Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка способов повышения эффективности биоремедиации почв Кольского Севера при загрязнении нефтепродуктами

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Разработка способов повышения эффективности биоремедиации почв Кольского Севера при загрязнении нефтепродуктами"

На правах рукописи

МЯЗИН Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОРЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ НЕФТЕПРОДУКТАМИ (В УСЛОВИЯХ МОДЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА)

03.02.08 — экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени Кандидата биологических наук

1 7 АПР 2014

Петрозаводск 2014

005547126

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской академии наук

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор, Заслуженный эколог РФ Евдокимова Галина Андреевна

Официальные оппоненты

Капелькина Людмила Павловна

доктор биологических наук, профессор, гл. научный сотрудник Научно-исследовательского цетра экологической безопасности РАН,

Федорец Наталья Глебовна

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт леса, зав.лаб. лесного почвоведения Карельского научного центра РАН

Защита состоится 4 июня 2014 года в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33, эколого-биологический факультет, тел., факс: 8(8142)763864.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Петрозаводского государственного университета www.petrsu.ru, с авторефератом - на сайтах http://vak.ed.gov.ru/ и www.petrsu.ru.

Автореферат разослан:« // » 2014 г.

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. H.A. Аврорина Кольского научного центра РАН

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

Дзюбук И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нефть и нефтепродукты (НП) на сегодняшний день являются одним из приоритетных загрязнителей окружающей среды в России. Мурманская область в настоящее время не относится к регионам, осуществляющим добычу и переработку нефти, однако загрязнение окружающей среды данным типом поллютантов является актуальным и для нашего региона. В число потенциально опасных источников загрязнения почвы относятся нефтебазы, объекты топливно-энергетического комплекса, крупные промышленные предприятия, имеющие в своей структуре автотранспортные подразделения, автозаправочные станции др. Определенную роль в общий объем загрязнения вносят объекты Министерства обороны РФ. При этом нельзя исключать достаточно высокий износ оборудования, на котором осуществляются операции с НП (хранение, транспортировка, отгрузка, бункеровка) на данных объектах.

За последнее время увеличились объемы морской транспортировки нефти по Баренцеву и Белому морям. За 2010 г. береговыми и рейдовыми терминалами порта Мурманск было перевалено 17,6 млн. тонн нефтеналивных грузов. За тот же период из морского порта Витино (Белое море) было отправлено на экспорт 4,4 млн. тонн различных НП. При этом большая часть светлых НП и мазута транспортируется до прибрежных терминалов железнодорожным транспортом по территории Мурманской области. В перспективе также вовлечение в хозяйственный оборот крупного района нефтяной и газовой промышленности - шельфа Баренцева моря. Увеличение объемов транспортировки НП влечет за собой рост возможности возникновения аварийных ситуаций, в том числе связанных с загрязнением почвы. Почвы Кольского полуострова обладают низкой биогенностью, а, следовательно, и низким потенциалом самоочищения, что делает их довольно уязвимыми в случае возможного загрязнения (Евдокимова, 1995; Евдокимова, Мозгова,2001).

Цель и задачи исследований. Цель - разработка способов повышения эффективности биоремедиации почв Кольского Севера при загрязнении НП.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Оценка возможности применения различных методов ремедиации загрязненных почв в природно-климатических условиях Кольского полуострова.

2. Изучение динамики содержания углеводородов в почве и изменения биологической активности почвы при загрязнении НП в условиях полевого модельного эксперимента.

3. Оценка влияния различных технологий биоремедиации на биологическую активность загрязненной почвы и остаточное содержание НП в почве в условиях полевого модельного эксперимента.

4. Разработка эффективной технологии биоремедиации, позволяющей с наименьшими затратами проводить очистку и восстановление почв, загрязненных НП, в условиях Кольской Субарктики.

Научная новизна. В результате проведенной работы впервые определены периоды самоочищения Al-Fe-гумусового агрозема от НП и разработана технология очищения и восстановления этих почв. Исследовано влияние дизельного топлива и мазута в различных концентрациях на биологическую активность окультуренного подзола в природно-климатических условиях Кольского полуострова. Определен уровень содержания НП в почве, при котором возможно ее самоочищение, и уровни загрязнения, требующие применения методов биоремедиации для восстановления почвы. Впервые в условиях Кольского полуострова для фиторемедиации почв, загрязненных НП, использовали многолетние злаки: двукисточник тростниковидный (Phalaroides arundinacea (L.) Rausch.), овсяница луговая (Festuca pratensis Huds.) и рожь многолетняя (Seeale cereale L).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Период, за который происходит самоочищение почв Кольского Севера от нефтяных углеводородов до значений ниже ОДК длится от 3-х месяцев до 3-х и более лет в зависимости от исходного количества и индивидуальных свойств НП, при этом светлые НП разлагаются значительно быстрее темных НП, оказывая более острое токсичное воздействие на растения.

2. Внесение минеральных и органических удобрений, использование микробных препаратов-нефтедеструкгоров ускоряют процесс ремедиации загрязненных почв в условиях Кольского Севера. Из них наиболее эффективен метод биостимуляции, основанный на использовании минеральных и органических удобрений для усиления активности аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов, позволяющий сократить срок очищения почвы в 1,5-2 раза.

3. Загрязнение почв НП в концентрациях до 5% стимулирует размножение УОБ и их активность, а также вызывает изменение видового состава сообществ почвенных микромицетов.

4. Почвы Кольского полуострова при загрязнении НП становятся источником дополнительной эмиссии в атмосферу диоксида углерода, образующегося в результате деструкции нефтяных углеводородов.

Практическая значимость работы. Разработанный способ позволит повысить эффективность очистки и восстановления почв, загрязненных НП, в условиях Евро-Арктического региона. Предлагаемый подход к восстановлению

загрязненных почв может быть использован В качестве базовой технологии при внедрении на предприятиях, осуществляющих операции с НП.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на трех Международных конференциях: Ш и IV Международная научная конференция «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2010 г., 2013 г.); XII Международная научная конференция студентов и аспирантов «Проблемы арктического региона» (Мурманск, 2012 г.); шести Всероссийских конференциях: Ш и IV Всероссийская научная конференция с международным участием «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения» (Апатиты, 2010 г., 2012 г.); IV Всероссийская научная конференция с международным участием «Экологические функции лесных почв в естественных и нарушенных ландшафтах» (Апатиты, 2011 г.); Юбилейная научно-практическая конференция «Генетические ресурсы, селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур в условиях Европейского Севера» (Апатиты, 2013 г.); XI Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Актуальные проблемы региональной экологии и биодиагностика живых систем» (Киров, 2013 г.); XXI Всероссийская молодежная научная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2014 г.); одном форуме: Межрегиональный форум «Международное сотрудничество молодых ученых: северное измерение» (Архангельск, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК, и 2 - в зарубежных рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, приложения и списка литературы. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 93 рисунка. Список литературы включает в себя 241 наименование.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность профессору Г.А. Евдокимовой, под чьим руководством выполнялась данная работа, сотрудникам лаборатории экологии микроорганизмов за всестороннюю поддержку и проведение микробиологических исследований, а также директору Полярной опытной станции ГНУ ВНИИР им. Н.И. Вавилова РАСХН Е.М. Ахтуловой и ее заместителю И.В. Михайловой за предоставление участка и помощь в проведении полевых исследований.

Исследование выполнено при финансовой поддержке международного гранта Ко1агсИс № КО 187.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы

В этой главе на основе литературных данных дается обзор ранее проведенных исследований, касающихся проблемы восстановления почв, загрязненных нефтью и НП (Пиковский, 1993; Солнцева, 1998; Маркарова, 2000; Киреева и др., 2007, 2009; Капелькина, 2010). Рассматриваются возможные источники и причины поступления нефти и НП в почву, характер их распределения по почвенному профилю и механизмы трансформации углеводородов; изменение физико-химических свойств почв и биологической активности почвы после загрязнения. Дается обзор методов рекультивации нефтезагрязненных почв: механическая очистка и использование сорбентов, применение биопрепаратов нефтеразрушающего действия или внесение удобрений для активизации аборигенной углеводородокисляющей микробиоты, приемы фиторемедиации.

Глава 2. Объекты и методы

2.1. Характеристика района исследования

Местоположение полевых стационаров. Мурманская область, в 2-х км южнее г. Апатиты (координаты: 67°32'55'ТЧ, 33°22'2"Е, 120 м над ур. моря.), территория Полярной опытной станции ГНУ ВНИИР им. Н.И. Вавилова. По физико-географическим характеристикам участки находятся в пределах северной тайги.

Почва. Почва на участке проведения полевого опыта - агрозем А1-Ре-гумусовый на песчаных озерно-ледниковых отложениях. Пахотный горизонт 0-20 см. Почва характеризуется слабокислой или нейтральной реакцией среды (рНвод.=6,3-6,6), С - 3,38%, N - 0,3%, Са - 2,26 мг-экв/100 г, М§ - 0,41 мг-экв/100 г.

Климатические условия. Климат Мурманской области - субарктический морской, имеющий определенные черты континентального. Средняя температура наиболее холодных месяцев (январь, февраль) в центре полуострова изменяется от-13° до -15°С, в июле - от +9 до +12-15°С. Среднегодовая температура воздуха составляет -1... - 2°С (Доклад по охране..., 2007).

2.2. Схемы полевых модельных опытов

Дается описание полевых опытов, проводимых в рамках выполнения данной работы с 2010 г. по 2013 г.

В конце мая 2010 г. на экспериментальной площадке был заложен полевой модельный опыт по исследованию почв, загрязненных светлыми НП. В качестве загрязнителя использовали дизельное топливо марки (ДТ) Л-0,2-62

(ГОСТ 305-82) в количестве 10 л/м2. После внесения ДТ почву не перемешивали. Через 1 сут после загрязнения в различные варианты опыта вносили мелиоранты - минеральные и органические удобрения, минеральные удобрения и бактериальный препарат. Площадь каждого варианта 1 м2, повторность вариантов - трехкратная. В течение периода наблюдения в пробах почвы определяли остаточное содержание НП, влажность, pH водной суспензии, активность почвенных ферментов (инвертаза, каталаза и дегидрогеназа) и численность микроорганизмов. В полевых условиях определяли интенсивность эмиссии С02 почвой.

В качестве источника биогенных элементов использовали азотао-фосфорно-калийное удобрение «Азофоска» (Нитроаммофоска) марка NPK (МОР) в количестве 130г/м^ (однократное внесение). В качестве органической добавки применяли биологическое удобрение «Радогор» - препарат, полученный методом экстракции навоза крупного рогатого скота, который разводили в воде согласно прилагаемой инструкции и вносили в количестве 1,5 л/м2. Также в вариант с удобрениями добавляли известь в количестве 500 г/м2. Бактериальный препарат готовили в лаборатории экологии микроорганизмов ИППЭС КНЦ PAR В его основе четыре штамма бактерий рода Pseudomonas, выделенные из агрозема, ранее загрязненного НП. Бактериальный препарат вносили в почву в количестве 1,5 л/м2 при титре п-109 кл/мл. В эти же варианты добавляли по 130 г/м2 минеральных удобрений для снятия дефицита питательных элементов.

В 2011 г. был заложен полевой модельный опыт с загрязнением почвы смесью ДГ и топочного мазута марки М-100 (ГОСТ 10585-99) в пропорции 1,5:1. Количество загрязнителя, внесенного в почву, осталось прежним -10 л/м2. Варианты опыта, мелиоранты и их количество такие же, как в опьгге 2010 г, за исключением извести, которую не вносили. В течение периода наблюдения определяли те же показатели свойств почвы, что и в опыте 2010 г. На второй год после загрязнения на все участки произвели посев растений, устойчивых к загрязнению почвы НП: двукисточник тростниковидный, овсяница полевая и козлятник восточный (количество семян - 3 г/м2). Перед посевом в почву внесли минеральное удобрение в количестве 60 г/м2. В конце второго и третьего вегетационных периодов определяли биомассу и высоту надземной части растений.

В 2012 г. был заложен полевой модельный опыт с разной степенью загрязнения почвы светлыми и темными НП. В качестве загрязнителя использовали ДГ в количестве 1,4,2,8 и 14 л/м2, мазут топочный в количестве 1,3,2,6 и 7,5 л/м2 и отработанное моторное масло (ОММ) в количестве 7,5 л/м2. После внесения НП почву не перемешивали. Через 1 сут после загрязнения в различные варианты опыта вносили мелиоранты: минеральное и органическое удобрения; минеральное удобрение и бактериальный препарат; микробный препарат-биодесгрукгор

нефтяного загрязнения «Микрозим™ ПЕТРО-ТРИТ»; сорбент (термоактивированный гидрофобный вермикулит с иммобилизованными УОБ).

Через год после загрязнения для определения степени фитотоксичности почвы и возможности проведения этапа фиторемедиации на опытные участки была посеяна рожь многолетняя.

В течение периода наблюдения в почве определяли остаточное содержание НП, влажность, pH водной суспензии и численность микроорганизмов. В полевых условиях проводили определение интенсивность эмиссии С02 почвой. В конце второго вегетационного периода определяли биомассу и высоту надземной части растений ржи.

Минеральное удобрение «Азофоска» в количестве 60 г/м2 и органическое удобрение «Радогор» в количестве 1,5 л/м2 вносили дважды за сезон (через 1 и 30 сут после загрязнения). Бактериальный препарат углеводородокисляющих микроорганизмов на основе ассоциации четырех штаммов аборигенных бактерий рода Pseudomonas вносили в загрязненную почву в количестве 1,5 л/м2 совместно с минеральным удобрением (60 г/м2) через 1 и 30 суток после загрязнения. Расчёт необходимого количества препарата «Микрозим» проводили в соответствие с инструкцией по применению. Для внесения на загрязненные участки готовили водный раствор препарата из расчёта 1,5 л отстоянной водопроводной воды комнатной температуры + расчётное количество препарата.

2.3. Методы анализа почвенных образцов

Определение массовой доли НП в почве проводили согласно ГГНД Ф 16.1:2.2.22-98 методом ИК-спектрометрии с использованием анализатора АН-2 (Методика выполнения..., 1998). Определение влажности почвы проводили общепринятым методом, высушивая навеску почвы при 105°С до постоянного веса. Определение актуальной кислотности почвы проводили потенциометрическим методом на рН-метре Radelkis ОР-110 с комбинированным рН-электродом.

Для выявления и учета микроорганизмов в почве использовали поверхностный посев на плотные питательные среды. Для учета численности УОБ использовали синтетическую среду минерального состава (г/л): К2НР04 -1, NH4CI - 2, MgS04 - 0,5, FeS04 - следы, NaCl - 0,5, СаС03 - 1, ДТ - 10 мл, агар-агар - 18 г, дистиллированная вода - 1 л. Для учета численности сапротрофных бактерий использовали МПА следующего состава (г/л): пептон - 10, NaCl - 5, агар-агар - 18 г, мясная вода - 1 л. Численность микромицетов определяли методом посева на сусло-агар с добавлением молочной кислоты из расчета 4 мл на 1 л среды для ингибирования роста бактерий. Из всех выросших колоний грибов выделяли чистые культуры и проводили их идентификацию до вида с использованием общепринятых определителей. Видовые названия уточняли по пополняемым спискам видов в базе данных

"Species fiingorum" (www, indexfiingorum.org-). (Определение видов грибов выполнено M.B. Корнейковой).

Определение активности инвертазы проводили методом Гоффманна и Паллауфа, каталазы - методом Штефаника и Думитру, дегидрогеназы -методом Галстяна (Хазиев, 1976). Определение интенсивности эмиссии С02 почвой проводили полевым камерно-статическим методом, основанном на измерении количества С02, выделившегося из почвы за определенный промежуток времени (Временные методические..., 1984).

Обработку полученных данных осуществляли с применением методов математической статистики программы Microsoft Office Excel 2003. Достоверность различий сравниваемых величин оценивали по критерию Стьюдента. Разница считалась достоверной, если фактическая величина t превышала его табличное значение при уровне значимости р = 0,05.

Глава 3. Динамика содержания углеводородов в почве и изменение некоторых физико-химических свойств почв

3.1. Динамика содержания углеводородов в почве при загрязнении светлыми НП

В рамках данной работы нами была исследована почва, загрязненная следующим количеством ДТ: 1,4, 2,8, 14 л/м2 (полевой опыт 2012 г.) и 10 л/м2 (полевой опыт 2010 г.). Основываясь на значениях ОДК светлых НП для подзолистых почв таежно-лесных районов (Пиковский и др., 2003) нами принята величина ОДК для ДТ - 4 г/кг.

При загрязнении почвы ДТ в количестве 1,4 и 2,8 л/м2 содержание НП в слое почвы 0-10 см через 1 суг составило 5,61±0,43 и 17,79±0,30 г/кг соответственно. К концу вегетационного периода содержание НП не превышало ОДК. За три летних месяца количество НП снизилось относительно исходных значений на 89 и 83% соответственно (рис. 1). При этом в течение первых 10 суток содержание НП при дозе загрязнения 1,4 л/м2 снизилось на 72% в результате процессов испарения и фотохимического окисления. За тот же период содержание НП в почве, загрязненной ДГ в количестве 2,8 л/м2, снизилось лишь на 17%, и продолжало уменьшаться равномерно в течение всего летнего периода. При данных уровнях загрязнения почвы углеводороды глубже 10 см не просачивались, и весь объем ДГ удерживался в верхнем слое почвы.

При загрязнении ДТ в количестве 10 л/м2 в верхнем слое почвы к концу вегетационного периода содержание НП также не превышало ОДК, а степень самоочищения составляла 83%. Однако при данной исходной концетрации загрязнителя произошло просачивание ДГ в более глубокие слои почвы, до глубины

20 см (рис. 2). Суммарное содержание НП в пахотном слое превышало величину ОДК и составляло 6,1 г/кг.

При максимальной для данного эксперимента дозе загрязнения (14 л/м2) содержание НП в слое почвы 0-10 см через 1 сут составило 23,59±0,56 г/кг. В конце летнего сезона количество НП снизилось на 76%, но все еще превышало значение ОДК.

- г/кг

Рисунок 1. Содержание НП в слое почвы 0-10 см при загрязнении ДТ, л/м2:1 - 1,4; 2-2,8; 3-10; 4- 14.

90 сут

Рисунок 2. Содержание НП при загрязнении ДТ 10 л/м2 в слое почвы: 1-0-10 см; 2-10-20 см.

3.2. Динамика содержания углеводородов в почве при загрязнении темными НП

Топочный мазут и ОММ относятся к темным НП, величина ОДК которых для подзолов таежно-лесной зоны составляет 2 г/кг (Пиковский и др., 2003). В ходе проведенных исследований почва была искусственно загрязнена мазутом в количестве 1,3, 2,6 и 7,5 л/м2 и ОММ - 7,5 л/м2.

Снижение содержания НП за вегетационный период до значения ОДК произошло только при загрязнении почвы мазутом в количестве 1,3 и 2,6 л/м2 (содержание НП в слое почвы 0-10 см через 1 сут составило 3,47±0,13 и 4,80±0,12 г/кг). Количество НП в этих вариантах уменьшилось на 62 и 56% соответственно (рис. 3). Нефтяные углеводороды проникли в почву на глубину до 10 см.

Загрязнение мазутом в количестве 7,5 л/м2 привело к его просачиванию на глубину более 10 см. Через три летних месяца степень самоочищения верхнего слоя почвы составила 37%, а остаточное содержание НП в почве превышало ОДК в 7 раз. Загрязнение почвы ОММ за счет меньшей его плотности привело к проникновению масла до глубины 20 см. В конце вегетационного периода убыль НП из верхнего слоя почвы составила 40%. Остаточное содержание НП превышало ОДК в 12 раз.

В результате наблюдения за динамикой содержания НП в почве, загрязненной смесью мазута и ДТ, можно отметить, что при исходном содержании, равном 30,24±1,98 г/кг (10 л/м2), максимальная убыль НП также характерна для первого летнего сезона - 46%. В конце вегетационного периода количество НП превышало ОДК в 8 раз. Нефтяные углеводороды проникали в почву на глубину до 20 см, при этом максимальное содержание в этом слое отмечено через 20 суток после загрязнения, что значительно позже, чем при загрязнении ДТ в том же количестве (рис. 4).

50 г г/кг

Рисунок 3. Содержание НП в слое почвы 0-10 см при загрязнении мазутом, л/м2: 1 -1,3; 2-2,6; 3-7,5; ОММ: 4-7,5 л/м2; смесью НП: 5-10 л/м2.

Рисунок 4. Содержание НП при загрязнении смесью НП 10 л/м2 в слое почвы: 1-0-10 см; 2 -10-20 см.

3.3. Изменение актуальной кислотности при загрязнении почвы

Проведенные исследования показали, что внесение ДТ и мазута в различных концентрациях не оказало достоверного влияния на значение кислотности водной суспензии почвы.

Загрязнение почвы ОММ привело к достоверному снижению величины рН относительно незагрязненной почвы через 60 и 90 суток (1=4,71 и 1=3 01 пои а=0,95 и (1г=4). '

3.4. Изменение влажности почвы при загрязнении НП

Загрязнение почвы ДТ в низкой и средней дозе достоверно не повлияло на влажность почвы. Внесение ДТ в количестве 10 л/м2 привело к тому, что в конце вегетационного периода влажность в слое почвы 0-10 см была выше, чем в чистой почве (1=5,29 при <х=0,95 и с!,=4). Темные НП оказали иное влияние на влажность почвы. Мазут в количестве 1,3 и 2,6 л/м2 достоверно не повлиял на ее величину. Внесение более высоких доз мазута и ОММ привело к снижению влажности верхних слоев почвы. Загрязнение почвы смесью НП также привело

к снижению влажности верхнего слоя почвы, которое проявилось через 20 суток после начала эксперимента.

Таким образом, максимальную скорость самоочищения почвы при загрязнении ДТ наблюдали в течение первого вегетационного периода при всех его исследованных концентрациях. Содержание НП в слое почвы 0-10 см снизилось на 76-89% за счет испарения, фотохимического окисления, просачивания вглубь почвенного профиля и биодеструкции. При низкой степени загрязнения большая часть углеводородов испарилась и разложилась в течение первых 10 сут. При увеличении степени загрязнения снижение содержания продуктов трансформации ДТ в верхнем слое почвы (0-10 (15) см) происходило равномерно на протяжении всего вегетационного периода. Самоочищение почвы до содержания НП ниже ОДК при внесении низких и средних доз ДТ произошло в течение трех летних месяцев. При более высокой степени загрязнения (10 и 14 л/м2) произошло просачивание углеводородов вглубь почвенного профиля и увеличился срок самоочищения почвы. В конце вегетационного периода содержание НП в верхнем слое почвы после загрязнения высокой дозой ДТ превышало значение ОДК в 1,6 раза.

Для почв, загрязненных темными НП, характерна более низкая степень самоочищения, не превышающая за вегетационный период 62% от исходного уровня. Самоочищение почвы до содержания НП ниже ОДК при загрязнении мазутом в низкой дозе произошло в течение трех летних месяцев. В результате загрязнения мазутом, ОММ и смесью НП в более высокой дозе содержание НП в почве в конце вегетационного периода превышало ОДК в 7-12 раз.

Глава 4. Биологическая активность почв при загрязнении НП

4.1. Изменение численности основных трофических групп бактериальной микробиоты при загрязнении почвы НП

Сапротрофные бактерии в почве осуществляют весь спектр реакций разложения органических соединения и являются индикатором

функционального состояния почвы. По литературным данным при загрязнении i почвы НП может происходить стимуляция жизнедеятельности бактерий в определенном диапазоне концентраций загрязнителя, или ингибирование активности бактериоценоза при увеличении содержания НП выше критического уровня (Гузев, Левин, 2001; Зубайдулин, Фахрутдинов, 2001; Евдокимова и др., 2007, 2009; Леднев, 2008; Кабиров, 2009).

Активные биодеструкторы нефти и НП присутствуют как в загрязненных, так и в чистых почвах. Наиболее часто среди нефтеокисляющих микроорганизмов встречаются четыре группы бактерий: грамположителъные коринеподобные

бактерии (Rhodococcus, Bravobacterium, Arthrobacter, Micrococcus) фамположительные спорообразующие бактерии (Bacillus), фамофицательные оксидазоположительные бактерии (Flavobacterium, Chromobacterium) и грамофицательные оксидазоофицательные кокко-палочки (Acinetobacter) (Салангинас, Сатубалдин, 2003). УОБ ифают основную роль в процессе биологической десфукции углеводородов, поэтому показатель их численности свидетельствует об интенсивности процессов окисления нефтепродуктов.

В результате полевых экспериментов установлено, что светлые и темные НП в исследованных конценфациях не вызвали угнетения сапрофофной и углеводородокисляющей микробиоты. При зафязнении почвы ДТ в количестве до 10 л/м , включительно, наблюдали рост численности обеих фупп бактерий, при этом степень роста была одинаковой. Повышенная численность бактерий сохранялась в течение вегетационного периода. При увеличении дозы зафязнения до 14 л/м2 достоверного роста, а также снижения численности не произошло (рис. 5). Можно предположить, что ДТ в данной конценфации начинает проявлять токсичность по отношению к бактериальному сообществу Al-Fe-гумусового афозема.

□1 02 ИЗ

Рисунок. 5. Численность сстротрофных бактерий (А) и УОБ (Б) в почве: 1 -без загрязнения; 2 -ДТ 1,4 л/м2;, 3 -ДТ 14 л/м2.

Низкие дозы мазута не оказали достоверного влияния на численность УОБ и привели к небольшому росту численности сапрофофных бактерий в конце срока наблюдения. Внесение мазута в количестве 7,5 л/м2 привело к кратковременному увеличению численности обеих групп бактерий. ОММ вызвало увеличение численности сапрофофных бактерий, не оказав при этом достоверного влияния на численность УОБ, возможно, в силу особенностей своего химического состава (рис. 6).

50 40

I 30 : 20 ю о

30 90 СУТ

01 0 2 ИЗ 04

30 90 сут

01 02 «3 °4

Рисунок 6. Численность сапротрофных бактерий (А) и УОБ (Б) в почве: 1 - без загрязнения; 2 - мазут 1,3 л/м2; 3 - мазут 7,5 л/м2; 4 - ОММ 7,5 л/м .

Загрязнения почвы смесью НП привело к двукратному увеличению численности обеих групп бактерий в начальный период с последующим снижением показателя до контрольных значений. В равных дозах ДТ вызвало большее, чем темные НП, увеличение численности сапротрофных бактерий и УОБ и оказывало более продолжительное действие.

4.2. Изменение численности и видового состава почвенных микромицетов при загрязнении почвы НП

Сообщества микроскопических грибов в почве, как и бактерии, способны осуществлять деструкцию нефтяных углеводородов и играют существенную роль в процессе самовосстановления загрязненных почв (Касумова, 2004; Надыкта, Негри, 2006; Казаков и др., 2007; Галиулин и др., 2010).

Показано, что низкие дозы ДТ вызвали снижение численности почвенных микромицетов, в то время как более высокие дозы практически не оказали влияние на их численность, что, вероятно, связано с межценотическими взаимодействиями между бактериальным и грибным сообществами. Загрязнение мазутом в количестве 1,3 л/м2 вызвало снижение численности почвенных микромицетов, с последующим восстановлением в конце сезона до контрольных значений. Мазут в высокой концентрации привел лишь к кратковременному снижению численности грибов в начале эксперимента. ОММ и смесь НП не оказали достоверного влияния на численность почвенных микроскопических грибов.

Прослеживалась общая тенденция снижения численности почвенных микромицетов при загрязнении почвы НП на фоне увеличения численности сапротрофных бактерий и УОБ. Так, например, при загрязнении почвы мазутом в высокой дозе произошло кратковременное увеличение численности бактерий обеих трофических фупп и снижение численности почвенных микромицетов, о чем свидетельствует сильная отрицательная корреляция (г = - 0,998 и г = - 0,959 при а=0.95 и с^З).

Загрязнение агрозема НП привело к изменению видового состава сообщества грибов. В загрязненной НП почве появились виды грибов, которые отсутствовали в контроле: Alternaria alternata, Aureobasidiitm pullulons, Aspergillus fumigatus, Botritis cinerea, Fusarium moniliforme, Ulocladium consortiale (в почве, загрязненной ДТ), Pénicillium viridicaîum, P. commune, P. nalgiovense, P. miczynskii (в почве, загрязненной смесью НП).

Выделены группы толерантных и чувствительных видов микромицетов, характерных для окультуренных подзолов, загрязненных НП. По результатам полевого опыта ко всем видам НП наиболее устойчивым оказался Pénicillium miczynskii. Другие виды микроскопических грибов были устойчивы только к определенным НП: Pénicillium canescens и Rhizopus stolonifer - к смеси НП, Trichoderma viride - к ДТ и смеси НП, Trichoderma coningii - к ДТ. Виды Pénicillium restrictum, P. simplicissimum, P. miczynskii Trichoderma coningii, T. viride Aspergillus fumigatus оказались устойчивыми к нефти и НП как по результатам полевого, так и лабораторного опытов.

4.3. Изменение ферментативной активности загрязненных почв

Данные об изменении активности инвертазы, каталазы и дегидрогеназы при загрязнении Al-Fe-гумусового агрозема согласуются с данными, полученными исследователями для других типов почв в различных природно-климатических условиях: снижение активности инвертазы и каталазы, возрастание активности дегидрогеназы (Елин, 2002; Медведева, 2003; Андреева, 2005, Новоселова, 2008, Сулейманов и др., 2008).

Загрязнение почвы смесью НП, содержащей высокомолекулярные углеводороды, оказало более сильное влияние на активность исследуемых I почвенных ферментов. В результате такого воздействия, мы наблюдали более интенсивное и продолжительное по времени снижение активности инвертазы и каталазы и увеличение активности дегидрогеназы.

4.4. Интенсивность эмиссии С02 загрязненной почвой

Загрязнение почвы светлыми и темными НП в исследованных количествах привело к увеличению эмиссии углекислого газа в течение вегетационного периода. В вариантах с НП выделялось до 0,4-0,6 мг/дм2 ч С02, что в 1,5-2 раза больше, чем в контроле. Высокие дозы НП в большей степени повышали интенсивность эмиссии С02, чем низкие. К концу вегетационного периода выделение С02 снижалось до контрольных значений. Следовательно, загрязненные НП почвы становятся источником дополнительного поступления в атмосферу диоксида углерода, являющегося парниковым газом.

4.5. Фитотоксичность загрязненной почвы

Тест на фитотоксичность, проведенный в лабораторных условиях через 90 сут после загрязнения, показал, что почва с остаточным содержанием углеводородов ДТ до 3,2 г/кг, а также почва, загрязненная темными НП, не оказали токсического действия на тест-растения - высота проростков и длина корней пшеницы достоверно не отличались от контрольных показателей на чистой почве. ДТ при более высоком остаточном содержании (5,3 г/кг) угнетало развитие корневой системы растений.

Таким образом, исходя из исследованных показателей биологической активности почвы, можно сказать, что в загрязненных почвах активно протекали процессы самовосстановления, о чем косвенно свидетельствовали следующие показатели: рост численности сапротрофных бактерий и УОБ, увеличение активности дегидрогеназы и интенсивности эмиссии С02, и непосредственно свидетельствовало - снижение содержания НП в почве. В то же время в результате усиливающихся конкурентных взаимоотношений на фоне роста численности бактерий произошло снижение количества почвенных микромицетов и одновременная перестройка видового состава их сообществ. Также отмечено снижение активности таких ферментов как инвертаза и каталаза. Через 3 месяца почва, подвергшаяся высокому уровню загрязнения ДТ, проявляла токсичность по отношению к тест-растениям в лабораторных исследованиях.

Глава 5. Практические аспекты биоремедиации почв при загрязнении нефтепродуктами

5.1. Использование минеральных и органических удобрений для стимуляции углеводородокисляющих микроорганизмов при загрязнении почвы НП

В данном разделе рассматривается возможность применение метода биостимуляции при загрязнении почвы светлыми и темными нефтепродуктами. Описана динамика содержания НП, влияние удобрений на влажность, актуальную кислотность и основные биологические показатели загрязненной почвы.

Установлено, что использование минеральных и органических удобрений позволило ускорить процесс восстановления загрязненных почв за счет активизации деятельности бактериальной микробиоты, в частности УОБ. Скорость очищения верхнего слоя почвы от светлых и темных НП за вегетационный период увеличилась на 20-50% (рис. 7, 8).

25

20

15

10

г/кг

•Й

ii

Ji

10

30 11 02

60

90

сут

30 25

15 10

90 сут

Рисунок 7. Содержание НП в слое почвы 0-10 см при загрязнении ДТ 10 л/м2 (А) и 14 л/м2 (Б): 1 - без удобрений; 2 - с удобрениями

50 гг/кг

40

30

20

50 г/кг

40

im

~1

90 СУТ

11 02

10 30 60 90 СУТ ■ 1 а 2

Рисунок 8. Содержание НП в слое почвы 0-10 см при загрязнении ОММ 7,5 л/м2 (А) и смесью НП 10 л/м2 (Б): 1 — без удобрений; 2 — с удобрениями.

Также отмечено положительное влияние удобрений на влажность верхнего слоя почвы, загрязненной темными НП.

В то же время, интенсивная деструкция НП привела к проявлению фитотоксичности почвы в конце вегетационного периода - в лабораторных условиях отмечено достоверное снижение высоты проростков и длины корней, особенно при высокой степени загрязнения, Это обстоятельство является одной из причин проведения фиторемедиации на более поздних этапах восстановлении. При низком уровне загрязнения ДТ наблюдалась стимуляция роста тест-растений.

5.2. Использование биопрепаратов для восстановления загрязненных почв

В рамках данной работы были проведены исследования возможности применения микробных препаратов нефтеокисляющего действия для очистки почв от светлых и темных НП. Использовали два препарата: коммерческий препарат-

биодеструктор нефтяного загрязнения «Микрозим™ ПЕТРО-ТРИТ» и бактериальный препарат (препарат ИППЭС) на основе четырех штаммов бактерий рода Pseudomonas, выделенных из Al-Fe-гумусового агрозема, загрязненного НП. Бактериальный препарат разрабатывали в лаборатории экологии микроорганизмов ИППЭС КНЦ РАН. В разделе дано описание динамики содержания НП, влияния удобрений на влажность, актуальную кислотность и основные биологические показатели загрязненной почвы.

Было установлено, что применение бактериальных препаратов способствовало ускорению процессов очищения почвы от НП при загрязнении ДТ. При этом в варианте с низкой дозой загрязнения ДТ оба препарата не оказали достоверного влияния на содержание НП в почве. При высокой степени загрязнения препарат ИППЭС оказался более эффективным, ускоряя процесс очищения от НП на 30-50% по сравнению с загрязненной почвой без бактериального препарата (рис. 9).

30 25 20 15 10 5 0

90

90 сут

Рисунок 9. Содержание НП в слое почвы 0-10 см при загрязнении ДТ 14 л/м2 с использованием препарата «Микрозим» (А) и препарата ИППЭС (Б): 1 -ДТ; 2

-ДТ+ препарат.

Применение бактериальных препаратов в процессе рекультивации почвы, загрязненной мазутом и маслом, не дало каких-либо преимуществ в течение вегетационного периода. В почве, загрязненной смесью мазута и ДТ, использование бактериального препарата ИППЭС позволило на 55% уменьшить содержание НП в конце вегетационного периода по сравнению с вариантом без препарата (рис. 10).

В целом бактериальный препарат на основе аборигенных УОБ был более эффективен в условиях эксперимента, чем коммерческий препарат «Микрозим». Внесение бактериального препарата ИППЭС позволило ускорить процесс восстановления загрязненных почв за счет активизации деятельности бактериальной микробиоты, в частности УОБ. Скорость очищения верхнего слоя почвы от светлых

НП за вегетационный период увеличилась на 30-50%. В то же время, оба препарата оказались малоэффективны по отношению к темным НП.

40 г г/кг

90 СУ1"

Рисунок 10. Содержание НП в слое почвы 0-10 см при загрязнении смесью НП 10 л/м2 с применение препарата ИППЭС: 1 — НП; 2 - НП + препарат.

Применение препарата ИППЭС совместно с удобрениями по эффективности не уступает внесению только минеральных и органических удобрений, однако затраты по этому способу значительно выше. Это обстоятельство дает методу внесения минеральных и органических удобрений преимущество при проведении рекультивации почв.

5_}. Использование сорбента при рекультивации загрязненных почв

В данном разделе рассматривается возможность использования сорбента на основе вермикулита при загрязнении почвы светлыми и темными нефтепродуктами. Описана динамика содержания НП, влияние внесения сорбента на влажность, актуальную кислотность и основные биологические показатели загрязненной почвы.

В качестве сорбента использовали термоактивированный в газо-воздушной среде вермикулит - алюмосиликатный минерал. Для придания сорбенту гидрофобных свойств его обработали нещелочным кремнийорганическим соединением (олигометилсилоксаном) (Губкина и др., 2011).

Внесение сорбента в загрязненную почву не повлияло на содержание НП при низком и среднем уровне загрязнения НП. В вариантах с высоким количеством ДТ и ОММ к концу вегетационного периода скорость очищения почвы при внесении сорбента снизилась по сравнению с вариантом без сорбента на 40% (рис. 11).

90 сут

50 40 30 20 10 О

90сут

Рисунок 11. Содержание НП в слое почвы 0-10 см при загрязнении ДТ14 л/м2 (А) и ОММ (Б) с внесением сорбента: 1 - НП; 2 - НП + сорбент.

Применение сорбента с иммобилизованными клетками позволило предотвратить возможное распространение углеводородов по почвенному профилю, что, несомненно, является важным моментом в процессе рекультивации. Однако замедление процессов испарения и вымывания НП, а также их трансформации, привело к накоплению углеводородов в слое почвы с сорбентом, что в дальнейшем может сказаться на сроках восстановления загрязненной почвы.

5.4. Фиторемедиация загрязненных почв

В данном разделе описаны результаты, полученные в ходе проведения этапов фиторемедиации загрязненных почв на следующий год после внесения удобрений или биопрепаратов. Использовали подобранные ранее устойчивые виды растений - рожь многолетняя, овсяница луговая, двукисточник тростниковидный.

Исследования показали, что растения, рекомендуемые для проведения этапа фиторемедиации, обладают высокой устойчивостью к НП и положительно влияют на скорость очищения почвы. В то же время НП в высоких концентрациях оказывают токсичное действие на растения, что не позволяет проводить этап фиторемедиации при остаточном содержании в слое почвы 0-10 см более 5 г/кг продуктов трансформации ДТ и более 13 г/кг продуктов трансформации мазута и ОММ (рис. 12).

Таким образом, проведение биологического этапа рекультивации методами биостимуляции и биоаугментации с последующим засевом участков травами, устойчивыми к загрязнению почвы НП, позволило снизить содержание НП при загрязнении ДТ (14 л/м2) и мазутом (2,6 л/м2) до уровня ОДК. Без проведения восстановительных мероприятий процессы самовосстановления были замедлены, содержание НП превышало значение ОДК в 1,3-1,5 раза, а почва отличалась высокой степенью фитотоксичности.

При очищении почвы, загрязненной смесью мазута и ДТ (10 л/м2), удалось снизить содержание НП до значений, превышающих ОДК в 2 раза. Без проведения данных мероприятий процессы самовосстановления были замедлены, содержание НП превышало значение ОДК в 4 раза, а почва отличалась высокой степенью фитотоксичности. При загрязнении мазутом и ОММ в количестве 7,5 л/м2 проведенные мероприятия также не привели к снижению содержания НП до безопасного уровня в течение двух вегетационных сезонов, однако приемы биостимуляции и биоаугментации положительно сказались на очищении почвы, ускорив этот процесс на 40%.

800 600 400 200 0

■ г А см ■

■

ч

100 1200

80

900

60

600

40

20 300

0 0

ш

100 80 60 40 20 0

1.4

2.8

14

7 5

Рисунок 12. Средние значения фитомассы (1) и высоты (2) надземной части растений после загрязнения почвы: А -ДТ; Б-мазутом.

Выводы

1. Самоочищение окультуренного А1-Ре-гумусового подзола в условиях Кольского Севера от нефтяных углеводородов до значений ОДК и ниже проходит в течение 3-х летних месяцев при загрязнении дизельным топливом в количестве до 3 л/м2 и при загрязнении мазутом в количестве до 2,5 л/м . Загрязнение почвы в большем количестве приводит к увеличению периода самоочищения до 2-х и более лет в зависимости от количества и состава НП.

2. Очищение почвы от светлых НП происходит значительно быстрее, чем от темных, однако светлые НП оказывают более острое токсичное воздействие на растения.

3. Внесение минеральных и органических удобрений и использование микробных препаратов на основе аборигенных УОБ ускоряют процесс очищения загрязненных почв в условиях Кольского Севера.

4. Наиболее эффективен метод биостимуляции, основанный на использовании минеральных и органических удобрений для усиления

активности аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов, позволяющий увеличить скорость очищения почвы в 1,5-2 раза.

5. Загрязнение почвы НП в концентрациях до 5% стимулирует размножение УОБ и их активность, а также вызывает изменение видового состава сообществ почвенных микромицетов.

6. Почвы Кольского полуострова в условиях загрязнения НП являются источником дополнительной эмиссии в атмосферу диоксида углерода, образующегося в результате деструкции нефтяных углеводородов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в издания, рекомендованных ВАК РФ

1. Мязин В.А., Евдокимова Г.А. Биологическая активность почв северных приполярных областей при загрязнении нефтепродуктами // Инженерная экология. Москва, Изд-во «Инженерная экология», 2012. № 1. С. 17-23.

2. Евдокимова Г.А., Корнейкова М.В., Мязин В.А. Оценка динамики выноса газового конденсата из Al-Fe-гумусового подзола и его воздействия на комплексы почвенных грибов // Почвоведение. Москва, Изд-во «Наука», 2013. №3. С. 343-350.

Статьи в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах

1. Евдокимова Г.А., Гершенкоп А.Ш., Мозгова Н.П., Фокина Н.В., Мязин В.А. Очищение почв и сточных вод от нефтепродуктов комбинированными методами в условиях Севера // Вестник Кольского научного центра РАН. Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2010. №3. С. 34-39.

2. Evdokimova G.A., Masloboev V.A., Mozgova N.P., Fokina N.V., Myazin V.A. Bioremediation of Oil-Polluted Cultivated Soils in the Euro-Arctic Region // Journal of Environmental Science and Engineering A. USA. David Publishing Company, 2012. Vol. 1. № 9. P. 1130-1136. http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/ 109345292012.646102.

3. Evdokimova G.A., Gershenkop A.Sh., Mozgova N.P., Fokina N.V., Myazin V.A. Soils and waste water purification from oil products using combined methods under the North conditions // Journal of Environmental Science and Health, Part A. London, UK. Taylor & Francis, 2012. Vol. 47. Is. 12. P. 1733-1738.

Материалы конференций

1. Евдокимова Г.А., Мозгова Н.П., Мязин В.А., Фокина Н.В. Очищение почв высоких широт от нефтепродуктов // Современные проблемы загрязнения почв: Сб. материалов Ш Межд. научн. конф. Москва, Изд. МГУ, 2010. С. 504-507.

2. Корнейкова М.В., Мязин В.А. Комплексы микроскопических грибов целинных почв, загрязненных газовым // Экологические проблемы северных регионов и пути их решения: Матер. Ш-ей Всерос. научн. конф. с межд. участием. Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2010.4.1. С. 97-101.

3. Мязин В.А. Изменение ферментативной активности подзолов Кольского полуострова при загрязнении нефтепродуктами // Экологические проблемы северных регионов и пути их решения: Матер. Ш-ей Всерос. научн. конф. с межд. участием. Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2010. Ч. 1. С. 119-123.

4. Фокина Н.В., Мозгова Н.П., Евдокимова Г.А., Мязин В.А. Динамика убыли нефтепродуктов из агроземов и их микробиологическая активность // Антропогенная трансформация природной среды: Матер. Межд. конф. Пермь, Изд. Пермского Государственного Университета, 2010. Т.Ш. С 452458.

5. Евдокимова Г.А., Мозгова Н.П., Мязин В.А., Поликарпова Н.В. Исследование состояния почвенного покрова в долине реки Паз, включая территорию заповедника «Пасвик» // Экологические функции лесных почв в естественных и нарушенных ландшафтах: Матер. IV Всерос. научн. конф. с межд. участием по лесному почвоведению. Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2011.4.1. С.81-86.

6. Фокина Н.В., Мязин В.А. Интенсивность выноса газового конденсата из лесных и окультуренных подзолистых почв и его влияние на бактериальный комплекс // Экологические функции лесных почв в естественных и нарушенных ландшафтах: Матер. IV Всерос. научн. конф. с межд. участием по лесному почвоведению. Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2011.4.1. С.138-141.

7. Evdokimova G.A., Fokina N.V., Mozgova N.P., Myazin V.A. Biological recultivation of the soil contamination with oil products at high latitudes // Ecology of Soil Microorganisms. Abstract book. Prague, Czech Republic. Wiley Blackwell, 2011. P. 179.

8. Мязин B.A. Изменение ферментативной активности подзолов Кольского полуострова при загрязнении нефтепродуктами // Экологические проблемы северных регионов и пути их решения: Материалы IV Всероссийской научной конференции с международным участием. Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2012. 4.1. С. 95-99.

9. Щеглова С.Ю., Мязин В.А. Влияние различных доз минеральных удобрений на почвы, загрязненные нефтепродуктами /7 Проблемы арктического региона: Тез. докл. 12-ой межд. научн. конф. студентов и аспирантов. Мурманск, Изд-во ММБИ КНЦ РАН, 2012. С. 112.

10. Фокина Н.В., Мязин В.А. Исследование состояния микробиоты почв горной системы реки Паз на Кольском полуострове // Горные экосистемы и их компоненты: Матер. IV Межд. конф. Нальчик, Изд-во М.и В. Котляровых ООО «Полиграфсервис и Т», 2012. С. 34-35.

11. Masloboev V.A., Evdokimova G.A., Myazin V.A. Bioremediation of the Arctic soils contaminated by oil spills // Energies of the High North - Arctic Frontiers. Tromso, Norway. University of Tromse, 2012. P. 59.

12. Мязин В А., Фокина RB. Исследование эффективности различных способов биологической рекультивации почв, загрязненных нефтепродуктами, в климатических условиях Кольского полуострова // Современные проблемы загрязнения почв: Сб. материалов IV Межд. научн. конф. Москва, Изд. МГУ, 2013. С. 402-406.

13. Губкина Т.Г., Украинская КВ., Фокина Н.В., Мязин В.А. Биотехнологический способ очистки воды и почвы от загрязнения нефтепродуктами // Современные проблемы загрязнения почв: Сб. материалов IV Межд. научн. конф. Москва, Изд. МГУ, 2013. С. 394-396.

14. Мязин ВА Изменение ферментативной активности почвы при ее загрязнении нефтепродуктами // Актуальные проблемы региональной экологии и биодиагностика живых систем: Материалы XI Всерос. научно-практ. конф.-выставки инновационных эколоческих проектов с междунар. участием. Киров, Изд-во «Веси», 2013. С. 275-279.

Автореферат

МЯЗИН Владимир Александрович РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОРЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ НЕФТЕПРОДУКТАМИ (В УСЛОВИЯХ МОДЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА)

Технический редактор В.И. Бондаренко

Подписано к печати 28.03.2014 Формат бумаги 60x84 1/8.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Times/Cyrillic Усл. печ. л. 3.48. Заказ №11. Тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Кольский научный центр Российской академии наук 184209, г. Апатиты, Мурманская область, ул. Ферсмана, 14

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мязин, Владимир Александрович, Апатиты

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИИ СЕВЕРА КОЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

на правах рукописи

04201456332 Мязин Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОРЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ НЕФТЕПРОДУКТАМИ (В УСЛОВИЯХ МОДЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА)

03.02.08 Экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

биологических наук

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор, Евдокимова Галина Андреевна

Апатиты - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................................7

1. Обзор литературы...............................................................................................12

1.1. Источники и причины поступления НП в почву..................................................12

1.2. Распределение НП по почвенному профилю......................................................14

1.3. Изменение физических и химических свойств почв после загрязнения НП................16

1.4. Влияние нефти и НП на биологическую активность почвы....................................20

1.4.1. Изменение состояния почвенного микробоценоза.......................................20

1.4.2. Изменение состояния альгоценоза почв....................................................23

1.4.3. Изменение состояния педобионтов - почвенных беспозвоночных...................24

1.4.4. Изменение ферментативной активности загрязненной почвы.........................25

1.5. Реакция растений на загрязнение почвы НП.......................................................29

1.6. Трансформация НП в почве...........................................................................32

1.6.1. Механизмы трансформации углеводородов................................................34

1.6.2. Основные этапы трансформации УВ........................................................35

1.6.3. Скорость очищения почвы от НП............................................................36

1.7. Диагностика нефтезагрязненных почв...............................................................37

1.8. Нормирование загрязнения почвы НП...............................................................39

1.9. Методы рекультивации нефтезагрязненных почв................................................43

1.9.1. Механическая очистка..........................................................................43

1.9.1.1. Сорбенты.....................................................................................43

1.9.1.2. Структураторы..............................................................................44

1.9.2. Биоаугментация..................................................................................44

1.9.2.1 .Микроорганизмы-нефтедеструкторы...................................................45

1.9.2.2. Биопрепараты нефтеокисляющего действия..........................................45

1.9.3. Биостимуляция...................................................................................46

1.9.3.1. Минеральные удобрения..................................................................46

1.9.3.2. Органические удобрения..................................................................49

1.9.4. Фиторемедиация.................................................................................49

2. Объекты и методы исследования...........................................................................51

2.1. Характеристика района проведения исследования................................................51

2.1.1. Местоположение.................................................................................51

2.1.2. Климатические условия........................................................................51

2.1.3. Почва...............................................................................................53

2.2. Описание полевых модельных опытов..............................................................53

2.2.1. Полевой модельный опыт 2010 года.........................................................53

2.2.2. Полевой модельный опыт 2011 года.........................................................55

2.2.3. Полевой модельный опыт 2012 года.........................................................56

2.3. Методы химического анализа почвы................................................................59

2.3.1. Определение массовой доли НП..............................................................59

2.3.2. Определение влажности почвы...............................................................59

2.3.3. Определение актуальной кислотности почвы.............................................60

2.4. Методы биологического анализа почв...............................................................60

2.4.1. Определение численности микроорганизмов.............................................60

2.4.2. Определение ферментативной активности почвы........................................61

2.4.2.1. Определение активности инвертазы...................................................61

2.4.2.2. Определение активности дегидрогеназы..............................................61

2.4.2.3. Определение активности каталазы......................................................62

2.4.3. Определение эмиссии СОг почвой полевым камеро-статическим методом.........62

3. Динамика содержания нефтепродуктов в почве и изменение некоторых физико-химических свойств почв....................................................................................................64

3.1. Динамика содержания углеводородов в почве при загрязнении светлыми НП............64

3.2. Динамика содержания углеводородов в почве при загрязнении темными НП.............65

3.3. Изменение актуальной кислотности при загрязнении почвы НП..............................66

3.4. Изменение влажности почвы при загрязнении НП...............................................67

4. Биологическая активность загрязненных почв.........................................................69

4.1. Изменение численности основных трофических групп бактериальной микробиоты при загрязнении почвы НП..................................................................................69

4.1.1. Сапротрофные бактерии........................................................................69

4.1.2. Углеводородокисляющие бактерии.........................................................70

4.2. Изменение численности и видового состава почвенных микромицетов при загрязнении почвы НП..................................................................................................73

4.3. Ферментативная активность загрязненных почв..................................................75

4.3.1. Активность инвертазы..........................................................................75

4.3.2. Активность каталазы...........................................................................76

4.3.3. Активность дегидрогеназы....................................................................76

4.4. Интенсивность эмиссии СОг загрязненной почвой...............................................77

4.5. Фитотоксичность загрязненной почвы..............................................................78

5. Практические аспекты биоремедиации почв при загрязнении нефтепродуктами...............80

5.1. Использование минеральных и органических удобрений для стимуляции

углеводородокисляющих микроорганизмов при загрязнении почвы НП....................80

5.1.1. Динамика содержания углеводородов в почве при загрязнении ДТ после внесения удобрений..........................................................................................80

5.1.2. Динамика содержания углеводородов в почве при загрязнении темными НП после внесения удобрений.....................................................................81

5.1.3. Изменение актуальной кислотности загрязненной почвы после внесения удобрений..........................................................................................83

5.1.4. Изменение влажности загрязненной почвы после использования удобрений......84

5.1.5. Изменение численности основных трофических групп бактериальной микробиоты после внесения удобрений в загрязненную ДТ почву..................85

5.1.6. Изменение численности основных трофических групп бактериальной микробиоты после внесения удобрений в загрязненную темными НП почву......86

5.1.7. Изменение численности почвенных микромицетов после внесения удобрений в загрязненную ДТ почву........................................................................88

5.1.8. Изменение численности почвенных микромицетов после внесении удобрений в загрязненную темными НП почву............................................................88

5.1.9. Ферментативная активность загрязненной почвы после использования удобрений..........................................................................................89

5.1.10. Интенсивность эмиссии СОг загрязненной почвой после использования удобрений..........................................................................................91

5.1.11. Фитотоксичность загрязненной почвы после внесения удобрений...................92

5.2. Использование биопрепаратов для восстановления загрязненных почв.....................95

5.2.1. Разработка бактериального препарата......................................................95

5.2.2. Динамика содержания углеводородов в почве при загрязнении ДТ после внесения бактериальных препаратов.....................................................................96

5.2.3. Динамика содержания углеводородов в почве при загрязнении темными НП после внесения бактериальных препаратов................................................98

5.2.4. Изменение актуальной кислотности загрязненной почвы после использования бактериальных препаратов.....................................................................99

5.2.5. Изменение влажности загрязненной почвы после использования бактериальных препаратов.......................................................................................101

5.2.6. Изменение численности основных трофических групп бактериальной микробиоты при загрязнении ДТ после внесения бактериальных препаратов... 102

5.2.7. Изменение численности основных трофических групп бактериальной микробиоты при загрязнении темными НП после использования бактериальных препаратов.......................................................................................104

5.2.8. Изменение численности почвенных микромицетов в загрязненной ДТ почве после применения бактериальных препаратов...................................................106

5.2.9. Изменение численности почвенных микромицетов в загрязненной темными НП почве после применения бактериальных препаратов...................................107

5.2.10. Ферментативная активность загрязненной почвы после применения бактериального препарата....................................................................108

5.2.11. Интенсивность эмиссии СОг загрязненной почвой после применения бактериальных препаратов...................................................................109

5.2.12. Фитотоксичность загрязненной почвы....................................................110

5.3. Использование сорбента при рекультивации загрязненных почв............................114

5.3.1. Динамика содержания углеводородов в почве при загрязнении НП и применении сорбента..........................................................................................116

5.3.2. Изменение актуальной кислотности загрязненной почвы при использовании сорбента..........................................................................................116

5.3.3. Изменение влажности загрязненной почвы при использовании сорбента.........116

5.3.4. Изменение численности основных трофических групп бактериальной микробиоты при загрязнении ДТ и использовании сорбента........................117

5.3.5. Изменение численности основных трофических групп бактериальной микробиоты при загрязнении темными НП и использовании сорбента............118

5.3.6. Изменение численности почвенных микромицетов в загрязненной почве при использовании сорбента......................................................................119

5.3.7. Интенсивность эмиссии СОг загрязненной почвой при использовании сорбента..........................................................................................120

5.3.8. Фитотоксичность загрязненной почвы....................................................121

5.4. Фиторемедиация загрязненных почв...............................................................123

5.4.1. Проведение этапа фиторемедиации при загрязнении почвы смесью мазута и ДТ..................................................................................................................................123

5.4.2. Проведение этапа фиторемедиации при загрязнении почвы мазутом и ДТ в различных концентрациях....................................................................127

Заключение........................................................................................................133

Выводы.............................................................................................................136

Список литературы..............................................................................................137

Приложение 1.....................................................................................................160

Приложение 2.....................................................................................................162

Приложение 3.....................................................................................................164

Приложение 4.....................................................................................................166

Приложение 5.....................................................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Нефть и нефтепродукты (НП) на сегодняшний день являются одним из приоритетных загрязнителей окружающей среды в России. Мурманская область не относится к регионам, осуществляющим добычу и переработку нефти, однако загрязнение окружающей среды данным типом полшотанта является актуальным и для нашего региона. В число потенциально опасных источников загрязнения почвы относятся нефтебазы, объекты топливно-энергетического комплекса, крупные промышленные предприятия, имеющие в своей структуре автотранспортные подразделения, автозаправочные станции др. Определенную роль в общий объем загрязнения вносят объекты Министерства обороны РФ. При этом нельзя исключать достаточно высокий износ оборудования, на котором осуществляются операции с НП (хранение, транспортировка, отгрузка, бункеровка) на данных объектах. Наблюдается загрязнение почвы на территории, где располагались расформированные в настоящее время воинские подразделения. При этом рекультивация загрязненных участков не проводилась, вывоз оборудования и горюче-смазочных материалов проходил с нарушениями, что также приводило к загрязнению почвы.

За последнее время увеличились объемы морской транспортировки нефти по Баренцеву и Белому морям. В 2002 году из России в Европу по Баренцеву морю было доставлено 4 млн. тонн нефти и нефтепродуктов, в 2003 году было перевезено уже 8 млн. тонн, в 2004 году - 12 млн. тонн. С 2005 по 2008 годы годовые объемы транспортировки НП были на уровне 9,5-11,5 млн. тонн (Бамбуляк, Францен, 2009). За 2010 год береговыми и рейдовыми терминалами порта Мурманск было перевалено 17,6 млн. тонн нефтеналивных грузов. За тот же период из морского порта Витино (Белое море) было отправлено на экспорт 4,4 млн. тонн различных НП (Прогноз развития..., 2011). Увеличение объемов транспортировки влечет за собой рост возможности возникновения аварийных ситуаций, в том числе связанных с загрязнением почвы.

Почвы Кольского полуострова обладают низкой биогенностыо, а, следовательно, и низким потенциалом самоочищения, что делает их довольно уязвимыми в случае возможного загрязнения (Евдокимова, 1995; Евдокимова, Мозгова, 2001). На сегодняшний день существует большое количество способов очистки почвы, но нас в первую очередь интересовали те, которые позволяют свести к минимуму технологические операции при очистке и последующем восстановлении почв. С нашей точки зрения, наиболее перспективными в условиях Мурманской области могут стать методы биоремедиации. Основными этапами очистки и восстановления загрязненной почвы при таком подходе являются механическая уборка нефти или НП с поверхности почвы, биостимуляция, т.е. стимулирование деятельности углеводородокисляющей почвенной микробиоты (создание благоприятных водно-воздушных и

питательных условия) и фиторемедиация, т.е. очистка почв с использованием зеленых растений и ризосферных микроорганизмов на заключительном этапе восстановления.

Ранее на территории Мурманской области уже проводили исследования процессов биодеградации нефтепродуктов в загрязненных почвах (Зосин и др., 2001; Разработка технологии..., 2009; Месяц, Шемякина, 2009; Месяц, Аверина, 2010). Однако предложенные методы рекультивации в одном случае требовали извлечения почвы с последующей ее обработкой на специальном полигоне, что привело бы в целом к необратимому изменению почвенного профиля и нарушению гидрологических условий. В другом случае необходимо внесение в почву биопрепаратов или сорбентов, что серьезно увеличило бы затраты на проведение восстановительных мероприятий.

Цель работы - разработка способов повышения эффективности биоремедиации почв Кольского Севера при загрязнении продуктами переработки нефти.

Основные задачи работы

1. Оценка возможности применения различных методов ремедиации загрязненных почв в природно-климатических условиях Кольского полуострова.

2. Изучение динамики содержания углеводородов в почве и изменения биологической активности почвы при загрязнении НП в условиях полевого модельного эксперимента.

3. Оценка влияния различных технологий биоремедиации на биологическую активность загрязненной почвы и остаточное содержание НП в почве в условиях полевого модельного эксперимента.

4. Разработка эффективной технологии биоремедиации, позволяющей с наименьшими затратами проводить очистку и восстановление почв, загрязненных НП, в условиях Кольской Субарктики.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в 2010-2013 гг. на территории Мурманской области был проведен ряд полевых модельных экспериментов по исследованию восстановления почв, загрязненных светлыми и темными НП. В качестве приемов биоремедиации вносили минеральные и органические удобрения, использовали коммерческий бактериальный препарат и собственный, последний изготовленный на основе штаммов углеводородокисляющих бактерий (УОБ), выделенных из загрязненных почв Кольского полуострова, а также вермикулитовый сорбент с иммобилизованными клетками микроорганизмов-деструкторов нефти. Остаточное содержание НП в почве определяли методом ИК-спектрометрии на анализаторе АН-2. Для оценки биологической активности почвы исследовали численность основных трофических групп почвенных микроорганизмов, ферментативную активность почвы (инвертаза, каталаза, дегидрогеназа) и интенсивность эмиссии почвой СОг. Также в исследуемых образцах определяли влажность и актуальную

кислотность водной вытяжки почвы. На загрязненных участках на этапе фиторемедиации изучали состояние многолетних злаков (фитомасса, высота растений, количество и масса колосьев). Обработка полученных данных осуществлялась с применением методов математической статистик