В почвах отмечается только один слой с нефтяным загрязнением, покрытый слоем печка. Под слоем песка обнаружена маломощная аллювиальная дерновая почва на слоистых аллювиальных отложениях [2, 3].
Профиль почвенного разреза характеризуется тремя слоями: 1) насыпной супесчаный техногенный (R0гг, Crr, мощность - 10 см), 2) погребенный профиль аллювиальной дерновой почвы (Ah, AhQ мощность - 34 см), аллювиальные слоистые отложения подпочвы (С1, С2, мощность - 52 см).
R0rr 0-3 см. Темно-бурый, на поверхности бурые пятна пропитки антропогенной органического вещечства неясной природы, замазучен, редкие остатки растений, песок, влажный.
Rrr 3-10 см бурый с серым оттенком, насыпной, песчаный, влажный, понизан корнями трав.
Ah 11-26 см Серый, супесь, погребенный гумусовый горизонт, порошистый, влажный, редкие корни растений.
AhC, 26-45 см. Светло-бурый среднезернистый песок, бесструктурный, влажный.
С1, 46-65 см. Слоистые песчаные и супесчаные аллювиальные отложения, мокрый, глинофибровые прослои.
С2, >70 см. Серовато-сизый, песок, бесструктурный, сочится вода.
Согласно российской почвенной классификации (2004 Г.), название почвы определено как литострат на токсилитострате погребенной химически преобразованной аллювиальной слабодерновой почве [2].
По высокому содержанию среднего и крупного песка (>0.25 мм) выделяется верхний техногенный стратифицированный слой (0-20 см), который представляет собой супесь пылевато-, крупно-песчаную. В интервале глубин 20-40 см выделяется песок связный мелкопесчаный, в котором фракция мелкого песка является преобладающей (~91%). В почве на глубине 40-60 см отмечается высокое содержание крупной пыли при снижении содержания мелкого песка. Исходя из содержания физической глины (5-10%), слой диагностирован как связный песок крупно-пылеватый. В слое 60-80 см отмечается увеличение содержания мелкого песка (песок связный мелкопесчаный). Для слоя 80-100 см характерно увеличение содержания крупной пыли (0.05-0.01 мм) при снижении фракции мелкого песка. Этот слой представляет собой супесь крупно-пылеватую. На глубинах более 100 см наблюдается песок связный (почти рыхлый) мелкопесчаный.
Методы
Предварительное исследования направлено на определения токсикологического положения и агрохимических свойств почв, а также состава сырой нефти, необходимого для выбора метода ремедиации. Отбор проб проводился вертикальным бурением с отбором проб и морфологическим описанием. Для этих целей выбирались участки с наименьшем загрязнением нефтью, так как интерес представляет состояние почв до антропогенного воздействия. Определение химико-аналитических свойств произведено в высушенных и просеянных через сито 1 мм пробах с использованием стандартных методик, принятых в почвоведении [1]. Химико-аналитические исследования проб почвы проведены в лаборатории Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск.
Отбор Для мониторинговых наблюдений на опытном участке использован ручной бур с колоночным пробоотборником (ГОСТ 17.4.4.02-84). Составляется объединенная проба из 6 точечных проб. Весь материал из шести точечных проб перемешивается. Отбор проводится из слоев: 0-20 и 20-40 см. Под эстакадой бурение проводилось вертикально, а для отбора проб под резервуаром (строение 2) отбор проводился наклонным бурением, так чтобы грунт был отобран с выбранных глубин.
Природная культура УВРМ выделена из проб грунта биотехнологами Варшавского технологического университета. Культура масштабирована в передвижном ферментере непосредственно на экспериментальном участке в сорбенте помещена в перфорированные трубы. Трубы использованы диаметром 150 мм, расстояние 1000 мм, всего использовано 33 трубы. Объем почвы под влиянием сорбента составил 181, 5 м3.
Схема отбора проб представлена на рисунке.
Схема объектов исследование и мест отбора проб: 1 - сорбент без УВРМ, 2 - сорбент с УВРМ, 3 - строение 1, 4 - строение 2, 5 - источник и направление поступления сырой нефти, 6 - точки отбора проб под строениями без УВРМ, 7 - точки отбора проб на открытой части участка 8 - точки отбора проб под строениями с УВРМ
На исследование отбирали 1,0 кг усредненной пробы почвы и помещали в специальный пластиковый пакет химически инертный к определяемым веществам.
