Экологическая оценка ила сточных вод и возможность его использования в биоремедиации нефтезагрязненных почв

На правах рукописи

ЕРОХИНА НАТАЛИЯ ИЛЬЯСОВНА ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИЛА СТОЧНЫХ ВОД И ВОЗМОЖНОСТЬ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ 03.02.08 – экология (биологические наук

и)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Уфа – 2012 1

Работа выполнена на кафедре биохимии и биотехнологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения Высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет»

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Киреева Наиля Ахняфовна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Суюндуков Ялиль Тухватович доктор биологических наук, профессор Селивановская Светлана Юрьевна

Ведущая организация: Южный Федеральный университет (г. Ростов-на-Дону)

Защита диссертации состоится «29» мая 2012г. в 14-00 часов на заседании Объединенного диссертационного Совета ДМ 002.136.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт биологии Уфимского научного центра Российской академии наук по адресу: 450054, г. Уфа, пр.

Октября, д. 69, тел.: 235-53-62, e-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института биологии УНЦ РАН, с авторефератом – в сети Интернет по адресу http://ib.anrb.ru и на сайте ВАК Минобрнауки РФ.

Автореферат разослан «27» апреля 2012г.

Ученый секретарь Объединенного диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент Уразгильдин Р.В.

Актуальность исследования. Биологические очистные сооружения действуют на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии Республики Башкортостан с конца 40-х годов ХХ века. Очистка сточных вод от примесей органического происхождения осуществляется микроорганизмами, состав которых устанавливается самопроизвольно и регламентируется составом загрязнителей. По данным экологических служб России накопления ила на предприятиях нефтехимпереработки, составляют 2/3 всех отходов этой отрасли, продолжая непрерывно увеличиваться. В связи с этим проблема обработки, удаления, ликвидации, вовлечения ила в дальнейший технологический процесс или использование в других отраслях народного хозяйства приобретает все большую актуальность.

Ил биологической очистки сточных вод образован в результате использования природных механизмов по самоочищению от загрязнителей, поэтому перспективным для утилизации следует признать те направления, в которых его вовлекают в естественный природный цикл веществ в биосфере для ликвидации нарушений природных экосистем.

Добыча нефти, транспортировка и переработка ее часто связаны с утечкой углеводородов, что приводит к ухудшению экологической ситуации.

Восстановление нефтезагрязненных земель в настоящее время является одной из актуальных экологических проблем. Технические средства не способны обеспечить полной очистки загрязненных объектов. Однако процесс естественного восстановления исходных фитоценозов, на загрязненных нефтью почвах очень длителен и может занимать десятки лет. Это вызывает необходимость разработки более эффективных приемов рекультивации, позволяющих ускорить процессы деструкции нефтепродуктов без потери биологических свойств почв.

В иле биологической очистки нефтесодержащих сточных вод имеются штаммы активных нефтеразрушающих микроорганизмов (Трубникова и др.,2002), которые в сочетании с высокими удобрительными свойствами ила и абиотическими факторами окружающей среды должны способствовать ускоренному разложению углеводородов нефти. Представляется целесообразным найти единый путь решения таких важных экологических проблем, как утилизация ила и рекультивация нефтезагрязненных почв. Исходя из этого, сформулированы цель и основные задачи исследования.

Целью диссертационной работы явилась экологическая оценка избыточного активного ила биологической очистки предприятий нефтепереработки и нефтехимии и разработка способа его возможного применения для биоремедиации нефтезагрязненных почв.

Основные задачи

исследований:

Выявить фитотоксичность ила различных предприятий и оценить их 1.

интегральную токсичность методами биотестирования.

Изучить влияние избыточного активного ила ОАО «Уфанефтехим» на 2.

микробиологические и биохимические процессы в почве.

Исследовать миграцию токсичных компонентов ила (транслокацию) в 3.

различные виды растений при внесении его в почву.

Изучить влияние внесения ила на некоторые агрохимические, 4.

биохимические и микробиологические показатели нефтезагрязненной почвы и ускорение разложения остаточных углеводородов в ней.

Научная новизна работы. Изучены интегральные фитотоксические свойства ила и выполнены модельные опыты по изучению миграции органических и неорганических токсикантов ила в растения. Проведено биотестирование ила биологической очистки нефтесодержащих сточных вод с целью оценки интегрального токсического воздействия на теплокровных животных.

Исследована динамика приоритетных органических токсикантов ила, микроорганизмов и ферментов при внесении его в нефтезагрязненную почву.

Установлено, что ил предприятий нефтепереработки (ОАО «Уфанефтехим») не фитотоксичен, тогда как ил нефтехимических предприятий (ОАО «Салаватнефтеоргсинтез») проявляет фитотоксичность. Показана связь биодоступности металлов с типом почвы и видом растения. Подтверждено мнение о необходимости индивидуальной оценки токсических свойств ила различных предприятий.

Впервые показана возможность использования ила биологической очистки нефтесодержащих сточных вод для биоремедиации нефтезагрязненных земель.

Практическая значимость работы. В ходе проведения исследований был разработан метод извлечения и количественного определения содержания бенз(а)пирена в илах и почвах и получен патент РФ (№2281480 «Способ экстракции полиароматических углеводородов из объектов с органической и органоминеральной матрицей»).

