При проезде техники, связанной с осуществлением геологоразведки, бурением скважин и обустройством промыслов по добыче углеводородов происходит механическое воздействие на почву, при котором она лишается растительности и плодородного слоя. В условиях функционирования объектов по добыче углеводородов не исключены аварийные ситуации, приводящие к загрязнению почвы нефтью и газовым конденсатом, а также пирогенизации (выгоранию) такой почвы в случае возникновения пожара. Как на практике можно решить эти геоэкологические проблемы?
Для рекультивации (восстановления плодородия) нарушенной почвы, то есть лишенной растительности и плодородного слоя, О.П. Андреев и соавторы (2003 г.) предлагают покрывать ее смесью торфа и песка (в отношении 1:4) толщиной до 5-6 см, что, в конечном счете, должно ускорить регенерацию растительности, а, следовательно, и самой почвы. Для рекультивации загрязненной углеводородами или пирогенной (выгоревшей) почвы используют биокомпосты, представляющие собой торфо-навозную, торфо-пометную или другую смесь, переработанную под действием ферментов, а также обогащенную микроорганизмами и питательными веществами.
Однако в полевых условиях об эффективности рекультивации почвы можно будет судить не сразу, а только спустя продолжительное время после начала этой процедуры, которое в зависимости от климатических условий может составлять от одного года до десятков лет. Поэтому становится крайне важной оперативное получение ответа по эффективности рекультивации нарушенных, загрязненных углеводородами или пирогенных почв, что может быть достигнуто путем проведения краткосрочных лабораторных опытов с анализом ключевых показателей плодородия почвы. К числу таких показателей можно отнести активность фермента дегидрогеназы, продуцируемой микроорганизмами и растениями и широко применяемой при оценке плодородия почвы и эффективности ее рекультивации. Известно, что дегидрогеназа катализирует реакцию дегидрирования органических веществ (углеводов, спиртов, органических кислот и др.), поступающих в почву с растительными остатками и участвует в микробиологическом разложении углеводородов нефти и газового конденсата. Именно реакция дегидрирования органических веществ дегидрогеназой лежит в основе методики анализа ее активности.
Методика анализа активности дегидрогеназы
Для определения активности дегидрогеназы используют 2,3,5-трифенилтетразолийхлорид (2,3,5-ТТХ), C19H15N4Cl, бесцветное вещество, который, акцептируя мобилизованный дегидрогеназой водород, превращается в почве в 2,3,5-трифенилформазан (2,3,5-ТФФ), C19H16N4, вещество красного цвета (Ф.Х. Хазиев, 1976 г.):
C19H15N4Cl + H2 ® C19H16N4 + HCl
Для анализа активности дегидрогеназы различные навески, в виде почвы, торфа, почвы с добавлением торфа или биокомпоста массой 1 г помещают в модифицированные колбы Эрленмейера емкостью 20 мл с коленчатым боковым отростком емкостью 3 мл со шлифами.
В эти же колбы добавляют 0,1 г карбоната кальция, затем последовательно приливают по 1 мл 1%-ных водных растворов глюкозы и 2,3,5-ТТХ. Содержимое колбы перемешивают, а в коленчатый отросток вводят шприцем 2,5 мл насыщенного щелочного раствора пирогаллола, приготавливаемого с использованием гидроксида калия. Колбы и их коленчатые отростки герметично закрывают и на сутки помещают в термостат на инкубацию при температуре 30oC. После этого образовавшийся в вышеуказанных навесках 2,3,5-ТФФ кратно экстрагируют этиловым спиртом до достижения бесцветной вытяжки. Окрашенную же вытяжку пропускают через бумажный фильтр в мерную пробирку. Интенсивность окрашивания объединенных фильтратов этилового спирта измеряют спектрофотометром при длине волны 490 нм. Концентрацию 2,3,5-ТФФ вычисляют по калибровочному графику, составленному для этого вещества в диапазоне, например, 1-25 мкг 2,3,5-ТФФ/мл. Активность дегидрогеназы выражают в мг 2,3,5-ТФФ/(г∙cут).
Оценка эффективности рекультивации нарушенных почв с помощью торфа
Для оценки эффективности рекультивации двух нарушенных тундровых почв (Ямало-Ненецкий автономный округ) отбирали их усредненные образцы из слоя 0-6 см на участках в районе расположения установок комплексной подготовки природного газа. На одном участке растительность полностью отсутствовала, на другом - отмечалось лишь фрагментарное восстановление растительности в виде отдельных представителей травяно-злаковой ассоциации и мхов. Для рекультивации нарушенных почв применяли торф с зольностью 54%, который добавляли в почву в отношении 1:4. Здесь под зольностью понимается содержание золы в торфе, получаемой при нагревании последнего до температуры 800°С. В качестве эталонной почвы использовали 0-10 см слой торфяно-глеезема типичного тундрового с зольностью 39%. Образцы массой 50 г исходных почв и чистого торфа, а также почв с добавлением торфа, увлажненные до 70% от полной влагоемкости, инкубировали в чашках Петри в термостате при температуре 30ºС. Здесь под полной влагоемкостью понимается, то наибольшее количество воды, которое может вместить и удержать почва при затоплении всех ее пор водой. На 5, 10, 20 и 30 сут анализировали активность дегидрогеназы образцов.
