Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 11
1.1. Загрязнение почв нефтью 11
1.1.1. Допустимый уровень загрязнения почв нефтью 11
1.1.2. Воздействие нефти на физические и химические свойства почвы 13
1.1.3. Действие нефти на экосистему почвы 20
1.1.4. Самоочищение почвы 28
1.2. Ремедиация почв, загрязненных нефтью 29
1.2.1. Не биологические методы ремедиации 31
1.2.2. Биоремедиация
1.2.2.1. Технологии биоремедиации 33
1.2.2.2. Факторы, ограничивающие биоремедиацию 41
1.2.2.3. Вещества, используемые для биоремедиации нефтезагрязненных почв.. 49
1.3. Отходы пивоваренной промышленности 59
1.3.1. Пивная дробина 59
1.3.2. Отработанный кизельгур 64
Глава 2. Материалы и методы исследований 70
Глава 3.Результаты исследований 76
3.1. Влияние нефтяного загрязнения на физико-химические и биологические свойства почвы 76
3.1.1. Лабораторные исследования влияния нефтяного загрязнения на почву. 77
3.1.2. Влияние нефтяного загрязнения на почву в полевых условиях 84
3.2. Влияние органических компонентов отходов пивоваренной промышленности на физико-химические и биологические свойства почвы
3.2.1. Химический состав и микробиологическая характеристика отходов пивоварения, используемых в качестве органических субстратов при биоремедиации нефтезагрязненных почв 88
3.2.2. Лабораторные исследования влияния органических компонентов отходов пивоваренной промышленности на почву 92
3.2.3. Влияние органических веществ отходов пивоварения на почву в полевых условиях 118
3.3. Влияние органических компонентов отходов пивоваренной промышленности на эффективность биоремедиации нефтезагрязненных почв 125
3.3.1. Влияние органических веществ отходов пивоварения на эффективность биоремедиации нефтезагрязненной почвы в лабораторных условиях 125
3.3.2. Полевые исследования воздействия органических соединений отходов пивоваренной промышленности на эффективность биоремедиации нефтезагрязненной почвы 214
3.4. Технология биоремедиации почв с использованием органических компонентов отходов пивоваренной промышленности 237
Обсуждение полученных результатов 244
Выводы 260
Список литературы 262
- Воздействие нефти на физические и химические свойства почвы
- Факторы, ограничивающие биоремедиацию
- Влияние органических компонентов отходов пивоваренной промышленности на физико-химические и биологические свойства почвы
- Влияние органических веществ отходов пивоварения на эффективность биоремедиации нефтезагрязненной почвы в лабораторных условиях
Введение к работе
Актуальность темы. Углеводороды нефти и их производные - природные химические вещества, широко используемые человеком. В связи с достаточно интенсивной добычей и переработкой нефти и нефтепродуктов они являются основными загрязнителями окружающей среды (Винаров и др., 2006; Другов, Родин, 2007). В промышленно развитых странах загрязнение почвы сырой нефтью и нефтепродуктами является серьезной проблемой (Назаров и др., 2012; Baran et al., 2004; Liu et al., 2009; Wolicka et al., 2009). Во всем мире ежегодно теряется и попадает в окружающую среду около 45-50 млн. т нефти и нефтепродуктов, в России - 3 млн. т (1,2 % от объема добычи нефти) (Бурлака, 2006; Мещеряков, 2012).
При ремедиации почв, загрязненных нефтью и продуктами ее переработки, используют физические, химические и биологические методы, а также их сочетания (Li et al., 2000; Sarkar et al., 2005; Liang et al., 2009). Физические методы удаления загрязнения (сбор, удаление и захоронение нефти и сильно загрязненной почвы, промывка почвы водой под давлением, землевание, мульчирование слоем почвы, термообработка и др.) не способствуют восстановлению плодородия почв и могут нанести дополнительный ущерб окружающей среде (Подавалов, 2010; Nadim et al. 2000; Khan et al., 2004). Химическая обработка путем экстракции растворителями или окислением изменяет агрохимические характеристики почвы и грунтовых вод (Nadim et al., 2000; Khan et al., 2004; Sarkar et al., 2005). Сжигание загрязненных почв дополнительно вызывает загрязнение атмосферы (Ting et al., 1999).
