Биодеградация компонентов нефти и самоочищение загрязненных почв

В настоящее время имеется довольно обширная научная литература, посвященная трансформации и биодеградации отдельных классов углеводородов, входящих в состав нефти. Эта литература дает представление об общих закономерностях изменения отдельных структур. Вместе с тем в различных биоклиматических зонах трансформация нефти протекает по-разному и заканчивается на различных стадиях.

Экспериментальные наблюдения. Состав и соотношение продуктов метаболизма в реальных природных условиях зависят от состава исходной нефти (в основном) и от почвенно-климатических условий, в которых протекают процессы трансформации. Наблюдения за трансформацией некоторых нефтей в почвах проводились по программе комплексного эксперимента по изучению факторов самоочищения и рекультивации почв в различных природных зонах (Пиковский и др., 1985)^[1]. Наблюдения были проведены за изменением трех разновидностей нефтей: тяжелой нефти Бинагадинского месторождения Азербайджана (плотность 0,935), нефти Ярино-Каменноложского месторождения Пермской области (0,820), нефти Федоровского месторождения Западной Сибири (0,840). Первые две нефти были внесены соответственно на поверхность светлой серо-бурой почвы и дерново-подзолистой почвы вблизи мест своей добычи. Федоровская нефть вносилась в почвы разных природных зон: лесотундры, средней тайги и южной тайги (рис. 13).

Нефти вносились на поверхность почвы на небольших экспериментальных площадках в количестве 20 л/м². Часть нефти при этом могла испариться в атмосферу, часть была вынесенна за пределы загрязненных участков водным стоком во время сильных дождей, часть просочилась вглубь и сорбировалась почвенной массой. В светлых серо-коричневых почвах аридной зоны нефть проникла до глубины 10-13 см, в песчаных подзолистых и дерново-подзолистых суглинистых почвах гумидной зоны - до 30-40 см. Состав нефти, впитавшейся в почву, исследовался спустя разные сроки после загрязнения: от 0,5 до 24 месяцев.

Остаточная нефть экстрагировалась из почвенных образцов хлороформом без нагревания. После экстракции растворитель отгонялся путем естественного выпаривания при комнатной температуре. Выделенное вещество хроматографировалось в тонком слое с выделением метано-нафтеновой, нафтено-ароматической углеводородных фракций, смол и асфальтенов. Метано-нафтеновая фракция изучалась методом газожидкостной хроматографии на хроматографе марки “Цвет”, нафтено-ароматическая фракция - методом низкотемпературной флуориметрии, основанной на эффекте Шпольского, на спектрофлуориметре марки “Флу-орикорд” при температуре 77°К. Нефракционированная нефть

Рис. 13. Расположение участков проведения модельных экспериментов по изучению факторов самоочищения почв от нефти (/), и изучения природных моделей миграции нефти в почвах (2). / -

Лобытнанги; 2 - Новый Уренгой; 3 - Сургут; 4 — Палазна; 5 -Альметьевск; 6 - Речица; 7 - Борислав; 8 - Поти; 9 - Баку

исследовалась также методом инфракрасной спектрометрии, а в отдельных случаях - методом низкотемпературной спектрофлуо-риметрии. Эти исследования позволили конкретизировать данные по скорости и направленности процессов самоочищения почв, особенностям изменения их биологической активности и установить стадийность этих процессов. Кратко результаты работы сводятся к следующему.

Результаты экспериментов свидетельствуют, что несмотря на обнаруженные различия в скорости изменений отдельных классов углеводородов и фракций нефти, зависящие от почвенноклиматических условий и состава нефти, существуют и некоторые общие черты процесса ее внутрипочвенной деградации. Во всех случаях происходит снижение содержания нефти в результате физико-химических и микробиологических процессов ее разрушения и минерализации, перевода в нерастворимые или малоподвижные формы. Интенсивность процессов увеличивается с севера на юг. Так, в аридной зоне в течение года около 50% нефти превращается в различные продукты ее микробиологического метаболизма, которые остаются на месте. За этот же срок в почвах гумидных ландшафтов при менее глубокой трансформации нефти значительная часть мигрирует вниз по профилю и/или вы-

Таблица 35

Изменение во времени содержания нефти (%) в повах на экспериментальных площадках в зонах средней (Сургут) и южной (Пермь) тайги

Рис. 14. Линамика деградации нефти в почвах. А - серокоричневая почва сухих субтропиков (недостаточное увлажнение); Б - дерново-подзолистая почва южной тайги (переувлажнение). I -остаточная нефть; II - органические продукты метабоолизма нефти; III - проодукты минерализации нефти и нефть, мигрировавшая из зоны загрязнения

носится с поверхностным и внутрипочвенным стоками за пределы участков первоначального загрязнения (рис. 14, табл. 35).

