Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

На сегодняшний день остается актуальной проблема загрязнения почвенного покрова нефтесодержащими веществами, а также продуктами нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий. Нефтегазовая отрасль остается одной из областей деятельности с повышенной аварийностью.

Существует несколько способов очистки почвенного покрова от нефтепродуктов (НП): механический, физико-химический и биологический. Первый включает в себя удаление веществ нефтяных загрязнений с помощью растворителя или обработкой почвы электронагревом (витрификация). Физический метод позволяет удалять ионы загрязнителя с помощью электрического тока (электромелиорация). Химическим воздействием на загрязнитель возможно подействовать посредством окислителя, а биологическим – благодаря использованию достижений биотехнологии [1].

Для объективной оценки состояния почв необходим систематический мониторинг на территории потенциальной опасности их загрязнения, причем в перечень пробных площадей должны быть включены природные аналоги или ландшафты с минимальной степенью изменчивости (фоновые территории) [2]. Сложностью получения репрезентативных данных мониторинга является то, что точное определение содержания химических элементов в почвах может быть сложным и трудоемким процессом. Это связано с необходимостью полного разложения алюмосиликатов, которые удерживают значительную часть этих элементов, особенно в незагрязненных почвах [3].

В случае загрязнения почв в результате разлива нефтепродуктов остро встает вопрос выбора метода ликвидации разлива и последующей рекультивации нарушенных ландшафтов. И одним из перспективных методов является сорбционный. Одной из ключевых характеристик сорбентов, которые привлекают внимание при очистке почв от НП, являются их природа происхождения и отсутствие токсичности. В контексте последующей рекультивации территории важно, чтобы выбранный сорбент не только очищал, но и улучшал структуру почвы. Кроме того, желательно, чтобы сорбент обладал свойствами биоразложения, что способствует естественному процессу разложения загрязнений. Также источником минерального питания для углеводород-разлагающих бактерий может служить выбранный сорбент. Все эти свойства делают сорбенты эффективными инструментами для рекультивации загрязненных территорий [4, 5].

Экологичности процесса ликвидации загрязнения нефтепродуктами возможно достичь посредством биоремедиации. Биоремедиация – это процесс, при котором целенаправленно усиливается активность специфической микрофлоры в почве, которая способна разлагать НП. Для этого можно добавить определенные микробные культуры в почву или использовать биосорбенты – сорбенты, на которых закреплены микроорганизмы, способные разрушать НП. Еще один подход к биоремедиации – это фиторекультивация, при которой используются растения для создания благоприятных условий для микроорганизмов, осуществляющих утилизацию НП и нефти. Оба подхода имеют свои преимущества и могут быть эффективными методами биоремедиации.

Продолжаются исследования, направленные на изучение возможности генетической модификации микроорганизмов для улучшения их способности разлагать нефтяные загрязнения. Это может включать изменение генов, ответственных за процессы разложения углеводородов, чтобы усилить их активность или изменить их специфичность по отношению к определенным типам нефтяных загрязнений. В целом исследования в этой области имеют большой потенциал для разработки более эффективных и экологически безопасных методов очистки нефтяных загрязнений. Однако для применения этих методов на практике необходимо учесть все возможные негативные последствия для окружающей среды и общества и провести достаточное количество исследований и испытаний, чтобы гарантировать их безопасность и эффективность.

Цель данного исследования заключается в изучении современных методов очистки почвенного покрова от НП с использованием биосорбентов «С-ВЕРАД» и «Biteoil».

Материалы и методы исследования

Для проведения исследования отбор проб почвы осуществлялся на площади аварийного разлива НП в районе нефтепровода «Куюмба – Тайшет», который проходит по территориям Эвенкийского, Богучанского и Нижнеингашского районов Красноярского края и Тайшетского района Иркутской области. Нефтепровод относится к объекту повышенной опасности, на котором возможны различные ситуации, связанные с попаданием НП в почву в результате аварий и техногенных катастроф [6].

В работе были использованы два сорбента для очистки почвенного покрова от НП «С-ВЕРАД» и «Biteoil». Характеристика сорбентов представлена в табл. 1.

По сравнению с сорбентами органического (мох, древесные опилки) и полимерного (синтепон, пенопласт) происхождения, угольный сорбент «С-ВЕРАД» имеет ряд преимуществ: химически стоек, сохраняя при этом высокую поглотительную способность; не горюч (температура плавления 1200 °С); пожаровзрывобезопасен. Однако необходимость специального оборудования для его использования и продолжительное время очистки ограничивают возможности его применения. Поэтому в работе использовали «С-ВЕРАД» для сравнения с препаратом «Biteoil» [7], состоящего из группы микроорганизмов, способных разлагать нефть, нанесенную на торфяной субстрат. Биосорбент «Biteoil» не требует удаления после применения, может применяться на обводненных и тяжелых почвах [8].

Микроорганизмы, содержащиеся в биопрепарате, обладают повышенной способностью к выживанию при экстремально низких температурах и эффективно разлагают нефть при низких температурах.

Таблица 1

Характеристика сорбентов «С-ВЕРАД» и «Biteoil»

Одним из ключевых аспектов при приготовлении биосорбента является выбор метода нанесения биоэмульсии, содержащей ассоциацию штаммов Rhodococcus erythropolis AC-1260, AC-1660 на гидрофобный верховой торф в качестве сорбент-носителя. При этом необходимо сохранить свойства, определяющие эффективность готового продукта. В состав используемой среды включены компоненты, присутствующие в биоэмульсии, а также микроэлементы (железо и кальций), которые обычно содержатся в водной и почвенных средах. Нанесение биоэмульсии на сорбент осуществляется методом аэрозольным. Предлагаемый рецепт биоэмульсии обеспечивает защиту нефтедеструкторов-микроорганизмов при их диспергировании и нахождении в аэрозольной форме, а также их закреплении на поверхности сорбента [7].

Пробы почв отбирались по слоям с глубины 0–5 и 5–20 см с таким расчетом, чтобы каждая представляла собой часть, типичную для генетических горизонтов или слоев данного типа почвы. Отбор проб и пробоподготовка проведены согласно [9]. Лабораторные испытания проводились с соблюдением требований государственных стандартов на сертифицированном оборудовании и с применением методик, получивших соответствующую аккредитацию. В процессе исследований было учтено воздействие специфических и неспецифических углеводородных соединений, которые присутствуют в почвенном гумусе. Для определения количества и идентификации загрязнения почв НП использовали [10].

Результат определения содержания НП в почве Xизм, мг/кг, рассчитывали по формуле

, (1)

где Сизм – показания прибора, мг/дм3;

М – масса навески образца для анализа, кг;

V – суммарный объем экстракта, дм3;

V1 – объем экстракта, взятый для разбавления, дм3;

V2 – объем экстракта, полученный после разбавления, дм3;

Vал – объем аликвоты экстракта, введенного в хроматографическую колонку, дм3;

Vэлюат – объем элюата, полученного после пропускания экстракта через колонку, дм3.

После установления исходной концентрации НП в исследуемых загрязненных почвах, проводили испытания на них биосорбента. В колбы на 200,0 см3 добавляли по 1000 мг почвенных образцов. После чего засевались клетками штамма до концентрации 1–109 кл./см3. Контрольной выступала среда без добавления микроорганизмов для определения общих потерь. Эксперимент проводился в трех повторностях при комнатной температуре в течение недели.

Биодеградационную активность (БА), %, в отношении НП рассчитывали по формуле

(2)

где БА – биодеградационная активность, %;

m1 – масса нефтепродуктов в пробе, мг;

m2 – масса нефтепродуктов в биопробе после 7 дней, мг.

Таблица 2

План эксперимента

Примечание: *ГНПС – головная нефтеперекачивающая станция; **СОД – система очистки и диагностики трубопровода; ***НПС – нефтеперекачивающая станция.

Пробы 1–6 брали на площадке аварийного разлива НП размером 5х5 м ремонтного участка, где произошел разлив нефтепродуктов. Место отбора исследуемых проб и используемых сорбентов представлено в табл. 2.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты эксперимента с использованием сорбентов «Biteoil» и «С-ВЕРАД» в лабораторных условиях представлены в табл. 3.

Проведенное лабораторное испытание подтвердило большую эффективность применения сорбента «Biteoil» для удаления нефтяных загрязнений с почвенного покрова. Установлено, что оба препарата эффективно справляются с задачей очистки почв, однако сорбент «Biteoil» демонстрирует биодеградационную эффективность на 27,1 % большую по сравнению с «С-ВЕРАД».

Для исследования эффективности сорбентов в полевых условиях были отобраны пробы с 22 точек. Препарат вносили в концентрации 200 г на 1 м2, при глубине загрязнения 20 см на 60 суток. На рисунке представлены результаты исследований биодеградационной активности сорбентов на контрольных и фоновых точках в полевых условиях.

Таблица 3

Эффективность использования сорбентов «Biteoil» и «С-ВЕРАД» в лабораторных условиях

Биодеградационная активность сорбентов в полевых условиях

Благодаря высокой удельной поверхности и повышенной твердости, а также свободной сыпучести субстрата-носителя «Biteoil» возможно структурирование очищенной почвы и повышение доступа кислорода для микрофлоры почвы, что способствует формированию центров активной деструкции НП в почве. Минеральные составляющие субстрата-носителя и самого субстрата для бактерий предоставляют необходимые макро- и микроэлементы, которые активизируют нефтеокисляющие и азотфиксирующие микроорганизмы в мерзлотной почве. Это способствует увеличению жизнеспособности полезной микрофлоры в условиях короткого вегетационного периода и сокращению времени восстановления нарушенной экологической системы. Таким образом, потребность в минеральных удобрениях при биоремедиации нефтезагрязненных почв на Крайнем Севере значительно сокращается.

По результатам исследований в разных местах отбора проб почв видно, что характер сорбционной активности препаратов отличается. Причиной этому могут быть:

− уменьшение толщины пленки НП (уменьшается нефтеемкость сорбентов в связи с уменьшением площади поверхности взаимодействия с нефтью);

− повышение вязкости нефти при понижении температуры препятствует сорбции.

В полевых условиях при стабильных положительных температурах использование в течение двух месяцев биосорбента «Biteoil» позволило уменьшить уровень загрязнения НП в почве с 2000 до 200 мг/кг.

Выводы

1. Изучили биологические методы очистки почвы от НП с использованием сорбентов «С-ВЕРАД» и «Biteoil».

2. Выяснили, что биопрепарат «Biteoil» на основе консорциума микроорганизмов-нефтедеструкторов, нанесенный на торфоминеральный субстрат, позволяет избежать распространения загрязняющих веществ на природных территориях, вплоть до локализации загрязнения.

3. Установили преимущество биопрепарата «Biteoil» по сравнению с сорбентом минерального происхождения по степени очистки почв от НП (до 87–88 %) в районе нефтепровода «Куюмба – Тайшет» за короткий промежуток времени (60 суток).