Экологическая оценка буровых шламов и разработка способа их биоремедиации в условиях Западной Сибири

Зимнухова А.Е., Гаевая Е.В., Тарасова С.С. Экологическая оценка буровых шламов и разработка способа их биоремедиации в условиях Западной Сибири // Вестник Нижневартовского государственного университета. 2023. № 3(63). С. 90–100.

В условиях Западной Сибири актуальным является вопрос обращения с буровыми шламами, образующимися при добыче углеводородного сырья [1; 2]. На сегодняшний день наиболее распространён способ размещения и хранения их в шламовых амбарах, являющихся источником вторичного загрязнения окружающей среды. При этом для восстановления экосистем в северных условиях требуется до 15 лет [3; 4]. В этой связи необходима разработка современных методов рекультивации территорий, занятых шламовыми амбарами.

Важную роль в восстановлении биоценозов играют процессы биоремедиации [5]. В биоремедиации выделяют два основных подхода:

• 1.    Биостимуляция, заключающаяся во внесении различных субстратов, биогенных элементов для активации деградирующей способности микрофлоры, при этом наблюдается рост микроорганизмов, способных к очистке почв;

• 2.    Биодополнение, заключающееся во внесении специально созданных штаммов-деструкторов.

При этом буровой шлам, являясь выбуренной горной породой, может быть возвращён в геосферные оболочки Земли и использован в качестве почвогрунта для рекультивационных мероприятий при внесении каких-либо добавок.

Целью исследования является изучение микробиологических процессов, происходящих в почвогрунтах на основе бурового шлама, с последующим применением их для биологического этапа рекультивации нарушенных земель.

В качестве основного показателя плодородия почв выступает их биологическая активность в комплексе с химическими и токсикологическими свойствами. Оценка плодородия почв возможна по таким критериям как биомасса микроорганизмов (МО) и ферментативная активность [6].

Ферменты выполняют функцию катализаторов физических, химических, биологических реакций, за счёт чего играют важную роль в процессах, происходящих в почвах. Почвенные ферменты обладают высокой чувствительностью к изменениям, вызванным природными или антропогенными воздействиями [7; 8; 18–20].

Исследования, проводимые в данной области, свидетельствуют о возможности использования ферментативной активности почв в качестве индикаторного показателя загрязнения почв и для характеристики почвогрунтов, полученных на основе буровых шламов [9; 10].

Существует коррелятивная зависимость напряжённости микробиологических процессов в почве с размножением и активностью всей совокупности почвенных сапрофитных микроорганизмов [10]. Оценить общее состояние почвы можно посредством определения общей численности. При этом в плодородных почвах с высоким содержанием органического вещества численность может достигать миллиардов.

Распад и минерализация свежего органического вещества осуществляются в первую очередь благодаря группе аммонифицирующей микрофлоры, так называемой гнилостной, учитываемой на мясопептонном агаре (МПА). Данная микрофлора использует белки – азотсодержащее органическое вещество.

Следующий этап минерализации опада осуществляется группой, учитываемой на крахмало-аммиачном агаре (КАА). Данная группа является разнородной по составу группой бактерий, микромицетов, актиномицетов, использующей для питания органические вещества без азота – углеводы и полисахариды, азот в минеральной форме.

Соотношение бактерий, усваивающих органический и минеральный азот (КАА/МПА), может выступать в качестве одного из показателей интенсификации минерализационных процессов в почве. При более энергичном процессе минерализации микроорганизмы, усваивающие минеральный азот, превосходят по численности микрофлору, которая развивается посредством органического азота.

Почвенные грибы и актиномицеты имеют важное значение в процессе превращения широкого круга органических и минеральных веществ в почве. Они продуцируют многие физиологически активные вещества, такие как аминокислоты, витамины, ферменты, антибиотики. Благодаря последним выражены антагонистические свойства, оказывающие влияние на формирование почвенных микробоценозов [11; 12].

Группу неродственных бактерий, которые способны к использованию углеводородов как единственного источника углерода и энергии, называют УОБ. Данная группа выделяется

^^^^J 92

на плотных или жидких минеральных средах (Раймонда и Мюнца) при использовании углеводородов или нефти в качестве источника питания. Помимо окисления углеводородов, в благоприятных условиях могут использовать более доступные субстраты, а при наличии углеводородов могут получать энергию из них. При этом данная группа получает конкурентное преимущество относительно других видов.

Образец бурового шлама или почвогрунта был перемешан и измельчён до однородного состояния. Для всех образцов определена влажность, с учётом которой далее рассчитана численность микрофлоры на 1 грамм сухого бурового шлама или почвогрунта.

Навеска бурового шлама или почвогрунта была помещена в выпарительную чашу, высушена до постоянной массы при 85°C. На основании потери массы после сушки определена влажность образца.

Далее из образца отбиралась навеска 1 г., вносилась в пробирку с 9 мл физраствора (0,9% хлорида натрия), добавлялся по одной капле стерильный ПАВ ТВИН-80, перекрывался стерильной резиновой пробкой и энергично встряхивался в течение одной минуты. После этого отстаивался в течение десяти минут и готовилась серия разведений полученной взвеси в 10, 100, 1000, 10000 и т. д. раз.

Из полученных разведений выполнялся посев на агаризованные среды для определения численности ряда физиологических групп.

Общее число микрофлоры было определено посевом в толщу мясопептонного агара (МПА). Исследуемая взвесь в объёме 1 мл была внесена в стерильную чашу Петри и залита 25-30 мл тёплой среды МПА, перемешана покачиванием. Инкубирование происходило при 30 °C в течение 3-5 суток. Численность выражена в миллионах клеток или колониеобразующих единиц на один грамм сухой почвы, млн КОЕ/г.

Численность сапрофитной микрофлоры (гнилостной, аммонифицирующей белки) определена посевом 0,1 мл разведений взвеси на поверхность МПА (рис. 1). Посевы были подсчитаны через 3-5 суток термостатирования при 30 °C.

Рис. 1. Внешний вид посевов на МПА (группа сапрофитных бактерий)

В состав МПА входят готовый ГМФ агар, пептон сухой ферментативный, агар бактериологический, вода дистиллированная.

Численность актиномицетов, микромицетов и бактерий, использующих органическое вещество без азота, определена посевом 0,1 мл разведений взвеси на поверхность крахмало-аммиачного арага (КАА). Подсчёт посевов был выполнен через 5-7 суток термостатирования при 30°C.

В состав среды КАА входят крахмал растворимый, (NH 4 ) 2 SO 4 , K 2 HPO 4 , MgSO 4 , NaCl, CaCO 3 , агар бактериологический, вода дистиллированная.

Численность углеводородокисляющих бактерий (УОБ) была определена посевом 0,1 мл разведений взвеси на поверхность агаризованной минеральной среды Мюнца с нефтью, выполняющую функции единственного источника углерода и энергии. Подсчёт посевов выполнен через 7–10 суток термостатирования при 30°C.

В состав среды Мюнца входят NaCl, KNO 3 , MgSO 4 , KH 2 PO 4 , K 2 HPO 4 , агар бактериологический, нефть стерильная.

Численность микромицетов отдельно определена посевом 0,1 мл разведений взвеси на поверхность среды Чапека. Подсчёт выполнен через 3–5 суток термостатировани при 30°C.

В состав среды Чапека входят среда Чапека сухая, агар бактериологический.

В исследовании использованы следующие образцы почвогрунтов:

№1 – буровой шлам (контроль);

• №2 – буровой шлам смешан с диатомитом и доломитовой мукой в соотношении 80:10:10 %;

• №3 – буровой шлам смешан с диатомитом, доломитовой мукой, торфом и гуминовым препаратом «Росток» в соотношении 40:10:10:40%;

№4 – буровой шлам смешан с гипсом и глауконитом в соотношении 80:10:10%;

• №5 – буровой шлам смешан с гипсом, глауконитом, торфом и гуминовым препаратом «Росток» в соотношении 40:10:10:40%.

Общая численность микрофлоры в образцах варьировалась от 51 до 271 млн КОЕ/г (табл.). Численность сапрофитов (аэробных аммонификаторов) составила 8,5 млн КОЕ/г для образца №4, для остальных образцов – от 34,0 до 62,0 млн КОЕ/г (рис. 1). На долю сапрофитов приходится от 16,7 до 24,8 % от общего количества микрофлоры.

Таблица

Результаты определения влажности и микробиологические анализы почвенных образцов

№		Численность, млн КОЕ/г							КАА/ МПА
	Влажность, %	Общая	Сапрофитов	Общая на КАА	УОБ на Мюнца	Грибов на Чапека	Грибов на КАА	Актиноми- цетов на КАА
1	0,3	271	61,0	99,3	22,0	0,08	0,1	1,0	1,63
2	2,1	204	34,0	31,9	13,6	0,01	0,2	0,2	0,94
3	4,1	250	62,0	50,6	13,0	3,33	10,4	7,3	0,81
4	2,2	51	8,5	8,7	2,0	0,02	0,03	0,6	1,02
5	5,5	210	45,2	57,8	17,8	0,21	0,4	4,9	1,27

Количество микроорганизмов, растущих на среде с минеральным азотом, варьировалось от 31,9 до 99,3 млн КОЕ/г для образцов №№ 1, 2, 3, 5. В образце №4 их количество также было минимальным и составило 8,7 млн КОЕ/г. Так, количество микроорганизмов, растущих на КАА, варьируется в пределах от 15,6 до 36,6 % от общей численности. Количество сапрофитов и растущих на КАА сопоставимо во всех образцах.

Численность УОБ в образце №4 была минимальной и составила 2,0 млн КОЕ/г. В остальных образцах численность УОБ была в пределах от 13,0 до 22,0 млн КОЕ/г.

Данные численности микрофлоры разных физиологических групп в логарифмическом масштабе представлены на рисунке 2. Логарифмическая шкала позволяет сравнить величины разного порядка.

Рис. 2. Численность микрофлоры разных физиологических групп (шкала логарифмическая)

По рисунку 2 видно значимое отличие образца №4 по численности всех исследуемых групп микрофлоры. В данном образце содержится минимальное количество сапрофитов, бактерий, растущих на КАА и углеводородокисляющих бактерий, выращиваемых на среде Мюнца.

Коэффициент минерализации, рассчитываемый как отношение численности микрофлоры, растущей на КАА, к численности микрофлоры, растущей на МПА, был заметно выше единицы в образцах №№ 1 и 5 и составил 1,63 и 1,27 соответственно. В образцах №№ 2 и 4 данный коэффициент был близок к единице и составлял 0,94 и 1,02 соответственно. В образце № 3 наблюдается минимальное отношение КАА к МПА и составляет 0,81, что свидетельствует о наиболее низком темпе происходящих минерализационных процессов (рис. 3).

Почвенные микромицеты являются одними из основных компонентов биоты и имеют непосредственное отношение к процессам почвообразования и круговорота веществ в экосистемах северных территорий [13].

Грибная флора служит индикатором способности почвы к самовосстановлению после антропогенного воздействия [14–17].

Рис. 3. Коэффициент минерализации (отношение численности микрофлоры, растущей на КАА, к численности микрофлоры, растущей на МПА)

Во всех образцах численность микромицетов была намного ниже, чем бактерий, что является нормой для почвогрунтов. Высокое содержание почвенных грибов может быть связано с такими проблемами, как кислая реакция почвенного раствора, нарушение водновоздушного режима и другими.

Численность микромицетов, определённая на средах Чапека и КАА, была схожа во всех образцах, кроме №3, где численность составила 3,33 и 10,4 млн КОЕ/г соответственно. В остальных численность микромицетов, определённая на среде Чапека, варьировалась от 0,01 до 0,21 млн КОЕ/г, на КАА – от 0,03 до 0,4 млн КОЕ/г.

Численность актиномицетов в образцах №№ 1, 2, 4 варьировалась в пределах от 0,2 до 1,0 млн КОЕ/г, в образцах с внесением торфа (№№ 3 и 5) зафиксирована наибольшая численность – 7,3 и 4,9 млн КОЕ/г соответственно. При этом их доля в общей численности микрофлоры на КАА для образцов №№ 1 и 2 была наименьшей и составила 0,6 и 1%, выше в образцах №№ 4 и 5 – 6,7 и 8,4%. В образце №3 зафиксирована максимальная доля – 14% (рис. 4).

■ Численность

■ Доля в микрофлоре на КАА

Рис. 4. Численность актиномицетов и их доля (в %) в численности всей микрофлоры на КАА

Актиномицеты способны формировать споры и таким образом переживать периоды неблагоприятных условий: недостаток питания, низкую влажность. В связи с этим высокое содержание актиномицетов может свидетельствовать о неблагоприятных условиях для вегетативных форм микрофлоры.

Результаты исследований показывают ингибирующее действие на микробоценоз водорастворимых солей и нефтепродуктов, входящих в состав бурового шлама, а также щелочной реакции среды бурового шлама. В исследуемых почвогрунтах наблюдается развитие общей численности микрофлоры.

Увеличение разнообразия микробоценоза исследуемых почвогрунтов свидетельствует о снижении концентраций водорастворимых солей и нефтепродуктов относительного исходного образца бурового шлама, а также о наличии дополнительных источников питания в виде торфа.

Таким образом, почвогрунты на основе буровых шламов с добавлением торфа и гуминового препарата «Росток» могут быть использованы как исходный материал для биологической рекультивации нарушенных земель.