БИОДЕСТРУКЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ПОЧВЫ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ (НА ПРИМЕРЕ КАРГАСОКСКОГО РАЙОНА)
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Физико-географическая характеристика Каргасокского района Томской области 10
1.1 Географическое положение 10
1.2 Рельеф и геологическое строение 13
1.3 Климат 18
1.4 Поверхностные и подземные воды 22
1.5 Почвы и растительность 25
1.6 Животный мир 30
1.7 Экологический мониторинг загрязнения окружающей среды нефтепродуктами ... 31
2 Обзор литературы 34
2.1 Роль биоремедиационных процессов в очищении нефтезагрязнённой почвы 34
2.2 Использование микроорганизмов в биоремедиации почвы от нефти и
нефтепродуктов 36
2.3 Факторы, влияющие на успешность биоремедиации 37
2.4 Биопрепараты, используемые для восстановления нефтезагрязненных почв 39
3 Материалы и методики 46
3.1 Отбор и подготовка почвенных образцов для исследований 46
3.2 Лабораторное моделирование восстановления нефтезагрязненной почвы и мониторинг численности почвенной микрофлоры разных физиологических групп51
3.3 Экстракция органического вещества в аппарате Сокслета из твердой фазы (почвы),
взвешивание и сравнивание с контролем 59
3.4 Применение метода ИК-спектроскопии в анализе остаточного содержания нефти в
почве 60
3.5 Методы биотестирования в оценке токсичности почвы 62
4 Результаты и обсуждения 67
4.1 Динамика численности микрофлоры разных физиологических групп в
нефтезагрязненной почве в зависимости от температурных условий 67
4.2 Анализ содержания нефтепродуктов в почве после биодеструкции в разных
температурных условиях 74
4.3 Фитотоксичность почв после биодеструкции нефтезагрязнения аборигенной
микрофлорой 78
4.4 Оценка эффективности применения биологического способа рекультивации
нефтезагрязненных территорий в районах Крайнего Севера 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 86
ПРИЛОЖЕНИЕ А 93
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 96
ПРИЛОЖЕНИЕ В 99
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 100
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 103
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Физико-географическая характеристика Каргасокского района Томской области 10
1.1 Географическое положение 10
1.2 Рельеф и геологическое строение 13
1.3 Климат 18
1.4 Поверхностные и подземные воды 22
1.5 Почвы и растительность 25
1.6 Животный мир 30
1.7 Экологический мониторинг загрязнения окружающей среды нефтепродуктами ... 31
2 Обзор литературы 34
2.1 Роль биоремедиационных процессов в очищении нефтезагрязнённой почвы 34
2.2 Использование микроорганизмов в биоремедиации почвы от нефти и
нефтепродуктов 36
2.3 Факторы, влияющие на успешность биоремедиации 37
2.4 Биопрепараты, используемые для восстановления нефтезагрязненных почв 39
3 Материалы и методики 46
3.1 Отбор и подготовка почвенных образцов для исследований 46
3.2 Лабораторное моделирование восстановления нефтезагрязненной почвы и мониторинг численности почвенной микрофлоры разных физиологических групп51
3.3 Экстракция органического вещества в аппарате Сокслета из твердой фазы (почвы),
взвешивание и сравнивание с контролем 59
3.4 Применение метода ИК-спектроскопии в анализе остаточного содержания нефти в
почве 60
3.5 Методы биотестирования в оценке токсичности почвы 62
4 Результаты и обсуждения 67
4.1 Динамика численности микрофлоры разных физиологических групп в
нефтезагрязненной почве в зависимости от температурных условий 67
4.2 Анализ содержания нефтепродуктов в почве после биодеструкции в разных
температурных условиях 74
4.3 Фитотоксичность почв после биодеструкции нефтезагрязнения аборигенной
микрофлорой 78
4.4 Оценка эффективности применения биологического способа рекультивации
нефтезагрязненных территорий в районах Крайнего Севера 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 86
ПРИЛОЖЕНИЕ А 93
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 96
ПРИЛОЖЕНИЕ В 99
