержащих объектов признаны наиболее дешевыми и достаточно эффективными В последние годы развивается новый подход к биоремедиации, использующий объединенный метаболический потенциал микроорганизмов и растений - фиторемедиация

Мировая научная и патентная литература по биоремедиации нефтесодержащих объектов рассматривает, в основном, почвы, загрязненные относительно небольшим количеством углеводородов В свою очередь, данных, относящихся непосредственно к нефтехимическим шламам, обладающим несопоставимо более высоким уровнем и токсичности, и углеводородного загрязнения, крайне мало Имеются лишь отдельные сведения, указывающие на возможность их обезвреживания путем компостирования (Никитина с соавт, 2004) и ландфарминга (землевания) (Morelli et al, 2005)

Анализ литературы, а также опыта исследований кафедры микробиологии КГУ в области экологической биотехнологии позволяет заключить, что прогноз эффективности той или иной стратегии биоремедиации в решающей мере зависит от разностороннего обоснования ключевых

параметров создаваемой технологической схемы, как на уровне ее лабораторного моделирования, так и практической апробации

Цель данной работы - разностороннее обоснование возможности и эффективности обезвреживания и переработки твердых отходов нефтехимии с использованием биотехнологии на основе микробно-растительных взаимодействий

Основные задачи исследования.

1 Охарактеризовать сырой нефтешлам с точки зрения возможности его фиторемедиации,

2 Оценить возможность предварительной детоксикации сырого нефтешлама и изменения его исходного загрязнения и физических свойств до уровня, совместимого с ростом растений,

3 Обосновать выбор токсико-толерантных растений - потенциальных фитомелиорантов нефтешлама,

4 Осуществить экспресс-тестирование потенциала фиторемедиации нефтешлама в краткосрочном эксперименте,

5 Разработать технологическую схему управления процессом фиторемедиации путем корректировки соотношения биогенных элементов, комбинации нефтешлама с почвой и оптимизации газообменных процессов,

6 Охарактеризовать эффективность разработанной технологической схемы ремедиации нефтешлама с позиции ключевых параметров процесса, суммарного органического загрязнения и его фракций, токсичности (по совокупности тестов разного уровня), по динамике численности и респираторной активности микрофлоры

Научная новизна. Впервые научно обоснована технологическая схема фиторемедиации твердых нефтехимических отходов с использованием объединенного метаболического потенциала микроорганизмов и растений

Скрининг токсико-резистентных растений осуществлен при экстремально высоком содержании углеводородного загрязнения

Разработана система направленной регуляции фиторемедиационного процесса, включающая использование почвы и фитомассы в качестве структурирующих агентов, и природных органических ко-субстратов минерального азота для корректировки соотношения биогенных элементов

Эффективность фиторемедиации оценена с привлечением химического и токсико-биологического мониторинга

Практическая значимость Применение испытанной в лабораторных условиях технологической схемы позволило уменьшить в среднем на 90% содержание остаточных нефтяных углеводородов, целевых и побочных продуктов нефтехимического синтеза, с одновременной элиминацией токсического действия компонентов нефтешлама на зоо- и растительные тест-организмы Результаты данной работы положены в основу патента (Патент РФ, 2006) и запланированных на 2007-2008гг опытно-промышленных испытаний

фиторемедиации нефтешлама ОАО «Нижнекамскнефтехим»

Связь работы с научными программами: Работа выполнена по теме «Устойчивые токсичные химические загрязнения в объектах окружающей среды механизмы обезвреживания и вовлечения в природные биогеохимические циклы» (№ госрегистрации 01 200 106145), а также в рамках гранта ЕС по программе «Коперникус-2» (ISA-2CT2-2000-10006 «Bioremediation»), госконтракта АНРТ №09-9 4-38 (2006 г), госконтракта Аналитической Ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» РНП 2 1 1 1005, согласно темплану 1 15 06 «Механизмы регуляции функциональной активности клетки» Положения, выносимые на защиту.

1 Фиторемедиация твердого отхода нефтехимии (нефтешлама) возможна с применением растительной морт-массы и объединенного метаболического потенциала микроорганизмов и растений

2 Созданная технологическая схема фиторемедиации обеспечивает снижение углеводородного загрязнения на 90%, токсичности в отношении ряда тест-объектов до безопасного уровня

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и региональных конференциях 8-й международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология -наука XXI века» (Пущино, 2004), конференции «Постгеномная эра в биологии и проблемы биотехнологии» (Казань, 2004), первой международной конференции «Микробная биотехнология - новые подходы и решения», Казань, 5-8 феврвля 2007г, представлена на выставке «Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи» (Москва, 2005), школе-конференции «Экотоксикология современные биоаналитические системы, методы и технологии» (Пущино, 2006), Intern Conf «Issues and Solutions in Discovery and Use of Novel Biomolecules Biodiversity and Environment» (Puschino, 2004), IWA Specialized Conférence «Sustainable sludge management state of the art, challenges and perspectives» (Moscow, 2006)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору биологических наук Р П Наумовой, кандидату биологических наук О И Якушевой, кандидату биологических наук Р А Шурхно, сотрудникам кафедры микробиологии и предприятия ОАО «Нижнекамскнефтехим», аспиранту кафедры микробиологии Т В Григорьевой Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследований, раздела экспериментальных исследований и обсуждения результатов, выводов и списка литературы Работа изложена на -f/£/ страницах машинописного текста, включает^ таблиц ирисунков Библиография содержит ■/^'наименований работ российских и зарубежных авторов

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Первый этап фиторемедиации (предобработка сырого нефтешлама с привлечением растительной морт-массы) осуществляли в пилотно-полевых условиях в течение 12 месяцев Пробы отбирали специальным пробоотборником из 10 точек, равномерно распределенных по поверхности полигона

Скрининг токсикорезистентных растений проводили в лабораторных условиях с использованием тестов на фитотоксичность

Лабораторные эксперименты проводили на освещаемом стенде. Отбор проб осуществляли методом конверта (Аринушкина, 1970) Микробиологические, физические, химические и токсикологические анализы проводили в течение 7-10 дней после отбора проб, которые хранили в герметичных стеклянных емкостях при 4 °С

Экспресс-оценка потенциала обезвреживания нефтешлама растением-фитомелиорантом по завершении первого этапа фиторемедиации. Эксперимент проводили с предобработанным нефтешламом в стеклянных емкостях на 0,4л в течение 1 месяца Абиотический контроль, содержал 2% NaN3

В связи с высоким фоновым содержанием фосфора в сыром и предобработанном нефтешламах (Робщ=8,3 г/кг) из удобрений варьировали только минеральный азот (NH4NOj), по схеме С N 25 1, 22 1, 20.1, 13 1, 10 1 и 9 1

Моделирование второго этапа фиторемедиации в 12-месячном лабораторном эксперименте осуществлено по схеме, где нефтешлам (НШ) и дополнительные компоненты комбинировали следующим образом

1) НШ абиот - с внесением NaN3- абиотический контроль,

2) НШ -без внесения каких-либо компонентов;

3) НШ+УД -с внесением удобрений (NH4NO3),

4) НШ+УД+П -с внесением удобрений и почвы (выщелоченный чернозем),

5) HLLI+УД+ПЛ -с внесение удобрений и посевом растений (плевел),

6) НШ+УД+П+ПЛ -с внесением удобрений, почвы и посевом растений

Численность аэробных гетеротрофных микроорганизмов учитывали на мясопептонном агаре (МПА) (Manual ,1983) Долю гипометаболических форм оценивали' по динамике появления колоний на МПА, согласно Кожевину (1989)

Количество микромицетов определяли на подкисленной среде Чапека, актиномицетов - на крахмало-аммиачном агаре (Manual ,1983) Для учета количества микроорганизмов-деструкторов компонентов нефтешлама

использовали агаризованную взвесь предобработанного нефтешлама (Galiev et al, 2003)

Активность базального дыхания оценивали по выделению ССЬ на газовом хроматографе «Хром-5» (Гарусов с соавт, 1998)

Обшее содержание бихромат-окисляемого органического вещества в нефтешламе определяли по Тюрину, валовый азот по Къельдалю (Аринушкина, 1970), подвижный аммонийный азот - колориметрически, с реактивом Неслера (Лурье, 1984)

Хлороформ-экстрагнруемые вещества определяли гравиметрически после экстракции образца хлороформом в аппарате Сокслета, асфальтены -после осаждения н-гексаном из хлороформного экстракта (Versan et al ,1998)

Содержание летучих компонентов нефтешлама на основе их отгонки с паром и сбора в ловушке (Лурье, 1984)

Подвижный и валовый фосфор определяли фотоколориметрически по образованию фосфорномолибденового комплекса до и после сжигания органического вещества кислотой по ГОСТу 26261 (1984) и ГОСТу 26207 (1992), соответственно

