книги / Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов

•ультразвуковой (разбивка крупных почвен­ ных агрегатов на более мелкие, что, в свою очередь, увеличивает доступность загрязняющего вещества для микроорганизмов);

•внесение минеральных удобрений;

•внесение ПАВ, обеспечивающих диспергиро­ вание нефти и вследствие этого улучшающих ее контакт с микроорганизмами. Необходимо помнить, что повышение концентрации ПАВ до 5 % вызы­ вает угнетение микрофлоры. С целью активизации биодеградации нефти в почве применяются ПАВ-С1, неонол АФ-14, ПАВ ОП-Ю, полиакрилонитрил. Сочетание применения ПАВ с внесением мине­ ральных удобрений, особенно аммонийных форм азота и фосфора, ускоряет биодеградацию нефти;

• применение сточных вод ферм. Однако в каждом конкретном случае должно быть дано экологическое обоснование;

• внесение целлюлозосодержащих отходов — соломы, опилок. Эффективным является внесение опилок со стимуляторами разложения нефти.

Для биодеструкции идеальным является ней­ тральный pH. В кислых почвах для нейтрализа­ ции широко применяют известь. В нефтезагряз­ ненных почвах известь дополнительно нейтрали­ зует продукты разложения нефти и снижает подвижность токсичных веществ, ускоряет разло­ жение метаново-нафтеновых структур. Наиболее эффективным для ускорения биодеградации нефти в почве является внесение смеси извести и гажи карбонатной (туфа). Для нейтрализации щелочных почв используют гипс.

Методы внесения культур микроорганиз­ мов. Методы могут применяться при массирован­ ном и аварийном загрязнении, в сложных условиях, при отсутствии развитого естественного биоценоза. Преимуществами этих методов являются их селек­ тивность и возможность выведения штаммов микро­ организмов, разрушающих сложные токсичные соединения. Но эффективность методов не всегда бывает одинаково высока, поскольку многие куль­ туры «работают» лишь в относительно узком диа­ пазоне условий. Кроме того, иногда происходит вырождение микроорганизмов до достижения не­ обходимого уровня очистки. Их применение мо­ жет нарушать естественные биоценозы. Обычно для очистки используют бактерии (Bacterium,

Actinomyces, Artrobacter, Thiobacterium, Desulfolomaculum, Pseudomonas, Hydromonas, Bacillus

и др.), а также низшие формы грибов. Часто при­ меняют комплексные биопрепараты, которые содер­ жат не только целый набор культур, но и пита­ тельные вещества.

Используют также различного вида дрожжи. Для очистки почв и вод от пестицидов и гербици­ дов широко применяют грибки, бактерии и даже грибки с пересаженными бактериальными генами.

В сложных случаях эффективна очистка ком­ плексными биопрепаратами. При нефтяном загряз­ нении они используются наиболее широко. Так, суспензия, содержащая Pseudomonas, Nocardia, Flavobacterium и Candida, практически полностью очищает от нефти верхний слой почвы толщиной 20 см за 7 лет. Смесь Candida matlosa, ВКМУ-1506, Pseudomonas spp. в питательной среде также раз­ лагает нефтяное загрязнение. Можно использовать препарат «Noggies», предназначенный для разло­ жения в почве мазута, дизельного топлива, бензина, керосина, различных фенолов и формальдегидов. Препарат «Hydrobac» за пять дней снижает загряз­ нение на 60 %, однако массив нужно держать по­ стоянно увлажненным. Биопены фирмы «Biodetox» проникают на глубину 30—40 см, разлагая керосин, бензин и натуральные масла. Готовые биопены хранятся очень долго. Внесение в почву отходов дрожжевого производства в 2-10 раз увеличивает разложение нефти; то же установлено для молоч­ ной сыворотки. Можно использовать активный ил и белково-витаминный концентрат, особо обрабо­ танную массу дрожжей родов Candida и Rhodotoruba. Эффективным является применение

Candida guilliermondii-916 с целлюлозоразрушаю­ щим субстратом. Биопрепарат с сочетанием дрож­ жей и актинобактерий за 4 дня на 40-60 % снижает содержание гексадекана, парафинов, сырой нефти в воде с соленостью до 12 г/л. Препарат «Родер» используется для очистки вод (в дозе 0,1 кг/м“), почв и грунтов (в дозе 1 кг/м“) от 0,1-0,5 % нефтя­ ного загрязнения. В России для очистки почв от нефти чаще применяют «Деворойл», «Биоприн» (олеварин), «Путидойл» и другие биопрепараты (см. п. 4.2).