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 100
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 103
Основным негативным воздействием на окружающую среду со сторону нефтегазовой отрасли является химическое загрязнение природной седы нефтью и нефтепродуктами. В связи с современными тенденциями данной отрасли, связанными с развитием месторождений в северных регионах России, природные компоненты которых, ввиду физико-географических и природно-климатических условий, характеризуются относительно низкой самоочищающей способностью, большая часть инфраструктуры, связанной с добычей, переработкой и транспортировкой углеводородов располагается именно на севере России [13, 18, 22, 29]. Кроме того, нефть и нефтепродукты, которые с химической и биологической точки зрения являются довольно токсичными и персистентными соединениями-канцерогенами, характеризуются крайне медленными темпами разложения и саморазрушения, в частности в условиях холодного климата Сибири и Русской Арктики: так, ауторемедиация (самовосстановление)
нефтезагрязненных почв в обычных условиях занимает до 30 лет, в то время как в северных регионах данный процесс может растянуться на 50 и более лет. Кроме того, для полноценного восстановления территории от нефтезагрязнения требуются дополнительные 10-12 лет, за которые в педосфере исчезают последствия токсичных свойств нефти и нефтепродуктов [36, 67].
Говоря о педосфере как об одном из компонентов в составе географической оболочки Земли, стоит отметить ее особенную уязвимость перед негативным воздействием со стороны человека, в частности при загрязнении нефтепродуктами, что, в частности, проявляется в длительном процессе восстановлении, а также очищении от загрязняющего агента. Это связано не только со способностью почвы к активной аккумуляции загрязнений, но и со способностью к удержанию поллютанта в почве, например, в составе соединений или в составе обитающих в педосфере живых организмов, чем едва ли могут «похвастаться», например, атмосфера или гидросфера. Поскольку почвенный слой является одной из ключевых опор формирования биосферы, решения проблемы ликвидации загрязнения, а также последующей рекультивации территории имеет на сегодняшний день приоритетное значение. Среди многих способ ликвидации нефтяного загрязнения (нефтедеструкции) особую роль играют биологические методы, которые в том числе предполагают использование отдельных штаммов микроорганизмов. Данный метод считается одним из наиболее перспективных, о чем свидетельствует большое число научных исследований в области микробиологии, не только теоретической (фундаментальной), но и по большей части практической направленности [19, 24]. Согласно последним исследованиям, например, было выявлено, что наиболее результативными в вопросе нефтедеструкции оказались микроорганизмы рода Pseudomonas и Bacillus, являющиеся по природе своей углеводородокисляющими микроорганизмами [19].
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день биологическая рекультивация считается одним из самых экологичных способов восстановления нарушенных земель, но возможность его применения ограничивается продолжительностью вегетационного периода, так как районы нефтедобычи зачастую расположены в Арктической зоне и на Крайнем Севере. Поэтому исследования, связанные с повышением адаптационных свойств микроорганизмов-нефтедеструкторов для продления сроков рекультивации на осенне-весенний период, является актуальной проблемой. Возрастающую актуальность проблемы разработки эффективных методов нефтедеструкции подчеркивает рост темпов освоения нефтяных месторождений в пределах Республики Саха (Якутия), а также строительство сопутствующей транспортной инфраструктуры (например, нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан»), а также недостаточный объем научных изысканий по эффективным, и в то же время экологически безопасным методам биологического метода ликвидации нефтезагрязнений на территории геокриолитозоны.