Материалы диссертации использованы при выполнении инновационного проекта «Новая технология утилизации избыточного активного ила биологической очистки промышленных сточных вод», включенного в Государственную научно-техническую программу Республики Башкортостан на 2007-2008 г.

Разработанный способ рекультивации нефтезагрязненных земель с одновременной утилизацией ила биологической очистки нефтесодержащих сточных вод может быть использован на различных предприятиях нефтеперерабатывающего, нефтехимического и нефтегазодобывающего комплекса Урало-Поволжского региона России.

Личное участие автора. Автором проведены аналитический обзор литературы, получена основная часть фактических данных и проведена их интерпретация, планирование экспериментов выполнено совместно с научными руководителями.

Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обеспечены большим объемом лабораторных и полевых экспериментов и применением современных математических методов обработки полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на Международных и Всероссийских конференциях и съездах «Промышленная экология» (Уфа, 2001), «Мониторинг, аудит и информационное обеспечение в системе медико-экологической безопасности» (Испания, Коста Даурада, 2002), «Наука – образование – производство в решении экологических проблем» (Уфа, 2002), «Нефтепереработка и нефтехимия – 2002» (Уфа, 2002), «Экология. Химия. Отходы» (Уфа, 2003), XI Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов – 2004» (Москва, 2004), «Современные проблемы медицины труда» (Уфа, 2005), «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2006), «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2007), «Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития» (Ишим, 2008), V Всероссийский съезд общества почвоведов им. В. В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008), «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2008, 2009), «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2009), «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009), «Актуальные проблемы изучения биоты Южного Урала и сопредельных территорий» (Орск, 2010), «Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология – 2011)» (Уфа, 2011), «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (Киров, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК и получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 337 источников, в том числе 43 на иностранных языках, и приложения. Работа содержит 173 страниц текста, иллюстрирована 18 рисунками и включает 21 таблиц.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за неоценимую помощь и поддержку научному руководителю д.б.н., проф. Н.А. Киреевой, д.т.н. Л. И. Трубниковой, к.б.н. А. С. Григориади, вед.

инж. Якуповой А. Б. за активное участие в обсуждении результатов, а также всем коллегам и соавторам публикаций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Влияние нефти и нефтепродуктов на компоненты почвенной экосистемы и проблемы рекультивации нефтезагрязненных почв (обзор литературы) Приведен обзор литературы о влиянии нефти и нефтепродуктов на компоненты почвенной экосистемы и рассмотрены проблемы рекультивации нефтезагрязненных почв. Представлены сведения о составе и способах утилизации избыточного активного ила биологической очистки нефтесодержащих сточных вод. Обобщены данные о миграции токсикантов промышленных отходов в растения и о методах биотестирования для оценки состояния окружающей среды.

На основании критического анализа данных литературы определена методология и основные направления исследований.

Глава 2. Объекты и методы исследований Объектами исследования являлись избыточный активный ил биологических очистных сооружений (БОС) ОАО “Уфанефтехим”, ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», а так же нефть Арланского месторождения, почва в промзоне ОАО “Уфанефтехим”.

В качестве объектов сравнения использовали ил коммунальных очистных сооружений поселка Приютово, в котором отсутствуют крупные промышленные предприятия, а так же почва с территории завода, не контактировавшая с илом и чернозем типичный из местности, удаленной от расположения нефтехимических производств.

Для изучение миграции токсичных компонентов избыточного активного ила в растения был заложен полевой опыт на трех видах почвы: чернозем типичный, дерново-подзолистая и темно-серая лесная. Были выбраны пять видов растений:

кукуруза, капуста, лук, свекла столовая и картофель.

На территории ОАО «Уфанефтехим» были поставлены микрополевые опыты по изучению возможности использования ИАИ ОАО «Уфанефтехим» для рекультивации нефтезагрязненных почв. Для использования в качестве биодеструктора нефтяного загрязнения избыточный активный ил осушили, извлекли из илонакопителя и выдержали на компостной площадке 2 года.

Площадь каждой опытной делянки составляла 1 м2. Опытные делянки загрязняли свежей нефтью. В течение двух недель нефть распределялась по слою почвы.

Затем в почву на глубину 0-30см внесли ил. С опытных делянок регулярно проводили отбор проб почвы в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.4.4.02-84.

Учет численности микроорганизмов в почве с экспериментальных делянок проводили общепринятыми методами посева почвенных суспензий на агаризованные питательные среды (Методы…, 1991). В работе использовали МПА (мясо-пептонный агар), подкисленную среду Чапека и среду Ворошиловой Диановой. Для определения содержания остаточных нефтепродуктов в почве использовали гравиметрический метод (РД 52. 24. 80-89). Бенз(а)пирен определили спектрофлуориметрическим способом (Патент № 2281480,2006).

Летучие органические соединения определили хроматографическим методом. Для определения металлов использовали метод инверсионной вольтамперометрии (МУ №08-47/092). Активность почвенных ферментов каталазы, дегидрогеназы и уреазы определяли по методам, изложенным в (Хазиев, 2005). Агрохимические свойства ила и почв определяли общепринятыми методами (Методы анализа…, 1987). Фитотоксичность оценили по влиянию водного экстракта ила на прорастание семян редиса Raphanus sаtivus (ISO11269-1, ISO11269-2).

Интегральную токсичность ила оценили по изменению подвижности сперматозоидов крупного рогатого скота (МУ №1.1.037-95). Статистическую обработку данных провели с помощью пакета компьютерных программ Microsoft Exel 2003.

Глава 3. Влияние избыточного активного ила биологической очистки нефтесодержащих сточных вод на биологическую активность почвы Обзор литературы показал, что ил биологической очистки сточных вод содержит значительное количество биогенных веществ для питания растений, содержит активный комплекс нефтеразрушающих микроорганизмов. В то же время в иле имеется чрезвычайно сложный состав токсикантов. Поэтому необходимо изучить ил методами биотестирования, которые охарактеризуют интегральную токсичность и обоснуют безопасность воздействия ила на растения.

Оценка фитотоксичности по прорастанию семян и начальному росту проростков редиса. Эксперимент показал, что ил ОАО «Уфанефтехим» не обладает фитотоксичностью. Фитотоксичность проявила 100% вытяжка и 50% разбавление вытяжки из ила ОАО «Салаватнефтеоргсинтез». Крутизна этой кривой подтверждает его токсичность (рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость длины проростков редиса от концентраций исследуемых водных вытяжек ила Для ила ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» безвредное разбавление пробы (БКр10), вызывающее ингибирование прорастания семян редиса не более, чем на составляет 15,4 раза. Разницу в фитотоксичности ОАО 10%, «Салаватнефтеоргсинтез» и ОАО «Уфанефтехим» можно объяснить тем, что на ОАО «Уфанефтехим» осуществляется нефтепереработка, а на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» помимо этого ведется органический синтез. Вследствие этого состав токсичных веществ в иле БОС, данных предприятий различается.

Фитотоксичность напрямую связана с различием в составе ила этих предприятий.

Это говорит о том, что при выборе способа утилизации ила биологической очистки сточных вод различных производств необходима индивидуальная оценка его токсичности как с помощью тщательного химического анализа, так и методами биотестирования (Ерохина,2007).

Оценка интегральной токсичности илов по подвижности сперматозоидов крупного рогатого скота. На рисунке 2 представлены зависимости показателя подвижности сперматозоидов (mi) от текущего номера оценки (i) для исследуемых образцов. Данные по изменению подвижности сперматозоидов ила пос. Приютово практически совпадает с данными по биотестированию чернозема. Влияние ила из биопрудов нефтеперерабатывающих предприятий на подвижность сперматозоидов обусловлено специфическим действием продуктов трансформации углеводородов (УВ) нефти.

Рисунок 2. Зависимость подвижности сперматозоидов (mi) от текущего номера оценки (i) (времени) Ход кривых биотестирования илов свидетельствует о том, что они близки кривой биотестирования чернозема. На начальном этапе биотестирования в водной вытяжке нефтехимического ила подвижность сперматозоидов даже выше, чем в черноземе типичном и иле пос. Приютово, а к концу доходит до уровня чернозема типичного.

Статистическая обработка показала, что индексы токсичности испытуемых объектов, определенные с необходимой точностью, находятся в середине допустимого интервала: 70% 90,3% - 112,9% 120%. Это говорит о том, что изученные осадки относятся к нетоксичным веществам.

Полученные результаты по оценке токсичности илов БОС предприятий нефтехимии и нефтепереработки Башкортостана показали, что наименее безопасным является ИАИ ОАО «Уфанефтехим». Поэтому дальнейшие исследования были проведены именно с этим объектом.

Численность микроорганизмов в почве при внесениии ИАИ ОАО «Уфанефтехим». Одной из характеристик почвенной микробиоты является численность и соотношение основных физиологических групп микроорганизмов, позволяющих косвенно судить о биохимических процессах, связанных с превращением основных биологических элементов.

Результаты микробиологического анализа показали, что патогенной микробиоты в образцах контрольной и опытной почв не выделено, но обнаружены непатогенные и условно патогенные представители семейства энтеробактерий. В контрольном образце почвы обнаружен протей. Он относится к энтеробактериям (вид – не определяли). Все эти микроорганизмы относятся к почвенным микроорганизмам, которые необходимы для разрушения загрязнителей.

Обращает на себя внимание тот факт, что при внесении ила в почву увеличивается общая численность гетеротрофных микроорганизмов примерно на порядок по сравнению с контрольной почвой. Количество пропагул грибов в контрольной почве ниже, чем в почве с илом. Для контрольной почвы характерно и то, что хотя грибов в ней меньше, но они отличаются большим видовым разнообразием.

На второй год в почве опытного участка количество грибов резко уменьшается, а общее количество гетеротрофов практически не изменилось. В весенний период резко увеличивается численность микроорганизмов, трансформирующих органические вещества в почве, в том числе и углеводороды, т. е. резко активизируется деятельность микробиоты. В осенний период численность их по сравнению с контролем снижается, что указывает на снижение доступных для минерализации веществ (табл. 1).

