Study of the effect of oil pollution on the physical, chemical, and microbiological properties of peat-marsh top soils using the mineral glauconite and microbial strains in laboratory conditions

Full Text

Введение Нефтяные загрязнения значительно снижают продуктивность и качество почв, приводя к изъятию земель из сельскохозяйственного или лесохозяйственного оборота. Сырая нефть малотоксична, а вот высокое содержание нефти в торфяных болотных верховых почвах резко ухудшает водно-физические свойства почв; близко расположенные грунтовые воды могут приводить к вторичному загрязнению. Кроме того, высокое содержание органического вещества в нефтезагрязненных торфяных болотных верховых почвах пожароопасно, что требует мер по скорейшей нейтрализации нефтепродуктов в сложной экосистеме [1; 2]. Применение природных материалов и разложение нефтепродуктов в естественной среде способны благоприятно изменить свойства почвы (химические, агрохимические, физические и микробиологические) без изъятия и изменения гидрологического режима и рельефа на нефтезагрязненном участке [2-15]. Цель исследования - изучение влияния нефтезагрязнения на физико- химические и микробиологические свойства торфяных болотных верховых почв при применении штаммов микроорганизмов и природного минерала глауконит. Искусственно проводилось загрязнение до концентрации нефтепродуктов в исследуемых образцах (далее - ИО): 300 мг/кг (ИО-300), 1000 мг/кг (ИО-1000), 3000 мг/кг (ИО-3000), 5000 мг/кг (ИО-5000), 10 000 мг/кг (ИО-10000) и 15 000 мг/кг (ИО-15000). С применением глауконита концентрация нефтеп родуктов снизилась до 79,9 %, с применением штаммов микроорганизмов содержание нефтепродуктов уменьшилось на 47,6-75,1 %. В исследуемых образцах торфяных болотных верховых почв отражены изменения физико-химических и микробиологических показателей [3; 4]. Материалы и методы Экспериментальные исследования свойств нефтезагрязненных торфяных болотных верховых почв, сорбционных материалов и биодеструкторов нефти по созданию устойчивого фитоценоза проводятся с использованием стандартных методов. Методы исследований предполагали заложение и проведение опыта по выявлению влияния разных объемных долей внесения нефти на химические и биологические характеристики торфяных болотных верховых почв. Исследования проводятся в лабораториях кафедры техносферной безопасности на базе ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» и аттестованных лабораториях на базе ЦЛАТИ. Микробиологические исследования проводились в лаборатории Томского института химии нефти СО РАН. Результаты Для выявления закономерностей воздействия различных доз нефтяного загрязнения на физико-химические и микробиологические свойства торфяных болотных верховых почв закладывался лабораторный опыт. Искусственно загрязнялись образцы торфяных болотных верховых почв сырой нефтью. В опыте изучалось шесть уровней загрязнения (от очень низкого до очень высокого). Физико-химические показатели нефтезагрязненных торфяных болотных верховых почв представлены в табл. 1. При моделировании нефтяного загрязнения происходит увеличение концентрации хлорид-ионов на 11,89-69,84 %, а также увеличивается концентрация сульфат-ионов на 80,99-91,01 %, что обусловлено их содержанием в нефти. Увеличивается концентрация солей натрия с 141 до 3151 мг/кг. С увеличением степени нефтяного загрязнения снижается зольность на 19,9 %, массовая доля влаги увеличивается на 43,6 %. Загрязненная торфяная болотная верховая почва становится наиболее кислой (pH = 4,7-4,2). Микробиологические показатели нефтезагрязненных торфяных болотных верховых почв представлены на рис. 1. Загрязненная торфяная болотная верховая почва характеризовалась повышенным содержанием педотрофной микрофлоры - 1,5 млн КОЕ/г за счет высокого содержания гуминовых веществ. Содержание других групп варьировалось в пределах от 0,2 до 0,9 млн КОЕ/г. Амилолитическая и аммонифицирующая микрофлора была представлена бактериями и микромицетами в равных долях. Торфяные болотные верховые почвы с концентрацией нефтепродуктов от 300 до 15 000 мг/кг вызвали рост численности микрофлоры всех исследуемых групп в 1,56-24,82 раза в зависимости от дозы внесения сырой нефти. Кроме того, внесение сырой нефти в торфяные болотные верховые почвы повлияло на видовой состав их микрофлоры: снизилось видовое разно образие, исчезли вегетативные формы бактерий, возросла доля почвенных грибов, в основ ном плесневых - Penicillium, Aspergillus и др., что свидетельствует о неблагоприятных условиях. Глауконит вносился в количестве 10 и 20 % от объема загрязненных торфяных болотных верховых почв. Изменение концентрации нефтепродуктов в торфяной болотной верховой почве при внесении минерала глауконита представлено в табл. 2. Рис. 1. Микробиологические показатели нефтезагрязненных торфяных болотных верховых почв Источник: составлено А.