COMPARATIVE EVALUATION OF DIFFERENT DOSES OF A BIOLOGICAL PRODUCT FOR CLEANING OF OIL-CONTAMINATED SOIL
Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper studies the possibility of bioremediation of contaminated soils and deposits Kosshagyl and Zhanatalap in the Atyrau region (the Republic of Kazakhstan) with the biological preparation "Bakoyl-KZ", containing the strains of microorganisms that are active oil destructors. The model experiment is shown for comparative studies of the effect of different doses of the biological product (0.1; 0.5 and 2.0 g/kg soil) on the utilization of oil different in composition and concentration in two types of soil. It is shown that introduction of the biological product "Bakoyl-KZ" into the oily soil reduces the content of oil, activates the enzymatic activity of soil and intensifies soil respiration, which suggests the possibility of using them to restore contaminated soils in the Atyrau region. Microorganisms, belonging to the biological product "Bakoyl-KZ", are adapted to the climatic conditions in the western Kazakhstan and to media with high salinity, safe for soil microbiocenosis as isolated from oil-contaminated soils in the Atyrau region. Microorganisms that are part of biological product use oil and oil products as sole source of nutrition. Biological product "Bakoyl-KZ" is suitable for cleaning oil-contaminated soil surface, degradation process takes place during the period of several weeks to several months, depending on the degree of contamination of the object, the chemical composition of the pollutant, climatic and physico-chemical parameters of the medium.