В настоящее время, с повышением внимания к охране окружающей среды, биоремедиация все активнее используется для очистки загрязненных почв. Биологическая очистка обычно обеспечивает преобразование загрязнителя в нетоксичные формы, используя микробиологические процессы (Sarkar et al., 2005) и может приводить к полной минерализации углеводородов до диоксида углерода и воды (Liang et al., 2009). Многие технологии биоремедиации нефтезагрязненных почв предлагают проводить интродукцию микроорганизмов, специализирующихся на разложении имеющихся углеводородов (Boopathy, 2000; Градова и др., 2003; Данг и др., 2011), однако в некоторых случаях интродуцированные микроорганизмы не выдерживают конкуренции с почвенной микробиотой (J0rgensen et al., 2000; Liang et al., 2009). К тому же, концентрации субстрата в окружающей среде могут быть слишком низкими, чтобы поддерживать рост введенных штаммов или интродуцированные микроорганизмы могут игнорировать целевой загрязнитель, если присутствуют другие субстраты (Pritchard, 1992; Kaksonen et al., 2006). В некоторых случаях инокуляция микроорганизмов для очистки почвы от углеводородов нефти только дополнительно увеличивает стоимость биоремедиации и не дает никакой выгоды (J0rgensen et al., 2000). Поэтому активно разрабатываются технологии биоремедиации, основанные на стимулировании аборигенной микробиоты загрязненной почвы, способной разлагать загрязняющие вещества (Градова, 2007; Boopathy, 2000; Scherr et al., 2007). Данные технологии ремедиации предполагают необходимость создания оптимальных условий для микробного разложения углеводородов: создание аэробных условий, обеспечение доступными питательными веществами, определенной влажности почвы, рН, температуры и др. (Boopathy, 2000; Wang, Bartha, 1990).
Для улучшения естественной способности почвенных микроорганизмов расщеплять углеводороды нефти, были предложены и проверены многие методы: рыхление, орошение;
известкование или гипсование; внесение удобрений, поверхностно-активных веществ, ферментов или косубстратов; добавление сорбентов; внесение структурообразователей; фитомелиоративные мероприятия и др. (Подавалов, 2010). Все эти процедуры активируют естественные биологические, химические и физические процессы трансформации и удаления органических загрязнителей, протекающие в почве (Marin et al., 2005), однако закономерности этих процессов до конца не выяснены (Руденко 2012 б).
Образующиеся ежегодно отходы сельскохозяйственных производств и предприятий пищевой промышленности представляют собой мощные запасы органических веществ и энергии на планете (Nigam et al., 2003; Касаткина и др., 2008). Однако в настоящее время большинство отходов, в частности, пивоваренной промышленности, используется в меньшей степени в качестве корма для животных и в большей степени выбрасывается на свалки (Russ et al., 2006; Utilization ..., 2007; Mussatto et al., 2006 а). Учитывая, что стоимость утилизации отходов пивоварения увеличивается, а их применение на корм скоту постепенно уменьшается, поиск альтернативных путей снижения количества отходов, улучшения коммерческого использования и недорогих способов утилизации - одна из актуальных практических задач (Руденко 2012 a; Russ et al., 2006; Jay et al., 2008; Xiros et al., 2008).
Цель работы: теоретическое и экспериментальное выявление роли органических компонентов отходов пивоваренной промышленности в процессах биоремедиации нефтезагрязненных почв и разработка технологии их восстановления.
Задачи исследования:
1. Изучить влияние органических компонентов отходов пивоварения на физико-
химические характеристики и состояние биоценоза незагрязненной и нефтезагрязненной
черноземной почвы.
2. Исследовать влияние органических компонентов отходов пивоваренной
промышленности на процесс биологической трансформации углеводородов в почве.
3. Изучить роль аборигенной микробиоты черноземной почвы в процессах окисления
углеводородов нефти.
4. Выявить особенности воздействия органических компонентов отходов пивоварения
на структуру микробного сообщества нефтезагрязненной почвы.
5. Исследовать воздействия нефтяного загрязнение среднего, высокого и очень
высокого уровней на физико-химические свойства и биологическую активность чернозема
оподзоленного.
6. Разработать технологию биоремедиации нефтезагрязненной почвы с использованием
органических компонентов отходов пивоваренной промышленности.
Научная новизна. Установлены позитивные изменения физико-химических
характеристик (увеличение общей влагоемкости и массовой доли органического вещества),
увеличение плотности популяций, изменение состава микробиоценоза и соотношения
различных физиологических групп аборигенных микроорганизмов, увеличение активности
окислительно-восстановительных (пероксидазы, полифенолоксидазы, каталазы) и
гидролитических (Р-фруктофуранозидазы (инвертазы), фосфатазы, липазы)
ферментов незагрязненной черноземной почвы при добавлении органических компонентов в составе отходов пивоварения - пивной дробины и отработанного кизельгура.
