Способ биологической рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами

Изобретение относится к биотехнологии, касается охраны окружающей среды. Способ предусматривает двухкратное внесение удобрений на загрязненный нефтью и нефтепродуктами участок, рыхление почвы и внесение водного раствора нефтеразлагающих бактерий Rhodococcus sp.MFN и посев многолетних трав через 2-2,5 месяца. В качестве удобрений сначала используют бактериальное удобрение из расчета 4-4,5 т/га, затем - композицию, полученную компостированием сапропеля, навоза и незагрязненного грунта. После 2-2,5 месячного выдерживания проводят вспашку, боронование и посев семян многолетних трав. Изобретение позволяет осуществить эффективную рекультивацию почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к биотехнологии, касается охраны окружающей среды и может быть использовано для устранения токсического действия углеводородов нефти и нефтепродуктов на почву.

В настоящее время в нашей стране остро стоит проблема защиты и рекультивации земель, подверженных разливам нефти. Нефтяные загрязнения относятся к антропогенным воздействиям катастрофического порядка.

Загрязнение сырой нефтью и нефтепродуктами представляет большую опасность для нормального функционирования почв. Оно проявляется в изменении их физико-химических свойств, в торможении интенсивности биологических процессов, снижении растворимости большинства микроэлементов, резком увеличении соотношения между углеродом и азотом. Нефтяное загрязнение препятствует нормальному тепло- и газообмену почв. При высоком загрязнении почвенная масса становится гидрофобной, механические элементы и структурные агрегаты покрываются нефтяной пленкой, которая изолирует питательные вещества от корневых систем растений. Почвенные частицы слипаются, а при старении и частичном окислении компонентов нефти последняя загустевает и почвенный слой превращается в асфальтоподобную массу, которая совершенно непригодна для произрастания естественной растительности или возделывания сельскохозяйственных культур.

Сырая нефть представляет собой сложную смесь алифатических (метановых), циклических насыщенных (нафтеновых), циклических ненасыщенных (ароматических) и смешанных углеводородов. В составе нефти обнаружены свыше 1000 органических веществ, содержащих 83-87% углерода, 12-14% водорода, 0,5-0,6% серы, 0,02-1,7% азота, 0,005-3,6% кислорода, а также минеральных соединений. В жидких углеводородах растворены смолисто-асфальтеновые высокомолекулярные соединения, содержащие до 88% углерода [1]. При поступлений на земную поверхность нефть оказывается в качественно новых условиях существования: из анаэробных условий с замедленными геохимическими процессами она попадает в хорошо аэрируемую среду.

Процесс естественного самоочищения почвы является достаточно длительным (10-25 лет) и зависит от физико-химических свойств почвы и нефти. Солнечная радиация может ускорить деструкцию компонентов нефти, однако с экологической точки зрения этот процесс опасен из-за образования высокотоксичных продуктов распада.

В настоящее время наиболее прогрессивной технологией очистки нефтезагрязненных почв считается использование интродуцированных в почву микроорганизмов.

Известен способ очистки нефтезагрязненных почв с использованием штамма Pseudomonas aeruginoza PAO, содержащего плазмиды САМ, ОСТ, NAH, SAI [2].

Известен способ очистки почв от нефтяных загрязнений с использованием штамма актиномицета Actinomyces flavus [3].

Известен способ очистки почв с помощью штамма Pseudomonas putida 36 [4].

Недостатком способов является неполное разложение нефти из-за избирательного действия упомянутых деструкторов на определенные фракции нефтепродуктов. При этом происходит разрушение только верхних слоев загрязнения. Способы не обеспечивают рекультивацию почвы.

Известен способ очистки почв от нефтепродуктов с помощью консорциума штаммов микроорганизмов-деструкторов, который вносят в почву после вспашки [5].

Однако способ эффективен при загрязнении почвы не более 20%.

Технический результат - разработка эффективного способа биологической рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, в том числе с высокой степенью загрязнения, путем утилизации донных отложений пресных водоемов (сапропеля).

