Микроорганизмдердің топырақ құнарлығына әсері

Зерттеу нәтижелері және оларды талқылау

Ақтөбе облысының Мұғалжар ауданының Жаңажол кен орнының территориясында орналасқан ЖШС «Химпромсервис-Ақтөбе» шлам жинақтаушысының мұнаймен ластанған топырағының биоремедиациясы бойынша егістік және зертханалық зерттеулер жүргізілді. Мұнай деструкторы ретінде Pseudomonas mendocina Н-3 бактериясы қосылды. Зертханалық жағдайда құрамында мұнайтотықтырғыш бактериялардың жасушалары бар ортамен топырақ өңделіп, алты ай бойы органикалық бөліктің құрамында болған өзгерістер бақыланды. Мұнай деструкциясына аборигенді (топырақ құрамындағы) және енгізілген микрофлораның қатысуын дұрыс бағалау үшін тәжірибелер стерилді және стерилді емес топырақтармен жүргізілді. Тәжірибе 180 тәулікке созылды. Топырақ биоремедиациясының  нәтижелері 1- суретте көрсетілген.

1-суретте көрініп тұрғандай, органикалық заттардың ең жылдам  деструкциясы стерильді емес, мұнаймен  ластанған топырақ пен микроағзалары  бар ортада байқалды. Стерилді  және стерилді емес топырақтағы  бақылау үлгілерінде органикалық заттардың концентрациясы сәйкесінше 18,7 және 20,4%-ға дейін төмендеген. Екінші айдың соңына таман органикалық заттардлың мөлшері 12,6 және 16,7%-ға дейін төмендеді. Алты айлық тәжірибеден кейін ластанған топырақтағы органикалық заттардың мөлшері 3-6 мас.% құрады, ал деградация дәрежесі 83 және 91%-ды құрады.

Егістік зерттеулерде анализ үшін топырақ үлгілері тәжірибенің басында және соңыда алынды. Интродукция үшін мұнай тотықтырғыш микроағзалар жасушасының суспензиясы қолданылды. Тәжірибелер 1х1х0,8 м өлшемді алқапта бес рет қайталап жүргізілді. Зерттеліп жатқан алқаптардың 6 ай өткеннен кейін сырт көзге түсі мен иісінде айтарлықтай айырмашылықтар байқалды. Оларға ашық-қоңыр түсті топырақтың түсі тән, қышқыл органикалық иіс сезілмеді.

Хроматография әдісімен Жаңажол кен орнының мұнайымен ластанған топырақты органикалық бөлігінің биоремедиацияға дейінгі және одан кейінгі химиялық құрамынан сандық және сапалық өзгрістер зерттелді 1-кестеде топырақтың бастапқы және алты ай микроағзалардың әсерінен кейінгі органикалық бөлігінің хроматографиялық анализ нәтижелері келтірілген.

1-кесте Жаңажол кен орнының мұнаймен ластанған топырақтың органикалық бөлігінің биоремедиацияға дейінгі және одан кейінгі компоненттік құрамы

Топырақтың органикалық бөлігінің компоненттік құрамының хроматографиялық анализ нәтижелерінен көрініп тұрғандай негізінен жеңіл парафиндер көрсетілген. Бастапқы ластанған топырақтың органикалық бөлігінде изопарафиндер, циклді және ароматты көмірсутектер болды. 3-метилпентан, 1,5-диметилнафталин және С12 көмірсутектерінің концентрациясы жоғары. Алты ай микроағзалардың әсерінен кейін топырақтың органикалық бөлігінің хроматограммасынан көмірсутектердің мөлшерінің айтарлықтай өзгерісін көруге болады. С10-нан С15-ке дейінгі төменгі молекулалы көмірсутектердің мөлшері төмендеді. Органикалық бөліктің құрамында С16-дан С34-ке дейінгі қатты жоғары молекулалы көмірсутектердің пайда болғаны байқалды. Алты ай бойы топырақтың 34%-дық ластануы кезінде биототығу процестері топырақтағы жеңіл парафиндердің мөлшерінің азаюына және С16-С34 компоненттерінің жоғарылауына әкелді.

