Л.Г. Бакина, М.В. Чугунова, А.О. Герасимов, Ю.М. Поляк
Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Санкт-Петербургский федеральный исследовательский центр РАН» (НИЦЭБ РАН – СПб ФИЦ РАН), bakinalg@mail.ru
Нефтезагрязнение является актуальной проблемой и серьезным вызовом современности. Попадание нефти и нефтепродуктов в окружающую среду вследствие аварийных разливов чревато крупными техногенными катастрофами. Последним ярким примером может служить разлив мазута в Черном море.
В связи с этим ликвидация последствий нефтезагрязнения становится важнейшей экологической задачей. Требуются поиск и разработка эффективных методов восстановления нефтезагрязненных почв. В нашем Северо-Западном регионе проходит Балтийская трубопроводная расположены крупные система, нефтеналивные терминалы, что обусловливает потенциальные риски и подчеркивает злободневность проблемы нефтезагрязнения почв.
тезагрязнения почв. Важнейшими разрушителями нефти в природе являются микроорганизмы, которые могут использовать углеводороды нефти в качестве главного источника получения энергии для своего роста. Поэтому одним из современных и широко используемых методов очистки нефтезагрязненных почв является применение биопрепаратов, содержащих различные микроорганизмы-нефтедеструкторы. Этот способ называется биоаугментацией.
В целом эффективность биопрепаратов для очистки нефтезагрязненных почв считается достаточно высокой. Однако биодеградация или, иными словами, разложение нефти в почвах зависит от множества факторов – состава нефти, степени загрязнения и его срока, от свойств самой почвы и от климатических условий. Все эти факторы влияют на эффективность биопрепаратов при восстановлении почв. При этом в ряде научных работ отмечена низкая продуктивность биопрепаратов. Кроме того, при введении в почву большого объема чужеродной микробной биомассы существует определенный риск необратимых нарушений ее качества в будущем, и проблема экологической безопасности при применении биопрепаратов- нефтедеструкторов до настоящего времени не решена.
Другим весьма экономичным способом очистки нефтезагрязненных почв является активизация (биостимуляция) микроорганизмов, которые находятся непосредственно в почве. Биостимуляция осуществляется путем внесения в почву питательных элементов – минеральных удобрений, ее рыхления для улучшения аэрации, а также полива. В настоящее время установлено, что практически все почвенные бактерии и микроскопические грибы способны разрушать нефть. Биостимуляция создает благоприятные условия для жизнедеятельности всего микробиома почвы, что позволяет значительно ускорить процессы естественного разложения нефти в почве, т. е. ее самоочищения.
В связи с этим целью нашей работы явилось сравнительное изучение эффективности различных методов восстановления загрязненной нефтью дерново-подзолистой почвы в условиях длительного – четыре года – полевого эксперимента.
Объекты и методы исследования
На территории опытного поля Санкт Петербургского государственного аграрного университета в Пушкине мы заложили мелкоделяночный эксперимент. Для этого была выбрана высокоокультуренная дерново подзолистая почва, обладающая оптимальными для растений свойствами: высокое содержание гумуса и питательных элементов (фосфора, калия, азота), нейтральная реакция почвенной среды. Нефть равномерно разливали на поверхности почвы, имитируя аварийный разлив. Все делянки площадью 0,5 м2 одинаково загрязнялись нефтью в объеме 10 л/м2. Таким образом, содержание нефтепродуктов превышало концентрацию 50 000 мг/кг почвы, что намного выше существующих нормативов для Ленобласти (1000 мг/кг).
Для очищения загрязненной почвы от нефтепродуктов мы использовали два метода:
1. биостимуляцию аборигенной микрофлоры внесением минеральных удобрений и извести;
2. биоаугментацию – внесение биопрепаратов нефтедеструкторов на фоне минеральных удобрений и извести.
Мы выбрали пять биопрепаратов, официально разрешенных к использованию и считающихся успешными в очистке нефтезагрязненных почв и обозначенных нами как БП-1, БП-2, БП-3, БП-4 и БП-5. Сравнение результатов позволяет узнать, насколько действенны применяемые биопрепараты для восстановления загрязненной почвы (фото 1).
Все методы восстановления нефтезагрязненных почв следует оценивать с позиций их эффективности и экологической безопасности. Для этого важно выбрать надежные параметры, которые объективно отражают функционирование нефтезагрязненной почвы при ее рекультивации. Для оценки результативности методов реабилитации загрязненной почвы мы выбрали три критерия: величину надземной биомассы растений, величину так называемого «почвенного дыхания» (интенсивность выделения почвой углекислого газа как показатель нефтеокисляющей активности почвенных микроорганизмов) и результирующий показатель – остаточное содержание в почвах нефтепродуктов, по которому определяли долю «сработанной» нефти.
Важнейшая функция почв – это их способность обеспечивать рост растений, или продуктивность. Степень восстановления продуктивности почвы определяется с помощью измерения биомассы растений. В первые два года на делянках высевали смесь многолетних трав, райграс, овсяницу, мятлик и клевер (фото 2). В следующие годы происходило самозарастание. Надземную биомассу травянистых растений взвешивали в сыром виде сразу после скашивания. Почву для исследований отбирали с глубины 0–20 см через неделю после загрязнения и затем каждую осень. Содержание нефтепродуктов в почвах определяли спектрофотометрическим методом.
Следующим важнейшим показателем экологического состояния почв является скорость биохимических процессов, в т. ч. процесса биоразложения нефти. Микробное разрушение нефтепродуктов в почве всегда сопровождается интенсивным выделением углекислого газа, количество которого характеризует процесс полной минерализации нефт Внесение минеральных удобрений и извести через неделю после загрязнения активизировало почвенные микроорганизмы и вызвало резкий всплеск почвенного дыхания (контроль). яных углеводородов микроорганизмами. Интенсивность выделения углекислого газа («дыхание» почв) определяли в лабораторных условиях адсорбционным методом. Функциональное состояние комплекса почвенных микроорганизмов-нефтедеструкторов устанавливали по статистически значимым различиям между уровнем выделения углекислого газа микрофлорой контрольной почвы после внесения минеральных удобрений и извести (вариант биостимуляции) и микрофлорой нефтезагрязненных почв, в которые были внесены биопрепараты (варианты биоаугментации).
Результаты и их обсуждение
Внесение минеральных удобрений и извести через неделю после загрязнения активизировало почвенные микроорганизмы и вызвало резкий всплеск почвенного дыхания (контроль). Внесенные биопрепараты также активизировали процессы микробного дыхания. В вариантах с препаратами БП-1 и БП-3 эмиссия СО2 резко усилилась на 38–43% в сравнении с контролем, т. е. биопрепараты действовали эффективно, активизируя процессы разложения нефти. Препарат БП-2 не стимулировал «работу» микроорганизмов – дыхание осталось на уровне контроля. Но самое важное – установлено, что препараты БП-4 и БП-5, наоборот, угнетали почвенные микроорганизмы, почти вдвое снизив почвенное дыхание (на 41–51% относительно контроля).
Результаты определения биохимической активности нефтеокисляющих микроорганизмов показаны в табл. 1.
* Примечание. Здесь и далее в таблицах приведены данные среднего арифметического из четырех повторностей. Жирным шрифтом выделены варианты с достоверными отличиями от контроля
Через четыре месяца, к концу первого вегетационного сезона, стимулирование активности почвенных микроорганизмов в контроле и в вариантах с препаратами БП 1–3 прекратилось, дыхание в этих вариантах было практически одинаковым. При этом отрицательное действие БП-4 и БП-5 сохранилось, а в варианте с БП-5 даже усилилось, дыхание было почти в четыре раза ниже контрольного.
На второй год опыта действие биопрепаратов на почвенное дыхание фактически прекратилось. Во всех вариантах оно было на уровне контроля. Исключение составил препарат БП-5, который сохранил негативное действие и продолжал уменьшать количество углекислоты на 50%.
К концу третьего года различия в величине почвенного дыхания окончательно между нивелировались вариантами – уровень дыхания во всех вариантах был одинаков, что говорит о прекращении как положительного, так и отрицательного действия биопрепаратов на почвенные микроорганизмы, т. е. биопрепараты влияли на почвенное дыхание в полевом опыте только два года.
Теперь рассмотрим динамику содержания нефтепродуктов под действием биопрепаратов. Количество разложившейся нефти является главным показателем эффективности препаратов. В табл. 2 приведены результаты расчета разности между исходным содержанием НП и содержанием НП в год наблюдения, в % от исходного содержания, т. е. доля «сработанной» нефти.
В первый год лучше всех разлагал нефть биопрепарат БП-3, общее содержание нефтепродуктов в почве было ниже исходного уровня на 33%. Препараты БП-4 и БП-5, которые угнетали дыхание микроорганизмов, замедлили и скорость разложения нефти, она была ниже контроля, где разложилось 21% внесенной нефти, и составила 16 и 18% соответственно.
Выявленные закономерности разложения нефти сохранились до конца второго вегетационного сезона. Лучше всех продолжал помогать разлагать нефть биопрепарат БП-3, а препараты БП-4 и БП-5 оказались не просто неэффективны, но и замедляли разложение нефти.
К последнему году опыта остаточное содержание нефтепродуктов уже не различалось во всех вариантах. Это говорит об отсутствии преимущества микроорганизмов, внесенных с биопрепаратами, над оборигенными. Таким образом, и стимуляция, и подавление процессов биоразложения нефти биопрепаратами наблюдались лишь в течение первых трех вегетационных сезонов.
Далее поговорим о влиянии биопрепаратов на продуктивность почвы, которая является главным показателем состояния. Мы оценивали продуктивность по величине биомассы трав. Биомасса отражает рост и развитие растений и используется как универсальный показатель для оценки состояния экосистем (табл. 3).
Исследованные биопрепараты по-разному влияли на продуктивность загрязненной почвы. Внесение БП-3 увеличило биомассу трав почти в восемь раз. Схожим образом действовали препараты БП-1 и БП-2, биомасса после их применения в пять раз превышала контрольную. В вариантах с БП-4 и БП-5, наоборот, биомасса была значительно ниже, чем в контроле, соответственно на 41 и 32%. Это свидетельствует о сильном токсическом воздействии БП-4 и БП-5 на рост и развитие высших растений.
На второй год БП-1, БП-2 и БП-3 продолжали стимулировать рост трав – их надземная биомасса в пять–шесть раз превышала контрольную. В то же время отрицательное действие препаратов БП-4 и БП-5 на растения прекратилось – их биомасса соответствовала контролю. Данные по величине биомассы совпали с данными по биологической активности почв и интенсивности разложения нефти, подтверждая негативное действие биопрепаратов БП-4 и БП-5 в первые два вегетационных сезона.
К последнему году опыта продуктивность нефтезагрязненной почвы восстановилась и выровнялась, став сопоставимой со средней урожайностью трав в естественных условиях. За этот срок аборигенные микроорганизмы успели ассимилировать внесенные биопрепараты, чье положительное (БП-1, БП-2 и БП-3) и отрицательное (БП-4 и БП-5) действие закончилось.
Таким образом, стимулирующее действие биопрепаратов на продуктивность почвы продолжалось три года (фото 3), а отрицательное – два года.
Заключение
Подытожим вышесказанное. Внесение для очистки нефтезагрязненной почвы биопрепаратов-нефтедеструкторов с последующим посевом трав в условиях Северо Западного региона РФ в целом оказалось успешным. Однако исследование показало, что не все биопрепараты являются панацеей. Сравнение их эффективности выявило существенные различия. Из пяти изученных биопрепаратов только один положительно влиял на экологические показатели и процессы разложения нефти. Два препарата обладали номинальным положительным влиянием либо его отсутствием. Оставшиеся два препарата замедляли процессы разложения нефти, отрицательно влияли на экологические показатели и подавляли рост трав.
Биостимуляция также стимулировала активность почвенных микроорганизмов нефтедеструкторов, что подтверждается результатами изучения динамики комплексное использование агрохимических и биологических методов. При этом необходимым условием видится использование тщательно подобранных биопрепаратов (обязательна проверка их экологической безопасности), поскольку они сильно различаются по своей результативности.
В любом случае действие биопрепаратов – и положительное, и отрицательное – прослеживалось только в течение первых двух трех лет после их внесения. Ориентируясь на наши данные, мы можем предположить, что в целом действие биопрепаратов ограничено сравнительно недолгим сроком. На короткой дистанции биопрепараты могут быть эффективны, и их можно использовать для первичной очистки почв от нефтезагрязнения, а по истечении указанного срока в случае необходимости переходить на дополнительные методы очистки. нефтепродуктов в почве. Кроме того, необходимо учитывать, что агрохимические приемы (внесение удобрений, извести, полив и аэрация почвы) позволяют с наименьшими отрицательными последствиями и побочными эффектами восстанавливать почвенную экосистему после нефтезагрязнения.
В свете этого для рекультивации загрязненных нефтью почв наиболее действенным выглядит