Многие коллективы занимаются поиском новых штаммов психрофильных углеводородокисляющих бактерий. Но если говорить об изучении бактерий, разрушающих нефтепродукты в почве в условиях низких температур проведено мало исследований и сейчас это остается слабоизученным полем. На данный момент наиболее известными авторами работ в области изучения углеводородокисляющих микроорганизмов, бактерий рода Pseudomonas и Bacillus, являются Киреева Н. А. и Злотников А. К., в области селекции микроорганизмов-нефтедеструкторов в условиях холодного климата - Зуев И. Н. и Глязенцева Ю. С. В последние десятилетия возрастает спрос на научные исследования и последующую разработку универсальных биопрепаратов на основе микроорганизмов-нефтедеструкторов. В результате исследований было выявлено, что наибольшую эффективность в вопросе нефтедеструкции почв показывают эндофитные (т.е. те, что способны проникать и обитать во внутренних тканях растений) и ризосферные (т.е. те, что обитают в непорсдественной близости от корневой системы растений) бактерии, самыми распространенными представителями которых являются рода бактерий Pseudomonas, Arthrobacter, Flavobacterium, Bacillus, Achromobacter, Rhizobium, продуцирующие различные вторичные метаболиты [59]. Особо среди них выделяется род Bacillus, составляющий около трети (30-36%) всех ризосферных и эндофитных популяций [4].
Цель работы: исследование биодеструкции нефтезагрязнения при восстановлении почвы, аналогичной наиболее распространенной в пределах Каргасокского района, в разных температурных условиях.
Для реализации поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучение литературы по данной тематике.
2. Проведение полевых исследований (отбор проб почвы).
3. Лабораторное моделирование восстановления серой лесной почвы от загрязнения легкой нефтью в зависимости от температурных условий.
4. Мониторинг численности почвенной микрофлоры разных физиологических групп в разных температурных условиях.
5. Экстракция органического вещества в аппарате Сокслета из твердой фазы (почвы), взвешивание и сравнивание с контролем.
6. Анализ динамики численности микрофлоры разных физиологических групп в нефтезагрязненной почве и содержания нефтепродуктов в почве после биодеструкции в разных температурных условиях.
Объект исследования: почва и ее аборигенная микрофлора, легкая, малосернистая нефть Крапивинского месторождения Томской области.
Предмет исследования: биодеструкция нефтезагрязнения при восстановлении серой лесной почвы в разных температурных условиях.
Материал брался как с различных источников (интернет-ресурсы, статьи, учебные пособия, метеорологические данные из гидрометцентра России), так и фактически в ходе прохождения производственной практики в ИХН СО РАН г. Томск.
Методы исследования: полевой, микробиологический, экстракция хлороформом на аппарате Сокслета, метод ИК-спектроскопии на приборе ИК-Фурье спектрометр Nikolet 5700 c Raman модулем (Thermo Electron, США), ГИС.
В качестве программного обеспечения использовались геоинформационная система SASPlanet и свободная кроссплатформенная геоинформационная система QGIS Desktop.
Выражается благодарность научному руководителю Кнаубу Роману Викторовичу и научному консультанту Овсянниковой Варваре Сергеевне за ценные советы при планировании исследовании и написании магистерской диссертации.
нефтезагрязненных почв в обычных условиях занимает до 30 лет, в то время как в северных регионах данный процесс может растянуться на 50 и более лет. Кроме того, для полноценного восстановления территории от нефтезагрязнения требуются дополнительные 10-12 лет, за которые в педосфере исчезают последствия токсичных свойств нефти и нефтепродуктов [36, 67].
