Assessment of changes in the phytotoxic properties of oil-contaminated soils in terms of germination and seedlings length of Lepidium sativum L. after electrochemical cleaning

Cover Page

Abstract


Different variants of electric treatment technology are used to solve environmental, technological and agro-melioration problems. This paper assesses the change in the properties of contaminated soil during cleaning by passing small amperage through it. The paper contains the results of the study of changes in the toxic properties of soil contaminated with oil and mineralized formation water at oil production after electrochemical treatment. A biotesting technique with Lepidium sativum L. is used for an integrated assessment of the hazardous properties of contaminated soil after electrical treatment. This biological test object has a high responsiveness to the presence of pollutants in soil and water, as well as the ability to rapidly germinate. The main parameters during the study are the percentage of seed germination and the total length of seedlings (underground and aboveground parts). A statistical analysis of the data is carried out. The phytotoxicity of contaminated soil is compared before and after cleaning. The conclusion is drawn about the potential suitability of this method for the full restoration of natural plant communities at the pollution territory, as well as for conducting complex phytoremediation.


Full Text

Введение Методы обработки почвы электрическим током могут применяться для решения различных технико-экологических задач. Это предпосевная обработка почв малыми токами, обработка грунтов нефтедобывающих районов с целью увеличения продуктивности пласта и восстановления скважин, агромелиоративные технологии обессоливания сельскохозяйственных земель, а также очистка загрязненных почв промышленных и городских территорий. В последнем случае методы электрохимической или электрокинетической очистки незаменимы для разложения и удаления загрязняющих веществ, проникших в грунт на большую глубину и для очистки высокодисперсных почв [1, с. 14]. Технология электрохимической очистки позволяет восстанавливать почвы, загрязненные тяжелыми металлами, фенолами, радионуклидами, солями и некоторыми органическими веществами [2, с. 227-228]. Это обусловливает потенциальную значимость использования электрообработки при очистке почв, загрязненных в результате добычи нефти, когда в грунт могут одновременно попадать и нефтепродукты, и минерализованные пластовые воды. Эффективность применения и некоторые технические особенности электрохимической очистки нефтезагрязненных почв рассматривалась авторами в ряде публикаций [3-5]. Постоянное электрическое поле, приложенное к водонасыщенному грунту или почве, вызывает протекание электрохимических и электрокинетических процессов. К ним относятся: электролиз, электрофлотация, электрокоагуляция, электродеструкция, электрохимическое обеззараживание, ионный обмен, электрохимическое окисление [6, с. 344] и выщелачивание, электродиализ, а к электрокинетическим - электроосмос [7, с. 137], электрофорез и электромиграция [8, с. 120; 9, с. 348-351]. Электрокинетические процессы вызывают перемещение загрязняющих веществ по направлению к противоположно заряженным электродам (при этом частицы нефти, окруженные жидкой фазой, будут перемещаться к катоду), откуда производится их извлечение с последующим разделением и утилизацией. В то же время пропускание токов малой величины позволяет проводить окисление некоторых веществ (например, нефтяных углеводородов) до более простых, а при создании оптимальных условий - достигать полной минерализации. Кроме перечисленных явлений, может происходить электростимуляция аборигенных микроорганизмов [10, с. 112]. Метод может использоваться для очистки не только почв, но и подземных вод [11, с. 336-340]. Цель и объекты исследования Важнейшей задачей при применении электрообработки почв является оценка возможных негативных эффектов, которые могут возникнуть из-за побочных продуктов физико-химических реакций, отличающихся в почвенной среде особой сложностью. Для того, чтобы избежать вторичного загрязнения почвенной среды, необходимо уделять большое внимание мониторингу изменения физико-химических и токсикологических почвенных характеристик. С этой целью были проведены исследования фитотоксичных свойств почвы, загрязненной в результате нефтедобычи нефтью и пластовыми водами, после проведения их электрохимической очистки. Биотестирование осуществлялось с применением высокочувствительного вида растений - кресс-салата (Lepidium sativum L.). Биотестированием является процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие именно вещества и в каком сочетании вызывают изменения их жизненно важных функций [12, с. 123]. Кресс-салат отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии поллютантов [13, с. 108]. Достоинством этого растения как биологического тест-объекта является высокая чувствительность, проявляющаяся в замедлении роста побегов и корней. Электрохимической обработке подвергалась модельная почва, содержавшая 1100 мг/кг нефти и 408900 мг/кг пластовых вод (т.