Биоремедиация in situ нефтезагрязненных почв на территории Полазненского месторождения

Введение                                         время. Она характеризуется высокой опасностью как с

Нефтегазодобывающая отрасль промышленности – позиции землеемкости, так и с позиций проникновения одна из наиболее экологически опасных в настоящее

в окружающую среду загрязняющих соединений, а также высокой пожаро- и взрывоопасностью объектов.

В России разработка нефтяных и газонефтяных месторождений ведется более чем в 30 регионах [3, 22].

Рис. 1. Объемы добычи нефти в десяти регионах-лидерах в 2019 г.

По данным на 2019 г. 82,6% от всей нефтедобычи в стране приходится на долю десяти регионов (рис. 1 / fig. 1).

Fig. 1. Oil production volumes in the TOP-10 regions in 2019

Известно, что нефтяное загрязнение приводит к уменьшению продуктивности земель, загрязнению поверхностных и подземных вод и деградации ландшафтов, таким образом оказывая комплексное воздействие на окружающую среду. В случаях нарушения эксплуа- тации скважин происходят разливы нефти, нефтепродуктов и соленых пластовых вод. К основным загрязняющими веществами, образующимися в процессе нефтедобычи и нефтепереработки, относятся углеводороды (48 %) и CO2 (44 %) [23, 26]. Наиболее токсич- ными компонентами нефти являются полициклические ароматические углеводороды (1-4% от объема нефти). Встречающийся в составе некоторых нефтей бензапирен обладает мутагенной и канцерогенной активностью и относится к I классу опасности.

Разлив нефти по поверхности почвы приводит к первоначальному загрязнению верхнего органоминерального слоя почвы, но в результате проникновения углеводородов внутрь почвенного слоя, загрязнение может со временем обнаруживаться на глубине до 140160 см [10]. Основными препятствиями для просачивания нефти на нижние горизонты почвы являются барьеры-экраны, к которым относятся глеевые горизонты и тяжелые грунты. Однако, в этом случае происходит распространение нефти и нефтепродуктов в горизонтальном направлении, что приводит к расширению зоны загрязнения. Также барьером, предотвращающим проникновение нефти в почву, является вода. Хорошими абсорбентами выступают травяные растения и мхи. Тяжелые фракции нефти обычно сорбируются в верхнем слое почвы, тогда как легкие фракции способны к испарению или подвергаются биологическому, или химическому разложению [25]. Нефть, обладая выраженными гидрофобными свойствами, попадая в почву, сильно изменяет ее физические характеристики, а именно снижает проницаемость для кислорода и воды. Происходит это в следствии склеивания структурных частиц почвы, а также покрытия их углеводородной пленкой, что приводит к нарушению процессов активного переноса полезных соединений с током воды. Концентрации минеральных элементов, в частности азота, спустя некоторое время после разлива нефтесодержащей жидкости, снижаются. Также отмечается рост содержания аммиачного азота и снижение (до незначительных количеств) нитратного азота в почве, которые обусловлены нарушением водного режима и аэрации. В естественных условиях, особенно при низких температурах, компоненты нефти длительное время остаются без изменений [1]. Таким образом, привнесение нефти и нефтепродуктов в почву может привести к нарушению ряда ее свойств: морфологических, физических, физико-химических и микробиологических [13, 15, 27, 28].

Наиболее частые причины разливов нефти: нарушения при добыче, хранении, транспортировке, при переработке и нарушения технологий эксплуатации. Еще одна значимая причина – коррозия и неудовлетворительное качество строительно-монтажных работ, которые ведут к износу оборудования и, далее, к разливам нефти. Единичные случай разливов, связаны с заводским браком и ошибками эксплуатации.

Нормативно-правовые документы, действующие в РФ, требуют проведения локализации и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов в самые короткие сроки. Аналогичное требование характерно и для сроков проведения рекультивация загрязненных участков до допустимого уровня остаточного содержания углеводородов в окружающей среде. Все участки, утратившие продуктивность полностью или частично, подлежат восстановлению. Конечной целью восстановления, рекультивации следует считать экологически устойчивый ландшафт с полноценным потенциалом экосистемных услуг (рис. 2 / fig. 2) [16-18, 24].

Рекультивация нарушенных земель осуществляется в несколько этапов. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 59070-2020 [6] в рекультивации земель, нарушенных промышленной деятельностью, выделяют три этапа:

• 1)    подготовительный;

• 2)    технический;

• 3)    биологический.

Продолжительность технического и биологического этапов условно называют рекультивационным периодом, который может длиться до нескольких десятилетий, в зависимости от уровня нарушенности территории и ее целевого использования. Таким образом, суммарная продолжительность основных этапов обусловлена сроком, необходимым для полного восстановления всех природных компонентов.

Подготовительный этап состоит в изучении степени нарушенности земель. Также необходимо определить вероятное или предпочтительное направление использования нарушенных земель в дальнейшем процессе природопользования. Часто проект рекультивации затрагивает интересы сразу нескольких отраслей народного хозяйства. Основные задачи подготовительного этапа [4]:

• -    определение основных свойств плодородного слоя и его ценности;

• -    расчет затрат (и их экономической рентабельности) на сохранение или использование плодородного слоя;

• -    выбор направления рекультивации отдельных объектов и нарушаемых земель в целом на рассматриваемой территории на основании определения хозяйственной целесообразности и экономической эффективности;

• -    разработка комплексных рекомендаций по выбору технологий механизированной обработки (технологический этап);

• -    выбор технологии и комплексной механизации основного производства, удовлетворяющих требованиям последующей рекультивации нарушенных земель;

• -    разработка технологии биологической рекультивации нарушенных земель;

• -    определение условий последующей эксплуатации рекультивированных земель при выбранном виде использования;

• -    определение отраслевой, общей и сравнительной эффективности капитальных вложений и эксплуатационных расходов [4].

Необходимым условием рекультивации следует считать проведение изыскательских и научно-исследовательских работ, подготовку полноценной проектной документации.

Техническая рекультивация (Технический этап) - этап рекультивации земель, обусловливающий их подготовку для последующего целевого использования в народном хозяйстве [5].

Технический этап включает в себя планировку, формирование откосов, снятие, транспортирование и нанесение почв и плодородных пород на рекультивируемые земли, при необходимости коренную мелиорацию, строительство дорог и специальных гидротехнических сооружений [4].

Рис. 2. Ландшафт естественного леса и пастбища: а) до разработки колодезной площадки (2006 г.), б) во время эксплуатации колодезной площадки (2012 г.), в) после «восстановления» колодезной площадки под пастбище (2016 г.) [31]

Fig. 2. Landscape of natural forest and pasture: a) before the development of the well site (2006), b) during the operation of the well site (2012), c) after the “restoration” of the well site for pasture (2016) [32]

Основные работы, выполняемые во время технического этапа (полный перечень зависит от последующего целевого использования восстанавливаемых земель):

• -    грубая и чистовая планировка поверхности отвалов, засыпка нагорных, водоподводящих, водоотводных каналов; выполаживание или террасирование откосов; засыпка и планировка шахтных провалов;

• -    освобождение рекультивируемой поверхности от крупногабаритных обломков пород, производственных конструкций и строительного мусора с последующим их захоронением или организованным складированием;

• -    строительство подъездных путей к рекультивированным участкам, устройство въездов и дорог на них с

учетом прохода сельскохозяйственной, лесохозяйственной и другой техники;

• -    устройство, при необходимости, дренажной, водоотводящей оросительной сети и строительство других гидротехнических сооружений;

• -    устройство дна и бортов карьеров, оформление остаточных траншей, укрепление откосов;

• -    ликвидация или использование плотин, дамб, насыпей, засыпка техногенных озер и протоков, благоустройство русел рек;

• -    создание и улучшение структуры рекультивационного слоя, мелиорация токсичных пород и загрязненных почв, если невозможна их засыпка слоем потенциально плодородных пород;

• -    создание, при необходимости, экранирующего слоя;

• -    покрытие поверхности потенциально плодородными и (или) плодородными слоями почвы;

• -    противоэрозионная организация территории [4].

Биологическая рекультивация (Биологический этап) – этап рекультивации земель, в процессе которого осуществляется комплекс мероприятий (фитоме-лиоративных и агротехнических) по восстановлению плодородия нарушенных земель [6].

Обязательным элементом данного этапа является анализ вероятного последующего использования земель, и, в соответствии с результатами данного анализа, учет требований, предъявляемым к особенностям

Таблица 1

Длительность биологического этапа в зависимости от используемых технологий [5]

рекультивации земель для того или иного типа пользования.

Обязательной стадией, в случае подготовки земель к сельскохозяйственному или лесохозяйственному использованию, является мелиоративная подготовка. Данная стадия включает в себя комплекс агротехнических и гидромелиоративных мероприятий, нацеленных на повышение урожайности сельскохозяйственных и лесных культур в результате повышения плодородия нарушенных почв [4, 5].

Продолжительность биологического этапа рекультивации может быть различна – от 1 года до 10 лет. Конкретная длительность зависит от многих причин: разновидность нарушенных земель; планируемый тип землепользования в будущем; специфика технологического этапа рекультивации; свойства наносимого плодородного слоя; свойства подстилающих горных пород; планируемый к выращиванию состав сельскохозяйственных культур.

Продолжительность биологического этапа рекультивации может быть заметно сокращена при наличии двух условий: нанесение значительного слоя плодородной почвы, а также наличие пород со сбалансированными физико-химическими свойствами в корнеобитаемом слое. Наоборот, к увеличению срока биоло- гического этапа рекультивации ведет недостаточное применение плодородного слоя (табл. 1 / tabl. 1) [5].

Table 1

Duration of the biological stage depending on the technologies [5]

Почва, используемая как верхний слой // Soil used as top layer	Толщина наносимого слоя, см // Thickness of the applied layer, cm	Тип пользования территории // Type of use of the territory	Длительность биологического этапа, лет // Duration of the biological stage, years
Плодородная  почва  // Fertile soil	30-35	Пашня // Arable land	4-6
Плодородная  почва  // Fertile soil	10-20	Кормовые угодья // Feeding grounds	5-6
Лесовидные / покровные суглинки (потенциальноплодородная порода) // Forest-like / cover loams (potentially fertile rock)	10-20	–	6-8

Одними из способов биологической рекультивации являются биостимуляция и фиторемедиация. Так в статье Ayotamuno с коллегами показано, что на контрольном участке почвы через 9 недель эксперимента концентрация нефти снизилась на 9,8%, на участке подверженном биостимуляции – на 97,5%, на участке фиторемедиации – 78,3%, а на участке с сочетанием биостимуляции и фиторемедиации – 98,4% [31]. Полученные данные свидетельствуют об успешном применении биостимуляционных и фиторемедиационных технологий для восстановления нефтезагрязненной территории [8, 9, 11, 12, 19, 29]. При этом, использованные биотехнологии существенно снижают экономические затраты на восстановление нарушенных земель.

Биологическая рекультивация нарушенных земель должна не только повышать плодородие почв, но и обеспечивать восстановление исходных биогеоценозов, способных воспроизводить все виды ресурсов. Для этого разработано значительное количество биопрепаратов, направленных на биодеструкцию нефти и продуктов ее переработки, загрязняющих природные среды в результате утечек, проливов, разного масштаба экологических катастроф.

По мнению большинства отечественных и зарубежных специалистов, наиболее полное восстановление может быть достигнуто обработкой почвы биопрепаратом на основе активных штаммов углеводородокис-ляющих микроорганизмов или посредством использования различных приёмов, направленных на стимулирование аборигенной микрофлоры почвы, которая способна усваивать нефть в качестве единственного источника углерода. Микробиологический способ биодеградации нефти и нефтепродуктов отличается неболь- шими капиталовложениями, низким энергопотреблением, отсутствием вторичных отходов и экологической безопасностью [30]. Ежегодная потребность в биопрепаратах нефтедеструкторов оценивается в 100– 1000 т.

Потенциальными потребителями биопрепаратов являются промышленные предприятия, нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность, нефтеналивные и заправочные станции ГСМ, подразделения МЧС, автотранспортные предприятия и станции технического обслуживания, предприятия по транспортировке нефти и нефтепродуктов, морские и речные порты, фирмы, специализирующиеся на продаже недвижимости и земельных участков, городские и муниципальные службы и др.

В настоящее время на рынке представлена широкая номенклатура биопрепаратов на основе моно- и смешанных культур микроорганизмов для ликвидации загрязнений нефтью и нефтепродуктами. Наиболее известными зарубежными биопрепаратами являются «Микробар» и «Парабан» (США), представляющие собой порошкообразные вещества, хорошо растворимые в воде. Они деструктируют углеводороды с длиной цепи С12 при рН 6,5-7,3; соленостью – до 1 % NaCl и температуре 10-35 ºС [30].

В России для очистки нефтезагрязненных почв применяют бактериальные препараты: «Путидойл», «Де-воройл», «Биоприн-Б», «Родотрин», «Экойл», «Универсал», «Сойлекс», «Фежел-био» и др. [7, 20]. Эти биопрепараты содержат в своем составе азотно-фос-форные удобрения, энзимы и микроорганизмы, выделенные из природных биоценозов, обладающие повышенной окислительной функцией, прошедшие адаптацию в естественных условиях [21].

Целью настоящего исследования являлось провести экспериментальное обоснование перспективности применения биоремедиационных подходов для очистки нефтезагрязненных почв in situ на территории Полазненского нефтяного месторождения.

Материалы и методика

Эксперименты in situ проводились на территории Полазненского месторождения в Добрянском районе Пермского края. Были заложены 4 варианта пробных площадок: 1) площадки без внесения бактериальных культур и семян растений, 2) площадки с внесением бактериального препарата, 3) площадки, засеянные семенами растений, 4) площадки с внесением бактериального препарата и засевом растений. Все площадки были скальпированы от растений.

В качестве бактериального агента ремедиации использовали биопрепарат «БИОРЕК-РА» ТУ 9291-01100495603-00 от 11.01.2016 г. В составе препарата присутствуют бактериальные штаммы Pseudomonas fluo-rescens ВКГ и Azotobacter chroococcum АИН. Данный препарат заявлен производителем как эффективный агент для ускоренной рекультивации и биоремедиации деградированных почвогрунтов в угольной, нефтяной, железорудной и золотодобывающей промышленности; повышения плодородия земель, создания и восстановления травяного покрова футбольных газонов, озеленения городских территорий и в качестве биоудобрения для садовых и комнатных растений. Разрешение на использование препарата в естественных условиях выдано ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Пермском крае» от 07.10.2011 г. На каждую опытную площадку вносили 3 л препарата «БИОРЕК-РА».

В качестве фитокомпонента биоремедиации использовали семена люцерны хмелевидной ( Medicago lupulina L.) , овсяницы луговой ( Festuca pratensis Huds.) , райграса пастбищного ( Lolium perenne L.) . На каждую площадку вносили по 4 г семян растений.

Отбор образцов почв проводили каждые 14 сут эксперимента согласно ГОСТ17.4.4.02-2017 Межгосударственный стандарт. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа [2]. Образцы почв анализировали на содержание нефти согласно ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 от 27.07.2005 г. «Количественный химический анализ почв. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных, органо-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектромет-рии» [14].

Для определения вероятного состава нефтяных углеводородов на исследуемой территории были взяты образцы нефти из боновых заграждений в районе нефтеловушки у д. Зуята (рис. 3 / fig. 3).

Рис. 3. Боновые заграждения

Fig. 3. Oil booms

Общее проективное покрытие на экспериментальных площадках определяли по визуальной шкале с 10 градациями: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 ,90, 100 %. Долю каждого вида высеянных растений определяли путем прямого подсчета. Длину надземной части растений определяли путем прямого замера выборочно у 20 растений на каждой площадке.

Все результаты обрабатывали статистически с использованием пакета программ MS Office и Statistica.

Результаты и их обсуждение

Эксперимент проводили в летне-осенний период в районе нефтеловушки у деревни Зуята Добрянского городского округа (рис. 4 / fig. 4).

Рис. 4. Расположение экспериментального участка

Fig. 4. Location of the experimental site

На протяжении всего исследования фиксировали состояние растительности на экспериментальных и контрольном участках. Было отмечено, что не смотря на предварительное удаление с участков аборигенной растительности, проростки появлялись на площадке 2 (внесение бактерий) спустя месяц после скальпирования экспериментальной территории (табл. 2 / tabl. 2).

Оценка проективного покрытия показала, что высев растений как в сочетании с бактериальным препаратом, так и без него, привел к активному росту вегетативной части, что было зафиксировано в результате оценки проективного покрытия (табл. 2 / tabl. 2, рис. 5 / fig. 1).

Проективное покрытие растительности в ходе эксперимента,

Таблица 2 %

Table 2

Projective vegetation cover during the experiment, %

Длительность эксперимента, сут. // Experiment’s duration of the, days	Экспериментальные площадки, № // Experimental plots, No.
	1	2	3	4
0	0	0	0	0
14	0	0	10	20
28	0	0	40	50
42	0	10	100	100
56	0	20	100	100
70	0	30	100	100

Рис. 5. Внешний вид экспериментальных площадок: а – начало эксперимента (0 сут.), б – середина эксперимента (42 сут.), в – конец эксперимента (70 сут.)

Fig. 5. External view of the experimental plots: a – the beginning of the experiment (0 days), b – the middle of the experiment (42 days), c – the end of the experiment (70 days)

Можно предположить, что внесение бактериального препарата в почву обеспечивает снижение негативной углеводородной нагрузки, благодаря чему на площадке 2 появляется растительность, а на контрольной площадке (площадка 1) проростков не было.

Измерение показателей надземной части растений ницы луговой (Festuca pratensis Huds.), райграса пастбищного (Lolium perenne L.) показал, что в первой половине эксперимента различия по высоте растений на 3 и 4 площадках практически отсутствовали, однако во второй половине эксперимента, достоверно выше были растения на 4 площадке (рис. 6 / fig. 6).