Scientific journal

Название журнала на английском

ISSN 2500-0802

ПИ №ФС77-61154

Одним из экологичных способов восстановления нефтезагрязненных почв являются биологические методы, среди которых биоремедиация почв является наиболее привлекательной, которую возможно осуществлять непосредственно в местах нахождения нефтезагрязненной почвы и восстановить её исходные качества, чем и определяется общий интерес к изученности данной темы.

Цель: обзор способов биоремедиации нефтезагрязненных почв Казахстана.

Идея научного теоретического исследования: изучение закономерностей биоремедиационного процесса в эко-технологической зависимости.

Объект исследования: Нефтезагрязненные почвы Казахстана.

Результаты исследования и их обсуждение

Биоремедиация – способ биологической очистки почв с применением технологий и устройств, который может быть оптимизирован:

1) биостимуляцией – активизацией деградирующей способности аборигенной микрофлоры внесением биогенных элементов, кислорода, различных субстратов;

2) биодополнением – интродукцией природных и генно-инженерных штаммов-деструкторов чужеродных соединений.

Как известно, почва – это верхний слой литосферы [1] и как природный субстрат, обитаемый внутри и снаружи, имеет ряд свойств биосферы [2] и состоит из органических и неорганических компонентов [3], трехфазный, т.к. имеет твердую, жидкую и газообразную основу [3].

Основные функции почв [4] представлены на рис. 1.

Из рис. 1 следует, что почва выполняет природные (первые четыре функции) и технико-промышленные (последние две функции) задачи [5, с. 9].

Нефть – это, с одной стороны, важный энергоноситель и «аккумулятор» техногенеза, с другой – мощный загрязнитель почвы, угнетатель биохимических процессов на уровне почв, а при аварийных разливах – приводит к необратимым изменениям и формированию техногенных пустынь [6].

Нефть [7, с. 21; 8, с. 27]:

– дисперсная система со сложной внутренней организацией,

– представляет собой смесь различных углеводородов,

– преимущественно темная по цвету горючая маслянистая жидкость,

– под действием внешних факторов способна изменяться.

В химическом аспекте нефть [8, 9] имеет более 450 индивидуальных соединений, состоит из элементов углерода (83-95 %), водорода (11,5-14 %), а также серы (от 6-8 до 14 %), азота (0,02-1,7 %) и кислорода (0,05-3,6 %). Число углеродных атомов в углеводородах нефти колеблется от С1-С4 (газы) до С60 (твердые вещества).

Нефтегазовый сектор экономики Казахстана [10]:

– имеет стратегическое значение и среди нефтедобывающих стран мира входит в первую двадцатку (12-е место),

– хорошо развит в Западном регионе республики: в таких областях, как Актюбинская, Атырауская, Западно-Казахстанская, Мангистауская, Кзыл-Ординская.

Предприятия нефтегазового сектора экономики РК урон почвам наносят через [11]:

– механическое нарушение почвенного покрова,

– прорывы карт с нефтешламом и буровыми отходами,

– сбросы нефти в земляные амбары,

– разливы сырой нефти из-за аварий на скважинах, повреждений и коррозии трубопроводов,

– разливы водонефтяной смеси при разрывах трубопроводов,

– утечки нефти при производстве ремонта скважин.

Общеизвестно, что имеется корреляционная зависимость между повышением конкурентоспособности индустриально развитых регионов Казахстана и напряженной экологической ситуацией в связи с загрязнением почвы нефтью и нефтепродуктами [12].

Ниже приводится статистика, касающаяся нефтезагрязнений почв РК [11, 13-16]:

– при разведке происходит уничтожение на 70-80 % растительного покрова в радиусе 500-800 м вокруг каждой буровой установки.

– более чем 1,5 млн. га почв загрязнены нефтью и нефтепродуктами, большая часть из которых приходится на Мангистаускую (9 %), Западно-Казахстанскую (13 % или 194 тыс. га; разлито 3,3 – 7,5 млн тонн нефти), Актюбинскую (19 %) и Атыраускую (59 %) область,

– 267 участков общей площадью 650 га загрязнены радиоактивно (мощность излучения от 100 до 17000 мкр/час).

В дополнение следует отметить, что деградация почв происходит [17]:

– на производственных площадях нефтепромыслов,

– вдоль линий нефтепроводов,

– вдоль транспортных коммуникаций,

– на участках разведочного и геофизического бурения.

Из вышеизложенного следует, что почвы нефтепромыслов подвержены разрушениям почвенного покрова и загрязнениям сырой нефтью, буровыми отходами, минерализованными стоками и химическими реагентами.

Последствия от нефтехимических загрязнений в почвах проявляются на уровне генетических изменений вследствие необратимости процессов деградации. При этом наблюдается отсутствие должного эффекта от применения механических, физических и химических методов очистки почв от нефтезагрязнений [18].

В РК ПДК (предельно допустимая концентрация) для нефтепродуктов определена на уровне 100 мг/кг и 10 мг/кг на месторождениях, соответственно, Каражанбас, Жетыбай и Каламкас [19].

Ниже в качестве примера рассматриваются нефтезагрязненные почвы Атырауской и Павлодарской области.

Высокие уровни нефтепродуктов, согласно работе Сапарова А.С. (2009 г) [20], обнаружены в почвах Атырауской области вблизи месторождения Макат (на сильно замазученных участках превышение достигает 1725 ПДК), Тентексор (200 ПДК), Байшонас (138 ПДК), Комсомольское (137 ПДК), Доссор (127,2 ПДК), Сагиз (107 ПДК), Танатар (60 ПДК), Искене (24 ПДК), Каратайкыз (2,4 ПДК).

Автор публикации (Сапаров А.С., 2009), [20] классифицирует исследуемые почвы по степени нефтезагрязнения на сильно (107-1725 ПДК), умеренно (24 и 60 ПДК) и слабо (2,4 ПДК) загрязненные.

В дополнение следует отметить, что в Атырауской области (ТОО «Тенгизшевройл») остро стоит вопрос по решению влияния хранимой серы на грунт, т.к. на площади 1,3 млн га замазученность на некоторых нефтепромыслах достигает уже толщины 10 м [11].

На севере Казахстана почва загрязнена средними и тяжелыми фракциями нефтепродуктов, глубина пропитки достигает 15 см, уровень загрязнения варьирует в пределах от 30 до 300 г/кг почвы, с преобладанием темных нефтепродуктов [21].

Из вышеизложенного следует, что необходимо [22]:

– регулировать и контролировать техногенное воздействие на объекты окружающей среды;

– учитывать, как экономические потребности, так и состояние природных ресурсов;

– повышать устойчивость объектов окружающей среды на основе внедрения в производство эффективных механизмов рационального природопользования.

Нефтезагрязнения отрицательно влияют на физико-химические (ухудшаются агрофизические, агрохимические свойства почвы; понижается активность ферментов, обеспеченность почвы подвижными формами азота и фосфора) и биологические (вначале изменяется численность микроорганизмов основных физиологических групп, затем снижается биоразнообразие, происходит нарушение в биохимическом процессе жизнеобеспечения почв) свойства почв [23]. Нефть оказывает отрицательное влияние на жизнь растений, задерживает начало цветения. Цветки, загрязненные нефтью, не образуют семена [24], а при сильном нефтяном загрязнении происходит вымирание растительного покрова [25].

В табл. 1 представлены факторы, определяющие характер и степень нефтяного загрязнения почв.

Казахстан, как обладатель крупных запасов энергетических ресурсов. Казахстан обладает крупными запасами энергетических ресурсов (нефть, газ, уголь, уран) и является энергетической державой. Нефтедобывающая и газовая промышленность Казахстана располагает уникальными запасами углеводородного сырья. По разведанным запасам страна занимает 16-е место в мире (табл. 2) [29, 30].

Как видно из табл. 2, по добыче нефти расположение стран: крупнейшим производителем нефти в мире является Саудовская Аравия, второе место – у России, далее – США, Иран, Канада, Мексика, Венесуэла и другие [29, 31].

По запасам нефти картина немного другая, так лидирующее положение принадлежит Саудовской Аравии, на втором месте Иран, далее – Ирак, Кувейт, ОАЭ, Венесуэла, Россия, Казахстан, Ливия и Нигерия [29].

Среди стран СНГ, Казахстан по производству нефти занимает второе почетное место после Российской Федерации, а из 90 нефтедобывающих стран мирового сообщества, как это видно из табл. 2, входит в первую двадцатку. Доля Казахстана в общемировой добыче нефти составляет 1,8 %, газа природного – 0,6 % [29].

На рис. 2 представлен фрагмент карты «Развитие нефтегазодобывающего комплекса» [32].

Согласно статистическим данным [33], в РК в 2016 г. ресурсы нефти сырой находится на уровне 80,6 млн тонн, в том числе добыча составило 66,5 млн тонн, импорт 0,1 млн тонн (табл. 3).

Вязкость нефти и нефтепродуктов (котельное топливо, тяжелые нефти) больше вязкости воды, принимаемой равной 1, а вязкость бензина меньше вязкости воды [36, с. 14].

4. Температура вспышки, воспламенения и затухания:

– вспышки (для большинства нефтей ниже 0 °С) и воспламенения – минимальная температура, при которой пары нефти (нефтепродуктов) образуют с воздухом смесь, способную при внесении в нее пламени, искры к кратковременному (температура вспышки) образованию пламени или образуют устойчивое незатухающее пламя (температура воспламенения) [37, с. 16];

– застывания – температура, при которой нефть (нефтепродукты) в стандартных условиях теряют подвижность; показатель зависит от химического состава [37, с. 16].

5. Оптические свойства (способность вращать плоскость поляризации лучей света) для большинства нефтей характерно слабое правое вращение. С повышением температуры кипения фракции (с увеличением молекулярной массы) оптические свойства возрастают [37, с.16].

Как видно из табл. 5, физические показатели нефти входят, в основном, в определенный интервал значений [38].

Как уже отмечено выше, нефть состоит из углерода (79,5–87,5 % от массы) и водорода (11,0–14,5 % от массы). Дополнительно присутствуют еще три элемента – сера, кислород и азот. В чрезвычайно малых концентрациях в нефтях встречаются металлы [39] (расположены в алфавитном порядке): алюминий, барий, бор, ванадий, галлий, железо, йод, калий, кальций, кобальт, магний, марганец, медь, молибден, мышьяк, натрий, никель, серебро, стронций, хром, цинк.

Оригинальная классификация, отражающая химический состав нефти, предложена Грозненским нефтяным научно-исследовательским институтом (ГрозНИИ). В основу этой классификации положено преимущественное содержание в нефти какого-либо одного или нескольких классов углеводородов [40, с. 23].

Класс нефти [40, с. 23]: Парафиновое; Парафино-промежуточное, Промежуточно-парафиновое; Промежуточное; Промежуточно-нафтеновое; Нафтено-промежуточное; Нафтеновое.

Основание легкой части нефти для класса 1 и 2 – парафиновое, 3-5 – промежуточное и 6-7 – нафтеновое.

Особенности нефти Казахстана [41]:

1) залегает на глубине 1000–2000 м (с увеличением глубины залегания, повышением температуры и давления, у нефти улучшаются качественные характеристики: уменьшается вязкость, плотность, содержание серы, смол и асфальтенов);

2) являются мезозойскими (более 90 %);

3) по качеству: парафинистые; наиболее тяжелые и вязкие (содержат: в большом количестве парафин, смолы, асфальтены и меньшем – дизельную фракцию).

Методы очистки почв от нефтезагрязнений. На сегодня наибольшее распространение получили механический (способы: обволока загрязнения, замена почвы и откачка нефти в емкости, промывка почвы, сорбция нефти с поверхностного почвенного слоя) [42], физический (основаны на использовании электрического тока: электрохимическая и электрокинетическая очистка, температуры), химический (основан на использовании растворов поверхностно-активных веществ, сильных окислителей, таких как активный кислород, хлор, щелочные растворы) [43], агротехнический (основан на внесении удобрений), биологический (используют на третьем этапе рекультивации и основан на биовентиляции, биоремедиации и фиторемедиации) и комбинированный методы очистки почв от нефтезагрязнений.

В дополнение к вышеизложенному следует отметить:

1) из механического метода при крупных разливах нефти используют способ сорбции с применением специального оборудования, при том, что он является наиболее дорогим;

2) физический метод очистки:

2.1) электрокинетический способ физического метода очистки [44]:

– применяют для очистки глинистых и суглинистых почв;

– применяют при полной или неполной водонасыщенности от нефти и нефтепродуктов,

– основан на процессах электроосмоса, электрофореза,

– имеет высокую степень контроля и управления процессом очистки;

2.2) Электрохимический способ физического метода очистки высокозатратен (100-250$ за 1 м³ почвы) и основан на пропускании электрического тока сквозь почву, что приводит к электролизу воды, электрокоагуляции, реакции электрохимического окисления и электрофлотации [43];

3) химический метод очистки длителен по времени (до 4-х лет), на промывку почв требуется много воды, которую затем следует очищать, но эффективность очистки высокая (до 99 %);

4) биологический метод очистки (продолжительность восстановления занимает 2-3 сезона) [45]:

4.1) при биовентиляции через загрязненный пласт почвы усиленно пропускается воздух с целью обеспечения микрофлоры кислородом и, следовательно, разложения органических соединений до углекислого газа и воды [46];

4.2) при биоремедиации чаще всего используют биопрепараты на основе различных микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеградации компонентов нефтей и нефтепродуктов (свойство у микроорганизмов обеспечивается спец ферментными системами, осуществляющих катаболизм углеводорода [46, 47];

4.3) при фиторемедиации растительные сообщества осиливают очистку слабозагрязненных нефтью почв (период восстановления происходит в 3–4 сезона) [48].

Биопрепараты для очистки почв от нефтезагрязнений. В процессе теоретических исследований изучено 29 биопрепаратов, предназначенных для очистки почв от нефтезагрязнений. В результате была выявлена определенная закономерность, на основе которых разработана классификация разделения биопрепаратов по классам (рис. 3).

Если обратить внимание на действующее начала биопрепарата, то можно выделить группы, полученные на основе [49-51]:

– бактерий (например: Эконадин, Pseudomonas fluorescens; НПП «ЭКОНАД» Украина), микромицет (например: Микромицет, Пеницилиум; Биолант г.Калининград) и смешанных (например: Деворойл) культур;

– моно- (например: Путидойл, Pseudomonas putida; ЗапСибНИГНИ, г. Тюмень), ди- (например: Родер, из двух активных штаммов рода Rhodococcus; ГосНИИнефть, г.Москва) и поликультуры (например: Девройл; из сообщества липофильных и гидрофильных дрожжей и бактерий; ИНМИ РАН, г. Москва);

– микробиологических культур (см.выше) и их ферментов (например: UNI-REM, Bio Tech Service, США; FуrеZyme, Ecotech International, США).

В целом следует отметить, что на сегодня, способных деградировать различные углеводороды, выделено примерно родов среди бактерий 20, дрожжей – 19 и микромицетов – 24 (рис. 3) [52-53].

На практике для производства биопрепаратов от нефтезагрязнений чаще всего пользуются «услугами» следующих родов микроорганизмов [54, 55]: Acinetobacter, Agrobacterium, Arthrobacter, Bacillus, Corynebacterium, Enterobacter, Flavobacterium, Microbacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Nocardia, Nostoc,Pseudomonas, Rhodococcus, Stenotrophomonas.

При разработке биопрепарата следует учитывать требования, предъявляемые к микроорганизму деструктору углеводородов [56], они должны быть:

1) безопасными для природы;

2) хорошо изученными по биологическим (морфологии, физиологии, биохимии, генетике и экологии) и экологическим (биоресурсы и распространение) признакам;

3) эффективными в борьбе с нефтезагрязнениями;

4) устойчивыми к неблагоприятным факторам среды.

Соблюдение этих требований позволяет при очистке от нефтезагрязнений:

– в первом случае, не оказывать вред окружающей природной среде и, в частности, не оказывать вред здоровью человека;

– во втором случае – иметь возможность локально контролировать развитие и распространение микроорганизмов биопрепарата в биорекультивируемой среде – грунте или водном объекте;

– в третьем случае – интенсифицировать процесс очистки от нефтезагрязнений, превосходить аборигенов по степени деструкции;

– в четвертом случае – обеспечить процесс очистки в экстремальных зонах по климатическим, техногенным и другим аспектам.

В дополнение необходимо отметить, что эффективность биопрепарата тем выше, чем больше вероятность выделения деструктора из зоны загрязнения вследствие того, что они к условиям непосредственного применения адаптированы, устойчивы к действию аборигенов микроорганизмов [57, 58]. В качестве примере приводится информация о биопрепаратах в табл. 6.

Коммерческие биопрепараты можно также разделить на три категории:

1) это биопрепараты в виде суспензии, пасты или порошка, представленные из моно- или поликультуры углеводородокисляющих микроорганизмов (например, Девройл, Родер);

2) это биопрепараты, культуры которых дополнительно иммобилизованы на материалах сорбционного для углеводородов характера (например, Родотрин, Лессорб);

3) это биопрепараты, состоящие не только из микроорганизмов-деструкторов углеводородов, но и из микроорганизмов продуцентов биосурфактантов, а также иные добавки, улучшающие эффект очистки (например, Ленойл СХП Дестройл).

Кроме того, выпускаются биопрепараты, одни из которых непосредственно занимаются деструкцией нефтезагрязнений (вышеперечисленные биопрепараты), другие – усиливают процесс разложения нефти (например, Путидойл).

В дополнение к изложенной информации следует отметить, что отечественные биопрепараты «Мико-Ойл», «Бакойл-KZ» и «Экобак» также высокоэффективны при очистке почв от нефтезагрязнений. Так, биопрепарат «Мико-Ойл» показал высокий процент очистки (93 %) за короткий промежуток времени (1 мес.) при испытаниях на почвах Атырауской и Мангистауской областей) [78], тогда как биопрепарат «Бакойл-KZ» не только снижает содержание нефти в почвах, но и, с одной стороны, активизирует ферментативную активность почв, с другой, интенсифицирует почвенное дыхание (испытан на нефтезагрязненных почвах Атырауской области) [79], биопрепарат «Экобак» был успешно протестирован при аварии нефтепровода «Павлодар – Шымкент» в Карагандинской области в 2007 г. (очищено свыше 12 тыс. т. почвы) [80].

Таблица 6

Биопрепараты для очистки почв от нефтезагрязнений

Продолжение табл. 6

Продолжение табл. 6

Продолжение табл. 6

Заключение

Одним из экологичных способов восстановления нефтезагрязненных почв является биоремедиация почв, которую возможно осуществлять непосредственно в местах нахождения нефтезагрязненной почвы и восстановить её исходные качества, используя оптимизацию посредством либо биостимуляции, либо биодополнением.

Для грамотного ведения процесса очистки необходимы знания почвы и ее функций, как природных, так и технико-промышленных. Важно знать характеристики нефти, подвергаемые деструкции в этой связи по-разному. Более высокая плотность нефти указывает на большее содержание ароматических углеводородов, более низкая плотность – на большее содержание парафиновых углеводородов. Чем тяжелее фракционный состав, чем больше асфальтосмолистых веществ, тем выше вязкость. Нефть Казахстана имеют особенность: залегает на глубине 1000–2000 м; являются мезозойскими (более 90 %); по качеству: парафинистые; наиболее тяжелые и вязкие; содержат в большом количестве парафин, смолы, асфальтены и меньшем – дизельную фракцию. Причем с увеличением глубины залегания, повышением температуры и давления, у нефти улучшаются качественные характеристики (уменьшается вязкость, плотность; уменьшается содержание серы, смол и асфальтенов).

В мировой практике при биоремедиации чаще всего используют биопрепараты на основе различных микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеградации компонентов нефтей и нефтепродуктов (свойство у микроорганизмов обеспечивается специальными ферментными системами, осуществляющих катаболизм углеводорода).

На основе анализа известных 29 биопрепаратов разработана условная классификация разделения по классам для очистки почв от нефтезагрязнений. На сегодня известно примерно 20 родов среди бактерий, дрожжей – 19 и микромицетов – 24, способные деградировать различные углеводороды.

Для разработки новых биопреператов необходимо соблюдать требования: их безопасность для природы; хорошо изучить по биологическим (морфологии, физиологии, биохимии, генетике и экологии) и экологическим (биоресурсы и распространение) признакам; препараты должны быть эффективными в борьбе с нефтезагрязнениями; устойчивыми к неблагоприятным факторам среды.

Коммерческие биопрепараты сегодня можно выпускать в виде суспензии, пасты или порошка, представленных из моно- или поликультур углеводородокисляющих микроорганизмов; можно иммобилизовать на сорбционных материалах; можно выпускать комбинированными, состоящими не только из микроорганизмов-деструкторов углеводородов, но и из микроорганизмов продуцентов биосурфактантов, а также иными добавками, улучшающими эффект очистки [81]; обладающих деструкционными свойствами по отношению к нефтезагрязнениям и одновременно усиливающими процесс разложения нефти. Для выбора потенциальных вариантов биопрепаратов требуется также их технико-экономическое обоснование.