Говоря о педосфере как об одном из компонентов в составе географической оболочки Земли, стоит отметить ее особенную уязвимость перед негативным воздействием со стороны человека, в частности при загрязнении нефтепродуктами, что, в частности, проявляется в длительном процессе восстановлении, а также очищении от загрязняющего агента. Это связано не только со способностью почвы к активной аккумуляции загрязнений, но и со способностью к удержанию поллютанта в почве, например, в составе соединений или в составе обитающих в педосфере живых организмов, чем едва ли могут «похвастаться», например, атмосфера или гидросфера. Поскольку почвенный слой является одной из ключевых опор формирования биосферы, решения проблемы ликвидации загрязнения, а также последующей рекультивации территории имеет на сегодняшний день приоритетное значение. Среди многих способ ликвидации нефтяного загрязнения (нефтедеструкции) особую роль играют биологические методы, которые в том числе предполагают использование отдельных штаммов микроорганизмов. Данный метод считается одним из наиболее перспективных, о чем свидетельствует большое число научных исследований в области микробиологии, не только теоретической (фундаментальной), но и по большей части практической направленности [19, 24]. Согласно последним исследованиям, например, было выявлено, что наиболее результативными в вопросе нефтедеструкции оказались микроорганизмы рода Pseudomonas и Bacillus, являющиеся по природе своей углеводородокисляющими микроорганизмами [19].
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день биологическая рекультивация считается одним из самых экологичных способов восстановления нарушенных земель, но возможность его применения ограничивается продолжительностью вегетационного периода, так как районы нефтедобычи зачастую расположены в Арктической зоне и на Крайнем Севере. Поэтому исследования, связанные с повышением адаптационных свойств микроорганизмов-нефтедеструкторов для продления сроков рекультивации на осенне-весенний период, является актуальной проблемой. Возрастающую актуальность проблемы разработки эффективных методов нефтедеструкции подчеркивает рост темпов освоения нефтяных месторождений в пределах Республики Саха (Якутия), а также строительство сопутствующей транспортной инфраструктуры (например, нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан»), а также недостаточный объем научных изысканий по эффективным, и в то же время экологически безопасным методам биологического метода ликвидации нефтезагрязнений на территории геокриолитозоны.
Многие коллективы занимаются поиском новых штаммов психрофильных углеводородокисляющих бактерий. Но если говорить об изучении бактерий, разрушающих нефтепродукты в почве в условиях низких температур проведено мало исследований и сейчас это остается слабоизученным полем. На данный момент наиболее известными авторами работ в области изучения углеводородокисляющих микроорганизмов, бактерий рода Pseudomonas и Bacillus, являются Киреева Н. А. и Злотников А. К., в области селекции микроорганизмов-нефтедеструкторов в условиях холодного климата - Зуев И. Н. и Глязенцева Ю. С. В последние десятилетия возрастает спрос на научные исследования и последующую разработку универсальных биопрепаратов на основе микроорганизмов-нефтедеструкторов. В результате исследований было выявлено, что наибольшую эффективность в вопросе нефтедеструкции почв показывают эндофитные (т.е. те, что способны проникать и обитать во внутренних тканях растений) и ризосферные (т.е. те, что обитают в непорсдественной близости от корневой системы растений) бактерии, самыми распространенными представителями которых являются рода бактерий Pseudomonas, Arthrobacter, Flavobacterium, Bacillus, Achromobacter, Rhizobium, продуцирующие различные вторичные метаболиты [59]. Особо среди них выделяется род Bacillus, составляющий около трети (30-36%) всех ризосферных и эндофитных популяций [4].
Цель работы: исследование биодеструкции нефтезагрязнения при восстановлении почвы, аналогичной наиболее распространенной в пределах Каргасокского района, в разных температурных условиях.
Для реализации поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучение литературы по данной тематике.
2. Проведение полевых исследований (отбор проб почвы).
3. Лабораторное моделирование восстановления серой лесной почвы от загрязнения легкой нефтью в зависимости от температурных условий.
4. Мониторинг численности почвенной микрофлоры разных физиологических групп в разных температурных условиях.
5. Экстракция органического вещества в аппарате Сокслета из твердой фазы (почвы), взвешивание и сравнивание с контролем.
6. Анализ динамики численности микрофлоры разных физиологических групп в нефтезагрязненной почве и содержания нефтепродуктов в почве после биодеструкции в разных температурных условиях.
