Спосіб очищення ґрунту від забруднення нафтою

Реферат: Спосіб очищення ґрунту від забруднення нафтою містить підготовку ґрунту та посів зволоженого насіння рослини з родини бобових - сої щетинистої Glicine hispida Maxim, попередньо інокульоване культурою бульбочкової бактерії Bradyrhizobium japonicum. UA 73287 U (12) UA 73287 U UA 73287 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі біології, а саме - фізіології рослин, та може бути застосована як елемент технології відновлення нафтозабруднених ґрунтів. Відомий спосіб очищення ґрунту від нафти й нафтопродуктів завдяки використанню препарату "Родойл", котрий містить мікроорганізми, що окиснюють вуглеводні нафти [ПУ№ 34894А, C02F 3/34]. Недоліком застосування даного препарату є обмеженість терміну його дії, оскільки з часом екзогенно внесені штами витісняються аборигенними мікроорганізмами. Відомий спосіб очищення ґрунту від нафтового забруднення з використанням поверхневоактивних речовин мікробного походження (біоПАР, біосурфактантів) - продуктів синтезу нафтоокиснюючих бактерій [Wei Q.F., Mather R.R., Fotheringham A.F. Oil removal from used sorbents using a biosurfactant //Bioresource Technology. - 2005. - Vol. 96. - P. 331-334]. Механізм дії біоПАР полягає у десорбції та солюбілізації вуглеводнів, а також - у стимуляції активності мікроорганізмів-деструкторів нафти. Проте, продукування максимальних кількостей біоПАР мікроорганізмами вимагає ретельного добору умов їхнього культивування. Крім цього, у більшості випадків, для ефективної дії біоПАР додають біогенні добавки, наприклад, 0,01 % диамонійфосфат [Патент 10467 UA, МПК С21N1/02.]. Внесення ж мінеральних елементів, як правило, спричинює додаткове навантаження ґрунту супутніми баластними речовинами. Відомий спосіб очищення ґрунтів від нафти і нафтопродуктів з використанням вищих рослин, а саме - рослин осоки шорстковолосистої [Деклараційний патент на винахід 16345 Україна, МПК (2006) А01В79/00 А01В79/02 (2006.01) А01С21/00]. Суть даного способу полягає у 2 заселенні забруднених ділянок рослинами осоки шорстковолосистої (16 рослин на 1 м ), котрі, приживаючись у нафтозабрудненому ґрунті, сприяють покращенню його властивостей, а зокрема - позитивно впливають на сорбційні властивості ґрунту, оптимізують його рН, спричинюють доступність елементів мінерального живлення, а також - сприяють функціонуванню нафтоокиснюючих мікроорганізмів, унаслідок чого зменшується (на 6,1 %) кількість нафти у ґрунті. Даний спосіб є зручним, якщо йдеться про очищення відносно невеликих територій, але неприйнятним у випадку потреби відновлення значних площ, оскільки вимагатиме пошуку, викопування й зберігання надзвичайно великої кількості рослин, наприклад, заселення 1 га ґрунту потребуватиме попередньої заготівлі 160000 рослин осоки шорстковолосистої. Найближчим за технічною суттю є спосіб фітоочищення нафтозабрудненого ґрунту за допомогою бобів кормових (Vicia faba L.) [Патент на корисну модель 60481 Україна, МПК (2011.01) А01В79/02 (2006.01) В09С1/00.]. Згідно з цим способом насіння V. faba вносили у 2 попередньо підготовлений ґрунт у розрахунку 43±1,05 г/м . Вирощування бобів кормових забезпечувало істотне очищення ґрунту від нафти. Проте, використання бобів кормових в умовах експерименту не забезпечує утворення симбіотичних систем з мікроорганізмами, завдяки діяльності яких відбувається збагачення рослин й ґрунту азотом. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб очищення ґрунту від забруднення нафтою шляхом використання насіння бобової рослини, інокульоване культурою симбіотичної бульбочкової бактерії, що дасть змогу знизити рівень забруднення ґрунту нафтою, а також акумулювати азот атмосфери в органах рослин з подальшою їх мінералізацією у забрудненому ґрунті, що у свою чергу призведе до оптимізації азотного режиму нафтозабрудненого ґрунту. Поставлена задача вирішується тим, що у способі очищення ґрунту від забруднення нафтою, що містить підготовку ґрунту та посів зволоженого насіння рослини з родини бобових, де як насіння рослини використовують насіння сої щетинистої Glicine hispida Maxim, попередньо інокульоване культурою бульбочкової бактерії Bradyrhizobium japonicum, яке висівають у ґрунт зі 3 щільністю 1,0-1,2 г/см . Вперше для очищення нафтозабрудненого ґрунту та покращення його властивостей автори використали толерантні до екстремальних умов нафтозабрудненого ґрунту рослини сої та мікроорганізми-симбіонти клітин коренів