Более перспективным методом рекультивации нефтезагрязненых почв является метод биоремедиации, основанный на использовании микроорганизмов, способных утилизировать углеводороды в процессе своей жизнедеятельности [6]. Как показали исследования последних лет, более высокая эффективность биоремедиации почвы может быть достигнута при введении в загрязненную почву дождевых червей, т.е. при использовании в этом случае метода вермиремедиации [3]. Дождевые черви ускоряют процесс удаления загрязняющих веществ из почвы и изменяют физические и химические свойства почвы, смешивая ее с органическим веществом и улучшая аэрацию почвы, что делают загрязняющие вещества доступными для микроорганизмов.
Schaefer и соавт. исследовали влияние дождевых червей 3 видов (L. terrestris, Allolobophora chlorotica и E. fetida) на микробное сообщество почвы, загрязненной нефтью (10 000 мг/кг) в течение 28 дней. Показано, что в процессе эксперимента концентрация микробной биомассы повышалась и наблюдались изменения таксономических групп микроорганизмов. Концентрация углеводородов при этом снижалась: на 30-42 % в образцах с L. terrestris, на 31-37 % в образцах с E. fetida и на 17-18 % в образцах с А. chlorotica (в контрольных образцах снижение содержания углеводородов составляло 9-17 %) [5].
Было установлено, что Lumbricus terrestris и E. fetida выживают в почве, загрязненной сырой нефтью с концентрацией 5 г/кг в течение 15 дней. При увеличении содержания сырой нефти в почве до 15 г/кг, выживаемость E. fetida в течение 15 дней снижалась на 40 % [4].
Whiteld Aslund и соавт. отмечают, что при содержании нефти в почве, превышающем 0,5-25,0 г/кг, смертность дождевых червей E. fetida не превышает 10 %, однако при этом фиксируется нарушение их репродуктивной функции [1].
Eom, I.C. и соавт. изучали выживаемость E. fetida при внесении в почву нефти в количестве 2,6-2,8 г/кг. Выживаемость дождевых червей E. fetida в нефтезагрязненной почве составляла 18 % в течение 28 дней нахождения в почве и 8 % – в течение 56 дней. Причем авторами отмечено, что жизнеспособность молодых червей была выше, чем жизнеспособность взрослых червей и составляла 74 % после нахождения в нефтезагрязненной почве в течение 56 дней [2].
Таким образом, проведенный анализ литературы показывает, что использование дождевых червей E. fetida для биоремедиации нефтезагрязненных почв, при содержании углеводородов в почве не более 4 г/кг, является эффективным приемом. Учитывая вышеизложенное, задачей настоящего исследования было изучение эффективности биоремедиации нефтезагрязненной почвы при использовании дождевых червей E. fetida в присутствии биопрепаратов «Байкал ЭМ 1» и «Тамир» в почве, загрязненной различными концентрациями 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 (навозные) черви Eisenia fetida (Savigny, 1826). В эксперименте использовались только половозрелые особи. Взрослые особи были приобретены в ЛПХ Ермак (Россия, г. Саратов). Средняя масса червей составляла 0,41-0,92 г. Взрослые особи были приобретены в ЛПХ Ермак (Россия, г. Саратов).
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.
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 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 добавлено отработанное машинное масло, в количестве 40–100 г/кг черви E. fetida и микробиологический препарат «Байкал ЭМ 1».
В образцах серии 2, для получения образцов загрязненных почв, в почву было внесено отработанное машинное масло, в количестве 40–100 г/кг черви E. fetida и микробиологический препарат «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 °С 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 – c 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.
Общая численность E. fetida и микробиологический препарат «Байкал ЭМ 1».
В контрольном варианте общая численность E. fetida увеличилась в 2 раза, а при внесении биопрепарата «Байкал ЭМ 1» в 4,8 раза. В варианте с концентрацией масла 40 г/кг и биопрепаратом выживаемость червей была 80 %, и общая численность составила 7,6 экз/сосуд. При внесении в почву 60 г/кг масла выживаемость червей на 8 неделе исследования составила 60 %, и общая численность составила 6 экз/сосуд. При внесении в почву 80 г/кг масла выживаемость червей на 8 неделе исследования составила 50 %, и общая численность составила 4.6 экз/сосуд. А при концентрации масла 100 г/кг выживаемость на 6 неделе составила 30 %.
Общая численность E. fetida и микробиологический препарат «Тамир».
В контрольном варианте общая численность E. fetida увеличилась в 2 раза, а при внесении биопрепарата «Тамир» в 3,6 раз. В варианте с концентрацией масла 40 г/кг и биопрепаратом выживаемость червей составила 50 % на 16 неделе исследования, и общая численность составила 7,6 экз/сосуд. В варианте с концентрацией масла 60 г/кг и биопрепаратом выживаемость червей составила 30 % на 14 неделе исследования, и общая численность составила 4 экз/сосуд, а затем все черви погибли. В варианте с концентрацией мсала 60 г/кг и биопрепаратом выживаемость червей составила 20 % на 16 неделе исследования и общая численность составила 2,6 экз/сосуд. А при концентрации масла 100 г/кг выживаемость на 6 неделе составила 20 %, но через 8 недель все черви погибали.