Снижение содержания остаточной нефти в почвах сопровождается изменением ее химического состава. Эти изменения заметны уже в первые три месяца после попадания нефти в почву. По данным изучения ИКС хлороформных экстрактов в нефти относительно возрастает количество кислородсодержащих соединений типа алифатических эфиров, а также появляются сераорганичес-кие соединения. Происходит заметное относительное уменьшение групп СН2 и СНз (1470 и 1380 см^-1).

Процесс изменения состава нефти в почвах со временем отчетливо прослеживается по изменению содержания и состава ее групповых компонентов (рис. 15, табл. 36, 37). На фоне общего снижения концентрации нефти в почвах снижение содержания всех ее групповых компонентов происходит неравномерно. Относительно и абсолютно быстрее других компонентов уменьшается содержание метаново-нафтановой фракции. Эти углеводороды легче поддаются биодеградации, кроме того, они обладают более высокой растворимостью в воде, что облегчает их вынос за пределы участков загрязнения. Параллельно с уменьшением доли алканов существенно увеличивается в нефтях относительное содержание смолистых веществ. Это увеличение происходит не только за счет уменьшения доли других компонентов и более высокой устойчивости смол, но и за счет их новообразования в процессе трансформации нефти. Относительное содержание нафтено-ароматической фракции и асфальтенов в нефтях во времени меняется незначительно, хотя их абсолютное содержание в почвах также снижается. Рассмотрим изменения состава отдельных групповых компонентов нефти.

Таблица 36

Изменение во времени состава остаточной нефти, внесенной в гумусовый горизонт почвенного профиля светлой серо-бурой почвы А пгиеронского полуострова

Битумоиды

Примечание: в числителе - содержание в почве, в знаменателе -содержание в битумоиде

В изменении метаново-нафтеновой фракции уже в первые три месяца пребывания нефти в почве заметны явные признаки микробиологического воздействия. Заметно увеличивается количество изопреноидных структур - ненасыщенных углеводородов типа пристана (тетраметилпентадекан) с числом углеродных атомов в молекуле 19 и фитана (тетраметилгексадекан) с числом углеродных атомов 20. В течение последующего года содержание изопреноидов относительно снижается. Кроме того, снижается содержание углеводородов среднемолекулярной структуры (С20^-С24) и параллельно увеличивается содержание тяжелых (С27-СЗ7) углеводородов.

Таблица 37

Содержание групповых компонентов нефти в почвах через год после загрязнения (в % к первоначальному их содержанию в почве) по данным модельных опытов в природных условиях (горизонт А)

Для исходных нефтей характерен большой набор ароматических углеводородов - от низкокольчатых (нафталины, фенантрены) до многокольчатых - со структурой 3,4-бензпирена. Ароматические углеводороды представлены алкилзамещенными структурами, нафталины и фенантрены в основном ди- и триалкилзаме-щенными, пирен и 3,4-бензпирен - моно- и диалкилзамещенными. Селективное возбуждение позволило уверенно идентифицировать довольно широкий набор алкилзамещенных пирена: 3-метилпирен, 3-эгилпирен и ряд разновидностей диалкилзамещенных пиренов. Для соединений с молекулярной структурой 3,4-бензпирена установлено также отсутствие в нефтях моноалкильных гомологов 401-424 и диалкильных гомологов с началом флуоресценции от 412 до 417 нм. Голоядерные структуры 3,4-бензпирена ни в сырых нефтях, ни в их фракциях не обнаружены, хотя при его наличии в экстрактах из почв спектральная идентификация этого углеводорода не затруднена. Качественный состав ПАУ изученных нефтей в общем одинаков и сходен с составом норийской нефти. Однако наблюдаются некоторые различия в относительном содержании отдельных ПАУ. Так, для Ярино-Каменноложной нефти характерно относительно высокое содержание гомологов хризена, пирена и

Рис. 15. Трансформация нефти в почве (1-10 см). А - тундрово-глеевая почва (Л обытнанги): Б - подзолистая почва (Сургут); В -дерново-подзолистая почва (Палэзна); I - исходная нефть, 2 - через год, 3 - через два года, Г - светлая серо-коричневая почва (Бак> ): I - исходная нефть, 2 - через

3 мес., 3 - через 9 мес. Фракции нефти: М-Н - метано-нафтеновая; Н-А -нафтено-ароматическая; С - смолы; А - асфальтены

%

М-Н Н-А С А

%

%

3,4-бензпирена, для Федоровской - алкилфенилпиренов, в Бакинской преобладают гомологи нафталина и пирена (рис. 16, А, Б).