Технический результат достигается тем, что в способе, предусматривающем двухкратное внесение удобрений на загрязненный нефтью и нефтепродуктами участок, рыхление почвы и внесение водного раствора нефтеразлагающих бактерий, согласно изобретению в качестве удобрений используют бактериальное удобрение, полученное смешиванием отходов непродуктивной части растений, например соломы, с содержимым рубцов преджелудков жвачных животных (каныгой) в соотношении 3-4:1, увлажнением водой из расчета 8-9 т воды на 1 т смеси и выдерживанием в течение 4-5 дней при постоянной влажности смеси, бактериальное удобрение вносят из расчета 4-4,5 т/га одновременно с безотвальным рыхлением на глубину 25-30 см, повторное внесение удобрения проводят через 5-7 дней, а в качестве удобрения используют композицию, полученную путем компостирования сапропеля, навоза и незагрязненного грунта, в качестве нефтеразлагающих бактерий используют штамм бактерий Rhodococcus sp.MFN, выращенный (культивируемый) на питательной среде, в которой в качестве источника углерода используют углеводороды, идентифицированные на загрязненном участке, водный раствор бактерий вносят через 2-3 дня после внесения композиции.

После 2-2,5 месячного выдерживания композиции на загрязненном участке проводят вспашку с оборотом пласта на глубину 25-27 см, выравнивание поверхности тяжелыми боронами и посев семян многолетних трав, при этом водный раствор нефтеразлагающих бактерий Rhodococcus sp. MFN получают культивированием бактерий до концентрации суспензии 1·10⁷ кл/мл, 5 мл суспензии разводят в 3 л воды и вносят из расчета 1 л водного раствора на 1 м².

Почва загрязненного участка и незагрязненный грунт для компостирования относятся к одному типу почв.

Соотношение компонентов для компостирования: сапропель, навоз и незагрязненный грунт составляет 11-13:6-7:1-2 соответственно.

Композицию вносят из расчета 45-55 т/га.

Каждый миллиметр рубцового содержимого (каныги) содержит до 40 млрд. бактерий и простейших при доминировании родов Pseudomonas, бацилл Омелянского, целлюлозоразрушающих вибрионов, силикатных бактерий, азотобактера, картофельной, сенной, капустной и чудесной палочек, сарцин, лигнинразрушающих кокков, диплококков, дрожжей и др.

Солома, например, злаковых культур содержит 12-14% водорастворимых веществ, которые являются субстратом для развития естественной ассоциации микроорганизмов и простейших, находящихся в реактивном состоянии на сухой соломе. Уже в первые сутки все эти организмы активно развиваются, вызывая изменения эпифитной микрофлоры.

Сапропель - донные отложения пресноводных водоемов, образующиеся в результате биохимических, микробиологических и физико-механических процессов из остатков населяющих озеро животных и растительных организмов, а также приносимых в водоемы водой и ветром органических и минеральных примесей.

В настоящее время объем добычи сапропеля значительно меньше его ежегодного накопления. Вследствие этого в ряде регионов страны происходит быстрое сокращение площади водной поверхности, ухудшается качество вод открытых водоемов, затрудняются условия водоснабжения. Поэтому при выборе первоочередных объектов для добычи определяющим фактором является не сам сапропель, а необходимость очистки от него водоема.

В огромном разнообразии природных сапропелей можно выделить некоторые общие черты их состава. Это три основных составляющих: биологическая, органическая и минеральная компоненты, которые находятся в сложной взаимосвязи, образуя единую систему - сапропель. Организмы (биологическая компонента) образуют в процессе распада и гумификации органическую компоненту и некоторую часть минеральной. В свою очередь органическая и минеральная части являются пищей для живых организмов сапропеля - водорослей и бактерий.

Минеральная и органическая компоненты образуют органо-минеральный комплекс. Биологическая и органическая части отличаются уровнем организации материи (соответственно - организменный и молекулярный). То, что принято называть органическим веществом сапропеля, по сути своей является суммой биологической и органической компоненты [6].

Биологическая компонента состоит из представителей прокариот и эукариот. Прокариоты - это многочисленные бактерии (10⁷-10¹⁰ на 1 г сырого сапропеля) и актиномицеты (10⁵-10⁶). Эукариоты представлены водными растениями, животными, грибами.

Органическая компонента подразделяется на группы:

- битумы или липиды;

- гуминовые вещества;

- легкогидролизуемые вещества;

- трудногидролизуемые вещества;

- негидролизуемый остаток.

Гуминовые вещества сапропеля - это органо-минеральные комплексы различной степени связанности с преобладанием негидролизуемого гумина и отсутствием подвижных фракций.

