Экология

КРАЙНИЙ СЕВЕР: ОЧИСТКА ПОЧВ ОТ НЕФТИ

Как справиться с последствиями аварийных разливов нефти? Это нелегкая задача, особенно в условиях Крайнего Севера. Поэтому в Коми научном центре УрО РАН вот уже более десяти лет исследуют пострадавшие ландшафты, оценивая эффективность различных технологий рекультивации и способность биоценозов к самоочищению. В результате создана рабочая коллекция штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов, а затем на ее основе биопрепарат под названием "Универсал", промышленные испытания которого успешно проведены в Республике Коми, Пермской и Тюменской областях.

Для Республики Коми, как и других добывающих черное золото регионов России, аварийные разливы представляют серьезную проблему. Достаточно вспомнить 1994 г., когда в Усинском районе при прорыве магистрального трубопровода на ландшафт было излито около 200 тыс. т нефти. Это событие даже вошло в книгу рекордов Гиннесса. Было загрязнено и подвергнуто механическим нарушениям более 70 га земель, причем основная часть пострадавшей территории располагалась в зоне торфяников и болот. Концентрация загрязнителя достигала 600 - 850 мг/г, а глубина пропитки почвенного слоя колебалась от 30 до 150 см.

Подчеркнем: местные почвы характеризуются крайней чувствительностью к любым техногенным воздействиям. Разложение органических веществ в них протекает медленно, что обусловлено низкими значениями рН (в среднем от 3,5 до 4,5), маломощностью биологически активных горизонтов, а также коротким периодом положительных температур (2 - 2,5 месяца) и высокой заболоченностью территории. Кроме того, торфяники обладают очень большой сорбционной емкостью, и извлечение из них высоковязкой нефти, добываемой на севере Коми, - чрезвычайно сложная задача. Решить ее механическими способами полностью невозможно: мы лишь избавляемся от поверхностного загрязнения. И здесь особое значение приобретают биотехнологическис приемы, "запускающие" механизм естественного нефтеокисления.

В настоящее время для рекультивации загрязненных земель широко практикуется применение биопрепаратов, способных разлагать нефть. Они быстро снимают ее токсическое действие на естественное микробное сообщество, помогают очищению грунтов от углеводородов и продуктов их промежуточного распада, в том числе растворимых в воде. Альтернативные приемы биологической очистки почв, такие, как рыхление и внесение минеральных удобрений, в условиях Севера эффективны лишь на участках с невысоким уровнем загрязнения, где потенциал самоочищения и так достаточно высок. На сильно пострадавших объектах агротехнические подходы позволяют снизить содержание углеводородов на 15 - 20 % за сезон, биопрепараты - на 40, а совмещение этих подходов - на 60 - 80%.

Многие исследователи пришли к выводу: для работы с нефтяным разливом лучше применять препараты, микробные штаммы которых получены в близких почвенно-климатических условиях и при аналогичном составе углеводородного загрязнения. Поэтому в составе биопрепарата "Универсал", созданного в нашем институте, "трудятся" углеводородокисляющие бактерии из загрязненных почв Усинского и Ухтинского районов Республики Коми и ряда месторождений Тюменской области. Надо сказать, что в собранной нами рабочей коллекции насчитывается более 200 наименований штаммов бактерий и дрожжей, предпочитающих нефтесодержащий субстрат. Но токсикологическая экспертиза к настоящему времени проведена только по 12 видам, которые в разных сочетаниях (в зависимости от специфики загрязнения) применяются в составе "Универсала". В настоящее время проводится патентование наиболее удачных композиций. Среди используемых микроорганизмов есть хорошо известные и применяемые в других препаратах нефтеокисляюшего действия алканотрофы - представители родов Pseudomonas, Rhodococcus, Agrobacterium, Arhtrobacter. Присутствуют и малоизученные Variovorax, Kurthia, Rhodotorula и др.

ОПТИМАЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИИ

Чтобы оценить, насколько хорошо разлагаются нефтепродукты такими видами, как Pseudomonas, Rhodococcus, Variovorax и Rhodotorula (в чистой и смешанной культурах), взяли разные субстраты для их роста: нефти - "легкую" метанонафтеновую (Нижневартовское месторождение) и "тяжелую" с высоким содержанием смол и парафинов (Усимское месторождение), а также чистые н-алканы (парафины) с длиной углеродной цепи от 12 до 22 атомов углерода. Лабораторный опыт показал снижение общей массы углеводородов в составе нефти на 55 - 95% от исходного уровня. Однако оценить всю картину ее микробиологической переработки можно, лишь учитывая фракционный состав. Ведь, например, на месторождениях Усинского района содержание углеводородов колеблется в диапазоне 65 - 85%. Остальные 35 - 15% - гетероциклические соединения. В легкой же нефти Нижневартовского месторождения углеводородная часть может достигать 98%.

Как оказалось, группа Pseudomonas лучше "работает" с углеводородами, a Variovorax и Rhodotorula - с гетероциклическими соединениями, более устойчивыми к деструкции. В результате последние уже на третьи сутки начинают переходить в водорастворимую фазу. А затем эффективнее действует комбинация штаммов Rhodococcus и Pseudomonas.

Дрожжи рода Rhodotorula крайне редко упоминают в литературе в связи с деструкцией нефти. Наши исследования показали, что на некоторых стадиях восстановления пострадавших от разливов экосистем их нефтеокисляющая активность значительна. Так, выделенные из свежезагрязненных почв штаммы хорошо очищали субстрат от бензино-керосиновых фракций. Затем они активизировались по отношению к тяжелым парафинам, ароматическим и полиароматическим углеводородам, а на более поздних этапах самовосстановления почвенных экосистем проявились в преобразовании гетероциклических соединений. Там же, где разлитую нефть интенсивно выжигали, удалось выделить ряд штаммов, способных к эффективному разложению таких ксенобиотиков, как бенз(а)пирен.

Все изложенное позволяет составить условную схему биоремедиации почв. Итак, сразу после нефтяного загрязнения, когда еще довольно высок процент наиболее токсичных для большинства почвенной микрофлоры легких фракций, обработка должна производиться штаммами-деструкторами этих соединений (Pseudomonas sp. и Rhodococcus sp.). На следующем этапе для разложения парафинов и высокомолекулярных углеводородов используются штаммы, активные по отношению к ним (например, Rhodococcus sp. и Rhodotorulasp.). Вследствие роста нефтеокисляющей активности микрофлоры происходит всплеск образования водорастворимых углеводородных фракций, которые при высокой степени заболоченности Усинского района могут мигрировать за пределы рекультивируемой площади. Но, как сказано выше, с ними хорошо "справляется" тот же Pseudomonas sp. - выходит, его штаммы целесообразно вносить на этом этапе. Заключительные стадии очищения почвы от нефти характеризуются снижением массовой доли углеводородов и ростом гетероциклических соединений: по отношению к ним активны Variovoraxsp. и Rhodotorula sp. Они же способны воздействовать на углеводороды сложного строения.

Не стоит недооценивать и роль аборигенной микрофлоры, которая подключается к разложению нефтяных соединений сразу же после загрязнения. Использование естественного потенциала почв наряду с грамотным применением препаратов дает хороший практический результат. Однако было бы наивно полагать, что можно бороться с разливами нефти только с помощью биопрепаратов. Залогом успешной рекультивации земель является комплекс технических и биотехнологических приемов, каждый из которых играет свою роль в процессе очищения почв и вод от нефти и продуктов ее разложения. Это подтверждено многочисленными экспериментами, которые мы проводим уже более 10 лет, в том числе и в промышленных масштабах. Было восстановлено свыше 400 га земель в разных регионах России. А самые первые серьезные испытания "Универсала" были осуществлены в период борьбы с печально известным Усинским разливом 1994 г.

Тогда нам удалось очистить затопленную водой территорию площадью около 4 га. Под метровым слоем воды остался торф, на 50 - 80 см пропитанный нефтью. Степень его загрязнения составляла 450 - 750 мг/г. На этом объекте была реализована специально разработанная нами технология глубокой очистки почвы и воды от нефти и ее составляющих. В результате загрязняющие вещества последовательно извлекли из толщи грунта и убрали с поверхности воды, из которой затем удалили растворенные углеводороды. Гидрологический режим участка был восстановлен, проведена дополнительная обработка загрязненного почвенного слоя. Описанные работы продолжались два полевых сезона. А через год после их окончания растительность на участке восстановилась практически полностью.

