В результате добычи нефти на месторождениях при ее транспортировке неминуемо происходит загрязнение окружающей среды, по причине аварий и нештатных ситуаций, приводящее к нарушению естественного баланса [1, 3].
Многие авторы в своих исследованиях доказали, что самостоятельное восстановление почвенного плодородия происходит достаточно неэффективно [2, 9].
Все попытки восстановления нарушенных почв только физическими и химическими методами в большинстве своём увенчиваются неудачами. Поэтому наиболее эффективным является комплексный подход к биоремедиации.
Биоремедиация при углеводородном загрязнении почвы часто предполагает добавление питательных веществ или микроорганизмов (биостимуляция и биоаугменация) [4].
Дождевые черви могут ускорить процесс удаления загрязняющих веществ из почвы. Они могут изменить химический состав и свойства почвы, смешивая её с органическими веществами, тем самым позволяют микроорганизмам разлагать нефтепродукты, либо при помощи их роющего образа жизни позволяют почве насыщаться воздухом.
Наличие дождевых червей в загрязненных почвах указывает на то, что они могут выжить в широком спектре различных органических загрязнителей, таких как пестициды, гербициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), по крайней мере, когда концентрации загрязняющих веществ не являются слишком высокими [5, 8, 7].
Hickman и Reid обнаружили в почве малых неполовозрелых дождевых червей Dendrobaena veneta и коконы при добавлении 16 различных ПАУ (500 мг/кг-1) и 10 половозрелых червей кг-1 после 84 дней [6].
Учитывая вышеизложенное, задачей настоящего исследования было изучение эффективности биоремедиации загрязненной почвы при использовании дождевых червей D. veneta в присутствии биопрепаратов «Байкал ЭМ 1» и «Тамир» в почве, загрязненной различными концентрациями автомобильного масла (от 40 г/кг до 100 г/кг).
Материалы и методы исследования
Виды дождевых червей
Для проведения вермирмедиации загрязненной маслом почвы были выбраны дождевые черви Dendrobaena veneta. В эксперименте использовались только половозрелые особи. Взрослые особи были приобретены в ЛПХ Ермак (Россия, г. Саратов). Средняя масса червей составляла 0,9-1,42 г.
Микробиологический препарат
В качестве источника молочнокислых, азотофиксирующих бактерий использовали биопрепарат «Байкал ЭМ 1» (изготовлен ООО «НПО ЭМ-Центр», Россия (номер государственной регистрации 226-19.156-1)), биопрепарт «Тамир» (изготовлен ООО «НПО ЭМ-Центр», Россия (номер государственной регистрации 77.01.03.929)), в количестве 5 мл на 1 кг субстрата при уровне загрязнения нефтепродуктами свыше 40 г/кг почвы. Биопрепараты содержат большое количество микроорганизмов, обитающих в почве: молочнокислые, азотфиксирующие, нитрифицирующие бактерии, актиномицеты, дрожжи и ферментирующие грибы.
Биологически активный препарат «Тамир» (серии ЭМ) предназначен для утилизации органических отходов. Применение его широко: от возрождения плодородия почвы до утилизации органических отходов. Препарат «Тамир» – это живое сообщество 86 полезных почвенных микроорганизмов с усиленной способностью к переработке и ферментации органических отходов.
Применение ЭМ-препаратов позволяет решать проблемы загрязнения окружающей среды и других негативных последствий индустриализации естественными методами. ЭМ-препараты существенно улучшают экологическое состояние биосферы.
Почвенный субстрат
Тест-субстратом для трех экспериментов была черноземная почва ЗАО «СибНИИСхоз». Почва была загрязнена в эксперименте отработанным автомобильным маслом (минимальная концентрация – 40 г/кг, максимальная – 100 г/кг).
Состав субстрата: содержание гумуса – 6,5 %, азот общий – 0,3 %, фосфор валовый – 1980 мг/кг, фосфор подвижный – 92 мг/кг, калий обменный – 420 г/кг, рН – 6,45.
Всего было подготовлено 2 серии образцов загрязненных почв.
В образцах серии 1, для получения образцов загрязненных почв, в почву было внесено отработанное автомобильное масло в количестве 40-100 г/кг с внесением червей D. veneta и микробиологического препарата «Байкал ЭМ 1».
В образцах серии 2, для получения образцов загрязненных почв, в почву было внесено отработанное автомобильное масло в количестве 40-100 г/кг с внесением червей D. veneta и микробиологического препарата «Тамир».
