Изучение и использование ассоциаций микроорганизмов для борьбы с нефтяными разливами в почве

Существуют два принципиальных подхода к биодеградации нефтяных углеводородов почве:

1) стимуляция аборигенной нефтеокисляющей микрофло-ры путем создания оптимальных условий для ее развития (внесение азотно-фосфорных удобрений, аэрация и другие агро­технические приемы)

2) введение в загрязненную экосистему активных штаммов-деструкторов углеводородов на­ряду с добавками солей азота и фосфора.

Оба подхода активно разрабатываются фирмами разных стран. Для каждого из них существует своя область применения.

Развитие нефтеокисляющей микрофлоры в естественной среде, подвергшейся нефтяному заг­рязнению, ограничивается следующими факторами: низкой температурой, недостатком био­генных элементов, кислорода, избыточной кислотностью. Для почвы чрезвычайно значимы все перечисленные факторы. Положительным качеством технологий, направленных на стимуляцию естественного процесса самоочищения, является то, что они создают благоприятные усло-вия для разрушения трудно разлагаемых углеводородов (ПАУ, циклопарафины). Эти вещества лучше разрушаются комплексом микроорганизмов, благодаря включению процессов соокисления и ко- метаболизма. Для почв, расположенных в зоне умеренного и холодного климата, где теплый период года непродолжителен, необходимо повышение численности углеводородокисляющих микроорганиз-мов путем интродукции активных форм.

Агротехнические приемы создают оптимальные условия для углеводородокисляющих микро­организмов. Так рыхление, частая вспашка, дискование стимулирует разложение нефти и нефтеп­родуктов, так как способствует улучшению аэрации почвы и усилению окислительных реакций.

Важный фактор, определяющий разложение углеводородного субстрата, — внесение биогенных элементов (N, Р, К) в виде минеральных удобрений.

Одним из агротехнических приемов эффективного воздействия на скорость разложения нефти и нефтепродуктов является поддержание почвы во влажном состоянии, что достигается путем полива.

Важную роль в разложении нефтяных соединений играет кислотность почв. С целью создания оп­тимального нейтрального значения pH, кислые почвы подвергаются известкованию.

С целью вовлечения в процесс биоразложения нефти и нефтепродуктов широкого круга микроор­ганизмов, способных к соокислению, в почву вносят различные легко усвояемые добавки (синтетичес­кие соединения F-72).

358 Часть II. Примеры применения биотехнологии ВЛВ в науке и производстік-

Для улучшения контакта микробной клетки с углеводородным субстратом, кислородом и пита­тельными веществами применяется диспергирование нефти и нефтепродуктов в почве с помощью различных поверхностно-активных веществ.

В отчете рабочей группы международной ассоциации нефтяных компаний и предприятий нефтяной промышленности «Е & Р Forum» для очистки углеводородсодержащих отходов рекомен­дуется удаление загрязненного грунта с последующей его очисткой. Для очистки используется экстракция жидкой СО₂ или органическими растворителями, а при наличии благоприятных уело вий — биохимическое разложение углеводородов почвенной микрофлорой. В качестве биохими­ческих методов предлагается устройство полей орошения, компостирование либо просто разбрасы­вание на почве нефтесодержащих отходов с последующим их самоочищением.

Самый простой из перечисленных методов заключается в разбрасывании загрязненных отходов по почве тонким слоем с последующими периодическими перепашками для перемешивания и аэрации. Разложение углеводородов происходит под воздействием естественной почвенной мик рофлоры. Для интенсификации разложения и предотвращения выщелачивания и миграции загрязнений в перемешанный с отходами грунт могут добавляться вода и вспомогательные вещее тва — удобрения, сорбенты и др. На одном участке разбрасывание осуществляется только один ра,. во избежание накопления в почве опасных концентраций трудно разлагающихся органических веществ и тяжелых металлов. Этот метод рекомендуется для удаления отработанных буровых рас творов с малым содержанием углеводородов и солей.

Устройство полей орошения отличается от предыдущего метода только тем, что на одном и том же участке разбрасывание с последующими перепашками производится многократно. В засушли вое время производится полив.

Компостирование нефтесодержащих отходов может применяться при относительно высоких концентрациях углеводородов и других биоразлагаемых веществ. Подлежащие уничтожению от ходы для увеличения пористости перемешивают с наполнителем — древесной щепой, соломой к другими веществами, после чего перемешивают с почвой, содержащей микроорганизмы. В смесь могут быть добавлены сельскохозяйственные отходы для повышения водоудерживающей способ ности, а так же минеральные удобрения и микроэлементы. Смесь укладрхвают на лотки или в под доны с сетчатым дном или просто укладывают в кучи высотой до 1 м, периодически перемешива ют и увлажняют. При использовании этого метода содержание углеводородов в компосте может быть понижено с 10 % до долей процента за 4-8 недель.

Необходимо отметить, что при использовании микробиологических методов возникают сложные проблемы взаимодействия вносимых в почву популяций с естественной микрофлорой.

Й. Лалинскас предложил биотехнологию обработки нефтезагрязненных почв, которая предус матривает вспашку загрязненного почвенного пласта и внесение в него активного ила. Эта техно логия позволила достигнуть снижение уровня нефтяного загрязнения на 87 % за 2 года обработки.

Интересная биотехнология была представлена на международной выставке «Нефтегаз — 92». Эта биотехнология успешно применена для очистки старых загрязнений почвы на нефтебазе фирмы ЭССО в городе Франкфурте и для санации почв, загрязненных нефтепродуктами на фирме «Мобио Ойл АГ» в г. Ведель. Сущность технологии состоит в том, что загрязненная почва извлека­лась с помощью режущих и дробящих шредеров, размельчалась, смешивалась с микробиологичес - ким субстратом и, если необходимо, с дополнительными питательными веществами (фосфаты и нитраты) и формировались в гряды. Просачивающаяся вода (полив и естественные осадки) по дре нажным фильтрам поступала в водосборный резервуар, из которого при необходимости вновь рас прыскивалась с помощью оросительной системы. Данный способ биологической очистки позволил в 7 раз снизить уровень загрязнения за 9 месяцев работ.

Похожий способ очистки, названный методом почвенного валования, описан Й. Лапинскасом.

Степень биодеградации нефти и нефтепродуктов контролировали химическим путем по количе ственным показателям содержания углеводородов в анализируемых образцах почв и вод. Для это го пробы, загрязненные нефтепродуктами, обрабатывали методом экстракции в аппарате Соксле та с петролейным эфиром 40-60 °С с последующим гравиметрическим анализом.

Фирма «Ноперт» разработала способы биологической деградации нефтяных загрязнений почвь и грунтовых вод при помощи специально выращенных микроорганизмов.

Предложены различные способы санации загрязненных почв в зависимости от глубины загрязнения

Для ускорения процесса биоразложения нефти в подпочве мангроф, лимитированной по кисло роду и с ограниченным содержанием биогенов, использовали олефильные удобрения.

Ускорение микробиологического процесса производят и при очистке почвы от загрязнения бел зином и дизельным топливом путем создания оптимальных значений pH, введения питательны? элементов и кислорода. За 30-35 недель загрязнения снижаются на 1-2 г/л почвы.

Контроль за деградацией общего количества нефти осуществляется с помощью газовой хрома­тографии после обработки образцов органическими растворителями (пентан, гексан). Наряду с этим применяются методы ИК-, УФ-, флюоресцентной спектрометрии, высокочувствительной жидкостной хроматографии после экстракции нефти подходящим растворителем.

Для определения скорости биодеградации нефти и нефтепродуктов используется также количе­ственный показатель продуцирования СО₂ и поглощения О₂.

Хорошие результаты по очистке дала обработка загрязненной нефтью почвы и, прежде всего, береговых зон комплексом солей азота и фосфора для стимуляции жизнедеятельности микроорга­низмов, метаболизирующих нефть. Этот способ нашел широкое применение для очистки цистерн и различных емкостей от нефтепродуктов.

В работе японских авторов разложение сырой нефти в морской воде, обогащенной солями фосфо­ра и азота, с помощью чистой культуры Caulobacter sp.

При исследовании биодеградации фракции асфальтенов сырой нефти опыты ставили в пери­одической культуре при 32 °С со смешанной культурой микроорганизмов, выделенной из повер­хностной пленки хронически загрязненной нефтью акватории. При этом было четко показано, что для разрушения этих веществ необходимо присутствие косубстратов — н-алканов С₁₅ — С₁₈ (при соотношении асфальтены / н-алканы 2:5). За 10 суток величина биодеградации асфальте­нов смешанной культурой составила 45,5 % , при этом только 25 % этого количества было асси­милировано микроорганизмами, а 75 % окислено до различных кислородсодержащих органи­ческих соединений. В структуре асфальтенов отмечено уменьшение как средней длины боковых цепей, так и доли атомов углерода, входящих в состав ароматических соединений. Авторы связывают это с разрушением поликонденсированных структур асфальтенов, что подтверждает­ся и обнаружением ароматических соединений в составе хлороформного экстракта после осаж­дения из него асфальтенов.

Для восстановления почв и почвогрунтов, загрязненных нефтепродуктами, рекомендуется применять активные культуры нефтеокисляющих бактерий в сочетании с ПАВ и аммонийными солями N и Р. В этом случае эти организмы будут интенсивно развиваться в пропитанном нефтеп­родуктами субстрате.

При необходимости быстрой ликвидации загрязнения нефтью ограниченных участков земель целесообразно применение ферментных препаратов, не содержащих живых клеток, но сохра­нивших неповрежденные фрагменты ферментных систем углеводородокисляющих микроорга­низмов, быстро разрушающие углеводороды нефти.

Предлагается использовать для очистки загрязненных нефтью почв препарат «Hydrobac», пре­дставляющий собой смесь штаммов бактерий, адаптированных к разрушению ряда химических со­единений, и описан случай его использования для очистки участка почвы в 1,6 га от разлившейся при аварии нефти. Применение указанного препарата через 2 месяца сделало загрязненную почву пригодной для посадки растений. При этом стоимость затрат на проведение этого мероприятия сос­тавляла 16000 долларов, тогда как снятие загрязненного слоя и замена его новым обошлась бы в 75 000 долларов.

Таким образом, перспективность применения комплексных биотехнологий очистки почв от нефтяных загрязнений обусловливается их большой экономичностью и экологической безопас­ностью по сравнению с использованием только физико-химических и механических методов очистки.

360 Часть И. Примеры применении биотехнологии БАВ в науке и производств*

7.