Бесплатно скачать, заказать диплом, курсовую, диссертацию Микробиологическая и ферментативная активность почв и грунтов при рекультивации нефтезагрязненных территорий

У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ

Сделать закладку на сайт

Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Книга жалоб
и предложений

Название	Микробиологическая и ферментативная активность почв и грунтов при рекультивации нефтезагрязненных территорий

Количество страниц	106

ВУЗ	МГИУ

Год сдачи	2010

Бесплатно Скачать	24782.doc

Содержание	Содержание ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 5 1. Обзор литературы 9 1.1. Химический состав нефти и токсичность нефтезагрязненных почв 9 1.2. Взаимодействие нефти с почвой 10 1.2.1. Распределение разлитой нефти в почвах и грунтах 11 1.2.2. Распределение нефтяных компонентов в загрязненных почвах 13 1.3. Динамика процессов трансформации нефти 15 1.3.1. Трансформация нефтяных веществ в загрязненных почвах 15 1.3.2. Биодинамика загрязненной нефтью почвы 16 1.3.3. Роль микроорганизмов в деградации нефти и нефтепродуктов 17 1.4. Скорость самоочищения почв от нефти в различных природных 22 зонах 1.5. Подходы к рекультивации нефтезагрязненных почв 24 1.6. Заключение 33 2. Объекты и методы исследований 35 2.1. Геологическое строение 35 2.2. Рельеф 35 2.3. Климатические условия 36 2.4. Почвенные условия 37 2.5. Объекты и методы исследований в микрополевом опыте 38 2.6. Материалы и методы микробиологического исследования почвы 40 2.7. Ферментативные исследования почвы 41 2.7.1. Фотоколориметрический метод определения активности 41 инвертазы (КФ 3.2.1.26) 2.7.2. Определение активности дегидрогеназы (КФ 1.1.1) 42 2.7.3. Определения активности уреазы (КФ 3.5.1.5) 43 2.7.4. Определение активности каталазы (КФ 1.111.6) в почве 44 (газометрический метод) 2.8. Химические методы исследований 44 3 2.9. Методы работы с фотоматериалом 45 2.10. Материалы и методы исследования образцов 45 при промышленном применении технологии рекультивации 3. Результаты воздействия различных рекультивационных приемов на 47 биодеструкцию нефти в почве 3.1. Изменение содержание нефти в почве 47 3.2. Изменение в почвенном микробоценозе 48 3.3. Ферментативная реакция почвы 54 3.4. Изменение рН в почве 58 3.5. Влияние вариантов рекультивации нефтезагрязненной почвы на 60 рост и развитие растений 4. Результаты использования технологии рекультивации 63 нефтезагрязненных территорий с применением препарата «Нафтокс» 4.1. Результаты использования технологии рекультивации 63 нефтезагрязненных территорий с применением препарата «Нафтокс» в 2000 году 4.1.1. Микробиологические исследования процессов 65 рекультивации нефтезагрязненных участков 4.1.2. Влияние биорекультивации на ферментативную активность почв 67 и ее кислотность 4.2. Результаты использования технологии рекультивации 72 нефтезагрязненных территорий с применением препарата «Нафтокс» в 2001 году 4.2.1. Микробиологические исследования процессов 74 рекультивации нефтезагрязненных участков 4.2.2. Влияние биорекультивации на ферментативную 75 активность почв и ее кислотность Обсуждение результатов 79 Выводы 81 Список цитированной литературы 83 Приложение 106 Введение 4 Список сокращений НП - нефтепродукты; У ОМ - углеводородокисляющие микроорганизмы; НГДУ БН - нефтегазодобывающее управление «Быстринскнефть»; ЦДНГ - цех добычи нефти и газа; КНС - компрессорная насосная станция; Шлам, амбар - шламовый амбар; Факельн. отвал - факельный отвал; к. - куст. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ Интенсивно протекающие процессы добычи нефти на территории Северного Приобья приводят к увеличению масштабов их загрязнения. Углеводороды являются одним из опаснейших, быстро распространяющихся и медленно деградирующих в естественных условиях загрязнителей. В общем объеме источников загрязнения природной среды на первое место выходят прорывы нефтяных транспортных систем. Интенсивность процессов естественного самоочищения природных объектов от нефтяного загрязнения зависит от природных условий региона, наличия влаги, тепла и активности жизнедеятельности почвенного биоценоза. В условиях Сургутского района, в летний период, эти факторы