Таблица Содержание микроорганизмов в почве при внесении ИАИ ОАО «Уфанефтехим» Дата Характеристика Гетеротрофы, Микромицеты, УОМ, 105 КОЕ/г 103 КОЕ/г участка КОЕ/г Контроль 0,93±0,05 0,94±0,05 0,8±0, Май I года Опыт 7,1±0,36 2,9±0, 1,95±0, Контроль 0,8±0,03 0,81±0,03 0,78±0, Ноябрь I года Опыт 6,90±0,35 1,80±0,09 2,8±0, Контроль 1,80±0,09 0,30±0,01 0,7±0, Июль II года (сухой период) Опыт 5,20±0,26 0,40±0,02 2,6±0, Контроль 0,50±0,03 0,17±0,01 0,9±0, Сентябрь II года (дожди) Опыт 6,40±0,32 0,44±0,02 5,0±0, Контроль 0,30±0,01 0,11±0,01 0,5±0, Ноябрь II года Опыт 3,60±0,18 0,27±0,01 3,0±0, Сокращается видовое разнообразие микромицетов, что может служить диагностическим признаком высокого уровня загрязнения почвы. Выявленные нами микроорганизмы относятся к почвенным сапротрофам, участвующим в гумификации загрязнителей.

Численность углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) – основных деструкторов нефти в почве, увеличивалась в 3 – 4 раза при внесении в почву ИАИ ОАО «Уфанефтехим», очевидно, за счет присутствующих в иле микроорганизмов данной группы. Это является положительным моментом, т. к.

увеличение валовой численности и активизация УОМ приводит к ускорению разложения углеводородов в почве.

Ферментативная активность почвы при внесении ИАИ ОАО «Уфанефтехим». Немаловажная роль в детоксикации различных поллютантов принадлежит ферментативной системе почвы и, прежде всего оксидоредуктазам.

При внесении в почву ИАИ ОАО «Уфанефтехим» активность каталазы в первый год испытаний была ниже активности контроля (рис.3). Возможно, что токсиканты, содержащиеся в иле, подавляли активность этого фермента.

Повышение ее активности наблюдается весной II года, что объясняется изменением климатических условий. Летом активность каталазы в варианте с илом резко возросла, что связано с высокой активностью микроорганизмов в иле.

К зиме активность каталазы как в контроле, так и в опыте снижается, в связи с понижением сезонной температуры.

О2, мл май I года ноябрь I май II года июль II сентябрь II ноябрь II года года года года Дата опыт контроль Рисунок 3. Активность каталазы в почве при внесении ИАИ ОАО «Уфанефтехим» При внесении ила в почву происходило снижение дегидрогеназной активности (рис. 4). Однако ко II-му году активность фермента анаэробного дегидрогенирования увеличивалась. И при этом в течение двух лет оставалась ниже фоновых значений.

0, 0, формазан, мг 0, 0, 0, 0, май I года ноябрь I май II года июль II сентябрь II ноябрь II года года года года Дата опыт контроль Рисунок 4. Активность дегидрогеназы в почве при внесении ИАИ ОАО «Уфанефтехим» Наблюдаемое нами повышение активности каталазы и дегидрогеназы может быть связано не только с изменением общей биологической активности почвы, как считают некоторые авторы, но и с появлением субстрата для данных ферментов:

перекиси водорода, субстратов дегидрирования (органические кислоты, спирты, гуминовые кислоты).

Миграция токсичных компонентов ила в растения. Задачей этого раздела работы явилось изучение миграции токсичных компонентов ИАИ в растения при внесении его в почву. Хром, свинец и медь находятся в иле преимущественно в связанной форме и, следовательно, должны транслоцировать в растения в значительно меньшей степени. Кадмий, цинк и марганец практически полностью находятся в растворимой, легкоусвояемой форме, но содержания кадмия и цинка в иле незначительны. Для изучения миграции в растения выбраны следующие металлы: Pb, Zn, Cu, Ni, Al, Fe и мышьяк. Содержания элементов в почвах участков и в иле сравнивали с ПДК почвы по валовому содержанию и по содержанию подвижной формы.

Проведенный химический анализ показал, что кадмий в растениях отсутствует. Не выявлено корреляции между содержанием соединений свинца в иле и растениях, но показана зависимость биодоступности соединений свинца от типа почвы (чернозем типичный, дерново-подзолистая и темно-серая лесная).

Накопление цинка в растениях обусловлено типом почвы, растения и содержанием в иле. Миграция меди в растения обусловлена типом почвы и видом растения. Не выявлено зависимости накопления никеля ни от вида растений, ни от типа почвы. Содержание соединений алюминия в растениях зависит только от типа почвы и вида растений и не коррелирует с внесенным илом. Степень поглощения соединений железа растениями зависит от типа почвы.

Из полученных результатов видно, что биодоступность соединений металлов для растений максимальна при выращивании на темно-серой лесной почве. Вероятно, в ней содержится мало веществ, связывающих металлы в малорастворимые комплексы. Больше всего поглощают металлы лук и свекла столовая. Полученные выводы достаточно хорошо сопоставимы с литературными данными. Результаты проведенных исследований показали, что поведение соединений металлов в системе почва - почвенный раствор - растение, т.е. их биодоступность, обусловлены химическими свойствами металлов, и, в первую очередь, степенью растворимости или устойчивостью их солей. На основании выполненного исследования можно сделать вывод, что перехода в растения соединений металлов из ила внесенного в почву, не наблюдается.

Содержание мышьяка в иле ниже ПДК почвы, поэтому переход мышьяка в растения находится на уровне контрольных опытов и не зависит от типа почвы и вида растений.

Опасность накопления нитратов в овощах связана со способностью восстанавливаться в нитриты и при взаимодействии с аминокислотами образовывать нитрозамины. Содержание нитратов в иле низкое, поэтому в растениях они не накапливаются за исключением капусты. В ней нитраты появились даже в контрольных образцах, особенно при выращивании на дерново подзолистой и темно-серой лесной почвах (табл. 2). Видимо наблюдается поглощение нитратов из почвы или фиксация из воздуха.

Таблица Содержание нитратов в сухом веществе растений при внесении ИАИ в почву (ПДКпочв=130,0 мг/кг, ПДКкапусты=160,0 мг/кг, ПДК свеклы стол.=1800,0 мг/кг, ПДК картофеля =45,0 мг/кг) Внесено Содержание, мг/кг в почву, Капуста Лук Свекла Свекла Картофель мг/кг сахарная столовая Чернозем типичный 9,0±0,1 22,9±0,3 38,1±0,3 133,3±0, 0 95,5±0,5 4,6±0,1 7,8±0,1 139,7±0,5 43,2±0, 0, 5,4±0,1 331±1,3 367±1,4 28,9±0, 0,57 164,6±0,5 3,8±0,1 141,0±0,9 124,2±0,5 29,2±0, 0, Дерново-подзолистая 320±1,3 110,9±0,9 3,3±0, 0 - 263±1,1 3,6±0,1 9,9±0,1 138,2±0,5 7,5±0, 0, 717,5±3 9,7±0,1 27,9±0,3 63,3±0,5 2,2±0, 0, 5,6±0,1 160±1 47,9±0,2 3,0±0, 0,78 Темно-серая лесная 388±2 1023± 0 - - 20,1±0, 364±1,8 645±3 2,9±0, 0,29 - 263±1,5 1176±6 2,9±0, 0,56 - 373±1,8 568±2 6,7±0, 0,84 - Скорость разложения бенз(а)пирена (БП) зависит от его содержания в почве, погодных условий и некоторых других обстоятельств (Бенз(а)пирен, 1983).

Превышение фоновых содержаний БП выявлено в 8 пробах растений из 84. Это, скорее всего, случайный разброс результатов, тем более что нет корреляции с содержанием БП в почве опытных участков.

Глава 4. Возможность использования ИАИ БОС ОАО «Уфанефтехим» для рекультивации нефтезагрязненных почв Влияние внесения ИАИ на динамику содержания углеводородов (УВ) и бенз(а)пирена (БП) в нефтезагрязненной почве. Данные по разложению УВ в нефтезагрязненной почве представлены на рис. 5. Первоначально внесение ИАИ способствовало увеличению содержания УВ (C13 – C35), что связано с внесением их в почву вместе с илом. К маю II года во всех вариантах опыта наблюдалось значительное повышение УВ, что связано с их накоплением в снежном покрове из выбросов предприятия. В течение лета II года, несмотря на продолжающиеся выбросы, идет снижение содержания УВ за счет активации микробиоты. К концу второго года в присутствии ила содержание УВ стало ниже варианта «почва нефть». Это свидетельствует об их разрушении.

Рисунок 5. Изменение содержания углеводородов в нефтезагрязненной почве Содержание БП в нефтезагрязненной почве представлено на рис. 6.

Рисунок 6. Изменение содержания бенз(а)пирена в нефтезагрязненной почве Ил биологической очистки нефтесодержащих сточных вод содержит большое количество БП. Исходная почва так же загрязнена БП за счет выбросов предприятия. К весне II года наблюдается значительное увеличение БП в вариантах опыта с илом, что, вероятно, связано с активным биосинтезом БП в нем.

В середине лета II года наблюдается разрушение БП связанное с уменьшением количества атмосферных осадков и интенсивным УФ облучением, что подтверждается литературными данными (Бенз(а)пирен, 1986).

Таким образом, внесение ила способствует превращению УВ нефти в длинноцепочечные УВ. Содержание БП остается на высоком уровне, поэтому использование ила рекомендуется только в промзоне.

В фоновой почве содержится 20мг/кг АПАВ. Загрязнение почвы нефтью не повлияло на их содержание, поэтому динамику изменений содержания далее не исследовали.

Влияние внесения ИАИ на содержание веществ для питания растений в нефтезагрязненной почве. При внесении ила в почву, загрязненную нефтью содержание гумуса увеличилось. Через год содержание гумуса в почве с илом сравнялось с содержанием гумуса в варианте почва + ил + нефть, что, вероятно, связано с частичной гумификацией компонентов нефти (рис. 7).

Загрязнение почвы нефтью практически не влияет на содержание подвижного фосфора в почве, тогда как внесение ила сильно его повышает, что объясняется привнесением этих соединений в почву вместе с илом. И через год сохраняется та же картина. Содержание общего азота в почве при загрязнении нефтью снижается, очевидно, за счет расширения соотношения C:N в почве.

Однако в иле содержится значительное количество азотистых соединений и в нем активно работают микроорганизмы, участвующие в круговороте азота. Его внесение в загрязненную почву способствует активизации микробиологических процессов азотного цикла (рис. 7).

Рисунок 7. Относительное содержание веществ для питания растений в нефтезагрязненной почве (опыт/контроль) Рисунок 8. Содержание нитратов в нефтезагрязненной почве Содержание нитратов в почве увеличивается после внесения ила. Через год содержание нитратов во всех вариантах опыта сравнялось (рис. 8). В конце второго года содержание в нефтезагрязненной почве веществ для питания растений соответствует их содержанию в почве с илом.

Загрязнение чернозема нефтью не повлияло на содержание в почве минеральных веществ (соли металлов), тогда как внесение ила существенно их увеличило (рис. 9).

Рисунок 9. Содержание минеральных веществ в нефтезагрязненной почве Влияние внесения ИАИ на численность микроорганизмов в нефтезагрязненной почве. Внесение ИАИ в нефтезагрязненную почву оказало неоднозначное влияние на численность различных групп микроорганизмов. При загрязнении почвы нефтью общая численность гетеротрофов первоначально снизилась, однако на следующий год эта величина превосходила значения в фоновой почве. На второй год численность этой группы микроорганизмов снизилась и не превосходила значения в фоновой почве. Внесение ИАИ значительно повышало общую численность гетеротрофов как за счет привнесения микроорганизмов самого ила, так и активизации аборигенной микробиоты почвы за счет питательных субстратов, содержащихся в иле (рис. 10) Рисунок 10. Общая численность гетеротрофов в нефтезагрязненной почве при внесении ИАИ Численность микроскопических грибов – основных деструкторов высокомолекулярных полимеров – увеличивалась при загрязнении почвы нефтью.

Внесение ИАИ способствовало еще большему увеличению численности этой группы микроорганизмов (рис. 11). Это явление можно рассматривать двояко. С одной стороны, многие микромицеты являются деструкторами углеводородов, что способствует ускорению разложения остаточных нефтепродуктов в почве. Однако среди микромицетов, особенно в условиях нефтяного загрязнения, много фитопатогенных видов, что значительно ухудшает фитосанитарное состояние почвы.

Рисунок 11. Численность микромицетов в нефтезагрязненной почве при внесении ИАИ Численность УОМ – основных деструкторов углнводородов – в почве возрастала как при згрязнении нефтью, так и при внесении ИАИ. Причем, эти значения сохранялись в течение всего эксперимента (рис. 12). Сочетанное воздействие нефти и ИАИ проявлялось в увеличении на порядок численности этой группы микроорганизмов. Это явление способствует ускорению разложения остаточных нефтепродуктов.

Рисунок 12. Численность УОМ в нефтезагрязненной почве при внесении ИАИ Влияние внесения ила в нефтезагрязненную почву на ферментативную активность. В основе синтеза гумусовых компонентов почвы лежат окислительно-восстановительные процессы, в которых в качестве катализаторов участвуют ферменты, выделяемые микроорганизмами. Среди них большую роль играет каталаза.

Первоначально загрязнение нефтью почвы резко угнетает активность каталазы, которая с течением времени возрастает, превышая значения в образцах контрольных участков. Внесение ИАИ в почву резко усиливает активность каталазы в течение всего периода рекультивации. В присутствии ИАИ и нефти повышается активность каталазы, а к концу эксперимента ее активность совпадает с активностью каталазы в почве, удобренной илом и существенно выше, чем в контрольной почве.

Применение ИАИ, как рекультивирующего фактора, оказало благоприятное воздействие и на активность другой оксидоредуктазы – дегидрогеназы. При загрязнении почвы нефтью активность этого фермента снижалась. Первоначально внесение ИАИ в нефтезагрязненную почву не оказывало благоприятного действия на процессы анаэробного дегидрирования. Однако через год после постановки эксперимента активность этого фермента в нефтезагрязненной почве при внесении ИАИ превышала показатели фоновой почвы.

Катализируя реакции гидролитического распада высокомолекулярных органических соединений, гидролазы играют важную роль в обогащении почвы подвижными и доступными растениям и микроорганизмам питательными веществами. По данным ряда авторов (Непомилуев, Козырев, 1970;

Хабиров, 1993) активность уреазы связана прямой коррелятивной связью с содержанием органического углерода в почве и увеличением окислительно-восстановительного потенциала в сторону преобладания восстановительных процессов. Наличие нефтяных углеводородов в почве повысило активность уреазы, тогда как внесение ила ее снизило. Совместное присутствие ила и нефти в почве резко повысило активность уреазы, а затем стабилизировало на низком уровне. Вероятно, компоненты ила способствуют гидролизу органических соединений азота.

Относительная активности ферментов в конце эксперимента представлены на рисунке 13. Активность каталазы повышена в присутствии ила, а уреазы – снижена. Эти показатели можно использовать для контроля процесса рекультивации.

каталаза уреаза дегидрогеназа Исходная почва Почва+ИАИ Почва+нефть Почва+ИАИ+нефть Рисунок 13. Относительная активность ферментов в нефтезагрязненной почве в конце второго года рекультивации (опыт/контроль) В полевых опытах к концу второго года наблюдалось озеленение нефтезагрязненной почвы аборигенной растительностью.

