Russian Federation
Russian Federation
Syktyvkar, Syktyvkar, Russian Federation
UDK 66.08 Физические и физико-химические процессы и оборудование. Физические и физико-химические воздействия на химические процессы
The oil and gas industry plays a key role in the Russian economy. However, its risks of environmental impact are among the highest in modern production industries. The need for the fastest recovery of territories requires a prompt elimination of consequences of soil pollution with oil. This might be achieved by an extensive complex of technologies, including biotechnological product application. This study examined contaminated soils from experimental industrial sites of the Komi Republic, Yamal-Nenets Autonomous District, Khanty-Mansiysk Autonomous District. Practices accelerating the processes of soil restoration included the application of the Geolex biogeosorbent composed of a glauconite-bearing rock and immobilized oil-degraders of the BIOTRIN biopreparation. The biotechnologies embodied enhanced the processes of dehydrogenation and oxidation of oil and petroleum products. By the end of the experiment, the dehydrogenase activity of the soils recultivated decreased, which indicated the progressive succession. The efficiency of pollutant removal at pilot sites was 68—95 % in 60 days.
soil pollution, oil, petroleum products, biogeosorbent, pilot tests, soil cleanup
Введение
Уязвимость северных и арктических экосистем перед антропогенной нагрузкой обусловливает необходимость разработки эффективных биотехнологических методов, направленных на ускорение их восстановления. Актуальными направлениями экологической биотехнологии являются биоремедиация нефтезагрязненных территорий и очистка водоемов от нефти, в том числе с помощью применения различных минеральных сорбентов и биосорбентов [1, 2, 10—12]. Проведенные нами ранее лабораторные исследования также подтвердили, что биосорбционный метод очистки позволяет не только собрать нефть и нефтепродукты с водной поверхности или почвы, но и с помощью иммобилизованных микроорганизмов провести их дальнейшую деструкцию [6, 13—15]. Для оценки работы биогеосорбента в натурных условиях были проведены опытно-промышленные испытания его биотехнологических свойств.
Целью данной работы была оценка технологий биоремедиации с применением биогеосорбента «Геолекс» в полевых экспериментах.
Объекты и методы исследования
Комплекс проведенных работ включал следующие биотехнологические продукты:
1. Биогеосорбент «Геолекс». Состав биогеосорбента «Геолекс»: клетки биопрепарата «Биотрин» — альго-бактериально-дрожжевого консорциума — бактерий Pseudomonas yamanorum ВКМ В-3033D, дрожжей Rhodotorula glutinis VKM Y-2998D, микроводорослей Chlorella vulgaris Beijer. f. globosa IPPAS C-2024, иммобилизованного на глауконитсодержащем песке Бондарского месторождения Тамбовской области (рис. 1, табл. 1, 2) [5].
2. Кородревесная смесь — хорошо разложенные органические остатки со следующими свойствами: рН(вод.) — 8.15; рН(сол.) — 7.56; массовая доля азота общего — 6300 мг/кг; значения массовой доли подвижных соединений фосфора (в пересчете на P2O5) — 7000 мг/кг, калия (в пересчете на K2O) — 1030 мг/кг, Mg — 3500 мг/кг, Ca — 130 000 мг/кг.
3. Материалы, необходимые для проведения технологии биоремедиации (минеральные удобрения NPK, семена трав).
4. Загрязненные почвы, грунты.
Опытно-промышленные испытания (ОПИ) технологий с применением биогеосорбента «Геолекс» (табл. 3)
1. На территории Ямало-Ненецкого автономного округа в районе кранового узла на 76-м км трассы Новый Уренгой — Сургут был поставлен эксперимент на площадках размером (1 × 1 м). Почва (торф) была загрязнена нефтепродуктом — газолином (до 20 г/кг). В начале эксперимента с каждого участка была отобрана проба почвы (контроль). В почву экспериментальных участков были внесены минеральные удобрения (N14P14K14) в количестве 12 г и биогеосорбент «Геолекс» в количестве 20 г. Почву перекопали на штык лопаты. Эксперимент был поставлен в трех повторностях. Пробы почвы отбирали до внесения биогеосорбента и спустя 60 суток после начала эксперимента. Обозначение участка эксперимента: ОПИ-1.