Keywords:
oil, soil, bioremediation, biological product, destruction
Text
Введение Одной из важнейших составляющих биосферы-литосферы является ее биокосное образование - почва. Почва - это природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Важнейшее из свойств почвы - плодородие, связанное с наличием в ней гумуса и воды. В настоящее время наблюдается широкомасштабное загрязнение почвы. Очень часто встречаются участки, покрытые остатками строительных деталей: блоков, кирпичей; почвы, заваленные золой, шлаками. В местах расположения нефтебаз земля покрыта слоем мазута, нефти, смазочных материалов. Нефть, самый распространенный источник топлива и один из самых мощных загрязнителей почвы, подавляет микробиологические и биохимические процессы в почве и при аварийных разливах часто приводит к формированию техногенных пустынь, процесс самовосстановления которых длится более 15-20 лет [1] . Разработка нефтяных месторождений имеет стратегическое значение для Республики Казахстан. В Казахстане проблема очищения нефтяных загрязнений усугубляется повышенным содержанием в почвах солей и низкой долей гумуса. Однако при очистке засоленных почв, загрязненных нефтью, необходимо учитывать специфику природных условий, которые влияют на эффективность восстановительных мероприятий. В последнее время успешно применяются биопрепараты на основе микроорганизмов, которые характеризуются высокой способностью к утилизации углеводородов нефти. Несмотря на это, поиск новых углеводородокисляющих штаммов является актуальным для Казахстана. Это связано в первую очередь с высокой степенью аридности климата и особенностями пустынных почв, где происходит основная добыча нефти. Широко распространено в Казахстане загрязнение почвы нефтепродуктами. Опасность загрязнения нефтью состоит не только в изменении физико-химических свойств почвы - посторонние вещества, попадая в почву, разрушают сложившиеся связи между отдельными группами почвенного биоценоза, разрушаются сложившиеся трофические цепи. Все это в конечном счете сказывается на плодородии почв. Экологический ущерб от загрязнения почв углеводородами значителен - от снижения качества и продуктивности почв до полного вывода земель из сельскохозяйственного оборота. Разработка средств очистки почвы от нефтяных углеводородов является активно развивающимся направлением экологии и биотехнологии. Решение проблемы защиты окружающей среды, в первую очередь почв, состоит в активизации потенциала самоочищения почв и интродукции активных штаммов микроорганизмов-деструкторов нефти в виде биопрепаратов [2, 3]. Литературные данные свидетельствуют о том, что ассоциации микроорганизмов способны более полно и быстро разлагать углеводородные субстраты по сравнению с индивидуальными штаммами, поэтому многие современные биопрепараты многокомпонентны по составу [4]. Целью наших исследований было определение оптимальной дозы биопрепарата «Бакойл-KZ», необходимой для очистки почвы, загрязненной нефтью. Материал и методы исследования С целью сравнительного исследования влияния различных доз биопрепарата на утилизацию нефти, разной по составу и концентрации, в двух видах почв, был поставлен модельный эксперимент. В эксперименте использовались почвы и нефть месторождений (м.) Косшагыл и Жанаталап, расположенных в Атырауской области. Нефть вносили в дозах 1, 5 и 10 %, затем в почву, загрязненную нефтью, вносили биопрепарат «Бакойл-KZ», который производился в полупромышленных условиях. Биопрепарат «Бакойл-KZ» представляет собой пастообразную смесь коричневого цвета. Состав биопрепарата: - ассоциация жизнеспособных клеток микроорганизмов, растущих на углеводородах различных классов и некоторых их производных; - наполнитель - цеолитовая глина (бентонит), который значительно активизирует процесс деструкции нефти, увеличивает эффективность препарата в естественных природных условиях. Наполнитель дополнительно играет роль носителя микроорганизмов и предохраняет их от вымывания ливневыми дождями и элиминации (подавления другими видами микроорганизмов в микробиоценозе) при интродукции в загрязненную почву, существенно сокращает время, необходимое для нейтрализации загрязнения [5]. Дозы биопрепарата составляли 0,1; 0,5 и 2,0 г/кг почвы. В начале эксперимента в контрольных образцах (загрязненная почва без биопрепарата), а в конце опыта во всех вариантах определяли активность каталазы (фермента, который приводит к разрушению токсичного пероксида водорода, образующегося в ходе различных окислительных процессов), активность дегидрогеназ (ферментов, катализирующих реакции отщепления водорода от одного субстрата и переносящих его на другой) и степень утилизации нефти в почве [6]. Результаты исследований и их обсуждение Известно, что изменение ферментативной активности свидетельствует о микробиологической деструкции нефти в почве. Анализ каталазной и дегидрогеназной активности показал, что при 1 %-м загрязнении нефтью в контроле активность каталазы снижается по отношению к чистой почве м. Косшагыл в 1,1 раза, а м. Жанаталап - в 1,4 раза (табл. 1). При 5 и 10 %-м загрязнении активность каталазы еще больше уменьшается. Самое низкое значение отмечено при 10 %-м загрязнении в почве м. Жанаталап - 1,1 мл О2/мин/г. Внесение биопрепарата в почву с 5- и 10 %-м загрязнением способствовало постепенному увеличению каталазной активности. Отметим, что с увеличением дозы препарата активность фермента возрастала, хотя через два месяца еще не достигала значения, учтенного в чистой почве. Следует также отметить, что в почве м. Косшагыл повышение каталазной активности наблюдалось уже при внесении минимальной дозы препарата, тогда как в почве м. Жанаталап она находилась на уровне контроля. Аналогичная картина наблюдалась и в случае с дегидрогеназой. При загрязнении почвы нефтью происходит значительное снижение ее активности. Внесение биопрепарата способствует повышению активности дегидрогеназы. Следует отметить, что при использовании максимальной исследуемой дозы препарата (2,0 г/кг) в почве, содержащей 1 и 5 % нефти, значения дегидрогеназной активности приближаются к фоновым (чистая почва). Таким образом, при внесении биопрепарата в количестве 2,0 г/кг почвы наблюдается наибольшее увеличение ферментативной активности - почвы способны проявлять каталитическое воздействие на процессы превращения экзогенных и собственных органических и минеральных соединений благодаря имеющимся в них ферментам. Таблица 1 Степень деструкции нефти и биологическая активность почвы при интродукции различных доз биопрепарата «Бакойл-KZ» Активность Количество внесенного биопрепарата, г/кг почвы Контроль 0,1 0,5 2,0 1 % нефти м. Косшагыл Каталаза, мл О2/мин/г 4,9 3,5 3,0 4,8 Дегидрогеназа, мг ТФФ/г/сут 0,20 0,21 0,29 0,26 Утилизация нефти, % 15,3 34,6 59,2 58,5 5 % нефти м. Косшагыл Каталаза, мл О2/мин/г 1,6 1,9 2,7 5,1 Дегидрогеназа, мг ТФФ/г/сут 0,18 0,19 0,24 0,27 Утилизация нефти, % 14,7 34,4 39,1 42,7 10 % нефти м. Косшагыл Каталаза, мл О2/мин/г 1,8 2,3 2,6 3,4 Дегидрогеназа, мг ТФФ/г/сут 0,01 0,05 0,12 0,13 Утилизация нефти, % 9,6 32,0 39,9 48,9 1 % нефти м. Жанаталап Каталаза, мл О2/мин/г 4,5 2,0 3,2 4,3 Дегидрогеназа, мг ТФФ/г/сут 0,27 0,35 0,42 0,61 Утилизация нефти, % 6,4 30,2 53,7 54,8 5 % нефти м. Жанаталап Каталаза, мл О2/мин/г 1,8 1,6 2,6 3,9 Дегидрогеназа, мг ТФФ/г/сут 0,19 0,21 0,33 0,49 Утилизация нефти, % 16,0 26,2 29,6 39,1 10 % нефти м. Жанаталап Каталаза, мл О2/мин/г 1,1 1,1 2,3 3,5 Дегидрогеназа, мг ТФФ/г/сут 0,09 0,08 0,17 0,21 Утилизация нефти, % 9,0 22,3 28,4 36,7 Примечание. Месторождения: Косшагыл (чистая почва): фон по каталазе - 5,4 мл О2/мин/г, фон по гидрогеназе - 5,4 мг ТФФ/г/сут; Жанаталап (чистая почва): фон по каталазе - 6,1 мл О2/мин/г, фон по гидрогеназе - 0,57 мг ТФФ/г/сут. По истечении двух месяцев наибольшая степень деструкции нефти наблюдалась при внесении 2,0 г/кг препарата. В целом утилизация нефти более интенсивно проходила в почве м. Косшагыл при использовании всех доз препарата. По полученным результатам был проведен расчет времени, необходимого для практически полной утилизации нефти под воздействием указанных доз препарата (табл. 2). Таблица 2 Время практически полного разложения нефти в почвах месторождений Косшагыл и Жанаталап под действием биопрепарата «Бакойл-KZ» Количество препарата, г/кг почвы Время разложения нефти, сут Количество препарата, г/кг почвы Время разложения нефти, сут м. Косшагыл м. Жанаталап 1 % нефти 0,1 172 0,1 197 0,5 100 0,5 111 2,0 102 2,0 108 5 % нефти 0,1 173 0,1 227 0,5 152 0,5 201 2,0 139 2,0 152 10 % нефти 0,1 186 0,1 266 0,5 149 0,5 209 2,0 121 2,0 162 Как видно из табл. 2, в почве м. Косшагыл время полного разложения нефти в зависимости от степени ее загрязнения составляет от 100 до 186 суток, тогда как в почве м. Жанаталап эти значения выше - от 108 до 266 суток. Чем выше доза препарата, тем более интенсивно протекает процесс биоремедиации. Полученные данные свидетельствуют также о том, что возможность очистки почвы от загрязнения нефтью зависит и от типа почвы. Заключение В настоящее время в Казахстане интенсивно эксплуатируются месторождения нефти в Атырауской области, в связи с чем неизбежны ее разливы и увеличение количества почв, загрязненных нефтью. В результате контаминации почв нефтью и нефтепродуктами происходит не только загрязнение, но и утрата почвенного плодородия, что приводит к их выводу из практического использования. Процесс самовосстановления загрязненных почв Атырауского региона, из-за их особенностей (сильное засоление, низкое содержание гуминовых веществ), является очень длительным и продолжается более 15-25 лет. Важное место при очистке почв, загрязненных нефтью, занимает интенсификация их микробной деструкции. При этом следует иметь в виду не только естественную активацию аборигенной микрофлоры загрязненных почв, но и внесение биологических препаратов, содержащих штаммы микроорганизмов, которые являются активными нефтедеструкторами. В последнее время интенсивно разрабатываются и успешно применяются биопрепараты на основе ассоциаций микроорганизмов, в состав которых входят разные группы микробов, наиболее часто используются ассоциации бактерий и дрожжевых организмов [7]. В то же время известно, что химический состав нефти разных регионов существенно различается. Эффективность биопрепаратов, интродуцируемых в почвы, загрязненные нефтью, зависит от климатических и почвенно-биологических условий конкретного региона. Результаты модельного эксперимента показали, что внесение в загрязненную почву биопрепарата «Бакойл-KZ» снижает содержание нефти и что из исследованных доз биопрепарата наиболее эффективной является доза 2 г/кг почвы, при использовании которой наблюдалось наибольшее увеличение ферментативной активности и деструкция нефти. Таким образом, процесс самовосстановления загрязненных почв при применении биопрепарата «Бакойл-KZ» сокращается до 266 суток, а в естественных (контрольных) условиях этот процесс длится до 25 лет.
References

