НЕФТЕХИМИЯ, 2007, том 47, № 3, с. 240-245
УДК 579.873.6.017.7.
БИОДЕСТРУКЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ НЕФТИ ПОЧВЕННОЙ МИКРОФЛОРОЙ, АКТИВИРОВАННОЙ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМИ ПЛЕНКАМИ
© 2007 г. Л. И. Сваровская, Л. К. Алтунина, Д. А. Филатов
Институт химии нефти СО РАН, Томск E-mail: sli@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 27.08.2006 г.
В лабораторных условиях исследовано положительное влияние полиэтиленовых фотолюминесцентных пленок на оксигеназную активность аборигенной микрофлоры нефтезагрязненных почв в концентрации 50 г/кг. В опытных вариантах в конце эксперимента утилизация нефти составила 30-35 г/кг почвы, в контрольных вариантах 8-13 г/кг. Анализ остаточных углеводородов нефти методом ИК-спектро-метрии, при использовании фотолюминесцентных пленок, показал появление полос поглощения (п.п.) в области 1710 см-1 и 1600 см, а также увеличение спектральных коэффициентов Q, С2, Аь А2 в 1.5-3 и уменьшение С3, А3 в 1.5-2.5 раза, что указывает на интенсивные процессы окисления нефти. Хромато-графический анализ подтвердил интенсивность биодеструкции насыщенных ациклических углеводородов. В опытных образцах полностью элиминировали легкие углеводороды C9-Q4, на 70-80% уменьшилась концентрация углеводородов с большим молекулярным весом С15-С28. При этом коэффициент биодеструкции нефти, определяемый по отношению суммы изоалканов (пристан + фитан) к сумме н-ал-канов (С17 + С18), с применением фотолюминесцентных пленок увеличивается в 5-6 раз.
В основе биотехнологий, направленных на улучшение экологических условий, лежит способность микроорганизмов к ферментативному окислению углеводородов нефти [1]. Степень деструкции углеводородов коррелирует с увеличением численности и оксигеназной активности микроорганизмов [2]. Окислительные процессы протекают при участии ферментов: дегидрогеназы, уре-азы, каталазы, полифенолоксидазы и пероксида-зы [3]. Микробное окисление углеводородов нефти происходит через серию каталитических процессов с образованием промежуточных продуктов метаболизма - спиртов, альдегидов, кето-нов, жирных и карбоновых кислот, которые в конечном итоге окисляются до СО2 [4].
В природе процессы деструкции углеводородов за счет микробиологических и физико-химических факторов обеспечивают самоочистку почвы от нефтезагрязнений. В естественных условиях эти процессы протекают медленно, в течение длительного времени, особенно в регионах с пониженной температурой и коротким вегетационным периодом. Управление процессами биодеградации углеводородов должно быть направлено, прежде всего, на активизацию микробных сообществ и создание оптимальных условий для их существования [5]. Для удлинения вегетационного периода и улучшения температурного режима почвы возможно применение пленочных по-
крытий со светокорректирующими свойствами, обладающих полисветановым эффектом [6].
В последние годы такие пленки привлекают особое внимание и применяются для повышения урожайности сельскохозяйственных культур [7]. Влияние пленок на развитие растений связывается с закономерным изменением количественного и качественного состава проходящего через них электромагнитного излучения солнца.[8]. С применением фотолюминесцентных пленок продуктивность ряда сельскохозяйственных культур увеличивается на 250-300%. Сроки выращивания растений при этом сокращаются на 10-15 сут [9].
Нами был обнаружен эффект положительного влияния светокорректирующих пленок на растения и биохимическую активность почвенной микрофлоры. Факторы, активизирующие процессы жизнедеятельности углеводородокисляющей микрофлоры, могут быть использованы при разработке экологически безопасных методов восстановления продуктивности нефтезагрязненных почв.
Цель работы - исследование влияния фотолюминесцентных полимерных пленок на оксигеназную активность микроорганизмов нефтезагрязненных почв.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для моделирования микробиологических деструктивных процессов применяли смешанные
образцы верхних слоев тепличной и дерновопод-золистой почвы лесной зоны. Почву загрязняли нефтью Лас-Еганского месторождения Западной Сибири в концентрации 5% (50 г/кг). Вязкость нефти 14.09 мПа с, плотность 0.861 г/см3 при 20 °С.
Динамику численности изучали по трем основным группам микроорганизмов, обеспечивающих плодородие почв: гетеротрофные бактерии, ак-тиномицеты и грибковая микрофлора (микроми-цеты). Их численность определяли методом посева на селективные агаризованные среды [10].
При проведении эксперимента навески загрязненной почвы по 1000 г помещали в стерильные емкости размером 30 х 15 х 7см и закрывали светокор-ректирующими пленками марки ФЕ и Л-50. В состав пленки ФЕ входит комплекс нитрата европия с фенантролином в качестве люминофора, основной максимум в спектре люминесценции 615 нм. В состав пленки Л-50 входит фосфат-ванадат иттрия, активированный европием: основной максимум в спектре люминесценции 619 нм. Почву увлажняли до 30 % от полной влагоемкости и поддерживали постоянную влажность до конца эксперимента. В качестве контроля использовали почву открытых емкостей и под обычной тепличной полиэтиленовой пленкой высокого давления (ПЭВД). Все применяемые пленки получены из одной базовой марки полиэтилена высокого давления одинаковых технологических параметров (ширина рукава 500 мм, толщина 0.12 мм). Источником излучения служила лампа "Филипс-Блек Лайт" мощностью 9 Вт, моделирующая солнечный спектр. Светопро-пускание пленок в области 380-710 нм: ПЭВД -91%, ФЕ - 90.5% и Л-50 - 90.5%. Режим облучения -6 ч в сут. Продолжительность эксперимента 45 сут при температуре 18-20°С.
В начале опыта почву, загрязненную нефтью, тщательно перемешивали и отбирали пробу для хроматографического анализа исходного загрязнения и определения исходной численности микрофлоры. В течение эксперимента исследовали динамику численности микроорганизмов и их ферментативную (оксигеназную, каталазную, де-гидрогеназную, полифенолоксидазную, перокси-дазную и уреазную) активность, обеспечивающую деструктивные процессы углеводородов нефти [10, 11].
Активность каталазы определяли газометрическим методом, основанным на измерении скорости разложения пероксида водорода. Дегидрогеназ-ную, уреазную, полифенолоксидазную и перокси-дазную активность почвы определяли фотоколориметрическим методом [11].
Количественную и качественную оценку деструкции углеводородов нефти проводили методами ИК-спектроскопии и ГЖХ. Нефть из загряз-
ненных образцов почвы экстрагировали горячим способом на аппарате Сокслета с использованием хлороформа, который удаляли на роторном испарителе. Извлеченную нефть взвешивали на аналитических весах. Полученные величины сравнивали с контрольным вариантом и исходным загрязнением.
ИК-Спектры остаточных углеводородов нефти и исходного загрязнения снимали на спектрометре Фурье №коМ 5700 (РТ-Ш). Число сканов пробы 64; длительность измерения 76.5 с; разрешение 4.000; уровень интерполяции 0. Спектры снимали в диапазоне от 400 до 4000 см-1 [12].
Хлороформный экстракт подвергали дополнительной очистке гексаном на колонке, заполненной оксидом алюминия. Остаточное содержание индивидуальных насыщенных ациклических углеводородов нефти (н-алканов) определяли на газо-жидкостном хроматографе 3700 с пламенно-ионизационным детектором и капиллярной колонкой с неподвижной фазой SE 54 длиной 25 м. Анализ проводили с программированием температуры от 50 до 290 °С, газ-носитель гелий. Индивидуальные углеводороды идентифицировали, учитывая известные порядки элюирования и величины индексов удерживания [13].
По данным хроматографического анализа строили гистограммы молекулярно-массового распределения насыщенных углеводородов нефти. Степень деструкции (-Кбиод.) рассчитывали по отношению суммы изоалканов (пристан + фитан) к сумме н-алканов (С17 + С18) [14].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
С применением фотолюминесцентных пленок увеличение общей численности микроорганизмов коррелирует с их деструктивной активностью и процессами метаболизма. Известно [3], что окислительно-восстановительные процессы, происходящие при участии различных ферментов, обеспечивают общую деструкцию углеводородов нефте-загрязненных почв.
Основными ферментами, влияющими на деструкцию углеводородов нефти, является группа оксидоредуктаз, включающая каталазу, дегидро-геназу, пероксидазу и полифенолоксидазу. Динамика их активности в опытных и контрольных образцах почвы представлена в табл. 1. Как следует из таблицы, каталаза и пероксидаза максимальную активность проявили на 30 сут эксперимента. Уровень их активности является динамичным показателем самоочищающей способности почв от нефтяных загрязнений. Дегидрогеназа принимает непосредственное участие в разложении насыщенных ациклических углеводородов. Ее активность под влиянием светокорректирующих пле-
Таблица 1. Ферментативная активность нефтезагрязненной почвы с применением светокорректирующих пленок
Сутки опыта Ферменты Без пленки Пленка ПЭВД ФЕ Л-50
Исходное Каталаза, мл/г 0.18 ± 0.01
Дегидрогеназа, мг/г 0.41 ± 0.01
Уреаза, мг/г 0.28 ± 0.02
Пероксидаза, мг/г 0.27 ± 0.03
Полифенолоксидаза, мг/г 0.14 ± 0.01
10 Каталаза, мл/г 1.58 ± 0.08 1.65 ± 0.06 3.64 ± 0.05 4.3 ± 0.04
Дегидрогеназа, мг/г 0.29 ± 0.02 0.31 ± 0.01 0.39 ± 0.01 0.41 ± 0.01
Уреаза, мг/г 0.52 ± 0.09 0.52 ± 0.09 0.81 ± 0.02 0.89 ± 0.03
Пероксидаза, мг/г 0.26 ± 0.01 0.28 ± 0.04 0.49 ± 0.02 0.51 ± 0.04
Полифенолоксидаза, мг/г 0.17 ± 0.03 0.18 ± 0.02 0.27 ± 0.01 0.31 ± 0.02
20 Каталаза, мл/г 2.01 ± 0.15 2.79 ± 0.21 5.35 ± 0.17 5.96 ± 0.09
Дегидрогеназа, мг/г 0.31 ± 0.01 0.38 ± 0.03 0.67 ± 0.03 0.68 ± 0.02
Уреаза, мг/г 0.67 ± 0.15 0.72 ± 0.19 1.51 ± 0.02 1.62 ± 0.05
Пероксидаза, мг/г 0.22 ± 0.02 0.26 ± 0.02 0.52 ± 0.03 0.58 ± 0.03
Полифенолоксидаза, мг/г 0.15 ± 0.01 0.17 ± 0.01 0.31 ± 0.01 0.32 ± 0.04
30 Каталаза, мл/г 2.1 ± 0.14 4.01 ± 0.13 8.24 ± 0.32 7.74 ± 0.21
Дегидрогеназа, мг/г 0.39 ± 0.02 0.43 ± 0.01 0.98 ± 0.01 1.01 ± 0.02
Уреаза, мг/г 0.71 ± 0.01 0.81 ± 0.02 2.18 ± 0.05 2.72 ± 0.41
Пероксидаза, мг/г 0.23 ± 0.01 0.28 ± 0.03 0.61 ± 0.05 0.62 ± 0.02
Полифенолоксидаза, мг/г 0.16 ± 0.03 0.17 ± 0.02 0.39
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.