Экспериментально в лабораторных и полевых условиях показано, что указанные отходы пивоваренной промышленности улучшают физико-химические характеристики нефтезагрязненной черноземной почвы, стимулируют ферментативную активность нефтеокисляющих микроорганизмов, повышают скорость снижения содержания углеводородов, отработанный кизельгур и смесь отходов пивоваренного производства снижают степень ингибирующего воздействия нефтезагрязненной почвы на проростки кресс-салата. Установлен стимулирующий эффект действия пивной дробины и отработанного кизельгура на процесс биологической трансформации полициклических и ненасыщенных углеводородов.
Выявлено, что среди аборигенных микроорганизмов чернозема оподзоленного среднесуглинистого имеется большое разнообразие родов, способных окислять углеводороды нефти. При внесении в загрязненную почву органических компонентов в составе отходов пивоварения увеличивается общее количество микроорганизмов различных физиологических групп. При этом в микробиоценозе нефтезагрязненной черноземной почвы на 1-3 порядка повышается численность углеводородокисляющих микроорганизмов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Органические компоненты отходов пивоваренной промышленности улучшают
физико-химические характеристики и состояние биоценоза как незагрязненной, так и
нефтезагрязненной черноземной почвы.
2. Воздействие органических компонентов отходов пивоварения стимулирует процессы
биологической трансформации углеводородов в почве.
3. В черноземной почве присутствуют микроорганизмы, способные окислять
углеводороды нефти.
4. Под воздействием органических компонентов отходов пивоварения происходит
изменение структуры микробного сообщества нефтезагрязненной почвы
-
Различный уровень нефтяного загрязнения определяет различные изменения физико-химических свойств и биологической активности чернозема оподзоленного.
-
Разработана технология биоремедиации нефтезагрязненных почв с использованием органических компонентов отходов пивоваренной промышленности.
Теоретическое и практическое значение работы. Проведенные исследования расширяют преставления о механизме воздействия органических компонентов отходов пивоварения на процесс биоремедиации нефтезагрязненных почв. Материалы, изложенные в диссертации, сформулированные научные положения и выводы, вносят существенный вклад в развитие теоретических основ экологической биотехнологии и практическое решение проблем биоремедиации почв, загрязненных углеводородами.
Предложен способ биоремедиации нефтезагрязненных почв (патент РФ № 2491138), отличающаяся тем, что при очистке почв от углеводородов в качестве природного высокопористого адсорбента-мелиоранта алюмосиликатной природы и медленно высвобождающегося органического удобрения предложено использовать отходы пивоваренного производства - отработанный кизельгур, образующийся при фильтрации пива, и пивную дробину, образующуюся при фильтрации затора. Разработан способ анализа редуцирующих веществ (патент РФ № 2457483), позволяющий усовершенствовать
колориметрический метод определения Р-фруктофуранозидазной (инвертазной) активности почв.
Реализация результатов исследования. Разработанная технология биоремедиации нефтезагрязненной почвы с применением органических компонентов отходов пивоваренной промышленности используется для очистки почв, расположенных на территории г.о. Новокуйбышевск на площадке обезвреживания грунтов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, ООО «НЛП «Экотон», загрязненных при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов, происходящих в результате производственной деятельности ОАО «Куйбышевский нефтеперерабатывающий завод», ОАО «Новокуйбышевский нефтеперерабатывающий завод», ОАО «Новокуйбышевский завод масел и присадок», ОАО «Самаранефтегаз».
Результаты исследований используются при чтении курсов лекций по дисциплинам «Экологическая биотехнология», «Экологическая безопасность при биохимической переработке растительного сырья», «Биотехнологические основы переработки растительных отходов» и «Микробиология» в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет». Способ анализа редуцирующих веществ применяется при выполнении научно-исследовательских работ на кафедре «Технологии пищевых производств и парфюмерно-косметических продуктов» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на научно-практических конференциях различного уровня: Международной конференции "Окружающая среда для нас и будущих поколений" (Самара, 2007); Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2009, 2010); Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы» (Улан-Удэ, 2011); Международной научно-практической конференции «Проблемы современной биологии» (Москва, 2011); Международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГТГУ» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Экологические аспекты регионального развития» (Ярославль, 2011); Всероссийском научно-практическом форуме «Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания» (Саратов, 2012); Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в производстве, науке и образовании» (Грозный, 2012); конференции в рамках ежегодного Международного форума «Экология большого города» (Санкт-Петербург, 2012, 2013) и других.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 92 научные работы, в том числе 2 монографии, учебное пособие, 2 лабораторных практикума, 29 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ (№ 2457483, № 2491138).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 352 страницах, состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы, включающего 432 источника, из них 297 - на иностранных языках, и 17 приложений. Работа содержит 66 таблиц и 138 рисунков.
Воздействие нефти на физические и химические свойства почвы
При поступлении на земную поверхность нефть оказывается в качественно новых условиях существования. Из анаэробных условий с замедленными геохимическими процессами она попадает в хорошо аэрируемую среду [96], где претерпевает различные физические и химические изменения. Компоненты нефти могут перегруппировываться под действием диффузии и капиллярных сил, путем насыщения, гидрирования или растворения в воде почвенных пор [225]. Сырая нефть может транспортироваться и преобразовываться путем испарения, адсорбции и отстаивания (в заболоченных почвах) [229].
Под влиянием различных атмосферных воздействий и химических преобразований различные углеводородные фракции нефти и нефтепродуктов могут превращаться в асфальтены [321]. При этом нефть и ее производные приобретают битумную структуру, которая трудно поддается разложению [ПО, 420]. Асфальтены и полициклические ароматические углеводороды с высокой молекулярной массой имеют тенденцию накапливаться в почве. Эти вещества из-за отсутствия на молекулах полярных групп являются чрезвычайно гидрофобными [288]. Они могут абсорбироваться органическим веществом, улавливаться микропорами и формировать устойчивые соединения с почвой [214], что способствует их низкому биологическому разложению [325].
В результате загрязнения нефтью возникает внутрипочвенная неоднородность в распределении загрязняющих веществ. Почвы, представляющие собой гетерогенные системы, способствуют расслоению нефтяного потока на различные компоненты по плотности, вязкости, активности взаимодействия с почвенной массой и т.д. Более тяжелые и вязкие асфальтово-смолистые компоненты нефти задерживаются в верхних почвенных горизонтах. В нижних слоях почвенного профиля количество и молекулярная масса нефтяных компонентов уменьшается. Основным механизмом проникновения нефти в более глубокие горизонты почвы является ее гравитационное стекание по каналам миграции (например, трещинам и корневым ходам). При этом происходит диффузия нефти в межтрещинную массу почвы [117]. Качество загрязненной почвы на длительный период времени в значительной степени определяет образование в ней не экстрагируемых или связанных остатков чужеродных веществ. Компоненты сырой нефти соединяются с органическим веществом почвы и/или диффундируют в нанопоры [223, 225]. Для не экстрагируемых остатков ксенобиотиков в почве, возможно: включение в слоистую структуру глинистых материалов; не ковалентное включение в пустоты гуминовых макромолекул; включение в пустоты гуминовых макромолекул, происходящие при участии водородных связей, ван-дер-ваальсовых сил; взаимодействием с переносом заряда; ковалентное включение за счет связей с мономерами и встраиванием в гуминовую макромолекулу [41].
За длительный период пребывания в почве связанные остатки химических веществ антропогенного происхождения в процессе микробиологического разложения и превращения гуминовых материалов могут снова освобождаться в небольших количествах и тем самым становиться биологически активными по отношению к экосистеме почвы [127]. Свободные и малоподвижные связанные формы нефти и нефтепродуктов выделяют летучие фракции в атмосферу, а растворимые соединения - в водную фазу почвы [141]. Со временем этот процесс полностью не прекращается, так как микробиологические процессы трансформации углеводородов приводят частично к образованию летучих и водорастворимых продуктов их метаболизма [42]. До тех пор пока эти химические соединения не минерализуются или каким-либо образом не войдут в круговорот углерода, они являются посторонними для окружающей среды веществами [127].