С. Боровской. Figure 1. Microbiological indicators of oil-contaminated peat marsh top soils Source: compiled by A.S. Borovskaya. Таблица 2. Изменение концентрации нефтепродуктов в торфяной болотной верховой почве при внесении минерала глауконит Концентрация нефтепродуктов, мг/кг До очистки 303±0,8 987 ± 2,5 3001 ±7,5 4978 ± 12,4 10025 ± 25,1 15055 ± 37,6 После очистки глауконитом в объемной доле 10 % от загрязненного грунта 120 ± 0,3 215 ± 0,5 973 ± 2,4 3597 ± 9,0 5683 ± 14,2 6722 ± 16,8 После очистки глауконитом в объемной доле 20 % от загрязнённого грунта 73 ± 0,2 149 ± 0,4 322 ± 0,8 792,5 ± 2,0 2102 ± 5,3 2796 ± 7,0 Источник: составлено А.С. Боровской. Table 2. Change in the concentration of petroleum products in peat boggy high-moor soil after application of the mineral glauconite Concentration of petroleum products, mg/kg Before cleaning 303±0.8 987 ± 2.5 3001 ±7.5 4978 ± 12.4 10025 ± 25.1 15055 ± 37.6 After cleaning with glauconite at a volume fraction of 10% of the contaminated soil 120 ± 0.3 215 ± 0.5 973 ± 2.4 3597 ± 9.0 5683 ± 14.2 6722 ± 16.8 After cleaning with glauconite in a volume fraction of 20% of the contaminated soil 73 ± 0.2 149 ± 0.4 322 ± 0.8 792,5 ± 2.0 2102 ± 5.3 2796 ± 7.0 Source: compiled by A.S. Borovskaya. Установлена положительная корреляция р = 0,87-0,99 при внесении глауконита 10 и 20 % от объема торфяных болотных верховых почв, загрязненных нефтью, что указывает на сорбционные свойства природного минерала глауконит по отношению к нефтепродуктам в торфяных болотных верховых почвах. Максимальная эффективность снижения нефтепродуктов до 79,89 % была при внесении глауконита в объеме 20 %. Физико-химические показатели нефтезагрязненных торфяных болотных верховых почв при внесении глауконита в объемной доле 20 % представлены в табл. 3. При изменении концентрации нефтепродуктов уменьшается концентрация хлорид ионов на 69 %. Уменьшается концентрация солей натрия на 89,7- 96 %, минерал глауконит содержит кальций и калий, вступает в ионно-обменную реакцию, изменяется концентрация солей. Увеличивается количество фосфора и азота соответственно на 47 и 68 %. Уменьшается на 62-67 % массовая доля влаги, восстанавливается водно-воздушный баланс. рН = 5,9-6,4 становится ближе к нейтральной. Микробиологические показатели торфяных болотных верховых почв после применения минерала глауконит представлены на рис. 2. Численность аммонификаторов микрофлоры увеличивается на 40 %. Амилолитическая микрофлора уменьшается при внесении глауконита при концентрации нефтепродуктов от 2102 мг/кг. Видовой состав микрофлоры не изменялся, а видовое разнообразие снизилось на ацидофильные бактерии, так как они способны жить в кислой среде, разлагая растительные полисахариды. Содержание нефтепродуктов в образцах после применения минерала глауконит и штаммов микроорганизмов представлено в табл. 4. Положительная корреляция составляет р = 0,98, что указывает на сорбционные свойства минерала глауконит и действие микроорганизмов по отношению к нефтепродуктам в торфяных болотных верховых почвах. Изменяется концентрация нефтепродуктов на 81-92 %. При концентрации 15 000 мг/кг остаточное содержание нефтепродуктов после применения минерала глауконит и штаммов микроорганизмов составляет 2453 мг/ кг. Рис. 2. Микробиологические показатели торфяных болотных верховых почв после применения глауконита Источник: составлено А.С. Боровской. Figure 2. Microbiological indicators of peat bog high-moor soils after the application of the mineral glauconite Source: compiled by A.S. Borovskaya. Таблица 4. Содержание нефтепродуктов в образцах после применения глауконита и штаммов микроорганизмов Концентрация нефтепродуктов, мг/кг До очистки 303±0,8 987 ± 2,5 3001 ±7,5 4978 ± 12,4 10025 ± 25,1 15055 ± 37,6 После очистки 31 ± 0,1 124 ± 0,3 324 ± 0,8 1102 ± 2,8 1504 ± 3,8 2753 ± 6,9 Источник: составлено А.С. Боровской. Table 4. Content of petroleum products in samples after application of the glauconite and microbial strains Concentration of petroleum products, mg/kg Before cleaning 303 ± 0.8 987 ± 2.5 3001 ± 7.5 4978 ± 12.4 10025 ± 25.1 15055 ± 37.6 After cleaning 31 ± 0.1 124 ± 0.3 324 ± 0.8 1102 ± 2.8 1504 ± 3.8 2753 ± 6.9 Source: compiled by A.S. Borovskaya. Физико-химические показатели нефтезагрязненных торфяных болотных верховых почв после применения минерала глауконит и штаммов микроорганизмов представлены в табл. 5. Уменьшается концентрация хлорид-ионов на 70 %. Снижается концентрация солей натрия на 95,9-97,9 %. Минерал глауконит содержит кальций и калий, вступает в ионно-обменную реакцию, в результате чего изменяется концентрация солей. Концентрация магния, железа, калия, кальция и алюминия остается неизменной. Содержание диоксида кремния увеличивается на 5 % (за счет химического состава глауконита). Количество фосфора и азота увеличивается в 3 раза. Массовая доля влаги уменьшается на 64-66 %. Также восстанавливаются водно-воздушный и щелочной балансы (pH = 4,6-4,8). Микробиологические показатели торфяно-болотных верховых почв после применения глауконита и штаммов микроорганизмов представлены на рис. 3. Рис. 3. Микробиологические показатели торфяных болотных верховых почв после применения минерала глауконит и штаммов микроорганизмов Источник: составлено А.С. Боровской. Figure 3. Microbiological indicators of peat-marsh top soils after application of the mineral glauconite and microbial strains Source: compiled by A.S. Borovskaya. После применения штаммов микроорганизмов и минерала глауконит остаточное содержание нефтепродуктов в торфяных болотных верховых почвах уменьшилось на 81-92 %, численность амилолитической, аммонифицирующей, олиготрофной микрофлоры остается неизменной. Численность педотрофной микрофлоры, участвующей в разложении органиче ского вещества при концентрации нефтепродуктов до 1101 мг/кг, увеличилась на 17 %, после 2453 мг/кг произошло снижение микрофлоры на 32 %. Численность углеводородокисляющей микрофлоры увеличилась в 3,5 раза, так как в составе содержатся аборигенные штаммы для разложения нефти. Видовой состав и разнообразие микрофлоры не изменились. Содержание микрофлоры по физиологическим группам близко к исходным показателям незагрязненной торфяной болотной верховой почвы. Заключение При моделировании загрязнения почвы нефтепродуктами с увеличением массовой доли нефти происходит увеличение концентрации хлорид-ионов на 12-70 %, сульфат-ионов на 81-91 %, что обусловлено их содержанием в нефти. Значительно увеличивается концентрация солей натрия с 141 мг/кг до 3151 мг/кг. С увеличением концентрации нефтепродуктов снижается зольность на 20 %, массовая доля влаги увеличивается на 44 %. Загрязненная торфяная болотная верховая почва становится наиболее кислой, рН = 4,7-4,2. Кроме того, внесение сырой нефти в торфяной болотный верховой тип почвы повлияло на видовой состав его микрофлоры: снизилось видовое разнообразие, исчезли вегетативные формы бактерий, возросла доля почвенных грибов, в основном плесневых - Penicillium, Aspergillus и др., что свидетельствует о неблагоприятных условиях. Максимальная эффективность снижения концентрации нефтепродуктов до 80 % была при внесении 20 % глауконита. При изменении концентрации нефтепродуктов уменьшается концентрация хлорид-ионов на 69 %. Уменьшается концентрация солей натрия на 89,7-96 %. Увеличивается количество фосфора и азота соответственно на 47 и 68 %. Уменьшается на 62-67 % массовая доля влаги, восстанавливается водно-воздушный баланс. рН = 5,9-6,4 становится ближе к нейтральной. Амилолитическая микрофлора уменьшается при внесении минерала глауконит. При внесении глауконита и штаммов микроорганизмов уменьшается концентрация хлорид-ионов на 70 %. Концентрация солей натрия выравнивается по отношению к исходному незагрязненному торфяному болотному верховому типу почвы, составляет 104-132 мг/кг. Уменьшается концентрация солей натрия на 95,9-97,9 %, диоксид кремния увеличивается на 5 %. Количество фосфора и азота увеличивается в 3 раза. Массовая доля влаги уменьшается на 64-66 %. Также восстанавливается водно-воздушный баланс, щелочной баланс, рН = 4,6-4,8. Численность педотрофной микрофлоры, участвующей в разложении органического вещества при концентрации нефтепродуктов до 1101 мг/кг, увеличилась на 17 %. Таким образом, можно сделать вывод, что при внесении глауконита и штаммов микроорганизмов нефтезагрязненная почва по физико-химическим показателям ближе к исходному состоянию незагрязненной торфяной болотной верховой почвы.

About the authors

Anastasia S. Borovskaya

Tyumen Industrial University

Email: nastja_2009@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-5850-1373
SPIN-code: 4688-7450

Postgraduate

38 Volodarsky St, Tyumen, 625000, Russian Federation

Elena V. Gaevaya

Tyumen Industrial University

Author for correspondence.
Email: gaevajaev@tyuiu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0631-9149

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor

38 Volodarsky St, Tyumen, 625000, Russian Federation

References

Supplementary files