Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1 1. Нефтяное загрязнение почв и его экологические последствия 6
1.2 Способы восстановления нефтезагрязненных почв 11
1.2.1. Потенциальная способность природных экосистем к самоочищению 11
1.2.2. Характеристика способов восстановления
нефтезагрязненных почв 15
1.2.3. Биологические методы восстановления нефгезагрязненных почв 22
1.2.3.1. Микроорганизмы-деструкторы углеводородов нефти 25
1.2.3.2. Способы активизации естественного разложения углеводородов нефти в почве 26
1.3, Общая характеристика гуминовых веществ 27
1.3.1. Функции гуминовых веществ 32
1.3.2. Применение гуминовых веществ для восстановления нефтезагрязненных почв 34
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 37
2.1 Материалы и оборудование 37
2.2 Техника эксперимента 41
2.2.1 Выделение гуминовых препаратов 41
2.2.2. Анализ гуминовых препаратов 41
2.2.3. Изучение химических взаимодействий в системе нефть-песок-растворы гуминовых препаратов 42
2.2.3.1 Методика определения общего количеста экстрагируемой нефти с гравиметрическим окончанием 42
2.2.3.2 Методика определения состава экстрагируемой нефти с использованием жидкостной хроматографии 43
2.2.4. Химические методы анализа нефтезагрязненной почвы 44
2.2.4.1. Методика определения общего содержания нефти в почве 44
2.2.4.2. Методика определения фракционного состава нефти в почве гравиметрическим методом гравиметрическим методом 46
2.2.5. Методики токсикологических экспериментов 46
2.2.6. Эксперименты по биодеградации нефти ..47
2.2.6.1. Изучение влияния ГП на деградацию нефти биопрепаратом «РОДЕР» на модельной системе... 48
2.2.6.2. Изучение влияния ГП на биодеградацию нефти на реально загрязненной почве 48
2.2.6.3. Методика использования комбинированного способа применения ГП и биопрепарата Родер
при биоремедиации на натурном загрязненном участке 50
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 52
3.1. Исследование сорбцион ных и детоксицирующих свойств гуминовых препаратов в отношении нефтяных углеводородов 52
3.1.1 Выбор и характеристика гуминовых препаратов 52
3.1.2. Исследование сорбционно-детоксикационной способности гуминовых препаратов по отношению к нефтяным углеводородам 56
3.1.3. Количественная оценка детоксицирующей способности гуминовых препаратов 61
3.1.4.Изучение химических взаимодействий в системе нефть - песок - растворы гуминовых препаратов . ..63
3.2. Изучение стимулирующего действия гуминовых препаратов на дефадацию нефти биопрепаратом «Родер» в модельных систем ах. „70
3.2.1. Влияние гуминовых препаратов на общий уровень биодеградации нефти 71
3.2.2. Влияние ГП на фракционный состав нефти в процессе биодеградации „73
3.3. Изучение стимулирующего действия гуминовых препаратов на дефадацию нефти аборигенной микрофлорой и биопрепаратом «Родер» в почве ..77
3.4. Апробация способа комбинированного применения гуминового препарата и биопрепарата «Родер» при биоремедиации натурного зафязненного участка 81
ВЫВОДЫ 83
ВЫРАЖЕНИЕ ПРИЗНАТЕЛЬНОСТИ 84
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 85
ПРИЛОЖЕНИЕ 97
- Потенциальная способность природных экосистем к самоочищению
- Методика определения общего содержания нефти в почве
- Количественная оценка детоксицирующей способности гуминовых препаратов
Введение к работе
Загрязнение окружающей среды нефтяными углеводородами неизбежно в условиях деятельности современного нефтедобывающего комплекса. В связи с этим разработка новых и совершенствование существующих технологий восстановления нефтезагрязненных земель являются актуальными проблемами охраны окружающей среды.
В современных технологиях рекультивации нефтезагрязненных почв наиболее широко используются процессы сорбции и биодеградации. Одним из перспективных направлений является применение сорбентов и стимуляторов на основе природных соединений, в частности, гуминовых веществ. Гуминовые вещества составляют 50-80% органического вещества почв и твердых горючих ископаемых. Запасы гуминовых материалов огромны - это низкосортные угли, торф, сапропель, и др. Они обладают высоким сродством к гидрофобным органическим соединениям, проявляют детоксицирующие, редокс-медиаторные и адаптогенные свойства в условиях химического загрязнения. Несмотря на уникальное сочетание указанных свойств, гуминовые вещества до сих пор не нашли широкого применения в практике рекультивации. Это связано с тем, что отсутствуют систематические исследования по сорбционно-детоксикационным и биостимулирующим свойствам гуминовых веществ в условиях нефтяного загрязнения. Как следствие, отсутствуют критерии выбора гуминовых препаратов для их использования в рекультивационных технологиях.
