ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 3, с. 360-372
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.4
ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО АЭРОБНОГО И АНАЭРОБНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ЗАГРЯЗНЕННОМ НЕФТЬЮ ВЕРХОВОМ ТОРФЕ
© 2015 г. И. И. Толпешта, С. Я. Трофимов, М. И. Эркенова, Т. А. Соколова, А. Л. Степанов,
Л. В. Лысак, А. М. Лобаненков
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: sokolt65@mail.ru Поступила в редакцию 21.05.2014 г.
Проведен модельный лабораторный эксперимент по последовательному аэробному и анаэробному разложению нефтепродуктов в образцах загрязненного нефтью торфа, отобранных из сосново-кустарничково-сфагнового болота в районе трубопровода Суторминского месторождения в Ямало-Ненецком автономном округе. В процессе инкубирования загрязненного нефтью торфа с известью и минеральными удобрениями в условиях полного затопления были созданы благоприятные условия для аэробного окисления нефтепродуктов в начале эксперимента, а по мере уменьшения ре-докс-потенциала — анаэробного разложения нефтепродуктов, сопряженного с процессами восстановления N5+, S+6 и метаногенеза. На основании экспериментальных данных о динамике величин
— — 2—
рН, Eh и концентрации NO3, NO- и SO4 в жидкой фазе образцов установлено, что в условиях проведенного эксперимента значительный вклад в биологическую деструкцию нефтепродуктов вносят денитирификаторы. После проведения эксперимента содержание нефтепродуктов в загрязненных образцах уменьшилось на 21—26% по сравнению с исходным.
Ключевые слова: нефтяное загрязнение, аэробно-анаэробная деструкция нефтепродуктов, денитри-фикация, сульфатредукция, метаногенез, нефтепродукты, торфяные почвы верховых болот.
DOI: 10.7868/S0032180X15030120
ВВЕДЕНИЕ
Окислительно-восстановительные процессы в нативных и загрязненных нефтью переувлажненных почвах. Значительная площадь нефтезагряз-ненных земель на территории Российской Федерации приурочена к торфяным почвам верховых болот северной и средней тайги. Гидроморфные почвы характеризуются низкими величинами окислительно-восстановительного потенциала, что сильно затрудняет проведение биологической рекультивации нефтезагрязненных почв с применением промышленных биопрепаратов, в состав которых входят аэробные микроорганизмы. Показано, что величина БИ в торфяных почвах верховых болот уменьшается с глубиной, а размеры зоны с восстановительными условиями зависят от уровня залегания болотных вод [8]. При изучении 694 образцов торфяных почв Польши и Голландии установлено, что при полном затоплении почвы, значения БИ варьировали в пределах от —100 до 100 мВ [42]. Фахми с соавт. показали, что в торфяниках при полном затоплении величина БИ в поверхностном слое может уменьшаться до 0 мВ [38]. Установлено, что величина БИ в слое 0.75 м нена-
рушенных верховых (олиготрофных) болот варьирует в диапазоне от +858 до —140 мВ [40]. Низкий окислительно-восстановительный потенциал переувлажненных почв определяется наличием в них восстановителей [47]. Реакции восстановления происходят последовательно при непосредственном участии микроорганизмов. В процессе анаэробного дыхания органическое вещество окисляется, а в почве создаются все более восстановительные условия. В переувлажненных почвах донорами электрона являются органическое вещество и неорганические соединения, такие как
МИ+, Бе2+, Мп2+, 82-, СН4, Н2. Роль акцепторов электрона в почвах играют неорганические соединения, такие как 02 в окислительных условиях
и N0^, Мп02, Бе00Н, Б02", С02 в восстановительных условиях [33].
В различных диапазонах значений БИ проходят процессы аэробного окисления органического вещества и анаэробной деструкции органических соединений в процессе денитрификации, восстановления Мп и Бе и метаногенеза, в которых принимают участие микроорганизмы с разным типом метаболизма [33, 53]. В окислитель-
ных условиях при рН около 7 в диапазоне значений Eh больше +300 мВ в реакциях участвуют аэробные микроорганизмы. В анаэробных умеренно восстановительных условиях при величинах Eh от +100 до +300 мВ факультативные анаэробы восстанавливают азот и марганец. Анаэробные восстановительные условия в диапазоне значений Eh от —100 до + 100 мВ благоприятны для дыхания факультативных анаэробов, восстанавливающих Fe3+ и, частично, S6+. Строгие анаэробы используют для дыхания сульфаты в восстановительной обстановке при Eh около —200...—100 мВ и CO2 в сильновосстановительных условиях с величиной Eh —300...—200 мВ [33].
Нитраты, сульфаты, соединения железа и марганца и органический субстрат всегда присутствуют в переувлажненных почвах, в которых время от времени наблюдается дефицит кислорода. Олиготрофный торф обеднен железом и марганцем [8, 19].
Показано, что скорость разложения органического вещества в образцах торфяных и минеральных почв в среднем в 3 раза больше при аэробном дыхании по сравнению с денитрификацией, суль-фатредукцией и метаногенезом [31].
Оптимальные условия для нитрификации в почве создаются при Eh, равных 400—500 мВ и рН, близких 7.5—8.0. Наиболее активно нитрифи-каторы работают в диапазоне температур от 25 до 30°C [24, 35]. В отличие от автотрофных нитри-фикаторов, гетеротрофные нитрификаторы могут окислять азот различных органических соединений [24].
Денитрификация в почвах осуществляется бактериями, водорослями, грибами и дрожжами. Полную денитрификацию до молекулярного азота проводят только прокариоты, большинство из которых являются факультативными анаэробами хемоорганотрофами многих родов, использующие нитраты как окислители органических субстратов. К ним, например, относятся некоторые бактерии pp. Alcaligenes, Bacillus, Paracoccus, Pseudomonas, Thiobacillus и др. [6]. Активность де-нитрификации зависит от содержания кислорода, температуры, влажности почвы и рН среды [24]. Установлено, что скорость денитрификации положительно коррелировала с pH, достигая оптимума при значениях 7.0—8.0 [13]. По данным разных авторов оптимальный диапазон температур для протекания денитрификации в почвах составляет 25—32°C [24].
Показано, что скорость продуцирования СО2 при анаэробном дыхании прямо коррелирует с содержанием С орг. Чем больше эмиссия СО2, тем больше эмиссия N2O. Разброс значений Eh, при которых наблюдалась максимальная кумулятивная эмиссия N2O в условиях проведенного эксперимента, составил от +417 до +233 мВ [61]. Уста-
новлено, что содержание нитратного азота в заболоченных почвах хорошо коррелирует с величиной ЕЙ, при уменьшении потенциала содержание нитратного азота в почвах также уменьшается [45].
По данным разных авторов оптимальными условиями для железоредукции является диапазон значений рН, равный 6.5—7.2, а температуры — 30— 35°С [35].
В анаэробных условиях сульфаты восстанавливаются до сероводорода специфическими бактериями из группы облигатных анаэробов. Распространены сульфатредуцирующие бактерии во всех почвах, но особенно много их в почвах, в которых на длительное время устанавливается восстановительные условия с гидроморфным режимом, в том числе и в болотах [6]. Сульфатредук-ция может осуществляться в диапазоне значений рН 4.5—7.5 в различных диапазонах оптимальных значений температур в зависимости от вида суль-фатредукторов [35].
Оптимальные условия для разложения сложных органических полимеров метаногенами характеризуются диапазоном значений рН от 3.7 до 6.1 и температуры от 30 до 40°С [59]. Показано, что при инкубировании образцов из торфяных почв при 20°С величина ЕЙ уменьшилась с +136 до —324 мВ, а концентрация метана при этом увеличилась до 15239 ррт[48].
Изменение редокс-потенциала в почвах приводит к изменению доступности акцепторов электронов, которые регулируют фундаментальные изменения в процессах метаболизма микроорганизмов. В условиях быстрой смены окислительно-восстановительных режимов микробные популяции могут периодически активироваться и инактивироваться, что приводит к быстрой смене периодов и скорости биогеохимических трансформаций. Если редокс-потенциал меняется в течение периода времени, который значительно короче среднего времени генерации организмов, то члены сообщества адаптируются к таким переменам, используя возможности факультативных организмов, и активируют или инактивируют действие облигатных организмов. Таким образом, при частых флуктуациях редокс-потенциала состав микробного сообществе не меняется, но изменяется его активность [32]. Если восстановительные условия существуют достаточно долго, и режим становится статическим относительно среднего времени генерации организмов, то состав сообщества будет изменяться по пути попу-ляционной адаптации.
Загрязнение почв нефтью существенно изменяет многие почвенные свойства. Исследования показывают, что на загрязненных нефтью участках верховых болот на незначительной глубине могут
устанавливаться восстановительные условия, изменяется состав микробного сообщества и пр.
Деятельность хемотрофных нитрификаторов подавляется при содержании нефти в почве, равном 0.5%, что в значительной степени связано с уменьшением содержания кислорода. Показано, что при концентрации кислорода до 1.3 мг/л скорость роста нитрификаторов составляет менее 60% от максимальной величины [24].
Нефтяное загрязнение почв неоднозначно влияет на активность ферментов азотного цикла. Наблюдается активизирующее действие нефти на уреазу и гидроксиламинредуктазу, ингибирующее действие на протеазу, нитрат- и нитритредуктазу [11]. Уреаза обладает высокой устойчивостью против ингибирующих факторов. Активность уреазы связана прямой коррелятивной связью с содержанием органического углерода почвы и с изменением БИ в сторону преобладания восстановительных процессов, которые устанавливаются в нефтезагрязненных почвах [4].
Уменьшение активности нитратредуктазы и нитритредуктазы при нефтяном загрязнении почв связывают с токсичностью ароматических фракций нефти. Долговой показано, что активность этих ферментов подавляется фенолами и соединениями, содержащими фенольные группы [5]. Кроме того, обнаружена тесная связь между активностью этих ферментов и нитрификационной активностью поч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.