Северные регионы требуют внедрения наи­ более рациональных способов биовентилирования грунтов в связи со сложными природноклиматическими условиями. Необходимо предва­ рительно прогревать загрязненные грунты перед включением аэрирующей установки, чтобы создать благоприятные условия для жизнедеятельности аборигенной или привнесенной углеводородокисляющей микрофлоры (оптимальные температуры 20-25 °С).

5.2.4. Естественное разложение

Метод не является активной технологией вос­ становления почв; он основывается на самоочи­ щающейся способности окружающей среды (обычно посредством активизации аборигенной микрофлоры). Главная задача — правильно оце­ нить возможность использования этого метода на данной территории и проследить распространение загрязнения и очистку до завершения процесса. Является относительно дешевым методом, но не без недостатков. В целях гарантии отсутствия риска для окружающей природной среды необходим длительный мониторинг загрязненной области. Естественные процессы разложения загрязняющих веществ не позволяют полностью очистить терри­ торию до требуемого уровня в короткие сроки.

Этапы процессов самоочистки

На основе исследований, проведенных с помо­ щью модельных экспериментов, выделяют три наиболее общих этапа трансформации УВ в почве:

1)физико-химическое разложение алифатиче­ ских УВ;

2)микробиологическая деструкция главным образом низкомолекулярных УВ и новообразован­ ных смолистых веществ;

3)трансформация высокомолекулярных соеди­ нений — смол, асфальтенов, полициклических УВ.

Первый этап. Поскольку биохимическая актив­ ность почвы в первые дни резко снижена, на пер­ вом этапе деструкции УВ основная роль принад­ лежит физико-химическому «выветриванию», в ре­ зультате которого происходит распределение УВ по почвенному профилю, улетучивание и испарение газообразных и низкомолекулярных компонентов

под действием атмосферных осадков, температуры, ультрафиолетового облучения. Именно эти веще­ ства обладают токсическим действием на живые организмы. Первый этап длится 1-1,5 года. Уже через 3 мес в почве остается не более 20 % от исходного количества УВ.

Вышеуказанным процессам подвержены прак­ тически все гомологи УВ. Наиболее интенсивно физико-химическим превращениям подвергаются w-алканы с длиной цепи С12-С 16, полностью исче­ зающие к концу 1-го года. Методом инфракрасной спектроскопии (ИКС) показано, что в результате первичного физико-химического окисления в составе УВ повышается содержание алифатических и аро­ матических соединений, простых и сложных эфиров, а также карбонильных соединений типа кетонов. При этом окисленные продукты превращений более благоприятны для дальнейшей минерализации биохимическим путем. После удаления летучих и газообразных УВ и первичной трансформации длинноцепочечных парафинов сохранившие жизне­ способность микроорганизмы активно включаются в биологические процессы.

Микробиологические исследования в первые дни после загрязнения показали, что естественный микробный ценоз значительно подавлен. Этот период необходим микроорганизмам для адаптации к изменившимся условиям среды. Затем числен­ ность некоторых физиологических групп микро­ организмов повышается. Через 3 мес доминирую­ щими в преобразовании УВ становятся биохими­ ческие процессы, хотя химическое окисление, катализируемое минеральной составляющей, в это время может достигать 50 % от всей совокупности реакций трансформации УВ. Наиболее чутко на загрязнение реагируют углеводородокисляющие бактерии, которые проявляются через несколько дней после внесения УВ. Максимальное содержа­

после загрязнения и остается выше фоновых уровней на протяжении 2 лет. При этом изменение количества углеводородокисляющих бактерий коррелирует с изменением количества парафи­ новых УВ.