Предлагаемая схема рекультивации нефтезагрязненных почв. Как показали проведенные исследования внесение ИАИ в почву, загрязненную нефтью, способствует снижению содержания остаточных углеводородов, нормализации агрохимических, микробиологических и биохимических показателей.

В предлагаемом нами способе ИАИ предварительно подготавливают к использованию. Для этого осадок ИАИ необходимо подсушить и уплотнить естественным путем до воздушно-сухого состояния в летний период в илонакопителях, затем извлечь и разместить на компостной площадке, где выдержать в течение 1-2 лет до исчезновения патогенных микроорганизмов (СанПиН 2.1.7.573-96). Определить в подготовленном ИАИ содержание биогенных элементов для питания растений и приоритетных токсикантов.

Провести микробиологический анализ на содержание микроорганизмов. Затем ИАИ разместить на нефтезагрязненной почве в количестве 300-400 т/га в пересчете на сухое вещество. Для улучшения аэрации почвы и перемешивании с нефтезагрязненным слоем, провести рыхление со снижением гравиометрической плотности на 10-30%. В течение теплого времени года (весна, лето, осень) контролировать процесс разрушения нефтепродуктов и приоритетных токсикантов ИАИ, процесс почвообразования и озеленения, анализируя пробы с рекультивируемого земельного участка. Таким образом, в течение 2,5 - 3 лет возможно освободить илонакопители и рекультивировать нефтезагрязненную почву с содержанием нефти до 25% с одновременной утилизацией ИАИ.

ВЫВОДЫ 1. Тестирование водной вытяжки илов показало, что ИАИ БОС ОАО «Уфанефтехим» и коммунальных очистных сооружений п. Приютово не обладают фитотоксичностью по отношению к тест-растениям. Водная вытяжка из ила ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» проявила фитотоксичность на 72%, а ее 50%-ное разбавление на 57%.

Оценка интегральной токсичности ИАИ на клеточном уровне показала, что илы очистных сооружений ОАО «Уфанефтехим», ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» и коммунальных БОС п. Приютово не снижают подвижности сперматозоидов крупного рогатого скота.

2. Показано, что внесение избыточного активного ила ОАО «Уфанефтехим» в почву активизирует микробиологические и биохимические процессы в ней, что проявляется в увеличении численности микроорганизмов и повышении активности дегидрогеназы и каталазы.

3. Исследована миграция из ила БОС ОАО «Уфанефтехим» металлов, мышьяка, нитратов и бенз(а)пирена в растения (кукуруза, лук, свекла столовая, капуста, картофель). Показано, что биодоступность металлов для растений обусловлена их химическими свойствами, видом растения и типом почвы (выше на серой лесной почве). При введении в почву 7-ми кратного избытка ила по сравнению с рекомендациями заметного перехода в растения металлов не наблюдается. Наибольшее поглощение металлов характерно для растений лука и столовой свеклы. При внесении ила в почву содержание бенз(а)пирена в растениях соответствовало фоновому уровню.

4. При внесении ила ОАО «Уфанефтехим» в нефтезагрязненную почву происходит снижение содержания УВ, нормализуются агрохимические, ферментативные и микробиологические показатели почвы. На основании выполненных исследований предложен возможный способ биоремедиации нефтезагрязненных почв в промзоне предприятия.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК, патент Трубникова Л. И., Трубникова Н. И. Интегральная токсичность 1.

водной вытяжки ила биоочистки сточных вод предприятий нефтехимии // Гигиена и санитария. 2002. №4. С. 51 – 53.

Ерохина Н. И., Трубникова Л. И., Киреева Н. А. Транслокация в 2.

растения вредных веществ активного ила биологической очистки нефтесодержащих сточных вод // Агрохимия. 2008. №1. С. 68 – 75.

Киреева Н. А., Новоселова Е. И., Ерохина Н. И., Григориади А. С.

3.

Накопление бенз(а)пирена в системе «почва – растение» при загрязнении нефтью и внесении активного ила // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. №6 (100). С. 579 – 581.

Григориади А. С., Якупова А. Б., Амирова А. Р., Ерохина Н. И.

4.

Микологическая оценка почвы, загрязненной отходами нефтеперерабатывающей промышленности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. №5. С. 155 – 157.

Патент РФ на изобретение № 2281480. Способ экстракции 5.

полиароматических углеводородов из объектов с органической и органоминеральной матрицей / Трубникова Л.И., Трубникова Н.И., Бакиров А.Б.

Опубл. 10.11.2006г. Бюл. №22.

Статьи и материалы в других изданиях Трубникова Л. И., Трубникова Н. И., Резник Л. Б., Большаков И. А., 6.

Власова И. Л. Миграция тяжелых металлов в растения из почвы, удобренной илом биоочистки нефтесодержащих сточных вод // Промышленная экология. Проблемы и перспективы. Матер. Всеросс. научн.-практ. конф. Уфа. 2001. С. 68-70.

Трубникова Л.И., Хуснаризанова Р.Ф., Трубникова Н.И. Динамика 7.

микроорганизмов в почве при внесении в неё ила биоочистки нефтесодержащих сточных вод // Мониторинг, аудит и информационное обеспечение в системе медико-экологической безопасности: Тезисы докл. ХI Междун. симпозиума.

Испания, Коста Даурада, 27 апреля - 04 мая 2002г. М.: 2002. С.153-156.

Трубникова Л. И., Трубникова Н. И., Секретарев В. И., Сатылбаева С. С.

8.

Биотестирование иэбыточного активного ила предприятий нефтехимии // Наука образование-производство в решении экологических проблем: Матер. Междун.

научн.-техн. конф. Уфа. 2002. С. 109-111.

Трубникова Л.И., Трубникова Н.И., Власова И. Л., Резник Л. Б.

9.

Трансформация АПАВ в почве // Нефтепереработка и нефтехимия – 2002. Матер.

Всеросс. научн.-практ. конф. Уфа. 2002 С. 216-217.

10. Трубникова Л.И., Трубникова Н.И. Влияние ила биологической очистки нефтесодержащих сточных вод на формирование почвенного слоя // Экология.

Химия. Отходы: матер. научн.-практ. конф. Уфа. 2003. С. 131-135.

11. Трубникова Л.И., Трубникова Н.И. Сравнительное изучение двух способов определения класса опасности отхода // Экологические проблемы промышленных регионов: матер. региональной конф. Екатеринбург. 2003. С. 41- 42.

12. Трубникова Н. И. Детоксикация активного ила нефтехимических производств в почве // Ломоносов – 2004: тезисы докл. XI Междун. конф.

студентов и аспирантов по фундаментальным наукам. Секция почвоведение. М.:

МГУ. 2004. С. 160.

13. Трубникова Л.И., Трубникова Н.И. Полиароматические углеводороды в окружающей среде // Современные проблемы медицины труда: матер. Всеросс.

Научн.-практ. конф. Уфа. 2005. С. 322 – 323.

14. Ерохина Н. И. Металлы в системе ил – почва – растения // Биология – наука XXI века: тезисы 10-ой Пущинской школы-конф. молодых ученых. Пущино.

2006. С. 227 – 228.

15. Ерохина Н. И., Киреева Н. А., Трубникова Л. И. Оценка токсичности избыточного активного ила биологической очистки нефтесодержащих сточных вод // Экология и биология почв. Матер. Междун. научн. конф. Р/Д: Росиздат.

2007. С. 93 – 97.

16. Киреева Н. А., Григориади А. С., Ерохина Н. И., Новоселова Е. И.

Оценка эффективности биоремедиации нефтезагрязненных почв по показателям биологической активности // Матер. V Всеросс. съезда почвоведов им. В. В.

Докучаева Р/Д: Росиздат. 2008. С.109.

17. Киреева Н. А., Григориади А. С., Онегова Т. С., Ерохина Н. И., Новоселова Е. И. Изучение возможности использования активного ила для рекультивации нефтезагрязненных почв // Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий. Матер II Всеросс. научн. конф. Астрахань:

Астраханский университет. 2008. С. 100 – 102.

18. Ерохина Н. И., Киреева Н. А., Трубникова Л. И., Резник Л. Б.

Использование ила очистных сооружений предприятий нефтепереработки и нефтехимии для рекультивации нарушенных земель в промзоне // Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития. Матер. III Междун. научн. практ. конф. Ишим. 2008. С. 24 – 26.

19. Киреева Н. А., Ерохина Н. И., Новоселова Е. И., Григориади А. С.

Изучение возможности утилизации промышленных отходов для восстановления урбанизированных почв // Экологические проблемы промышленных городов. Сб.

научн. тр. Саратов. 2009. ч. I. С. 32 – 34.

20. Киреева Н. А., Григориади А. С., Климина И. П., Ерохина Н. И.

Утилизация отходов производства для восстановления урбанизированных территорий // Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий. Сб. статей III Всеросс. научн.-практ. конф. Астрахань. 2009. С. 160 – 162.

21. Трубникова Л.И., Ерохина Н. И., Жукова О.Ю. Биотестирование осадков сточных вод // Мавлютовские чтения: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Уфа. 2009. Т.5. С.114-116.

22. Трубникова Л.И., Ерохина Н. И., Шарафиева Г. А. Исследование состава активного ила для его утилизации // Мавлютовские чтения: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции. Уфа. 2009. Т.5. С.106-108.

23. Киреева Н. А., Григориади А. С., Ерохина Н. И., Гареева А. Р., Водопьянов В. В. Изучение влияния рекультивации с помощью активного ила на состояние нефтезагрязненной почвы // Актуальные проблемы изучения биоты Южного Урала и сопредельных территорий. Матер. Всеросс. научн.-практ. конф.

Орск. 2010. С. 27 – 30.

24. Киреева Н. А., Григориади А. С., Ерохина Н. И. Мониторинг растений-фиторемидиантов, произрастающих на нефтезагрязненной почве // Биологический мониторинг природно-техногенных систем. Матер. Междун. конф.

Киров. 2011. Ч. 1. С. 145 – 148.

Григориади А. С., Ерохина Н. И., Киреева Н. А. Использование 25.

отходов предприятий для восстановления нарушенных почвенных экосистем // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология – 2011). Сб. научн. статей Междун. научн.-техн. конф. Уфа, 2011. Том II. С. 37 – 42.