Изменения ПАУ нефтей в почвах в зависимости от времени загрязнения исследовались на примере нафтено-ароматической фракции, поскольку эта фракция по составу и содержанию ПАУ наиболее представительна. Таким образом, ароматические углеводороды могут являться одним из индикаторов трансформации нефтей в почвах.

В первые недели и месяцы после загрязнения происходят в основном абиотические процессы изменения нефти в почве. Идет стабилизация потока, частичное рассеяние, понижение концентрации, что дает возможность микроорганизмам адаптироваться, перестроить свою функциональную структуру и начать активную деятельность по окислению углеводородов.

Содержание нефти в почве резко снижается в первые месяцы после загрязнения (на 40-50%), в дальнейшем это снижение идет очень медленно. Меняются диагностические признаки остаточной нефти, вещество, первоначально почти полностью извлекающееся гексаном, затем преимущественно извлекается хлороформом и другими полярными растворителями. Увеличивается доля веществ, не извлекаемых из почвы органическими растворителями. Основной механизм окисления углеводородов разных классов в

Рис. 16. Полициклические ароматические углеводороды на разных стадиях самоочищения почв от нефти (по данным А.И. Оглоблиной): А - Федоровская нефть в дерново-подзолистой почве южной тамги. I - исходная нефть, II - через 3 мес, III - через 15 мес, IV - контроль; Б - Бинагадинская нефть в светло-серо-коричневой почве сухих субтропиков. I - исходная нефть, II - через 3 мес., III - через 9 мес., IV - через 15 мес. Углеводороды: 1 - нафталины, 2 - бензфлурены, 3 - фенантрены, 4 ~ хризены, 5 - метилпирены, в - 3-этилпирен, 7 - диалкилпирен, 3 - алкил-3,4-бензпирен, 9 -диалкил-3,4-бензпирен, 10 - 3,4-бензфлуорантен.

аэробных условиях, близких к условиям поверхности Земли,- это внедрение кислорода в молекулу, замена связей с малой энергией разрыва (С-С, С-Н) связями с большей энергией разрыва (С-0, Н-0). Из неорганических катализаторов на поверхности Земли главная роль принадлежит ультрафиолетовому излучению. Фотохимические процессы могут разлагать даже наиболее стойкие полициклические углеводороды за несколько часов. Внутри почвенного профиля они практически не идут, и главная роль в разложении углеводородов здесь принадлежит биологическому окислению. Катализаторами являются ферменты, вырабатываемые микроорганизмами, растениями и животными. Разные фер-

менты могут избирательно действовать на отдельные соединения или классы соединений.

Окисление углеводородов до СОг и Н2 происходит стадийно через ряд промежуточных продуктов.

• 1 Кислородные соединения: спирты, органические кислоты, альдегиды, продукты превращения метановых и алифатических цепей нафтеновых и ароматических углеводородов. Эти продукты легче растворяются в воде, поэтому будут легче мигрировать по почвенному профилю и выноситься из зоны окисления фильтрующимися внутрипочвенными потоками и грунтовыми водами. Кислородные соединения гораздо легче подвергаются процессам биодеградации, скорость их окисления увеличивается, часть их включается в состав почвенного гумуса.
• 2. Продукты уплотнения части окисленных циклических молекул углеводородов типа смолистых веществ; молекулы с третичным атомом углерода (нафтеново-ароматические, замещенные ароматические и нафтеновые, изоалканы), соединения с гетероатомами кислорода, серы, азота частично превращаются в высокомолекулярные продукты микробиологического разрушения. Эти продукты сначала будут фиксироваться в виде смолистых веществ, а в дальнейшем, вероятно, перейдут в более уплотненные твердые высокомолекулярные вещества, нерастворимые в органических растворителях; они мигрируют и надолго консервируются в почвах.
• 3. Новообразованные (“вторичные”) незамещенные циклические углеводороды и алифатические углеводороды нормального строения. Судьба этих углеводородов, по-видимому, такая же, как и их “первичных” аналогов.

Конечные продукты метаболизма нефти в почвах: 1) угле

кислота, которая может связываться в карбонатах, и вода; 2) кислородные соединения (спирты, кислоты, альдегиды, кетоны и др.), которые частично входят в почвенный гумус, частично растворяются в воде и удаляются из почвенного профиля; 3) твердые нерастворимые продукты метаболизма, результат дальнейшего уплотнения высокомолекулярных продуктов или связывания их в органоминеральные комплексы; 4) твердые корочки высокомолекулярных компонентов нефти на поверхности почвы (киры).

• [1] Работа проводилась под руководством М.А. Глазовской при участии А.А. Оборина, И.Г. Калачниковой, Н.М. Исмаилова, А.Г. Ахмедова, Н.П. Ильина и др.