цих рослин В. japonicum. Технічний результат від реалізації пропонованого способу отримують у наслідок того, що рослини сої успішно адаптуються до екстремальних умов нафтозабрудненого ґрунту, а на їхніх коренях формуються функціональні симбіотичні апарати з бактеріями В. japonicum. Соя у нафтозабрудненому ґрунті проходить усі стадії онтогенезу аж до формування плодів, тож упродовж усього цього часу мікробні симбіонти забезпечені життєвим середовищем, що означає пролонгованість їхньої діяльності у нафтозабрудненому ґрунті порівняно з обмеженим терміном дії внесених нафтоокиснюючих організмів, котрі з часом витісняються представниками 1 UA 73287 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 аборигенної ґрунтової мікробіоти. Результатом функціонування В. japonicum у симбіозі з коренями сої у забрудненому ґрунті є фіксація азоту атмосфери у клітинах коренів й деструкція вуглеводнів нафти, котра здійснюється шляхом використання вуглеводнів нафти як джерела живлення бульбочковими бактеріями [Frassinetti S., Setti L., Corti A. et all, Biodegration of dibenzothiophene by a nodulating isolate of Rhizobium meliloti //Can. J Microbiol, 1998. N 44, P. 289297]. У ґрунті після завершення вегетації соя залишає добре розвинуту кореневу систему з бульбочковими бактеріями, що сприяє нагромадженню в середньому на 1 га ґрунту близько 6080 кг азоту. У підсумку спостерігається зниження кількості нафти у ґрунті та акумуляція молекулярного азоту в рослинних тканинах і, після їх мінералізації - у забрудненому ґрунті. Пропонований спосіб характеризується низькими експлуатаційними витратами та простим обслуговуванням, а також тим, що може бути реалізований у короткі терміни: наявність насіння сої та сухої культури бульбочкової бактерії В. japonicum дозволяє затратити на підготовку намочування й інокуляцію насіння до 3 діб. Наступні 30 діб вегетації рослин сої і функціонування бобово-ризобіального симбіозу забезпечує зниження кількості вуглеводнів у ґрунті до 37 %. Переваги даної корисної моделі - очищення від нафти й збагачення забрудненого ґрунту азотом за допомогою рослин та азотфіксуючих бактерій без внесення біоПАР, біогенних добавок та мінеральних добрив, тобто - без загрози потрапляння у ґрунт додаткових забруднюючих речовин. Пропонована корисна модель придатна для впровадження на ґрунтах України, що зазнали забруднення нафтою та нафтопродуктами. Рослини сої вибрано як представника бобових, здатного фіксувати азот атмосфери у симбіозах з бульбочковими бактеріями, оскільки саме акумуляція молекулярного азоту є альтернативою використання азоту мінерального. Внесення азотних мінеральних добрив підвищує біохімічну й мікробіологічну активність нафтозабрудненого ґрунту (зростання інтенсивності дихання, коефіцієнта мінералізації, активності ряду ферментів і ін.) і у такий спосіб сприяє деструкції у ньому нафти й нафтопродуктів [Тишкина Є.І., Кірєєва Н.А. Зміна біохімічних і мікробіологічних параметрів нафтозабруднених ґрунтів: Тези доп. 7 з'їзду ВО ґрунтознавців. Ташкент, 1985. - Ч. 2]. Наприклад, у існуючих рекультиваційних технологіях для окислення 1 г нафти рекомендують вносити 80 мг азоту і 8 мг фосфору [Ильинский В.В., Семеняко М.Н., Юферова С.Г., Трошина Н.Н., Коронелли Т.В. Азотно-фосфорные удобрения для стимуляции биодеградации нефтевых УВ в морской среде //Вестник МГУ. - Сер. Биол. - 1991. - № 2]. Заявлювана корисна модель має задачу - уникнути використання мінеральних добрив, а оптимізації азотного режиму забрудненого ґрунту і, відповідно, підвищення його біохімічної й мікробіологічної активності досягти шляхом мінералізації органічного азоту, здобутого унаслідок функціонування бобово-ризобіального симбіозу. Спосіб можна проілюструвати прикладом: зволожене насіння сої витримують упродовж 3-х діб у чашках Петрі за температури 25±0,1 °C до моменту його накльовування, після чого до чашок вносять культуру бульбочкової бактерії В. japonicum. Симбіонт сої В. japonicum отримують із колекції Rhizobium Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. Інокуляцію здійснюють упродовж 1 години перед посівом у ґрунт, згідно з роботою С.Я. Коця зі співавторами [Особенности взаимодействия растений и азотфиксирующих микроорганизмов /С.К. Береговенко, Е.В. Кириченко, Н.Н. Мельникова - К.: Наукова думка, 2007. - С. 107-108]. Інокульоване насіння висівають у ґрунт, вміщений у пластмасові ящики. У кожному ящику міститься по 6 кг ґрунту. Варіанти забруднення ґрунту нафтою становлять або 5 %, або 8 %. Контролем є ґрунт без нафти. Щільність висіяного у ґрунт насіння, яка є оптимальною для цієї 3 3 культури, становить 1,0-1,2 г/см , бо вже за щільності 1,3 г/см спостерігається пригнічення росту і розвитку сої. Для аналізу активності азотфіксації бобово-ризобіальних симбіозів використовують 30-добові рослини сої. Інтенсивність фіксації азоту визначають ацетиленовим способом [Старченков Е.П., Белима Н.И., Желюк В.М. Связывание молекулярного азота клубеньковыми в симбиотических и культуральных условиях. - К.: Наукова думка, 1984. - 224 с.] у відділі симбіотичної азотфіксації Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. Вміст вуглеводнів нафти у ґрунті визначають після 30 діб росту у ньому сої шляхом екстракції нафтопродуктів з проб ґрунту тетрахлоридом вуглецю. Отриману суміш пропускають через хроматографічну колонку, заповнену адсорбентом Аl2О3 для розділення нафтопродуктів від домішок не нафтового походження з наступним спектрофотометричним визначенням в -14 інфрачервоній області спектра, а саме - в області хвильових чисел 2860; 2930 і 2960 см . Розрахунок концентрацій проводять за інтенсивністю піків поглинання з використанням калібрувального графіку. Встановлено, що забруднення нафтою повністю інгібує процеси формування симбіотичних систем між клітинами коренів сої та аборигенними бульбочковими бактеріями (табл. 1). 60 2 UA 73287 U Таблиця 1 Формування бобово-ризобіального симбіозу 26-добовими рослинами сої з В. japonicum у ґрунті, забрудненому нафтою Кількість бульбочок, штук / рослину 4±1,3 8±1,4 4±1,1 1±0,0 Умови вирощування Контроль, ґрунт без нафти 5 % нафти у ґрунті 8 % нафти у ґрунті Ґрунт без нафти + В.j. 5 % нафти у ґрунті + В.j. 8 % нафти у ґрунті + В. j. 5 Маса 10 штук бульбочок, мг 35,7±2,1 96,4±7,5 73,2±7,1 10,5±11,2 Можливість утворення кореневих бульбочок у нафтозабрудненому ґрунті спостерігають, якщо у нафтозабруднений ґрунт вносять насіння сої, попередньо інокульоване культурою В. japonicum. Формування кореневих бульбочок розпочинається на 21-26 добу росту рослин сої. Аналіз функціональної здатності сформованих симбіозів у нафтозабрудненому ґрунті виявив наявність азотфіксуючої активності (табл. 2). Таблиця 2 Активність фіксації азоту симбіозом сої з В. japonicum у ґрунті, забрудненому нафтою Варіант досліду Об'єм газової фази Площа піку Контроль, ґрунт без нафти 5 % нафти у ґрунті 8 % нафти у ґрунті 10 Кількість бульбочок 3,3±1,2 3,0±1,0 1,0±0,0 73,0±1,0 74,3±0,4 75,0±1,0 189,1±98,3 659,7±74,8 71,1±10,2 Активність азотфіксації, мкмоль С2Н4 / рослину∙год. 0,62±0,04 1,82±0,3 0,3±0,05 Інтенсивність азотфіксації симбіозом сої з В. japonicum за наявності 5 % нафти у ґрунті була вищою, ніж у ґрунті без нафти. Проте, забруднення ґрунту нафтою у кількості 8 % пригнічувало азотфіксуючу здатність бобово-ризобіального симбіозу. Функціонування симбіозу сої з В. japonicum у ґрунті, забрудненому нафтою, сприяло зменшенню кількості у ньому вуглеводнів нафти (табл. 3). Таблиця 3 Вміст вуглеводнів у забрудненому нафтою ґрунті за умов функціонування бобово-ризобіального симбіозу сої з В. japonicum Варіант досліду Початковий вміст нафти у ґрунті 5,00 % 8,00 % 5,00 % 8,00 % Вирощування сої без симбіозу Вирощування сої з функціонуючим бобово-ризобіальним симбіозом Зниження вмісту вуглеводнів у ґрунті після 30 діб експерименту < на 18,1 % < на 17,5 % < на 37,5 % < на 33,8 % 15 20 Отож, застосування толерантних до умов нафтового забруднення рослин сої й культури бульбочкової бактерії В. japonicum дозволяє досягти формування й функціонування азотфіксуючих симбіозів у нафтозабрудненому ґрунті. Даний спосіб позитивно позначається на залишковій кількості вуглеводнів нафти у ґрунті, а також цінна з позиції можливості фіксації азоту атмосфери у ґрунті, забрудненому нафтою, оскільки подальша мінералізація рослинних решток, багатих органічним азотом, дозволяє оптимізувати азотний режим нафтозабрудненого ґрунту. 3 UA 73287 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб очищення ґрунту від забруднення нафтою, що містить підготовку ґрунту та посів зволоженого насіння рослини з родини бобових, який відрізняється тим, що як насіння рослини використовують насіння сої щетинистої Glicine hispida Maxim, попередньо інокульоване культурою бульбочкової бактерії Bradyrhizobium japonicum, яке висівають у ґрунт зі щільністю 3 1,0-1,2 г/см . Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4