Объект исследования: почва и ее аборигенная микрофлора, легкая, малосернистая нефть Крапивинского месторождения Томской области.
Предмет исследования: биодеструкция нефтезагрязнения при восстановлении серой лесной почвы в разных температурных условиях.
Материал брался как с различных источников (интернет-ресурсы, статьи, учебные пособия, метеорологические данные из гидрометцентра России), так и фактически в ходе прохождения производственной практики в ИХН СО РАН г. Томск.
Методы исследования: полевой, микробиологический, экстракция хлороформом на аппарате Сокслета, метод ИК-спектроскопии на приборе ИК-Фурье спектрометр Nikolet 5700 c Raman модулем (Thermo Electron, США), ГИС.
В качестве программного обеспечения использовались геоинформационная система SASPlanet и свободная кроссплатформенная геоинформационная система QGIS Desktop.
Выражается благодарность научному руководителю Кнаубу Роману Викторовичу и научному консультанту Овсянниковой Варваре Сергеевне за ценные советы при планировании исследовании и написании магистерской диссертации.
1. Каргасокский район, с точки зрения вероятности появления нефтезагрязнений, возможности их ликвидации и дальнейшей рекультивации имеет сложное физико-географическое положение, обусловленное природно-климатическими и социально-экономическими факторами.
2. Присутствие в районе объектов инфраструктуры нефтедобывающей, транспортирующей и нефтеперерабатывающей отрасли, эксплуатация которых способна вызвать риски для возникновения загрязнений. Биологический метод нефтедеструкции, как наименее повреждающий, является предпочтительным либо единственно возможным методом рекультивации для ряда нефтезагрязненных территорий. А, исходя из географического положения и связанных с ним климатических особенностей Каргасокского района Томской области, в самовосстановлении нефтезагрязненных территорий наиболее вероятным будет участие психрофильных микроорганизмов- нефтедеструкторов.
3. Поиск психрофильных углеводородокисляющих микроорганизмов и разработка на их основе биопрепаратов, несмотря на имеющиеся наработки в этой области, остается актуальной и практически востребованной тематикой, так как много нефтяных и газоконденсатных месторождений в РФ расположены в районах Крайнего Севера и Арктики.
4. Проведен ряд полевых (отбор проб почвы в Томском районе Томской области) и лабораторных исследований, включающие микробиологические (посев и подсчет микроорганизмов) и химико-аналитические методы (экстракция хлороформом на аппарате Сокслета, метод ИК-спектроскопии на приборе ИК-Фурье спектрометр Nikolet 5700 c Raman модулем), что позволяют проанализировать и оценить эффективность применения биологического способа восстановления нефтезагрязненной почвы. В результате полевых исследований в Томском районе была отобрана серая лесная почва, которая в лабораторных условиях была приближена к почвам Каргасокского района Томской области
5. В ходе лабораторного моделирования самоочищения серой лесной почвы от нефтезагрязнения показано, что в благоприятных температурных условиях (20-30 0С) максимум численности микрофлоры большинства исследуемых групп был достигнут через 1,5 месяца от начала эксперимента, с последующим спадом через 2,5-3 месяца, вероятно, вследствие истощения запаса доступных биогенных элементов. При низких температурах (+8 0С и ниже) даже за 4 месяца наблюдения не был достигнут максимум численности большинства групп бактерий, рост продолжался. Но, так как максимальная убыль содержания нефти в почве была достигнута при 8 0С, то можно сделать вывод о присутствии и высокой активности психрофильной микрофлоры в почве, свойственной для Томской области.
6. Снижение содержания нефти в почве с 10 до 3-5 % мас. без дополнительных источников питания и агротехнических мероприятий говорит о хорошем самовосстановительном потенциале серой лесной почвы к средним дозам нефтезагрязнения и перспективности микробиологического метода: за 3 месяца содержание нефти снизилось в 2-3 раза.
7. По данным ИК-спектроскопии остаточных нефтей, после биодеструкции в спектрах появляются полосы поглощения, соответствующие продуктам микробного описления углеводородов - карбонильным и карбоксильным группам, что подтверждает данные весового анализа.
Таким образом, можно сделать вывод о самоочистительном потенциале почв Каргасокского района Томской области, который можно значительно повысить применением агротехнических мероприятий, направленных на оптимизацию водовоздушного режима и минерального питания. Проявление жизнедеятельности УОБ при низких положительных температурах говорит о присутствии психрофильных видов, использование которых может послужить основой новых биопрепаратов для рекультивации нефтезагрязненных территорий.
2. Присутствие в районе объектов инфраструктуры нефтедобывающей, транспортирующей и нефтеперерабатывающей отрасли, эксплуатация которых способна вызвать риски для возникновения загрязнений. Биологический метод нефтедеструкции, как наименее повреждающий, является предпочтительным либо единственно возможным методом рекультивации для ряда нефтезагрязненных территорий. А, исходя из географического положения и связанных с ним климатических особенностей Каргасокского района Томской области, в самовосстановлении нефтезагрязненных территорий наиболее вероятным будет участие психрофильных микроорганизмов- нефтедеструкторов.
3. Поиск психрофильных углеводородокисляющих микроорганизмов и разработка на их основе биопрепаратов, несмотря на имеющиеся наработки в этой области, остается актуальной и практически востребованной тематикой, так как много нефтяных и газоконденсатных месторождений в РФ расположены в районах Крайнего Севера и Арктики.
4. Проведен ряд полевых (отбор проб почвы в Томском районе Томской области) и лабораторных исследований, включающие микробиологические (посев и подсчет микроорганизмов) и химико-аналитические методы (экстракция хлороформом на аппарате Сокслета, метод ИК-спектроскопии на приборе ИК-Фурье спектрометр Nikolet 5700 c Raman модулем), что позволяют проанализировать и оценить эффективность применения биологического способа восстановления нефтезагрязненной почвы. В результате полевых исследований в Томском районе была отобрана серая лесная почва, которая в лабораторных условиях была приближена к почвам Каргасокского района Томской области
5. В ходе лабораторного моделирования самоочищения серой лесной почвы от нефтезагрязнения показано, что в благоприятных температурных условиях (20-30 0С) максимум численности микрофлоры большинства исследуемых групп был достигнут через 1,5 месяца от начала эксперимента, с последующим спадом через 2,5-3 месяца, вероятно, вследствие истощения запаса доступных биогенных элементов. При низких температурах (+8 0С и ниже) даже за 4 месяца наблюдения не был достигнут максимум численности большинства групп бактерий, рост продолжался. Но, так как максимальная убыль содержания нефти в почве была достигнута при 8 0С, то можно сделать вывод о присутствии и высокой активности психрофильной микрофлоры в почве, свойственной для Томской области.
6. Снижение содержания нефти в почве с 10 до 3-5 % мас. без дополнительных источников питания и агротехнических мероприятий говорит о хорошем самовосстановительном потенциале серой лесной почвы к средним дозам нефтезагрязнения и перспективности микробиологического метода: за 3 месяца содержание нефти снизилось в 2-3 раза.
7. По данным ИК-спектроскопии остаточных нефтей, после биодеструкции в спектрах появляются полосы поглощения, соответствующие продуктам микробного описления углеводородов - карбонильным и карбоксильным группам, что подтверждает данные весового анализа.
Таким образом, можно сделать вывод о самоочистительном потенциале почв Каргасокского района Томской области, который можно значительно повысить применением агротехнических мероприятий, направленных на оптимизацию водовоздушного режима и минерального питания. Проявление жизнедеятельности УОБ при низких положительных температурах говорит о присутствии психрофильных видов, использование которых может послужить основой новых биопрепаратов для рекультивации нефтезагрязненных территорий.
