Агрохимия, 2021, № 8, стр. 43-48
Биоассимиляционный потенциал серо-бурых почв Апшеронского полуострова при загрязнении их сырой нефтью различных месторождений
З. П. Гасанова 1, Ч. З. Багирова 1, С. И. Наджафова 1, *
1 Институт микробиологии НАН Азербайджанa
AZ 1004 Баку, ул. M. Мушвига, 103, Республика Азербайджан
* E-mail: nadjafovas@yahoo.com
Поступила в редакцию 11.02.2021
После доработки 23.03.2021
Принята к публикации 11.05.2021
Аннотация
Приведены результаты исследования ассимиляционного потенциала серо-бурых почв Апшеронского промышленного региона при загрязнении их нефтью различных месторождений Азербайджана. Результаты показали, что нефти различных месторождений подвергаются биоассимиляции и разложению в соответствии с определенной закономерностью: чем меньше плотность и чем меньше смолисто-асфальтеновых фракций, тем более доступны они для аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов, тем выше ассимиляционный потенциал и скорость самоочищения серо-бурой почвы в случае их загрязнения. Ассимиляционный потенциал серо-бурых почв Апшеронского промышленного региона по отношению к нефтяным углеводородам в зависимости от компонентного состава нефти можно расположить в следующий ряд: нефть месторождения Сураханы > нефть месторождения Балаханы > нефть месторождения Нефтяные камни > нефть месторождения Нафталан. Таким образом, установлено, что наиболее высок ассимиляционный потенциал серо-бурых почв в случае загрязнения нефтью месторождения Сураханы, наиболее слаб в почве при загрязнении сырой нефтью месторождения Нафталан.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важнейших факторов сохранения биосферы и обеспечения ее устойчивости является ассимиляционный потенциал природных ландшафтов – это их самовосстановительная способность по отношению к поступлению в природную среду вещества и энергии в результате производственной деятельности. Фактически ассимиляционный потенциал является свойством экологических систем “сопротивляться” внешним воздействиям. Ассимиляционный потенциал – это буферность компонентов природных ландшафтов (атмосферы, водных источников, почвы) в отношении различных антропогенных воздействий в определенных масштабах без изменения своих основных свойств длительный период времени [1, 2].
Продолжительность существования большей части токсических веществ в окружающей среде ограничена. За счет происходящих в биосфере физико-химических и биологических процессов эти вещества разлагаются и могут включаться в естественный биогеохимический цикл [3, 4]. Ассимиляционный потенциал окружающей среды рассматривается как экологический ресурс [5], а также в качестве классификационного признака геоэкологического состояния ландшафтов [6].
Количественная оценка ассимиляционного потенциала почв является наиболее сложной задачей, это связано с тем, что в почву попадает огромное количество различных токсичных веществ, и скорости их ассимиляции разные. Поэтому методы количественной оценки этого вида ассимиляционной емкости в научных исследованиях пока не разработаны. В научной литературе пока лишь предлагают модель по распределению весовых коэффициентов между компонентами ассимиляционного потенциала, разработан метод количественной оценки ассимиляционной емкости почв в отношении тяжелых металлов (ТМ) [7].
Нефть и нефтепродукты признаны основными загрязнителями окружающей среды [8]. Природные ресурсы Азербайджана, сконцентрированные в основном на Апшеронском п-ве и Каспии, продолжают интенсивно разрабатывать. Скорость и масштабы этого процесса беспрецедентны. В настоящее время в стране используют 37 месторождений на суше и 17 в азербайджанском секторе Каспийского моря, из недр добыто >1.4 млрд т нефти. Техногенное давление нефти и нефтепродуктов на территории Азербайджана в настоящее время составляют ≈40 т/км2 [9]. Исследования показали наличие сложного комплекса экологических проблем на территории Апшеронского промышленного региона, в том числе в связи с интенсивным развитием нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности [9]. На всех этапах добычи, транспортировки нефти и нефтепродуктов имеет место загрязнение углеводородами природных ландшафтов, прежде всего почвенного покрова. Достаточно отметить такой факт: за более чем 150-летний период добычи углеводородных ресурсов на Апшеронском п-ве были загрязнены нефтью и нефтепродуктами и вышли из оборота по некоторым данным >25–30 тыс. га некогда плодородных земель. Наряду с загрязнением атмосферы, водных объектов и др. компонентов ландшафтов, загрязнение почвенного покрова определяет то, что Апшеронский п-ов характеризуется “критически экологической напряженностью”, а степень загрязнения атмосферы превышает ИЗА в 14 раз [10].
