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

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

Author for correspondence.
Email: nshulayev@rambler.ru

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

Russian Federation, Sterlitamak

Valeria Valeryevna Pryanichnikova

Sterlitamak Branch of Ufa State Petroleum Technological University

Email: prvaleria@mail.ru

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

Russian Federation, Sterlitamak

Ramil Rimovich Kadyrov

Sterlitamak Branch of Ufa State Petroleum Technological University

Email: r_kadyrov@mail.ru

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

Russian Federation, Sterlitamak

Nikolay Alekseevich Bykovskiy

Sterlitamak Branch of Ufa State Petroleum Technological University

Email: nbikovsky@list.ru

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

Russian Federation, Sterlitamak

Raisa Mukhametovna Damineva

Sterlitamak Branch of Ufa State Petroleum Technological University

Email: daminevarm@mail.ru

candidate of economical sciences, head of Humanities Department

Russian Federation, Sterlitamak

References

Supplementary files