Обзор методов биоремедиации нефтезагрязненных почв
Журнал: Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №21(114)
Рубрика: Сельскохозяйственные науки
Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №21(114)
Обзор методов биоремедиации нефтезагрязненных почв
Аннотация. Показано, что актуальность очистки и восстановления нефтезагрязненных почв стоит особенно остро для предприятий, осуществляющих добычу, переработку, транспортировку, а также использующих в производственной деятельности нефть и нефтепродукты. В результате аварийных ситуаций разливы нефти и потери нефтепродуктов в результате хозяйственной деятельности наносят существенный ущерб окружающей среде, в частности, почвам. В статье представлен обобщенный материал о физико-химических свойствах нефти, крупных запасах энергетических ресурсов Казахстана, методах очистки почв от нефтезагрязнений, о способах биоремедиации нефтезагрязненных почв Казахстана, биопрепаратах для очистки почв от нефтезагрязнений.
Ключевые слова: биоремедиация почв, нефть, почва, нефтегазовый сектор экономики Казахстана.
Введение
Одним из экологичных способов восстановления нефтезагрязненных почв являются биологические методы, среди которых биоремедиация почв является наиболее привлекательной, которую возможно осуществлять непосредственно в местах нахождения нефтезагрязненной почвы и восстановить её исходные качества, чем и определяется общий интерес к изученности данной темы.
Цель: обзор способов биоремедиации нефтезагрязненных почв.
Результаты и обсуждение
Биоремедиация – способ биологической очистки почв с применением технологий и устройств, который может быть оптимизирован:
1) биостимуляцией – активизацией деградирующей способности аборигенной микрофлоры внесением биогенных элементов, кислорода, различных субстратов;
2) биодополнением – интродукцией природных и генно-инженерных штаммов-деструкторов чужеродных соединений.
Как известно, почва – это верхний слой литосферы и как природный субстрат, обитаемый внутри и снаружи, имеет ряд свойств биосферы и состоит из органических и неорганических компонентов, трехфазный, т.к. имеет твердую, жидкую и газообразную основу.
Основные функции почв представлены на рисунке 1.
Из рисунка 1 следует, что почва выполняет природные (первые четыре функции) и технико-промышленные (последние две функции) задачи.
Нефть – это, с одной стороны, важный энергоноситель и «аккумулятор» техногенеза, с другой – мощный загрязнитель почвы, угнетатель биохимических процессов на уровне почв, а при аварийных разливах - приводит к необратимым изменениям и формированию техногенных пустынь.
Рисунок 1. Основные функции, выполняемые почвой
Предприятия нефтегазового сектора наносят урон почвам через:
- механическое нарушение почвенного покрова,
- прорывы карт с нефтешламом и буровыми отходами,
- сбросы нефти в земляные амбары,
- разливы сырой нефти из-за аварий на скважинах, повреждений и коррозии трубопроводов,
- разливы водонефтяной смеси при разрывах трубопроводов,
- утечки нефти при производстве ремонта скважин.
В дополнение следует отметить, что деградация почв происходит:
- на производственных площадях нефтепромыслов,
- вдоль линий нефтепроводов,
- вдоль транспортных коммуникаций,
- на участках разведочного и геофизического бурения.
Из вышеизложенного следует, что почвы нефтепромыслов подвержены разрушениям почвенного покрова и загрязнениям сырой нефтью, буровыми отходами, минерализованными стоками и химическими реагентами.
Последствия от нефтехимических загрязнений в почвах проявляются на уровне генетических изменений вследствие необратимости процессов деградации. При этом наблюдается отсутствие должного эффекта от применения механических, физических и химических методов очистки почв от нефтезагрязнений.
Нефтезагрязнения отрицательно влияют на физико-химические (ухудшаются агрофизические, агрохимические свойства почвы; понижается активность ферментов, обеспеченность почвы подвижными формами азота и фосфора) и биологические (вначале изменяется численность микроорганизмов основных физиологических групп, затем снижается биоразнообразие, происходит нарушение в биохимическом процессе жизнеобеспечения почв) свойства почв. Нефть оказывает отрицательное влияние на жизнь растений, задерживает начало цветения. Цветки, загрязненные нефтью, не образуют семена, а при сильном нефтяном загрязнении происходит вымирание растительного покрова.