Принимая во внимание, что рекультивация нефтезагрязненных почв на Апшеронском п-ве, восстановление их биологических свойств и экологических функций является для данного региона одной из важнейших проблем экологии, становится все более актуальной проблема разработки технологий ликвидации последствий загрязнения ландшафтов нефтью и нефтепродуктами и восстановления биопотенциала нарушенных экосистем. В настоящее время биологические методы очистки компонентов ландшафтов, в том числе почвенного покрова, от загрязняющих веществ признаны экологически наиболее привлекательными и эффективными [11, 12]. В этой связи научный интерес представляет оценка ассимиляционного потенциала, самоочищающей способности нефтезагрязненных серо-бурых почв Апшеронского п-ва т.е. их углеродоемкость, способность ассимилировать и обезвреживать загрязнение в зависимости от типа нефти.
Принимая во внимание определяющую роль почвенных микроорганизмов, деструкторов углеводородных загрязнений, цель работы – оценка интенсивности микробного разложения сырой нефти различных месторождений Азербайджана, которая отличается по своим физико-химическим свойствам, в серо-бурой почве, характерной для Апшеронского п-ва.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Основным объектом исследования была серо-бурая почва, Qypisic calcisols soils – основной тип почв, распространенный на Апшеронском п-ве. Образцы серо-бурой почвы отбирали на территории Центрального ботанического сада Академии наук. В соответствии с ГОСТ 28329-89, ботанический сад – это озелененная территория специального назначения, на которой размещается коллекция древесных, кустарниковых и травянистых растений для научно-исследовательских и просветительных целей (ГОСТ 28329-89) [13]. Основные характеристики серо-бурых почв: разная степень засоленности, высокая карбонатность, реакции почвенного раствора – сильно щелочная (рН 8.7–9.0), содержание гумуса в верхнем горизонте – 0.80–1.14%, плотность – 1.10–1.24 г/см3, удельный вес – 2.54–2.65 г/см3, емкость поглощения – 13.6–21.0 мг-экв/100 г [10].
В лабораторных условиях образцы почвы искусственно загрязняли 4-мя типами сырой нефти разных месторождений: Балаханской масляной, Сураханской, Нефтяных камней, Нафталана.
Основной метод исследования – метод лабораторного моделирования. В стеклянные сосуды объемом 300 мл вносили почву массой 250 г, в них вносили испытуемые нефти разных месторождений из расчета 20 г/кг почвы (степень загрязнения – 2%) и тщательно перемешивали. Данная степень загрязнения считается средним уровнем загрязнения [14]. Сосуды помещали в термостат и выдерживали при постоянной температуре в 26°С в течение 3-х мес. Сосуды периодически увлажняли до 40% ППВ. Через каждые 30 сут после начала эксперимента отбирали пробы почв из каждого экспериментального сосуда и в них определяли 2 показателя: содержание остаточных углеводородов и интенсивность дыхания почвы. Дыхание почвы определяли по интенсивности продуцирования углекислого газа по методу [15]. Анализ остаточного содержания нефти в почве проводили гравиметрическим методом в аппарате Сокслета после экстракции смесью растворителей – гексан : хлороформ = 1 : 1 (об.%) по Лурье [16].
