Экологическая оценка эффективности очистки нефтезагрязненных почв биопрепаратом «псевдомин» в условиях различных режимов увлажнения (стр. 1 )

На правах рукописи

АЛОНГЕ ОЛАТУНБОСУН ОЛАВОЙЕ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ БИОПРЕПАРАТОМ «ПСЕВДОМИН» В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ УВЛАЖНЕНИЯ

03.02.08 – экология (биология)

03.02.03 – микробиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва - 2013

Работа выполнена на кафедре экологии и кафедре микробиологии и иммунобиологии Российского государственного аграрного университета – МСХА имени .

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

кандидат биологических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

кафедры земельных ресурсов и оценка почв

МГУ имени

доктор биологических наук, профессор

ведущий научный сотрудник ИФХиБПП РАН

Ведущая организация: Почвенный институт имени

РАСХН

Защита состоится 24 апреля 2013 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете – МСХА имени

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ – МСХА имени .

Автореферат разослан « » марта 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Введение

Актуальность темы. Характерные для последних лет локально идущая (в крупных холдингах) интенсификация сельского хозяйства и активное освоение прилегающих к большим городам сельских территорий, с одной стороны, и все еще сохраняющееся преобладание очень старой сельскохозяйственной техники в небольших хозяйствах, с другой стороны, приводят к постепенному увеличению площади загрязненных нефте-продуктами сельскохозяйственных земель Центрального региона России (Колесников и др., 2007; Рахимова и др., 2009; Черногоров и др., 2012).

Это актуализирует задачи разработки экологически безопасных и экономически эффективных технологий очистки нефтезагрязненных земель с использованием современных биопрепаратов, ускоряющих процессы биоре-медиации, разложения углеводородов нефтепродуктов, восстановления плодородия и экологических сервисов агроландшафтов (Логинов, 2000; Mohan et al., 2006; Handi et al., 2007; Карасева и др., 2009; Loick et al., 2009; Керимов, Васенев, 2010).

Цель нашей работы состоит в проведении комплексных экологических исследований состояния загрязненных типичными нефтепродуктами дерново-подзолистых почв и выщелоченных черноземов Центрального региона России, с экологической оценкой эффективности их очистки биопрепаратом Псевдомин в условиях различных режимов увлажнения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1.  Исследовать влияние трех уровней увлажнения почв (полная влагоемкость (ПВ); 0,6 ПВ; 0,3 ПВ) на скорость разложения двух вариантов нефтепродуктов (дизельное топливо и трансмиссионное масло) в верхних горизонтах лесных дерново-подзолистых почв, характерных для Централь-ного региона России, в процессе их биоремедиации с использованием биопрепарата Псевдомин.

2.  Дать сравнительную оценку экологической эффективности действия биопрепарата Псевдомин при очистке загрязненных дизельным топливом, гумусово-аккумулятивных и элювиальных горизонтов дерново-подзолистых почв.

3.  Провести анализ влияния разных режимов увлажнения на экологическое состояние и биологическую активность загрязненных дизельным топливом верхних горизонтов дерново-подзолистых почв, характерных для Центрального региона России, в процессе их биоремедиации с использованием биопрепарата Псевдомин.

4.  Провести анализ влияния разных режимов увлажнения на экологическое состояние и биологическую активность загрязненных дизельным топливом верхних горизонтов выщелоченных черноземов, характерных для Центрального Черноземного региона России, в процессе их биоремедиации с использованием биопрепарата Псевдомин.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований показано, что биопрепарат Псевдомин способен стимулировать естественную микрофлору гумусово-аккумулятивных и пахотных горизонтов незагрязненных и, особенно, нефтезагрязненных лесных и окультуренных дерново-подзолистых почв. Важным фактором, влияющим на приживаемость интродуцированной популяции бактерий рода Pseudomonas (штамм РГАУ-МСХА имени ), являются условия увлажнения почвы. Установлено, что наилучшая приживаемость бактерий, внесенных с биопрепаратом, отмечается при уровне влажности около 60 % ПВ. В оптимальных условиях увлажнения применение биопрепарата увеличивает скорость разложения дизельного топлива и трансмиссионного масла в лесных и окультуренных дерново-подзолистых почвах и выщелоченных черноземах, в среднем, до 2 раз.

Практическая значимость работы. Установленные в рамках проведенного исследования региональные закономерности функционального влияния уровня увлажнения на скорость разложения исследуемых нефтепродуктов (дизельное топливо и трансмиссионное масло) позволили выявить рабочий диапазон изменения оптимальных условии увлажнения в (0,6-0,5)ПВ. Это необходимо учитывать при планировании мероприятий по биоремедиации загрязненных этими нефтепродуктами верхних горизонтов зональных почв, характерных для Центрального региона России (от дерново-подзолистых почв до выщелоченных черноземов). Наряду с этим, полученные навыки и знания в области экологии, биоремедиации и выделения из нефтезагрязненных почв штаммов бактерий-деструкторов углеводородов нефти помогут выделить из нигерийских почв перспективные штаммы микроорганизмов-деструкторов нефти и разработать технологию приготовления нового биопрепарата, адаптированного к условиям региона.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждались на Экологическом форуме (Москва, 2010), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА (Москва, 2011), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2012» (МГУ, 2012), заседаниях кафедр экологии, микробиологии и иммунологии РГАУ-МСХА.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 работ, в том числе 1 - в профильном журнале по списку ВАК.

Структура и объем работы: диссертация изложена на 120 страницах, содержит 25 таблицу и 15 рисунков, состоит из введения, пяти глав (включающих обзор литературы, описания объектов и методов исследований, анализ и обсуждение результатов исследований), выводов, списка использованной литературы (223 источников, из которых 88 – на английском языке) и приложений.

Благодарность. Я выражаю самую глубокую признательность правительствам Нигерии и России за предоставленную мне возможность учиться и совершенствовать свои знания в России. Я благодарен моим научным руководителям профессору и доценту за постоянную помощь и ценные советы во время выполнения работы. Благодарю всех сотрудников лаборатории микробиологии и, особенно, за помощь при проведении лабораторных анализов. Также спасибо моим друзьям, которые помогли мне в выполнении различных этапов моей работы.

Глава 1. Экологические основы биоремедиации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами

Наиболее перспективной технологией очистки почв загрязнённых нефтью и нефтепродуктами считается внесение в почву адаптированных к ней комплексов микроорганизмов, отличающихся повышенной способнос-тью к биоразложении основных углеводородных компонентов нефти и продуктов ее переработки (Atlas et al., 1992; Margesin, 2000; Vidali, 2001; Назарько, 2004; Tyagi et al., 2010).

Для разложения нефти, в основном используются углеводородоки-сляющие бактерии родов Pseudomonas, Acinetobacter, Arthrobacter, Azotobacter, Bacillus, Rhodococcus, Micobacterium; дрожжи родов Candida, Fusarium; нитевидные актиномицеты рода Streptomyces; грибы, относящихся к родам Aspergillus и Penicillium (Bossert, Bartha, 1984; Brown-Lewis, 1987; Chaillana et al., 2004; Могилевская, 2005; Wang et al., 2011). На их основе в России разработано около 40 биопрепаратов, примером которых являются: Биоприн, Деворойл, Деградойлас Инипол, Нафтокс, Ремедиаст, Фаерзайм (Кузнецов и др., 2010).

Эффективность и безопасность биоремедиации напрямую зависит от соблюдения и выполнения всех технологических тонкостей процесса внесения микроорганизмов в нефтезагрязненные среды; рода и вида вносимых микроорганизмов; типа нефтяного загрязнения и масштаба; учета климатических условий и факторов окружающей среды; содержания в загрязненных экосистемах элементов минерального питания, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов; физико-химических показателей почв, таких как гранулометрический состав, рН среды, и, особенно, влажность почвы.

Разработанный на кафедре микробиологии РГАУ-МСХА имени биопрепарат Псевдоним создан на основе штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов рода Pseudomonas putida, выделенных из дерново-подзолистой почвы, длительное время подверга-вшейся загрязнению нефтепродуктами АЗС. Согласно предыдущим исследованиям (Станкевич, 2002; Емцев, 2012), Псевдоним обладает выраженным пролонгированным деградационным последействием на нефтепродукты, остающиеся в почве после механической и/или физико-химической очистки. Он успешно прошел испытания в условиях южнотаежной зоны европейской части России и ряда нефтеносных районов Сибири. Однако пока еще недостаточно изучена эффективность действия этого биопрепарата на различные варианты нефтезагрязненных окультуре-нных и природных почв, характерных для Центрального региона России, в условиях различных режимов увлажнения, что определяет актуальность нашего исследования.

Глава 2. Объекты и методы исследований

Основными объектами исследования послужили представительные варианты окультуренных и лесных дерново-подзолистых почв и выщелоче-нного чернозема, характерных для Центрального региона России.

Для решения поставленных задач была поставлена несколько серий экспериментов (рис. 2.1), в которых изучалась эффективность действия биопрепарата Псевдомин на очистку нефтезагрязненных почв в лаборатор-ных условиях:

·  Эксперимент 1. Для изучения эффективности действия биопрепарата в условиях 3 режимов увлажнения использовали смешанный образец верхних гумусово-аккумулятивного (А1) и переходного (А1А2) горизонтов слабо-дерново-глубокоподзолистой поверхностно-оглеенной легко-суглинистой почвы, отобранный на 4-ом ключевом участке экологического мониторинга Лесной Опытной Дачи (ЛОД) РГАУ-МСХА (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Краткая характеристика исследуемых образцов дерново-подзолистых почв ЛОД в эксперименте № 1 (Буринова, 2011)

Рельеф и (координаты) в месте отбора	Горизонты	Глубина	Сорг,%	рНН2О	рНKCЛ	Нг, мг-экв/100г почвы
Средняя часть пологого слабовогнутого склона повышенной длины ЮЗ экспозиции (N55° 48' 59.5ʺ E037° 32' 59.4ʺ)	А1 + А1А2	0-28	1,26	4,09	3,61	11,90

·  Эксперимент 2. Для сравнительной оценки эффективности действия биопрепарата на разные горизонты дерново-подзолистых почв использовали смешанные образцы гумусово-аккумулятивного и переходного горизонтов (А1+А1А2) и элювиального горизонта (А2), среднедерново-глубокоподзолистой легкосуглинистой почвы, отобранные на 3-м ключевом участке экологического мониторинга Лесной Опытной Дачи (ЛОД) РГАУ-МСХА (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Краткая характеристика исследуемых горизонтов дерново-подзолистых почв ЛОД в эксперименте № 2 (Буринова, 2011)

Рельеф и (координаты) в месте отбора	Горизонты	Глубина	Сорг,%	рНН2О	рНKCЛ	Нг, мг-экв/100г почвы
Водораздельная часть мореного холма (N55° 49' 11.8ʺ E037° 33' 08.6ʺ)	А1 + А1А2	0-30	1,91	4,21	3,81	12,80
А2	30-44	0,31	4,32	4,93	8,50

·  Эксперимент 3. Для изучения влияния разных режимов увлажнения на биологическую активность нефтезагрязненных почв под действием бактерий рода Pseudomonas, использовали смешанные образцы пахотного горизонта из двух типов зональных почв: дерново-подзолистая окультуренная легко-суглинистая почва (Опыт Точного Земледелия РГАУ-МСХА) и чернозем выщелоченный среднесуглинистый (Учхоз имени Калинина, Тамбовская область). Образцы были отобраны из пахотного горизонта (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Краткая характеристика образцов смешанных верхних горизонтов исследуемых почв в эксперименте № 3

Почва	Горизо-нты	Глуби-на	Сорг,%	рНKCЛ	Нг, мг-экв/100г почвы	Р2О5 мг/кг почвы	К2О мг/кг почвы
Окультуренная легкосуглинистая дерново-подзолистая	Апах	0-24	2,4	4,8	3,7	173,0	107,0
Выщелоченный среднесуглинистый чернозем	Апах	0-28	6,8	-	3,9	153,0	194,0

В качестве загрязнителя в лабораторных опытах использовали дизельное топливо (эксперимент 1, 2 и 3) и трансмиссионное масло (экспери-мент 1), так как они чаше всего применяются в сельском хозяйстве. Краткая характеристика используемых нефтепродуктов приведена в табл. 2.4.

Табл. 2.4. Краткая характеристика используемых в эксперименте нефтепродуктов

Вид используемого нефтепродукта	Плотность, кг/м³	Температура вспышки, °C.	Температура застывания
Дизельное топливо	840	40	−35
Трансмиссионное масло	950	185	−18

В работе использовались чистые культуры впервые выделенных из нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы штаммов микроорганизмов-деструкторов нефти, отнесенных к роду Pseudomonas – Ps. putida st. 91 – 96 (кафедра микробиологии и иммунобиологии РГАУ-МСХА имени ). Инокуляция микроорганизмов-деструкторов нефти в почву проводилась внесением водной суспензии штаммов Рseudomonas putida.

Рис. 2.1. Блок-схема экспериментов

Влажность почвы при проведении эксперимента поддерживалась на 3-х (1-й эксперимент) или 2-х (3-й эксперимент) разных уровнях (см. рис. 1). В исследуемых почвах полная влагоёмкость (ПВ) соответствует 43,5%, 0,6ПВ – 26% и 0,3ПВ – 13%. Влажность поддерживали путем ежедневного полива, контролируя весовым методом.

Методы исследования. В процессе проведения экспериментов определяли в динамике следующие параметры:

1.  Остаточное содержание углеводородов нефти в почве методом ИК-спектрометрии, на приборе «Флюорат-02» (ПНДФ 16.1:2.2.22-98).

2.  Биологическая активность почвы оценивалась по показателям дыхания почвы, при измерении на газовом хроматографе «Хроматэк Кристалл 5000.2» (Ананьева, 2003). Численность и разнообразие почвенных микроорганизмов определяли методом микробиологического посева (Зенова, 2002; Нетрусов, 2005).

3.  Фитотоксичность почв методом биотестирования на проростки овса и кресс-салата (Берестецкий, 1971; Федеральный реестр МВИ, 2006).

Исследования проводились в годах в лабораториях агроэкологического мониторинга и микробиологии РГАУ-МСХА имени . Статистическая обработка результатов выполнена в программе «Statistic 8.0».

Глава 3. Влияние различных уровней увлажнения на скорость разложения нефтепродуктов в исследуемых лесных дерново-подзолистых почвах

Проведенные исследования по влиянию 3 уровней увлажнения на скорость разложения дизельного топлива в исследуемой почве показали что, через 12 недель эксперимента наблюдается резкое снижение содержания дизельного топлива, скорость которого существенно изменяется по вариан-там эксперимента: в 12-14 раз – в варианте (1,0-0,9)ПВ; в 60-70 раз – в варианте (0,6-0,5)ПВ; 13-14 раз в варианте (0,3-0,2)ПВ (относительно 1-ой недели эксперимента табл. 3.1). Это доказывает факт влияния различных уровней увлажнения на скорость разложения дизтоплива в исследуемых дерново-подзолистых почвах.

Наилучший результат наблюдается в вариантах с (0,6-0,5)ПВ влажнос-ти (3 и 4 варианты), что можно объяснить наблюдаемым в этом диапазоне влажности оптимальным соотношением жидкий и газообразный фаз почвы, оптимальным для минерализации органического вещества с отношением жидкий и газообразной фаз почв.

В вариантах с ПВ низкие значения остаточного содержания нефте-продуктов наблюдаются уже после 1 недели эксперимента. По все видимости это связано с регулярно повторяющимся фракционированием дизтоплива на поверхность полностью увлажненного образца с ее последующим испаре-нием.

Ускоренное испарение легких (летучих) фракций углеводородов нефти (75 % в дизтопливе) в начальном этапе эксперимента уже отмечалась ранее (Киреева, Халимов и др., 1996; Станкевич, 2002;)

Проведенные исследования показали существенные различие в скорости разложения дизельного топлива между вариантами с инокуляцией Pseudomonas и без нее: ускорение разложения, в результате инокуляции в 1-1,25 раз.

Таблица 3.1. Анализ скорость разложения дизельного топлива в смешанных образцах верхних гумусово-аккумулятивного (А1) и переходного (А1А2) горизонтов дерново-подзолистой почвы

Влажность, %	Варианты опыта	Фоновое содержание нефтепроду-ктов, мг/г	Количество внесенных нефтепроду-ктов, мг/г	Остаток нефтепродуктов, мг/г (по неделям)
1	2	3	4	8	12
(1,0-0,9) ПВ	1	Загрязненная почва	0,01	15,0	1,86	1,59	1,23	0,85	0,32	0,13
2	Загрязненная почва+ Pseudomonas	1,38	0,91	0,77	0,42	0,13	0,11
(0,6-0,5) ПВ	3	Загрязненная почва	0,01	15,0	9,08	7,44	6,09	5,10	0,68	0,15
4	Загрязненная почва+ Pseudomonas	8,68	7,08	5,49	4,80	0,59	0,12
(0,3-0,2) ПВ	5	Загрязненная почва	0,01	15,0	9,37	8,27	6,40	5,35	1,36	0,70
6	Загрязненная почва+ Pseudomonas	9,13	7,87	6,21	5,07	1,13	0,64
ОДК	4мг/г

НСР05 - 0,03