Подготовка образцов почвы
В полипропиленовые емкости объемом 2 литра на дно укладывали дренаж. В качестве дренажа использовался керамзит с диаметром частиц 2 см, на дренаж насыпали слой почвы толщиной 15 см (1 кг). В каждую емкость вносили по 10 половозрелых червей. На протяжении всего эксперимента почву увлажняли один раз в неделю, добавляя в каждую емкость по 100 мл дистиллированной воды. Сосуды с почвой накрывали хлопчатобумажной тканью. Червей подкармливали свежим тертым картофелем по 5 г 1 раз в неделю. Червей инкубировали при температуре 15 °C в течение 5 месяцев. Инкубирование экспериментальных образцов загрязненных почв с введенными червями и добавлением микробиологического препарата, а также контрольных образцов почвы проводилось в течение 7 месяцев – с ноября 2014 г. по май 2015 г.
Определение содержания нефтепродуктов и органических веществ в загрязненных инкубированных почвах.
Отбор проб из образцов почвы, загрязненных нефтепродуктами, для анализа содержания нефтепродуктов и органических веществ в образцах проводили по ГОСТ Р 54039-2010. Качество почв.
Экспресс-метод спектроскопии в ближней инфракрасной области для определения содержания нефтепродуктов.
Почву размалывали в ступке. Из размолотой почвы отбирали пробу массой 3-5 г и дополнительно измельчали до размера частиц менее 0,3 мм и просеивали через сито с размерами ячеек 0,25 мм.
Для определения содержания нефтепродуктов в почве была использована методика, предложенная институтом экспериментальной метрологии. Данная методика основана на определении количества углеводородов, экстрагированных четыреххлористым углеродом из загрязненной почвы. Полученный элюат заливали в кювету ИК-спектрофотометра ИКН-025 и определяли количество нефтепродуктов в элюате при длине волны 3,42 мкм.
Полученные результаты были обработаны с использованием рангового метода Фишера с использованием лицензионной программы «Статистика».
Результаты исследования и их обсуждение
Изменение количества червей при внесении различных концентраций масла.
Исследование выживаемости
Общая численность Dendrobaena veneta и микробиологический препарат «Байкал ЭМ 1».
В контрольном варианте общая численность D. veneta увеличилась в 2,3 раза, а при внесении биопрепарата «Байкал ЭМ 1» в 3,2 раза. В варианте с концентрацией масла 40 г/кг и микробиологическим препаратом «Байкал ЭМ 1» выживаемость червей составила 60 % на протяжении 16 недель исследования, и общая численность составила 6 экз/сосуд. В варианте с концентрацией масла 60 г/кг и биопрепаратом выживаемость червей составила 100 % на 16 неделе исследования, и общая численность составила 11 экз/сосуд. В варианте с концентрацией масла 80 г/кг и биопрепаратом выживаемость червей составила 90 % на 16 неделе исследования, и общая численность составила 9 экз/сосуд. А при концентрации масла 100 г/кг выживаемость на 16 неделе составила 70 %, общая численность составила 7 экз/сосуд.
Общая численность Dendrobaena veneta и микробиологический препарат «Тамир».
В контрольном варианте общая численность D. veneta увеличилась в 2,3 раза, а при внесении биопрепарата «Тамир» в 2,7 раза. В варианте с концентрацией масла 40 г/кг и микробиологическим препаратом «Тамир» выживаемость червей составила 80 % на протяжении 16 недель исследования, и общая численность составила 8 экз/сосуд. В варианте с концентрацией масла 60 г/кг и биопрепаратом выживаемость червей составила 60 % на 16 неделе исследования, и общая численность составила 6 экз/сосуд. В варианте с концентрацией масла 80 г/кг и биопрепаратом выживаемость червей составила 100 % на 16 неделе исследования, и общая численность составила 10 экз/сосуд. А при концентрации масла 100 г/кг выживаемость на 16 неделе составила 80 %, и общая численность составила 8 экз/сосуд.
Разложение углеводородов нефтепродуктов
Изменение общей численности D. veneta в процессе инкубирования загрязненных маслом почв с использованием микробиологических препаратов через 18 недель инкубирования
|
№ п/п |
Концентрация масла, г/кг |
Выживаемость, % |
Общая численность |
|
1 |
Контроль |
100 |
22,9 |
|
2 |
Байкал |
100 |
32 |
|
3 |
Тамир |
100 |
27,9 |
|
4 |
40 г/кг + Байкал |
50 |
5 |
|
5 |
60 г/кг + Байкал |
100 |
11 |
|
6 |
80 г/кг + Байкал |
90 |
9 |
|
7 |
100 г/кг + Байкал |
60 |
7 |
|
8 |
40 г/кг + Тамир |
80 |
8 |
|
9 |
60 г/кг + Тамир |
50 |
6 |
|
10 |
80 г/кг + Тамир |
90 |
10 |
|
11 |
100 г/кг + Тамир |
70 |
8 |
Рис. 1. Общая численность Dendrobaena veneta и микробиологический препарат «Байкал ЭМ 1»
Рис. 2. Общая численность Dendrobaena veneta и микробиологический препарат «Тамир»
Рис. 3. Изменение концентрации масла в процессе вермикультивирования
На рис. 3 приведены зависимости изменения количества масла в загрязненных образцах почвы, содержащих червей D. veneta и биопрепараты «Байкал ЭМ 1», «Тамир», от времени инкубирования образцов при температуре 15-17 °С.
Максимальное время инкубирования составляло 18 недель. Содержание углеводородов в почве определяли колориметрическим методом ежемесячно. Как видно из рис. 3, для загрязненных образцов с концентрацией масла 40 г/кг, содержащих червей, биоремедиация почвы протекает более интенсивно при внесении биопрепарата «Тамир».
При внесении в почву масла в количестве 40 г/кг процесс рекультивации занимал 5 месяцев, в ходе которого концентрация углеводородов снижалась на 10 %. Внесение биопрепаратов «Байкал ЭМ 1» и «Тамир» оказывало существенное влияние на процесс разрушения углеводородов нефтепродуктов. Так, при добавлении биопрепарата «Байкал ЭМ 1», концентрация углеводородов в почве снижалась на 42 %, а при добавлении биопрепарата «Тамир» – на 38 %.
В контрольном варианте при внесении масла в почву в количестве 40 г/кг значительного снижения концентрации углеводородов в почве не наблюдалось. В течение 4 месяцев содержание нефтепродуктов в почве снизилось до 35 г/кг. В варианте с внесением червей D. veneta и биопрепарата «Байкал ЭМ 1» концентрация масла в почве снизилась в 4 раза до 11,62 г/кг (эффективность 74 %). При введении в почву биопрепарата «Тамир» и червей D. veneta концентрация масла в почве снизилась в 3 раза до 0,84 г/кг (эффективность 98 %).
В контрольном варианте при внесении масла в почву в количестве 60 г/кг значительного снижения концентрации углеводородов в почве не наблюдалось. В течение пяти месяцев содержание нефтепродуктов в почве снизилось до 54 г/кг. При введении в почву биопрепарата «Байкал ЭМ 1» и червей D. veneta концентрация масла в почве снизилась в 2,8 раза до 24,6 г/кг (эффективность 62 %). При введении в почву биопрепарата «Тамир» и D. veneta концентрация масла в почве снизилась в 5,8 раз до 12,11 г/кг (эффективность 81 %).
В контрольном варианте при внесении масла в почву в количестве 80 г/кг значительного снижения концентрации углеводородов в почве не наблюдалось. В течение четырех месяцев содержание нефтепродуктов в почве снизилось до 70 г/кг. При введении в почву биопрепарата «Байкал ЭМ 1» и червей D. veneta концентрация масла в почве снизилась в 3,8 раза до 23,7 г/кг (эффективность 70 %). При введении в почву биопрепарата «Тамир» и червей D. veneta концентрация масла в почве снизилась в 3 раза до 29,7 г/кг (эффективность 63 %).
В контрольном варианте при внесении масла в почву в количестве 100 г/кг значительного снижения концентрации углеводородов в почве не наблюдалось. В течение пяти месяцев содержание нефтепродуктов в почве снизилось до 88 г/кг. При введении в почву биопрепарата «Байкал ЭМ 1» и червей D. veneta концентрация масла в почве снизилась в 4,1 раза до 25,44 г/кг (эффективность 74 %). При введении в почву биопрепарата «Тамир» и червей D. veneta концентрация масла в почве снизилась в 2,5 раза до 41,28 г/кг (эффективность 58 %).
Заключение
Эффективность и скорость деградации масла зависит от концентрации его в почве. При внесении низких концентраций отработанного масла 20-40 г/кг почвы процесс рекультивации занимал 4 месяца, в ходе которого концентрация углеводородов снижалась на 97-99 %. Внесение микробиологического препарата оказывало существенное влияние на процесс деградации масла. В процессе вермикультивирования содержание масла снижалось на 60-90 %. Наибольшая эффективность разложения отработанного автомобильного масла в почве отмечена при совместном использовании D. venata и биопрепарата «Тамир» (эффективность 60-90 %).