Второй этап. На втором этапе, который занимает несколько вегетационных периодов, происходит постепенное снижение содержания УВ, в основном

за счет низкомолекулярных компонентов. На этом этапе основную роль играют углеводородокисляющие микроорганизмы, снижающие уровень загрязнения приблизительно на 20 % от остаточ­ ного за каждый вегетационный период. Через четыре вегетационных периода общее количество остаточных УВ составляет 40-45 % от первона­ чального уровня.

Специально проведенными опытами было уста­ новлено, что углеводородокисляющие микроорга­ низмы в первую очередь утилизируют //-алканы

исходного, а через 3 мес они почти полностью исчезают. Скорость биодеградации более тяжелых алканов (С27-С30) ниже: через 1 мес их остается 50 %, через 3 мес — 30 %. Со временем скорость утилизации тяжелых алканов снижается. Биоде­ градация УВ на данном этапе сопровождается накоплением промежуточных соединений (арома­ тических и алифатических эфиров, кетонов, альде­ гидов и т. д.). Эти вещества, в свою очередь, вклю­ чаются в процессы биодеградации. Так, содержание метанонафтеновой фракции через 16 мес снизи­ лось (с 78 до 54 %), а нафтеноароматической — относительно возросло (с 12,2 до 18%). Значит, наряду с полной утилизацией низкомолекулярных компонентов происходит относительное обогаще­ ние почвы полициклическими ароматическими УВ, смолами и асфальтенами. Продолжительность этой стадии в оптимальных условиях составляет 1,5-2 года. Лишь через 27 мес отмечалось деструк­ тивное окисление ароматических структур. Биоде­ градация УВ осуществляется гетеротрофными бактериями, количество которых в верхнем гори­ зонте почвы через 4 года после загрязнения оказы­ вается более чем в 20 раз выше фоновых значений. При этом активность микроскопических грибов и актиномицетов подавлена, численность их ниже фоновых значений.

остаточных УВ снижается на 92 %, возрастает относительное содержание метанонафтеновых фракций, но снижается количество смол. Указан­ ные изменения могут быть объяснены процессами частичной биохимической деструкции УВ смоли- сто-асфальтенового ряда, а также новообразова­ ниями алифатических структур за счет моно-

и бициклических соединений нафтеноароматиче­ ского ряда. Второй этап деградации У В характе­ ризуется биохимическими изменениями практи­ чески всех групп УВ.

Хроматографический анализ метанонафтено­ вых фракций показал, что лишь 23,5 % //-алканов с длиной цепи С 17-С 30 характеризуются четким снижением их доли в составе остаточных УВ. Неравномерное изменение большинства парафи­ нов нормального строения объясняется разнообра­ зием структур в исходном веществе, а также появ­ лением метаболитов — УВ различной степени окисленности. По своей биохимической сути второй этап является соокислительным: неокисляющиеся соединения атакуются ферментами с помощью соединений, которые способны поддерживать рост микроорганизмов, таких как длинноцепочечные алканы.

Конец второго этапа характеризуется снижением численности микроорганизмов. Если ко 2-3-му году инкубации численность гетеротрофных микроор­ ганизмов в верхних горизонтах дерново-подзоли­ стой почвы была значительно выше фоновой, то на 4-й год она снизилась до уровня фона. Это же касается и мицелиальных грибов. К этому времени возрастает численность актиномицетов: их доля в общей численности микроорганизмов возрастает до 40 %. По-видимому, источником питания для

водят к низкой биологической активности, а сле­ довательно, к значительному снижению и прекра­ щению деструкции УВ.

Третий этап. На этом наиболее длительном по времени этапе утилизируются трудноразлагаемые УВ, накопившиеся в почве после первых двух эта­ пов. Их деструкция происходит в результате кометаболизма. На этом этапе возрастает численность углеводородокисляющих бактерий, осуществляю­ щих деструкцию полиароматических УВ и обра­ зующих дополнительное количество //-алканов, которые быстро утилизируются. Тем самым соз­ даются со-окислительные условия, благоприят­ ствующие кометаболизму более тяжелых поли­ ароматических УВ, в том числе бензо[а] пирена. При этом возрастает численность сопутствующей микрофлоры, потребляющей минеральный азот,

численность олиготрофных микроорганизмов, актиномицетов и спорообразующих бактерий; количество неспороносных бактерий и грибов восстанавливается до уровня незагрязненной почвы.