Гуминовые вещества сапропелей отличаются от гуминовых веществ почвы более высоким отношением Н/С, следовательно, это более восстановленные гуминовые вещества, обладающие большей активностью по сравнению с гуминовыми веществами почвы. При поступлении в почву более восстановленные и, следовательно, более энергетически ценные гуминовые вещества сапропеля начинают постепенно окисляться, высвобождая потенциальную энергию органического вещества сапропеля. Далее, согласно теории гумификации Д.С.Орлова органическое вещество сапропеля превращается (трансформируется) в гумус почвы [7, 8].

Активизация трансформации может быть достигнута либо снижением энергетического барьера процесса трансформации органического вещества сапропеля, для чего необходимо ослабить связи органо-минеральных комплексов гуминовых веществ, либо внесением дополнительной энергии, способствующей преодолению энергетического барьера.

В наших исследованиях были использованы оба направления. Сначала путем обработки сапропеля (промораживание) ослабляли связи органо-минерального комплексов гуминовых веществ, затем вносили дополнительную энергию (добавление навоза и незагрязненного грунта).

Предлагаемый штамм бактерий Rhodococcus sp.MFN выделен из нефти нефтепровода «Дружба», полученной на нефтеперерабатывающем комбинате г.Капотня Московской обл. Штамм депонирован Всероссийской коллекцией промышленных микроорганизмов, коллекционный номер ВКМП Ас-1558.

Культура растет на минеральной среде, используя в качестве источника углерода нефть, нефтепродукты и отдельные углеводороды нефти.

Факультативный аэроб растет в температурном диапазоне от 4°С до 40°С (оптимум 28°С). В дополнительных факторах роста не нуждается.

Штамм не вирулентный, не токсичный, не токсигенный (проверка проведена на белых мышах). Штамм устойчив к ионам тяжелых металлов.

Незагрязненный грунт представляет собой наиболее благоприятную естественную среду для нормального развития микроорганизмов. Наиболее густо заселен микробами верхний гумусовый горизонт: на 1 г почвы приходится до 10 млрд. бактерий.

Почва считается незагрязненной, если уровень углеводородов составляет ниже 500 мг/кг по стандарту AFNOR NFT 90114.

Согласно изобретению почва, загрязненная нефтью и нефтепродуктами, и незагрязненный грунт для компостирования относятся к одному типу почв. Это обусловлено следующим.

Интенсивность самоочищения различных типов почв различная, следовательно, различно и их отношение к негативному действию нефти и нефтепродуктов. Отсюда и различия в пороговых значениях, превышение которых ведет к серьезным изменениям физико-химических и микробиологических свойств.

Способ осуществляют следующим образом.

Солому злаковых смешивают с содержимым преджелудков жвачных животных (каныгой) в массовом соотношении 3-4:1. Каныга может быть внесена в солому в естественнее состоянии, а также в высушенном, т.е. в виде каныжной муки.

Полученную смесь увлажняют водой из расчета на 1 т смеси 8-9 т воды, поддерживают постоянную влажность в течение 4-5 дней. Полученное удобрение вносят на загрязненный нефтью и нефтепродуктами участок из расчета 4-4,5 т/га.

Этот агроприем активизирует сапрофитную микрофлору и аборигенные нефтеразлагающие бактерии.

Через 5-7 дней вносят композицию, полученную путем компостирования сапропеля, навоза и незагрязненного грунта из расчета 45-55 т/га.

Композицию готовят следующим образом.

Свежедобытый сапропель направляют в отстойники. После промораживания в зимний период и отведения вымороженной жидкости в сапропель вносят навоз и незагрязненный грунт. Массу компостируют при периодическом перемешивании в течение 1,5-2 месяцев. Соотношение компонентов 11-13:6-7:1-2 соответственно.

Водный раствор нефтеразлагающих бактерий готовят следующим образом.

Штамм Rhodococcus sp.MFN выращивают (культивируют) на минеральной среде 8Е следующего состава, г/л:

(NH4)2HPO4	0,5
KH2PO4	0,7
NaCl	0,5
MgSO4×7H2O	0,8
дистиллированная вода	1 л
рН	7,2

В качестве источника углерода добавляют 1% (от объема среды) нефтеуглеводородов, идентифицированных на загрязненном участке.

Культивируют до концентрации суспензии 1·10⁷ кл/мл. Для равномерного внесения суспензию Rhococcus sp.MFN разводят в воде из расчета 5 мл суспензии на 3 л воды.

Водный раствор бактерий вносят на загрязненный участок из расчета 1 л водного раствора бактерий на 1 м² через 2-3 дня после внесения композиции.

После 2-2,5 месяцев выдерживания проводят вспашку с оборотом пласта на глубину 25-27 см, выравнивание поверхности тяжелыми боронами и посев семян многолетних трав. Семена перед посевом замачивают в вымороженной жидкости сапропеля в течение 10-12 часов.

Пример 1. Участок (Волгоградская обл.) загрязнен моторными смазками и сливаемыми маслами. Почва, на которой находится загрязненный участок, относится к типу темно-каштановой почвы. Исходное содержание нефтеуглеводородов составляет 7613 мг/100 г почвы. Тест на присутствие аэробных бактерий положителен (4·10 бактерий на 1 г почвы).

На загрязненный участок вносят удобрение, полученное смешиванием соломы с содержимым преджелудков жвачных животных (каныгой) в соотношении 3:1. Каныгу в солому вносят в естественном состоянии. Смесь увлажняют водой из расчета на 1 т смеси 8 т воды. Выдерживают в течение 4 дней. Удобрение вносят из расчета 4 т/га с одновременным безотвальным рыхлением на глубину 27-30 см. Через 5 дней на загрязненный участок вносят композицию, полученную путем компостирования сапропеля, навоза и незагрязненного грунта из расчета 45 т/га. Незагрязненный грунт относится к типу темно-каштановой почвы.

Через 2 дня после внесения композиции на загрязненный участок вносят водный раствор бактерий Rhodococcus sp.MFN из расчета 1 л/м².

В результате проведенных исследований установлено, что:

- через 4 недели после внесения водного раствора бактерий содержание нефтеуглеводородов составило 3045 мг/100 г почвы;

- через 6 недель - 2283,9 мг/100 г почвы;

- через 8 недель - 837,43 мг/100 г почвы;

- через 9 недель - 532,91 мг/100 г почвы (7% от исходного содержания нефтеуглеводородов).

Затем на исследуемом участке проводят вспашку с оборотом пласта на глубину 25-27 см, выравнивание поверхности тяжелыми боронами и посев семян костреца безостого. Семена перед посевом замачивают в вымороженной жидкости сапропеля в течение 10 часов.

Всхожесть семян составила 78%. Остаточное количество углеводородов в почве через 5 месяцев после посева составило 482 мг/100 г почвы.

Пример 2. Участок (Волгоградская обл.) загрязнен моторными маслами и сырой нефтью в связи с аварийным разливом нефти. Почва, на которой находится загрязненный участок, относится к типу темно-каштановой почвы. Исходное содержание нефтеуглеводородов составляет 8340 мг/100 г почвы. Тест на присутствие аэробных бактерий отрицателен (стерильная почва).

Солому злаковых культур смешивают с содержанием преджелудков жвачных животных (каныгой) в соотношении 4:1. Каныгу в солому вносят в естественном виде. Смесь увлажняют водой из расчета 9 т воды на 1 тонну смеси. Выдерживают в течение 5 дней и вносят на загрязненный участок из расчета 4,5 т/га с одновременным безотвальным рыхлением на глубину 27-30 см. Через 7 дней на загрязненный участок вносят композицию, полученную путем компостирования сапропеля, навоза и незагрязненного грунта из расчета 55 т/га. Почва незагрязненного грунта относится к типу темно-каштановой почвы.

Через 3 дня после внесения композиции на загрязненный участок вносят водный раствор бактерий Rhodococcus sp.MFN из расчета 1 л/м².

В результате проведенных исследований установлено, что:

- через 4 недели после внесения водного раствора бактерий содержание нефтеуглеводородов составило 5820 мг/100 г почвы;

- через 6 недель - 3336 мг/100 г почвы;

- через 8 недель - 1268 мг/100 г почвы;

- через 9 недель - 836 мг/100 г почвы (10% от исходного содержания нефтеуглеводородов);

- через 10 недель - 527 мг/100 г почвы (6% от исходного содержания нефтеуглеводородов).

Затем на исследуемом участке проводят вспашку с оборотом пласта на глубину 25-27 см, выравнивание поверхности тяжелыми боронами и посев семян костреца безостого. Семена перед посевом замачивают в вымороженной жидкости сапропеля в течение 12 часов.

Всхожесть семян составила 82%. Остаточное количество углеводородов в почве через 5 месяцев после посева составило 488 мг/100 г почвы.

Пример 3. Способ осуществляют аналогично примерам 1 и 2. Различия в типах почв. А именно, почва загрязненного участка относится к типу темно-каштановой почвы, а почва незагрязненного грунта для компостирования относится к типу светло-каштановой почвы. В результате исследований через 10 недель после внесения водного раствора нефтеразлагающих бактерий содержание нефтеуглеводородов составило 20% от их исходного содержания в начале опыта, а остаточное количество нефтеуглеводородов в почве через 5 месяцев после посева костреца безостого не позволило отнести почву в разряд незагрязненной, т.к. составляло 647 мг/100 г почвы.

В процессе промораживания сапропеля в зимний период в результате ослабления связей гуминовых веществ, имеющих низкую степень связанности, происходит частичная потеря гуминовых веществ с вымороженной жидкостью. В связи с этим целесообразно вымороженную жидкость собирать и использовать, например, для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур. Сухой остаток вымороженной жидкости можно использовать, например, для внесения в почву в период посева семян. Это способствует повышению корневой массы растений и соответственно продуктивности.

Источники информации

1. Зволинский В.П., Черных Н.А. и др. Реабилитация загрязненного нефтью и нефтепродуктами почвенного покрова.

2. Патент США №3813316, кл. 195-28, 1974.

3. SU 250849, кл. С12N 1/20, 1968.

4. SU 1076446, кл. C12N 15/00, 1984.

5. RU 2127310, кл. C12N 1/20, 1999 - прототип.

6. Кирейчева Л.В., Хохлова О.Б. Сапропели: состав, свойства, применение. М., 1998, стр.7-31.

7. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв РФ. М.: Наука, 1996, стр.6-12.

8. Орлов Д.С., Рудакова И.П., Амосова Я.М. Изучение гуминовых кислот сапропеля на примере озера Глубокое // Геохимия, 1996, №2, стр.160-164.

1. Способ биологической рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, предусматривающий двухкратное внесение удобрений на загрязненный участок, рыхление почвы и внесение водного раствора нефтеразлагающих бактерий, отличающийся тем, что в качестве удобрений используют бактериальное удобрение, полученное смешиванием отходов непродуктивной части растений, например соломы, с содержимым рубцов преджелудков жвачных животных (каныгой) в соотношении 3-4:1, увлажнением водой из расчета 8-9 т воды на 1 т смеси и выдерживанием в течение 4-5 дней при постоянной влажности смеси, бактериальное удобрение вносят из расчета 4-4,5 т/га одновременно с безотвальным рыхлением на глубину 25-30 см, повторное внесение удобрения проводят через 5-7 дней, а в качестве удобрения используют композицию, полученную путем компостирования сапропеля, навоза и незагрязненного грунта, в качестве нефтеразлагающих бактерий используют штамм бактерий Rhodococcus sp.MFN, выращенный (культивируемый) на питательной среде, в которой в качестве источника углерода используют углеводороды, идентифицированные на загрязненном участке, водный раствор нефтеразлагающих бактерий вносят через 2-3 дня после внесения композиции, после 2-2,5 месячного выдерживания проводят вспашку с оборотом пласта на глубину 25-27 см, выравнивание поверхности тяжелыми боронами и посев семян многолетних трав, причем водный раствор нефтеразлагающих бактерий Rhodococcus sp.MFN получают культивированием бактерий до концентрации суспензии 1-10⁷ кл/мл, 5 мл суспензии разводят в 3 л воды и вносят из расчета 1 л водного раствора на 1 м².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что почва загрязненного участка и незагрязненный грунт для компостирования относятся к одному типу почв.

3. Способ по п.1, отличающийся, тем, что соотношение компонентов для компостирования: сапропель, навоз и незагрязненный грунт составляет 11-13:6-7:1-2 соответственно.

4. Способ по пп.1 и 3 отличающийся тем, что композицию вносят из расчета 45-55 т/га.