В таблице 1 представлены факторы, определяющие характер и степень нефтяного загрязнения почв.
Таблица 1.
Факторы, определяющие характер и степень загрязнения почв нефтью
|
Легкие фракции нефти |
Твердый парафин |
Ароматические углеводороды |
|
характер и степень загрязнения почв |
||
|
Обладает наибольшей проникающей способностью |
Очень трудно разрушается |
Наиболее токсичные компоненты |
|
Затягиваются капиллярными силами на глубину до 1 м |
Происходит закупорка пор в почве |
Уже при концентрации 1% в воде убивают все растения |
|
Имеют низкую температуру кипения и быстро испаряются |
С трудом окисляется на воздухе |
При 38 %-ном содержании угнетают рост растений |
|
Почва со временем может само очиститься |
Нарушают влагообмен и «дыхание». Деградируют биоценоз |
Трудно деградируются |
Физико-химические свойства нефти. Органолептическая характеристика нефти:
- вязкая, маслянистая жидкость с характерным запахом,
- по цвету (зависит от растворенных в ней смол): темно-бурая, буро - зеленоватая, светлая, почти бесцветная,
- на свету слегка флуоресцирует: светится голубым или желто-бурым светом (используют при поиске нефти).
Характеристика физических свойств нефти:
1. Плотность (таблица 2). По плотности судят об углеводородном составе сырой нефти и нефтепродуктов: более высокая плотность указывает на большее содержание ароматических углеводородов, более низкая плотность - на большее содержание парафиновых углеводородов.
Таблица 2.
Классификация нефти в зависимости от плотности
|
Классификация нефти |
Легкая |
Средняя |
Тяжелая |
Очень тяжелая |
|
Относительная плотность |
0,800-0,839 |
0,840-0,879 29 |
0,880-0,920 |
0,880-0,920 |
|
Плотность API, °API |
36°-45,4° |
29,5°-36° |
22,3°-29,3° |
Менее 22,3° |
Оригинальная классификация, отражающая химический состав нефти, предложена Грозненским нефтяным научно-исследовательским институтом (ГрозНИИ). В основу этой классификации положено преимущественное содержание в нефти какого-либо одного или нескольких классов углеводородов.
Класс нефти: Парафиновое; Парафино-промежуточное, Промежуточно-парафиновое; Промежуточное; Промежуточно-нафтеновое; Нафтено-промежуточное; Нафтеновое.
Основание легкой части нефти для класса 1 и 2 – парафиновое, 3-5 – промежуточное и 6-7 – нафтеновое.
Методы очистки почв от нефтезагрязнений.
На сегодня наибольшее распространение получили механический (способы: обволока загрязнения, замена почвы и откачка нефти в емкости, промывка почвы, сорбция нефти с поверхностного почвенного слоя), физический (основаны на использовании электрического тока: электрохимическая и электрокинетическая очистка, температуры), химический (основан на использовании растворов поверхностно-активных веществ, сильных окислителей, таких как активный кислород, хлор, щелочные растворы), агротехнический (основан на внесении удобрений), биологический (используют на третьем этапе рекультивации и основан на биовентиляции, биоремедиации и фиторемедиации) и комбинированный методы очистки почв от нефтезагрязнений.
Биопрепараты для очистки почв от нефтезагрязнений.
В процессе теоретических исследований изучено 29 биопрепаратов, предназначенных для очистки почв от нефтезагрязнений. В результате была выявлена определенная закономерность, на основе которых разработана классификация разделения биопрепаратов по классам (рисунок 2).
Если обратить внимание на действующее начала биопрепарата, то можно выделить группы, полученные на основе:
- бактерий (например: Эконадин, Pseudomonas fluorescens; НПП "ЭКОНАД" Украина), микромицет (например: Микромицет, Пеницилиум; Биолант г.Калининград) и смешанных (например: Деворойл) культур;
- моно- (например: Путидойл, Pseudomonas putida; ЗапСибНИГНИ, г. Тюмень), ди- (например: Родер, из двух активных штаммов рода Rhodococcus; ГосНИИнефть, г.Москва) и поликультуры (например: Девройл; из сообщества липофильных и гидрофильных дрожжей и бактерий; ИНМИ РАН, г. Москва);
- микробиологических культур (см.выше) и их ферментов (например: UNI-REM, Bio Tech Service, США; FуrеZyme, Ecotech International, США).
Рисунок 2. Микроорганизмы-деструкторы углеводородов
В целом следует отметить, что на сегодня, способных деградировать различные углеводороды, выделено примерно родов среди бактерий 20, дрожжей – 19 и микромицетов – 24 (рисунок 2).
На практике для производства биопрепаратов от нефтезагрязнений чаще всего пользуются «услугами» следующих родов микроорганизмов: Acinetobacter, Agrobacterium, Arthrobacter, Bacillus, Corynebacterium, Enterobacter, Flavobacterium, Microbacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Nocardia, Nostoc,Pseudomonas, Rhodococcus, Stenotrophomonas.
При разработке биопрепарата следует учитывать требования, предъявляемые к микроорганизму деструктору углеводородов, они должны быть:
1) безопасными для природы;
2) хорошо изученными по биологическим (морфологии, физиологии, биохимии, генетике и экологии) и экологическим (биоресурсы и распространение) признакам;
3) эффективными в борьбе с нефтезагрязнениями;
4) устойчивыми к неблагоприятным факторам среды
Соблюдение этих требований позволяет при очистке от нефтезагрязнений:
- в первом случае, не оказывать вред окружающей природной среде и, в частности, не оказывать вред здоровью человека;
- во втором случае – иметь возможность локально контролировать развитие и распространение микроорганизмов биопрепарата в биорекультивируемой среде – грунте или водном объекте;
- в третьем случае – интенсифицировать процесс очистки от нефтезагрязнений, превосходить аборигенов по степени деструкции и
- в четвертом случае – обеспечить процесс очистки в экстремальных зонах по климатическим, техногенным и другим аспектам.
В дополнение необходимо отметить, что эффективность биопрепарата тем выше, чем больше вероятность выделения деструктора из зоны загрязнения вследствие того, что они к условиям непосредственного применения адаптированы, устойчивы к действию аборигенов микроорганизмов.
Коммерческие биопрепараты можно также разделить на три категории:
1) это биопрепараты в виде суспензии, пасты или порошка, представленные из моно- или поликультуры углеводородокисляющих микроорганизмов (например, Девройл, Родер);
2) это биопрепараты, культуры которых дополнительно иммобилизованы на материалах сорбционного для углеводородов характера (например, Родотрин, Лессорб);
3) это биопрепараты, состоящие не только из микроорганизмов-деструкторов углеводородов, но и из микроорганизмов продуцентов биосурфактантов, а также иные добавки, улучшающие эффект очистки (например, Ленойл СХП Дестройл).
Кроме того, выпускаются биопрепараты, одни из которых непосредственно занимаются деструкцией нефтезагрязнений (вышеперечисленные биопрепараты), другие – усиливают процесс разложения нефти (например, Путидойл).
Заключение Одним из экологичных способов восстановления нефтезагрязненных почв является биоремедиация почв, которую возможно осуществлять непосредственно в местах нахождения нефтезагрязненной почвы и восстановить её исходные качества, используя оптимизацию посредством либо биостимуляции, либо биодополнением.
В мировой практике при биоремедиации чаще всего используют биопрепараты на основе различных микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеградации компонентов нефтей и нефтепродуктов (свойство у микроорганизмов обеспечивается специальными ферментными системами, осуществляющих катаболизм углеводорода).
Для разработки новых биопреператов необходимо соблюдать требования: их безопасность для природы; хорошо изучить по биологическим (морфологии, физиологии,
биохимии, генетике и экологии) и экологическим (биоресурсы и распространение) признакам; препараты должны быть эффективными в борьбе с нефтезагрязнениями; устойчивыми к неблагоприятным факторам среды.