В модельных экспериментах использовали чистые культуры углеводородокисляющих микроорганизмов, выделенных из серо-бурых почв Апшеронского п-ва, относящихся к роду Pseudomonas sp., хранящихся в коллекции микроорганизмов Института микробиологии – № 8, 11, 14, 16 и 18. Штаммы испытывали на их способность расти в чашках Петри на минеральной среде Раймонда в присутствии различных типов нефти. Состав минеральной среды Раймонда, г/л: Na2CO3 – 0.1, CaCl2 – 0.01, MnSO4 · 7H2O – 0.02, FeSO4 · 7H2O – 0.02, NaH2PO4 – 1.5, K2HPO4 – 1.0, MgSO4 · 7H2O – 0.2, NH4NO3 – 2.0, вода дистиллированная – до 1 л [17]). Разлитую среду предварительно перед посевом подсушивали для предотвращения образования сливающегося роста культур. В качестве посевного материала использовали 3-суточные культуры, выращенных на МПА. Посев осуществляли методом штриха последовательно на 3 чашки Петри, культивирование проводили в термостате при 26°С в течение 5 сут. Интенсивность роста культур на нефти определяли визуально по 5-балльной шкале. За показатель роста микроорганизмов на питательной среде принимали интенсивность сплошного налета и количество изолированных колоний.
Все лабораторные эксперименты проводили в 3-х повторностях. Достоверность полученных результатов определяли с помощью t-критерия Стьюдента, статистическую обработку проводили в программе Microsoft Excel 2002.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Групповой состав и физико-химические свойства нефти различных месторождений Азербайджана, которые разрабатывают как на суше, так и на море, сильно отличались (табл. 1).
Таблица 1.
Тип нефти | Показатели | |||
---|---|---|---|---|
плотность, P$_{4}^{{20}}$ | содержание парафинов | содержание смол и асфальтенов | содержание ароматических углеводородов | |
% | ||||
Балаханская масляная | 0.8760 | 0.7 | 16.0 | 7.8 |
Сураханская | 0.8488 | 13.2 | 8.0 | 5.2 |
Нефтяные камни | 0.8870 | 1.0 | 24.1 | 9.9 |
Нафталан | 0.9395 | – | 14.2 | 85.8 |
Результаты показали, что ассимиляционный потенциал серо-бурой почвы при загрязнении ее сырой нефтью различных месторождений различался. Наиболее интенсивно процесс деградации углеводородов проходил в случае загрязнения почвы нефтью месторождения Сураханы, наиболее медленно – в почве при загрязнении сырой нефтью месторождения Нафталан, что могло быть связано с различием компонентного состава исследованных образцов нефти (табл. 2). Эти данные подтверждены результатами определения интенсивности дыхания почв при загрязнении их сырой нефтью разных месторождений (рис. 1).
Таблица 2.
Вид нефти | Исходное содержание | Время биодеградации, сут | Разложение, % от исходного за 180 сут | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
30 | 60 | 90 | 120 | 180 | |||
г/кг почвы | |||||||
Балаханская масляная | 20 | 18.7 ± 0.3 | 17.1 ± 0.4 | 16.7 ± 0.2 | 14.0 ± 0.2 | 12.0 ± 0.1 | 38.0 ± 0.5 |
Сураханская | 20 | 18.0 ± 0.4 | 16.0 ± 0.5 | 14.0 ± 0.2 | 12.0 ± 0.2 | 8.4 ± 0.2 | 58.0 ± 0.6 |
Нефтяные камни | 20 | 18.5 ± 0.3 | 17.0 ± 0.3 | 16.5 ± 0.2 | 15.0 ± 0.2 | 13 ± 0.2 | 31.5 ± 0.4 |
Нафталан | 20 | 19.0 ± 0.1 | 18.0 ± 0.2 | 17.0 ± 0.1 | 16.0 ± 0.2 | 14 ± 0.2 | 27.5 ± 0.3 |
Нефть месторождения Нафталан разлагалась в почве по сравнению с нефтью других месторождений наиболее медленно, что можно объяснить ее особенностями, отличавшими ее от других образцов нефти: высокая плотность, высокое содержание ароматических и нафтеновых углеводородов делает ее мало доступной для углеводородокисляющих микроорганизмов; кроме этого, известны бактерицидные свойства этой нефти [20], что делает эту нефть малодоступной для углеводородокисляющих микроорганизмов.