Третий этап начинается через 58-62 мес

иопределяется по исчезновению в остаточных УВ исходных и вторичных УВ парафинового ряда. Особое место занимают полициклические арома­ тические УВ, часть из которых обладает канцеро­ генным действием. Контроль состояния почвы по содержанию в ней бензо[я]пирена — наиболее сильного канцерогена — показал, что его количе­ ство превышает фоновые значения. Это объясня­ ется устойчивостью бензо[а]пирена к ферментам, поскольку его разложение возможно только в ре­ зультате реакций со-окисления.

Анализ хлороформенных экстрактов из дерновоподзолистых почв южной тайги с загрязнением 15- и 25-летней давности показал, что количество бензо[а]пирена сравнимо с его количеством в не­ загрязненной почве. Химические анализы под­ твердили, что только через 25 лет загрязнение почвы полностью исчезало, а ее микробный состав соответствовал составу незагрязненных почв.

Что касается высших растений, то при слабом загрязнении (до 1 0 %) восстановление первона­ чальных характеристик фитоценоза происходит за счет тонкомерных деревьев и увеличения приро­ стков сохранившихся экземпляров и заканчивается в среднем через 10 лет. Уже через год появляются всходы древесных растений хвойных и листвен­ ных пород, а через 5-6 лет наблюдается их актив­ ный рост. При среднем (10-40% ) и сильном (более 40 %) загрязнении восстановление древо­ стоя возможно только за счет сохранившегося подроста или подроста, появившегося после аварии. При среднем загрязнении преобладание восстано­ вительных процессов над дегрессивными начина­ ется на 4-5-й год после аварийных разливов нефти.

Кэтому сроку появляются массовые всходы дре­ весных растений хвойных пород, а также березы

иосины. Через 10 лет количество подроста состав­ ляет 87 % по отношению к контрольному количе­ ству. При сильном загрязнении первые единичные всходы древесных растений лиственных пород появляются на 6-7-й год, а всходы хвойных не наблюдались даже через 15 лет после загрязнения. Процесс восстановления фитоценоза растягивается на многие десятилетия.

Газовый конденсат и легкие фракции нефтяных УВ в значительно большей степени ингибируют жизнедеятельность древесных растений, чем сырая нефть и ее тяжелые фракции. Так, установлено, что наиболее токсичны для прорастающих семян сосны УВ газового конденсата и фракции нефти с температурой кипения 150-200 и 200-250 °С: при 2% концентрации этих УВ число жизнеспо­ собных семян по отношению к контрольному зна­ чению составляло соответственно 30 и 17 %, тогда как при воздействии на семена фракций с темпе­ ратурой кипения 250-300 и 300-390 °С этот пока­ затель одинаковый и равен 75 %.

Физико-химические факторы, влияющие на интенсивность биодеструкции УВ при самоочищении

Основными физико-химическими факторами, определяющими жизнедеятельность микроорганиз­ мов (рост, размножение, метаболизм), являются:

•температура;

•наличие физиологически доступной воды (влажность);

•аэрация;

•кислотность среды (pH);

•наличие биогенных элементов.

Температура. Микроорганизмы способны осу­ ществлять биохимические реакции и поддерживать жизнедеятельность при получении тепловой энер­ гии извне, поэтому наиболее важным фактором, влияющим на интенсивность биодеструкции угле­ водородов, является температура. Температура влияет на биодеградацию прежде всего за счет регулирования количественного и качественного состава микробных популяций, а также за счет воздействия на физические свойства и химический состав углеводородов. Поэтому интенсивность естественной деструкции углеводородов опреде­ ляется климатом региона и сезонными факторами.

Известно, что большинство нефте- и газоразработок, магистральных нефте- и газопроводов рас­ полагаются или на Крайнем Севере, или, наоборот, в южных широтах. Это обстоятельство делает акту­ альным изучение влияния экстремальных темпера­ тур на процессы утилизации углеводородов.

