Сивков Ю. В., Никифоров А. С. Снижение фитотоксичности нефтезагрязненных торфяных почв за счет применения восстановительных комплексов на основе поверхностно-активных веществ // Принципы экологии. 2024. № 2. С. 94–103. DOI: 10.15393/j1.art.2024.14322

Выпуск № 2

Оригинальные исследования

pdf-версия статьи

502/504

Снижение фитотоксичности нефтезагрязненных торфяных почв за счет применения восстановительных комплексов на основе поверхностно-активных веществ

Введение

Нарушение устойчивого функционирования почвенной экосистемы, связанное с поступлением в нее нефтезагрязнения, а также сопутствующее загрязнение подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха, растительности являются одной из актуальных проблем природопользования.

Тюменская область относится к территории, которая имеет высокий риск нефтезагрязнения окружающей среды в связи с большим количеством объектов нефтегазовой отрасли. Неуправляемые техногенные потоки углеводородов, образующиеся в результате добычи нефти и газа, их транспортировки, переработки и потребления, приводят к антропогенному преобразованию географической оболочки, при котором почвы имеют нулевой потенциал для функционирования природных систем (Пиковский, 1993). Когда нефть попадает в окружающую среду, ее соединения подвергаются физическим, химическим и биологическим изменениям (Бабаев, Мовсумзаде, 2009; Кирий и др., 2014; Баландина и др., 2014).

Проблема загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами решается различными методами рекультивации земель, среди которых наиболее значимым являются in situ – то есть методы восстановления почв «на месте» без изъятия нефтезагрязненного грунта. В современных условиях с повышением критериев к охране окружающей среды это связано в первую очередь с относительной эффективностью и безопасностью для местных экосистем, а также меньшими экономическими затратами в сравнении с методами ex situ (Никифоров, 2021).

На сегодняшний день основными методами являются: внесение удобрений, фитомелиоративные мероприятия, рыхление, известкование, добавление сорбентов, орошение, внесение ферментов или косубстратов, структурообразователей, поверхностно-активных веществ.

За последние годы накоплено немало результатов исследований, подтверждающих эффективность применения различных по химической природе поверхностно-активных веществ в биоремедиации (Плотникова и др., 2016; Куликова, 2019; Антипова и др., 2014; Неустроев, 2016 и др.). Однако особенности синергетических эффектов совместного применения поверхностно-активных веществ и биопрепаратов (удобрения, бакпрепараты) остаются слабо изученными как на биофизическом, так и на биохимическом уровне.

Цель исследования заключалась в изучении эффективности применения различных восстановительных комплексов на основе поверхностно-активных веществ и биопрепаратов для биоремедиации нефтезагрязненных торфяных почв.

Материалы

Объектом исследования являются торфяно-перегнойные типичные почвы на мелком торфе, а также торфянисто-перегнойно-глеевая солончаковая почва, расположенная в Тюменском районе Тарманского болотного массива. Растениями-торфообразователями служили осоки, тростник, гипнум и др.

Подстилающими породами являются мелкозернистые пески и песчаные глины четвертичных отложений (липовская свита), имеющие мощность 16 м. Ниже четвертичных осадков залегают породы палеогена (туртасская и куртамышская свиты). Литологические осадки свит представлены мелкозернистыми песками и глинами общей мощностью 25 м. Ниже располагается пласт глины регионального водоупора (тавдинская свита), мощность которого в пределах Тарманского болота 60–130 м.

Агрохимические свойства торфяных почв северной лесостепи тесно связаны с условиями их образования. Торфяная почва на среднем торфе имеет слабокислую реакцию среды (5.9–6.0 рН_сол.), гидролитическая кислотность составляет в среднем 22.7 мг-экв. на 100 г абсолютно сухой почвы. Торфянисто-глеевая почва, напротив, имеет слабощелочную реакцию (7.5 рН_сол.) и низкую гидролитическую кислотность (5.5 мг-экв. на 100 г абсолютно сухой почвы). Торфяная почва на мелком торфе и торфянисто-глеевая почва имеют высокую степень насыщенности основаниями (85.3–96.3 %) (Сивков, 2015).

Высокое содержание органических веществ и минералов в торфянисто-глеевой почве делает ее более плодородной, чем торфяной почвы на мелком торфе, поэтому они часто используются в сельском хозяйстве.

Методы

Процесс постановки лабораторного опыта заключался в моделировании загрязнения нефтью торфяной почвы из расчета 5 % от объема с последующим внесением восстановительных комплексов по следующей схеме в четырехкратной повторности (рис. 1):

1. Незагрязненная почва (П0);
2. Контроль (П1);
3. Гидробрейк 1:100 (П2);
4. Гидробрейк 1:100 + Дестройл (П3);
5. Гидробрейк 1:100 + Дестройл + Микориза (П4);
6. Гидробрейк 1:100 + Дестройл + Гумат (удобрения) (П5);
7. Рифей 1:20 (П6);
8. Рифей 1:20 + Дестройл (П7);
9. Рифей 1:20 + Дестройл + Микориза (П8);
10. Рифей 1:20 + Дестройл + Гумат (удобрения) (П9).

 

Рис. 1. Образцы нефтезагрязненной почвы

Fig. 1. Samples of oil-contaminated soil

 

В качестве поверхностно-активных веществ при проведении исследований использовались два вещества, применяемых для промывки почвы, загрязненной нефтью: гидробрейк и рифей.

Препаратами на основе поверхностно-активных веществ, применяемыми при проведении исследований по очистке почв от нефтезагрязнения, являлись коммерческие препараты «гидробрейк» и «рифей-эко». По данным производителей, состав гидробрейка представляет собой водный раствор биоразлагаемых поверхностно-активных веществ, слабых органических кислот и растительных экстрактов; состав рифей-эко: вода, смесь поверхностно-активных веществ (диспергаторы и деэмульгаторы), органические добавки, антиресорбент. Данные препараты были выбраны в связи с востребованностью их предприятиями, занимающимися ликвидацией аварийных разливов нефти, и недостаточным подтверждением их эффективности научными исследованиями.

Оба препарата имеют схожий способ и область применения, заключающуюся в многократном разбавлении водой (от 10 до 200 раз в зависимости от степени загрязнения) и последующем орошении нефтезагрязненного грунта или поверхности.

Для стимуляции процесса биодеградации нефтезагрязнения в образцах торфяной почвы применялся биологический препарат «Дестройл» (ПО «Сиббиофарм») на основе Acinetobacter sp. Этот препарат представляет собой порошок, состоящий из клеток микроорганизма, обладающих углеводородокисляющей активностью с концентрацией не менее 10⁸ клеток в 1 грамме препарата, остатков питательной среды (Никифоров, 2021).

Для поддержания процессов жизнедеятельности углеводородокисляющей микрофлоры в почву вносились микориза (ООО «Биоабсолют») и гумат (ООО «НПЦ «Эврика»).

Микориза – это симбиотическое союзное сообщество корней растений и грибов. Этот вид биологического удобрения позволяет повысить урожайность и качество продукции, а также снизить затраты на химические удобрения (Брындина, 2022).

Гумат – это органическое удобрение, обладает стимулирующими и адаптогенными свойствами. Повышает энергию прорастания, всхожесть, устойчивость к болезням, к стрессам от пестицидов, низких температур, засухи и других внешних условий; увеличивает коэффициент использования питательных веществ; снижает содержание нитратов в продукции. Он ускоряет рост и развитие растений, повышает урожайность и качество продукции, норма внесения 5–10 г на 1 м² или 10 г на 10 л воды (Грехова, 2015).

В качестве загрязнителя была использована нефть товарная, взятая из нефтепровода Шаим-Тюмень. Данная нефть имеет плотность 838–854 кг/м³, кинематическую вязкость 8.5 сСт и температуру застывания минус 14 °С. Также в нефти кроме основного продукта присутствуют механические примеси (не более 0.02 %), сера (не более 0.75 %) и хлористые соли (до 26 мг/дм³).

В процессе опыта контроль остаточного содержания нефтепродуктов в почвенных образцах осуществлялся в начале эксперимента, на 8-е и 26-е сутки по методике ПНДФ 16.1:2.21-98 «Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в пробах почв и грунтов флуометрическим методом с использованием анализатора жидкости "Флюарат-02"».

Оценку всхожести семян определяли согласно ГОСТ 12038-84 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести».

Для постановки эксперимента по определению всхожести использовались вегетационные сосуды емкостью 700 мл. Для каждого образца отбиралось по 50 семян овса посевного, которые были предварительно проверены визуально, чтобы убедиться, что они сходного размера и не повреждены. Затем семена дважды промывали этанолом (70 %). Высев семян производился в почву на 26-е сутки от начала эксперимента. Семена Avеna проращивали при комнатной температуре 20 ± 2 °С.

Для оценки степени токсичности образцов почвы в лабораторных условиях определяли показатели прорастания семян – всхожесть и среднюю длину всходов. Всхожесть семян рассчитывали как долю проросших семян, выраженную в процентах от общего количества семян, взятых для проращивания.

В результатах научной работы представлены среднеарифметические данные четырех повторностей вариантов опыта и стандартные ошибки. Для достоверного определения отличий в опыте и контроле использовали парный t-тест и двухфакторный дисперсионный анализ. Статистическую обработку осуществляли с использованием Microsoft Exel.

Результаты

Анализ остаточного содержания нефтепродуктов на начало опыта в торфяной почве на среднем торфе и торфянисто-глеевой почве показал значения 21.9 и 23.3 г/кг соответственно.

Через сутки после формирования отдельных проб был поставлен эксперимент с внесением в них компонентов в соответствии со схемой, представленной выше.

Отбор почвенных образцов для проведения исследования на содержание нефти производился на 8-е и 26-е сутки от начала эксперимента. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 1 для торфяной почвы на среднем торфе и торфянисто-глеевой почвы соответственно.

 

 Таблица 1. Динамика снижения остаточного содержания нефтепродуктов

Показатель	Варианты опыта
	П1	П2	П3	П4	П5	П6	П7	П8	П9
Торфяная почва на среднем торфе
1. Содержание НП, г/кг:
на начало опыта	21.9	21.9	21.9	21.9	21.9	21.9	21.9	21.9	21.9
через 8 суток	20.4	19	18.35	19.2	19.4	18.75	19.65	20.2	19.35
через 26 суток	17.5	15	14.4	14.15	13.7	14.2	16.7	15	14.5
2. Снижение остаточного содержания НП, %	20.1	31.5	34.2	35.4	37.4	35.2	23.7	31.5	33.8
Торфянисто-глеевая почва
1. Содержание НП, г/кг:
на начало опыта	23.3	23.3	23.3	23.3	23.3	23.3	23.3	23.3	23.3
через 8 суток	21.9	21.6	20.8	21.2	20.5	21.45	21.8	20.7	20.8
через 26 суток	18.75	16	16.7	16.3	15.2	18.1	18	16.5	15.8
2. Снижение остаточного содержания НП, %	19.5	31.3	28.3	30.0	34.8	22.3	22.7	29.2	32.2

 

Из таблицы видно, что во всех вариантах отмечается снижение остаточного содержания нефтепродуктов.

Анализируя эффективность применения восстановительных комплексов на основе поверхностно-активных веществ «Гидробрейк» и «Рифей», можно отметить их положительное влияние по всем вариантам лабораторного эксперимента, в среднем снижение остаточного содержания нефтепродуктов в первые восемь дней составило 11 %, а через 26 дней – 31 % по всем вариантам от начала эксперимента.

В вариантах с внесением помимо поверхностно-активных веществ биологического препарата «Дестройл» во все сроки не отмечено значительных отклонений от средних значений скорости снижения остаточного содержания нефтепродуктов. Так, в среднем по вариантам остаточное содержание нефтепродуктов для торфяной почвы на среднем торфе снизилось в первые восемь дней незначительно, в последующие 26 дней – в среднем на 32.8 %. Примерно аналогичная ситуация по остаточному содержанию нефтепродуктов наблюдается и для торфянисто-глеевой почвы.

Двухфакторный дисперсионный анализ данных, приведенных в табл. 1, показал влияние на снижение нефтепродуктов восстановительных комплексов для торфяной почвы на среднем торфе (F = 13.79 > F_U = 2.05) и торфянисто-глеевой почвы (F = 11.46 > F_U = 2.05), а также влияние продолжительности проведения эксперимента (F = 1458.01 > F_U = 3.10 и F = 1276.90 > F_U = 3.10 для соответствующего типа почвы).

Максимальное снижение концентрации отмечается в вариантах, где добавлялись поверхностно-активные вещества, биопрепарат и удобрение. Для торфяной почвы на среднем торфе значение составило 13.7 г/кг (П5), а для торфяно-глеевой – 14.5 г/кг (П9). Аналогичная ситуация отмечается и для торфяно-глеевой почвы, значение остаточного содержания нефтепродуктов составило 15.2 и 15.8 г/кг соответственно.

Рассматривая варианты применения поверхностно-активных веществ «Гидробрейк» и «Рифей», можно отметить, что снижение содержания нефтепродуктов в вариантах с применением «Гидробрейка» для обоих типов почв выше в среднем на 4.1 %, что по результату парного двухвыборочного t-теста не является статистически значимым различием (t_набл.= 0.76 < t_крит. = 2.06).

Анализ литературы показывает, что оценка фитотоксичности является наиболее подходящим биоиндикатором эффективности процесса восстановления плодородия нефтезагрязненных почв (Гашева и др., 1990; Фомченков и др., 1996; Капелькина, 2001; Назаров, Иларионов, 2005; Adam, Duncan, 1999; Banks, Schultz, 2005).

Результаты оценки всхожести семян и длины всходов в исследуемых образцах приведены на рис. 2 и в табл. 2.

 

Рис. 2. Результаты оценки всхожести семян в исследуемых образцах.

* – различия с контролем достоверны при р < 0.05

Fig. 2. The results of the evaluation of seed germination in the studied samples.

* – differences with the control are significant at p < 0.05

 

Таблица 2. Результаты измерения длины всходов в исследуемых образцах, мм

Номер образца	Торфяная почва на среднем торфе		Торфянисто-глеевая почва
	Min–Max	M ± m (p=0.05)	Min–Max	M ± m (p=0.05)
П0	65–185	108 ± 7.2	63–156	115 ± 7.9
П1	18–74	49 ± 2.8	35–81	62 ± 4.4
П2	14–88	61 ± 4.2	18–117	83 ± 5.7
П3	20–113	70 ± 4.8	64–144	108 ± 7.3
П4	15–97	65 ± 4.5	15–110	87 ± 6.3
П5	28–96	66 ± 4.5	55–150	106 ± 6.9
П6	38–101	59 ± 4.0	43–146	104 ± 7.0
П7	29–80	54 ± 3.6	35–120	98 ± 8.1
П8	35–92	68 ± 5.1	25–153	96 ± 7.7
П9	20–85	62 ± 4.4	45–128	95 ± 7.4

 

 

Из данных, приведенных на рис. 2, видно, что снижение фитотоксичности наблюдается во всех вариантах применения восстановительных комплексов. Всхожесть для торфяной почвы на среднем торфе для вариантов П2–П9 была выше, чем в контрольном варианте П1, на 6–32 %, для торфянисто-глеевой почвы – на 8–30 %. Максимальная всхожесть наблюдалась в вариантах П3, П7, П8 для торфяной почвы на среднем торфе и П3, П6, П7 для торфянисто-глеевой почвы. Двухфакторный дисперсионный анализ данных, приведенных на рис. 2, показал наличие статистически значимых различий между вариантами опыта (F = 58.21 > F_U = 2.04) и отсутствие существенного влияния типа почвы на показатели всхожести семян (F = 2.42 < F_U = 4.01) при уровне значимости α = 0.05.

Результаты измерения длины всходов в исследуемых образцах показали значительный разброс значений внутри каждого варианта опыта, что, очевидно, связано с наличием других неучтенных факторов, влияющих на этот показатель. Если учитывать только среднюю длину ростков, то в образцах, где применялись восстановительные комплексы, этот показатель был выше, чем в нефтезагрязненном контроле, на 5–21 мм для торфяной почвы на среднем торфе и на 21–46 мм для торфянисто-глеевой почвы. Результаты статистической обработки данных дают основания говорить о существенном влиянии типа почвы на длину ростков овса (F = 49.91 > F_U = 5.12).

Обсуждение

Добавление различных компонентов приводит к снижению остаточного содержания нефтепродуктов в первые восемь суток на 7.8–16.2 и 6.4–12.0 % соответственно для торфяной почвы на среднем торфе и торфянисто-глеевой почве по сравнению с контролем. Аналогичные результаты были получены в исследованиях, проводимых А. В. Ледневым и И.  А. Скворцовой (2017), где нефтезагрязнение торфяной почвы составляло 20 г/кг и в течение первых пяти дней доля извлечения нефтепродуктов равнялась 7 %. На 26-е сутки снижение остаточного содержания нефтепродуктов от начала эксперимента составило 23.7–37.4 % для торфяной почвы на среднем торфе и 22.3–34.8 % для торфянисто-глеевой почвы, на контроле остаточное содержание нефтепродуктов уменьшилось на 20.1 и 19.5 % соответственно. Эти данные подтверждаются результатами исследований И. И. Толпешта и др. (2015), в которых снижение загрязнения нефтью торфа с удобрениями в течение 2.5 месяца привело к уменьшению содержания в образцах нефтепродутков на 26 %.

В результате проведенного лабораторного исследования можно отметить, что наиболее эффективным является способ снижения загрязнения почвы нефтью с применением поверхностно-активных веществ, биологического препарата и удобрений, снижение концентрации в течение 26 суток в этом случае составляет 37.4 и 34.8 % соответственно для торфяной почвы на среднем торфе и торфянисто-глеевой почвы. Полученные результаты подтверждаются статистической достоверностью различия с контролем на 26-й день во всех вариантах кроме П7 на торфяной почве на среднем торфе и вариантов П6 и П7 на торфянисто-глеевой почве. Положительный эффект применения поверхностно-активных веществ отмечается в работе О. А. Куликовой (2019), через неделю после обработки почвы снижение уровня нефтяного загрязнения в почвогрунте составило 33.6 %.

В целом показатели всхожести и длины стеблей отражают эффективность применения восстановительных комплексов на основе поверхностно-активных веществ, тем самым подтверждая снижение фитотоксичности. В работе А. С. Чердакова и С. В. Гальченко (2020) говорится, что применения мелиорантов повышает уровень детоксикации загрязненной почвы, что выражается в снижении ее фитотоксичности. Исследованиями Э. Р. Зайнулгабидинови и др. (2014) установлена зависимость фитотоксичности почв от содержания в ней углеводородов, изменение концентрации загрязнителя во времени отражается на показателе фитотоксичности. Полученные в данной работе результаты не позволяют судить о высоте ростков как надежном показателе, характеризующем фитотоксичность нефтезагрязненных почв.

Заключение

Результаты статистической обработки данных, полученных в результате проведенных исследований, показывают, что все применяемые восстановительные комплексы приводят к статистически значимому снижению остаточного содержания нефтепродуктов (t_набл.= 4.77 > t_крит. = 2.07) по сравнению с контролем. Однако среди данных вариантов можно выделить наиболее эффективные восстановительные комплексы.  

Применение поверхностно-активных веществ привело на конец эксперимента к снижению остаточного содержания нефтепродуктов в среднем на 31 % для исследуемых типов почв. В контрольном варианте снижение остаточного содержания нефтепродуктов составило в среднем 19.8 %.

Необходимо отметить, что применение бакпрепарата «Дестройл» в дополнение к поверхностно-активным веществам не приводит к статистически значимому влиянию на эффективность биоремедиации (t_набл.= 1.56 < t_крит. = 2.07).

По результатам парного двухвыборочного t-теста статистически значимые отличия наблюдаются при добавлении гуматов в восстановительном комплексе на основе Гидробрейка (t_набл.= 4.12 > t_крит. = 2.07).

Оценка фитотоксичности почв показала, что значение всхожести семян Avеna превышали контрольные значения во всех вариантах с применением восстановительных комплексов на 6–32 %.

Результаты измерения длины всходов в исследуемых образцах подтвердили, что нефтезагрязнение оказывает угнетающее влияние на морфометрические показатели по сравнению с незагрязненной почвой. Однако в образцах, где применялись восстановительные комплексы, средняя длина всходов была выше, чем в нефтезагрязненном контроле, на 5–21 мм для торфяной почвы на среднем торфе и на 21–46 мм для торфянисто-глеевой почвы.

Библиография