Указанные проблемы определили постановку целей и задач настоящей работы.
Целью работы являлось исследование перспективности использования гуминовых препаратов в сорбционных и биодеградационных технологиях восстановления нефтезагрязненных почв.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить сорбционно-детоксикационные свойства ряда гуминовых препаратов по отношению к нефтяным углеводородам в условиях модельного загрязнения;
изучить химические взаимодействия в системе нефть - песок - растворы гуминовых препаратов;
5
исследовать стимулирующие свойства гуминовых препаратов
по отношению к биопрепарату в условиях модельного и реального
нефтяного загрязнения;
исследовать стимулирующие свойства гуминовых препаратов по
отношению к аборигенной микрофлоре нефтезагрязненных почв;
предложить способ применения гуминовых препаратов для
рекультивации нефтезагрязненных земель.
Потенциальная способность природных экосистем к самоочищению
Устойчивость почв как компонента природных экосистем к антропогенному воздействию связана с их способностью к самоочищению и формируется под влиянием двух составляющих. Во-первых, почва нейтрализует внешнее воздействие без разрушения токсичного агента (буферность). При этом изменяется ее химический состав вследствие накопления токсичных веществ.
Во-вторых, под действием внешних факторов происходит перераспределение техногенных нагрузок на другие природные экосистемы благодаря особенностям климата, а также разрушению токсичных веществ вследствие протекания в почве химических и биологических процессов. Обе эти составляющие оказывают сильное влияние на способность почв к самоочищению: первая — со знаком минус, вторая - со знаком плюс.
Авторами [8,9,12] для количественной оценки потенциальной способности почв к самоочищению был использован комплекс параметров, которым присваивался соответствующий бал (табл. 1.3).
Первые два параметра, указанные в табл. 1.3, характеризуют собственно почвенные свойства и отражают способность почв и грунтов к накоплению загрязняющего вещества. Поглощение органической и минеральной частями почв или грунтов загрязняющих веществ из растворов приводит к накоплению нх в твердой фазе и препятствует самоочищению почвы или грунтов. Следовательно, минимальный балл будут иметь высокогумусные почвы тяжелого гранулометрического состава с высокой емкостью катионного обмена, например черноземы и торфяные. Остальные параметры являются характеристиками факторов почвообразования и определяют скорость миграции и разложения загрязняющих веществ и, следовательно, прямо влияют на потенциальную способность почвы к самоочищению.
Оценка интенсивности биогенного круговорота (ИБК) определялась как Отношение продукции фитомассы актуального растительного покрова к запасам мортмассы и характеризует интенсивность трансформации органического вещества в биогеоценозе.
Анализ почв по указанным характеристикам позволяет дать бальную оценку по каждой из них, а в дальнейшем - суммарную оценку способности почв или грунтов к самоочищению при химическом воздействии.
В работе [9,27] для окончательного разделения почв по сравнительной способности и относительной скорости разложения в них углеводородов был применен способ ступенчатого суммирования баллов, приписываемых выбранным факторам. Если значение того или иного фактора отвечают его малой роли в самоочищение почвы или грунта, ему приписывается балл 8, при средней роли - балл 2, при большой роли - балл 3.
При анализе действия двух групп факторов их баллы складываются, а роль полученной в результате этой интеграции новой группы факторов оценивается уже по сумме баллов: если сумма меньше 4, фактору приписывается низкая роль; если равна 4 - средняя роль; если больше 4 — большая роль.
Было рассчитано, что максимальной способностью к самоочищению (более 20 баллов) обладают почвы гумидной зоны с невысоким содержанием органического вещества и легкого гранулометрического состава. Это подзолистые почвы и грунты таежно-лесной зоны, арктические, арктотундровые, таежные мерзлотные. Они характеризуются низкой буферностью по отношению к загрязняющим веществам, но обладают высокой скоростью восстановления своих свойств по окончании антропогенного воздействия.
Минимальной самоочищающей способностью (менее 11 баллов) характеризуются высокогумусные почвы и грунты с высокой емкостью катионного обмена - лугово-черноземные и черноземно-луговые, болотные, перегнойно-торфяно-глеевые, лугово-черноземовидные.
