Водопроницаемость нефтезагрязненного грунта при использовании штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов

Водопроницаемость (ВП) почв – способность почв и грунтов впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. ВП почв находится в тесной зависимости от их гранулометрического состава и химических свойств почв, их структурного состояния, плотности, порозности, влажности и длительности увлажнения [1]. Воздействие нефти приводит к разрушению структуры почвы, к ее уплотнению и изменению водно-воздушного режима. Увеличивается фактор дисперсности, а фактор структурности и степень агрегатности соответственно уменьшаются. Наблюдается значительное снижение коэффициента фильтрации, что свидетельствует об изменении гидростатических условий и нарушении взаимосвязи почва – растение – вода [2].

Цель исследований: выяснение взаимосвязи ВП грунта загрязненного нефтепродуктами с изменением состояния микробоценоза.

Для достижения обозначенный цели был заложен лабораторный эксперимент по определению ВП загрязненной углеводородами почвы при применении углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ). Использованный грунт представляет собой смешанный образец горизонтов А и В, дерново-подзолистой почвы, отобранной в Сургутском районе. Объем грунта 1 кг загружался в емкость с двойным дном, из которого в последующем отбиралась прорсочившаяся

вода. Вода в объеме 100 мл подавалась сверху через трубку диаметром 3,5 см, и засекалось время полного поглощения грунтом. В качестве углеводородного загрязнителя использовались: сырая товарная нефть (Н), нефтешлам (НШ) и бензин марки АИ-92 (Б). В качестве УОМ использовались выделенные из нефтезагрязненных почв микроорганизмы: Pseudomonas monteilli №1 ВКМ В2681D , Kocoria sp. ВКМ Ас-2606D с титром 3,6-4,1 х 10 9 кл/мл.

Эксперимент заложен из шести блоков: Контроль; Н10 (нефть товарная 10 мл/кг); Н30 (нефть товарная 30 мл/кг); НШ20 (нефтешлам 20 мл/кг); НШ40 (нефтешлам 40 мл/кг); Б20 (бензин 10 мл/кг). Каждый блок состоит из следующих вариантов: контроль; внесение Pseudomonas monteilli (А); внесение Kocoria sp. (Б); внесение А+Б. Продолжительность опыта составила 16 недель при комнатной температуре. Определяли следующие параметры: ВП [3]; в грунте и в сточной воде определялось общее микробное число (ОМЧ) на среде МПА, количество УОМ на среде Кинг [4]. Содержание углеводородов в образцах проводился методом ИК-спектро-метрии согласно ПНД Ф 16.1:2.2.22 – 98.

ВП универсальным и объективным показателем физиологических и химических свойств почвы. Поступление различных углеводородных загрязнителей в существенной мере изменяет основные режимы почв. На рис. 1 отображается все разнообразие изменения ВП в зависимости от характера внесённого полютанта. В контрольных вариантах (без использования УОМ) значимые изменения проявились после 4 недели эксперимента. Наблюдался резкий скачок ВП в вариантах с бензином марки АИ 92 на протяжении 2 недель с последующим снижением данного показателя. Причиной этого является разрушение легкими углеводородами бензина поч-венно-поглощающих комплексов, увеличение межагрегатного пространства. Снижение ВП на 8 неделе в данном варианте, очевидно, вызвано влиянием углеводородов бензина на минеральную часть почвы. В последующем (9 неделя эксперимента) выявлен рост ВП в вариантах контроля и бензина, что вызвано стабилизацией физиологических, химических и биологических процессов в образцах. К концу эксперимента (15-16 неделя) наблюдалось увеличение ВП во всех вариантах, наиболее значимое выявлено в варианте Н10. Это свидетельствует о необходимости большего промежутка времени для стабилизации основных параметров почвы при углеводородном загрязнении.

Рис. 1. Динамика изменения ВП в различных вариантах эксперимента

Применение штамма Pseudomonas monteilli обеспечило высокие стартовые показатели в варианте с бензином с резким его падением. В дальнейшем постоянное поступательное увеличение ВП с резким падением на этапе 7-8 неделя, что обусловлено активной жизнедеятельностью внесенных УОМ, формированием новой коллоидной системы в почве с её последующим разрушением по причине отсутствия доступного энергетического питания. Обращает на себя внимание увеличение ВП во всех вариантах через 6 недель эксперимента. Очевидно, внесенным микроорганизмам необходим 5-6 недельный промежуток времени для адаптации к токсичному действию различных углеводородов. Вероятно, это вызвано скачкообразной оптимизации аборигенной микрофлоры грунта.

Иная картина складывается при применении Kocoria sp. На протяжении первых 4 недель идет адаптация микроорганизмов к измененной углеводородами среде, далее следует активное увеличение ВП. Очевидно, это вызвано выносом из нефтезагрязненного грунта, как почвенных коллоидов, так и УОМ с дальнейшей стабилизацией режимов почвы, о чем свидетельствует резкое снижение ВП на 8-9 неделе эксперимента. Дальнейшее протекание эксперимента в данном варианте показывает стабильный уровень, схожий с контролем. На завершающем этапе эксперимента наблюдали рост ВП, что также связано с активизацией аборигенной микрофлоры почвы.

Совместное внесение штаммов Pseudomonas monteilli и Kocoria sp. вызвало стабильный рост ВП период 2-6 недели. Это говорит об активной трансформации углеводородов во всех вариантах загрязнения. Последующее снижение ВП обусловлено активизацией внесенной и аборигенной микрофлоры, которая начала активно поглощать поступившую влагу для своего роста и развития. Последующее изменение наблюдалось к окончанию эксперимента. В целом необходимо отметить, что поступление полютантов изменяет все режимы почвы. При этом выявлена более быстрая стабилизация ВП при испытании разных углеводородокисляющих микроорганизмов ( Pseudomonas monteilli и Kocoria sp).

Рис. 2. Изменение содержания остаточных углеводородов

Изменения содержания остаточных углеводородов в разных вариантах протекают по-разному с общей тенденцией снижения в конце эксперимента (рис. 2). Вариант с нефтешламом показал самое низкое снижение из-за наличия тяжелых углеводородов типа битум, асфальтен, парафин и др. В вариантах с остальными загрязнителями существенное изменение обнаружива- ется в конце эксперимента (14-16 неделя), что обеспечивается стабилизацией основных параметров физиологических химических свойств загрязненного грунта. В других вариантах значимой динамики не выявлено. В вариантах с использованием Pseudomonas monteilli и Kocoria sp. наблюдаем плавное снижение содержания полютантов.

Рис. 3. Общее микробное число в грунте различных вариантах эксперимента

Реакция микрофлоры на поступление различных углеводородов в грунт характеризуется повышением численности первые 2-5 недель, что вызвано включением в энергетические и пластические процессы доступных углеводородов (рис. 3). Через 5 недель наблюдается спад численности его стабилизация и подъем к окончанию эксперимента. Во всех случаях ОМЧ на несколько порядков выше, чем в контроле. Внесение Pseudomonas monteilli вызвало разнохарактерную реакцию всего разнообразия микроорганизмов почвы. Это обусловлено, как изменением токсичного действия полютантов, внесенных в различных концентрациях, так и ответной реакцией всего пула микроорганизмов. Влияние Kocoria sp. на общую численность определило более стабильную реакцию микробоценоза, за исключением вариантов контроля и 10% загрязнения нефтью. Это определено поступлением поверхностно активных веществ, выделяемых данным штаммом, которое в сочетании с углеводородами нефтепродуктов благоприятно сказалось на условиях жизнедеятельности всего микробного сообщества в данных вариантах.

Совместное внесение представленных УОМ определило картину, противоположную с предыдущей, где наибольшая численность микроорганизмов выявлена в варианте контроля и 10% внесения нефти. Общая численность микроорганизмов в вымытой воде определена характером и уровнем внесенных углеводородов, что наблюдается на рис. 4. Увеличение численности во всех вариантах наблюдается на 5-6 неделе, за которым следует незначительное снижение и последовательный активный рост. Наибольшая численность отмечена в варианте с Н10. Это свидетельствует, что подобный уровень загрязнения для используемой слабо плодородной почвы выступает как активатор пула микроорганизмов.

Рис. 4. Общее микробное число в вымытой воде в вариантах опыта

Внесение Pseudomonas monteilli активизировало общую численность микроорганизмов на начальном этапе эксперимента. Исключения составляют варианты с высоким уровнем или тяжелыми углеводородами, а именно Н30 и НШ40, в которых численность практически не изменялась на протяжении всего эксперимента, причиной этого является токсическое действие полю-тантов. Внесение штамма Kocoria sp. так же вызвало рост численности в первые несколько недель эксперимента за исключением вариантов с тяжелыми углеводородами с дальнейшей колебательной динамикой численности. Совместное внесение УОМ показало резкий рост численности в первые 3-4 недели с последующей положительной динамикой вне зависимости от уровня и характера загрязнения. Это объясняется одновременным совместным действием Pseudomonas monteilli как активного деструктора углеводородов с параллельной оптимизацией жизнедеятельности микробоценоза за счет поверхностно активных веществ, выделяемых Kocoria sp.

Рис. 5. Изменение численности УОМ в грунте вариантов эксперимента

Поступление различных по характеру и роду углеводородов определило динамику численности углеводородокисляющих микроорганизмов (рис. 5). Выявлено последовательное увеличение численности данной группы на протяжении всего эксперимента. Это свидетельствует о постепенной деструкции и включении в процессы жизнедеятельности сначала легких углеводородов, затем тяжелых аналогов. Наиболее яркая динамика представлена с бензином и Н10, что говорит о высокой деструктивной активности легких углеводородов аборигенной микрофлоры. Внесение Pseudomonas monteilli определило высокую стартовую динамику роста численности данной группы микроорганизмов с последующими стабильными значениями. Наибольшая численность выявлена в варианте НШ40, что свидетельствует о образовании наиболее благоприятных временных физиологических условий для жизнедеятельности УОМ. Рост численности УОМ при использовании Kocoria sp. представлен двумя зонами роста на протяжении эксперимента: 3-5 неделя и 8-10 неделя. Это говорит о последовательном формировании благоприятных условий жизнедеятельности на фоне токсического действия полютантов. Наибольшие значения выявлены в варианте с бензиновым загрязнением, что свидетельствует об активном формировании пула УОМ на месте ранее вымытых компонентов микробоценоза легкими углеводородами бензина. Сложна динамическая картина измененияУОМ при совместном применении штаммов Pseudomonas monteilli и Kocoria sp., которая стабилизируется к окончанию эксперимента. Это в очередной раз демонстрирует синергетическое действие двух различных штаммов УОМ.

Численность УОМ в выдавленной воде имеет яркую и четкую выраженность в зависимости от загрязнения. Характерным является рост на 8-9 неделе, с последующей стабилизацией на уровне 2 тыс. кл/мл. Обращает на себя внимание высокая численность данной группы по отношению к контролю в 2-3 раза. Процессы изменения численности УОМ Pseudomonas monteilli характеризуется стабильными значениями 2-3х10³ кл/мл. При 30% нефтяном загрязнении наблюдаются два ярко выраженных пика на 3 и 8 неделе эксперимента, что свидетельствует об активной последовательной трансформации углеводородов и их использования в жизнедеятельности данной группы микроорганизмов. Подобная картина, но с одним пиком наблюдается в варианте с НШ20.

Применение Kocoria sp. определило стабильную и положительную динамику на протяжении всего эксперимента с численностью от 1,5 до 4 кл/мл. На стартовом этапе эксперимента (12 недели) выявлен рост численности в варианте с бензином, что определено поступлением УОМ из разрушенного почвенного комплекса грунта. Совместное применение УОМ определило разнообразное изменение численности во всех вариантах эксперимента с четкой видимой стабилизацией на последней неделе. На наш взгляд это свидетельствует о активном течением биологических, физиологических и химических процессов в нарушенных грунтах при воздействии различных углеводородов.

Рис. 6. Динамика численности УОМ в вымытой воде в вариантах эксперимента

Выводы: представленный материал позволяет говорить об активной взаимосвязи биологических, экологических и физических почвенных процессов. Одиночное, равно как и совместное внесение штаммов УОМ изменяет ВП на фоне снижения уровня и характера загрязнителя. Увеличение уровня загрязнения проводит к неоднократной активизации роста численности микроорганизмов разных эколого-трофических групп.