Введение к работе
Актуальность темы. Поступление нефти в окружающую среду связано с утечкой ее из поврежденных трубопроводов, фонтанированием из разбуренных и эксплуатационных скважин. Из-за высокой степени загрязнения имеет место отчуждение земельных угодий из сельскохозяйственного оборота, нарушается экологическое состояние природных ландшафтов, компонентов агроэ'косистем.
Значительная роль в освобождении почв от нефтепродуктов принадлежит почвенной микрофлоре. Восстановление плодородия почв после загрязнения их сырой нефтью растягивается на десятки лет. Это связано с тем, что несмотря на способность микроорганизмов разрушать практически любые компоненты нефти различной природы, они могут не иметь соответствующих условий для их реализации. Поэтому дальнейшее изучение и разработка принципов и методов ускорения биодеградации нефти в почве имеет большой научно-практический интерес. В этой связи представляются наиболее оригинальными результаты опытов по моделированию в полевых и лабораторных условиях определенных экологических ситуаций, характерных для процессов загрязнения среды нефтью. Необходима разработка новых подходов к рекультивации загрязненных почв, основанных на активизации микробоценозов с учетом специфики почвенно-климатических условий.
Диссертация выполнена по плану НИР Башкирского государственного университета (№ темы ГР № 01860093031 87.17.03 шифр 3.22.05620).
Целью настоящих исследований явилось изучение активности микробиологических процессов в загрязненных нефтью и нефтепродуктами и рекультивируемых почвах Уральского региона России, процессов биодеградации нефти и нефтепродуктов в почве и разработка эффективных биотехнологических приемов рекультивации загрязненных почв.
В процессе достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
изучение влияния загрязнения нефтью и нефтепродуктами на физиологическое состояние почвенного мнкробоценоза и биологическую активность почв;
изучение ферментативной активности загрязненной почвы;
изучение продуктивности сельскохозяйственных культур, как показателя плодородия почв;
обоснование микробиологических критериев оценки самоочищающей способности загрязненных почв при применении различных способов рекультивации;
влияние агротехнических приемов рекультивации почв на видовой состав и численность микроорганизмов;
обоснование рекомендуемых приемов ускорения биодеструкции нефти в почве.
отбор культур эффективных углеводородокисляющих микроорганизмов.
разработка математических моделей микробиологических процессов в почве, загрязненной нефтью.
Научная новизна работы. Впервые в регионе Южного Урала проведены многолетние, комплексные исследования по влиянию нефтяных углеводородов на почвенные микроорганизмы и микробиологические процессы с учегом специфики ночвенно-климатических условий. Проведенные исследования позволили экспериментально установить и теоретически обосновать новые научные положения в решении проблемы биотехнологической рекультивации нефтезагрязненных почв.
Показаны изменения в комплексах почвенных микромицетов, акти-номицетов, аэробных спорообразующих бактерий при загрязнении нефтью. Загрязнение почвы нефтяными углеводородами влияет на численность, содержание и распределение почвенных микромицетов, актиномицетов, бацилл. Высокий уровень загрязнения не только обедняет, но и формирует новые нетипичные для данных почв комплексы грибов, бацилл. Установлено ингибирующее действие нефти на активность аспарагиназы, глутамина-зы, амилазы, РНКазы, ДНКазы, АТФазы в почве. Изучена интенсивность деградации целлюлозы в нефтезагрязненнои почве методом целлофановых мембран и описана линейная модель ее разрушения, установлено снижение субстрат-индуцированного дыхания почвы и увеличение метаболического коэффициента. Изучено влияние различных нефтяных фракций (легкий газойль коксования, гудрон, экстракт 2 масляной фракции, крекинг-остаток, асфальтит) на комплекс микробиологических показателей. На этой основе разработаны и внедрены методы экспресс-анализа нефтезагрязненных почв.
Впервые установлено, что нефтяное загрязнение снижает содержание белка в зерне, меняется фракционный состав белка в сторону ухудшения качеств. Под действием нефти ингибируегся активность ферментов (каталаза, альдолаза, протеиназа, амилаза) изменяется изоэнзимный спектр амилазы. В связи с этим продуктивность овса и изоферментнын спектр амилазы предлагается использовать в качестве одного из критериев для оценки степени влияния нефтяного загрязнения.
Разработаны два биотехнологических подхода стимуляции групп микроорганизмов, участвующих в биодеградации нефти и нефтепродуктов. Первый - заключается в активизации естественной микрофлоры за счет обогащения ее природными органическими соединениями из отходов сельскохозяйственных производств. В частности, выявлено положительное влияние альтернативных источников органического вещества (сточные воды животноводческого комплекса, сидерагы, биогумус) на восстановление биологической активности нефтезагрязненных почв. Рациональное сочетание принципиально различных промышленных отходов позволяет снизить неблагоприятные эффекты от их раздельного поступления в окружающую среду.