Доставленные в лабораторию пробы высушивали до воздушно-сухого состояния, измельчали и перемешивали до однородного состояния. Из каждой пробы брали две навески и отдельно направляли на два вида анализа [1]:
1. Гравиметрическое определение нефтяных углеводородов, имеющих точки кипения между н-гептаном (С7) и н-пентатриоконтаном (С35). Вещества выделяли экстракцией н-гексаном;
2. Гравиметрическое определение суммы органических веществ, включая углеводороды, нефтяные смолы, природные растительные битумоиды. Вещества выделяли экстракцией хлороформом.
При воздействии микроорганизмов были предприняты углубленные исследования состава углеводородов в выборочных пробах почвы методом хромато-масс-спектрометрии. Применяли капиллярную колонки Elite-1 30 м х 0,32 мм х 0,25 мкм в режиме программирования температуры от 400 до 2600С со скоростью нагрева 50\мин, дальнейший подъем температуры - со скоростью 80\мин до 3300С, газ-носитель гелий. Температура источника электронов масс-спектрометра - 2500С.
Результаты эксперимента
Изучение распределения нефти на участке показало, что загрязнение было очень неоднородным (табл.) Абсолютные значения содержания n-алканов переведены в относительные, а изопрены исключены для удобства сравнительного анализа состава.
Влияние экспозиции (45 и 131 дней) чистого сорбента (ЧС) и сорбента с микроорганизмами (УВРМ) на открытом участке и под строениями на содержание углеводородов (мг/кг), относительное снижение концентрации к предыдущему замеру (%), скорость очистки (мг/кг 
сут.) почв на глубинах: 0-20 и 20-40 см
| Adorbent | Initial content, mg/kg | 45 days of exposure | 131 days of exposure | ||||
| Content, mg/kg | relative drop, % | rate, mg/kg per day. | Content, mg/kg | relative drop, % | rate, mg/kg per day | ||
| Under the Structure 1 and 2 | |||||||
| PS | 5374,5 9269,8 | 4980,2 8124,4 | 7,3 12,4 | 8,8 25,5 | 2396,8 579,4 | 51,9 92,9 | 30,0 87,7 |
| HCRM | 5203,1 8881,7 | 2526,1 3708,8 | 51,5 58,2 | 59,5 115,0 | 1715,2 3518,0 | 32,1 5,1 | 9,4 2,2 |
| Open area | |||||||
| PS | 1894,9 806,8 | 1477,8 1003,8 | 22,0 -24,4 | 0,5 -0,5 | 1473,6 539,1 | 0,3 46,3 | 0,05 5,4 |
| HCRM | 1614,1 958,5 | 1466,2 380,6 | 9,2 60,3 | 0,2 1,3 | Not det. |
На открытой части опытного участка содержание нефтепродуктов резко убывает с глубиной. Под сооружениями концентрация нефтепродуктов оказывается выше по сравнению с открытыми участками в несколько раз и с глубиной существенно возрастает. Под сооружениями в случае чистого сорбента (без УВРМ) после экспозиции сорбента в течение 45 дней концентрация (28.07.2007 г.) УВ снижена на 7,3 - 12,4%. Скорость очистки почв от УВ низкая для верхнего горизонта (7,3 мг/кг сутки), но увеличивается с глубиной до 25,5 мг/кг сутки с приближением к сорбенту, что позволяет говорить о присутствии эффекта очистки почвы с использование внутрипочвенного дренажа с закладкой чистого сорбента. Присутствие УВРМ значительно увеличивает эффективность очистки, обеспечивая снижение содержания нефтепродуктов на 51,5% в слое 0-20 см и на 58,2% в слое 20-40 см. Под сооружениями наличие в сорбенте УВРМ существенно увеличивает скорость очистки почв от УВ до 59,5 мг/кг сутки в верхнем слое (0-20 см) и до 115 мг/кг сутки в слое 20-40 см, который находится ближе к сорбенту с УВРМ.
После экспозиции сорбента в течение 131 дня от момента закладки ситуация изменилась: если летом под сооружениями в местах, где УВРМ отсутствует, снижение концентрации незначительно, то к осени относительное снижение нефтепродуктов достигает 51,9% (в слое 0-20 см) и 95,9% (в слое 20-40 см). Отмечается максимально высокая скорость - 87 мг/кг сутки.
На открытом участке без УВРМ в первые 45 дней экспозиции сорбента концентрация УВ нефтепродуктов в слое 0-20 см снижается незначительно (на 22%) и даже увеличивается (-24,4%), как это наблюдается на глубине 20-40 см. Возрастание содержания не возможно, так как дополнительно в процессе эксперимента УВ не могли попасть в почву, но при высокой неоднородности загрязнения отбором объединенной пробы захватываются участки почвы с очень высоким исходным загрязнением по сравнению с июньской пробой, что приводит к таким неоднозначным результатам.
В случае наличия УВРМ относительные изменения оказываются более существенными, чем без УВРМ. Изменения содержания УВ достигают 60,3%, что присутствует на глубине 20-40 см вблизи сорбента с УВРМ. Скорости очистки почв от УВ здесь ниже тех скоростей, которые наблюдаемых в почвах под сооружениями.
Осенью весь участок был подтоплен дождями, поэтому последний отбор проб (131 день экспозиции) проведен на открытой части опытного участка без относительно присутствия или отсутствия УВРМ. Но полученные значения содержания нефтепродуктов все-таки отражают конечный эффект снижения загрязнителя в течение летнего сезона на открытой части участка, хотя скорости редукции УВ незначительны (0,05 мг/кг сутки - в слое 0-20 см и 5,4 мг/кг сутки - в слое 20-40 см).
На эффект ремедиации участка загрязненного нефтью указывает изменение состава нефти в почве. До начала эксперимента (в 2006 г.) в пробах почвы обнаружен широкий спектр н-алканов, что указывает на то, что разлита в 2002 г. сырая нефть в числе прочих нефтепродуктов (табл. 5). Абсолютные значения содержания н-алканов переведены в относительные, а изопрены исключены для удобства сравнительного анализа состава.
В июльских пробах почв определен состав УВ. Все они в течение 45 дней находились под воздействием УВРМ. На открытых участках в слое 0-20 см в составе углеводородов почвы снижается доля н-алканов до С14 и доля высокомолекулярных н-алканов состава С31-С40. С приближением к источнику УВРМ (слой 20-40 см) снижается доля высокомолекулярных С30-С40. Причем, существенно возрастает содержание C29 и C27.
В случае использования УВРМ в образцах почвы, отобранных под сооружениями в слое 20-40 см, отсутствуют высокомолекулярные нормальные алканы С26-С40 и существенно выше относительная концентрация низкомолекулярных н-алканов С17-С21 по сравнению с исходным распределением УВ в нефтяном загрязнителе (табл.).
Относительные изменения состава n-алканов (% от общей площади пиков) в пробах отобранных в 2006 г. (без присутствия культуры микроорганизмов) и после 45 дней экспозиции сорбента с микроорганизмами в почвах опытного участка в июне-июле 2007 г. на двух глубинах (см), на открытом участке и под строениями
| n-alka-nes | Oil+soil before test | После использования УВРМ | |||||
| open area | open area | under the constructions | |||||
| 0-20 cm | 0-20 cm | 20-40 cm | 0-20 cm | 20-40 cm | |||
| n-Cl0 | 1.53 | Absent | |||||
| n-С13 | 5.20 | Absent | |||||
| n-С14 | 6.40 | Absent | |||||
| n-С15 | 6.67 | 0.68 | 1.69 | 3.50 | 3.88 | ||
| n-С16 | 5.72 | 2.52 | 4.66 | 5.48 | 6.44 | ||
| n-С17 | 6.11 | 3.76 | 5.504 | 6.81 | 8.92 | ||
| n-С18 | 5.71 | 5.88 | 7.08 | 8.40 | 10.17 | ||
| n-С19 | 4.26 | 5.88 | 6.35 | 10.44 | 12.85 | ||
| n-С20 | 5.50 | 5.56 | 6.30 | 10.30 | 14.00 | ||
| n-С21 | 3.81 | 4.42 | 5.59 | 5.57 | 8.51 | ||
| n-С22 | 3.55 | 5.74 | 6.33 | 4.15 | 6.26 | ||
| n-С23 | 3.32 | 5.65 | 4.76 | 8.03 | 11.10 | ||
| n-С24 | 2.87 | 7.08 | 6.00 | 7.89 | 13.35 | ||
| n-С25 | 2.96 | 10.55 | 6.24 | 6.61 | 4.52 | ||
| n-С26 | 2.46 | 7.86 | 3.92 | 7.07 | Absent | ||
| n-С27 | 1.93 | 16.07 | 15.41 | 15.75 | |||
| n-С28 | 2.04 | 6.83 | 9.90 | Absent | |||
| n-С29 | 2.55 | 6.84 | 10.28 | ||||
| n-С30 | 1.79 | 2.57 | Absent | ||||
| n-С31 | 2.37 | 1.08 | |||||
| n-С32 | 2.16 | Absent | |||||
| n-СЗЗ | 2.25 | 1.04 | |||||
| n-С34 | 2.50 | Absent | |||||
| n-С35 | 2.43 | ||||||
| n-С36 | 2.61 | ||||||
| n-С37 | 2.83 | ||||||
| n-С38 | 2.86 | ||||||
| n-С39 | 2.78 | ||||||
| n-С40 | 2.82 | ||||||
| Total | |||||||
В слое 0-20 см, расположенном выше предыдущего, также наблюдается сокращение в составе н-алканов С28-С40. Следует отметить, что разложению подвергаются как н-алканы до С14, так и крайние крупные молекулы. При этом наблюдается увеличение содержания н-алканов среднего размера.
ОБСУЖДЕНИЕ
Следует указать, что почвы на участке, выбранного для эксперимента имеют много положительных качеств для ремедиации от нефтяного загрязнения почв с использованием нефтеусваивающих микроорганизмов. Легкий гранулометрический состав почв создает благоприятные для микроорганизмов водно-воздушные условия. Грунтовые воды хоть и близко к поверхности, но внутренний дренаж из перфорированных труб выводит из профиля избыточную влагу, с другой стороны является источником нефтеусваивающих микробов, которые в легких почвах способны мигрировать более интенсивно, чем в тяжелых уже потому, что они более пористые. Поглощенный водород, хоть и присутствует в почве, но водная среда имеет слабокислую реакцию, что благоприятно для развития микроорганизмов. Кроме того, в почве достаточно минерального питания, присутствуют (N, P, K). В целом, участок не требовал дополнительных внесений минеральных удобрений.
Как и ожидалось, над сорбентом с микроорганизмами в почве наблюдается более раннее снижение углеводородного фона, чем над сорбентом без микроорганизмов. Внесение редуцирующих углеводороды бактерий в нефтезагрязненную почву уже через 40 дней приводит к деструкции около 30% нефтяных углеводородов, а через 12 месяцев деструкция достигает 70-75% [5].
Привлек внимание факт повышенного содержания нефтепродуктов под технологическими сооружениями (почти на порядок) относительно открытой части. Сооружения были построены на участке до того, как в почву поступили нефтепродукты, а это значит, что под строение УВ попали путем горизонтальной миграции. Этим объясняется их более низкомолекулярный состав и большие концентрации по сравнению с открытыми местами. Например, под сооружениями в слое 0-20 см наблюдается содержание УВ равное 5374,5 мг/кг и на открытой части участка в том же слое - 1894,9 мг/кг. В слое 20-40 см эти различия особенно заметны: 9269,8 мг/кг - под сооружениями и 806,8 мг/кг - на открытой части. Примерно те же соотношения присутствуют и на тех участках, где использовались УВРМ. Объяснение различий связывается с двумя явлениями.
Первое основывается на непосредственной пропитке нефтью почвы в момент разлива. В этом случае на открытый участок и под сооружения попало приблизительно одинаковое количество УВ, но под сооружениями УВ остаются в неизменном виде из-за недостатка влаги для их разложения, а на открытом участке УВ разлагаются (автохтонное загрязнение), что приводит к их относительному накоплению под сооружениями. Причем, на открытом участке в первую очередь утилизируются те УВ, которые наиболее доступны для микроорганизмов, что следует из таблицы 2.
Однако, нельзя исключать возможность другого явления - горизонтальной миграции УВ. После аварии с открытых участков под технологические сооружения нефть двигается в виде растворов и эмульсий (аллохтонное загрязнение). К этому выводу приводит факт повышенного содержания углеводородов под сооружениями не в слое 0-20 см, а в слое 20-40 см. Если бы нефть просачивалась сверху вниз, то сначала должен насытится верхний слой, прежде чем нефть начнет фильтроваться вниз. Тогда в верхних горизонтах содержание нефти должно быть больше, чем в нижних. Но, в таблице 1 под зданиями в слое 20-40 см содержание больше, чем в слое 0-20 см, что наталкивает на вывод о движение не за счет фильтрации, горизонтальной миграции в виде водных растворов и суспензий с пленочной влагой позже момента разлива.
Из таблицы 1 следует, что УВ под сооружениями разлагаются с высокой эффективностью не только в слое непосредственной близости от сорбента с УВРМ, но и захватывают поверхностный слой. Эффективность разложения (%) достигает 51,5 (слой 0-20) до 55 (слой 20-40). Одной из возможных причин доставки УВРМ от сорбента к поверхности опять же являются капиллярные силы под сооружениями по аналогии с накоплением УВ. Этот процесс можно было бы более подробно рассмотреть, если бы имелись результаты исследования состава УВ под сооружениями до начала эксперимента.
Изучение изменения состава УВ раскрывает процесс деструкции нефти. Проба 2006 г. (табл. 2) отражает сформировавшийся состав углеводородов к началу эксперимента после разлива сырой нефти. Для состава этой пробы характерно равномерное распределение содержания углеводородов в зависимости от длины цепочки. После 45-дневной экспозиции почв под воздействием УВРМ фактически исчезли углеводороды с цепочкой менее С15 и более С33, по-видимому, процесс редукции УВ складывается из усвоения низкомолекулярных УВ с использованием полученной энергии для разрезания высокомолекулярных соединений на части.
На открытом участке пики накопления наблюдаются в нечетных цепочках больше по отношению к четным, под строениями этот эффект не наблюдается. На 45 день экспозиции микроорганизмов на кривой состава УВ наблюдается локальный минимум содержания С21, как под сооружениями, так и открытых участках. Наиболее предпочтительными для микроорганизмов оказываются нечетные н-алканы [2]. Такой сложный процесс изменения состава н-алканов обусловлен большим разнообразием систематических групп микроорганизмов, входящих в состав культуры нефтеусваивающих микрорганизмов и разнообразием способов редукции нефти и усвоения УВ.
Выводы
. Выявлено, что при использовании технологии CLEANSOIL очистка почв от углеводородов нефти под промышленными сооружениями протекает более эффективно и захватывает весь слой почвы в случае применения нефтеусваивающих микроорганизмов, тогда как на открытых участках эффект снижения содержания углеводородов не значителен и требует уточнения.
. Содержание высокомолекулярных УВ (С32-С40) уменьшается с глубиной, а цепи n-алканов под сооружений становятся короче. Наиболее активно используют нефтеразрушающие микроорганизмы углеводороды с С14 и небольшими цепочками, длинные цепочки предварительно разрезаются.
. Горизонтальное направленное бурение позволяет вводить в почву нефтерарзрушающие организмы без нарушения сложения, что способствует успеху ремедиации.
. Этот метод для очистки почвы от нефтепродуктов in situ может быть использован только для почв легкого механического состава и с достаточного минерального питания микроорганизмов под технологическими конструкциями.
Литература
1. Korzhov Yu.V., Lapshina E.D., Khoroshev D.I., Zakharchenko A.V., Kul ’ kov M.G., Yarkov D.M. CLEANSOIL as a Perspective Method of Remediaion of Oil-Contaminated Soils under Existing Infrastructure. Contemporary Problems of Ecology, 2010, Vol. 3, No. 3, pp. 292-298.
2. Zakharchenko, A.V., Korzhov, Yu. V. et al. Remediation of Oil-Contaminated Soil Using. Eurasian Soil Science, 2011, Vol. 44, No. 4, pp. 453-461.
. Zakharchenko, A.V., Korzhov, Yu. V. et al. Oil-contaminated soils under engineering construction and technology of soil remediation. International Journal of Environmental Studies, 2014, Vol. 71, No. 5, pp. 722-732.
. CLEANSOILS. INCO-STREP Project supported by the European Union under the 6th Framework Programme (FP6) (2005-2008) ( https://eco.soil.msu.ru/cleansoil/index_rus.htm ).
. Odintsova, T.A., 2003. Ecological and Geochemical Aspects of the Transformation of Organic Matter in Oil-Polluted Geosystems. Modelling of the Strategy of the Development of Georesources. Gornyi Institut Ural'sk Otdelenie RAN, Perm, 2003, pp. 241-245.