Скорости биохимических реакций подчиняются закономерностям, описываемым температурным коэффициентом:

где кг— константа скорости реакции при темпера­ туре /; А:/ - ю — то же, при температуре / + 10. При температуре 18-22 °С 0ю = 3,0-^4,0; при повыше­ нии температуры значения £?10уменьшаются. Таким образом, коэффициент Q\o определяет зависимость скорости реакций от внешней температуры.

Так как все биохимические процессы протекают в водных средах, механизм воздействия высоких или низких температур обусловлен агрегатным состоянием воды как в окружающей среде, так и внутри клетки. Микроорганизмы активны лишь

впределах так называемой биокинетической зоны,

вкоторой вода находится в жидком состоянии (при температуре от 0 до 100 °С) и доступна для клетки.

Минимальное и максимальное значения темпе­ ратуры, в пределах которых возможен рост микро­ организмов, определяются значениями, ограничи­ вающими перенос растворенных веществ через

формы жизни при этом погибают. Однако в послед­ ние годы появилась информация о том, что в горя­ чих водах гейзеров обнаружены активно функ­ ционирующие бактерии. Эти данные меняют наши представления о границах распространения жизни на Земле, что имеет важное значение для развития теоретической биохимии и микробиологии. Однако для практической экологии важно, что уже при тем­ пературе, близкой к 50 °С, большинство известных микроорганизмов погибает за счет инактивации дыхательных ферментов.

Влажность. Для нормального функционирова­ ния живого организма необходимы оптимальный уровень водно-солевого обмена и обеспечение транспорта питательных субстратов во внутрикле­ точные структуры. Только в условиях постоянства осмотической концентрации, ионного состава, кислотно-щелочного баланса, наличия внутрикле­ точного физиологического раствора микроорганизм активно растет и метаболизирует. Перечисленные условия выполнимы только при наличии в окру­ жающей среде в достаточном количестве физио­ логически активной воды.

Известно, что количество физиологически актив­ ной воды устанавливается по значению активности воды определяемой как отношение давления паров раствора к давлению паров чистого раство­ рителя. Чем выше концентрация органических и неорганических веществ в среде, тем ниже актив­ ность воды. Активность дистиллированной воды равна 1,0; в растворах это значение снижается с увеличением концентрации растворенных веществ. Бактерии в основном относятся к гигрофилам и растут на средах с л м = 0,93-Ю,98, дрожжи — на

зоне; в пустыне Сахара активность воды достигает 0,10. Это — минимальный уровень влажности, обнаруженный на нашей планете в природных условиях.

При достижении клеткой нижнего предела она может либо погибнуть, либо перейти в со­ стояние покоя (анабиоз). Некоторые организмы (растения и отдельные животные) обладают спо­ собностью переносить условия, при которых от­ сутствует физиологически активная вода. Такие организмы называют ксерофитами. Иногда такие организмы называют ксерофилами, т. е. «любящи­ ми засуху, предпочитающими безводные среды», что, на наш взгляд, неправильно, поскольку земная форма жизни основана на воде, а не на ее отсут­ ствии. Существование ксерофитов обусловлено тем, что их физиолого-биохимический аппарат адаптирован к извлечению воды из окружающей среды в том случае, когда она недоступна другим организмам. Одним из механизмов, позволяющих ксерофитам извлекать воду при ее дефиците, яв­ ляется развиваемое ими высокое осмотическое давление.

Недостаток влаги в окружающей среде оказы­ вает воздействие на метаболизм ксерофитов; как правило, интенсивность утилизации УВ и других веществ при низкой влажности существенно сни­ жается, поскольку энергия клетки отвлекается на осморегуляцию. При низком содержании влаги биохимическая активность клетки понижается из-за затруднения транспорта субстратов через клеточные мембраны. К тому же при недостатке влаги образования вводно-нефтяной эмульсии, необходимой для биодеструкции УВ микроорга­

низмами, не происходит. При зимней засухе клетки испытывают не только воздействие низких температур, но и недостаток физиологически активной воды и повреждающее действие кри­ сталлов льда.