Результаты модельного исследования показали, что н-парафины были наиболее доступными для микробного окисления по сравнению с ароматическими углеводородами. Способность культур углеводородокисляющих микроорганизмов к росту на среде с сырой нефтью различных месторождений представлена в табл. 3. Показано, что для всех испытанных штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) был характерен интенсивный рост на средах с сырой нефтью Сураханского месторождения. По сравнению с нефтью Сураханы сырая нефть Балаханского месторождения использовалась несколько слабее. Рост всех испытанных УОМ на сырой нефти других месторождений был относительно слабым (Нефтяные камни) и очень слабым (Нафталан).
Таблица 3.
Месторождение нефти | ||||
---|---|---|---|---|
Культура УОМ, № | Балаханская масляная | Сураханская | Нефтяные камни | Нафталан |
Интенсивность роста | ||||
8 | +++ | ++++ | ++ | + |
11 | +++ | ++++ | ++ | + |
14 | +++ | ++++ | ++ | + |
16 | +++ | ++++ | ++ | + |
18 | +++ | ++++ | ++ | + |
Отмечено, что образцы нефти различных месторождений подвергались биоассимиляции и разложению в серо-бурой почве в соответствии с определенной закономерностью: чем меньше была их плотность и чем больше было в их составе парафиновых углеводородов, чем меньше смолисто-асфальтеновых фракций, тем более доступными они были для аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов и тем больше был ассимиляционный потенциал и скорость самоочищения серо-бурой почвы в случае ее загрязнения.
Таким образом, ассимиляционный потенциал серо-бурых почв Апшеронского промышленного региона в зависимости от компонентного состава нефти можно расположить в следующий ряд: нефть месторождения Сураханы > нефть месторождения Балаханы > нефть месторождения Нефтяные камни > нефть месторождения Нафталан.
В соответствии с классификацией компонентов нефти по их способности к биодеградации [21], нефти Сураханского и Балаханского месторождений можно отнести к “высокочувствительным” к воздействию микроорганизмов, а нефти месторождений Нефтяные камни и Нафталан – к “устойчивым” и “высокоустойчивым” соответственно.
При разработке проектов рекультивации нефтезагрязненных почв необходимо учитывать поправочные коэффициенты их биогенности, а также почвенно-экологические индексы самоочищения [22]. Например, для серо-бурых почв в случае их загрязнения сырой нефтью разного компонентного состава в зависимости от их биодоступности они могут изменяться в пределах 0.078–0.234.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, ассимиляционный потенциал серо-бурых почв в первую очередь при прочих равных условиях определяется их биогенностью. Биогенность серо-бурых почв Апшеронского п-ва в связи со слабой степенью гумусированности, неблагоприятным соотношением тепла и влаги и др. показателями, характерными для почвенного покрова аридных зон, невысока. Ассимиляционный потенциал серо-бурых почв Апшеронского промышленного региона в случае их загрязнения сырой нефтью в процессе нефтедобычи, транспортировки и переработки зависит от компонентного состава нефти: наиболее интенсивно процесс самоочищения почв проходит для нефти, содержащей наибольшее количество н-парафиновых углеводородов. Серо-бурые почвы Апшеронского п-ва смогут выдержать более высокие нагрузки при загрязнении нефтью Сураханского месторождения, чем нефтью других месторождений. Даже в пределах одного и того же типа почв показатели техногенных нагрузок будут различными в зависимости от компонентного состава загрязняющих нефтей.
Результаты данного исследования будут крайне полезны для установления ПДК для различных типов почв Азербайджана. Несмотря на то, что страна является многие десятилетия нефтедобывающей и через ее территорию проложены 3 экспортных нефтепровода (БТД, СМЭТ и ЗМЭТ), в Азербайджане величины ПДК нефти до сих пор не установлены, в то время как эти нормативы официально определены в РФ, Татарстане и во многих западно-европейских странах. Вероятно, что при установлении ПДК необходимо будет использовать дифференцированный подход и учитывать как природно-климатические условия региона, определяющие ассимиляционную емкость поглощения углеводородных загрязнителей, так и их компонентный состав.
Принимая во внимание различие в ассимиляционном потенциале почвенного покрова в отношении нефтяного загрязнения для территорий нефте-газодобывающих предприятий (они занимают ≈1.4% от всей территории Апшеронского п-ва, которая составляет 2110 км2) необходим индивидуальный подход при разработке принципов и технологий их очистки с целью ускорения процессов реабилитации почвенного покрова.
Список литературы
Брезгин В.С. Оценка динамики ассимиляционного потенциала водосборной территории Ивано-Арахлейских озер // Ивано-Арахлейские озера на рубеже веков (состояние и динамика). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. 320 с.
Астраханцев Г.П., Меншуткин В.В., Минина Т.Р., Полосков В.Н. Ассимиляционный потенциал природной среды и водные ресурсы // Экономический рост, ресурсозависимость и социально-экономическое неравенство. Мат-лы IV Всерос. конф. СПб., 2014. С. 16–21.
Голуб А.А., Струкова Е.Б. Экономика природопользования. М.: Аспект Пресс, 2001. С. 163–185.
Гусев А.А. Современные экономические проблемы природопользования. М.: Международ. отношения, 2004. С. 120–130.
Клименко Т.А. Ассимиляционный потенциал окружающей среды как экологический ресурс. Механизм распределения прав собственности на ассимиляционный потенциал. Краснодар, 2014. http://www.allbest.ru (дата обращения: 19.10.2018).
Романова Э.П., Аляутдинов А.Р., Либерман М.А. Биологическая емкость как индикатор геоэкологического состояния ландшафтов (на примере Германии) // Пробл. регион. экол. 2012. С. 32–40.
Ярош О.Б. Механизмы оценки ассимиляционного потенциала почв Украины // Уч. зап. Таврического нац. ун-та им. В.И. Вернадского. Сер. экономика и управление. 2014. Т. 27 (66). № 4. С. 176–184.
Израэль Ю.А., Ровинский Ф.Я. Комплексный фоновый мониторинг в СССР // Тр. III Международ. симп. “Комплексный мониторинг состояния в биосфере”. Ташкент, 1986. Т. 1. С. 89.
Исмаилов Н.М., Наджафова С.И., Гасымова А. Апшеронский промышленный регион – факторы экологической напряженности // Аридн. экосист. М., 2015. Т. 21. № 3. С. 92–100.
Экологический атлас Азербайджанской Республики. Баку, 2009. 112 с.
Исмаилов Н.М. Научные основы практической экобиотехнологии. М.: ИНФРА-М, 2020. 414 с.
Исмаилов Н.М., Наджафова С.И., Гасымова А.С. Биоэкокластерные комплексы для решения экологических, производственных и социальных проблем (на примере территории Азербайджана). М.: ИНФРА-М, 2020. 260 с.
ГОСТ 28329–89. Озеленение городов. Термины и определения. М., 1999.
О порядке определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами. Письмо Минприроды России № 04-25/61-5678 от 27.12.1993.
Звягинцев Д.Г., Асеева И.Б., Бабьева И.П., Мирчинк Т.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1980. 224 с.
Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984. 448 с.
Розанова Е.П., Назина Т.Н. Углеводородокисляющие бактерии и их активность в нефтяных пластах // Микробиология. 1982. Т. 51. С. 342–348.
Карманный справочник нефтепереработчика. Л.: Химия, 1989. 463 с.
Самедова Ф.И., Гусейнова Б.А. Азербайджанские нефти новых месторождений и их гетероатомные соединения. Баку: Элм, 2009. 324 с.
Мурадов А.Н. Получение биологически активных веществ на основе лечебной нафталанской нефти // Наука вчера, сегодня, завтра: Мат-лы VII Международ. научн.-практ. конф / Под ред. Гулина А.И. Новосибирск: СибАК, 2013. № 7 (7). С. 6–10.
Oudot J. Rates of microbial deqradation of petroleum components as determined by computerized capillary gas chromatography and computerized mass-spectrometry // Mar. Environ. Res. 1984. V. 13. P. 277–302.
Исмаилов Н.М., Гасымова А.С. Самоочищающая способность почв от нефти и нефтепродуктов в зависимости от структуры углеводородов // Аридн. экосист. 2016. Т. 22. № 4 (69). С. 73–80.
Дополнительные материалы отсутствуют.