действуют в очень короткий промежуток времени (от 60 до 90 дней). Низкая биологическая активность почв, сложные горно-геологические условия разрабатываемых месторождений, значительные затраты средств на восстановление работы требуют дифференцированного подхода к каждому объекту рекультивации и четкого обоснования целесообразности, очередности, объемов, направлений и методов восстановления нарушенных территорий. Особую сложность представляет проведение рекультивационных мероприятий по удалению остаточных количеств нефтепродуктов после проведения мероприятий по механической очистке территорий, а также крупных разливов нефти на заболоченных территориях. Известную трудность составляет рекультивация земель, загрязненных тяжелыми фракциями углеводородного сырья. Успешная, экологически безопасная рекультивация таких загрязнений возможна только при применении микробиологического метода с использованием активных культур нефтеокисляющих микроорганизмов. Однако, активная жизнедеятельность этих микроорганизмов возможна лишь в условиях созданной им оптимальной экологической ниши. Это 6 предполагает разработку технологий применения бактериальных препаратов нефтеокисляющих микроорганизмов для каждой почвенно-климатической зоны с целью адаптации микроорганизмов к условиям среды обитания. Особое значение такая работа имеет в суровых условиях Северного Приобъя с коротким, жарким и порой сухим летом и длинной, суровой зимой. Разработка такой технологии возможна лишь при детальном изучении влияния загрязнения углеводородным сырьем на изменение биологической активности почвы и ее способность разрушать углеводороды до безопасных для жизнедеятельности растений соединений. Цель работы: комплексное исследование микробиологических и биохимических процессов и на их основе разработка рекультивации нефтезагрязненных почв Среднего Приобья. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи: 1. Изучить микробиологические и биохимические процессы в почве при загрязнении ее нефтью в условиях микрополевого опыта по разработке системы биорекультивации. 2. Исследовать динамику уменьшения содержания остаточной нефти в почве в результате применения препарата нефтеокисляющих микроорганизмов «Нафтокс». 3. Изучить микробиологические и ферментативные процессы рекультивации почв при использовании препарата нефтеокисляющих микроорганизмов «Нафтокс». 4. Разработать оптимальный состав компонентов биотехнологии, обеспечивающих максимальную активность микробоценоза в разрушении углеводородного сырья и оценить и их биотестированием. 7 5. Испытать разработанную биотехнологию в промышленных условиях и исследовать влияние на микробиологические и биохимические процессы в почве. Новизна. Впервые, в условиях Среднего Приобья, на подзолистых почво-грунтах проведены исследования по изучению динамики физиологических групп микроорганизмов и активности ферментов на нефтезагрязненных участках, протекающих в результате использования различных приемов рекультивации. Впервые в условиях Среднего Приобья разработана биотехнология рекультивации почво-грунтов, загрязненных углеводородным сырьем, на основе активизации почвенного микробоценоза мелиоративными, агротехническими, агрохимическими мероприятиями с внесением нефтеокисляющих микроорганизмов препарата «Нафтокс». Практическая значимость: использование теоретических результатов исследования для создания систем биорекультивации и биодиагностики самовосстановления нефтезагрязненных участков территорий. Применение рекомендованных систем для биорекультивации нефтезагрязненных территорий. Положения выносимые на защиту. 1. В условиях Среднего Приобья поступление нефти и нефтепродуктов в почво-грунты угнетает активность микробиоценоза и снижает их ферментативную активность. 2. Использование различных мелиорантов в качестве компонентов системы рекультивации почво-грунтов активизирует жизнедеятельность основных физиологических групп микроорганизмов и биохимические свойства почв. При этом отмечается снижении концентрации остаточной нефти. 3. Использование бактериального препарата «Нафтокс» в сочетании с системой минерального питания и оптимизации кислотности почвы вызывает наиболее активную биодеструкцию углеводородов в данной почвенно-климатической зоне. 4. При биорекультивации шламовых амбаров и разливов нефти с использованием препарата «Нафтокс» сроки и глубина загрязнения не оказывают существенного влияния на снижение остаточной нефти. 1. Обзор литературы 1.1. Химический состав нефти и токсичность нефтезагрязненных почв Углеводороды нефти подразделяются на четыре класса: 1. Парафины (алканы) - насыщенные соединения, имеющие прямую или разветвленную цепь. 2. Олефины (алкены) - ненасыщенные не циклические соединения. 3. Нафтены (циклопарафины) - насыщенные циклические соединения. 4. Ароматические (арены) - ненасыщенные циклические соединения. Токсичность чистых углеводородов нарастает в таком же порядке. В пределах каждого углеводородного ряда более легкие молекулы оказывают более сильное действие, чем тяжелые. Токсичность углеводородов обратно Ф пропорциональна их растворимости в воде и температуре кипения, независимо от класса (Пиковский, Солнцева, 1981). Легкие фракции нефти - алканы - обладают высокой миграционной способностью и легко продвигаются по почвенному профилю в грунтовые воды. Токсичны для растений и животных. Концентрация ароматических углеводородов нефти обычно составляет 20 - 40%, полициклических (ПАУ) - 1 - 4%. Среди ПАУ особое внимание # заслуживает 3,4-бензопирен, как представитель канцерогенных веществ, количество в 1 кг нефти достигает до тысячи мкг (Экология ...Д997). Ароматические углеводороды более токсичные компоненты нефти и трудно поддаются разрушению. Концентрация в 1% значительно угнетает высшие растения и губит все водные. Различные смолы и асфальтены, содержащиеся в нефти, обладают невысокой биологической активностью. В экологическом отношении им принадлежит роль в определении физико-химических свойств 10 нефтезагрязненных почв и грунтов. Помимо этого, они содержат основную часть микроэлементов нефти, в том числе и тяжелые металлы. Кроме этого, товарная нефть содержит воду до 1%, механические примеси до 0,01% и хлорид натрия. Эти компоненты в состоянии активно воздействовать на биологические процессы происходящие в нефти, в особенности при хранении и транспортировке. Для сырой нефти основными качественными характеристиками являются плотность, содержание серы и фракционный состав. Согласно ТУ 39-1623-93 и ГОСТа Р 51858-2002 нефти, добываемые на территории Западносибирской нефтегазовой провинции, обладают низкой плотностью (850-870 кг/м3, при 20°С), не высоким содержанием серы (до 1,5 %) и высокой фракционностью (Полищук, Ященко, 2003). Фитотоксичность почв и грунтов, загрязненных нефтью определяется структурным и гранулометрическим составом, а также содержанием в них органического вещества. При равной концентрации нефти, (в процентах к сухой почве), угнетающее действие в большей степени проявляется на обедненных гумусом суглинистых и песчаных субстратах, в наименьшей — на торфе (Андреева, 2004). Особенностью органогенных почв является высокая сорбирующая (блокирующая) способность. Предельно допустимые концентрации свежей нефти на песчаной почве, для всходов древесных пород, находятся в пределе 1%. При добавлении в загрязненный песок торфа (1:1) всхожесть семян ели и сосны повышается на 70%, а сохранность проростков увеличивается в 1,2-5 раз (Чижов, 1998). 1.2. Взаимодействие нефти с почвой Выяснение особенностей изменения геохимических свойств и режимов почв при поступлении нефти и ее компонентов позволило создать научное обоснование для определения направлений защиты и рекультивации почв. 11 1.2.1. Распределение разлитой нефти в почвах и грунтах Глубина проникновения нефти и ее компонентов зависит от ряда факторов: гранулометрического состава почв, степени их нарушенности (естественные почвы, насыпные грунты), уровня грунтовых вод в момент разлива и амплитуды его колебания в течение года, объема выброса, интенсивности разлива и количества несобранной нефти, уровня обводнения нефти, сезона и давности разлива, уклона местности, выраженности микрорельефа, эффективности мероприятий применявшихся для сбора нефти, и т.д. Легкие почвы (пески и супеси) легко поглощают нефть и промачиваются достаточно глубоко. При искусственном внесении нефти в дозах 10 и 20 л/м2 глубина проникновения составляет соответственно 8 — 10 и 13 — 15 см. С повышением дозы до 50 л/м глубина продвижения по профилю возрастает до 50 - 100 см, с достаточно равномерным распределением. Растекание нефти по территории имеет ручейковый характер. Наблюдается мозаичная структура разлива с более глубоким загрязнением западин и менее замазученными повышенными элементами рельефа. Горизонтальная миграция нефти в минеральном горизонте выражена слабо, поэтому нижняя граница имеет ломаный, подтековый характер, легко прослеживается визуально (Миграция ..., 1989; Солнцева, Садов, 1998). При аварийных разливах нефть быстро растекается по поверхности, проникновение в почву достигает не более 20 см на повышениях и 40 см - в ложбинах. Основное ее количество (90%) находится в 15-сантиметровом слое. В переувлажненных песчаных почвах глубина проникновения нефти обычно не более 15 см, причем 90% ее сосредоточено в слое 0-10 см. В ненарушенных свежих и влажных суглинистых почвах проникновение нефти обеспечивается старыми корневыми ходами и трещинам, вследствие чего нижняя граница весьма условна. На дренированных участках она встречается в количествах 0,5 - 1% на глубине 20 - 40 см. Коэффициент 12 вариации глубины проникновения в пределе 20 - 40%, достигая на отдельных участках 60 - 80 см. Распределение нефти в почвенном профиле неравномерное: до 50 - 80% сосредоточено в лесной подстилке, на границе подстилки с минеральным горизонтом, в верхнем оструктуренном минеральном слое; 90% - сосредоточено в 15-сантиметровом слое, глубже -резкое снижение концентрации. Проникновение нефти через профиль дерновых почв медленное и сопровождается резким фракционированием ее состава: верхние горизонты сортируют высокомолекулярные фракции, особенно смолы и асфальтены, в нижние горизонты и грунтовые воды по трещинам и ходам корней проникают и низкомолекулярные фракции, а так же растворимые в воде соединения (Андрюханов, 1998). В переувлажненных торфянисто-глеевых почвах распределение нефти имеет ряд особенностей. Самая высокая концентрация остаточного нефтепродукта наблюдается в верхнем 5-сантиметровом слое, но большее содержание нефти отмечается на границе между торфяным и'минеральным слоем на глубине 8-17 сантиметров. Вторая особенность этих почв - возможность вторичного перераспределения нефти по поверхности участка. При первоначальном, ручейковом растекании замазучиваются микропонижения. Кочки, приствольные и другие микроповышения остаются менее загрязненными. При снеготаянии или во время обильных осадков в ложбинах накапливается вода, что приводит к повышению пленки нефти и вторичному загрязнению повышенных элементов рельефа. Локализации разливов сооружением дамб или обваловок приводит, как правило, к интенсификации загрязнения за счет разливающейся воды (Миграция ..., 1989). Для гидроморфных почв важное значение имеет кратность подъема водного зеркала и скорость его опускания. Разовые подъемы наносят на повышенные элементы рельефа небольшое количество нефти, что приводит к формированию слабо загрязненных переходных зон по периферии разливов. При многократных колебаниях водной поверхности загрязняемость 13 , микроповышений за счет повторного загрязнения плавающей нефтью ft может стать более высокой, чем в межкочечных пространствах (Садов, 1997). Распределение нефти в почвах болот определяется преимущественно уровнем грунтовых вод, амплитудой колебания его в течение вегетативного сезона, а также плотностью деятельного горизонта торфа. На сфагново-осоковых болотах основное количество нефти сосредотачивается в верхнем 5-сантиметровом слое, на сфагново-кустарниковых - в 10 - 15 сантиметровом слое. Снижение концентрации с глубиной - постепенное. При падении уровня грунтовых вод нефть оседает на поверхности болота и постепенно затвердевает, образуя битумообразную корку. Значение болот в стабилизации экологической обстановки исключительно велико. Они выполняют роль ловушек, которые захороняют многие токсичные вещества, в том числе нефть и нефтепродукты (Экология ..., 1997). Грунты и песок, используемые при формировании шламовых амбаров, активно поглощают нефть и нефтепродукты. В зависимости от срока и интенсивности использования глубина проникновения варируется от 30 до 80 см. При этом формируется насыщенный нефтяными компонентами плотный неструктурированный горизонт. 1.2.2. Распространение нефтяных компонентов в загрязненных почвах « Сырая нефть, попавшая из скважины в природные экосистемы, включает в себя, помимо собственно нефтяных компонентов, технологические химические препараты и попутную пластовую воду, находящиеся с нефтью в различных соотношениях. Вследствие этого образуется комплексный загрязнитель, воздействие которого на почвы и другие компоненты ландшафтно-геохимических систем определяется количеством, составом и свойствами как органических, так и неорганических соединений. 14 Свойства почвы как гетерогенной системы определяют характер фракционирования этого многокомпонентного загрязнителя: частичное расслоение по удельному весу, вязкости, активности взаимодействия с почвенной массой и т.д. Почвы при этом играют роль хроматографической колонки, способствующей расслоению нефтяного потока на различные компоненты, задерживающиеся в верхних почвенных горизонтах, а минерализованные воды, которые, будучи более тяжелыми и менее вязкими, быстрее проникают в нижние горизонты. С течением времени дифференциация вещества углубляется. В частности, при движении нефтяных компонентов в почвенном профиле происходит сорбция асфальтово-смолистых компонентов нефти. В нижних горизонтах почвенного профиля уменьшается как количество, так и молекулярный вес нефтяных компонентов. Основным механизмом проникновения нефти в более глубокие горизонты является гравитационное стекание по ослабленным зонам -каналам миграции, что сопровождается насыщением нефтью объемов магистральных каналов, активным всасыванием в межпедные плоскости и диффузией в межтрещинную массу. Определенной защитой от проникновения основной массы нефти в самые нижние части почвенного профиля и линзы грунтовых вод в суглинистых почвах являются сорбционные барьеры: органогенные горизонты верхних частей профиля и иллювиальные горизонты (А2В, В1). В последних (В1) часто заканчиваются каналы миграции, и тогда в этих горизонтах создаются зоны повышенной битуминозности, где сорбируется основная часть асфальтово-смолистых компонентов, прошедших верхний сорбционный барьер. При загрязнении нефтью может увеличиться содержание органического углерода и битуминозных компонентов по всему почвенному профилю. Гексановые битумоиды, составляющие углеводородную фракцию нефтяного вещества, преобладают в верхней, элювиальной части почвенного профиля, тогда как на сорбционных барьерах в иллювиальном горизонте 15 накапливаются асфальтово- смолистые вещества, извлекаемые хлороформом и спирто-хлороформенной смесью. В исходной нефти полярной спирто-хлороформной фракции битумоидов практически нет. Она начинает образовываться в процессе деградации нефти в аэробных условиях. Можно полагать, что этот процесс на сорбционных барьерах происходит более интенсивно (Орлова, 1977; Пиковский, 1981). Количество битуминозных компонентов в самых нижних горизонтах почвенного профиля увеличивается главным образом в тех случаях, когда покровные суглинки подстилаются карбонатными пермскими отложениями. Формируется карбонатный барьер, который может наблюдаться как на нефтяных, так и на доновых участках - вне морфологически видимых потоков нефти. В последнем случае, скорее всего, это определено природной аномалией или загрязненными нефтью почвенно-грунтовыми водами (Пиковский, 1981). 1.3. Динамика процессов трансформации нефти. 1.3.1. Трансформация нефтяных веществ в загрязненных почвах Скорость и направленность изменения нефти в почвах, ее деградация определяется влиянием трех основных факторов: микробиологического, физического и химического. Эти процессы приводят в конечном итоге к полному изменению первоначальных свойств и качеств нефти (Никифорова и др., 1983). Микробиологические процессы ведут к частичному окислению и минерализации нефти. Продуктами бактериального разрушения метановых углеводородов могут быть гидрофильные новообразования типа альгаритов, слаборастворимых в органических растворителях. Физические процессы ведут к испарению легких фракций, вымыванию части углеводородов. 