АГРОХИМИЯ, 2011, № 10, с. 76-82
УДК 631.417.2:547.912:631.4
ВЛИЯНИЕ СВЕТОКОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ПЛЕНКИ И ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ НА БИОХИМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ НЕФТИ В ПОЧВЕ*
© 2011 г. Д.А. Филатов, А.А. Иванов, Л.И. Сваровская, Н.В. Юдина
Институт химии нефти СО РАН 634021 Томск, просп. Академический, 4, Россия E-mail: filatov@ipc.tsc.ru
Поступила в редакцию 22.11.2010 г.
Показано, что применение светокорректирующей пленки в качестве укрывного материала нефте-загрязненной почвы в комплексе с гуминовыми кислотами в 90-140 раз увеличило численность основных физиологических групп почвенных микроорганизмов, ответственных за создание почвенного плодородия, и в 2.5-7 раз повышало активность почвенных ферментов. При этом процессы биохимического окисления углеводородов нефти в почве происходили значительно интенсивнее: биодеструкция нефти за 70 сут составила 90%.
Ключевые слова: биохимическое окисление, нефть, почва, светокорректирующая пленка, гумино-вые кислоты.
ВВЕДЕНИЕ
Нефть - самый распространенный источник топлива в мире и один из наиболее опасных загрязнителей биосферы. Химическое загрязнение почвенного покрова происходит практически на всех стадиях технологического процесса нефтедобычи [1]. Попадая в почвы, она привносит с собой чужеродный им набор разнообразных химических соединений, нарушающий сложившийся в экосистемах геохимический баланс. Происходят глубокие и часто необратимые изменения физических, морфологических, физико-химических, микробиологических свойств, а иногда и существенная перестройка почвенного профиля, что приводит к потере плодородия и отторжению загрязненных территорий из хозяйственного использования [2]. Загрязнение нефтью прежде всего сказывается на гумусовом горизонте: количество гумуса в нем резко уменьшается, кроме того, вследствие гидрофобнос-ти нефти, затрудняется поступление влаги к корням растений [3].
Ограниченность земельных ресурсов ставит неотложную задачу возврата в хозяйственное использование всех видов нарушенных и деградированных почв, в том числе нефтезагрязненных [4].
* Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, программа "У.М.Н.И.К." (проекты № 5208р/7638, 8989/03), программы РАН на средства госбюджета РФ, а также РФФИ
(проект № 09-04-90214).
В настоящее время существует множество технологий рекультивации, основанных на углеводородокис-ляющей активности микроорганизмов [5]. В их основе лежит интродукция в почву или стимуляция углево-дородокисляющей аборигенной микрофлоры внесением комплекса минеральных удобрений, сорбентов, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и ряд агротехнических мероприятий [6]. Эти меры направлены на улучшение воздушного, водного и минерального режима почвы. Кроме того, улучшение температурного и водного режима почвы возможно при использовании пленочных покрытий [7].
Особое внимание в последние годы привлекают светокорректирующие полимерные материалы, содержащие в своем составе фотолюминофоры и применяемые в качестве эффективных селективных фильтров электромагнитного излучения солнца [8]. Введение в состав пленки люминофоров приводит к уменьшению пропускания ультрафиолетового излучения и увеличению интенсивности света в красной области спектра с пиком 615 нм [9]. Использование таких пленок приводит к эффекту ускорения процессов жизнедеятельности растений и повышению их хозяйственной продуктивности [10].
Ранее авторами было показано, что свет, прошедший через светокорректирующую пленку и трансформированный фотолюминофорами пленок, стимулирует процессы биохимического окисления нефти в почве как в естественных, так и в контролируемых лабораторных условиях [11, 12].
Загрязнение почвы нефтью ведет к исчезновению нитратного азота и других элементов питания.
Обусловлено это как подавлением жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий, так и сдвигом соотношения С : N. Обволакивание почвенных частиц нефтяной пленкой препятствует миграции подвижных соединений азота в раствор. Поэтому без дополнительного внесения азотсодержащих субстратов в нефтезагрязненную почву невозможно добиться глубокой биодеградации нефти [13].
Авторами показано, что внесение гуминовых кислот (ГК) торфа, в том числе полученных с использованием метода механохимической активации, в нефтезагрязненную почву в качестве дополнительного источника макро- и микроэлементов приводит к повышению оксигеназной активности почвенной микрофлоры [14].
Цель работы - исследование возможности применения светокорректирующих пленочных покрытий в комплексе с ГК торфа для стимуляции биохимического окисления нефтяного загрязнения в почве.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Полевые эксперименты проводили в летний период с 1 июня по 10 августа. Для этого использовали площадки размером 70 см2, которые представляли собой участки почвы, ограниченные деревянной рамкой на глубину 30 см. Почва дерново-подзолистая лесная.
Загрязнение почвы проводили искусственно. Для этого из каждой площадки, ограниченной деревянной рамкой, полностью выбирали слой почвы толщиной 30 см, взвешивали и вносили нефть в количестве 60 г/кг, все тщательно перемешивали и высыпали обратно. Почву увлажняли до 40% от полной влаго емкости и поддерживали постоянную влажность до конца эксперимента. Для загрязнения применяли типовую нефть Лас-Еган-ского месторождения Западной Сибири.