Доля ксерофитов среди микроорганизмов не столь велика, чтобы была заметна их роль в био­ деструкции загрязнений. Для большинства микро­ организмов требуется достаточный уровень влаж­ ности. Во всех почвах, в том числе почвах регионов вечной мерзлоты или жарких пустынь, имеются хотя бы кратковременные периоды увлажнения, и ксерофиты проявляют в это время активную жизнедеятельность, запасая влагу впрок.

Степень увлажнения почвы влияет на развитие микроорганизмов не только в связи со степенью доступности воды, но и в связи с тем, что количе­ ство воды во многом определяет газовый режим почв и отдельных микрозон. Диапазон влажности для почвенных микроорганизмов очень узок и лимитируется, с одной стороны, активностью воды, а с другой — обеспеченностью кислородом. Опти­ мальная влажность процессов биодеструкции УВ в почве составляет около 60-65 %. При более низких значениях биодеструкция УВ снижается или вовсе не происходит. Для стимулирования естественных процессов самоочистки требуется регулярный полив загрязненной территории, а также оптимизация других факторов, таких как аэрация, обеспеченность биогенными элементами и т. д.

Таким образом, поддержание оптимальной влажности почвы является одним из важных агро­ технических приемов управления биологической активностью и оказывает эффективное воздействие на темпы разложения углеводородов. Улучшение водного режима путем полива обусловливает улучшение агрохимических свойств почвы, влияет на подвижность питательных веществ, жизнедея­ тельность микроорганизмов и активность биологи­ ческих процессов. Одновременно с этим усилива­ ется действие на микробиологическую и фермен­ тативную активность таких приемов, как внесение удобрений, рыхление и т. п.

Аэрация. Процессы разложения УВ происхо­ дят главным образом в аэробной среде. Для осу­ ществления биодеструкции требуется молекуляр­ ный кислород; в анаэробных условиях разложение УВ практически полностью прекращается. Моле­

кулярный кислород для окисления микроорганиз­ мами УВ (особенно таких, как толуол, ксилол, нафталин) необходим, потому что начальные этапы катаболизма УВ включают их окисление ферментами оксигеназами, для функционирования которых требуется молекулярный кислород. Кислород является также конечным акцептором электронов в процессах минерализации органи­ ческих соединений. Механизм окисления УВ

ваэробных условиях — это внедрение кислорода

вмолекулу, замена связей с малой энергией раз­ рыва (С—С, С— Н) связями с большей энергией разрыва (С—О, Н—О). Углеводородокисляющие

дородные субстраты, минерализовать их до С 0 2 и воды или превращать в соединения, утилизи­ руемые другими группами микроорганизмов при усиленной аэрации.

Углеводородное загрязнение ухудшает газовый обмен почвы и водоемов, поэтому они истощены кислородом, в результате чего усиливаются вос­ становительные процессы: денитрификация, сульфатредукция, восстановление железа, метаногенез. Известно, что в нативных условиях в почве сохра­ няются анаэробные зоны, однако большинство почвенных микроорганизмов (до 90 %) — аэробы. Среди них имеются так называемые микроаэрофильные микроорганизмы, способные развиваться при содержании кислорода в почвенном воздухе всего 0,13-0,26% и ниже (т. е. при содержании кислорода 1,0 мг/л). Если аэробные микроорганизмы развиваются в окислительно-восстановительных условиях при значении потенциала £/, = -(Ю 0-ь -ь450) мВ (гН2= 10*00), то облигатные анаэробы — при Ей =-{400050) мВ (гН2= 0*40). Таким образом, существует очень узкий диапазон Eh и /*Н2, при котором в почвах одновременно развиваются аэробы и анаэробы. Однако лишь I % микроорганизмов, усваивающих УВ, относится к анаэробам, все ос­ тальные — аэробы. Обеспеченность кислородом зависит от типа почвы, ее влажности, природы субстрата (окисленных, полуокисленных или бес­ кислородных), структуры микробного сообщества. В природных средах аэробные условия существу­ ют в верхних слоях почвы и на поверхности водо­ емов. Донные отложения, за исключением лишь верхнего слоя, лишены кислорода.