2. На территории Ханты-Мансийского автономного округа в районе трассы Лангепас — Покачи на загрязненной нефтью (до 6.6 г/кг) почве (торф) было разбито 3 участка 1 × 1 м в трех повторностях. В начале эксперимента с каждого участка была отобрана проба почвы (контроль). В емкостях (0.5 дм3) были разведены азотно-фосфорно-калийные удобрения (N14P14K14) по 12 г и внесены в почву. Биогеосорбент «Геолекс» был внесен в почву участков в количестве 20 г. Почву перекопали на штык лопаты. Пробы почвы отбирали до внесения биогеосорбента и спустя 60 суток после начала эксперимента. Обозначение участка эксперимента: ОПИ-2.
3. На территории Республики Коми, в г. Сыктывкаре, в районе насосной подстанции предприятия АО «Комиавиатранс» был поставлен эксперимент на площадках размером 1 × 1 м. Почва (насыпной грунт из песчано-гравийной смеси) была загрязнена нефтепродуктом — керосином (до 32 г/кг). В почву экспериментальных участков были внесены минеральные удобрения (N14P14K14) в количестве 2 г (растворялись в 1 дм3 воды) и биогеосорбент «Геолекс» в количестве 35 г (активировали в 1 дм3 воды). Почву перекопали на штык лопаты. Пробы почвы отбирали до внесения биогеосорбента и спустя 60 суток после начала эксперимента. Обозначение участка эксперимента: ОПИ-3.
4. На территории Республики Коми, в п. Ярега, в районе демонтированного резервуарного парка был поставлен эксперимент на площади участка 100 м2. Почва (насыпной грунт — тяжелый суглинок) была загрязнена нефтью (до 11 г/кг). В почву экспериментального участка были внесены кородревесная смесь (покрытие поверхности загрязненного участка не более 5 см), минеральные удобрения (N14P14K14) в количестве 10 кг, активированный биогеосорбент «Геолекс» в количестве 10 кг, семена трав-рекультивантов (мятлик, овес, канареечник, клевер) в количестве 10 кг. До посева трав почву взрыхлили мотокультиватором. Пробы почвы отбирали до внесения биогеосорбента и спустя 60 суток после начала эксперимента. Обозначение участка эксперимента: ОПИ-4.
Содержание нефтепродуктов (НП) определяли гравиметрическим методом, РД 52.18.647-2003 в экоаналитической лаборатории Института биологии Коми НЦ УрО РАН следующими этапами: извлечение НП из пробы путем их экстракции хлороформом; очистка экстракта методом колоночной хроматографии; определение массовой доли взвешиванием после упаривания очищенного экстракта пробы. Оборудование: весы лабораторные аналитические 1 класса точности XP205 Госреестр 30047-06, Швейцария, Mettler Toledo.
Для биохимических анализов за основу были взяты методы почвенной энзимологии [4]. Дегидрогеназную активность рассчитывали по оптической плотности. Оборудование: фотоколориметр КФК-3.
Результаты и обсуждение
Оценка функциональных свойств биогеосорбента «Геолекс»
Активность ферментов как индикатор биологической активности объекта можно применять в разных случаях. Так, например, для анализа различных функциональных показателей иммобилизованных клеток на сорбентах, таких как жизнеспособность, метаболическая и синтетическая активность, предлагаются методы, которые условно можно разделить на микробиологические, морфоцитохимические и биохимические [8].
Выбранный нами метод определения ферментативной активности является достаточно чувствительным, отражающим функциональное состояние микроорганизмов. Наиболее точный и нетрудоемкий способ определения жизнеспособности иммобилизованных клеток на сорбенте — это метод определения дегидрогеназной активности биогеосорбента.
Клетки микроорганизмов биогеосорбента «Геолекс» активировали путем замачивания в воде на 60 минут (вариант 1, 2), в вариантах 3—5 проводили измерение дегидрогеназной активности без активации (табл. 4).
Дегидрогеназная активность глауконитсодержащего песка без иммобилизации микроорганизмов была нулевой. Дегидрогеназная активность активированного биогеосорбента превышала таковую в неактивированном в 2.1—2.9 раза (табл. 4). Из этого следовало, что в технологиях рекультивации необходимо рекомендовать применение биогеосорбента, предварительно замоченного в воде, для ускорения процессов деструкции нефти и нефтепродуктов.
Таблица 4. Дегидрогеназная активность биогеосорбента «Геолекс», мг формазана/1 г а. с. п.
Table 4. The dehydrogenase activity of the GEOLEX biogeosorbent, mg of formazan per 1 g of totally-dried soil
|
Варианты Options |
Дегидрогеназная активность Dehydrogenase activity |
|
1 |
9.75 ± 0.22 |
|
2 |
8.57 ± 0.38 |
|
3 |
3.33 ± 0.11 |
|
4 |
3.39 ± 0.11 |
|
5 |
3.74 ± 0.13 |
|
Глауконитсодержащий песок Glauconite-bearing sand |
0 |
Оценка технологий применения биогеосорбента «Геолекс»
Благодаря высоким сорбционным свойствам почвы нефтяные углеводороды способны аккумулироваться и сохраняться в ней длительное время, значительно ухудшая свойства почвы и ее биологическую активность. Нефть и нефтепродукты каждого региона имеют свой характерный состав, и эффект воздействия на почву будет зависеть от климатической зоны. Исходя из этого, очевидно, что и для рекультивации нефтезагрязненных объектов в каждом конкретном случае должен применяться индивидуальный подход. Условия и технологии опытно-промышленных испытаний биогеосорбента «Геолекс» представлены в таблице 3. Технология биорекультивации торфяной почвы, загрязненной газолином (ОПИ-1) и нефтью (ОПИ-2), была аналогична. В насыпной грунт из песчано-гравийной смеси, загрязненный керосином, не вносили травосмесь (ОПИ-3), а разрыхляли тяжелый суглинок, загрязненный нефтью (ОПИ-4), путем внесения кородревесной смеси с последующим применением биогеосорбента «Геолекс».
Точно предсказать результаты рекультивационных мероприятий и гарантировать успех восстановления почв в полной мере в настоящее время не представляется возможным, так как процессы, определяющие динамику токсичности нефтезагрязненных почв, изучены недостаточно. И в то же время показатели биологической активности позволяют с минимальными затратами оценить влияние поллютантов на плодородие почв.
Ранее проведенные в полевых условиях исследования показали возможность использования дегидрогеназы как наиболее чувствительного фермента, реагирующего на появление в почве поллютанта [3, 7, 9]. Внедренные биотехнологии усиливали процессы дегидрирования в загрязненных нефтью и нефтепродуктами участках за счет привнесения в почву микроорганизмов биогеосорбента, питательных элементов глауконитсодержащей породы, стимулирующих аборигенную микробиоту, аэрации почвы с помощью трав-рекультивантов и структуратора — кородревесной смеси (рис. 2). К концу эксперимента дегидрогеназная активность рекультивируемых почв снижалась, что свидетельствовало о восстановительном характере сукцессии.
Начальная концентрация нефти и нефтепродуктов в почве рекультивируемых участков была разная. Наиболее загрязненным участком была территория в районе насосной подстанции предприятия АО «Комиавиатранс» Республики Коми в г. Сыктывкаре (ОПИ-3) (рис. 3). К концу эксперимента содержание поллютанта в почвах участков ОПИ-2, ОПИ-4 снизилось до уровня допустимого остаточного содержания нефти в почве.
Эффективность примененных технологий очистки от нефти и нефтепродуктов была высокой в почве участков ОПИ-2 — ОПИ-4 (табл. 5) и невысокой в почве участка в районе кранового узла на 76-м км трассы Новый Уренгой — Сургут на территории Ямало-Ненецкого автономного округа, что говорило о токсичности газолина и, как следствие, о необходимости проведения на этом участке дополнительных биорекультивационных мероприятий: внесения кородревесной смеси, увеличения количества вносимого биогеосорбента.
Таблица 5. Эффективность очистки почвы от нефти и нефтепродуктов, %
Table 5. The efficiency of soil cleanup, %
|
ОПИ Option |
Эффективность очистки, % Efficiency of cleanup, % |
|
1 |
68 |
|
2 |
89 |
|
3 |
81 |
|
4 |
95 |
Заключение
В результате иммобилизации на глауконитсодержащем песке клетки микроорганизмов, а также их разнообразные ферменты стабилизируются и длительное время сохраняют свою активность. Глауконитсодержащая порода является носителем пролонгированного действия, обеспечивая клеткам биопрепарата повышение терморезистентности, стрессоустойчивости. Перед применением биогеосорбента «Геолекс» в технологиях рекультивации необходима активация иммобилизованных на нем микроорганизмов.
Технологии рекультивации, проведенные на загрязненных участках с применением биогеосорбента «Геолекс», усиливали процессы дегидрирования и окисления нефти и нефтепродуктов. Эффективность очистки от поллютантов на рекультивируемых опытно-промышленных участках составила 68—95 % за 60 суток.
1. Vasilyeva G. K., Zinnatshina L. V., Akhmetov L. I., Sushkova S. N. Biorekultivatsiya zagryaznennykh uglevodorodami nefti pochv s ispolzovaniyem metoda sorbtsionnoy bioremediatsii. Otkhody, prichiny ikh obrazovaniya i perspektivy ispol'zovaniya (Bioremediation of oil-contaminated soils using the method of sorption bioremediation. Wastes, causes of their formation and prospects for use). Collection of scientific papers based on the materials of the International Scientific Ecological Conference, 2019, pp. 345—348.
2. Degtyareva I. A., Motina T. Yu., Babynin E. V., Ezhkova A. M., Davletshina A. Ya. Ekologo-toksikologicheskaya otsenka protsessa bioremediatsii neftezagryaznonnoy pochvy.(Ecological and toxicological assessment of the process of bioremediation of oil-contaminated soil). Theoretical and applied ecology, 2020, No. 3, pp.196—202.
3. Melekhina E. N., Markarova M. Yu., Schemelinina T. N., Anchugova E. M., Kanev V. V. Secondary successions of biota in oil-polluted peat soil upon different biological remediation methods. Eurasian Soil Sci., 2015, 48, pp. 643—653.
4. Khaziev F. Kh. Metody pochvennoy enzimologii (Methods of soil enzymology). Moscow: Nauka, 2005, 252 p.
5. Shchemelinina T. N., Kotova O. B., Kharia M., Anchugova E. M., Pelovskiy I., Cretescu I. Novyye trendy v mekhanizmakh povysheniya proizvoditel'nosti materialov na mineral'noy osnove (New trends in the mechanisms of increasing the productivity of mineral-based materials). Vestnik IG Komi SC UB RAS, 2017, No.6, pp.40—42.
6. Shemelinina T. N., Kotova O. B., Anchugova E. M., Shushkov D. A., Ignatiev G. V. Tseolitovoye i glinistoye syrye: eksperimentalnoye modelirovaniye biogeosorbentov (Zeolite and clay raw materials: experimental modeling of biogeosorbents). Vestnik of IG Komi SC UB RAS, 2018, No. 9, pp. 50—57.
7. Shemelinina T. N., Novoselova E. I., Kireeva N. A., Markarova M. Yu. Diagnostirovaniye stepeni zagryaznennosti pochv neftyu po pokazatelyam fermentativnoy aktivnosti (Diagnosing the degree of soil contamination with oil in terms of enzymatic activity). Bulletin of the Orenburg State University, 2007, No. 75, pp. 432—434.
8. Yurin V. M., Ditchenko T. I. Immobilizovannyye kletki i fermenty. Uchebno-metodicheskiy kompleks (Immobilized cells and enzymes. Training and metodology complex). Belarusian State University, 2014, 138 p.
9. Anchugova E. M., Melekhina E. N., Markarova M. Yu., Shchemelinina T. N. Approaches to the assessment of the efficiency of remediation of oil-polluted soils. Eurasian Soil Science, 2016, V. 49, No. 2, pp. 234—237.
10. Gasimova A. S Use of biological products based on natural zeolites and biohumus in cleansing contaminated soils Absheron peninsula. Sciences of Europe. Biological sciences, 9 (9), 2016, pp. 3—6.
11. Ionela D., Fertu T., Gavrilescu M. Application of natural zeolites as sorbents in the clean-up of aqueous streams. Environmental Engineering and Management Journal, 2012, No. 11(4), pp. 867—878.
12. Kashefi, S., Lotfollahi, M. N., Shahrabadi, A. Investigation of asphaltene adsorption onto zeolite beta nanoparticles to reduce asphaltene deposition in a silica sand pack. Oil & Gas Science and Technology — Rev. IFP Energies Nouvelles, 2018, 73(2), DOI:10.2516/ogst/2017038
13. Shchemelinina T. N., Gömze L. A., Kotova O. B., Ibrahim J. E. F. M., Shushkov D. A., Harja M., Ignatiev G. V., Anchugova E. M. Clay- and zeolite-based biogeosorbents: modelling and properties. Építőanyag — Journal of Silicate Based and Composite Materials, 2019, 71 (4), pp. 131—137. DOI:10.14382/epitoanyag-jsbcm.2019.23
14. Shchemelinina T. N., Anchugova E. M., Kotova O. B., Shushkov D. A. The analcime-bearing rock immobilized microalgae: Stress resistance, psychrotolerance, phenol removal. Bioresource Technology, 2021, 332, 124560. DOI:10.1016/j.biortech.2020.124560
15. Shchemelinina T. N., Kotova O. B., Anchugova E. M., Shushkov D. A., Ignatiev G. V. Zeolite and clay raw: experimental modeling of biogeosorbents. Vestnik of Institute of Geology of Komi SC UB RAS, 2018, No. 9 (285), pp. 50—57.