1. Golodyaev G. P. Bioremediaciya neftezagryaznennyh pochv metodom kompostirovaniya / G. P. Golodyaev, N. M. Kostenkov, V. I. Oznobihin // Pochvovedenie. 2009. № 8. C. 996-1006.

2. Shvec A. V. Sposob ochistki pochvogruntov ot lokal'nyh zagryazneniy nefteproduktami / A. V. Shvec // Zaschita okruzhayuschey sredy v neftegazovom komplekse. 2009. № 5. C. 29-33.

3. Karaseva E. V. Bioremediaciya chernozemnoy pochvy, zagryaznennoy neft'yu / E. V. Karaseva, I. E. Girich, A. A. Hudokormov, N. Yu. Aleshina, S. G. Karasev // Biotehnologiya. 2011. № 2. C. 67-72.

4. Samsonova A. S. Mikrobnyy preparat «Rodobel» dlya ochistki pochvy ot nefti / A. S. Samsonova, Z. M. Apeschenkova, N. F. Semochkina // Biotehnologiya: sostoyanie i perspektivy razvitiya: Materialy II Mezhdunar. kongr. (10-14 noyabrya 2009 g., Moskva). M., 2009. Ch. 2. S. 40.

5. Muratova A. Yu. Degradaciya mineral'nyh masel selekcionirovannoy mikrobnoy associaciey / A. Yu. Muratova, O. V. Turkovskaya // Prikladnaya biohimiya i mikrobiologiya. 2011. T. 37, № 2. S. 175-180.

6. Bashkin V. N. Ekspress-diagnostika uglevodorodnogo zagryazneniya pochvy i ee bioremediaciya posredstvom analiza katalazy / V. N. Bashkin, I. E. Kalinina, R. V. Galiullin, R. A. Galiullina // Zaschita okruzhayuschey sredy v neftegazovom komplekse. 2009. № 7. S. 4-7.

7. Pat. Rossiyskaya Federaciya 2384616. Konsorcium shtammov mikroorganizmov dlya ochistki okruzhayuschey sredy ot uglevodorodov / Samsonov R. O., Akopova G. S., Kozlov S. I., Listov E. L.; opubl. 23.03.2010, Byul. № 8.