Сондай-ақ ЖШС «Химпромсервис-Ақтөбе» шлам жинақтаушы топырағының органикалық бөлігінің топырақ құрамына, микроағзалармен тазаланғанға дейінгі және кейінгі адсорбционды-хроматографиялық әдісі бойынша анализ жүргізілді, оның нәтижелері 2-кестеде көрсетілген. Кестедегі мәліметтер бойынша топырақтың органикалық бөлігінің құрамын негізінен майлар (50,2 мас.%) мен шайырлар (41,3 мас.%) құрайды. Майлардың ішінде парафинді-нафтенді майлардың (32,9 мас.%), ал шайырлардың арасында-бензолды шайырлардың (33,1 мас.%) мөлшері көп. Асфальтендер мөлшері 8,5 мас.%-ды құрайды.

2-кесте Жаңажол кен  орнының мұнаймен ластанған топырақтың  органикалық бөлігінің Pseudomonas mendocina Н-3 жасушасы суспензиясының интродукциясына дейінгі және  кейінгі топтық құрамы

Алты ай өткен соң микроағзалары бар ортаның интродукциясынан кейін топырақта мұнайдың майлы фракциясының мөлшері айтарлықтай азайған, ал асфальтендер мөлшері көбейген. Майдың құрамында парафинді-нафтенді, полициклді және ароматты компоненттердің концентрациясы төмендеген, ал моно және бицикло-ароматты көмірсутектердің мөлшері жоғарылаған. Шайырдың жалпы мөлшері өзгермегенімен, бензолды шайырдың концентрациясы 10 есеге азайған және 2.4%-ды ғана құраған. Спиртті-бензолды шайыр құрамының жоғарлауы қосылыстардың екінші ретті тотығуымен байланысты. Органикалық бөліктің құрамында асфальтендердің мөлшері 2,5 ретке жоғарылаған.

Органикалық қосылыстардың тербелмелі спектрлерінің анализі инфрақызыл облыста тотығу кезіндегі функционалды топтардың табиғаты мен олардың құрылысындағы өзгерістерді анықтау үшін сенімді әдісболып табылады. Мұнай деградациясы өнімдерінің ИҚ-спектрінен мұнайдың қарқынды тотығуын көруге және бақылау үлгісімен салыстырып, деструкция процесінің жылдамдығын бағалауға болады. Топырақтың органикалық бөлігінің құрамындағы өзгерістерді анықтау үшін сондай-ақ Иқ-спектрометрлік анализ жүргізілді. 2-суретте бастапқы ластанған топырақтан экстракцияланған органикалық бөліктің инфрақызыл спектрі келтірілген. Спектрде 2953, 2922, 2851, 1456, 1377 см-1 облыстарда жұтудың қарқынды жолақтары табылған. Толқынды сандардың осы мәндерінде жұту жолақтарының пайда болуы, қаныққан көмірсутектердің айтарлықтай мөлшерінің бар екенін көрсетеді.728 см-1-де қарқындылығы жоғары жұту жолақтары ұзартылған нормалды көмірсутектердің валенттік және деформациялық тербелулерінің арқасында пайда болады. Бұл Жаңажол кен орнының мұнайында парафинді көмірсутектердің көптігін білдіреді. 1604 және 1044 см-1 жұту жолақтарының спектрі органикалық бөлікте бензолды сақиналармен байланысқан ароматты құрылымдардың, 1707 см-1 қарқындылығы орташа жолақтар органикалық оттек құрамдас қосылыстардың карбонильді топтарының бар екенін көрсетеді. Бұл жолақтың пайда болуының себебі, ұзақ уақыт бойы ашық ауада сақтағанда күн сәулесі топырақтағы микрофлораның өсу процестерін және оксигеназды активтілігін жоғарлатуымен түсіндіруге болады. Топырақтың органикалық бөлігінде оттек құрамдас компоненттердің мөлшерінің үнемі жоғарылап отырғаны байқалды.

3-суретте көрсетілгендей  алты ай бойы микроағза жасушаларымен  әсер еткенде топырақтың органикалық  бөлігінің өзгерісіне әкелді. Биодегратацияланған  топырақтың органикалық бөлігінің  ИК-спектрінде 1377, 1462, 2851, 2922, 2954 см-1 (-СН2-СН3 топтарының валенттік деформациялық тербелісі) алифатты құрылымды көмірсутектердің жұту жолақтары пайда болған, жұту жолақтарының қарқындылығы бастапқы топырақтың органикалық бөлігінің спектрімен салыстырғанда айтарлықтай төмендеген. 728 см-1 кезіндегі жұту жолақтары жоғалып кеткен, ал 1604 см-1-дегі ароматты қосылыстардың жұту жолақтарының қарқындылығы әлсіз. Спектрде н-парафиннің микробы тотығуы кезіндегі метаболизмнің аралық өнімі болып табылатын әртүрлі оттек құрамдас органикалық қосылыстардың: спирттердің, эфирлердің және күрделі эфирлердің С-О, С-Щ-С функционалды топтарының тербелуі салдарынан толқын сандарының мәндері 1073, 1122, 1273 см-1 болатын жаңа жолақтары пайда болады. 1730 см-1-дегі жұту жолақтарын да оттекті қосылыстардың болуынан деп қарастыруға болады және оның қарқындылығы биодегратациядан кейін жоғарылаған.

ИҚ-спектроскопия анализінің мәліметтерінен биоремедиация нәтижесінде мұнайдың оттек құрамдас компоненттерінің мөлшері өсетінін және парафиндер мен ароматты қосылыстардың мөлшерінің азаятындығын көруге болады. Бірінші кезекте гетероорынбасқанқанықпаған қосылыстардың таңдамалы тотығуы жүрсе, кейін нормалды алкандардың тотығуы және оттек құрамдас қосылыстардың құрылымына тән 1707 және 1730 см-1 ауысуы пайда болды. Тәжірибе соңында мұнайдың трансформациясының өнімдері болып көп мөлшердегі эфирлі, карбонильді және карбоксильді топтары бар қосылыстары пайда болады.

Жұмыста сондай-ақ жеке көмірсутектер н-деканның, изооктанның (2,2,4-триметилпентан) және бензолдың биодеградациясы зерттелді. Олар моторлы және дизельді отындардың құрамына кіретін н-алкандардың, изоалкандар мен ароматты көмірсутектердің типтік өкілдері болып табылады.

4-суретте Pseudomonas mendocina Н-3 штамының әсерінен н-деканы бар ортаның оптикалық тығыздығының өзгерісі келтірілген. Суреттен штамның әсерінен оптикалық тығыздықтың максимум арқылы өтетіні көрініп тұр. Н-деканның 2%-дық концентрациясында ортаның оптикалық тығыздығы бірден 5 есеге жоғарылайды және 5-10 тәулік бойы өзгермейді, сосын біртіндеп азая бастайды, н-деканның концентрациясын 5%-ға жоғарылатсақ, басында оптикалық тығыздық өзгермейді, бірақ кейіннен оның 2,5 есеге жоғарылап, соңында азайғанын көруге болады. Бұл жағдайда оптикалық тығыздықтың максималды мәні 7 тәулікте байқалды. Ортаның оптикалық тығыздығының жоғарылауы н-деканның биодеструкция процесінің қарқынды өткенін және түрлердің өскенін білдіреді. Бақылаушы ерітіндінің оптикалық тығыздығы мүлдем өзгермеді. Жалпы Pseudomonas mendocina Н-3микроорганизмдері 10 тәулікке дейін көмірсутектерді белсенді түрде қолданады, кейін олардың белсенділігі нашарлап ортаның оптикалық тығыздығы төмендейді, н-декан нормалды алкандар қатарына жататындықтан, берілген штамм тағы да парафинді көмірсутектерге белсенді әсер ететіндігін көрсетті.

Изооктаны бар ортаға осы штамдардың әсерінің нәтижелері оптикалық тығыздықты уақытқа тәуелділігі түрінде 5 суретте көрсетілген. Ортаның оптикалық тығыздығы н-деканға қарағанда айтарлықтай жоғары емес, нәтижесінде штамның көмірсутектерді таңдамалы қолданатындығын көруге болады. Изооктан изомерлі алифатты көмірсутек болғандықтан, нормальды алкан н-деканға қарағанда, берілген штамм мен оның биодеструкциясы нашар өтеді. Концентрациясы 2% болғанда ортаның оптикалық тығыздығы жеті тәуліктің ішінде, ал 5% концентрацияда бес тәуліктің ішінде максимумға жетеді. Көмірсутек концентрациясы мен энергияның жоғарылауы бактерияның өсуіне әсер етіп, микроағзалардың өмір сүруіне қолайсыздық туғызады.

6-суретте Pseudomonas mendocina Н-3 штамының әсерінен бензолы бар ортаның оптикалық тығыздығының уақытқа тәуелділігі көрсетілген. Бастапқы сегізінші тәулікте енгізілген штамдар бір ароматты сақинадан тұратын бензолды ыдыратпайды, бұны ортаның оптикалық тығыздығының тұрақты болып қалғанынан да көруге болады, оныншы тәуліктен бастап үш тәуліктің ішінде бензолды белсенді түрде ыдыратқаны байқалды, ал соңында азайып барып оптикалық тығыздық бірден төмендеп кеткенін көреміз. Бұл жерде де штамның алкандарға қарағанда ароматты көмірсутектерге деген белсенділіктерінің төмен екенін көреміз.

Сондай-ақ Pseudomonas тұқымдас штаммен салыстыру үшін Oscillatoria С-3 түрі қолданылды. Микроскоптық зерттеулер бұл түрдің трихомның соңғы жасушалары екендігін көрсетті, жеке жасушалар арасындағы бөгеттер жақсы көрініп тұр. 7-суреттен изооктаны бар ортаға интродукциясына дейінгі және кейінгі трихом жасушасы Oscillatoria С-3 түрінің морфологиясы көрсетілген. Суретте изооктаны бар ортаға түрді енгізгенде жасушалардың үздіксіз құрылымының үзілгендігі, түсінің және жасушалар формасының өзгергенін көруге болады.

Oscillatoria С-3 түрімен әсер еткенде көмірсутектері бар ортаның оптикалық тығыздығының өзгерісі 8суретте келтірілген. Бұл бактерияның бензол мен парафинді көмірсутектерді әртүрлі дәрежеде ыдыратады. Алкандар ортасында Pseudomonas mendocina Н-3 шатамы сияқты оптикалық тығыздық біртіндеп жоғарылайды, максимумнан оныншы тәулікте өтеді, кейін уақыт өте келе бірден төмендеп кетеді. Бензол ерітіндісі бастапқы он тәулікте түрдің өсуі мен оптикалық тығыздыққа әсер етпейді, бірақ кейін түр бензолды қолдана бастайды да, ерітіндінің оптикалық тығыздығы 15 тәулікке дейін өсе бастайды және де басқа ерітінділерге қарағанда бірқалыпты болып қалады. Яғни Pseudomonas mendocina Н-3 штамына қарағанда бұл бактерияның ароматты көмірсутектерге деген жоғары белсенділігін көрсетеді.

Осылайша, жүргізілген зертеулер нәтижесінде Pseudomonas mendocina Н-3 штамдарының парафинді көмірсутектердің жоғары деструкция дәрежесін көрсетсе, ал Oscillatoria C-3 түрі бензолы бар ортада белсенді. Көмірсутек концентрациясының жоғарылауы аталған штамдардың деструкциялау белсенділігін төмендетеді.

Жұмыстың нәтижесі:Хроматографиялық және ИК-спектроскопиялық анализ нәтижелері негізінде мұнаймен ластанған топырақа ензіліген микроағзалар-деструкторлардың әсері анықталды және мұнаймен ластанған топырақты тазалау үшін қолдану мүмкіндігі көрсетілді. Мұнайды тотықтырған микроағзаларды ластанған топыраққа интродукциялау нәтижесінде көмірсутектердің деструкция процесі артып, топырақты қайта қалпына келтіруге ықпал етеді. Алты айлық тәжірибе кезінде алынған нәтижелер мұнай мен ластанған топырақтың биоремедиация технологиясын жасауға негіз бола алады.