Отметим экономическую выгоду от применения биопрепарата: расходы на него и связанные с ним технологические процедуры составляют не более 7 - 10% от обшей стоимости работ, а вклад в снижение содержания нефти может достигать 50 - 80%.

ПЕРЕРАБОТКА ШЛАМОВ

Из всего комплекса задач по реабилитации нефтезагрязненных территорий наиболее сложная - переработка шламов, образующихся при механическом удалении грунта после крупных аварийных разливов. Они накапливаются годами. В жидких шламах содержание нефти превышает 50 - 90%. Твердые шламы - это грунт, загрязненный ею не более чем на 50%. Их переработка в определенной мере взаимосвязана, и конечными результатами утилизации должны стать возврат нефти в товарооборот, получение вторичного сырья (битумов, асфальтов, парафинов), очистка грунтов и рекультивация.

На наш взгляд, утилизация твердых шламов - наиболее проблематична. Нефтесодержащие грунты, складированные в амбарах, отличаются крайне низкой биологической активностью по сравнению с почвами той же степени загрязнения. Кроме того, они состоят из субстратов с разным гранулометрическим составом, соответственно различающихся по сорбирующей способности. Долгое хранение способствует мощному связыванию загрязнителя почвенными частицами, что существенно затрудняет процесс его извлечения. А физико-химическое преобразование нефти с годами приводит к концентрированию соединений с большим молекулярным весом. Наконец, периодический отжиг нефтешламов способствует накоплению высокотоксичных полиароматических углеводородов, трудно поддающихся биодеструкции.

С помощью препарата "Универсал" нам удалось продвинуться в решении проблемы. Комплекс работ по утилизации нефтешламов, который мы совместно с ООО "Астарта" и ООО "ЭкоАльянс" разработали в Усинском и Ухтинском районах, включает разделение фаз (нефть-грунт-вода) и их последующую очистку. Извлеченные нефтепродукты доводятся до товарного вида. Вода очищается от взвесей методом осаждения, а от растворенных в ней углеводородов - биодеструкцией в условиях интенсивной аэрации. Грунт частично отмывают от загрязняющих веществ, вывозят на площадки биовосстановления и доводят до нормативных показателей с помощью препарата, минеральных удобрений и микроэлементов. Предложенная нами технологическая схема переработки нефтяных и газоконденсатных шламов позволяет в течение одного-двух полевых сезонов "освоить" фунт с очень высоким исходным уровнем загрязнения, не прибегая к сжиганию в нем нефтепродуктов - чрезвычайно вредной с экологической точки зрения процедуры. При этом отходы 3-го класса опасности переводятся в малоопасные 4-го класса, а также практически безопасные отходы 5-го класса.

Еще одна деталь. Немаловажен вопрос о том, куда девать переработанный грунт. Захоронение пусть и очищенного субстрата требует специальных условий. Оказалось, что и эту проблему можно решить благодаря заброшенным песчаным карьерам, долгие годы не зарастающим и подверженным ветровой и водной эрозии. На Крайнем Севере их восстановление затруднено дефицитом доступного органического субстрата. Ведь если в таежных районах можно организовать торфоразработки, то в тундре и лесотундре, особенно в районах с фрагментарной или сплошной мерзлотой, подобная деятельность считается экологически опасной. В этой ситуации и пригодился грунт, очищенный в ходе переработки твердых нефтешламов. По существу, решая одну экологическую проблему, мы справились и со второй: создали биологически продуктивный слой на участках выработанных карьеров.

Сегодня налажен выпуск биопрепарата "Универсал". Разработаны детальные инструкции по его применению на разных типах почв, для разной степени и длительности углеводородного загрязнения, чей изменяющийся состав также учитывается. Предложены рекомендации и инструкции по применению данного препарата для утилизации нефтяных и газоконденсатных отходов. А в Пермской области его включили в типовые проекты по комплексной переработке твердых и жидких шламов того же состава. В настоящее время аналогичные документы готовятся и для Республики Коми.

Кандидат биологических наук Мария МАРКАРОВА, старший научный сотрудник Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН