М.А. Жуков, В.М.Телеснина 

Общее описание проблемы

Арктическая зона Российской Федерации (далее - АЗРФ) является одним из важнейших регионов добычи углеводородов страны и, одновременно, самым уязвимым для негативных антропогенных воздействий природным регионом. Наиболее уязвимым элементом природной среды Арктики является почвенный покров в силу его маломощности и залегания на многолетнемерзлых породах. В случае загрязнения арктических почв нефтью и нефтепродуктами, применяемые в более южных регионах меры не применимы или ограниченно применимы. Необходимо использовать максимально щадящие методы, к которым относятся в первую очередь биотехнологии. 

Арктические почвы и основные факторы их уязвимости

На территории Арктики распространены разнообразные почвы, строение и свойства которых детерменированы такими специфическими факторами почвообразования, как:

- отрицательные температуры в течение большей части года;

- наличие, как правило, неглубоко залегающих многолетнемерзлых пород, активно участвующих в почвообразовательных процессах;

- относительно низкая величина опада, поступающего в почву.

В результате почвы имеют особенности как морфологии, так и химических и микробиологических свойств:

- слабая выветрелость минеральной части почвы;

- накопление детрита, низкая степень разложенности органического вещества;

- участие криогенных процессов в почвообразовании (морозобойное растрескивание, пучение грунтов, криогенная миграция почвенного раствора);

- развитие процессов оглеения в той или иной степени;

- низкое содержание доступных растениям элементов питания;

- выраженная комплексность почвенного покрова по причине развития мерзлотных комплексов (полигонально-валиковые, бугристо-западинные, пятнистые и т.п.).

Поскольку к Арктике относятся территории с самыми разнообразными биоклиматическими и геолого-геоморфологическими условиями, спектр арктических почв весьма многообразен .

В зоне тундр развиты глееземы типичные и перегнойные в сочетании с торфяными олиготрофными и торфяно-глеевыми в бугристых почвенно-мерзлотных комплексах . На более дренированных участках могут встречаться литоземы типичные и грубогумусовые. В подзонах лесотундры и северной тайги на легких отложениях преобладают подзолы и подбуры, тогда как на более тяжелых развиты глееподзолистые почвы в сочетании с торфяно-глеевыми. В более континентальных секторах Арктики (Восточная Сибирь) встречаются криоземы и криоаридные литоземы.

Выделяются различные типы устойчивости почв к антропогенным воздействиям . Наиболее значимые: противоэрозионная устойчивость; геохимическая устойчивость по отношению к кислотным выпадениям, загрязнению тяжелыми металлами, нефтепродуктами и другими продуктами техногенеза; биологическая устойчивость - сохранение растительного покрова и почвенной биоты. Перечень параметров оценки устойчивости включает: климатические показатели, характеристики рельефа и мерзлоты; характеристики фитоценотического компонента экосистемы - биомасса, продуктивность, емкость и интенсивность круговорота; свойства и режимы почв - щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, водный режим, гранулометрический и минералогический состав, емкость катионного обмена.

Устойчивость почв к загрязнению нефтепродуктами, а также сопутствующими нефтепродуктам тяжелыми металлами, зависит от ряда как внешних, так и внутренних факторов . К внешним относятся сумма активных температур, интенсивность солнечной радиации. К внутренним – свойства самой почвы. Так, наличие многолетнемерзлых пород затрудняет отток загрязняющих веществ из почвы. Низкая биологическая активность арктических почв по причине сочетания низких температур и переувлажненности также не способствует быстрой детоксикации. Суглинистые почвы в большей степени, чем супесчаные и песчаные, поглощают тяжелые металлы, также как и почвы, богатые органическим веществом по сравнению с бедными. С другой стороны, песчаные почвы характеризуются более оптимальным воздушным режимом, что немаловажно для окисления загрязняющих органических веществ – нефти и ПАУ (полициклические ароматические углеводороды).