Кислотность среды (pH). Кислотность почвы играет важную роль в разложении УВ. Влияние pH на интенсивность биодеградации УВ объясняется взаимодействием ионов водорода с ферментами в цитоплазматической мембране. Значение pH окружающей среды может оказывать неблагопри­ ятное действие на активность ферментов в кле­ точной стенке. Кроме того, цитоплазматическая мембрана сравнительно мало проницаема для во­ дородных и гидроксильных ионов, поэтому pH внутри цитоплазмы всегда постоянен. Для под­ держания постоянства pH внутри цитоплазмы при иных значениях pH внешней среды клетка расхо­ дует часть энергии, ослабляя тем самым свою метаболическую активность.

Различные микроорганизмы способны к актив­ ному функционированию в широком диапазоне pH: от 1,0 до 13. Однако в природных условиях микроорганизмы существуют в более узкой области pH; так, pH различных почв колеблется от 2,5 (подзолистые почвы) до 11,0 (засоленные почвы пустыни). Реакция морской воды близка к 7,0. Значения pH, близкие к нейтральным, являются оптимальными для роста большинства бактерий. В подзолистых почвах с кислой реакцией этот фактор имеет решающее значение. Кислая реакция благоприятствует развитию дрожжей, но не бакте­ рий. Поэтому для очистки подзолистых почв и других объектов, pH которых <7,0, необходимо примене­ ние биопрепаратов на основе дрожжевых организ­ мов. Однако pH почвы в результате агрохимических мероприятий может быть повышен до уровня 7,0, что будет благоприятствовать развитию бактери­ альной микрофлоры. Для создания оптимального для бактериальных биопрепаратов уровня pH кис­ лые почвы подвергают известкованию, при этом известь снижает также подвижность токсических веществ, содержащихся в нефти.

Для активного восстановления дерновоподзолистых почв, превратившихся в результате загрязнения в техногенные солончаки и солонцо­ вые почвы, рекомендуется химическая мелиорация, в частности гипсование почвы. В этом случае при достаточном количестве влаги в присутствии гипса поглощенный натрий вытесняется кальцием, а об­ разующийся сульфат натрия вымывается, снижая техногенно обусловленную щелочность почвы.

Грибы, как и дрожжи, более адаптированы к росту и размножению в кислых условиях по

сравнению с бактериями. Показано, что если pH увеличить с 4,5 до 7,4, то скорость деградации в почве бензиновой фракции повышается в 2 раза; однако дальнейшее подщелачивание среды приво­ дит к снижению деструкции бензина. Разложение октадекана существенно усиливалось при увели­ чении pH с 6,5 до 8,0, но проходило с небольшой скоростью при pH = 5,0. Нафталиновые УВ разла­ гаются с одинаковой скоростью при любых значе­ ниях pH, если в качестве агента биодеструкции использовать активный ил.

Таким образом, состав активной микрофлоры и активность разложения УВ регулируются ки­ слотностью среды, что необходимо учитывать при ликвидации углеводородных загрязнений.

Наличие биогенных элементов. УВ представ­ ляют собой соединения, состоящие в основном из углерода и водорода, причем по мере усиления конденсированности УВ и увеличения их молеку­ лярной массы доля углерода в процентном отно­ шении увеличивается. Так, на долю углерода

впростейшем УВ — метане — приходится 75 %,

ав фенантрене — 94 %. Однако известно, что бак­ териальная клеточная масса состоит из 50 % угле­ рода, 14 % азота, 1 % фосфора и 0,5 % калия, т. е. на 1 кг микробной биомассы приходится 140 г азота, 10 г фосфора и 5 г калия. Для роста и разви­ тия микроорганизмов необходимо сбалансирован­ ное содержание в среде всех биогеных элементов. Поэтому помимо углерода, содержащегося в нефти, нефтепродуктах, газовом конденсате и других угле­ водородсодержащих веществах, клетка нуждается

вазоте, фосфоре, калии и других биогенных эле­ ментах для синтеза клеточной массы и ферментов.

При попадании УВ в почву или воду происхо­ дит изменение баланса между основными биоген­ ными элементами (углеродом, азотом, фосфором, калием, серой и т. д.); при этом в среде резко уве­ личиваются отношения C/N, С/Р, С/О и т. д., что приводит к нарушению конструктивного и анабо­

лического обмена в клетках микроорганизмов и к торможению процессов биодеструкции. В част­ ности, проблемы возникают при очистке морской и пресной воды, прудов, грунтовых вод, в которых азот и фосфор присутствуют в небольших количе­ ствах. В почвах биогенные элементы лишь в незна­ чительных количествах содержатся в доступном для утилизации виде; основная же их часть нахо­ дится в связанных формах и недоступна микроор­

ганизмам. Поэтому без добавления минеральных азотно-фосфорно-калийных удобрений в естествен­ ных условиях УВ усваиваются микроорганизмами лишь частично, и этот процесс замедляется или вовсе прекращается по мере исчерпания естествен­ ных источников азота, фосфора, калия и других биогенных элементов.

Для нормального роста бактерий на 17 частей углерода требуется приблизительно 1 часть азота: в загрязненной почве отношение C/N может дос­ тигать 400-500. С другой стороны, избыточное содержание в среде минеральных солей также

отрицательно сказывается на утилизации УВ, поскольку при этом нарушается транспорт веществ в клетку и повышаются затраты энергии для под­ держания градиента концентраций между клеткой и средой.

Потребность в питательных элементах различна в зависимости от типа почвы, однако практически во всех случаях внесение биогенных элементов в виде минеральных удобрений стимулирует раз­ ложение УВ в почве. При этом каждый из биоген­ ных элементов играет определенную роль в жизне­ деятельности клетки.

Среди современных физических и химических методов очистки нефтезагрязненного грунта широ­ кое распространение получили следующие методы воздействия:

• электрические (электролиз, электрофлотация, электрокаогуляция, электродеструкция, электро­ химические окисление, выщелачивание, обеззара­ живание и ионный обмен (EIX), электродиализ)

иэлектрокинетические (электроосмос, электрофорез

иэлектромиграция);

•магнитные и электромагнитные, исполь­ зуемые для очистки подземных и поверхностных вод, почв и грунтов. Применяются как в качестве самостоятельных методов реабилитации нефте­ загрязненных грунтов, так и в комплексе с дру­ гими методами in situ или ex situ. Эффективность методов достаточно высокая, однако вредное воз­ действие электромагнитного излучения на чело­ века и биоту экосистем ограничивает круг их применения;

•гидродинамические (дренаж, откачка, шунти­ рование, фильтрование, т. е. любое удаление загряз­ няющих веществ с фильтрующим потоком жидко­ сти). Используются для очистки подземных вод от загрязнений различного размера, вызванных раз­ ными загрязняющими веществами. Эффективно сочетаются с другими методами;

•аэродинамические (различного рода продувки, вакуумная и паровакуумная экстракция). Близки по механизму действия к гидродинамическим методам.

Загрязнение удаляется вместе с циркулирующим в массиве воздухом или газами. В основном исполь­ зуются для удаления из грунтов газообразных и жидких летучих УВ.

5.3.1. Стабилизация и отвердевание

Отвердевание — процесс покрытия загряз­ няющего вещества материалами с низкой проницае­ мостью, при котором оно заключается в капсулу, для того чтобы сформировать твердый материал и ограничить перемещение загрязняющего веще­ ства, уменьшить площадь поверхности, подвержен­ ную выщелачиванию. Отвердевание достигается химическими реакциями между загрязнителем

исвязывающим (укрепляющим) реактивом или механическими процессами. Отвердевание мелких частиц называется микрогерметизацией, в то время как отвердевание большого блока или контейнера —

макрогерметизацией.

Стабилизация — процесс уменьшения агрес­ сивности загрязняющего вещества с помощью химических реакций. Стабилизация химически нейтрализует опасные материалы или уменьшает их растворимость в окружающей среде. Физическая природа загрязняющего вещества в результате стабилизации может не меняться.

Стабилизация снижает известкование почвы, предотвращает фильтрование УВ сквозь ее слои

ипрепятствует его попаданию в грунтовые воды. Метод реализуется следующим образом: на пятно наносят химические вещества, ПАВ, которые