Микробиологические процессы трансформации углеводородов при микробной рекультивации шламового амбара в Сургутском районе ХМАО

препятствующих доступу кислорода и воды в почву [2]. Помимо изменения физикохимических условий среды обитания почвенной микрофлоры, кардинальным образом изменяются условия её питания. Микрозональность существования микроорганизмов, в микробных сообществах почв незагрязненных ландшафтов, под влиянием нефти исчезает. Таким образом, при нефтяном загрязнении почв формируется классический пример «монокультурного развития сообщества» почвенной микрофлоры с отрицательными последствиями для растительного сообщества [3]. Восстановление гомеостаза и предотвращение конкуренции нефтеокисляющей микрофлоры за факторы жизнедеятельности могут быть решены разработкой технологической системы микробиологической и фито-восстановительной рекультивации, способной восстановить микрозональность функционирования сообщества почвенной микрофлоры [4].

В данной работе представлен экспериментальный материал по первому этапу разработки системы микробиологической рекультивации нефтезагрязненных почв Среднего Приобья Ханты-Мансийского АО с внесением в почву созданного в лаборатории почвоведения СурГУ консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов [5] и агротехнической поддержки его функционирования в почве – изучению функционирования сообщества почвенной микрофлоры при рекультивационных мероприятиях.

Исследования проводились в течение 3-х лет (2006-2008 гг.) на стационарных полигонах, расположенных в широтном направлении с запада на восток по течению р. Обь – Нефтеюганский, Сургутский и Нижневартовский районы.

В Сургутском районе опытные делянки были заложены на шламовом амбаре. Начало эксплуатации амбара – 1973 г., окончание – 1998 г. В 1998 г. амбар был отсыпан 10-ти сантиметровым слоем песка. За годы, прошедшие до закладки опыта, произошло поднятие углеводородов из нижних горизонтов амбара с образованием плотной корки. Под песчаной отсыпкой слой углеводородов простирается на глубину 60 см. Опытные делянки размером 4 м2 заложены в 5 кратной повторности в систематическом порядке по следующей схеме:

• 1)    абсолютный контроль – на незагрязненной почвенной разности данного местообитания;

• 2)    контроль – на загрязненной почве без применения приемов рекультивации;

• 3)    на загрязненной почве + консорциум нефтеокисляющей микрофлоры (НМ) + N 60 P 60 K 60 + раскислитель;

• 4)    на загрязненной почве + консорциум НМ + N 60 P 60 K 60 + раскислитель + рыхление на глубину 30 см. В опытных делянках, на нефтезагрязненной почве, рН до 6,9-7,2 единиц доводился внесением мела.

Образцы для микробиологических исследований отбирались через каждые 2 недели после схода снега весной до устойчивого снежного покрова осенью в 5-кратной повторности (конвертом) из каждой делянки. Анализировался смешанный образец. Подготовка образцов и проведение микробиологических анализов осуществлялось стандартными методами [6]. На мясопептонном агаре (МПА) изучалась численность аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов осуществляющих процессы аммонификации. На среде Кинга выявлялись аэробная и анаэробная гетеротрофная углеводородо-кисляющая микрофлора (УОМ) почвы, использующая в процессах разрушения сырой нефти органические соединения. На среде Мюнца – способность литотрофной части сообщества почвенной микрофлоры к утилизации сырой нефти. На среде Чапека – численность микромицетов, на среде МПА + сусло агар (СА) – спорообразующая аммонифицирующая микрофлора.

Внесение раскислителя существенно изменило рН хемозема в опыте и по сравнению с абсолютным контролем хемозем шламового амбара, в который не вносился раскислитель, имел повышенный рН (рис. 1).

абсолютный контроль                                     контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель;                     консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

Рис. 1. Ежегодная сезонная динамика рН в процессах рекультивации почвы шламового амбара в Сургутском районе

В рекультивационных вариантах в первый период внесения мела отмечено увеличение до рН 7,0 а затем динамические кривые стали расходится. В варианте с рыхлением рН поддерживался в течение опыта в пределах от 7 единиц до постепенного снижения к 3-му году до 6,5. В варианте, где рыхление не применялось, раскисление почвы происходило более интенсивно и через год стабилизировалось в пределах рН 5,55,0. Изначально выровненный по уровню концентрации водородных ионов фон изменяется под влиянием агротехнических и микробных воздействий на почвенную микро- флору и характеризует направленность его развития и эффективность рекультивации. При максимальном уровне содержания нефтепродукта (НП) в верхнем горизонте почвы шламового амбара в начальный период рекультивации в июне 2006 г. отмечен минимальный уровень численности органотрофной нефтеокисляющей микрофлоры (на среде Кинга). В варианте, где приемы рекультивации не применялись (контроль), колебания численности этих микроорганизмов в течение 3-х лет опыта характеризовались изменениями погодных характеристик года (рис. 2).

КЗ консорциум +N60P60K60+раскислитель, НП;                  ж консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см, НП;

абсолютный контроль;                                             контроль;

консорциум +N60P60K60+раскислитель;                          консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

-X- контроль, НП

Рис. 2. Динамика численности углеводородокисляющей микрофлоры использующей в процессах микробиологической рекультивации

Существенных изменений содержания НП в почве контрольного варианта не отмечено: за 3 года снизилось до 49 г/кг при начальном 56,3 г/кг почвы. В вариантах рекультивации с применением системы поддержки развития внесенного в почву консорциума нефтеокисляющей микрофлоры отмечен максимальный уровень развития УОМ, особенно в варианте с внесением системы удобрений и рыхлением почвы, со снижением НП в почве до 0,3 г/кг почвы к октябрю 2006 года, без рыхления составило 7,3 г/кг почвы. В результате капиллярного поднятия НП из нижележащих горизонтов в весеннее-летний период отмечено повышение их уровня в почве на 2-й и 3-й годы, что вызвало колебания нефтеокисляющей микрофлоры. Это указывает на сохранение активности жизнедеятельности УОМ в вариантах рекультивации.

Загрязнение почвы нефтью существенно снижало уровень численности литотроф-ных микроорганизмов, способных использовать углеводороды нефти. В незагрязненной почве их численность за весь период исследований была выше и сохранялась практически на одинаковом уровне с максимумом развития в летние месяцы (июль). В загрязненной нерекультивируемой почве в весенне-летние месяцы численность падала, а пик развития сдвигался на сентябрь и достигал уровня, зафиксированного в незагрязненной почве (рис. 3). В вариантах рекультивации максимальный уровень развития отмечен в летние месяцы (июль-август), особенно в варианте с рыхлением. Таким образом, рекультивационные мероприятия активировали жизнедеятельность и расширяли минера-лизационные возможности почвенной микрофлоры.

Жизнедеятельность аэробной аммонифицирующей микрофлоры обычно используется для характеристики изменений, происходящих в сообществе почвенной микрофлоры под влиянием стрессовых воздействий. Сравнение численности этой физиологической группы микроорганизмов в загрязненном варианте без применения рекультивационных мероприятия с абсолютным контролем (незагрязненной почвой), указывает на резко отрицательное воздействие на активность аммонификационных процессов (рис. 4). Проведение рекультивационных мероприятий сказывается положительно на процессах аммонификации органических азотистых соединений в почве, особенно в варианте с рыхлением. При этом в сезонной динамике этой микрофлоры, в отличие от УОМ, отмечен осенний пик численности в годы интенсивного капиллярного поднятия углеводородов из нижних горизонтов почвы. В контрольном варианте численность этой микрофлоры активируется при повышении температуры в летний период и снижается в осенний, но до значений, отмеченных в абсолютном контроле, численность не поднимается.

S3 консорциум +N60P60K60+раскислитель; НП                      п консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП абсолютный контроль                                                контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель;                               консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

-х- контроль, НП

Рис. 3. Динамика численности литотрофной углеводородокисляющей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации

s^s консорциум +N60P60K60+раскислитель; НП                           иси консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП абсолютный контроль                                                     контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель;                                     консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

контроль, НП

Рис. 4. Динамика численности аэробной аммонифицирующей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации шламового амбара

Загрязнение почвы нефтью резко изменяет физико-химические свойства почвы, создавая множественные зоны анаэробиози-са. Спорообразование является ответной реакцией на изменение условий функционирования сообщества почвенной микрофлоры. Сравнительное изучение сезонной динамики спорообразующей аммонифицирующей микрофлоры в нерекультивированном (контрольном) варианте и абсолютном контроле показало одинаковую направленность численности бациллярной микрофлоры. В рекультивируемых вариантах отмечается рост численности спорообразующей микрофлоры (рис. 5). Этот факт связан со структурированием слитного хемозема в результате гумификации, активации развития аэробов на поверхности почвенных агрегатов и создания анаэробных зон внутри, т.е. восстановления нормального функционирования сообщества почвенной микрофлоры. Это подтверждается и при рассмотрении ежегодной сезонной динамики развития факультативно анаэробной аммонифицирующей микрофлоры (рис. 6). В варианте абсолютного контроля эта физиологическая группа развивалась циклическим образом. В загрязненной нерекультивируе-мой почве в первый период интенсивного разложения НП численность анаэробов была на уровне численности в рекультивационных вариантов с минимумом на 3-й год. Рекультивационные мероприятия активизировали развитие анаэробов-аммонификаторов с максимумом к концу опыта.

Экспериментальные материалы развития ежегодной сезонной численности анаэробной нефтеокисляющей микрофлоры показывают существенное увеличение этой физиологической группы микроорганизмов в хемоземе. В нерекультивированной почве шламового амбара по сравнению с незагрязненной почвой уровень численности этой физиологической группы был выше и возрастал к концу опыта. В рекультивационных вариантах также отмечен рост численности анаэробов, способных усваивать углеводороды в качестве источника питания, особенно в варианте с рыхлением. В варианте с внесением в почву минеральных удобрений в последний год опыта численность анаэробов приближалась к абсолютному контролю (незагрязненной почве) (рис. 7).

aza консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

KZS консорциум +N60P60K60+раскислитель; НП абсолютный контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель;

контроль, НП

Рис. 5. Динамика численности спорообразующей аммонифицирующей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации

Этот факт связан со структурированием слитного хемозема в результате гумификации, активации развития аэробов на поверхности почвенных агрегатов и создания анаэробных зон внутри, т.е. восстановления нормального функционирования сообщества почвенной микрофлоры. Это подтверждается и при рассмотрении ежегодной сезонной динамики развития факультативно анаэробной аммонифицирующей микрофлоры (рис. 6). В варианте абсолютного контроля эта физиологическая группа развивалась циклическим образом. В загрязненной нерекульти-вируемой почве в первый период интенсивного разложения НП численность анаэробов была на уровне численности в рекультивационных вариантов с минимумом на 3-й год. Рекультивационные мероприятия активизировали развитие анаэробов-аммонификаторов с максимумом к концу опыта.

Экспериментальные материалы развития ежегодной сезонной численности анаэробной нефтеокисляющей микрофлоры показывают существенное увеличение этой физиологической группы микроорганизмов в хемоземе. В нерекультивированной почве шламового амбара по сравнению с незагрязненной почвой уровень численности этой физиологической группы был выше и возрастал к концу опыта. В рекультивационных вариантах также отмечен рост численности анаэробов, способных усваивать углеводороды в качестве источника питания, особенно в варианте с рыхлением. В варианте с внесением в почву минеральных удобрений в последний год опыта численность анаэробов приближалась к абсолютному контролю (незагрязненной почве) (рис. 7).

ГУ консорциум +N60P60K60+раскислитель; НП абсолютный контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель;

контроль НП

Ш консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

Рис. 6. Динамика численности факультативно анаэробной аммонифицирующей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации

геп консорциум +N60P60K60+раскислитель; НП абсолютный контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель;

—х- контроль, НП g^ консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

Рис. 7. Динамика численности факультативно анаэробной нефтеокисляющей микрофлоры в процессах микробиологической рекультивации

Микроскопические грибы являются важной составляющей сообщества почвенной микрофлоры. Особенно в процессах первичной трансформации органических веществ в кислых почвах, каковыми являются почвы ХМАО. В естественной незагрязненной почве их численность подчинялась сезонным колебаниям, отмеченным выше для остальных изученных физиологических групп сообщества почвенной микрофлоры (рис. 8). При изучении динамики численности в незагрязненной и загрязненной нефтью почве, отмечено четкое возрастание активности жизнедеятельн о с т и мицеллярной микрофлоры в загрязненном варианте, особенно на 3-й год опыта. В рекультивационных вариантах, в первый год опыта, в период активной фазы трансформации углеводородов (июль) численность микромицетов была ниже уровня, отмеченного в незагрязненной почве. Это указывает на доминирование бактериальной части сообщества почвенной микрофлоры в начальный период рекультивации. По мере снижения концентрации нефтепродуктов в почве уже в первый год опыта отмечено возрастание активности микромицетов и максимум отмечен на 3-год опыта.

И консорциум +N60P60K60+раскислитель; НП абсолютный контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель;

контроль, НП

EZJ консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см; НП контроль консорциум +N60P60K60+раскислитель+рыхление 30-35 см;

Рис. 8. Динамика численности микромицетов в процессах микробиологической рекультивации шламового амбара

Выводы:

• 1.    Испытанная в производственных условиях шламового амбара технология микробиологической рекультивации загрязненных нефтью почв показала высокую интенсивность очистки верхнего горизонта (0-30

• 2.    Показана определяющая роль агротехнических мероприятий обеспечивающих оптимизацию условий функционирования вне-

• сенной в почву УОМ и аборигенного микробного сообщества в процессах разрушения НП.

• 3.    Выявлена последовательность развития физиологических групп сообщества почвенной микрофлоры в процессах рекультивации хемозема нефтешламового амбара, которая определяется изменениями почвенной среды происходящей по мере разложения нефти.

• 4.    Установлена высокая эффективность разработанного препарата и технологии его применения на сообщество почвенной микрофлоры, способной в последействии разрушать НП, поднимающиеся из нижних горизонтов хемозема шламового амбара вместе с капиллярным потоком грунтовых вод.

см) в течение первого года, с определяющей ролью УОМ в процессах трансформации НП.