В течение всего периода наблюдения добавление торфа существенно повышало активность дегидрогеназы нарушенной почвы без растительности и особенно почвы с растительностью соответственно на 11,4-23,4% и 29,1-51,9%, относительно почв без добавления торфа, что подтверждает высокую эффективность рекультивации нарушенных почв с помощью торфа. Активность дегидрогеназы чистого торфа не только достигала соответствующей активности эталонной почвы, но и в первые 5 сут была выше на 28,5%.
Оценка эффективности рекультивации загрязненных углеводородами и пирогенных почв с помощью биокомпоста
Оценивали эффективность рекультивации серой лесной почвы (Московская область), загрязненной нефтью в количествах до 50 и 100 г/кг. Рекультивацию почвы осуществляли с помощью биокомпоста «Пикса», изготавливаемого из торфо-навозной смеси по методике, описанной в работе А.Ю. Семенцова (2006 г.). Исследования показали, что образцы почвы, в которые биокомпост не вносили, характеризуются низкой активностью дегидрогеназы.
При внесении биокомпоста в дозах 50-200 г/кг активность данного фермента по сравнению с вариантом без внесения биокомпоста возрастала в 3,5-17 раз, что подтверждает микробиологический характер разложения углеводородов нефти. Параллельный анализ содержания углеводородов в почве методом инфракрасной спектрометрии и расчет времени практически полного разложения (Т99) углеводородов нефти показали, что с увеличением активности дегидрогеназы продолжительность разложения углеводородов сокращалась в 1,7-7,2 раза. Т99 рассчитывали из следующего уравнения:
T99 = ln100/k,
где ln - обозначение натурального логарифма; k - константа скорости разложения веществ, определяемая по уравнению k = ln (y0/y)/t; y0 - исходное содержание веществ; y - остаточное содержание веществ через время t.
В следующем эксперименте изучали эффективность рекультивации с помощью биокомпоста «Пикса» черноземной почвы участка дожимной компрессорной станции (Ставропольский край), загрязненного газовым конденсатом. Активность дегидрогеназы этой почвы до внесения биокомпоста оказалась низкой, то есть составляла всего 6,5% от активности фермента незагрязненного участка. После внесения в загрязненную почву биокомпоста активность дегидрогеназы возросла в 3-5 раз.
Результаты посева и выращивания многолетних трав (мятлика лугового - Poa pratensis, овсяницы красной - Festica rubra, райграса пастбищного - Lolium perenne и др.) на участке показали, что после внесения биокомпоста продуктивность трав, выражаемая в виде сырой биомассы, была выше в 4,4-16,9 раза по сравнению с вариантом без внесения биокомпоста.
Далее в работе оценивали эффективность рекультивации пирогенной почвы бермы шламового амбара (Ставропольский край). Необходимо отметить, что причиной случайного возгорания темно-каштановой почвы бермы амбара было ее насыщение углеводородами газового конденсата, поступающего в составе жидких отходов, образующихся при очистке полости газопроводов. Активность дегидрогеназы пирогенной почвы оказалась низкой, то есть составляла всего 4,7% от активности ферментов почвы невыгоревшего участка. Внесение в пирогенную почву биокомпоста «Пикса» в количестве 13 кг/м2 повысило активность дегидрогеназы в 3 раза относительно варианта без внесения биокомпоста.
Другим подтверждением эффективности рекультивации почвы является хорошее произрастание многолетних трав при внесении биокомпоста в различных дозах, что увеличило биомассу растений в 1,8-2,3 раза по сравнению с вариантом без внесения биокомпоста.
Таким образом, проведенные исследования позволяют прийти к заключению о возможности оперативной оценки эффективности рекультивации нарушенных, загрязненных углеводородами или пирогенных почв посредством проведения краткосрочных лабораторных опытов, как альтернативы продолжительным полевым наблюдениям. Эффективность рекультивации нарушенных почв с помощью торфа подтверждается возрастанием активности фермента дегидрогеназы, а загрязненных углеводородами и пирогенных почв с помощью биокомпоста - возрастанием активности дегидрогеназы и продуктивности многолетних трав, а также сокращением времени разложения углеводородов.
Владимир Башкин,
Рауф Галиулин,
Роза Галиулина
