Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РЕКУЛЬТИВАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ

Томский И.С. 1 Ерофеевская Л.А. 2 Томская Л.А. 1
1 Политехнический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова»
2 Институт проблем нефти и газа СО РАН
Настоящая статья посвящена исследованию штаммов нефтеокисляющих микроорганизмов, выделенных и культивированных из почв, используемых при восстановлении земель Северных и Арктических территорий от нефтяных загрязнений, возникающих при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов, бурении, освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, а также при транспортировке нефти. Актуальность исследований связана с особой ранимостью и долгим регенерационным периодом криогенной почвы, обусловленным природно-климатическими условиями. Рассмотрены вопросы индикации эффективности действия микроорганизмов на нефтезагрязненных почвах с помощью оценки активности фермента - уреаза. Обнаружена прямая корреляционная зависимость уреазной активности от степени нефтезагрязнения в различных видах почв. Установлено, что с помощью индикации уреазной активности можно оценивать степень восстановительного действия штаммов аборигенных микроорганизмов и биопрепаратов «Дестройл» и «Байкал ЭМ-1» на нефтезагрязненные почвы.
нефтеокисляющие микроорганизмы
нефтезагрязненные почвы
уреаза
ферментативный анализ
Рекультивация
1. Березин, И.В., Мартинек, К. Основы физической химии ферментативного катализа / Учеб.пособие для студентов хим. и биол. фак. ун-тов. – М.: Высшая школа, 1977.– 280 с.
2. Булатов, А.И., Макаренко, П.П., Шеметов, В.Ю. Справочник инженера-эколога нефтедобывающей промышленности по методам анализа загрязнителей окружающей среды: в 3 ч. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999г. Ч. 2: Почва. – 634 с.
3. Полторак, О., Чухрай Е. Физико-химические основы ферментативного катализа. – М.:Высшая школа, 1970. –360 с.
4. РД 39-00147105-006-97 «Инструкция по рекультивации земель, нарушенных и загрязненных при аварийном и капитальном ремонте магистральных нефтепроводов». – Уфа, 1997.
5. Томский, И.С., Ерофеевская, Л.А. Изучение активности фермента уреазы в мерзлотных почвах Якутии, загрязненных углеводородами нефти // Химия и химическое образование: Мат-лы 5-го Межд. симпозиума / (ДВФУ, 12 - 18 сент. 2011 г.). – Владивосток, 2011. – С. 51-53.
6. Хазиев, Ф.Х. Методы почвенной энзимологии / Ин-т биологии Уфим. НЦ. – М.: Наука, 2005. – 252 с.
В настоящее время техногенное загрязнение природной среды является одной из актуальных экологических проблем во всем мире, так как создает угрозу стойкого и необратимого изменения химического состава, физических, биохимических и микробиологических свойств почвы, определяющих ее плодородие. Для оценки состояния почвы в измененных и изменяющихся условиях окружающей среды основное значение приобретают не собственно количественные характеристики загрязнений, а их последствия.

Почва подвергается интенсивному антропогенному влиянию и служит одним из опасных звеньев циркуляции промышленных и сельскохозяйственных токсических веществ. Разнообразные химические реакции в почве, связанные с обменом веществ, разложением и синтезом органических веществ, миграцией химических соединений, мобилизацией питательных элементов другими факторами, осуществляются ферментативно. Высокая чувствительность, точность, относительная простота и нетрудоемкость методов определения активности почвенных ферментов позволяют использовать их при оценке интенсивности и направленности важнейших для жизни и плодородия почвы биохимических процессов. По активности ферментов судят об агрономически значимых показателях, плодородии, превращении гумусовых веществ, окислительно-восстановительном режиме почвы. Активность ферментов отражает интенсивность основных биохимических процессов - самоочищение почвы и разложение органических соединений азота, фосфора, углерода, а также степень эродированности и загрязнения почвы.

Биодиагностика состояния и степени загрязнения почв по ферментативным показателям приобрела в последнее время особенно важное значение. Отсутствие стандартных, унифицированных методов определения активности почвенных ферментов пока затрудняет выявление возможности и области использования ферментов в целях биодиагностики.

Использование ряда ферментативных показателей при оценке общей биологической активности плодородия почвы в настоящее время общепринято. В качестве диагностического показателя загрязнения почв наиболее перспективными оказались ферменты класса оксидоредуктаз, в частности дегидрогеназы. Высокая чувствительность дегидрогеназ к химическим веществам используется при оценке токсичности сточных вод промышленных предприятий. Все это послужило основанием при выборе активности дегидрогеназ в качестве одного из диагностических показателей загрязнения почв [2].

Перспективным способом очистки и восстановленияпочв от нефтяных загрязнений является их обработка штаммами нефтеокисляющих микроорганизмов, выделенных и культивированных в данной местности. Под воздействием микроорганизмов нефть и нефтепродукты подвергаются деструкции за счет использования их клетками бактерий или грибов в качестве источников питания. В процессе жизнедеятельности клеток углеводороды превращаются в органические вещества, используемые как строительный материал для роста и развития другой почвенной микрофлоры.