Наиболее плодородные почвы и фунты, представленные различными подтипами черноземов, по способности к самоочищению занимают промежуточное положение.
Чем выше потенциал самоочищения почв, тем интенсивнее их восстановление и тем большую нагрузку они выдерживают. От потенциала самоочищения почв зависят: организация наблюдения за состоянием почв, нормирование допустимых концентраций загрязняющих веществ, выбор технологии рекультивации загрязненных земель.
В работе [9,10 ] классифицированы почвы по потенциалу самоочищения от нефтезагрязнений. Авторами выделены следующие ареалы:
Почвы Крайнего Севера азиатской части России с самым низким потенциалом самоочищения: арктические, арктотундровые, тундровые глеевые и тундрово-болотные, болотные торфяные почвы равнинных территорий, находящиеся в зоне холодного и очень холодного тепловых режимов.
Почвы севера европейской территории России с низкой скоростью разложения углеводородов, но с умеренным и сильным их рассеянием занимают: тундровые иллювиально-подзолистые, тундровые болотные, болотные торфяные, глееподзолистые почвы и грунты на равнинах -тундровые примитивные почвы. В Средней Сибири эту группу составляют в основном таежные мерзлотные и глеево-мерзлотные почвы, а в Прибайкалье и Присаянье в эту зону входят дерново-подзолистые, дерново-карбонатные и дерново-таежные почвы.
Почвы Восточно-Европейской равнины и юга Западной Сибири с умеренной скоростью разложения углеводородов и сильным их рассеянием: песчаные почвы с промывным водным режимом (вертикальное рассеяние) и болотные — с водозастойным (латеральное рассеяние).
Почвы полупустынных районов с высокой скоростью разложения, но умеренным рассеянием углеводородов: солонцы, бурые пустынно-степные (в том числе солонцеватыми), светло-каштановые, каштановые и темно-каштановые солонцеватые почвы.
Почвы европейской части России с наиболее высоким потенциалом самоочищения от углеводородов (высокой скоростью разложения и сильным рассеянием углеводородов): боровые пески, подзолистые, серые лесные почвы, разные типы черноземов, аллювиальные почвы на равнинах, буроземы, подбуры, дерново-таежные, буро-таежные, дерново-подзолистые - в горах и предгорьях.
Выделяют три этапа процесса самоочищения почвы от нефтезагрязнения [6,10]: I этап - длится в среднем 1,5 года. Здесь преобладают физико-химические процессы, включающие проникновение нефти вглубь почвы, испарение легких фракций, вымывание, окисление атмосферным кислородом и фотохимическое разложение нефтяных углеводородов. Концентрация нефти в почве за этот период снижается на 40-50%. II этап - длится 3-4 года после окончания первого. Здесь разложение нефти происходит под воздействием почвенных углеводородокисляющих микроорганизмов, численность которых при этом увеличивается в 25 раз. Происходит разрушение метано- нафтеновых фракций, являющихся самыми токсичными компонентами нефти для растений и почвенных животных. III этап - начинается через 4,5-5 лет после разлива нефти и длится до ее полного разрушения. Этап характеризуется микробиологическим разложением остальной менее токсичной части углеводородов и смолисто-асфальтеновых компонентов, которые образуют на загрязненной поверхности сплошные жесткие корочки - так называемые киры. Фактически, уже в самом начале этапа возможно возобновление некоторых видов растений, устойчивых к повышенному содержанию нефти в грунте. Но их появлению препятствуют киры, которые не позволяют воздуху проникать в корнеобитаемый слой, вызывая своеобразное удушье растений и почвенных животных. С химической точки зрения, полностью процесс естественного разрушения нефти заканчивается не менее чем через 25 лет, однако токсические свойства нефти исчезают уже через 10-12 лет, продукты ее разложения частично включаются в почвенный гумус, частично растворяются и удаляются из почвенного профиля [11].
Методика определения общего содержания нефти в почве
Для разделения парафино-нафтеновых, моно-, би- и полициклических ароматических углеводородов и смол использовали смесь растворителей: (№ 1) изоокган, дихлорэтан, этилацетат и спирт этиловый в соотношениях по объему 8:1, 0.2:1, 0.2:1, 0.8:1 соответственно. Для определения асфапьтенов использовали смесь (№2) хлорбензола и этилового спирта в соотношении 3:1.
Перед началом анализа хроматографическую стеклянную колонку промывали спирто-бензольной смесью в соотношении 3:1, продували сжатым воздухом до исчезновения капелек растворителя, затем сушили в шкафу при 150 С в течение 20 минут. Чистую сухую колонку заполняли силикагелем небольшими порциями с легким постукиванием для уплотнения сорбента, (нижний конец колонки закрывали ватой). Уровень силикагеля был на 3-5 мм ниже резервуара для растворителей.
В колонку с силикагелем с помощью микро шприца вводили 2 мкл анализируемой пробы, растворенной в 4 мкл бензола, добавляли 2.5-3.0 мл соответствующей смеси растворителя. Постепенно без рывков, подавали на колонку сжатый воздух с условием, что вытекающий из колонки растворитель не превышает емкость цепочки, т.е. из колонки должно поступать такое количество элюента, чтобы он не стекал по цепочке, а только смывал ее.
Перед каждым внесением новой смеси растворителя снимали давление с колонки, шприцем удаляли остатки предыдущей смеси, затем вводили новую и вновь подавали на колонку сжатый воздух. После выхода из колонки последней фракции снимали давление воздуха, убирали колонку и останавливали на 1-2 минуты цепочку для полного удаления хлор-бензола.
Площадь пика вычисляли методом взвешивания. Для этого копировали хроматографическую кривую на кальку, затем вырезали площадь, соответствующую этой кривой и взвешивали на аналитических весах с точностью 0.0001 г. Результат измерения округляли до второго десятичного знака.
Сходимость хроматографического метода анализа составляет для 1-10 % содержания фракций - 0.5 %, для 10-30 % - 0.9 % и для 30-80 % содержания -1.2 %. Результаты двух параллельных определений считаются приемлемыми, если расхождение между ними не превышает для диапазона 1-10% - 1.4 %, для 10-30 % - 2.5 %, для 30-80 % - 3.4 %. Методика применяется для определения группового состава нефти с начальной температурой кипения не ниже 200 С.
Пробы почв отбирались с каждой кюветы по пяти-точечной схеме, с глубины грунта 0-2 см. Пробы тщательно смешивались в равных пропорциях. На окончательный химический анализ отбиралась из общей пробы усредненная проба грунта весом не менее 3-5 г.
В лаборатории отобранная проба грунта высушивалась при температуре 105 С, в течении двух часов.
Очень важна стандартизация метода высушивания образцов перед их экстракцией (доведение до постоянного веса), т.к. наличие остаточной влажности существенно влияет на точность расчета концентрации загрязнения.
На бумажном фильтре (примерно 4x5 см2) взвешивали в бюксе при комнатной температуре с точностью до 0.0001 г навеску воздушно-сухой песчаной почвы (около 3 г) (Ро) и выдерживали в термостате при температуре 105С в течение 1 часа. После повторного взвешивания навески почвы в тех же самых условиях (Pi) определяли суммарный вес влаги и испарившихся легкокипящих компонентов по формуле: Рш,+ лк = Р0-Рі (2-1)
Моделирование процесса показало, что состав легкокипящих компонентов практически соответствует бензиновой фракции. Удаление легкокипящих компонентов необходимо из-за их повышенной летучести. Без этой процедуры происходит существенное снижение воспроизводимости результатов.
Фильтр с обезвоженным образцом почвы сворачивали в упаковку для порошкообразных продуктов, переносили в аппарат Сокслета, добавляли 35 мл хлороформа и выдерживали 4 часа при температуре кипения (40 С).
Полноту экстракции контролировали по полному обесцвечиванию хлороформенного слоя в экстракционной камере аппарата Сокслета. Полученный экстракт переносили в предварительно взвешенный стаканчик (бюкс или пробирку для центрифугирования) и упаривали при 60 С до полного удаления хлороформа до постоянного веса (PH% ) Фильтр с навеской почвы, извлеченный из аппарата Сокслета, высушивали в термостате при 70 С в течение 45 мин. и после взвешивания
ОПредеЛЯЛИ ВЄС ПОДЛОЖКИ (Рподи) Отработка методики на модельных смесях углеводородов показала, что в процессе отдувки хлороформа происходит частичная потеря соединений, выкипающих до 250 С. Поэтому вес материала экстрагируемого хлороформом (Рюх) определяют как разность веса навески почвы после удаления влаги и легкокипящих компонентов и веса подложки: "мэх " 1 " "подл \А -}
Одновременно эта операция является контролем качества проведенной экстракции, т.к. величина Р„/пр должна отличаться от величины Р№х менее, чем на 5 %. В противном случае анализ повторяется.
Концентрации суммы нефтепродуктов Рн/пр и материала, экстрагируемого хлороформом (РмэХ) без учета легкокипящих компонентов исследуемом образце рассчитывали в пересчете на Рь а концентрации влаги и легкокипящих компонентов - в пересчете на Р0.
При общем весовом методе расчет ведется на начальную навеску для расчета содержания воды, а все остальные на подложку.
Количественная оценка детоксицирующей способности гуминовых препаратов
Приведенные выше экспериментальные данные по влиянию ГП различного происхождения на токсичность нефти, а также по собственному воздействию ГП на величину тест-отклика позволили оценить детоксицирующий эффект данных препаратов.
Для количественной оценки детоксицирующей способности ГП был введен параметр - «коэффициент детоксикации (D)», рассчитываемый как относительное уменьшение токсического эффекта нефти в присутствии ГП (ТГП+НЕФТЬ) по сравнению с токсическом эффектом нефти в отсутствие ГП (Тга): Изменение токсичности нефти в присутствии ГП может быть обусловлено как изменением концентрации нефтяных углеводородов в результате химического связывания между ГП и нефтью, так и собственным воздействием ГП на тест-объект. Поэтому составляющую токсического эффекта, обусловленную только воздействием экотоксиканта (нефть), на фоне собственного воздействия ГП (Тгп+іюфп,), рассчитывали, используя в качестве контроля тест-отклик в присутствии ГП (Rrn): 1ПТ+11ЕФТЬ D (3.2) кгп В связи с выше сказанным, коэффициент D рассчитывали через величины соответствующих тест-откликов с помощью следующего уравнения:
где Ro - тест-отклик в контрольном опыте; ЯНЕФТЬ - тест-отклик в присутствии нефти; Rrn+RiiEOTb - тест-отклик в присутствии ГП и нефти; Rnr - тест-отклик в присутствии ГП.
Такой способ расчета позволяет оценить величину детоксицирующего эффекта, вызываемого уменьшением концентрации экотоксиканта, т.е. нефти на фоне собственного воздействия ГП на тест-объект. Т.е. значение коэффициента D зависит только от связывающей способности ГП по отношению к нефти. Полученные значения детоксицирующего эффекта от количества внесенных ГП приведены на рис. 3.6.
Как видно из представленных результатов эффект детоксикации наблюдался для препаратов ИГМК и ПГ. При этом наибольшим D (43 %) при концентрации 0.1 % масс, по отношению к нефти, обладал препарат ПГ, характеризующийся наибольшим вкладом в его структуру ароматических фрагментов. Значение D для ИГМК при той же дозе внесения было ниже и составило 20 %. Для препарата ИГ, присутствие которого вызывало угнетение роста растений, детоксицирующего эффекта отмечено не было.
Для более глубокого понимания характера взаимодействий в тестированной системе: песок - нефть - растворы ГП был проведен экстракционный анализ содержания и состава нефти, переходящей в раствор ГП в процессе биотестирования. Анализ проводили для модельных систем, сходных с экспериментами по детоксикации.
Экстракционные эксперименты проводили для ПГ, ИГ, ИГМК и ИГК. В песок вносили нефть из расчета 30 г/кг и добавляли растворы ГП с концентрациями 0.02 - 10 г/л в соотношении 1:16 (песок:раствор, масс). Полученную суспензию встряхивали в течение 12 часов, декантировали раствор и экстрагировали его гексаном. Общее содержание нефти, перешедшей в водную фазу, определяли гравиметрически.
Полученные результаты по влиянию ГП на извлечение нефти в водную фазу приведены на рис 3.7.
Обращает на себя внимание сходный ход зависимости содержания нефти в водной фазе от концентрации ГП для трех препаратов из сходного источника: ИГ, ИГК и ИГМК. Для всех трех препаратов содержание нефти в водной фазе резко возрастает до концентрации ГП 1 г/л и затем резко падение при увеличении содержания ГП до 5 г/л и выше. Для препарата ПГ степень извлечения нефти достигает максимума при концентрации ПГ
5 г/л и затем лишь незначительно падает.
Похожие диссертации на Использование гуминовых препаратов для детоксикации и биодеградации нефтяного загрязнения