Второй биотехнологический подход связан с внесением в загрязненную почву углеводородокисляющих микроорганизмов, адаптированных к нефтяному загрязнению. Показана эффективность использования ассоциации углеводородокисляющих микроорганизмов, состоящей из Arthrobacter sp. и Pseudomonas sp. и биопрепарата на их основе при локальной очистке нефтезагрязненных почв.
Правомерность разработанных биотехнологических подходов подтверждена при использовании комплексной биологической добавки на основе углеводородокисляющих дрожжей (активный ил).
Впервые построены математические модели изменения биологических показателей интенсивности биодеградации нефтяных дериватов в почвенных системах, которые позволяют прогнозировать динамику распада нефтепродуктов и длительность отчуждения почв из сельскохозяйственного оборота.
Практическая значимость работы. Установленные закономерности микробиологических процессов в нефтезагрязненной почве позволяют подобрать оптимальные способы восстановления ее биологической активности почв. С учетом специфических особенностей почв Башкирии разработаны рекомендации по активизации процессов биодеградации нефтяных углеводородов в почвах. Рекомендованные способы рекультивации загрязненной нефтью серой лесной почвы опубликованы в информационном листке ЦНТИ и внедрены на агробиостанции БашГУ (Уфимский район) и в Калтасинском районе Башкирии (колхоз "Рассвет"). Использованием комплексной технологии рекультивирована пашня в колхозе "Рассвег" Калта-синского района Башкортостана, загрязненная разливом нефти в результате прорыва магистрального нефтепровода. Результаты исследований были использованы при проведении микробиологической экспертизы по факту затопления нефтепродуктами лесного массива Салаватского лесничества (Башкирия). Рекомендации по рекультивации нефтезагрязненных почв апробированы в санитарно-защитной зоне предприятий нефтехимического комплекса (Уфа). На основе результатов исследований разработан и рекомендован для внедрения в практику мелиорации почв в качестве активного биодеструктора углеводородов биопрепарат.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были апробированы на Международных конференциях "Жизненные формы и стратегии организмов и их использование для биоиндикации состояния жизненной среды (Чешске-Будеевице, 1989), "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), "Экология и охрана окружающей среды" (Пермь, 1995; Владимир, 1996), "Экотехнология-96" (Иркутск, 1996), "Ecmor V" (Leoben, 1996), на съездах Всесоюзного микробиологического общества (Алма-Ата, 1985), Всесоюзного общества почвоведов (Ташкент, 1985; Новосибирск, 1989), общества почвоведов РАН (Санкт-Петербург, 1996), на Всесоюзных и Всероссийских конференциях и симпозиумах "Микроорганизмы кйк компонент биогеоценоза" (Алма-Ата,
1982), "Мониторинг нефти и нефтепродуктов в окружающей среде" (Уфа, 1985), "Микробиологические процессы в почвах и урожайность сельскохозяйственных культур" (Вильнюс, 1986), "Микробиологические методы защиты окружающей среды" (Пущино, 1988), "Лгрофитоценозы и экологические пути повышения их стабильности и продуктивности" (Ижевск, 1988), "Ускорение социально-экономического развития Урала" (Свердловск, 1989), "Микробиология в сельском хозяйстве" (Кишинев, 1991), "Биология почв антропогенных ландшафтов" (Днепропетровск, 1991), на региональных конференциях (Казань, 1985, 1991; Свердловск, 1985, 1987,1988, 1990, Екатеринбург, 1992; Тамбов, 1987; Уфа, 1982, 1983, 1984, 1985, 1986, 1987, 1988, 1989, 1990, 1995, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 86 научных работ, в том числе -1 монография.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 322 страниц машинописного текста, в том числе 78 таблиц и 52 рисунка. Список литературы включаег 594 наименования.
Автор благодарит проф., д.б.н. Ф.Х.Хазиева за ценные советы и консультации при осуществлении научных исследований и написании рукописи, заведующего кафедрой биохимии и биотехнологии Башкирского госуниверситета проф., д.б.н Ахметова P.P. за постоянную поддержку и внимание, а также коллег по работе, которые принимали участие в проведении экспериментов: к.ф.-м.н., доц. Водопьянова В.В., к.б.н. Е.И.Тишкину (Новоселову), к.б.н., доц. Кузяхметова Г.Г., к.б.н. Галимзянову Н.Ф. и др.