Агрохимия, 2021, № 3, стр. 82-87

ВВЕДЕНИЕ

Основными источниками загрязнения ландшафтов, в том числе почвенного покрова, углеводородами являются нефтедобывающие предприятия и нефтеперерабатывающие заводы, транспортировка сырой нефти трубопроводами, нефтебазы, железные дороги и др. Показано, что в сфере влияния всех этих предприятий имеется потенциальная опасность возникновения зон загрязнения ландшафтов различными нефтепродуктами [1].

На многих предприятиях, находящихся на территории Азербайджана, имеется опасность загрязнения ландшафтов при аварийных ситуациях, в том числе сырой нефтью и нефтепродуктами. К основным причинам возникновения аварийных ситуаций относятся внешние и внутренние физико-химические воздействия на трубопроводы (например, в результате внешнего физического воздействия в районе г. Сумгаит на трассе ЗМЭТ произошел разрыв трубопровода и разлив сырой нефти объемом >300 т), коррозионные процессы (как это было при разливе >200 т сырой нефти в районе п. Насосный в 1998 г. вдоль СМЭТ), в результате чего они повреждаются, несвоевременная замена или ремонт старого оборудования, ошибки рабочих и служащих. Разливы нефти могут иметь место также при их транспортировке железнодорожным транспортом, автотранспортом, на территориях автозаправочных станций и др. Причинами возникновения аварийных ситуаций, которые приводят к значительным финансовым и материальным потерям, могут являться также природные явления как эрозионные процессы, землетрясения, наводнения, обвалы и оползни и др.

Процесс самоочищения почвенного покрова от органических поллютантов может проходить активно только при определенных физико-химических условиях, которые определяют структуру и активность микробных сообществ, участвующих в этих сложных процессах. Наряду с другими физико-химическими показателями рН почвы является одним из ключевых факторов, определяющих интенсивность и саму возможность процесса самоочищения почв от органических поллютантов.

Известно отношение микроорганизмов к кислотности среды, в том числе кислотности почв, загрязненных техногенными поллютантами [2]. Концентрация водородных ионов играет роль фактора, определяющего границы существования и жизнедеятельности биоорганизмов, в том числе почвенных микроорганизмов. Показатели рН являются одним из важнейших абиогенных факторов, влияющих на рост и размножение микроорганизмов. Разнообразие и метаболический потенциал бактерий-деструкторов может снижаться с переходом условий среды в стрессовую область [3, 4]. Экстремальные условия окружающей среды могут представлять естественный барьер для деградации углеводородов почвенным микробиоценозом, ограничивая, таким образом, не только возможность естественных процессов самоочищения, но также и возможности применения методов биоремедиации загрязненных почв.

Большинство микроорганизмов функционирует при рН почвы от 4.0 до 9.0, однако их оптимальный рост наблюдается в среде, при концентрации ионов водорода, близкой к рН 7.0, что характерно для большинства природных сред. Очень высокие (кислая реакция) или очень низкие (щелочная реакция) концентрации водородных ионов обычно токсичны для большинства организмов. Наиболее активно процессы роста и развития микроорганизмов-деградаторов нефтяных углеводородов имеют место в среде с нейтральным pH в пределах 6.8–7.2 ед. В то же время ряд исследований показали широкий диапазон рН, при котором в естественных условиях может идти деградация нефтяных углеводородов в почве. Например, из месторождения в Китае выделен новый род Amicolicicoccus, который рос в диапазоне рН 6.0–11 (оптимум 8.0 ед.) [5]. Из микробного сообщества, существующего в экстремальных условиях нефтешлама (рН 1.15), выделены и изучены 13 штаммов бактерий – умеренных ацидофилов, идентифицированных как Corynebacterium sp., D. maris и Bacillus sp., способных к деструкции широкого спектра углеводородов в широком диапазоне рН от 4.0 до 9.0 ед. [6].

Цель работы – на примере 3-х основных типов почв (каштановой, серо-бурой и желтоземной), характеризующихся различными показателями рН, широко распространенных на территории Азербайджана и используемых под различные сельскохозяйственные культуры (чай, хлопок, зерновые, садовые и др.), оценить активность процессов самоочищения в случае их загрязнения нефтяными углеводородами.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования были 3 типа почв: каштановая, серо-бурая и желтоземная (рис. 1). Почвенные образцы отбирали непосредственно в местах их распространения [7]. Кислотность почв определяли с помощью полевого рН-метра-влагометра. Отбор проб почвы общей смешанной массой 1.0 кг проводили из слоя 0–20 см в стерильные пакеты по методу “конверта” [8], затем доставляли в лабораторию. Исследование проводили методом лабораторного моделирования: в стеклянные стаканы объемом 300 мл вносили образцы почв массой 250 г. В почву вносили сырую нефть Сураханского месторождения (Апшеронский полуостров) из расчета 2 г/100 г почвы, тщательно перемешивали. Содержание нефти в исследованных образцах почв составляло 2% от массы почвы, что соответствовало высокой степени загрязнения почв. Стаканы помещали в термостат и инкубировали при постоянной температуре 26°С, время инкубирования – 180 сут. Почву в стакане периодически увлажняли до 40% ППВ. Влажность почв поддерживали постоянной, добавляя воду в соответствии с потерей их массы. Через 180 сут после начала эксперимента из каждого экспериментального стакана отбирали пробы почв и в них определяли содержание остаточных углеводородов гравиметрическим методом [9]. В образцах почв также определяли общую численность гетеротрофных микроорганизмов на МПА [10]. Численность углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) в почвах выявляли на агаризованной минеральной среде с н-гексадеканом в качестве единственного источника углерода и энергии [10]. Дыхание почв определяли по интенсивности продуцирования СО₂ по методу [11].

Рис. 1.

Расположение точек отбора почвенных проб для исследования их самоочищающей способности: 1 – серо-бурая почва, 2 – каштановая почва, 3 – желтоземная почва.

Исходные показатели рН почв до начала эксперимента были следующими: каштановой – 7.2, серо-бурой – 8.2, желтоземной – 5.9, численность углеводородокисляющих микроорганизмов (титр): каштановой – 1 × 10⁵, серо-бурой – 3.5 × 10⁴, желтоземной – 1 × 10³, степень загрязнения для всех типов почв – 2%.

Все лабораторные эксперименты проводили в 3-х повторностях. Достоверность полученных результатов определяли с помощью t-критерия Стьюдента, статистическую обработку проводили в программе MicrosoftExcel 2002. Представление результатов в таблицах и графиках – среднее стандартное отклонение.

Встречающиеся в природе щелочные условия обычно связаны с почвами. Типичными являются почвы, обогащенные щелочными минералами. Щелочные почвы могут формироваться в результате полного окисления органического вещества в районах с повышенной аэрацией и высокой температурой – к таким территориям в Азербайджане относят почвы аридных зон, которые формируются в условиях климата пустынь или полупустынь. Почвы со щелочными рН распространены, в том числе, и на Апшеронском полуострове: это в основном серо-бурые почвы, рН этих почв в зависимости от подтипа меняется в пределах 7.8–9.0 ед., их общая площадь составляет 150 тыс. га. Гранулометрический состав (<0.001 мм) составляет 32–43%, содержание гумуса – 0.84–1.60%, содержание азота – 0.08–0.13%, соотношение С : N – 6.8–7.2. Эти почвы в наибольшей степени загрязнены нефтью и нефтепродуктами: общая площадь нефтезагрязненных почв в регионе составляет >25 тыс. га.

Почвы с нейтральным рН (в пределах 6.9–7.8) представлены каштановыми почвами, они распространены в сухих субтропических степях Азербайджана с общей площадью почти в 1.4 млн га [7]. По гранулометрическому составу почвы глинистые, содержание гумуса – 2–4%, содержание азота – 0.20–0.30%, соотношение С : N – 7–9.

Почвы с кислой средой в Азербайджане распространены в Талышско-Ленкоранской зоне: горно-лесные желто-бурые, в которых рН в верхних слоях составляет 5.3–5.9, глубже снижается до 4.4–4.6 ед., что связано с присутствием поглощенного алюминия. Горно-лесные желтоземные почвы этого же региона являются типичными представителями почв влажных субтропиков Азербайджана: реакция почвенной среды обычно слабокислая и кислая, рН$_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ составляет 3.2–4.7. По гранулометрическому составу дифференциация профиля слабая, содержание илистой фракции в верхнем горизонте равно 13.3–27.2%, содержание гумуса – 2.0–2.7%, содержание азота – 0.25–0.27%, соотношение С : N в верхней части профиля – 8.6–9.1. Общая площадь земель в этом регионе составляет 157 тыс. га.

Скорость самоочищения в исследованных почвах от углеводородов оценивали по интенсивности роста и развития микроорганизмов, в том числе углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), способных разлагать загрязнитель, по интенсивности дыхания почв, которая свидетельствовала об использовании загрязнителя в качестве единственного источника углерода и энергии, а также по интенсивности его разложения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты микробиологических исследований показали, что с изменением показателя кислотности почв от нейтрального в сторону подкисления или подщелачивания отмечено снижение общей численности микроорганизмов (рис. 2) и интенсивности дыхания (рис. 3). Изменения дыхания почвы были обусловлены интенсивностью биологических процессов в почве. Высокая дыхательная активность в каштановой почве (0.71 г СО₂/кг почвы) по сравнению с другими типами почв – желтоземной и серо-бурой в присутствии углеводородного субстрата свидетельствовала о сравнительно высокой мобилизационной активности микрофлоры в этой почве, результатом которой был всплеск интенсивности дыхания.

Рис. 2.

Численность микроорганизмов в различных типах почв.

Рис. 3.

Интенсивность дыхания в различных типах почв.

Данные, представленные в табл. 1, показали различие в скорости разложения сырой нефти в почве в зависимости от типа почв. Выявлено, что величина рН почвы как абиогенный фактор при всех прочих равных условиях (степень загрязнения 2%, температура и время инкубирования, увлажнение и др.) определяла интенсивность процессов самоочищения почв. Наиболее интенсивно процесс разложения в почве сырой нефти имел место в каштановой почве: через 180 сут в ней разложилось 64.5% нефти от исходного количества, в серо-бурой – 48.5, в желтоземной – всего 21%.

Таким образом, в соответствии с показателями рН самоочищающую способность почв в случае загрязнения сырой нефтью можно расположить в следующей последовательности по убыванию: каштановая (рН 7.2) > серо-бурая (рН 8.2) > желтоземная (рН 5.9).

В желтоземных почвах с кислой реакцией этот фактор имел решающее значение при разложении нефти и нефтепродуктов, т.к. повышенная кислотность ослабляла микробиологическую активность. Полученные данные дали основание прогнозировать, что в случае загрязнения желтоземных почв их самоочищающая способность будет недостаточной и потребуется принятие оперативных мер для ускорения естественных процессов самоочищения этих почв с целью предотвращения деградации их физико-химических и биологических свойств и их ускоренной биореабилитации с использованием современных методов рекультивации. Поэтому для создания рН, оптимального для биоразложения поллютанта, кислые почвы в случае их загрязнения необходимо известковать [12], что позволит устранить избыточную кислотность, вредную для роста и развития микроорганизмов, обеспечивающих процесс разложения загрязнителя, улучшит физические свойства почв. Принимая во внимание, что в отличии от серо-бурых почв, на которых располагаются нефтедобывающие предприятия (Апшеронский полуостров), и для которых высока вероятность загрязнения, вероятность загрязнения желтоземных почв углеводородами значительно меньше (в основном ≈5–10 м² на территориях заправочных станций), для этого типа почв в случае их загрязнения норма известкования может составить в пределах 5–14 кг извести/10 м² (срок эффективного действия – 12–15 лет).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследования интенсивности самоочищения 3-х разных типов почв в случае загрязнения их сырой нефтью показали значимость показателя кислотности почв. При прочих равных условиях (степени загрязнения, показателя увлажнения, температуры) кислотность почв имеет определяющее значение для активности процесса деградации нефти в почве: наиболее активно процесс разложения в почве сырой нефти обнаруживался при нейтральных величинах рН, характерных для каштановых почв. Через 180 сут инкубации загрязненных почв в модельном опыте (степень загрязнения нефтью 2%) в каштановой почве разложилось 64.5% нефти от исходного количества, в серо-бурой – 48.5%, в желтоземной – всего 21%. Данная закономерность подтверждена численностью сапрофитных микроорганизмов, а также активностью в почве УОМ, ответственных за процесс деградации углеводородов: исходная численность в каштановой почве этих групп микроорганизмов составляла 1.10⁵ млн/мл, через 180 сут эксперимента их численность увеличилась до 3.1 × 10⁶ млн/мл, что было значительно больше, чем в других типах почв. Показатели дыхательной активности (СО₂, г/кг почвы) также коррелировали с численностью микроорганизмов: они были значительно больше для каштановой почвы – 0.72 г СО₂/кг почвы по сравнению с серо-бурой (0.52 г СО₂/кг почвы) и желтоземной (0.41 г СО₂/кг почвы). Остаточная степень загрязнения для каштановой почвы через 180 сут составила всего 0.7% при исходной степени загрязнения 2.0%: такая загрязненность уже считается безопасной для почвы.

Таким образом, в случае загрязнения сырой нефтью по степени самоочищения исследованные типы почв располагаются в последовательности: каштановая (рН 7.2) > серо-бурая (рН 8.2) > > желтоземная (рН 5.9).

Можно прогнозировать, что допустимый верхний предел загрязнения нефтью и нефтепродуктами также будет различен в исследованных типах почв: каштановые типы почв могут выдержать более высокую техногенную нагрузку по сравнению с серо-бурой и желтоземными почвами. В каштановых почвах при одинаковой степени загрязнения углеводородами процесс самоочищения будет происходить значительно быстрее по сравнению с другими типами почв (серо-бурой и желтоземной).