Статья: Оценка эффективности биоремедиации нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы Республики Калмыкия (модельный эксперимент)

Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского Южного федерального университета

Оценка эффективности биоремедиации нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы республики калмыкия (модельный эксперимент)

Т.В. Минникова, А.С. Русева, С.Ю. Ревина, С.И. Колесников, В.Г. Гайворонский

Россия, г. Ростов-на-Дону

Аннотция

Бурые полупустынные почвы Республики Калмыкия подвержены высокому уровню загрязнения нефтью. Чтобы оценить экологическое состояние почв, необходимо проанализировать не только остаточное содержание нефти, но биологические показатели почв. Цель данной работы - оценить эффективность биоремедиации нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы Республики с помощью физико-химических и биологических показателей. В нефтезагрязненную почву (5% от массы почвы) вносили биочар, нитроаммофос, гумат натрия и «Байкал ЭМ-1». Для оценки эффективности ремедиации бурой полупустынной почвы по истечении 30 суток исследовали остаточное содержание нефти, активность каталазы и дегидрогеназ, численность бактерий, длину корней и всхожесть редиса. Установлено, что внесение биочара и «Байкал ЭМ-1» снижает остаточное содержание нефти в бурой полупустынной почве. Биочар и нитроаммофос влияют на содержание легкорастворимых солей, а «Байкал ЭМ-1» - на окислительно-восстановительный потенциал. Гумат натрия вызывает стимуляцию активности каталазы (г = -0.48), длины побегов (г = -0.54), корней (г = -0.54), а также всхожести редиса (г = -0.64). Нитроаммофос стимулирует численность бактерий (г = -0.56), активность каталазы (г = -0.63) и дегидрогеназ (г = -0.84), но угнетает длину побегов и корней редиса (Raphanus sativus L.). Внесение «Байкал ЭМ-1» стимулирует численность почвенных бактерий (г = -0.83), активность дегидрогеназ (г = -0.89) и угнетает длину корней, побегов и всхожесть. Результаты исследования целесообразно использовать при биомониторинге и диагностике состояния нефтезагрязненных бурых полупустынных почв Республики Калмыкия.

Ключевые слова: почва, ремедиация, экологическое состояние, биоиндикация.

Почвы на территории Республики Калмыкия находятся в зоне контакта аридных и семиаридных ландшафтов: черноземы, каштановые, бурые полупустынные, солончаки и другие (Ташнинова Л.Н., Ташнинова А.А., 2010). Аридные почвы занимают значительную площадь на территории Юга Европейской части России и в мире в целом - до 30%. Кроме того, они значительно подвержены воздействию глобальных антропогенных процессов, таких как опустынивание, аридизация и химическое загрязнение (Залибеков и др., 2022; Юферев и др., 2022; Бананова, Лазарева, 2014; Новикова и др., 2020; Дауд и др., 2019, 2021). Почвы Республики подвержены высокому уровню загрязнения нефтью. Это обусловлено тем, что на территории числится 41 месторождение углеводородного сырья, в т.ч. 19 нефтяных, 11 газовых, 6 нефтегазовых и 5 нефтегазоконденсатных (Стратегия ..., 2019; Цомбуева, 2013; Цомбуева и др., 2013; Павлова и др., 2015). В этом регионе расположены уникальные почвы для Юга России, подверженные нефтяному загрязнению. По данным А.Н. Пархоменко (2018), биологическая активность почв, отобранных на территории нефтебазы № 5 ООО «ЛУКОЙЛ-НВНП», относится к высокоопасной категории. Установлено, что наибольшая устойчивость биохимических показателей по сравнению с микробиологическими характерна для образцов почвы, максимально приближенных к источнику загрязнения.

Среди наиболее распространенных почв Калмыкии выделяют бурые полупустынные почвы, занимающие около 27.5% почвенного покрова Республики (Перекрестов, 2019). Почвы в регионе подвержены загрязнению нефтью и нефтепродуктами вследствие работы нефтепромыслов и ее транспортировки. Ранее было изучено загрязнение аридных почв Астраханской области и Республики Калмыкия тяжелыми металлами и нефтепродуктами (Дауд и др., 2019, 2021; Колесников и др., 2019; Daoud et al., 2020). На основании данных модельного эксперимента была рассчитана региональная ПДК нефти для бурых полупустынных почв - 0.24%. Однако данных о состоянии бурых полупустынных почв после нефтяного загрязнения и биоремедиации представлено недостаточно (Булуктаев, 2020; Булуктаев, Сангаджиева, 2015; Булуктаев и др., 2017).

Цель нашей работы - оценить эффективности биоремедиации нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы Республики Калмыкия

Объекты и методы

Почва. Образцы бурой полупустынной почвы (Eutric Cambisols (Loamic, Protocalcic)) или бурые аридные почвы, согласно «Классификации и диагностике почв России» (2004), были отобраны в Наримановском районе п. Дрофиный (Калмыкия) из верхнего слоя почвы (0-10 см; World Reference Base for Soil Resources, 2022). Почву после отбора и транспортировки тщательно просушивали до воздушно-сухого состояния, очищали от камней, корней и побегов растений и других инородных включений. Характеристика основных свойств бурой полупустынной почвы: содержание органического вещества - 1%, гранулометрический состав - средний суглинок.

Нефть. Для моделирования загрязнения использовали нефть, предоставленную

Новошахтинским нефтеперерабатывающим заводом (г. Новошахтинск). Для загрязнения почв в модельном эксперименте использовали нефть с плотностью - 0.861 кг/м3, содержанием серы - 1.34%, массовой долей воды - 0.27%, концентрацией хлористых солей - 73 мг/дм3, массовой долей механических примесей - 0.006%, массовой долей парафина - 4.46%. В каждый сосуд с предварительно увлажненной почвой вносили нефть в расчете 5% от массы почвы.

Ремедианты. Для восстановления экологического состояния нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы в нее вносили 4 ремедианта различной природы и механизмов действия: биочар - как адсорбент и биостимулятор (ООО «ДианАгро», г. Новосибирск, Новосибирская область, Россия), нитроаммофос - как источник азота для выравнивания соотношения C : N (ОАО «Минудобрения», Россошь, Воронежская область, Россия), гумат натрия - как биостимулятор аборигенной биоты (НВП «Башинком», г. Уфа, Республика Башкортостан), «Байкал ЭМ-1» - как источник различных микроорганизмов-нефтедеструкторов, т.к. это микробиологический препарат, содержащий различные микроорганизмы, такие как бактерии, гибридные дрожжи и грибы (ООО «Научно-Производственное Объединение ЭМ-ЦЕНТР», г. Улан-Удэ, Республика Бурятия, Россия).

Микробиологический препарат «Байкал ЭМ-1» содержит штаммы бактерий Paenibacillus pabuli1, Azotobacter vinelandii2, Lactobacillus casei3, Clostridium limosum4, Cronobacter sakazakii5, Rhodotorulla mucilaginosa6. Cryptococcus spp., гибридные дрожжи Saccharomyces sp., Candida lipolitica7, Candida norvegensis8, Candida guilliermondii9 и грибы родов Aspergillus, Penicillium, Actinomycetales Это микроорганизмы-нефтедеструкторы, которые способствуют разложению нефти и восстановлению экологических функций почвы после нефтяного загрязнения (Чачина, Чачина, 2018). Все ремедианты вносили в 3 дозах: Д - рекомендуемая производителями или рекомендуемая на основе ранее проведенных исследований, Д0.5 - половина от рекомендуемой дозы, Д2 - удвоенная рекомендуемая доза.

Латинские названия бактерии приводятся по работе С. Ash с соавторами (1993).

Латинские названия бактерии приводятся по работе N. Menhart с соавторами (1991).

Латинские названия бактерии приводятся по работе A. Felten с соавторами (1999).

Латинские названия бактерии приводятся по работе K.J. Ryan с соавторами (2003).

Латинские названия бактерии приводятся по работе J.J. Farmer с соавторами (1980).

Латинские названия бактерии приводятся по работе F. Wirth с соавторами (2012).

Латинские названия бактерии приводятся по работе C.P. Kurtzman с соавторами (2011).

Латинские названия бактерии приводятся по работе P. Sandven с соавторами (1997).

Латинские названия бактерии приводятся по работе Н.Б. Градовой с соавторами (1971).

Модельный эксперимент. Образцы подготовленной почвы помещали в вегетационные сосуды и увлажняли до 25-30% от массы почвы. Перед загрязнением нефтью почву увлажняли водой (для вариантов с биочаром и нитроаммофосом) или раствором гумата натрия и «Байкал ЭМ-1» (для вариантов с растворами ремедиантов). В увлажненную почву вносили нефть 5% от массы почвы и тщательно перемешивали. В загрязненную почву вносили ремедианты и тщательно перемешивали гумат натрия и «Байкал ЭМ-1» - в форме растворов, а биочар и нитроаммофос - в форме сухих порошков.

Методы. Для оценки степени восстановления экологического состояния нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы после ремедиации исследовали физические, физико-химические и биологические показатели (табл. 1).

В результате выполнения биологических показателей был рассчитан интегральный показатель биологического состояния бурой полупустынной почвы или ИПБС (Kolesnikov et al., 2013, 2019).

Статистическая обработка полученных данных была проведена с использованием программного пакета Statistica 12.0. Статистика (средние значения, дисперсия) была определена, а надежность различных образцов была установлена с использованием дисперсионного анализа (Student's t-test).

Таблица 1. Методы исследования физических и биологических свойств почвы после ремедиации.

Результаты и обсуждение

Остаточное содержание нефти. По истечении 30 суток эксперимента содержание нефти снизилось после внесения биочара и «Байкал ЭМ-1» на 12-17 и 7-18% соответственно по сравнению с нефтезагрязненным фоном (рис. 1). Остальные вещества (нитроаммофос и гумат натрия) не оказывали достоверного отличного от нефтезагрязненного фона отличия по содержанию нефти.

Такие свойства нитроаммофоса, как ремедианта, обусловлены неправильно рассчитанной дозой азота для данного типа почв. Поскольку бурые полупустынные почвы имеют более легкий гранулометрический состав и реакцию среды (рН), чем черноземы, необходимо применять индивидуальный подход при санации таких почв азотными удобрениями. Ранее для чернозема обыкновенного применение мочевины снижало содержание нефти (Minnikova et al., 2019). Внесение гумата натрия в чернозем обыкновенный и бурую лесную почву (Республика Адыгея) снижает содержание нефти (Минникова и др., 2019; Minnikova et al., 2022).

Физико-химические показатели почвы. Нефть оказывает непосредственное воздействие на физико-химическое состояние почвы. Оценку состояния проводили по изменению реакции почвенной среды (рН), окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и содержанию легкорастворимых солей (табл. 2).

Биочар, гумат натрия и «Байкал ЭМ-1» не влияют на реакцию среды. В то время как повышение дозы нитроаммофоса приводит к подкислению почвы до 6.5 рН. Окислительно-восстановительный потенциал нефтезагрязненной почвы при добавлении биочара, гумата натрия и нитроаммофоса недостоверно снижается относительно нефтезагрязненного фона. При добавлении «Байкал ЭМ-1» установлена стимуляция ОВП на 5%. Содержание легкорастворимых солей при добавлении биочара увеличивается на 24-34%, нитроаммофоса - в 2.5-6.8 раз. При внесении гумата натрия и «Байкал ЭМ- 1» содержание легкорастворимых солей снизилось на 15-32 и 20-30% относительно фона соответственно.

Рис. 1. Изменение остаточного содержания нефти в нефтезагрязенной бурой полупустынной почве после внесения биочара, нитроаммофоса, гумата натрия и «Байкал ЭМ-1», % от содержания нефти без ремедиантов. Условные обозначения: Н - почва, загрязненная нефтью.

Примечания к таблице 2: Н - почва, загрязненная нефтью; ОВП - окислительно-восстановительный потенциал, мВ; Слс - содержание легкорастворимых солей, ppm.

Численность почвенных бактерий. Общая численность при добавлении биочара и нитроаммофоса изменялась незначительно по сравнению с нефтезагрязненным фоном (рис. 2).

Добавление гумата натрия уже при дозе Д0.5 простимулировало численность бактерий на 85% с повышением до 159% (Д2) относительно фона. При внесении «Байкал ЭМ-1» численность бактерий была простимулирована на 186-240% относительно контроля.

Таблица 2. Физико-химические свойства бурой полупустынной почвы после ремедиации.