Зольность определяли с использованием высокотемпературного сжигания по РД 204 2 20 (2001)

Водоудерживающую способность определяли в соответствии с ISO 11269-2(1993)

рН нефтешлама определяли в водном экстракте при соотношении нефтешлам вода 1/5

Фитотоксичность оценивали по прорастанию семян (Juvonen et al, 1999, Wang, 1991), появлению проростков и росту высших растений в соответствии с адаптированным к шламу международным методом для оценки фитотоксичности почв (ISO 11269-2, 1993)

Статистическая обработка результатов провалилась с применением методов математической статистики (Лакин, 1990), а также программного обеспечения Exel 5 0/2000 В качестве критерия достоверности получаемых разностей использовали критерий Стьюдента, принимая Р<0 05 за достоверный уровень значимости

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Первый этап фиторемедиации (предобработка сырого нефтешлама с использованием растительной морт-массы)

Поскольку предшествующая научная и патентная литература не давала ответа на вопрос о самой возможности ремедиации твердых нефтехимических отходов на основе объединенного метаболического потенциала микроорганизмов и растений, нам предстояло охарактеризовать фитотоксичность нефтешлама как субстрата для прорастания семян и их

последующего роста, ¡Оказалось, что непосредственный контакт семян растений с нефтешламом исключает возможность их прорастания. 100%-я фитотоксичность обусловлена как химическим составом нефте шлама, высоконагруженного остаточными компонентами нефти и нефтехимии, так и физическими свойствами данного отхода - его гидрофоб и остью, высокой обводненностью, затруднённым газообменом с атмосферным воздухом.

Нами впервые осуществлен фиторемедиашюнпый подход (с применением растительной морт-массы на первом этапе фиторемедиации'1 к сырому нефтешламу с высоким уровнем углеводородного загрязнения (255 ¡/кг), что позволило в дальнейшем использовать объединенный метаболический потенциал микроорганизмов и растущих на шламе растений (второй этап фиторсмеднация) для его обезвреживания и переработки.

Изменения химических и токсикологических параметров нефтешлама в ходе первого этапа фиторемедиации отражены на рис, I и табл. 1.

100 80 60

£

I *>

7

£ 20 !

3

о -20

--it-

Прорастание Прорастание Paramecium Ceriodaphnia PseEdt типа 3 )

семян пшеницы Т -

AO - -

□ Сырой нефтешлам □ ГТредобработанный нефте шлам * стимулирующий эффект

Рис. 1. Токсический и стимулирующий эффект сырого и предобработанного нефтешлама по отношению к тест-объектам разного таксономического уровня

Численность аэробных гетеротрофных микроорганизмов после первого этапа фиторемедиации с применением растительной морт-массы относительно легкодоступным источником питательных веществ для микроорганизмов, увеличилась на два порядка, с 106 до IО8КОЕ/г. По завершении первого этапа обезвреживания нефтешлама большинство

микроорганизмов перешло из гипометаболического состояния, характерного для толщи сырого нефтешлама, в активное физиологическое состояние

Таблица 1

Химические характеристики сырого и предобработанного с использованием растительной морт-массы нефтешлама_

Характеристика Сырой нефтешлам Предобработанный нефтешлам

Органический углерод (Сорг), гС/кг 280,5±8,7 243,4±9,3

Хлороформ-извлекаемые вещества, г/кг 254,6±10,4 180,4±12,5

Мальтены, г/кг 247,1±9,4 156,218,9

Асфальтены, г/кг 7,5±2,1 24,2±1,6

Летучие вещества, г/кг 53,8±9,2 8,9±4,5

Зольность, г/кг 376,8±16,3 469,9±14,6

Валовый азот, г!Ч/кг 7,1 ±0,3 8,5±0,4

Подвижный азот, мгЫ/кг 230,9±14,1 30,1±3,2

Валовый фосфор, гР/кг 8,5+0,4 8,3+0,3

Подвижный фосфор, мгР/кг 80,4±1,5 40,2±2,0

Соотношение СЫР 56 1 1,7 29,3 1 1

рН (Н20) 8±0,2 7,3±0,1

2. Скрининг токсикорезистентных растений

Эффективность фиторемедиации зависит от правильной ориентации на растение-фитомелиорант (Квеситадзе с соавт , 2005, Huang et al, 2005)

Нами впервые проведен скрининг растений, способных к росту на шламе нефтехимического производства с высоким уровнем остаточного углеводородного загрязнения, который в результате первого этапа фиторемедиации составил около 180 г/кг

По совокупности исследуемых параметров (табл 2) злаковые растения, а среди них плевел, оказались наиболее толерантными к токсическому воздействию предобработанного нефтешлама Характеристика роста плевела удовлетворяла требованиям, которые предъявляются к растениям, используемым в фиторемедиации

В связи с тем, что плевел являлся самым токсикорезистентным растением, мы использовали его в качестве растения-фитомелиоранта на втором этапе фиторемедиации нефтешлама

Таблица 2

Скрининг токсико-резистентных растений

Растения Ингибирование, % Период вегетации,сут Выживае мость, %

прорастания семян появления побегов роста растений (фитомассы побегов)

Плевел 38,3+2,9 41,7+2,9 19,5+1,9 50,3±2,1 79,9±9,9

Тимофеевка 47,5±2,9 52,6+2,9 25,2±2,5 47,0±0,0 78,8±6,0

Ячмень 60,3±3,0 68,4±5,3 40,4±2,7 38,3±1,5 50,0116,7

Просо 61,4±3,0 66,1±3,1 35,8±1,9 34,0±1,0 52,8±9,0

Рожь 60,8±3,1 69,0±3,2 38,2±2,7 37,3±0,6 58,6±10,4

Пшеница 63,7±5,2 68,9±5,2 38,3±1,8 39,3±1,5 61,1±9,6

Кукуруза 67,2±5,5 70,9±3,2 45,5+3,5 35,0±1,7 62,8± 11,0

Горох 66,1 ±3,1 70,9+6,3 50,2±3,3 29,7±0,6 31,4+11,0

Эспарцет 74,1±5,2 84,5±5,2 30,1±2,1 39,7±1,5 66,7±0,0

Люцерна 89,6±5,2 94,7+0,0 * 12,7±1,2 0

Клевер 92,6±3,2 94,4±5,6 * 10,0±1,0 0

Лядвенец 90,7±3,2 92,6±3,2 * 8,3±0,6 0

Рапс 83,6±5,5 92,6±6,4 * 12,0±1,0 0

* - оценка невозможна в связи с высокой токсичностью в тестах на прорастание семян и появление побегов

3. Предварительная экспреес-оцснка потенциала второго этапа обезвреживания нефтешлама с использованием растения-фитомелиоранта

Краткосрочное (в течение месяца) экспресс-тестирование потенциала обезвреживания нефтешлама при участии растения-фитомелиоранта (плевела) дало возможность прогнозировать эффект долгосрочного моделирования при применении разных концентраций вносимого удобрения Определены границы оптимальной дозировки азота, при которых стимулировался и/или не ингибировался рост микроорганизмов и растений

В присутствии растений хлороформ-извлекаемые вещества убывали значительно быстрее, чем в их отсутствие Наибольшая убыль хлороформ-извлекаемых веществ в вариантах без растений (31,2%) и с растениями (45,3%) наблюдалась при дополнительной дозе азота - 1,3 г1Ч/кг (С N=25 1) (рис 2)

Я) ■ 45 ■ 40 ■

30

I -раст □ +раст

25 ■

20 -

гЪ

II 1 ]| Ьи

+N'0 г кг »М -1,3 Г: кг +N=2,5 г/кг ■ -N'5 г/кг +N=10 г/кгО +N»¡5 г/кг +N=17,5 г/кг С:К"29:1 С:№=25:1 С.Ы 22:1 С:Я*20:| С;М=Ш ШН;1

Рис. 2. Убыль хлороформ-извлекаемых веществ при варьировании дозы азота (+1\1 - добавляемый азот; -раст и +раст - варианты без/с растениями, соответственно)

240

220

ГЧ

0 200

* )зо

* 160 ■

с N0 ;

1 '-0 '

= 100 ■

| 80

I 60 ■

1 40 ■

5 20

й

Й_

_1 ОгрЯСТ □ -рйс I

>■N"0 г/кг 1.3 г/кг -N-2,5 г/кг ■

Г N 29 ! С:М~25:1 С:М=22:!

1

г/кг £N=20:1

в! . т£1

+N"10 г/кгО +N-15 г/кг .+N=17,3 г/кг £№13:1 С^=10:1

Рис.3. Уровень дыхательной активности в конце экспресс-оценки потенциала фиторемедиации предобработанного нефтешлама

Базальное дыхание (Уьаза|) Является интегральным показателем активности микробиологических процессов, протекающих в нефтешламе. отражающим доступность окисляемого органического вещества для микрофлоры шлама. В вариантах экспресс-тестирования, в случае отсутствия растений изменение дыхательной активности соотносилось с изменением

1 1

уровня деградации хлороформ-извлекаемых веществ При этом она стимулировалась на треть (до 60-70 мгСОг/кг) дополнительным азотом (до 5 г/кг), тогда как повышение дозы N (более 10 г/кг) приводило к примерно двукратному снижению активности дыхания (до 10-30 мгССЬ/кг) (рис 3)

В присутствии растений уровень дыхания был в 3-4 раза выше, чем без них и достигал около 200 мгС02/кг*ч В отличие от варианта без растений, при дозе азота 10 г/кг не наблюдали ингибирования дыхания в конце экспресс-тестирования Оно оставалось на высоком уровне и начинало угнетаться только при внесении азота в количестве 15 г/кг

4. Второй этап фиторемедиации (моделирование фиторемедиационного процесса в долгосрочном лабораторном эксперименте)

Второй этап фиторемедиации основывался на использовании объединенного метаболического потенциала микроорганизмов и растущих на предобработанном нефтешламе растений Моделирование фиторемедиации в 12-месячном лабораторном эксперименте выявило ключевые факторы, влияющие на обезвреживание нефтешлама, на основе которых разработана принципиальная схема управления фиторемедиацией

Продемонстрирована возможность регуляции норм и сроков повторного высева семян плевела в ходе фиторемедиации, которые осуществлялись с учетом проявлений фитотоксичности по отношению к данному растению Продемонстрирована целесообразность 5 и 7 посевов плевела в течение вегетационного сезона в вариантах НШ+УД+П+ПЛ и НШ+УД+ПЛ, соответственно

Роль почвы в фиторемедиации предобработанного нефтешлама проявлялась уже на начальных этапах второго этапа фиторемедиации внесение даже 10% почвы от веса предобработанного нефтешлама существенно снизило фитотоксичность по отношению к прорастанию семян плевела и его дальнейшему росту Снижение фитотоксичности может быть связано с адсорбцией углеводородного загрязнения на неорганической и органической фракциях почвы (Burauel,Fuhr, 2000) Положительное влияние внесения указанной дозы почвы на состояние растений в процессе фиторемедиации позволяет уменьшить количество повторных посевов фитомелиоранта, что важно с точки зрения экономичности создаваемого процесса

Внесение минерального азота позволило корректировать соотношение биогенных элементов (С N Р) и гармонизировать потребности микроорганизмов и растений в процессе деградации углеводородного загрязнения предобработанного нефтешлама, поскольку удобрения могут оказывать как прямой эффект на микробную биодеградацию органических компонентов через увеличение их численности и активности (Venosa et al,

1996), так и опосредованно, через стимуляцию роста растений (Lin.Mendelsson, 1998)

Периодическое перемешивание растительной массы со шламом в процессе фиторемедиации способствовало обеспечению потребностей микроорганизмов в легкодоступных источниках питания, которые поддерживают рост микроорганизмов, в том числе за счет кометаболизма труднодоступных остаточных компонентов нефтяного загрязнения (Agganagen et al, 1999, Fisk.Faney, 2001) По мнению Банкса с соавторами, лимитирующим фактором для жизнедеятельности микроорганизмов в подобных условиях являются адекватные ростовые субстраты, а не ингибирование загрязнением (Banks et al, 2003) Известно, что сезонное отмирание корней растений высвобождает специфические органические вещества, например, флавоноиды, которые активизируют деструкцию полихлорированных бифенилов (Johnson et al, 2005)

Перемешивание с фитомассой, также как и внесение почвы, способствовало структурированию нефтешлама и активизации водо- и газообменных процессов, повышению уровня дыхания, подобно тому, как это имело место в нефтезагрязненной почве с высокой концентрацией углеводородов (более 200 г/кг) (Jonasson et al, 2004)

Хлороформ-извлекаемые вещества. Абиотическое снижение хлороформ-извлекаемых веществ за год моделирования ремедиации составило 14,1% Наибольшая их убыль в ходе 12-месячного моделирования произошла в варианте НШ+УД+П+ПЛ - около 80% Общий итог обоих этапов фиторемедиации по данному параметру составил 88%

Таблица 3

Убыль хлороформ-извлекаемых веществ на втором этапе фиторемедиации и общая убыль за 2 года в ходе первого и второго этапов

Варианты Убыль хлороформ-извлекаемых веществ, %

Второй этап Итог фиторемедиации

НШ 33,5 52,9

НШ+УД 43,1 59,7

НШ+УД+П 50,0 70,5

НШ+УД+ПЛ 54,8 68,0

НШ+УД+П+ПЛ 79,6 88,0

Нами замечено, что накопление асфальтенов в нефтешламе прямо соотносится со скоростью деградации хлороформ-извлекаемых веществ

Существует точка зрения, согласно которой асфальтены являются стабильными гумусоподобными соединениями, которые, в силу их химической инертности, безвредны для организмов разного таксономического уровня (Pineda-Flores et al, 2004) Их накопление в ходе нашего фиторемедиационного

эксперимента не сопровождалось увеличением токсичности по отношению к ис п о.п ьзуем ы М тест-объе ктам.

Наибольшее возрастание токсичности по отношению к зоологическим объектам происходило в первый месяц лабораторного моделирования второго этапа обезвреживания нефтешлама (рис.4).

ши-уд huj+уди! нш+уд+пл кш+ул+iww

100 .

нш+уд+пл ■ 9 а ю

нш+уд+и-чш

□ П ли

Рис.4 Динамика зоотоксичности в вариантах лабораторного моделирования: А - в тесте на инфузориях; Б - в тесте на цереодафниях.

Самыми чувствительными тест-объектам и оказались цериодафнии, которые выявили большее количество подъемов токсичности, чем инфузории. К концу второго этапа фиторемедиации (через IQ месяцев) зоотоксичность на обоих тест-объектах снизилась до нуля и далее держалась иа этом уровне. По литературным сведениям, возрастание токсичности в первые месяцы биоремедиации нефтеза грязнённых почв было зафиксировано на люминесцентных бактериях (Marin et al.,2005) и растениях (Huang et al.,1996). Это связано с образованием более токсических метаболитов, например, таких как жирные кислоты, которые, по данным Стивенсона (Stevenson, 1966), оказывают токсический эффект на растения. Масштабы снижения содержания

углеводородов в этот период не могут являться индикатором изменения токсичности в загрязненном объекте (Morelli et al.,2005).

Что касается фитотоксичноани в тестах на прорастание семян пшеницы и гороха, то второй этап фиторемеднации нефтешлама обеспечил ее полную элиминалию (рис.5). В отношении плевела выявлена даже стимуляция роста (увеличение фитомассы до 50% по сравнению с контрольной почвой). Подобно этому, добавление в почву небольших концентраций малолетучих углеводородов, таких как тяжёлые и средние фракции нефти, увеличивало рост растений до 70% (Saíanitro et ai.,1997; Mendosa el al.,1995).

0 I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 il 12

Длительность эксперимента, чес Ш HUJ ВНШ+УД ОНШ^УД-П ЙНШ*УД+ПЛ ОНШ+УД+П+Т1Л

Рис. 5. Динамика фитотоксичности, в тесте на прорастание семян в ходе лабораторного моделирования второго этапа фиторемедиации нефтешлама: А - ингибирование прорастания семян пшеницы; Б -ингибирование прорастания семян гороха

Для изучаемого нефтешлама характерна высокая численность как аэробных гетеротрофов (10-Щ1 КОЕ/г), так и специфических деструкторов нефтешлама (10^10' КОЕ/г), с широкой субстратной специфичностью в отношении алифатических и ароматических углеводородов. Это подтверждает

целесообразность применения подхода, основанного на стимуляции аборигенной микрофлоры нефтешлама

Изучение микробной сукцессии в процессе фиторемедиации нефтешлама выявило следующие закономерности В течение первой (быстрой) стадии в первую очередь увеличивается численность микроорганизмов'гетеротрофного блока (до 109 КОЕ/г), к которым принадлежат и деструкторы углеводородного загрязнения (до 107 КОЕ/г) Затем следует умеренное увеличение численности микромицетов и актиномицетов (до 105 и 10б КОЕ/г, соответственно) Увеличение содержания актиномицетов, многие из которых относятся к олиготрофам, является одним из показателей снижения концентрации доступных органических веществ (Мишустин, 1984), в нашем случае биоразлагаемых компонентов нефтешлама, что подтверждается химическими показателями

Условия фиторемедиации вызывают существенные изменения в энергетическом метаболизме микробных клеток Прямым свидетельством активизации микробного сообщества, наряду с увеличением численности гетеротрофов, служит стимуляция дыхательной активности нефтешлама (рис 7) Наивысший уровень дыхательной активности микроорганизмов нефтешлама наблюдался в присутствии растений (до 180 мгС02/кг) во время быстрой стадии биоремедиации Снижение же уровня респирации служило сигналом необходимости повторного посева растений, что в дальнейшем нашло подтверждение в виде повышения активности микроорганизмов В свою очередь, снижение дыхательной активности к концу эксперимента указывало на исчерпание доступной части органического загрязнения нефтешлама

200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Время эксперимента, мес —»-НШ -я- НШ+УД —*— НШ+УД+П -К- НШ+УД+ПЛ -Ж-НШ+УД+П+ПЛ

Рис 8 Динамика респираторной активности в ходе лабораторного моделирования фиторемедиации нефтешлама

выводы

1 Фиторемедиация сырого нефтешлама невозможна в связи с высоким уровнем его фитотоксичности и углеводородного загрязнения, а также неблагоприятной физической структурой,

2 Детоксикация сырого нефтешлама и изменение его физической структуры и степени загрязненности до уровня, совместимого с ростом растений, достигнута путем предварительной обработки сырого нефтешлама с использованием метаболического потенциала микроорганизмов, растительной морт-массы и погодно-климатических факторов,

3 Скрининг растений, принадлежащих к семействам злаковых, бобовых и крестоцветных, на предобработанном нефтешламе с уровнем углеводородного загрязнения 180 г/кг выявил наиболее токсикотолерантное растение-фитомелиорант - плевел,

4 Краткосрочное экспресс-тестирование потенциала фиторемедиации нефтешлама позволило охарактеризовать возможности растения-фитомелиоранта (плевела) и обосновать схему последующего моделирования фиторемедиации в лабораторных условиях,

5 По результатам лабораторного моделирования фиторемедиации предобработанного нефтешлама разработана схема управления этим процессом

- путем стимуляции минеральным азотом с учетом различных потребностей микроорганизмов и растений,

- комбинацией нефтешлама с почвой,

- активизацией газо- и водообмена с использованием растительной морт-массы

6 Разработанная технологическая схема фиторемедиации нефтешлама, включающая первый этап с применением растительной морт-массы и последующее использование объединенного метаболического потенциала микроорганизмов и растений, позволяет за 2 года снизить уровень суммарного углеводородного загрязнения на 90%, токсичность по отношению к организмам разного трофического уровня на 100%

Работы, опубликованные по теме диссертации

1 Никитина Е В Особенности распределения и физиологического состояния микроорганизмов нефтешлама — отхода нефтехимического производства /ЕВ Никитина, О И Якушева, С А Зарипов, Р.А. Галиев, А В Гарусов, Р П Наумова//Микробиология, 2003 Т 72 №5 С 699-706

2 Galiev R.A. Ecologically hazardous petrochemical sludges as a nutrient source for microorganisms / R A Galiev, A M Ziganshin, ОI Yakusheva, E V Nikitina, S A Zaripov, A V Naumov//Environ Radioecol Appl Ecol 2003 V9 №4 P 18-28

3 Galiev R.A. Ecologically hazardous petrochemical sludges as a nutrient source for microorganisms / R A Galiev, A M Ziganshin, R P Naumova // Thes Intern Conf «Issues and Solutions in Discovery and Use of Novel Biomolecules Biodiversity and Environment» - Puschino, 2004 - P 207

4 Галиев Р.А. Твердые отходы предприятий «Нижнекамскнефтехим» и «Казаньоргсинтез» как источник opi анического питания для микроорганизмов / Р А Галиев, А М Зиганшин, Е В Гицарева, А 3 Асадуллин // Тезисы конференции «Постгеномная эра в биологии и проблемы биотехнологии» -Казань,2004 С.98

5 Галиев Р.А. Экологически опасные твердые отходы в питании микроорганизмов /РА Галиев, А М , Зиганшин, Р П Наумова // Тезисы 8-й международной Путинской школы-конференции молодых ученых «Биология -наука XXI века» - Пущино, 2004 - С 256

6 Галиев Р.А. Биотехнологическое обезвреживание опасных твердых отходов нефтехимии /РА Галиев, Т В Григорьева, Р П Наумова // Сборник материалов «Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи» Москва, 2005 - С 204-205

7 Пат РФ, МПК7 C02F 11/16 Способ переработки шламов очистных сооружений нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств / О И Якушева, Р П Наумова, А А Самольянов, В П Кичигин, И И Аскаров, В А Галухин, В Н Никонорова, Р.А. Галиев, заявка на изобретение 2006115820/15, заявл 30 11 05 Приоритет от 06 05 2006

8 Григорьева Т В Оценка потенциала биоремедиации твердых отходов нефтехимии /ТВ Григорьева, Р.А. Галиев, А А Несмелов, Р 3 Юсупов, О И Якушева, Р П Наумова // В сб «Экотоксикология современные биоаналитические системы, методы и технологии» -Пущино, 2006 - С 90

9 Galiev R.A. The combined chemical solid wastes characteristic in view of bioremediation / R A Galiev, E V Gitsareva, N S Gamullin, A F Potashkin, V V Kirsanov, R P Naumova // Proceedings of IWA Specialized Conference «Sustainable sludge management state of the art, challenges and perspectives» - Moscow, 2006 -P 110-114

10 Gngoryeva TV Bioremediation of oily sludge by vermicomposting / TV Grigoryeva, R.A. Galiev, OI Yakusheva, GA Sitdikova, RA Shurkhno, EZ

Khansova, RP Naumova / Proceedings of IWA Specialized Conference -Sustainable sludge management state of the art, challenges and perspectives -Moscow, 2006 - P 220-224

! 1 Якушева О И Новый подход к обезвреживанию нефтешлама с целью последующей фиторемедиации / О И Якушева, Т В Григорьева, Р.А. Галиев, А А Несмелов, Р 3 Юсупов, Р П Наумова , Казанск гос ун-т - Казань, 2006 -16с- Деп ВИНИТИ, 11 01 07, № 17 - В2007

Отпечатано в ООО «Печатный двор» г Казань,) 1 Журналистов, 1/16, оф 207

Тел 272-74-5», 541-76-41, 541-76-51 Лицензия ПД №-0215 от 0111 2001 г Выдана Повочж ски.н межрегиональны и территориальны и управ 1еннеч МПТР РФ Подписано в печать 12 04 2007г Ус7 п л 1,18 Заказ МК-6357 Тира ж 100 ла Фор чат 60x84 1/16 Бу мага офсетная Печать - ризография

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Галиев, Ринат Александрович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ 6 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нефтешламы 10 1.1. Состав нефтешламов

2. Биоремедиация

2.1. Факторы, влияющие на эффективность биоремедиации.

2.1.1. Микроорганизмы и биоремедиация

2.1.2. Удобрения

2.1.3. Физическая структура шлама

2.1.4. Токсичность

2.2. Стадии биоремедиации и проблема остаточных 22 концентраций

2.2.1. Биодеградация асфальтенов и изменение их содержания в 25 ходе биоремедиации

2.3. Биоремедиационные аспекты

2.3.1. Биоаугментация

2.3.2. Компостирование

2.3.3. Ландфарминг

2.3.4. Фиторемедиация 27 2.3.4.1 Влияние ризосферы на микроорганизмы 29 2.3.4.2. Роль бактерий в фиторемедиации 31 2.3.4.3.Эффективность фиторемедиации органических 32 загрязнений

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Первый этап фиторемедиации (предобработка сырого 35 нефтешлама с привлечением растительной морт-массы)

2. Климатические условия в зоне проведения предобработки

3. Скрининг токсикорезистентных растений на 36 предобработанном нефтешламе

4. Условия проведения лабораторных экспериментов

5. Экспресс-оценка потенциала обезвреживания нефтешлама 38 растением-фитомелиорантом после первого этапа фиторемедиации

6. Второй этап фиторемедиации (моделирование 39 фиторемедиации в 12-месячном лабораторном эксперименте)

7. Биологические методы анализов

7.1. Микробиологические методы анализа

7.2. Базальное дыхание

8. Химические методы анализов

9. Токсикологические методы

10. Статистическая обработка результатов 45 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Первый этап фиторемедиации (предобработка сырого 47 нефтешлама с привлечением растительной морт-массы)

2. Скрининг токсикорезистентных растений после первого этапа 53 фиторемедиации нефтешлама

3. Экспресс-оценка потенциала обезвреживания нефтешлама с 56 использованием растения-фитомелиоранта после первого этапа фиторемедиации

4. Второй этап фиторемедиации (моделирование 62 фиторемедиационного процесса в 12-месячном лабораторном эксперименте)

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ выводы

Введение Диссертация по биологии, на тему "Фиторемедиация нефтешлама"

Актуальность проблемы. Деятельность нефтехимического комплекса Республики Татарстан сопровождается образованием твердых отходов (нефтешламов), содержащих остаточную нефть, целевые и побочные продукты нефтехимического синтеза. Эти твердые отходы складируются в специальных резервуарах - шламонакопителях, эксплуатация и переполнение которых экологически опасны.

Согласно Государственному докладу "О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды в Республике Татарстан в 2005 году", на территории Республики продолжаются процессы деградации земель. В результате загрязнения нефтью и нефтепродуктами ежегодно выводится из оборота около 200 Га продуктивных земель, снижается их биологическая активность, возникают или усиливаются эрозионные процессы. Традиционные технологии детоксикации и рекультивации нефтезагрязненных почв и шламов неэффективны. Ввиду отсутствия приемлемой технологии восстановления загрязненных территорий вторичное введение их в оборот не представляется возможным (Государственный доклад., 2006).

Практика депонирования нефтешламов в специальных накопителях до сих пор остается наиболее распространенной во многих странах. Строительство новых депо не представляется возможным в связи с ужесточением требований по защите окружающей среды. Каждое предприятие имеет свой лимит накопления твердых углеводород-содержащих отходов, превышение которого 25-кратно увеличивает санкции за их хранения (Изменение., 2005). В результате многолетнего накопления осадков сточных вод нефтехимических предприятий Татарстана лимит их накопления почти полностью исчерпан, поэтому в настоящее время ведется активный поиск новых эффективных и дешевых технологий для решения проблемы обезвреживания и утилизации нефтешламов.

Физико-химические методы обработки нефтесодержащих отходов являются дорогостоящими и сопряжены с образованием вторичных отходов в виде постэкстракционных и постсорбционных осадков, и, в случае сжигания, высокотоксичных продуктов неполного сгорания, захоронение которых представляет дополнительную проблему. В свою очередь, биологические методы обезвреживания и переработки (биоремедиация) нефтесодержащих объектов признаны наиболее дешевыми и достаточно эффективными. В последние годы развивается новый биоремедиационный подход, использующий объединенный метаболический потенциал микроорганизмов и растений - фиторемедиация.

Мировая научная и патентная литература по биоремедиации нефтесодержащих объектов рассматривает, в основном, почвы, загрязненные относительно небольшим количеством углеводородов. В свою очередь, данных, относящихся непосредственно к нефтехимическим шламам, обладающим несопоставимо более высоким уровнем и токсичности, и углеводородного загрязнения, крайне мало. Имеются лишь отдельные сведения, указывающие на возможность их обезвреживания путем компостирования (Никитина с соавт., 2006) и ландфармингом (землеванием) (Morelli et al., 2005).

Анализ данных литературы, а также опыта исследований кафедры микробиологии КГУ в области экологической биотехнологии позволяет заключить, что прогноз эффективности той или иной стратегии биоремедиации в решающей мере зависит от разностороннего обоснования ключевых параметров создаваемой технологической схемы, как на уровне ее лабораторного моделирования, так и практической апробации.

Цель данной работы - разностороннее обоснование возможности и эффективности обезвреживания и переработки твердых отходов нефтехимии (нефтешламов) с использованием биотехнологии на основе микробно-растительных взаимодействий.

В работе решались следующие задачи:

1. Охарактеризовать сырой нефтешлам с точки зрения возможности его фиторемедиации;

2. Оценить возможность предварительной детоксикации сырого нефтешлама и изменения его исходного загрязнения и физических свойств до уровня, совместимого с ростом растений;

3. Обосновать выбор токсико-толерантных растений потенциальных фитомелиорантов нефтешлама;

4. Осуществить экспресс-тестирование потенциала фиторемедиации нефтешлама в краткосрочном эксперименте;

5. Разработать технологическую схему управления процессом фиторемедиации путем корректировки соотношения биогенных элементов, комбинации нефтешлама с почвой и оптимизации газо- и водообменных процессов;

6. Охарактеризовать эффективность разработанной технологической схемы ремедиации нефтешлама с позиции ключевых параметров процесса: суммарного органического загрязнения и его фракций, токсичности (по совокупности тестов разного уровня), по динамике численности и респираторной активности микрофлоры.

Научная новизна. Впервые научно обоснована, разработана и апробирована технологическая схема фиторемедиации твердых нефтехимических отходов с использованием растительной фитомассы и объединенного метаболического потенциала микроорганизмов и растений. Разработана система направленной регуляции фиторемедиационного процесса, включающая использование почвы и морт-массы растений в качестве структурирующих агентов, минерального азота для корректировки соотношения биогенных элементов. Эффективность фиторемедиации оценена с привлечением химического и токсико-биологического мониторинга. Скрининг токсико-резистентных растений осуществлен при экстремально высоком содержании углеводородного загрязнения.

Практическая значимость. Применение испытанной в опытно-полевых и лабораторных условиях технологической схемы позволило уменьшить в среднем на 90% содержание остаточных нефтяных углеводородов, целевых и побочных продуктов нефтехимического синтеза, с одновременной элиминацией токсического действия компонентов нефтешлама на зоо- и растительные тест-организмы. Результаты данной работы положены в основу запланированных на 2007-2008гг опытно-промышленных испытаний фиторемедиации нефтешлама ОАО «Нижнекамскнефтехим».

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.Нефтешламы

Нефтешламы представляют собой твердые отходы, содержащие нефть, продукты нефтехимического синтеза и нефтепереработки, которые временно размещаются в шламонакопителях в связи с отсутствием приемлемых технологий их обезвреживания. Нефтешламы - это прочные, обладающие высокой вязкостью водно-нефтяные эмульсии (Наумова, Зарипова, 2000; Mrayyan, Battikhi, 2005; Electrowicz et al., 2006). Такие сложные многокомпонентные дисперсные системы высоко устойчивы к разрушению, в связи с чем их обработка и утилизация представляет одну из труднейших задач (Яковлев с соавт., 2002).

Основным компонентом загрязнения нефтешламов являются нефтяные углеводороды. Главным отличием шламов нефтехимического производства является наличие в них специфических продуктов и полупродуктов нефтехимического синтеза. Кроме нефтяных углеводородов, нефтешламы содержат химические компоненты, в том числе реагенты, применяемые при фракционировании нефти и использующиеся в процессе нефтехимического синтеза.

1.1.Состав нефтешламов

Фракционирование нефтешламов. С помощью органических растворителей из нефтешламов извлекают сложную смесь соединений, которые можно разделить на четыре основные фракции, представленные в порядке усложнения молекулярной структуры: насыщенные алифатические углеводороды, ароматические углеводороды, смолы и асфальтены (Korda et al., 1997). Процентное содержание каждого из составляющих может широко варьировать.

Фракция насыщенных углеводородов включает углеводороды с линейной цепью (алканы), разветвленной цепью (изоалканы) и циклоалканы (нафтены).

Ароматическая фракция содержит летучие моноароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол и другие), полиароматические углеводороды (ПАУ), нафтеноароматические и ароматические серосодержащие соединения, такие как тиофены и дибензотиофены. Важно отметить, что фракция ПАУ, которая является неотъемлемым атрибутом нефтяного загрязнения, включает канцерогены, наиболее изученным из которых является бензо(а)пирен. Вещества, принадлежащие к данному классу соединений, отнесены Агентством по охране окружающей среды США к группе поллютантов, обладающих мутагенным и канцерогенным потенциалом (USEPA, 1985).

Смолы состоят из полярных молекул, в состав которых, наряду с элементами, характерными для всех углеводородов, входят азот, сера и кислород. Смолы являются аморфными твердыми веществами, которые полностью растворяются в нефтяных углеводородах.

Асфальтены, также как и смолы, состоят из полярных молекул и близки по элементному составу. Они содержат 80-86% С, тогда как содержание О, S, N колеблется в зависимости от природы нефти, из которой происходят асфальтены: 0-9% S, 1-9% О и до 2% N. Однако, они, в отличие от смол, представляют собой молекулы с большим молекулярным весом, которые диспергированы в нефти. Асфальтены являются наиболее высокомолекулярными веществами из всех выделенных компонентов нефти. Их молекулярный вес колеблется между 600 и 2 ООО ООО. Чрезвычайно сложна их молекулярная структура, для которой характерна химическая связь нескольких ароматических и гетероциклических структур с алифатическими углеводородами (Murgich et al., 1999; Strausz et al., 1999). Полагают, что асфальтены являются продуктами конденсации нефтяных смол. С точки зрения физических параметров асфальтены - темно-бурые или черные аморфные порошки; при нагревании не плавятся, при температуре выше 300°С разлагаются с образованием газов и трудно сгорающего кокса; нерастворимы в спирте, эфире, ацетоне, пентане, бензиновом эфире; легко растворяются в бензоле, хлороформе, сероуглероде, что используется для их выделения из нефти и нефтепродуктов. Химическая природа асфальтенов изучена мало; они являются веществами нейтрального характера; окисляются перманганатом калия до кислот; с формалином и H2SO4 образуют формолиты; не реагируют с PCL5; не сочетаются с диазосоединениями. При деструктивной гидрогенизации асфальтены превращаются в полициклические углеводороды ароматического и нафтенового рядов (Uraizee et al., 1998; Balba et al., 1998; Pineda-Flores et al., 2004).

В шламах нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств суммарная концентрация органических веществ составляет от 70 до 600 г/кг, из них общее содержание экстрагируемых углеводородов варьирует от 50 до 250 г/кг. На долю алкановой фракции приходится более 50% от общего количества углеводородов, ароматической до 30%, а асфальтеновой от 10 до 20% (Dibble, Bartha, 1979; Juvonen et al., 2000; Mishra et al., 2001; Hutchinson et al., 2001; Marin et al., 2005). Немаловажно содержание биогенных элементов, таких как N и Р, общее содержание которых может достигать до 4,2 г/кг и 4 г/кг, соответственно. Однако при этом содержание свободных форм этих элементов может быть низким - порядка 4,5 мг/кг и 191 мг/кг, соответственно (Hutchinson et al., 2001). В случае шлама НКНХ общее содержание N может достигать более 2 г/кг, а фосфора 0,12 г/кг (Никитина с соавт., 2003; Якушева с соавт., 2006; Galiev et al., 2006).

Что касается ПАУ, то на их долю может приходится до 60% от общего количества углеводородов (Morelli et al., 2005), в других случаях их содержание колеблется от 0,14 до 15 г/кг от сухого веса шлама (Juvonen et al, 2000).

Для шламов нефтехимических производств, в частности для российского предприятия НКНХ, характерно высокое содержание летучих ароматических углеводородов: бензола, толуола, стирола, ксилола. Общее содержание летучих углеводородов может достигать до 40 г/кг от сухого веса шлама (Якушева с соавт., 2002).

Кроме органической составляющей, в состав шламов входит, как один из главных компонентов, вода, а также те или иные металлы, в том числе цинк, хром, ванадий, никель, свинец и медь (Castaldi, Ford, 1991; Juvonen et al., 2000). Тем не менее, нефтешламы можно отнести к отходам с относительно низким содержанием тяжелых металлов (Prado-Jatar et al., 1993).

2.Биоремедиация

Биоремедиация основана на использовании микроорганизмов для деградации загрязнителей окружающей среды (Boopathy, 2000). Одной из основных целей биоремедиации в случае нефтяного загрязнения является оптимизация условий среды для микробного разложения углеводородов (Wang, Bartha, 1990).

В настоящее время в случае биоремедиации нефтесодержащих объектов наибольшее внимание направлено на следующие технологии: биоаугментация, компостирование, ландфарминг и фиторемедиация.

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Галиев, Ринат Александрович

выводы

1. Фиторемедиация сырого нефтешлама невозможна в связи с высоким уровнем его фитотоксичности и углеводородного загрязнения, а также неблагоприятной физической структурой;

2. Детоксикация сырого нефтешлама и изменение его физической структуры и степени загрязненности до уровня, совместимого с ростом растений, достигнуты путем предварительной обработки сырого нефтешлама с использованием метаболического потенциала микроорганизмов, растительной морт-массы и погодно-климатических факторов;

3. Скрининг растений, принадлежащих к семействам злаковых, бобовых и крестоцветных, на предварительно обработанном нефтешламе (с уровнем углеводородного загрязнения 180 г/кг) выявил наиболее токсикотолерантное растение-фитомелиорант - плевел;

4. Краткосрочное экспресс-тестирование потенциала фиторемедиации нефтешлама позволило охарактеризовать возможности токсикотолерантного растения-фитомелиоранта (плевела) и обосновать схему последующего моделирования фиторемедиации в лабораторных условиях;

5. По результатам годичного лабораторного моделирования фиторемедиации нефтешлама разработана схема управления этим процессом:

- путем стимуляции минеральным азотом с учетом различных потребностей микроорганизмов и растений;

- комбинацией нефтешлама с почвой;

- активизацией газо- и водообмена с использованием растительной мортмассы.

6. Разработанная технологическая схема фиторемедиации нефтешлама, включающая первый этап с применением растительной морт-массы и последующее использование объединенного метаболического потенциала микроорганизмов и растений, позволяет снизить уровень суммарного углеводородного загрязнения на 90%, токсичность по отношению к организмам разного трофического уровня на 100%.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Галиев, Ринат Александрович, Казань

1. Андреева Т.А. Влияние нефти на свойства почв районов нефтедобычи в пределах Томской области // Почвы - национальное достояние России: Материалы 1. съезда Докучаевского общества почвоведов. -Новосибирск: Наука-Центр, 2004. - кн.2. - 539с.

2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв / Е.В. Аринушкина. М.: МГУ. - 1970. - 487 с.

3. Гарусов А.В. Биомониторинг почвы / А.В. Гарусов, Ф.К. Алимова, Н.Г. Захарова. Казань: КГУ. - 1999. - 47 с.

4. ГОСТ 26207 «Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова по модификации ЦИНАО». М.: Издательство стандартов, 1992.

5. ГОСТ 26261-«Методы определения валового фосфора, валового калия». М.: Издательство стандартов, 1984.

6. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2005 году». -Казань: Министерство экологии и природных ресурсов Республики Татарстан, 2006. 495 с.

7. Изменение 410 к постановлению правительства РФ №344 от 01.08.2005

8. Киреева Н.А. Комплексное биотестирование для оценки загрязнения почв нефтью/ Н.А. Киреева, М.Д. Бакаева, Е.М. Тарасенко // Экология и промышленность России. февраль, 2004. - С.26-29.

9. Кожевин П.А. Микробные популяции в природе / П.А. Кожевин. М.: Изд. МГУ, 1989.- 175с.

10. Лакин Г.Ф. Биометрия / Г.Ф. Лакин. М.: Высшая школа, 1990. -352с.

11. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод / Ю.Ю. Лурье. Москва: Изд-во Химия, 1984. - 447с.

12. Мишустин Е.Н. Развитие учения о ценозах почвенных микроорганизмов / Е.Н. Мишустин //Успехи Микробиологи. 1982. -Т.17.-С.117-134.

13. Мишустин Е.М. Микробиология: учебник для вузов / Е.М. Мишустин,

14. B.Т. Емцев / 3-е изд. М.: Агропромиздат, 1987. - 368с.

15. Наумова Р.П. Экологическая биотехнология / Р.П. Наумова, С.К. Зарипова // Микробная биотехнология. Казань: Унипресс, 2000.1. C.253-287.

16. Наумова Р.П. Методы химического мониторинга нефтезагрязнённых осадков и почв / Р.П. Наумова, Е.В. Никитина, О.И. Якушева, С.К. Зарипова, А.В. Гарусов, A.M. Зиганшин. Казань: КГУ, 2004. - С. 411.

17. Никитина Е.В. Биоремедиация отходов нефтехимического производства с использованием компостирования Е.В. Никитина, О.И. Якушева, А.В. Гарусов, Р.П.Наумова // Биотехнология. 2006. - № 1. С. 53-61.

18. Яковлев В. Экологические проблемы Нефтеюганского региона / В. Яковлев, Г. Галеева, JI. Нуртдинова // Вестник инжинирингового центра ЮКОС. 2002. - №4.- С. 61-63.

19. Adam G. Influence of diesel fuel on seed germination / G. Adam, H. Duncan // Environmental Pollution. 2002. - V.120. - P.363-370.

20. Aprill W. Assessing detoxification and degradation of wood preserving and petroleum wastes in contaminated soil / W. Aprill, R.C. Sims, J.L. Sims, J.E. Matthews // Waste Manag. Research. 1990. - V.8. - P.45-65.

21. Atagana H.I. Optimization of soil physical and chemical conditions for the bioremediation of creosote-contaminated soil / H.I. Atagana, R.J. Haynes, F.M. Wallis // Biodegradation. 2003. - V. 14. - P. 297-307.

22. Ayotanuno M.J. Bioremediation of a crude-oil polluted agricultural-soil at Port Harcourt, Nigeria / M.J. Ayotanuno, R.B. Kgbara, S.O.T. Ogaji, S.D. Probert // Applied Energy. 2006. - V.83. - P.1249-1257.

23. Balba M.T. Bioremediation of oil-contaminated soil in Kuwait / M.T. Balba, R. Al-Daher, N. Al-Awandhi // Environ. Int. 1988. - V. 24. - 1. -P. 163-173.

24. Banks M.K. Rhizosphere Microbial Characterization in Petroleum-Contaminated Soil / M.K Banks, H. Mallede, K. Rathbone // Soil and Sediment Contamination. 2003. - V.3. - P.371-385.

25. Bolton H.Jr. Microbial ecology of the rhizosphere / H.Jr. Bolton, J.K. Fredrickson // Soil Microbial Ecology / F.B. Metting. New York: Marcel Dekker, 1993.-P.27-57.