16 Химические процессы приводят к образованию трех основных видов продуктов: водорастворимых соединений, асфальтово-смолистых веществ и слаборастворимых или нерастворимых в органических растворителях продуктов типа оксикеритов и гуминокеритов (Глазовская, Пиковский, 1985). 1.3.2. Биодинамика загрязненной нефтью почвы Ведущая роль в биодеградации нефти в почвах принадлежит микроорганизмам. Изучение сложных микробиологических процессов, происходящих в почве, в связи с попаданием в нее нефтяных углеводородов, позволит эффективно регулировать эти процессы в целях ликвидации последствий загрязнения. Нефтяное загрязнение приводит в движение все компоненты комплекса почвенных микроорганизмов в почвах, обусловливает развитие «специализированных» групп микроорганизмов, участвующих на разных этапах в утилизации нефтяных углеводородов. Это касается как возрастающей численности углеводородокисляющих микроорганизмов, так и различных физиологических групп, принимающих участие в обеспечении биогенными элементами, например азотом (Трусей, 2004; Наплекова, 2004). Нефтяное загрязнение вызывает депрессию нитрификационного процесса. В почве, загрязненной нефтью, активно протекают процессы минерализации, что косвенно подтверждается многократным преобладанием численности бактерий, использующих минеральные формы азота, над числом бактерий, утилизирующих органический азот. В почве вырабатывается своеобразный компенсационный механизм ауторегуляции биохимических процессов. Например, увеличение соотношения C:N в загрязненной почве компенсируется круговоротом азота по более короткозамкнутому циклу. Исследования показали, что в загрязненных почвах снижается активность большинства почвенных ферментов. При уровне загрязнения до 20 % ингибируются гидролазы, протеазы, нитратредуктазы, дегидрогеназы 17 почв, несколько повышается уреазная и каталазная активность. В процессе самоочищения активность ряда ферментов постепенно восстанавливается, однако активность дегидрогеназы не восстанавливается даже спустя два года (Хазиев, Фатхиев, 1981). Снижение активности ряда почвенных ферментов в загрязненной нефтью почве может быть обусловлено как гибелью почвенной мезофауны и флоры - одних из источников почвенных ферментов, так и репрессирующим влиянием нефтяных углеводородов (Халимов и др., 1996). Дыхание почв так же чутко реагирует на нефтяное загрязнение. В первый период, когда микрофлора подавлена большим количеством углеводородов, интенсивность дыхания почвы несколько снижается. С увеличением численности микроорганизмов интенсивность дыхания возрастает, что косвенно свидетельствует об интенсификации процессов биодеградации нефтяных компонентов почвенным микробиоценозом. 1.3.3. Роль микроорганизмов в деградации нефти и нефтепродуктов Микробиологическая деградация сырой нефти и нефтепродуктов приобрела сейчас большое значение в связи с проблемой очистки загрязненных участков морей и почв. Биодеградация нефти осуществляется большим числом микроорганизмов. В контролируемых условиях изучено влияние физических и химических факторов на разложение нефти популяцией микроорганизмов. Процесс ускоряется в присутствии кислорода, при повышении температуры до 25°С и при добавлении источников азота и фосфора. Выделенные из почвы бактерии в состоянии расти на нефти различного качества. Анализ составных частей сырой нефти до и после роста бактерий показывает, что клетки используют, главным образом, углеводороды насыщенной фракции сырой нефти (Jobson, 1972). Высокой активностью отличаются культуры видов Mycobacterium lacticolum var. alphaticum, Mycobacterium ceroformas и некоторые

Список литературы

Цена, в рублях: (при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)	1425

Скачать бесплатно	24782.doc

Найти готовую работу

ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:

Связаться

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ

15.04.24 Задачи, условия и этапы организации экспериментальной работы

15.04.24 Критерии качества преподавания

15.04.24 Категория нормы в обучающей деятельности

Архив материала для курсовых и дипломных работ

Ссылки:

Счетчики:

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.