Моделирование самоочищения выщелоченного чернозема от н-алканов нефти на примере н тридекана
На правах рукописи
Софинская Оксана Александровна МОДЕЛИРОВАНИЕ САМООЧИЩЕНИЯ ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ЧЕРНОЗЕМА ОТ Н-АЛКАНОВ НЕФТИ НА ПРИМЕРЕ Н ТРИДЕКАНА 03.00.16 – экология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Казань – 2006 2
Работа выполнена на кафедре моделирования экосистем и в лаборато рии физики почвогрунтов Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова–Ленина».
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Костерин Александр Васильевич
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Копосов Геннадий Фёдорович, доктор физико-математических наук, профессор Якимов Николай Дмитриевич Ведущее учреждение: Институт экологии природных систем АН РТ.
Защита диссертации состоится _ на заседании диссертационного совета Д 212.081.19 при Казанском государственном университете по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им.
Н.И.Лобачевского Казанского государственного университета по адресу: г.
Казань, ул. Кремлевская, 18.
Автореферат разослан «»2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор _Г.А. Евтюгин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Углеводороды (УВ) поступают в почву в местах добычи, переработки, транспортировки, хранения и использования нефти и нефтепродуктов. Известно, что многие нефтяные УВ обладают мутаген ным, в том числе канцерогенным и тератогенным действием. При техноло гической очистке почв от УВ главными проблемами являются низкая рен табельность методов и дополнительное антропогенное воздействие на ок ружающую среду нередко с усугублением вреда, нанесенного УВ [Анань ина и др., 2005]. Существующие методы очистки почв от нефтепродуктов позволяют удалять разлив с поверхности. В то же время часть загрязнения, которая проникла и задержалась в почве, может быть опасна для биоты даже в малых концентрациях (порядка 10-4 %) [Пиковский, 1993]. Вследст вие этого естественная способность почв к самоочищению на данный мо мент является предпочтительным процессом в случаях, когда разлив УВ с поверхности удален.
Биодеградация является ведущим процессом в самоочищении почв от УВ [Salanitro, 2001]. Влияние токсичности и биологической доступности на интенсивность биодеградации УВ исследовано достаточно хорошо. В то же время, влияние влажности на эту характеристику исследовано не для всех типов почв. Известно, что увлажнение некоторых почв до полной вла гоемкости приводит к существенному увеличению скорости биодеграда ции УВ [Gnter et al., 1996;
Johnson, Scow, 1999]. Детальные исследования влияния влажности на биодеградацию УВ в выщелоченном черноземе в литературе встречены не были. Выщелоченный чернозем является одной из типичных почв нефтедобывающих районов республик Татарстан и Башкортостан, поэтому изучение его способности к самоочищению от нефтяных УВ актуально.
Важной стадией исследования процесса биодеградации УВ в грунтах является математическое моделирование. Существует стандартный набор уравнений, в рамках которого можно строить модели биодеградации. За дача моделирования состоит в адаптации общих моделей к эксперимен тальным условиям. При этом часто сложно выразить условия и результаты опытов в математическом виде, поэтому существующие модели биодегра дации УВ далеко не всегда оснащены экспериментальными данными, и проверить их адекватность не представляется возможным. В этой связи ра боты, направленные на соединение экспериментального материала с мате матическими моделями, представляют научный интерес [Ризниченко, Ру бин, 2004].
Цель работы - исследование способности выщелоченного чернозема к самоочищению при равномерном и ступенчатом распределении УВ (эф фекта верхнего незагрязненного слоя).
Для достижения цели решались конкретные задачи:
1. Выбор модельного нефтяного УВ и его концентрации в почве.
2. Исследование влияния влажности почвы на ее способность к само очищению.
3. Описание эффекта верхнего незагрязненного слоя в самоочищении почвы от УВ.
4. Построение математических моделей, численное определение и идентификация их параметров для всех вариантов эксперимента.
Научная новизна и теоретическая значимость:
1. Обнаружен и экспериментально доказан положительный эффект верхнего незагрязненного слоя в самоочищении почвы от н-тридекана.
2. Предложена математическая модель самоочищения почвы в усло виях ее различной влажности.
3. Проведена верификация построенной модели и оценка ее чувстви тельности.
Практическая значимость результатов исследований. Работа но сит теоретический характер. Построенная математическая модель позволя ет прогнозировать динамику самоочищения почвы от н-алканов, а также эффективно выбирать способы управления этим процессом.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работа выполнена на кафедре моделирования экосистем Казанского государст венного университета в соответствии с планом госбюджетной темы НИР КГУ (№ госрегистрации 01200215629) «Развитие теории и прикладных ас пектов взаимодействия экзогенных веществ с компонентами природной среды» и в рамках проекта МНТЦ № 2419.
Декларация личного участия автора. Автор провел анализ литера турных данных, поставил и выполнил эксперименты, получил и проанали зировал их результаты, подобрал параметры математической модели, уча ствовал в их идентификации и анализе чувствительности.
Апробация результатов. Результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены и докладывались: на международной конференции Проблемы биодеструкции техногенных загрязнителей окру жающей среды (г. Саратов, 2005);
всероссийской конференции Современ ные аспекты экологии и экологического образования (г. Казань, 2005);
на международной конференции Современные методы эколого геохимической оценки состояния и изменений окружающей среды (г. Но вороссийск, 2003);
всероссийской конференции Фундаментальные физиче ские исследования в почвоведении и мелиорации (г. Москва, 2003);
на 6-м международной конференции Internat. Symp. & Exhib. on environmental contamination in Central & Eastern Europe and Commonwelth of Independent States (г. Прага, 2003);
6-м и 7-м международном симпозиумах In-situ and on-site bioremediation (США, г. Орландо, 2003, г. Сандиего, 2001);
5-й,6-й и 7-й Пущинских школах – конференциях Биология – наука 21-го века (г.
Пущино, 2003, 2002, 2001);
на международной научной конференции сту дентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2002» (г. Москва, 2002);
на 4-м международном симпозиуме Новые и нетрадиционные рас тения и перспективы их использования (г. Пущино, 2001).
Положения, выносимые на защиту:
1. Верхний незагрязненный слой почвы эффективно ускоряет само очищение нижнего, загрязненного н-тридеканом.
2. При влажности выщелоченного чернозема 17-25% процесс само очищения почти прекращается на некоторое время, что соответствует ха рактерному участку с почти постоянной концентрацией н-тридекана на кривой самоочищения. При влажности более 25% такая особенность про цесса не наблюдается.
3. Математическая модель самоочищения почвы от н-алканов нефти в условиях различной влажности хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, из них 2 статьи в журналах, 14 в сборниках материалов, трудов и те зисов докладов конференций и симпозиумов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (189 источника, из них 104 иностран ных). Работа изложена на 126 страницах машинописного текста (включает 19 таблиц, 16 рисунков, 28 уравнений).
Сокращения, использованные в работе: ДТ – дизельное топливо;
ТД – н-тридекан;
НВ – наименьшая влагоемкость.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Глава 1. НЕФТЯНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ КАК ЗАГРЯЗНИТЕЛИ ПОЧВ И СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ИХ ЛИКВИДАЦИИ Охарактеризовано влияние УВ на отдельные компоненты почвенной среды. Рассмотрен процесс биодеградации УВ в зависимости от класса УВ и условий среды. Проведено сравнение искусственных методов ликвида ции УВ и самоочищения почв. Очерчены общая концепция и структура математических моделей биодеградации УВ. Рассмотрены проблемы адап тации моделей к реальным условиям.
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В течение предварительных опытов решались задачи: 1) определение скорости самоочищения почвы от ряда УВ;
2) определение биометриче ских показателей устойчивости растений к загрязнению почвы УВ.
Объекты предварительных опытов. УВ: ДТ в концентрациях 0,5, 1, 2 и 5%;
керосин в концентрациях 0,4, 0,7, 1,5 и 2%;
смесь 1 метилнафталина и н-тетрадекана в концентрациях 0,5 и 1%;
смесь псевдокумола и ТД в концентрациях 0,3 и 0,9%;
ТД в концентрации 1% от массы почвы. Все загрязнители были жидкостями.
Почва: выщелоченный чернозем тяжелосуглинистый (Алексеевский район Республики Татарстан), типичная для нефтезагрязненных районов Республик Татарстан и Башкортостан. Характеристики: плотность сложе ния - 1,1 г/см3;
полная влагоемкость - 57, НВ – 37% вес. [Смирнова, 2003];
рН 5,88;
азот щелочногидролизуемый – 122, фософор подвижный – 200, углерод органический – 35,5 мг/кг.
Растения: амарант багряный (Amaranthus cruentus L.), кукуруза обык новенная (Zea mays L., с. РОС-151МВ), овес посевной (Avena sativa L., с.
ЛОС3), ячмень обыкновенный (Hordeum vulgare L., с. Эльф), просо посев ное (Panicum miliaceum L., с. Казанское кормовое).
Методы предварительных опытов. Подготовка почвы. Почва гото вилась в соответствие с международными стандартами 1998 г. [ISO РТ*L 93 – 4851903 0547792 283]. Затем ее смешивали с УВ и помещали в герметичную емкость, которую выдерживали при комнатной температуре 20 дней. После этого осуществляли набивку сосудов.
Влажность почвы поддерживалась на уровне 24% [ISO 11269 РТ*L – 4851903 0547792 283]. Стока из сосудов не происходило.
В сосуды с почвой высевали семена растений. Всхожесть, высота, биомасса и длина корней растений учитывались согласно [ISO 11269 РТ*L 93 – 4851903 0640941 LTL]. Площадь корневых систем измерялась мето дом метиленовой сини [Колосов, 1962].
Агрохимические показатели почвы определяли стандартными метода ми: влажность – после сушки при 105С [Ягодин, ISO 11269 РТ*L 93 – 4851903 0547792 283], рНКСl – потенциометрически, содержание азота ще лочногидролизуемого – по Корнфилду, Рподвиж. и Кобм. – по Чирикову, Сорг. – по Тюриной [Аринушкина, 1970].
Количественное определение содержания УВ в почве проводилось ме тодом газожидкостной хроматографии. Использовалась хроматографиче ская насыпная колонка длиной 1 м. Порог обнаружения составлял 0,001% вес. (соответствует в данном случае 0,1% относительной ошибки). Относи тельная погрешность ввода пробы в колонку составляла 5%.
Объекты основного эксперимента. УВ - ТД (С13Н28), н-алкан, в кон центрации 1% вес. Растение: овес.
Методы основного эксперимента. Постановка эксперимента. Насы пали друг на друга два слоя почвы: загрязненный ТД, а поверх его – неза грязненный, рисунок 1. В дальнейшем мы обозначим этот тип загрязнения почвы как «0/ТД», а тип с равномерным распределением ТД – как «ТД/ТД». Объемы обоих слоев были равными.
Условия проведения эксперимента. Экспериментальные сосуды соот ветствовали основным требованиям международных стандартов [ISO 11269 РТ*L 93 – 4851903 0547792 283]. Набитая в сосуды почва увлажня лась до содержания влаги 8 - 37% вес. Влажность поддерживалась посто янной в течение опыта. Стока из колонок не происходило. В некоторые ко лонки были посеяны семена овса. К моменту завершения опытов пророст ки достигали 10-дневного возраста.
ПОЧВА + 1 «ЧИСТАЯ» ТРИДЕКАН ПОЧВА ПОЧВА + ПОЧВА + ТРИДЕКАН ТРИДЕКАН а, см Рисунок 1 - Схема основного эксперимента.
Отбор проб. Разбор колонок проводили после их разрезания по перво начальной линии раздела слоев, приграничные 2 см почвы отбрасывали.
Расчет количества ТД на 1 г абсолютно сухой почвы осуществлялся с учетом полноты экстракции гексаном из почвы с различной влажностью.
Полноту экстракции определяли в серии вспомогательных экспериментов.
Статистическая обработка результатов эксперимента велась по диапа зонам влажности почвы, сформированным из физических соображений.
Для проверки гипотезы об эффекте верхнего незагрязненного слоя вариан ты с незагрязненным слоем сверху и без него сравнивались между собой с помощью критерия знаков, дисперсионного анализа, t-теста. Величина эф фекта верхнего слоя оценивалась по t-критерию.
Глава 3. ВЫБОР ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОСНОВНОГО ЭСПЕРИМЕНТА По результатам определения содержания УВ в почве установлено, что наибольшей точностью определения характеризовался ТД.
Для основного эксперимента из растений был выбран овес в силу от носительно высокой устойчивости к УВ, отзывчивости на применение ме тодов мелиорации, воспроизводимости биометрических параметров.
Эффект фитореабилитации наблюдался при самоочищении почвы от керосина, ТД (под проростками) и смеси 1-метилнафталина с н тетрадеканом (под 5-недельными растениями). Эффект фитореабилитации не обнаружен при загрязнении почвы смесью псевдокумола с ТД (под про ростками).
Глава 4. САМООЧИЩЕНИЕ ПОЧВЫ ОТ Н-ТРИДЕКАНА Самоочищение почвы в течение 14 дней опыта.
Влияние влажности. В варианте «ТД/ТД» без растений интенсивность самоочищения почвы возрастала с ростом влажности до 25%. В варианте «ТД/ТД» с растениями при влажности почвы 17-25% самоочищение от ТД происходило полнее, чем при влажности 8-17%. В диапазоне влажности 8 25% влияние растений на деградацию ТД существенно не проявилось, ри сунок 2.
Влажность почвы 8-17% 100 Влажность почвы 17-25% 100 Влажность почвы 26-30% 100 В ла ж но с ть по ч в ы 3 1 % -Н В Т Д /Т Д б е з 0 /Т Д б е з р а с т е н и й Т Д /Т Д с 0 /Т Д с р а с т е н и я м и рас тений рас тениям и Рисунок 2 - Влияние влажности почвы и варианта набивки колонок на среднее содержание ТД после 14 дней опыта.
В варианте «0/ТД» интенсивность самоочищения почвы возрастала в раза при влажности почвы выше 17% по сравнению с более низкой влаж ностью. При влажности почвы 8-17% растения незначительно ускорили самоочищение почвы, рисунок 2.
Был обнаружен достоверный эффект верхнего незагрязненного слоя в самоочищении почвы от ТД (вероятность наличия близка к 1), который проявлялся как усиление самоочищения в варианте «0/ТД» по сравнению с вариантом «ТД/ТД». Статистическая обработка данных показала, что эф фект верхнего незагрязненного слоя в деградации ТД практически не зави сел от влажности почвы, таблица 1. Величина эффекта верхнего слоя рас считывалась как разница в содержании ТД:
ЭВС = «ТД/ТД» - «0/ТД».
Таблица 1 - Эффект верхнего незагрязненного слоя в самоочищении почвы от ТД при длительности опыта 14 дней, % от исходного содержания ТД.
Вариант Без растений С растениями Влажность почвы, % 8-17 27±1 12± 17-25 19±2 19± 26-30 28±4 44± 31-НВ 27±7 Динамика самоочищения почвы от ТД.
Выявлена динамика самоочищения почвы от ТД в зависимости от разных почвенных условий, рисунок 3. Скорость самоочищения в интер вале 60-77-го дней достигала 0 при влажности почвы 26-30% в варианте «0/ТД» при остаточном содержании ТД 0,04% вес., а в варианте «ТД/ТД» – 0,06-0,08% вес. Вероятно, дальнейшему извлечению ТД препятствовало снижение его позиционной доступности. Может быть вероятным и то, что вследствие малого количества ТД произошел переход через пороговую ценность данного субстрата (теорема Чернова), и микроорганизмы от него отказались.
На 30-й день опыта при влажности почвы 17-25% в варианте «0/ТД» скорость самоочищения упала до 0. Наибольшее количество ТД на 30-й день разложилось в варианте «0/ТД» при влажности почвы более 26%. На 60-й день опыта наименьшее количество ТД содержалось, как и на 30-й день, в варианте «0/ТД» при влажности почвы более 26%, а наибольшее при влажности почвы 8-17% в варианте «ТД/ТД». 60-й день опыта показал, что влажность почвы влияла на ее самоочищение сильнее, чем верхний не загрязненный слой. При влажности почвы 17-25% скорость самоочищения была в 5-10 раз меньше, чем при влажности почвы более 26%. На 77-й день опыта при влажности 17-25% скорость самоочищения выросла в варианте «0/ТД». К 91-му дню опыта при влажности почвы 17-25% самоочищение продолжалось в вариантах «0/ТД» и «ТД/ТД» приблизительно с одинако выми скоростями.
Общие тенденции.
Эксперимент подтвердил, что при влажности выщелоченного черно зема выше 26% ТД наиболее доступен для деградации, рисунок 3.
ТД/ТД 8-17% ТД/ТД 17-25% 80 ТД/ТД 26-30% Содержание тридекана, ТД/ТД 31%-HB 0/ТД 8-17% 60 0/ТД 17-25% С/С0*100% 0/ТД 26-30% 0/ТД 31%-HB 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Дни Рисунок 3 - Динамика биодеградации тридекана в почве при различ ных уровнях влажности почвы и вариантах набивки сосудов.
Эффект верхнего незагрязненного слоя снижался в зависимости от продолжительности опыта, таблица 2. До 60 дня опыта эта тенденция бы ла слабо выражена при влажности почвы 17-25%. При иной влажности па дение эффекта верхнего слоя с самого начала опыта было значительным.
Таблица 2 - Эффект верхнего незагрязненного слоя почвы в само очищении почвы от ТД, % от исходного содержания.
Влажность почвы, 8-17 17-25 26-30 31-НВ % Дни 14 27 19 28 30 - 12 17 60 10 12 4 77 - - 2 91 - 2 - Наличие эффекта верхнего слоя согласуется с литературными данны ми [Gnter et al., 1996]. Проведено сравнение данного эффекта в рассмат риваемом черноземе (Почва 1) и почве, характеристики которой отражены в таблице 3 (Почва 2). Почва 2 содержала меньшее количество Сорг. и Рподвижн., чем Почва 1, и была загрязнена смесью алканов с ПАУ. Достовер ных отличий в эффекте верхнего незагрязненного слоя под растениями в Почве 1 и Почве 2 не обнаружено.
Таблица 3 – Характеристики почвы, сравниваемой с эксперименталь ной. Место отбора – Турингия (Германия) [Gnter et al., 1996].
гранулометрический состав, % песок - глина - ил – химический состав, мг/кг:
рН – 7, азот – фосфор – углерод органический – плотность сложения, г/см 1, Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ САМООЧИЩЕНИЯ ПОЧВЫ ОТ Н-ТРИДЕКАНА Обозначения и их физический смысл: t – время, х - вертикальная координата, С - концентрация ТД, М - концентрация биомассы углеводо родокислителей, µ - максимальная удельная скорость активизации микро бов, D - эффективный коэффициент диффузии в пористой среде для за грязнителя или биомассы в почве, V - скорость, – коэффициент стабили зации микробного сообщества почвой, - количество ТД, поедаемое 1-м граммом микробной популяции, - коэффициент влияния отходов на рост биомассы, - коэффициент естественной деградации U, - «кинетический коэффициент» накопления отходов, К1 - концентрация ТД, при которой скорость его потребления =1/2 от максимальной, К2 - концентрация мик роорганизмов, при которой скорость их размножения =1/2 от максималь ной, К3 - концентрация микроорганизмов, при которой скорость производ ства отходов ими =1/2 от максимальной, М0 - начальная биомасса микро бов, М0*- ёмкость почвы для микробов при содержании ТД = 0, М1* - ём кость почвы для микробов при содержании ТД = 1, U0 - начальная концен трация отходов, С0 - начальная концентрация тридекана, m – пористость, S - влагонасыщенность почвы.
Концепция модели.
Изначальная форма модели предполагала балансы ТД и микроорга низмов в поровой среде:
2C C (VC ) = D1 2 j ( M, C ) + mS t x x 2M M ( MV ) (1, 2).
+ = D2 + j ( M, C ) f ( M M *) t x x Начальные условия: M(0, x) = M0, C(0, x) = C0;
граничные: M(t, 0) = M*, VM (t, a) D M (t, a) = 0.
x Функция микробной активности j (M, C) задавалась с помощью дву членного уравнения Моно [Essaid et al., 1995]: j ( M, C ) = µ C M (3).
K1 + C K 2 + M Стабилизирующее действие почвенных условий на микробное сообщество было выражено через функцию f ( M M *), которую приняли линейной:
f ( M M *) = ( M M *) (4).
Предположения следующие:
1) в почве присутствуют микроорганизмы – потенциальные окислите ли ТД;
2) данные микроорганизмы в загрязненной почве используют ТД в качестве единственного источника питания;
3) почвенная среда однородна по всем характеристикам [Mailloux et al., 1997];
4) подавляющее количест во активных микроорганизмов и ТД находится в сорбированном состоя нии.
Упрощение и решение уравнений.
После обезразмеривания уравнений, подстановки характерных вели чин на основании литературных данных [Билай, Коваль, 1980, Мироненко, 1983, Перт, 1978, Choi, Corapcioglu, 1997, Corapcioglu, 1995, Kim, Corap cioglu, 1997, Murphy et al., 1997] и ликвидации незначимых членов в моде µ ли (1, 2) система упрощается: C ' C' M' = t ' С0 K '1 +C ' K '2 + M ' M ' (5, 6).
= ( M '1) t ' Полученная система решается аналитически:
K ' +1 exp( t ' ) µ K ' + 1 (7).
t' K '1 ln C '+C ' = µ ln + K '2 +1 K '2 +1 K ' Численное нахождение параметров модели.
Нахождение значений коэффициентов проводилось методом наи меньших квадратов по отклонению моделируемых концентраций УВ от экспериментальных. Результат моделирования представлен на рисунке 4А.
Была оценена чувствительность модели к изменению каждого из па раметров. Функция чувствительности имела вид:
j - изменение конкретного параметра. Aj C (t,...)dt = A j (8), где j сравнивалось с ошибкой эксперимента, равной 0,05С, и делался вывод о допустимых пределах вариации параметра без потери точности модели.
Полученные значения параметров приведены в таблице 4.
Физическое описание модельного процесса при влажности почвы 26-30%.
Анализ чувствительности модели подтвердил незначимость процесса микробного роста за счет потребления тридекана. Микробный рост проис ходит в данной модели за счет выполнения микробной емкости почвы, ко торая постоянна.
Из данных таблицы 4 следует независимость удельного количества потребляемого ТД () и удельной скорости активизации латентных микро организмов почвы () от эффекта верхнего слоя. Однако удельная скорость микробного роста (µ) становится выше под действием эффекта верхнего слоя. Таким образом, эффект верхнего слоя выражается, в частности, в создании более благоприятных условий для размножения микроорганиз мов – деструкторов, а не для их активизации или транспорта.
Вариант «ТД/ТД» демонстрирует снижение микробной емкости среды относительно варианта «0/ТД». Данный факт, вероятно, указывает на большую биодоступность ТД при наличии верхнего слоя незагрязненной почвы.
При статистическом анализе экспериментальных данных была обос нована гипотеза о большем биоразнообразии микробиокомлекса в вариан те «0/ТД» по сравнению с вариантом «ТД/ТД». Эта гипотеза в сочетании со стимуляцией µ и М* верхним незагрязненным слоем указывает на воз никновение «эффекта опушки» при контакте загрязненной почвы с неза грязненной.
Таблица 4 - Интервалы значений параметров частной модели биоде градации ТД в почве при влажности 26-30%.
i «0/ТД» «ТД/ТД» 15 4850 48,549, 0,002630,00275 0,00150, µ 2,162,26 0,991, К 0,130,19 0,530, К 11,6 0,890, М* Переход от частного к общему случаю.
Частная модель непригодна для моделирования случаев приостановки самоочищения, которые имели место в эксперименте. Соответственно бы ла выдвинута гипотеза: в процессе жизнедеятельности микроорганизмы – углеводородокислители выделяют продукты, которые при определенных концентрациях U становятся несовместимыми с потреблением ТД. При достаточно высокой влажности почвы распад U идет быстрее, чем накоп ление;
при более низкой влажности распад U отстает от их накопления.
Утилизация U может идти под действием организмов – редуцентов более высокого порядка, чем углеводородокисляющие.
Для математической реализации данной гипотезы система (5, 6) нуж далась в модификации. Теперь потенциальная микробная емкость среды M* стала функцией от С. Тогда преобразованная система уравнений вы глядит следующим образом:
C C M = µ t K1 + C K 2 + M M C M MU =µ ( M M * [C ]) t K1 + C K 2 + M K3 + M U ~ MU ~ = U + t K3 + M M*(C) = M1* + (M0* - M1*)(1 – C) (9, 10, 11, 12).
Начальные условия для данной модели: C(t=0) = 1, M(t=0) = M0, U(t=0) = U0. Так же, как в случае частной модели, в численном экспери менте были определены значения параметров общей модели, таблица 5.
Численное нахождение параметров расширенной модели и ее чув ствительности при влажности почвы 17-25%.
Описание процесса самоочищения почвы от ТД при влажности 17 25% возможно проводить лишь в рамках общей модели, рисунок 4Б. Най денные численно значения параметров рассматриваемой модели приведе ны в таблице 5.
Таблица 5 - Значения параметров расширенной модели.
при влажности почвы при влажности почвы 17 26-30% 25%.
i «0/ТД» «ТД/ТД» «0/ТД» «ТД/ТД» 5 5 0,0410,053 0,030, 5 5 1,2051,215 1,241, любое любое 0,310,37 4,85, 0,02 0,014 0,2940,296 0,250, µ 17 17 0,2960,303 0,2860, 02 02 7,968,03 7,98, 1,3 1,3 0,550,56 0,610, К 0,1 0,1 0,6250,638 0,660, К любое любое 1,9201,936 1,901, К 1 А Концентрация 0, тридекана, 0, С/С0 0, 0, 0 20 40 60 Дни 1 Б Концентрация 0, тридекана, 0, С/С 0, 0, 0 20 40 60 Дни Рисунок 4 – Модельные кривые (линии) и экспериментальные данные (точки): А - при влажности почвы 26-30% вес.;
Б - при влажности почвы 17-25% вес. - концентрации ТД в почве без эффекта верхнего незагряз ненного слоя, – с эффектом верхнего слоя.
После оценки параметров вид модели (9-12) для влажности почвы 17 25% упрощается:
C C M, = µ t K1 + C K 2 + M M C M MU, =µ t K1 + C K 2 + M K3 + M U ~ MU (13, 14, 15).
= t K3 + M От случаев с влажностью 26-30% систему (13-15) отличает незначи мость микробного роста за счет выполнения микробной емкости почвы. В варианте «0/ТД» микробный рост происходит за счет потребления ТД и ингибируется продуктом U.
ВЫВОДЫ 1. Обнаружен и проверен эффект верхнего незагрязненного слоя в са моочищении почвы от ТД. Математически он выражается в создании бла гоприятных условий для размножения микроорганизмов при контакте за грязненной и незагрязненной почвы. Эффект верхнего слоя практически не зависел от влажности почвы.
2. Подтверждено, что увеличение влажности выщелоченного черно зема повышает среднюю скорость самоочищения почвы от ТД за 60 суток.
3. При влажности почвы 17-25% самоочищение от ТД приостанавли валось после 14 дней опыта и возобновлялось на 60-й день. Математиче ская модель для данного случая базируется на гипотезе об автоингибиро вании самоочищения почвы.
4. Влажность оказывала на динамику самоочищения почвы большее влияние, чем верхний незагрязненный слой.
5. Построена математическая модель, адекватно описывающая само очищение при разных уровнях влажности, равномерном и ступенчатом распределении загрязнителя в почве.
6. Определены параметры, а так же чувствительность модели к их из менению.
Благодарность Автор работы благодарит за ценные консультации и помощь в освое нии практических навыков: к.б.н. Зарипову С.К., к.х.н. Неклюдова С.А., к.х.н. Игнатьева Ю.А., вед.инженера Чистову В. А.;
за помощь в выборе объектов исследования: к.б.н. Газизова И.С.;
за помощь в получении про межуточных результатов: д.б.н., проф. Бреус И.П.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1.Костерин А.В. Эффект влажности и верхнего техногенно незагряз ненного слоя почвы в биодеградации тридекана / А.В. Костерин, О.А.
Софинская // Вестник Самарского ГУ. – 2004, 2-й спец.вып. - С. 158-175.
2.Sofinskaja O.A. Effect of petroleum hydrocarbons on plant root growth in soil / O.A. Sofinskaja, E.M. Nasyrova, I.P. Breus // Environm. Radioecol. & Appl. Ecol. – 2003. - V.9. №3. - P. 31-38.
3.Костерин А.В. Моделирование биодеструкции тридекана в выще лоченном черноземе при ступенчатом распределении загрязнителя / А.В.
Костерин, О.А. Софинская // Проблемы биодеструкции техногенных за грязнителей в окружающей среды: Материалы междунар. конф. – Сара тов: Научная книга, 2005. - с. 77-78.
4.Костерин А.В. Физическое и математическое моделирование эф фекта верхнего техногенно незагрязненного слоя почвы в биодеградации тридекана / А.В. Костерин, О.А. Софинская // Современные аспекты эко логии и экологического образования: Материалы всеросс. научн. конф. – Казань: КГУ, 2005. 5.Софинская О.А. Агрохимические показатели биологическая актив ность загрязненного углеводородами выщелоченного чернозема под рас тениями амаранта и кукурузы / О.А. Софинская, С.К. Зарипова, И.П. Бре ус // Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования:
Труды 4-го междунар. симп. - М.: Изд-во РУДН, 2001. Т.1. - С. 104-106.
6.Бреус И.П. Фитоиндикация углеводородного загрязнения выщело ченного чернозема / И.П. Бреус, С.К. Зарипова, О.А. Софинская // Труды 11 Международного симпозиума по биоиндикаторам. - Сыктывкар, 2001.
– с.140-141.
7.Софинская О.А. О моделировании влияния углеводородных загряз нений на корневое питание растений / О.А. Софинская // Ломоносов-2002:
Материалы междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и мол. Ученых.
– М.: МГУ, 2002. вып.7. - С. 54.
8.Софинская О.А. Метод лабораторного исследования скорости де градации углеводородов в почве под растениями / О.А. Софинская, Э.М.
Насырова // Современные методы эколого-геохимической оценки состоя ния и изменений окружающей среды: Сб. материалов докл. Междунар.
школы. - Новороссийск, 2003. - С. 28-29.
9.Софинская О.А. Экспериментальное оснащение модели роста и влагопотребления корневой системы растений в почве / О.А. Софинская // Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиора ции: тр. всеросс. конф. - М.: МГУ, 2003. - С. 251-253.
10.Norina E.S. The reply of microorganisms of leached chernozem on the hydrocarbon pollution under cereal plants / E.S. Norina, S.K. Zaripova, O.A.
Sofinskaja // 6-th Internat. Symp. & Exhibition on Environmental Con tamination in Central & Eastern Europe and Commonwelth of Independent States. Environmental contamination: Proceedings of Symposium. - Prague, 2003. - C. 91.
11.Zaripova S.K. The influence of soil planting on dissipation of hydro carbons in leached chernozem / S.K. Zaripova, E.S. Norina, O.A. Sofinskaja, I.P. Breus // In-situ and on-site bioremediation: Poster
Abstract
of the 7-th In ternat. Symp. - Orlando, 2003. - №205.
12.Софинская О.А. Влияние углеводородного загрязнения на агро химические показатели и биологическую активность выщелоченного чер нозема / О.А. Софинская, С.К. Зарипова // Биология – наука 21-го века: сб.
тез. 5-й Пущинской школы – конф. мол. ученых. - Пущино, 2001. - С. 292.
13.Софинская О.А. Устойчивость сельскохозяйственных культур к загрязнению почвы ДТ / О.А. Софинская, И.П. Бреус, Н.С. Архипова // Биология – наука 21-го века: сб. тез. 5-й Пущинской школы – конф. мол.
ученых. - Пущино, 2001. - С. 291.
14.Софинская О.А. Моделирование роста поверхности корней расте ний в почве, загрязненной углеводородами / О.А. Софинская // Биология – наука 21-го века: сб. тез. 6-й Пущинской школы – конф. мол. ученых. Пущино, 2002. Т.1. - С. 192.
15.Софинская О.А. Устойчивость растений Zea mays L. к углеводо родному загрязнению почвы / О.А. Софинская // Биология – наука 21-го века: сб. тезисов 7-й Пущинской школы – конф. мол. ученых. - Пущино, 2003. - С. 131.
16.Breus I.P. Green-house scale evaluation of phytoremediation of fuel contaminated soil using fodder plants / I.P. Breus, O.A. Sofinskaja, S.K. Zari pova, V.A. Breus // In-situ and on-site bioremediation: Poster abstract of the 6 th Internat. Symp. - San-Diego, 2001. – P. 457.