26. Boopathy R. Factors limiting bioremediation technologies / R. Boopathy // Bioresource Technology. 2000. - V.74. - P.63-67.

27. Bossert I. The fate of petroleum in soil ecosystem /1. Bossert, R. Bartha // Petroleum Microbiology / R.M. Atlas. New York, 1984. - P. 435-473.

28. Burauel P. Formation and long-term fate of non-extractable residues in outdoor lysimeter studies / P. Burauel, F. Fuhr // Environmental Pollution. -2000. V.108. - P.45-52.

29. Castaldi F.J. Slurry bioremediation of petrochemical waste sludge. / F.J. Castaldi, D.L. Ford // Wat. Sci. Tech. -1991. V.25, -1 3. - P.207-212.

30. Chaillan F. Factors inhibiting bioremediation of soil contaminated with weathered oils and drill cuttings / F. Chaillan, C.H. Chaineau, V. Point, A. Saliot, J. Outdot // Environmentall Pollution. 2006. V. 144. - N. 1. - P. 255-265.

31. Chekol T. Phytoremediation of poly chlorinated biphenyl-contaminated soils: the rhizosphere effect / T. Chekol, L.R. Vough, R.L. Chaney // Environment International. 2004. - V.30. - P.799-804.

32. Chen G. Separation of water and oil from water-in-oil emulsion by freeze/thaw method / G. Chen, G. He // Separation and Purification Technology.-2003.-V. 31.-N. l.-P. 83-89.

33. Cookson J.T. Bioremediation engineering: Design and application / J.T. Cookson. New York.: McCiraw-Hill, 1995.

34. Cunningham S.D. Phytoremediation of contaminated soil / S.D. Cunningham, W.R. Berti, J.W. Huang // Trends Biotechnol. 1995. - V.13. -P.393-397.

35. Cunningham S.D. Phytoremediation of contaminated soil / S.D. Cunningham, W.R. Berti, J.W. Huang // Trends Biotechnol. 1995. - V.13. -P.393-397.

36. Curl E.A. The Rhizosphere / E.A. Curl, B. Truelove. Berlin: Springer-Verlag, 1986.-288 p.

37. Dibble J.T. The effect of environmental parameters on the biodegradation of oily sludge / J.T. Dibble, R. Bartha // Appl. Environ. Microbiol. 1979. -V.37.-P.729-739.

38. Dutka B.J. Water and sediment ecotoxicity studies in Temulco and Rapel river basin / B.J. Dutka, R. Mclnnis, A. Jurcovic, D. Liu, G. Castillo // Chile. Environ. Toxicol. Water Qual. 1996. - V. 11. - P. 237-247.

39. Elektrowicz N. Effect of electrical potential on the electro-demulsification of oily sludge / N. Electrowicz, S. Habibi, R. Shifrina // Colloid and Interface Since. 2006. - V. 295. - P. 235-241.

40. Flores H.E. Underground plant metabolism: the biosynthetic potential of roots / H.E. Flores, C. Weber, J. Puffett // Plant roots / Y. Waisel, A. Eshel, U. Kafkafi. New York: Marcel; Dekker. -1996.-P. 931-956.

41. Franco I. Microbiological resilience of soils contaminated withcrude oil / I. Franco, M. Contin, G. Bragato, M. DcNobili // Geoderma. 2004. -V.121. -P.17-30.

42. Gedroc J.J. Plasticity in root/shoot partitioning: optimal, ontogenetic, or both? / J.J. Gedroc, K.D.M. McConnaughay, J.S. Coleman // Funct. Ecol. -1996. V. 10. - P.44-50.

43. Glick B.R. Phytoremediation: synergetic use of plants and bacteria to clean up the environment / B.R. Glick // Biotechnology Advances. 2003. - V.21. - P.383-393.

44. Gogoi B.K. A case study of bioremediation of petroleum-hydrocarbon contaminated soil at a crude oil spill site / B.K. Gogoi, N.N. Dutta, P. Goswami, T.R.K. Mohan // Advance in Environmental Research. V.7. -2003. -P.767-782.

45. Guerin T.F. Long-term performance of a land treatment facility for the bioremediation of non-volatile oily wastes / T.F. Guerin // Resources, Conservation and Recycling. 2000. - V.28. - P. 105-120.

46. Gunawardena V. Function of root border cells in plant deference / V. Gunawardena, S. Miyasaka, X. Zhao, M.C. Hawes // Trends in Plant Sciences. 2000.-V.5.-P. 128-133.

47. Hawes M.C. Function of root border cells in plant health: pioneers in rhizosphere / M.C. Hawes, L.A. Brigham, F. Wen, H.H. Woo, Y. Zhu // Annual Review of Phytopathology. V. 36. - P. 311-327.

48. He Y. Facilitation of pentachlorophenol degradation in the rhizosphere of ryegrass (Lolium perenne L.) / Y.He, J. Xu, C. Tang, Y. Wu // Soil Biology & Biochemistry. 2005. - V.37. - P.2017-2024.

49. Huang X.-D. A multi-process phytoremediation system for decontamination of persistent total petroleum hydrocarbons (TPHs) from soils / X.-D. Huang Y. El-Alawi, J. Gurska, B. Glick, B. Greenberg // Microchemical Journal. 2005. - V. 81. - P. 139-147.

50. Hutchinson S.L. Phytoremediation of aged petroleum sludge / S.L. Hutchinson, M.K. Banks, A.P. Schwab // Journal of Environmental Quality. -2001. V.30. -P.395-403.

51. ISO 11269-2. Soil quality determination of the effects of pollutants on soil flora: Part 2. Effects of chemicals on the emergence and growth of higher plants. GenevaA International Standard Organization, 1995. Юр.

52. Jean D.S., Lee D. J., Chang C.V. Direct sludge freezing using dry ice. Advances in Environmental Research. 2001. - V. 5. - N. 2. - P. 145-150.

53. Johnson D.L. Enhanced dissipation of chrysene in planted soil: the impact of a rhizobial inoculum / D.L. Johnson, K.L. Maguire, D.R. Anderson, S.P. McGrath // Soil biology & Biochemistry. 2004. - V.36. - P.33-38.

54. Johnson D.L. Soil microbial response during the phytoremediation of a PAH contaminated soil / P.L. Johnson, D.R. Anderson, S.P. McGrath // Soil Biology and Biochemistry. 2005. - V. 37. - P. 2334-2336.

55. Jonasson S. Litter, warming and plants affect respiration and allocation of soil microbial and plant C, N and P in arctic mesocosms / S. Jonasson, J. Castro, A. Michelsen // Soil Biology & Biochemistry. 2004. - V.36. - P. 1129-1139.

56. Jordahl J.L. Effect of hybrid poplar trees on microbial population important to hazardous waste bioremediation / J.L. Jordahl, L. Foster, J.L. Schnoor, P.J.J. Alvarez // Environmental Toxicology and Chemistry.-1997.-V.16.-P.1318-1321.

57. Juvonen R. A battery of toxicity tests as indicators of decontamination in composting oily waste / R. Juvonen, E. Martikainen, E. Schultz, A. Joutti, J.

58. Ahtianen, M. Lehtokari // Ecotoxicol. Environ. Safety. 2000. - V.47. -P. 165-166.

59. Kaimi E. Ryegrass enhancement of biodegradation in diesel-contaminated soil / E. Kaimi, T. Mukaidani, S. Miyoshi, M. Tamaki / /Environmental and Experimental Botany. 2006. - V.55. -11-2. - P. 110-119.

60. Kirk J.L. The effects of perennial ryegrass and alfalfa on microbial abundance and diversity in petroleum contaminated soil / J.L. Kirk, J.N. Klironomos, H. Lee, J.T. Trevors // Environ mental pollution. 2005. -V.133. -P.455-465.

61. Kloepper J.W. Growth promotion mediated by bacterial rhizosphere colonizers / J.W. Kloepper, R.M. Zablotowicz, E.M. Tipping, R Lifshitz // The Rhizosphere and Plant Growth / D.L. Keister, P.B. Cregan. -Dordrecht: Kluwer Academic. 1991. - P.315-326.

62. Krueger J.P. Use of dicamba degrading microorganisms to protect dicamba susceptible plant species / J.P. Krueger, R.G. Butz, D.J. Cork // Agric. Food Chem. 1991. - V.39. - P. 1000-1003.

63. Leigh M.B. Root Turnover: an important source of microbial substrates in rhizosphere remediation of recalcitrant contaminants / M.B. Leigh, J.S. Fletcher, X. Fu, F.S. Schmitz // Environmental Science and Technology. -2002.-V.36.-P.1579-1583.

64. Lin Q. The combined effects of phytoremediation and biostimulation in enhancing habitat restoration and oil degradation of petroleum contaminated welands / Q. Lin, I.A. Mendelssohn // Ecological Engineering. 1998. -V.10. -P.263-274.