е. водного раствора солей) с преобладанием хлоридов натрия, кальция и магния [14, с. 48]. Такое содержание загрязняющих веществ соответствует почве, отобранной ранее на месте разлива, произошедшего на нефтяном месторождении при добыче. Свойства нефти приведены в таблице 1. Материалы и методика исследований Электрообработка почвы проводилась в течение 90 минут при плотности тока 340,4 А/м² (сила тока 0,8А). Содержание нефтепродуктов после проведения очистки определялось методом ИК-спектрометрии [15] и составило 279,8 мг/кг. Общая минерализация почвы снизилась более чем в 2 раза. Таблица 1 - Физико-химические свойства нефти Наименование показателя Значение Температура начала кипения компонентов, %: - до 120°С 8,0 - до 200°С 4,5 - до 300°С 13,5 Вязкость кинематическая, сСт: - при 0°С 73,83 - при 20°С 21,13 - при 40°С 10,72 Содержание в сырой нефти, % масс: - сера 2,95 - парафины 3,1 - смолы 14,6 - механические примеси 0,0076 Плотность, г/см³ 0,880 Для анализа влияния электрохимической обработки использовались модельная почва на основе чернозема обыкновенного, загрязненная нефтью и пластовыми водами, приготовленная в соответствии с составом почвы с нефтяного месторождения. Также анализировались смеси указанной модельной почвы с чистой почвой, обладающей аналогичными характеристиками («разбавления» 2-, 4-, 8-, 16-, 32-кратные). Биотестирование загрязненной почвы после электрохимической очистки с применением кресс-салата проводилось по стандартной методике [16]. Методика включает следующие основные этапы: пластиковые стаканчики наполняют 100 г анализируемой почвы, куда помещают по 20 семян на глубину 1-1,5 см. Для контроля использовалась незагрязненная почва. Каждая проба поливается дистиллированной водой. Подготавливается по три пробы для каждого типа почвенной смеси. Продолжительность опыта составляла семь дней, после чего производился подсчет количества проросших семян и измерение длины проростков. Извлечение и разделение корневой системы кресс-салата производилось при поливе водой почвенной пробы и последующем малоинтенсивном осторожном промывании в специально подготовленной неглубокой емкости во избежание их повреждения и разрыва. Далее осуществлялась статистическая обработка данных с использованием стандартных методов и их анализ. Результаты исследований и их обсуждение Подсчет количества проросших семян кресс-салата позволил установить зависимость между величиной процента всхожести семян и разбавлением пробы (соответственно, и концентрацией загрязняющих веществ), которая описывается уравнением: y = 64,29 + 0,779x. При этом коэффициент корреляции составляет 0,69, что свидетельствует о прямой достоверной зависимости. Результаты статистической обработки данных по всхожести семян были представлены в графическом виде при помощи специализированной компьютерной программы (рис. 1). Рисунок 1 - Результаты статистической обработки данных по всхожести семян кресс-салата Всхожесть семян в контроле (чистой почве) составляет 72,3%. Как видно из диаграммы, всхожесть превышает контрольные значения, начиная с 4-х кратного разбавления (73,67%), при 2-х кратном разбавлении наблюдается незначительный подавляющий эффект (70,67%). При этом в загрязненной почве, необработанной электрическим током, семена вовсе не прорастали, а при двухкратном ее разбавлении с чистой почвой всхожесть составляла 16,7%. В неразбавленной почве после обработки (нативная среда) всхожесть составляет примерно 48%. Далее производилось определение средней длины проростков для каждого типа почвенной смеси (т.е. каждого разведения). Статистическая обработка полученных данных позволила получить уравнение зависимости длины проростков от величины разбавления, которая принимает вид: y = 52,55 + 0,327x. В этом случае коэффициент корреляции составил 0,89. Это свидетельствует о том, что обнаруженная зависимость является прямой достоверной. Увеличение длины проростков по сравнению с контрольными пробами при 8-32-х кратном разведении может объясняться тем, что остаточные небольшие количества углеводородов служат источником органического вещества для растений. Анализ данных по длине проростков кресс-салата был представлен на следующей диаграмме (рис. 2). Рисунок 2 - Результаты статистической обработки данных по длине проростков кресс-салата Заключение Как показали полученные данные, после электрохимической очистки токсичность пробы снижается по сравнению с необработанной почвой. Согласно методике, токсичность - хроническая. Всхожесть семян в загрязненной почве после очистки составила 47,67%, а в загрязненной почве до очистки - 0% (что соответствует острой токсичности среды). Результаты проведенного анализа подтверждают, что электрохимическая очистка нефтезагрязненных почв с использованием малых токов способствует уменьшению токсичных свойств почв, не приводя к вторичному загрязнению, что позволяет использовать данный метод для эффективной ремедиации территорий нефтедобычи с восстановлением флоры. Кроме того, электрохимическая очистка может использоваться до проведения фиторемедиации грунтов в качестве подготовительного этапа [17].

About the authors

Nikolay Sergeevich Shulaev

Sterlitamak Branch of Ufa State Petroleum Technological University

Email: example@snv63.ru

doctor of technical sciences, professor, head of Informatics, Mathematics and Physics Department

Valeria Valeryevna Pryanichnikova

Sterlitamak Branch of Ufa State Petroleum Technological University

Email: example@snv63.ru

candidate of technical sciences, associate professor of General Chemical Engineering Department

Ramil Rimovich Kadyrov

Sterlitamak Branch of Ufa State Petroleum Technological University

Email: example@snv63.ru

candidate of technical sciences, associate professor of Automated Technological and Information Systems Department

Nikolay Alekseevich Bykovskiy

Sterlitamak Branch of Ufa State Petroleum Technological University

Author for correspondence.
Email: example@snv63.ru

candidate of technical sciences, associate professor of Automated Technological and Information Systems Department

Raisa Mukhametovna Damineva

Sterlitamak Branch of Ufa State Petroleum Technological University

Email: example@snv63.ru

candidate of economical sciences, head of Humanities Department

References

  1. Королев В.А. Электрохимическая очистка грунтов от экотоксикантов: итоги и перспективы // Вест. Московского ун-та. Геология. 2008. № 1. С. 13-20.
  2. Королев В.А. Электрохимическая очистка загрязненных грунтов // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2003. № 3. С. 226-236.
  3. Pryanichnikova V.V., Shulaev N.S., Bykovsky N.A., Kadyrov R.R. The Electrochemical Method of Oil-Contaminated Soil Remediation // Key Engineering Materials. 2017. Vol. 743. P. 314-318. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.743.314.
  4. Пряничникова В.В., Шулаев Н.С., Быковский Н.А., Кадыров Р.Р. Особенности электрохимической очистки различных типов почв от нефтепродуктов // Бутлеровские сообщения. 2018. Т. 53, № 3. С. 124-129.
  5. Пряничникова В.В., Шулаев Н.С., Быковский Н.А., Кадыров Р.Р. Расчет электрических параметров при электрохимической очистке нефтезагрязненных грунтов // Фундаментальные исследования. 2018. № 12-2. С. 208-212.
  6. Ferrarese E., Andreottola G. Application of Electrochemical techniques for the remediation of soils contaminated with organic pollutants // Proceedings of the annual international conference on soils, sediments, water and energy. 2010. P. 342-372.
  7. Простов С.М. Физические предпосылки очистки грунтовых массивов от загрязнений электрохимическим методом // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2014. № 2 (102). С. 136-139.
  8. Acar Y.B., Gale R.J., Alshawabkeh A.N. Electrokinetic remediation: basics and technology status // Journal of Hazardous Materials. 1995. № 40. P. 117-137.
  9. Ступин Д.Ю. Загрязнение почв и новейшие технологии их восстановления: учеб. пособие. СПб.: Лань, 2009. 432 с.
  10. Chirakkara Reshma A., Cameselle С., Reddy Krishna R. Effect of electrokinetic enhancement on phytoremediation of soils with mixed contaminants // Electrokinetic remediation (EREM2014): Book of abstracts. Malaga, 2014. P. 112-113.
  11. Lynch R. Electrokinetic Barriers for Preventing Groundwater Pollution. Electrochemical remediation technologies for polluted soils, sediments and groundwater. 2009. P. 335-357.
  12. Заболотских В.В., Васильев А.В. Мониторинг токсического воздействия на окружающую среду с использованием методов биоиндикации и биотестирования: монография. Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2012. 233 с.
  13. Овсянникова И.В. Новые методики биотестирования с использованием растений кресс-салата (Lepidium sativum) для экологического контроля окружающей среды // Системы контроля окружающей среды. 2016. Т. 2016. С. 108.
  14. Пряничникова В.В., Шулаев Н.С., Быковский Н.А., Кадыров Р.Р. Электрохимическая очистка нефтезагрязненных грунтов // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 47, № 7. С. 47-51.
  15. ПНД Ф 16.1.41-04 «Количественный химический анализ почв. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах почв гравиметрическим методом». М., 2004. 11 с.
  16. ФР.1.39.2016.24117 Методика определения токсичности почв по всхожести семян и измерению средней длины проростка кресс-салата (Lepidium sativum). М.: ФГБОУ ВО БГУ, 2015. 22 с.
  17. Шулаев Н.С., Пряничникова В.В., Кадыров Р.Р., Быковский Н.А. Фиторемедиация нефтезагрязненных почв // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 47, № 8. С. 133-138.

Statistics

Views

Abstract - 63

PDF (Russian) - 18

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Shulaev N.S., Pryanichnikova V.V., Kadyrov R.R., Bykovskiy N.A., Damineva R.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies