ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 8, с. 996-1006
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 655.637:631.427.2(571.64)
БИОРЕМЕДИАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ МЕТОДОМ
КОМПОСТИРОВАНИЯ
© 2009 г. Г. П. Голодяев, Н. М. Костенков, В. И. Ознобихин
Биолого-почвенный институт Дальневосточного отделения РАН 690022, Владивосток, проспект 100 лет Владивостоку, 159 e-mail: kostenkov@ibss.dvo.ru Поступила в редакцию 19.05.2008 г.
Компостирование нефтезагрязненных почв в полевых условиях с одновременной оптимизацией их физико-химических, агрохимических параметров выявило высокую эффективность очистки, в том числе и от бенз(а)пирена. Внесение удобрений и извести способствует интенсивному развитию аборигенных микроценозов и эффективной деструкции нефти. За 95-дневный период эксперимента средняя скорость разложения нефти составила 157 мг/кг почвы в сут. После завершения процесса компостирования почва стала экологически чистой.
ВВЕДЕНИЕ
Внимание исследователей в последние десятилетия направлено на решение вопросов очистки почв, грунтов и вод, загрязненных нефтепродуктами. В разработке процессов биоремедиации сформировалось два принципиальных биотехнологических направления. Первое основано на активизации микрофлоры путем создания для нее более благоприятных условий жизнедеятельности почвоулучшающими мероприятиями [10, 13, 16, 23]. Второе - на использовании специально выделенных и подготовленных нефтеокисляю-щих штаммов-деструкторов, способных эффективно разлагать нефть и нефтепродукты [4, 8, 9, 15, 22, 25, 27]. Последнее направление наиболее перспективно использовать в северных регионах, где очень короткий период с положительными температурами.
Цель исследования - изучить процесс самоочищения почв от нефтепродуктов путем компостирования их в природных условиях района добычи и транспортировки нефти. При этом необходимо было решить следующие задачи: выявить уровень плодородия и физико-химические свойства почв как субстрата для последующей биоремедиации; определить трофический состав микрофлоры компоста, его компонентов и ферментативную активность клеток микроорганизмов; установить регламент очистки от нефтепродуктов компостного субстрата, состоящего из загрязненных слоев почв, путем оптимизации почвенных условий, которые способствуют жизнедеятельности аборигенной микрофлоры; изучить динамику содержания бенз(а)пирена.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для рекультивации (биоремедиации) нефтезагрязненных почв разработано значительное количество методов и технологий [31]. Нами изучался метод компостирования в буртах, наиболее соответствующий низкой обеспеченности теплом в условиях северного Сахалина, так как компостирование позволяет повысить температуру в бурте за счет "саморазогревания" его массы и, таким образом, создать более оптимальный фон для жизнедеятельности микрофлоры, что способствует повышению скорости очистки загрязненной массы и сокращения срока очистки [30].
Для закладки компоста в полевых условиях использованы следующие компоненты: почвенная масса из гумусового и подзолистого горизонтов в соотношении 1 : 1 (1.6 м3), органическое удобрение (перегной) - 0.2 м3, дернина подзолистой почвы (1.6 м3), торф (1.6 м3) и щепа в качестве разрыхлителей в объеме 0.73 м3. Бурт высотой 0.9 м и объемом 4.1 м3 имел форму усеченной трапеции. Общий вес компоста составил 5.2 т. Для активации жизнедеятельности микрофлоры, на основании данных физико-химических и агрохимических анализов, в период закладки бурта первоначально было внесено: 9 кг извести, 2 кг двойного гранулированного суперфосфата, 1.6 кг мочевины (азотного удобрения), 0.2 кг калийного удобрения. Дополнительно в процессе компостирования бурта и мониторинга за условиями почвенной среды было внесено 0.8 кг мочевины, 1 кг суперфосфата и 12 кг известняковой муки.
В бурт было внесено 75 кг сырой нефти, которая относится, как и все сахалинские нефти, к легким - показатель API-gravity использованной в опыте нефти равнялся 38.2. Многочисленные исследования [30-32] говорят о том, что при такой
величине этого показателя полютант должен хорошо разлагаться микрофлорой. Однако в используемой для опыта нефти очень неблагоприятное для ее разложения соотношение углерода к азоту (резкий дефицит азота), то есть содержание общего углерода превышает 87.4%, а валового азота только 0.07%.
Содержание нефти в компостном бурте составляло 1.5%, то есть почвенная масса бурта при такой концентрации относится к слабозагрязнен-ной. За сезон с 23 июля по 26 октября было выполнено шесть перемешиваний компоста и два полива для поддержания оптимальной аэрации и влажности (70% от полной влагоемкости).
Общее содержание органического вещества в компонентах и самом компосте определялось не только общепринятым методом Тюрина, но и условным - по потере после прокаливания (при определении зольности теряется не только грубо-гумусовые органические частицы, но и другие летучие вещества), так как грубогумусовый характер органических веществ почв северной части Сахалина не позволяет судить об их общем содержании. Определение гумуса по Тюрину в компосте проводилось после экстракции нефти четы-реххлористым углеродом из образца и его тщательного последующего просушивания.
Количественный учет эколого-трофических групп микроорганизмов выполняли общепринятыми методами почвенной микробиологии, то есть высевом почвенной суспензии на элективные питательные среды. Ферментативную активность клеток микроорганизмов устанавливали путем качественных реакций фермента на субстрате [3, 21]. Физико-химические, химические, агрохимические анализы почв и компонентов компоста осуществляли стандартными методами [1, 2].
Массовая доля нефти определялась в сертифицированной химико-аналитической лаборатории Сахалинского НИИ рыбного хозяйства и океанографии флуориметрическим методом на анализаторе Флюорат-02. Экстракция ПАУ осуществлялась в соответствии со стандартной методикой США ЕРА 3550В, очистка - по ЕРА 3630С, анализ выполнялся согласно ЕРА 8270Б на газовом хроматографе НР-6890 с масселективным детектором НР-5973. Биотестирование на токсичность и определение класса токсичности почвы проводилось методом почвенных вытяжек с использованием в качестве тест-объектов инфузорий и це-риодафний (по их смертности и изменению плодовитости) [18].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На территории Северо-Сахалинской низменности - района современной интенсивной нефтедобычи и транспортировки нефти - наиболее рас-
пространены почвы подзолистого типа (65%). Главной их особенностью является небольшая мощность почвенного профиля, очень маломощные (не более 7 см) органогенные горизонты, под которыми расположен подзолистый горизонт слоем 10-15 см. По гранулометрическому составу почвы относятся к легким (пески, супеси, реже легкие суглинки). Содержание грубого органического вещества в поверхностных горизонтах может изменяться в широких пределах от 4 до 20%, в нижележащих горизонтах не превышает 1% [17]. Все подзолистые почвы относятся к группе сильнокислых. Содержание токсичного для растений алюминия колеблется от 5 до 65 мг/100 г почвы, количество поглощенных катионов невысокое. Встречается повышенное содержание обменного натрия (до 30% от емкости поглощения). Содержание важнейших биогенных элементов по всему профилю очень низкое, и только в гумусовых горизонтах отмечается незначительная их биологическая аккумуляция [29].
Для объяснения процессов, происходящих в компостном бурте, большое значение имеет характеристика его исходных компонентов по физико-химическим и агрохимическим показателям. Общеизвестно, что наибольшее влияние на развитие микробиоты оказывают кислотно-щелочные условия среды, которые определяют различные формы кислотности почв (табл. 1). Из всех компонентов компоста оптимальные показатели кислотности наблюдаются только в перегное, где рН водной и солевой вытяжек нейтральный (рН = 7) при низком содержании обменных форм водорода, алюминия и гидролитической кислотности (1.2, 1.5 и 10.5 мг-экв/100 г почвы соответственно). Особенно неблагоприятные условия по формам кислотности складываются в таких компонентах компоста, как дернина и горизонты подзолистых почв, где величина рН солевой вытяжки колеблется в пределах 3.3-4.5, то есть они относятся к группам очень сильнокислых и сильнокислых почв. Следует особо отметить высокое содержание в дернине обменного алюминия (до 54 мг/100 г). Такое сочетание условий почвенной среды отрицательно сказывается на развитии всех групп микроорганизмов. В торфе реакция среды сильнокислая при низком уровне величины гидролитической кислотности (8.3 мг-экв/100 г), но повышенном содержании обменных форм алюминия (21.5 мг/100 г).
Состав и количественное содержание поглощенных катионов, как и следовало ожидать, наиболее оптимально в перегное (52 мг-экв/100 г), где и степень насыщенности основаниями высокая (83.3%). Такие компоненты компоста, как дернина и горизонты подзолистых почв имеют очень низкое содержание суммы поглощенных катионов (от 0.8 до 4.8 мг-экв/100 г) и невысокие значения степени насыщенности основаниями (15-23%).
Таблица 1. Физико-химическая характеристика компонентов компоста
Показатель
Компонент компоста
С Д и Б2 Е
7.1 4.5 5.4 5.6 5.1
7.0 3.3 4.2 4.5 4.1
1.2 6.0 1.0 0.6 2.1
1.5 54.0 12.0 4.2 21.5
10.5 26.3 5.8 2.8 8.3
22.5 2.0 1.0 0.50 0.37
20.0 1.22 0.47 0.18 0.87
8.54 0.11 0.05 0.05 0.06
0.94 1.43 0.13 0.08 0.12
51.99 4.75 1.65 0.82 1.42
62.49 31.05 7.45 3.62 9.72
83.2 15.3 22.2 22.6 14.6
1.8 30.2 8.0 10.2 8.8
Формы кислотности:
актуальная по рН водной вытяжки обменная по рН солевой суспензии обменный водород, мг-экв/100 г обменный алюминий, мг/100 г тотальная (гидролитическая), мг-экв/100 г Состав поглощенных оснований, мг-экв/100 ] кальций магний калий натрий
сумма оснований
емкость катионного обмена (ЕКО) Степень насыщенности основаниями, % Степень солонцеватости, % № от ЕКО Органические составляющие, % мас.
общее органическое вещество 53.2 22.2 5.8 3.6 92.0
гумус не опр. 10.7 2.2 0.6 3.3
общий азот 1.76 0.28 0.50 0.14 0.14
отношение углерод гумуса к азоту » 22.2 2.55 2.49 13.70
Кислоторастворимые (п
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.