Пропитывание почвенной массы нефтью и нефтепродуктами приводит к интенсивной трансформации почвенно-геохимических процессов, происходит засоление, гудронизация, цементация и т. д. [42, 73, ПО, 118]. Процессам геохимического преобразования почв сопутствуют механические нарушения почвенного покрова. Полной саморегуляции геохимических нарушений не происходит, поэтому наблюдается замещение исходных почв устойчивыми техно-генно-обусловленными модификациями [118]. Попадая в почву, нефть существенно изменяет ее физические характеристики. При загрязнении нефтью снижается доля агрономически ценных фракций почвы. В загрязненных нефтью почвах слоистость и микрочастицы отсутствуют, а почвенные агрегаты имеют овальную форму и гладкие края [9]. Механические элементы и структурные агрегаты почвы покрываются нефтяной пленкой, которая вызывает слипание частиц между собой, препятствует поступлению подвижных форм микроэлементов и питательных веществ к корням растений [96, 124] и приводит к ухудшению снабжения почвы кислородом. Пористость нефтезагрязненной почвы снижается пропорционально содержанию в ней нефти [136]. При старении и частичном окислении компонентов нефть загустевает и почвенный слой превращается в асфальтоподобную массу, которая совершенно непригодна для произрастания растений [96].
Нефть обладает ярко выраженными гидрофобными свойствами, которые передаются почвенным частицам [66, 96]. Гидрофобная сырая нефть прерывает вертикальные гидравлические связи, поэтому почва становится практически водонепроницаемой. Это свидетельствует об уменьшении способности нефте-загрязненных почв поглощать влагу как из атмосферы, так и из глубоких слоев почвы [4, 47, 112, 113,306].
Нефтяное загрязнение препятствует нормальному тепло- и газообмену почв [225], что приводит к частичному или полному нарушению их аэрации [47, 117, 233] и развитию анаэробных процессов [66].
Результатом изменений, происходящих при нефтяном загрязнении почв, может быть снижение и полная утрата почвенного плодородия [66].
Загрязнение почв нефтью сопровождается значительными изменениями их химических свойств. Пропитывание почвы нефтью и нефтепродуктами приводит к изменениям содержания и состава гумуса, снижению его термодинамической устойчивости. При этом нарастает гуматность органического вещества, т.е. в составе гумуса увеличивается доля гумусовых веществ, прочно связанных с минеральной частью почвы, что не связанно с образованием собственно гумусовых веществ почвы [3, 102]. В почвенном профиле увеличивается подвижность гумусовых компонентов и ряда микроэлементов [42].
В почвах, загрязненных нефтью, окислительно-восстановительные процессы изменяются в сторону восстановительных [113], что приводит к изменениям в характере миграции и концентрации в почвах ряда элементов [233]. В результате нефтяного загрязнения в почве значительно увеличивается содержание водорастворимых элементов (К, Са, С1) и количество микроэлементов (В, Mo, РЬ, Си, Ва и др.) [4, 73]. При этом снижается растворимость большинства микроэлементов, увеличивается содержание органического углерода и резко возрастает соотношение между углеродом и азотом, а также уменьшается содержание доступных микроорганизмам и растениям питательных веществ: нитратного азота, подвижного фосфора и обменного калия [1, 60, 66, 96, 113, 114, 124, 134, 241]. Присутствие нефти снижает растворимость микроэлементов за счет образования гидрофобной оболочки, т.е. фактически переводит их подвижную форму в малодоступную для растений. Возрастание содержания органического углерода приводит к нарушению соотношения между углеродом и азотом почвы, что является одной из основных причин снижения плодородия почв [124]. Изменение агрохимических свойств нефтезагрязненных почв на первых этапах загрязнения может быть обусловлено временной иммобилизацией основных элементов минерального питания в биомассе углеводородокис-ляющих микроорганизмов [66].
Факторы, ограничивающие биоремедиацию
Добавление различных доз смеси пивной дробины и отработанного кизельгура по истечению 0,5-месячного периода опытов в 1,08-1,64 раза увеличивает фосфатазную активность чернозема оподзоленного (рисунок 26). На протяжении всего периода исследований активность фосфатазы всех изученных образцов почвы постепенно увеличивается и по окончанию опытов в 1,28-1,76 раза превышает контрольное значение.
Липазная активность чернозема оподзоленного, содержащего различные дозы смеси пивоваренных отходов, по истечению 0,5-месячного периода исследований превышает контрольные значения в 1,58-3,07 раза (рисунок 27). В течение экспериментов активность липазы всех опытных образцов и нативной почвы постепенно уменьшается. По завершению исследований липазная активность чернозема оподзоленного, содержащего смесь пивной дробины и отработанного кизельгура, в 1,37-2,71 раза больше, чем в контрольной почве.
В целом, результаты проведенных лабораторных исследований выявили, что органические компоненты отходов пивоваренной промышленности изменяют физико-химические показатели и стимулируют биологическую активность чернозема оподзоленного. Внесение отходов пивоварения увеличивает общую влагоемкость и массовую долю органического вещества, снижает рН почвенного раствора, при этом отмечается тенденция к повышению суммы поглощенных оснований черноземной почвы.
Органические вещества в составе отходов пивоварения активизируют развитие всех изученных физиологических групп микроорганизмов чернозема оподзоленного, в том числе на два порядка повышают общее количество угле-водородокисляющих микроорганизмов. Органические компоненты отходов пивоваренной промышленности увеличивают активность как окислительно-восстановительных, так и гидролитических ферментов черноземной почвы. Стимуляция биологической активности объясняется влиянием органических компонентов отходов пивоварения на жизнедеятельность аборигенных микроорганизмов почвы путем обогащения почвы разнообразными химическими соединениями и обеспечения микроорганизмов поверхностями для роста.
В микрополевом эксперименте установлено, что добавление пивной дробины повышает ферментативную активность почвы. Внесение в чернозем оподзоленный пивной дробины по истечению первого месяца исследований увеличивает ее каталазную активность в 1,21-1,35 раза (рисунок 28). На протяжении всего последующего эксперимента активность каталазы почвы постепенно снижается и по окончанию исследований становится сопоставима с контрольными значениями.
При добавлении пивной дробины по истечению 0,5-месячного периода исследований активность инвертазы почвы в слое 0-5 см увеличивается в 1,17-1,34 раза. На протяжении всего эксперимента активность инвертазы почвы, содержащей пивную дробину, в 0-5 см слое выше, чем в 5-20 см слое. В течение первого месяца исследований активность почвенной инвертазы возрастает. Динамика изменений инвертазной активности черноземной почвы при общей тенденции к снижению сохраняет преимущество опытного варианта с превышением к окончанию эксперимента контрольных значений в 1,45-1,72 раза.
Чернозем оподзоленный, содержащий пивную дробину, на протяжении всего эксперимента увеличивает ингибирование проростков кресс-салата по сравнению с контрольной почвой, без добавления пивной дробины (рисунок 30). Ингибирование возрастает в течение первых двух месяцев исследований. В конце второго месяца экспериментов она составляет 37,26-38,74 %, а в последующем - уменьшается. По завершению исследований отмечено слабое (18,50 ± 0,56 %) ингибирование проростков кресс-салата почвой, содержащей пивную дробину. менте
При внесении отработанного кизельгура наблюдается тенденция к увеличению активности каталазы чернозема оподзоленного (рисунок 31). Активность почвенной инвертазы по истечению 0,5-месячного периода исследований увеличивается в 2,46-3,66 раза (рисунок 32). В течение всего эксперимента активность Р-фруктофуранозидазы почвы снижается и к концу исследований она превышает контрольные показатели в 1,36-1,41 раза.
Влияние органических компонентов отходов пивоваренной промышленности на физико-химические и биологические свойства почвы
Добавление различных доз отработанного кизельгура по завершению исследований увеличивает степень удаления углеводородов из почвы, при среднем уровне загрязнения нефтью в 1,06-1,17 раза (рисунок 103), при высоком уровне загрязнения - в 1,06-1,21 раза (рисунок 104), при очень высоком - в 1,06-1,27 раза (рисунок 105).
Внесение различных доз смеси пивной дробины и отработанного кизельгура к концу опытов увеличивает степень деструкции нефти в черноземной почве при среднем уровне загрязнения нефтью в 1,04-1,14 раза (рисунок 106), при высоком уровне загрязнения - в 1,06-1,18 раза (рисунок 107), при очень высоком - в 1,04-1,23 раза (рисунок 108).
Данные множественного регрессионного анализа результатов лабораторных исследований с пошаговым включением независимых переменных свидетельствуют о наличии статистически значимой взаимосвязи степени удаления углеводородов с массовыми долями внесенных нефти и смеси отходов пивоваренной промышленности, а также продолжительностью опытов (таблица 64).
Выявлена обратно пропорциональная зависимость между степенью удаления углеводородов и массовой долей нефти, внесенной в почву. Между степенью деструкции углеводородов и продолжительностью исследований, а также массовыми долями внесенных смеси отходов пивоваренной промышленности наблюдается прямо пропорциональная зависимость.
В результате комплексных лабораторных исследований установлено, что внесение органических компонентов отходов пивоваренной промышленности положительно воздействует на физико-химические характеристики нефтезагрязненной черноземной почвы. При этом отмечается наиболее существенное увеличение общей влагоемкости почвы. Изменения физико-химических показателей загрязненной нефтью почвы зависят от дозы добавленных органических компонентов отходов пивоварения.
Органические компоненты отходов пивоваренной промышленности повышают ферментативную активность нефтезагрязненной черноземной почвы, а также стимулируют развитие различных групп почвенных микроорганизмов и изменяют структуру микробного сообщества нефтезагрязненной почвы. Применение органических компонентов отходов пивоварения ускоряет удаление углеводородов из загрязненной почвы.
Оценка влияния различных показателей на степень разложения углеводородов при биоремедиации нефтезагрязненной почвы с применением органических компонентов отходов пивоваренной промышленности в лабораторных условиях проведена с использованием анализа многомерных данных методом проекций на латентные структуры (ПЛС). Оценка общей остаточной дисперсии (рисунок 109) показала, что анализ достаточно проводить по двум главным компонентам, так как эти главные компоненты объясняют 50% исходных данных.
О точности построенной модели можно судить по коэффициенту корреляции, который составляет 82,95 %, что говорит о высокой зависимости (рисунок ПО), следовательно, построенная модель может считаться «рабочей».
На графике счетов (рисунок 111) условно можно выделить 3 группы объектов. Разделение происходит под влиянием таких переменных как численность актиномицетов (а), активность инвертазы (il), содержание органического вещества (ОМС), с одной стороны, и переменными рН водной вытяжки (pHW), рН солевой вытяжки (pHS), влагоемкость (WC), активность фосфатазы (pho), время проведения эксперимента (Т) и сумма поглощенных оснований (SAB), с другой стороны.
И, наоборот, для третьей группы характерны высокие значения показателей: рН водной вытяжки (pHW), рН солевой вытяжки (pHS), влагоемкость (WC), активность фосфатазы (pho), время проведения эксперимента (Т) и сумма поглощенных оснований (SAB) и низкие значения показателей: численность актиномицетов (а), активность инвертазы (il), содержание органического вещества (ОМС). Вторая группа занимает промежуточное положение и характеризуется средними по величине показателями: численность актиномицетов (а), активность инвертазы (il), содержание органического вещества (ОМС), рН водной вытяжки (pHW), рН солевой вытяжки (pHS), влагоемкость (WC), активность фосфатазы (pho), время проведения эксперимента (Т) и сумма поглощенных оснований (SAB).
Рассматривая каждую группу, отдельно следует заметить, что расположение объектов по первой главной компоненте происходит под влиянием таких переменных как численность автохтонных (ас) микроорганизмов и активность полифенолоксидазы (рро). Получается, что в группах объекты, расположенные слева, характеризуются более высокими значениями показателя численности автохтонных (ас) микроорганизмов, а справа - с высокими значениями показателя активности полифенолоксидазы (рро).
На графике нагрузок (рисунок 112) видно, что по первой главной компоненте между показателями степени разложения нефти (oddl), содержания пивной дробины (BGC), численности грибов (f) и углеводородокисляющих (ho) микроорганизмов, активности ферментов пероксидазы (р), полифенолоксидазы (рро), фосфатазы (pho) и липазы (1), влагоемкости (WC), рН водной вытяжки (pHW), рН солевой вытяжки (pHS), суммы поглощенных оснований (SAB) и времени проведения эксперимента (Т), существует прямая зависимость. По отношению к показателям исходного содержания нефти (ООС) и численности автохтонных (ас) микроорганизмов перечисленные выше параметры проявляют обратную зависимость
Влияние органических веществ отходов пивоварения на эффективность биоремедиации нефтезагрязненной почвы в лабораторных условиях
Являются источниками микроорганизмов. Большинство органических удобрений имеют высокое микробное разнообразие (намного выше, чем в самой плодородной почве). Увеличивая микробную плотность, можно ускорить удаление загрязнителей, т.к. микроорганизмы осуществляют разложение органических загрязняющих веществ в почве [294].
Улучшают качество почвы. Внесение органических удобрений обеспечивает их сцепление с загрязнителем подобно тому, что происходит в гумусе. Это минимизирует выщелачивающую активность загрязнителя, но, в то же самое время, снижает его биоаккумулирование и увеличивает устойчивость в системе почвы [252].
Внесение питательных веществ, особенно in situ, не всегда стимулирует метаболическую активность аборигенных микроорганизмов и удаление углеводородов из загрязненных почв [268]. Это может происходить в силу разных причин:
Особенности климатических условий и метаболических способностей местной микробиоты. В низкотемпературных областях Земли не высокие скорости биологического разложения углеводородов in situ наиболее вероятно являются результатом ограниченного биоаккумулирования и олиготрофной природы местных микроорганизмов [268, 365].
Использование не адекватных доз питательных веществ. Количество применяемых удобрений зависит от типа загрязненной почвы и климатических характеристик района, где произошло загрязнение [105]. Чтобы гарантировать подвижность питательных веществ, почву часто переудобряют [325]. Однако избыточное внесение питательных веществ ставит под угрозу весь процесс биологической очистки [183, 200]. Несоответствующее соотношение загрязненной почвы и добавленных питательных веществ может замедлить или инги 257 бировать микробную активность и, следовательно, снизить ремедиационный эффект [294, 365].
Поскольку добавление сырой нефти увеличивает содержание углерода почвы, добавление азота и фосфора необходимо, чтобы создать питательный баланс, благоприятный для разлагающейся микробиоты [319]. Во многих исследованиях показано, что добавление неорганического азота и фосфора (III) приводит к более высокой эффективности разложения углеводородов [169, 198, 208, 232]. При биологической очистке традиционно рассчитывают индекс, позволяющий определить количество N и Р, которые нужно добавить, чтобы достигнуть оптимального соотношения C:N:P [152, 258, 363]. В литературе указывается, что отношение С нефти к N и Р удобрений, оптимальное для усиления удаления углеводородов из загрязненных почв, составляет 100:10:1 [168, 300], хотя также была показана эффективность других соотношений [176, 220, 343, 412]. В практических целях редко бывает необходимо добавить N и Р до того количества, к которому призывает это теоретическое отношение [333], потому что питательные вещества рециркулируют в ходе очистки за счет жизнедеятельности микроорганизмов [260]. Результаты некоторых исследований дают основания полагать, что избыток удобрений угнетает бактериальный рост и уменьшает ассимиляцию углеводородов [175, 333, 345, 363]. Некоторые эксперименты показали ингибирование или сокращение разложения углеводородов и микробной активности при добавлении азота между 300 и 4000 мг/кг почвы [200, 285]. Влияние высокой концентрации азота было приписано увеличению осмотического давления, вызванного высокими уровнями растворимых солей [409]. Другие авторы объяснили токсическое действие аммония и нитрата накоплением нитрита и оксидов азота из-за процесса денитрификации, вызванного бактериями Nitrobacter и Nitrosomona, который происходит в кислой среде при ограничении доступа кислорода [333].
При выборе доз удобрений, вносимых в почву для проведения процесса биологической ремедиации, нужно учитывать вероятность различных ответов разнообразных бактериальных популяций в одних и тех же условиях окру 258 жающей среды. Так, в исследовании D.A. Wardle [415] торможение роста микроорганизмов происходило при концентрациях азота и форфора, часто наблюдаемых в плодородных почвах, которые ускоряли рост микроорганизмов в процессах биологической очистки у других авторов [283]. Отсутствие стимулирующего влияния азота и фосфора на деятельность автохтонной микробиоты свежезагрязненных почв болота также описано в работе J.A. Nyman [299].
Наличие легко разлагаемых субстратов, конкурирующих с нефтяными углеводородами. Если очищаемая среда содержит простые химические вещества (лактат, этиловый спирт, ацетат и т.д.), которые являются потенциальными источниками углерода и энергии, микроорганизмы в качестве питательных веществ предпочитают использовать эти более легко доступные соединения вместо трудно разлагаемых углеводородов нефти [425].
Токсическое действие продуктов метаболизма загрязняющих веществ или применяемых удобрений. Некоторые из химических соединений, входящих в состав нефти (особенно полициклические ароматические углеводороды), и промежуточные побочные продукты их окисления могут оказывать дополнительное токсическое действие на активное микробное сообщество [319]. После биологического разложения с применением органических удобрений отдельные продукты окисления углеводородов нефти, например, ацетонафтенон и гидро-ксипиренон [262], а также антрахинон [326] имеют остаточную токсичность. Это, возможно, происходит из-за угнетения микробной активности вследствие дисбаланса между углеродом в составе нефти и присутствующими в почве питательными веществами, ограничения доступности питательных веществ и вероятно также кислорода [326].