Разложение углеводородов нефтепродуктов
Изменение общей численности E. fetida 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 |
20,03 |
|
2 |
Байкал |
100 |
48,93 |
|
3 |
Тамир |
100 |
33,66 |
|
4 |
40 г/кг + Байкал |
56 |
7,67 |
|
5 |
60 г/кг + Байкал |
60 |
6 |
|
6 |
80 г/кг + Байкал |
46 |
4,67 |
|
7 |
100 г/кг + Байкал |
60 |
6 |
|
8 |
40 г/кг + Тамир |
16 |
7 |
|
9 |
60 г/кг + Тамир |
0 |
4 |
|
10 |
80 г/кг + Тамир |
0 |
2,6 |
|
11 |
100 г/кг + Тамир |
0 |
0 |
Рис. 1. Общая численность Eisenia fetida и микробиологический препарат «Байкал ЭМ 1»
Рис. 2. Общая численность Eisenia fetida и микробиологический препарат «Тамир»
Рис. 3. Изменение концентрации масла в процессе вермикультивирования
Как видно из рис. 3, при внесении в почву масла в количестве 40 г/кг почвы процесс рекультивации почвы занимал 5 месяцев, в ходе которого концентрация углеводородов снижалась на 10 %.
Внесение биопрепаратов «Байкал ЭМ 1», «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. При введении в почву биопрепарата «Байкал ЭМ 1» и червей E. fetida концентрация масла в почве после выдержки почвы в течение 4 месяцев снизилась в 6 раз до 0,79 г/кг (эффективность 98 %). При введении в почву биопрепарата «Тамир» и червей E. fetida концентрация масла в почве после выдержки почвы в течение 6 месяцев снизилась в 6 раз до 1,74 г/кг (эффективность 96 %).
При внесении в почву масла в количестве 60 г/кг процесс рекультивации почвы занимал 5 месяцев, в ходе которого концентрация углеводородов снижалась на 7 %. Внесение биопрепаратов «Байкал ЭМ 1», «Тамир» оказывало существенное влияние на процесс разрушения углеводородов нефтепродуктов. Так, при добавлении биопрепарата «Байкал ЭМ 1» концентрация углеводородов в почве снижалась на 52 %, а при добавлении биопрепарата «Тамир» – на 43 %. 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 55 г/кг. При введении в почву биопрепарата «Байкал ЭМ 1» и червей E. Fetida концентрация масла в почве после выдержки в течение 4 месяцев снизилась в 4,9 раза до 14,31 г/кг (эффективность 78 %). При введении в почву биопрепарата «Тамир» и червей E. Fetida концентрация масла в почве после выдержки в течение 4 месяцев снизилась в 5,5 раз до 12,76 г/кг (эффективность 80 %).
При внесении в почву масла в количестве 80 г/кг процесс рекультивации почвы занимал 4 месяца, в ходе которого концентрация углеводородов снижалась на 10 %. Внесение биопрепаратов «Байкал ЭМ 1», «Тамир», оказывало существенное влияние на процесс разрушения углеводородов нефтепродуктов. Так, при добавлении биопрепарата «Байкал ЭМ 1» концентрация углеводородов в почве снижалась на 54 %, а при добавлении биопрепарата «Тамир» – на 45 %. 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 E. fetida концентрация масла в почве после выдержки в течение 6 месяцев снизилась в 3,8 раза до 33,5 г/кг (эффективность 71 %). При введении в почву биопрепарата «Тамир» и червей E. fetida концентрация масла в почве после выдержки в течение 6 месяцев снизилась в 2,7 раза до 33,5 г/кг (эффективность 58 %).
При внесении в почву масла в количестве 100 г/кг процесс рекультивации занимал 5 месяцев, в ходе которого концентрация углеводородов снижалась на 6 %. Внесение биопрепаратов «Байкал ЭМ 1», «Тамир» оказывало существенное влияние на процесс разрушения углеводородов нефтепродуктов. Так, при добавлении биопрепарата «Байкал ЭМ 1» концентрация углеводородов в почве снижалась на 52 %, а при добавлении биопрепарата «Тамир» – на 45 %. 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 снизилась до 88 г/кг. При введении в почву биопрепарата «Байкал ЭМ 1» и червей E. fetida концентрация масла в почве после выдержки в течение 4 месяцев снизилась в 5,1 раз до 20,56 г/кг (эффективность 79 %). При введении в почву биопрепарата «Тамир» и червей E. fetida концентрация масла в почве после выдержки почвы в течение 4 месяцев снизилась в 2,8 раза до 37,3 г/кг (эффективность 62 %).
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 E. fetida и биопрепарата «Байкал-Эм-1» (эффективность 70-90 %).