Численность и оксигеназную активность естественной микрофлоры изучали на примере 4-х основных физиологических групп микроорганизмов, участвующих в создании почвенного плодородия и процессах очистки почв от нефтяных загрязнений. К ним относятся: гетеротрофные бактерии, растущие на мясо-пептон-ном агаре (МПА); актиномицеты, растущие на крахмало-аммиачном агаре (КАА); микромице-ты, растущие на среде Чапека, и непосредственно углеводородокисляющая группа бактерий (УОБ), растущих на среде Мюнца. Их численность определяли методом посева на селективные среды [15]. Количество клеток пересчитывали на 1 г почвы с учетом влажности.
В качестве стимулирующей добавки использовали ГК, полученные из механоактивированного низинного торфа [16]. Механоактивация проведена в проточной виброцентробежной мельнице ВЦМ-10 в присутствии твердой щелочи 3% №ОН при следующих условиях: ускорение воздействующих шаров из нержавеющей стали диаметром 10 мм составляло 200 м/с2, время обработки - 2 мин при температуре 20°С.
Раствор ГК вносили в почву на 2-е и 40-е сут культивирования. Доза внесения стимулирующей добавки на 100 г почвы составляла 2 мл раствора ГК в концентрации 5 г/л.
В опытном варианте почву накрывали свето-корректирующей пленкой марки ФЕ, содержащей в качестве люминофора комплекс нитрата европия с фенантролином с максимумом люминесценции 615 нм (разработка Института химии нефти СО РАН, г. Томск). В качестве контроля использовали емкости без внесения ГК, а также контролем служила почва + ГК без пленки и накрытая обычной пленкой ПЭВД (полиэтилен высокого давления). Продолжительность эксперимента - 70 сут.
Через каждые 2-3 сут отбирали пробы почвы для определения численности, динамики роста почвенной микрофлоры и ферментативной активности почвы.
Каталазную активность почвы определяли газометрическим методом, основанным на измерении скорости разложения пероксида водорода при его взаимодействии с почвой. Активность каталазы выражали в мл выделившегося кислорода/г почвы [15].
Для определения активности дегидрогеназ почвы в качестве акцептора водорода применяли бесцветные соли тетразолия, которые восстанавливаются в красные соединения формазанов. Активность де-гидрогеназы выражали в мг ТФФ/г почвы/сут [17].
Полифенолоксидазную и пероксидазную активности почвы определяли по методу, основанному на измерении скорости окисления гидрохинона кислородом воздуха по интенсивности окраски образующегося хинона. Активность по-лифенолоксидазы, пероксидазы выражали в мг хинона/30 мин/г почвы [15].
Уреазную активность почвы определяли по методу, основанному на измерении количества аммиака, образующегося при гидролизе мочевины, путем связывания его в окрашенные комплексы с реактивом Несслера. Активность уреазы выражали в мг NH3/г почвы/ч [18].
Нефть из загрязненных образцов почвы экстрагировали хлороформом на аппарате Сокслета. Из-
Гетеротрофные бактерии
Максимальная численность гетеротрофных бактерий, ак-тиномицетов, микромицетов и УОБ в почве, загрязненной нефтью, с применением светокорректирующей пленки и гу-миновых кислот.
влеченную нефть освобождали от хлороформа на роторном испарителе и взвешивали [19].
Повторность измерений в экспериментах трехкратная. На рисунке и в таблицах приведены данные в виде средних арифметических величин.
ИК-спектры снимали на спектрометре Фурье "NIKOLET 5700 (FT-IR)" в диапазоне от 400 до 4000 см1. Элементный состав нефтей исследовали на CHN-анализаторе "Carlo Erba Strumentazi-one" модель 1106 (Италия).
Для хроматографических исследований нефть, экстрагированную из почвы, подвергали дополнительной очистке гексаном на колонке, заполненной окисью алюминия. Анализ проводили на газожидкостном хроматографе марки 3700 с пламенно-ионизационным детектором и капиллярной колонкой с неподвижной фазой SE 54 длиной 25 м. Анализ ароматических углеводородов проводили на хроматографе марки "NERMAG R 10-10" Франция с хроматографической колонкой SPB-5.
Схема эксперимента, варианты: 1. Почва + + нефть (П + Н); 2. Почва + нефть + ГК (П + Н +ГК); 3. Почва + нефть + ГК + обычная пленка (П + Н + + ГК + ПЭВД); 4. Почва + нефть + ГК + светокор-ректирующая пленка (П + Н + ГК + ФЕ).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Загрязнение почвы нефтепродуктами приводило к сокращению видового разнообразия микробиоценоза почвы с доминированием ограниченного набора углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ). В конце эксперимента в загрязненной почве видовое разнообразие снижалось, и доминировали микроорганизмы, способные к деструкции углеводородов нефти из родов Bacillus, Pseudomonas, Flavobacterium, Micrococcus, Candida, Pénicillium, Aspergillus и Actinomyces.
Исходная численность изученных групп микроорганизмов в почве находилась в интервале 0.41.1 мл
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.