Применение биопрепаратов на основе штаммов нефтеокисляющих микроорганизмов, способных утилизировать загрязняющие вещества и защищать почвы от воздействия патогенной микрофлоры, что особенно актуально для растительных покровов Северных территорий и Арктики, поскольку криогенные почвы обладают особой ранимостью. Такой подход к решению данной проблемы позволяет в короткие сроки в суровых климатических условиях предотвратить распространение веществ-загрязнителей на природные ландшафты, повысить плодородие почв, а также значительно улучшить санитарное состояние, как на самихзагрязненных участках, так и на смежных территориях.

Однако, активная жизнедеятельность почвенных микроорганизмов возможна лишь при определенных оптимальных условиях. Это вызывает необходимость разработки технологий применения бактериальных препаратов нефтеокисляющих микроорганизмов для каждой почвенно-климатической зоны с целью адаптации микроорганизмов к условиям среды их обитания. Такого рода исследования и работы особо значимы в суровых условиях Северных регионов России, в частности Якутии с коротким, жарким и сухим летом и длинной, суровой зимой.

Почва и ее сложное микробиологическое сообщество до некоторой степени способны воспринимать и разлагать разнообразные загрязнители на основе нефти, превращая их в нетоксические формы. Микробы обладают способностью производить внеклеточные ферменты, приводящие к расщеплению сложных углеводородных соединений, что ведет к их трансформации в питательную среду. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все источники питания не будут разложены до двуокиси углерода, воду и биомассу, которые служат пищей для других микроорганизмов и высших сообществ живой природы. Все это вызывает необходимость более детального изучения почвенных внеклеточных ферментов, как инициаторов и катализаторов расщепления углеводородных соединений широкого спектра [1,3].

Эффективность обработки нефтезагрязненных территорий микробиологическими препаратами можно проследить по изменению активности почвенных внеклеточных ферментов. Одним из таких ферментов является уреаза. Из-за сложности анализа механизма действия фермента, исследовались только уровни ее активности, что и являлось целью настоящей работы.

Исследования проводились в лабораторно-полевых условиях на различных участках, загрязнѐнных от разлива сырой нефти, по пути следования трассы трубопроводной системы «Восточная Сибирь - Тихий Океан». Объектами исследований служили почвы фоновых и нефтезагрязненных территорий с внесением биопрепаратов Байкал ЭМ-1 и Дестройл совместно используемых с препаратами приготовленными из аборигенных микроорганизмов.

Биопрепарат Байкал ЭМ-1 - успешная отечественная разработка, основанная на применение микробиологических факторов воздействия на растения. Байкал ЭМ-1 принципиально отличается от всех известных удобрений. В состав препарата входят: молочнокислые, азотофиксирующие, фотосинтезирующие бактерии и дрожжи. Молочнокислые бактерии - очищают землю от вредных химикатов. На бедных почвах по максимуму помогают выделить труднодоступные питательные вещества. Так же эти микроорганизмы помогают бороться с сорняками, разлагая их отсеченный после прополки корень, оставленный в земле. Азотофиксирующие бактерии - не дают азоту покидать почвенно-удерживающий комплекс, испаряясь в виде аммиачных соединений. Положительно влияют на развитие растений на всех этапах. Фотосинтезирующие бактерии - омолаживают растение, регенерируя клетки и ткани. Дрожжи (аэробные и анаэробные пласты) - вырабатывают вещества, защищающие растение от болезней. В состав комплекса включен новый вид микроорганизмов - (TorulopsisCurunga), открытых создателем препарата, П.А. Шаблиным. В этом препарате содержится около 1 млрд. эффективных микроорганизмов на 1 литр объема. Так же в жидкости содержаться остатки жизнедеятельности и питательная среда, на которой эти бактерии выращивались. Для применения Байкал ЭМ-1 разводят в пропорции 1:1000.

Действие биопрепарата Дестройл основано на высокой окислительной активности микробной культуры в отношении углеводородов нефти и нефтепродуктов. Нефтеокисляющие бактерии разрушают практически все углеводороды, от метана до самых тяжелых остатков. В качестве источников питания используются углеводороды и минеральные соли. Внесение минеральной подкормки стимулирует при этом и местные биоценозы. Отмершие клетки культуры-продуцента образуют непатогенную и нетоксичную биомассу, которая в трофической цепи легко утилизируется местной сапрофитной микрофлорой, создавая основу для формирования гумуса в почве или образуя донный ил. Дестройл производится в виде порошка или пасты, состоящих из клеток микроорганизма, обладающих углеводородоокисляющей активностью с концентрацией не менее 100 млн. клеток в 1 г. препарата. Для ускорения процесса бактериологического разложения нефти в рабочий раствор вносят Hydrobreak PLUS в количестве 1:500 рабочей суспензии, а в случае вязких или засохших нефтепродуктов Hydrobreak POWER в количестве 1:100 рабочей суспензии.

Пробы почвы для определения активности уреазы были отобраны послетехнической рекультивации. Активность уреазы определяли колориметрическим методом на спекрофотометре CECIL Aquarius при длине волны 400нм. Для этого берут 5 г воздушно-сухой почвы,  помещают в колбу ёмкостью 100 мл, приливают 20 мл 2%-ного раствора мочевины в фосфатном буфере (рН=6,7) и 200 мкл толуола. Колбу плотно закрывают и помещают в термостат при температуре 37°С на 4 ч. После экспозиции приливают 1 мл 50%-ного раствора трихлоруксусной кислоты. Затем для вытеснения из почвы поглощенного аммиака доливают 50 мл 1н. раствора хлористого калия. Содержимое колб фильтруют 2 мл фильтрата, помещают в мерную колбу объёмом 50 мл, разводят водой до 30 мл, затем приливают 2 мл 50%-ного раствора сегнетовой соли и 2 мл реактива Несслера. В мерной колбе раствор доводят до метки, перемешивают и окрашенный раствор колориметрируют при длине волны 400 нм. Контроли ставят с реактивами без почвы и с почвой без субстрата. В оба контроля после экспозиции также добавляют трихлоруксусную кислоту. Содержание аммиака в фильтрате рассчитывают по стандартной кривой. Активность уреазы выражают в миллиграммах N-NH4 на 1 г почвы за 4 ч.[6].

В результате анализа были получены следующие данные активности уреазы в зависимости от типа почв, которые представлены в нижеследующей таблице.

Таблица

Активность уреазы от типа почвы

Тип почвы

Участки

Опыт

Активность уреазы, %

Дерново-подзолистая суглинистая

1

Т-4

100

У-3

8,5

У-6

6,2

У-8

16,4

У-7

0,3

Мерзлотная подзолистая

2

Ф-1

100

Д1-2

3,8

А-4

125,8

3

Ф-04

100

С-4

71,2

С-14

50,3

СУ-5Б

262,1

Примечание: Т, Ф - фоновая, У, С - нефтезагрязненные участки, А - участки обработанные аборигенными микроорганизмами, Д1-2 - участки обработанные аборигенными микроорганизмами с препаратом «Дестройл», СУ-5Б - участки обработанные аборигенными микроорганизмами с препаратом «Байкал ЭМ-1».

Как видно из приведенных данных, уже первичная микробиологическая обработка загрязненных дерново-подзолистых суглинистых почв приводит к уменьшению общего содержания нефти и нефтепродуктов, но активность уреазы при этом не достигает фонового значения. Тогда как, обработка мерзлотных подзолистых типов почв аборигенными микроорганизмами дает более эффективные результаты. Следует отметить, что добавление препарата «Дестройл» (Д1-2) к вытяжке аборигенных микроорганизмов при обработке почв приводит к угнетению активности уреазы, что свидетельствует о неэффективном применении данного препарата. Использование препарата «Байкал ЭМ-1» (СУ-5Б) наоборот приводит к увеличению уреазной активности более чем в 2,5 раза[5].

Таким образом, определяя уровень уреазной активности можно судить об интенсивности жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, участвующих в восстановлении нефтезагрязненных земель. Уреазная активность показывает также необходимость проведения рекультивационных работ в несколько этапов для достижения желаемых результатов.

Для ускорения процесса восстановления плодородия нарушенных земель, после биологической очистки в опытных участках, была проведена фитомелиорация. В процессе выполнения исследования использовалась методика рекультивации, согласно РД 39-00147105-006-97 [4]. Перед высевом трав проводилось биотестирование нескольких сортов растений, способных расти на разных типах почв, загрязненных нефтью.

По результатам этого тестирования для фиторекультивации нарушенных территорий отбирались растения с наиболее высокими показателями всхожести и способностью дернообразования в нефтезагрязненном субстрате, а именно: тимофеевка луговая (Phleumpratense); вика посевная (Viciasativa); овес посевной (Avenasativa); ежа сборная (Dactylisglomerata); овсяница луговая (Festucapratensis). Все семена имели сертификаты сортовой идентификации и карантинной экспертизы. Через 100 дней после посева на рекультивируемых участках был отмечен травостой, высота которого варьировала от сорта растений.

Таким образом, задача доочистки нефтезагрязненных площадок решалась тем, что в почвы нарушенной территории вносились биопрепараты, содержащие полезные микроорганизмы, культивированные в среде, содержащей именно ту нефть, которая была разлита на конкретных участках. Тем самым, создаются условия для обеспечения симбиотического роста почвенных бактерий и грибов нефтезагрязненного участка. К окончанию проведения экспериментов, почвенно-растительный слой опытных участков были переведены в состояние, соответствующее безопасному уровню, который характеризует способность почв к естественному самоочищению.

Рецензенты:

Коробков И.Г., д.г.-м.н., профессор, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского геологоразведочного предприятия АК АЛРОСА (ПАО), г. Якутск;

Петрова Н.Н., д.х.н., профессор, заведующий кафедрой общей, аналитической и физической химии Института естественных наук Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова, г. Якутск.


Библиографическая ссылка

Томский И.С., Ерофеевская Л.А., Томская Л.А. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РЕКУЛЬТИВАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=23167 (дата обращения: 27.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074