65. Liste H.-H. Plant performance, dioxygenase-expressing rhizosphere bacteria, and biodegradation of weathered hydrocarbons in contaminated soil / H.-H. Liste, I. Prutz // Chemosphere. 2006. - V.62. - P.1411-1420.

66. Liu C.M. Degradation of the herbicide glyphosate by members of the family Rhizobiaceae.il C.M. Liu, P.A. Mclean, C.C. Sookdea, F.C. Cannon //Appl. Environ. Microbiol. 1991. - V.57. - P. 1799-1804.

67. Macek T. Exploitation of plants for the removal of organics in environmental remediation / T. Macek, M. Mackova, J. Kas // Biotechnology Advances. 2000. -V.18. - P.23-34.

68. Maila M.P. Germination of Lepidium sativum as a method to evaluate polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) removal from contaminated soil // M.P. Maila, Т.Е. Cloete // International Biodeterioration and Biodegradation. 2002. - V.50. - P. 107-113.

69. Manual of Methods for General Bacteriology, Gerhardt, P. et al., Eds., Washington: Am. Soc. Microbiol., 1981. Translated under the title Metody obshchei bacteriologii, Moscow: Mir, 1984.

70. Margesin R. Monitoring of bioremediation by soil biological activities / R. Margesin, A. Zimmerbauer, F. Schinner // Chemosphere. 2000. - V.40. -P.339-346.

71. Marin J.A. Bioremediation of oil refinery sludge by landfarming in semiarid conditions: Influence on soil microbial activity / J.A. Marin, T. Hernandez, C. Gagcia // Environmental Research. 2005. - V. 98. - P. 185195.

72. Mishra S. Evaluation of inoculum addition to stimulate in situ bioremediation of oily-sludge-contaminated soil / S. Mishra, J. Jyot, R.C. Kuhad, B. Lai // Appl. and Environ. Microbiol. 2001. - V.4. - P. 16751681.

73. Morelli I.S. Laboratory study on the bioremediation of petrochemical sludge-contaminated soil / I.S. Morelli, M.T. Del Panno, G.L. De Antoni,

74. M.T. Painceira 11 International Biodeterioration & Biodegradation. 2005. -V. 55.-P. 271-278.

75. Morickawa H. Basic processes in phytoremediation and some applications to air pollution control / H. Morickawa, O.C. Erkin // Chemosphere. 2003. - V.52. -P.1553-1558.

76. Mrayyan B. Biodegradation of total organic carbons (TOC) in Jordanian petroleum sludge / B. Mrayyan, M.N. Battikhi // Journal of Hazardous Materials В120. 2005. - P. 127-134.

77. Murgich J. Molecular recognition in aggregates formed by asphaltene and resin moleculas from the Athabasca oil sand / J. Murgich, A.J. Abanero P.O. Strausz // Energy & Fuel. 1999. - V. 13. - P. 278-286.

78. Nelson E.B. Exudate molecules initiating fungal responses to seeds and roots // The Rhizosphere and Plant Growth / D.L. Keister, P.B. Cregan. -Dordrecht: Kluwer Academic, 1991.-P. 197-209.

79. Nichols T.D. Rhizosphere microbial populations in contaminated soils / T.D. Nichols, D.S. Wolf, H.B. Rogers, C.A. Beyrouty, C.M. Reynolds // Water Air and Soil Pollution. 1997. - V.95 -P.65-178.

80. Nocentini M. Bioremediation of a soil contaminated by hydrocarbon mixtures: the residual concentration problem / M. Nocentini, D. Pinelli, F. Fava // Chemosphere. 2000. - V.41.- P. 1115-1123.

81. O'Reilly K. Efficacy and economics of composting aged materials at a refinery / K. O'Reilly, T. Simpkin // In: 4th International In Situ and On Site Bioremediation Symposium. San Diego, California, April 19-22. - 1997. -V.2. -P.73-76.

82. Ouyang W. Comparison of bio-augmentation and composting for remediation of oily sludge: a field-scale study in china / W. Ouyang, H. Liu, V. Murygina, Y. Yu, Z. Xiu, S. Kalyuzhnyi // Process Biochemistry. 2005. - V.40. - P.3763-3768.

83. Pineda-Flores G. A microbial consortium isolated from a crude oil sample that uses asphaltenes as a carbon and energy source / G. Pineda-Flores, G. Boll-Arguello, C. Lira-Galeana, A.M. Mesta-Howard // Biodegradation. -2004. V.15. -P.145-151.

84. Prado-Jatar M. Oil sludge landfarming biodegradation experiment conducted at a tropical site in eastern Venezuela / M. Prado-Jatar, M. Correa, J.Rodriguez-Grau, M. Carneiro // Was. Manag. Resech. 1993. -V.l 1. -P.97-106.

85. Qiu X. Grass-enhanced bioremediation for clay soil contaminated with polynuklear aromatic hydrocarbons / X. Qiu, S.I. Sha, E.W. Kendal, D.L. Sorensen, R.C. Sims, M.C. Engelke // In Bioremediation Through Rizosphere Technology. 1994. - P. 142-157.

86. Selivanovskaya S.Y. On the possibility of involvement of microelements of sewage sludge into biochemical circulation / S.Y. Selivanovskaya, V.Z. Latypova, R.P. Naumova, G.M. Ravzieva // Environ. Radioecology and Appl. Ecology. 1997a. - 1 2. - P. 13-19.

87. Semple K.T. Impact of composting strategies on the treatment of soils contaminated with organic pollutants / K.T. Semple, B.J. Reid, T.R. Fermor // Environ. Pollution. 2001. - V.l 12. - P.269-283.

88. Siciliano S.D. Bacterial inoculants of forage grasses enhance degradation of 2-chlorobenzoic acid in soil / S.D.Siciliano, J.J. Germida // Environ. Toxicol. Chem. 1997. - V. 16. - P. 1098-1104.

89. Sims R.C. Landfarming of petroleum contaminated soil / R.C. Sims, J.L. Sims // In: Bioremediation of contaminated soils, Agronomy monograph. -1999. '37. - P.767-777.

90. Stevenson F. Lipids in soil / F. Stevenson //Journal of American Oil Chemistry Society. 1966. - V.43. - P.203-210.

91. Strausz P.O. Additional structural details on Athabasca asphaltene and their ramifications / P.O. Strausz, W.T. Mojelsky, F. Faraji, M.E. Lown, P. Peng // Energy & Fuels. 1999. - V.13. - P.207-227.

92. Susarla S. Phytoremediation: an ecological solution to organic chemical contamination / S. Susarla, V.F. Medina, S.C. McCutcheon // Ecological Engineering. 2002. - V. 18. - P.647-658.

93. Uraizee A. A Model for diffusion controlled bioavailability of crude oil components / F.A. Uraizee, A.D. Venosa, M.T. Suidan //Biodegradation. -V.8. 1998. -P.287-296.

94. Venosa A. Efficacy of commercial products in enhancing oil biodegradation in closed laboratory reactors / A. Venosa, J.R. Haines, W. Nisamaneepong, R. Govind, S. Pradhan, B. Siddique // Ind. Microbiol. -1992. V.10. -P.13-23.

95. Wang W. Higher plants (common duckweed, lettuce and rice) for effluent toxicity assessment / W. Wang // Plants for Toxicity Assessment: Second Volume / J.W. Gorsuch, W.R. Lower, W. Wang, M.A. Lewis. -Philadelphia: ASTM, 1991. -P.68-76.

96. Wang X. Effects of bioremediation on residues activity and toxicity in soil contaminated by fuel spills / X.Wang, R. Bartha // Soil.Biol. Biochem. 1990. - V.22. - P.501-505.

97. Xu J.G. Root growth, microbial activity and phosphatase activity in oil-contaminated, remediated and uncontaminated soils planted to barley and field pea / J.G. Xu, R.L. Johnson // Plant Soil. 1995. - V.173. - P.3-10.

98. Xu S.Y. Enhanced dissipation of phenanthrene and pyrene in spiked soils by combined plants cultivation / S.Y. Xu, Y.X. Chen, W.X. Wu, K.X.

99. Wang, Q. Lin, X.Q. Liang // Science of the Total Environment. 2006. -V.363. -P.206-215.

100. Zablotowica R.M. Compatibility of plant growth promoting rhizobacterial strains with agrochemicals applied to seed / R.M. Zablotowica, C.M. Press, N. Lyng, G.L. Brown, J.W. Kloeper // Can. J. Microbiol. 1991. - V.38. P.45-50.

101. Zak J.C. Functional diversity of microbial communities: a qualitative approach / J.C. Zak, M.R. Willing, D.L. Moorhead, H.G. Wildman // Soil Biol. Biochem. 1994. - V.26. -P.l 101-1108.