В целом почвы тундр весьма уязвимы в отношении загрязнения нефтепродуктами. Низкие температуры, устойчивое переувлажнение и низкая активность микробиоты сильно замедляют процесс разложения нефтепродуктов. Особенно это относится к суглинистым почвам с затрудненным внутренним стоком и высоко залегающими многолетнемерзлыми породами. Почвы таежной зоны, особенно сложенные песками и супесями и лишенные многолетней мерзлоты по крайней мере на глубине почвенного профиля, более способны к самоочищению из-за благоприятного водно-воздушного режима, но они не могут поглощать тяжелые металлы из-за низкой емкости катионного обмена. В результате катионы металлов, в том числе относящихся к особо токсичным (ртуть, кадмий, свинец) не адсорбируются в почвенном профиле, а поступают в грунтовые воды и мигрируют по ландшафту. Механическое воздействие на тундровые почвы вызывает усиление таяния многолетнемерзлых пород, а поврежденные органогенные горизонты восстанавливаются довольно долго.

Возможные меры очищения от нефтезагрязнений арктических почв

Меры ликвидации нефтяных загрязнений почв обычно подразделяются на: механические и физико-механические, очищающие поверхностно, но не восстанавливающие почвенный покров; химические и физико-химические, биологические. 

Механические меры: 

- локализация нефтеразливов и сбор разлитой нефти возражений не вызывают и необходимы как предварительные мероприятия;

- удаление нефтезагрязненного почвогрунта в арктических условиях категорически недопустимо, так как на месте снятия почвенного покрова в мерзлотных условиях возможно образование термокарста, что приводит к развитию термоэррозиии;

- замена верхнего слоя почвы, засыпка загрязнений и захоронение собранных грунтов в условиях Арктики также мало реализуемы.

Физико-механические меры: сжигание разлитой нефти, термосорбция, затвердевание, промывание и экстракция химическими растворителями . Это возможно при загрязнении небольшого участка земли на промышленных объектах, но абсолютно нереализуемо при очищении значительных площадей. 

Химические меры: дегалогенирование  – отщепление молекул галогенов в ходе химических и термических реакций, что в природной среде Арктики нереализуемо. Физико-химические меры: адгезия, диспергирование, капсулирование, обработка НП ферромагнитной жидкостью, промывка почв моющими растворами и сорбционная очистка. Адгезия, диспергирование и капсулирование могут применяться в целях изменения фракционного состава покрывающего почву и водную поверхность нефтяного загрязнения для удобства его последующего механического удаления . Но собственно почву это не очистит. Обработкой ферромагнитной жидкости и ПАВ отделяют нефть от песка . В Арктической зоне России это может быть актуально для Ненецкого и Ямало-Ненецкого национальных округов. Промывка почв моющими растворами в условиях Арктики слабо реализуема. Наиболее эффективны в условиях Арктики методы биоремедиации нефтезагрязнений, которым при наличии условий могут предшествовать сбор и удаление доступных для этого объемов загрязнителя. 

Основные методы биоремедиации нефтезагрязнений и вопросы их применения

Трудности реабилитации нарушенных почв и экосистем в целом в условиях вечной мерзлоты связаны с крайне низкой способностью почв к самоочищению. Медленное преобразование органических и минеральных компонентов почвы связано с близким залеганием многолетнемерзлых пород, застойным увлажнением, низкими температурами, коротким вегетационным периодом, недостатком питательных веществ и низкой активностью микробных популяций. Если в регионах с благоприятными климатическими условиями процесс самовосстановления почвенных экосистем от нефтяных загрязненных занимает 10-25 лет, то в условиях Севера и Арктики потребуется минимум 50 лет . 

При загрязнении почв нефтью происходит гидрофобизация и нарушается водно-воздушный режим в системе почва-атмосфера. При этом происходит снижение вдвое общего микробного числа и почти в 7 раз спорообразующих аэробных бактерий. Но далее начинается ее восстановление, так как нефть и нефтепродукты – разлагаемая органика и являются для многих микроорганизмов пищей, в том числе и для спорообразующих аэробных бактерий. Они находятся в почве либо в состоянии спор, либо в виде вегетативных клеток. При исчерпывании запасов легко подвижных органических веществ значительное количество вегетативных клеток бацилл образует споры. Обогащенные почвы свежими формами органических соединений вызывает переход спор в вегетативные клетки. Уже через две недели после попадания нефти на грунт, почвенный микробиоценоз адаптируется к нефтяному загрязнению и обнаруживается резкое возрастание общего микробного числа (до 90 раз) и спорообразующих бактерий - до 30 и более раз (обогащенные почвы свежими формами органических соединений вызывает переход спор в вегетативные клетки) . При микробиологическом исследовании проб почв установлено, что в результате биоремедиации почвы с применением бактериальных культур из штаммов бактерий рода Bacillus и фиторекультивации, увеличивается общее микробное число, количество спорообразующих аэробных бактерий, и отмечен рост микроскопических грибов, что указывает на активизацию микробиологических процессов . Деградация нефти и нефтепродуктов в мерзлотных почвах из-за короткого вегетационного периода и низких температур должна быть интенсифицирована, что достигается:

- стимуляцией собственной углеводородокисляющей микрофлоры; 

- внесением содержащих углеводородокисляющие микроорганизмы биопрепаратов . 

Рост микроорганизмов, развитие микробных культур проходит через определенные стадии: адаптация к условиям среды, активный рост, стационарное функционирование и отмирание. Время адаптации зависит от начальной концентрации микроорганизмов. Чем она выше, тем время адаптации короче. Аналогично начальная концентрация микроорганизмов влияет на фазу активного роста. Чем она выше, тем в большей степени нарастает биомасса микроорганизмов и тем выше скорость окисления нефтепродуктов, следовательно, меньше время очистки. Поэтому для высокоширотных регионов с коротким периодом положительных температур очень важно, чтобы применяемый биопрепарат был достаточно концентрирован и, желательно, дешев. 

Внесение чистых культур микроорганизмов в растворах связано с определенными техническими сложностями и неудобствами, включая короткие (до 60 суток) сроки хранения жидких препаратов. Высокая эффективность была достигнута в опыте при применении суспензии штаммов бактерий Bacillus subtilis «Колыма 7/2к» из расчета 250 мл/м2, деструкция нефти за три месяца достигла до 0,64±0,1 мг/г или составила 99,53 %. Но в качестве подкормки Bacillus subtilis использовался куриный помет из расчета 15 т/га, вдвое увеличивший эффект деструкции нефти (без куриного помета деструкция нефти за три месяца составила только 37,6 %) . Птичий помет - источник колоссального количества разнообразных микроорганизмов, способных разлагать различные субстраты . В то же время, птичий помет –быстро разлагаемое (вдвое быстрее коровьего) высококонцентрированное органическое удобрение и его необходим о применять с большой осторожностью, тщательно рассчитывая дозировки и смешивая детритом растительного происхождения для оптимизации соотношения углерода к азоту. Основная опасность – эвтрофикация олиготрофных арктических водоемов, влекущая за собой исчезновение в них ценных пород лососевых и сиговых рыб.

Применяемые в более южных регионах меры по снятию и удалению слоя загрязненной почвы, перемешивание снятого слоя почвы с торфом и периодические дискование и перекапывание почвы в Арктике принципиально неприменимы. На месте снятия почвенного покрова в мерзлотных условиях возможно образование термокарста, что приводит к развитию термоэррозии. Вспашка или перекопка приведет к разрушению растительного покрова и органогенных горизонтов, без которых также начнется термокарст и термоэррозия. Соответственно, биопрепараты приходится вносить поверхностно, разбрызгиванием или рассыпанием и биодеградация загрязнения идет преимущественно в приповерхностных слоях почвы. Это несколько снижает их эффективность, но атмосфера Арктики и Субарктики за исключением зоны центрально-азиатского (якутского) антициклона наполнена влагой и регулярные осадки вмывают применяемые препараты в почву.

Там, где невозможно или нежелательно применение механических мер воздействия на почвенный покров в результате испарения легких фракций нефти и нефтепродуктов происходит склеивания частиц почвы тяжелыми нефтяными остатками. Вследствие этого происходит образования корки, которая задерживает поступление влаги и воздуха в приповерхностные слои почвы. В этой связи применение чистых микробных культур, высеваемых непосредственно на поверхность нефтяных корок, нерационально. Целесообразно внесении биопрепаратов с сорбентами и комплексом минеральных и (или) органических удобрений . Иммобилизация углеводородокисляющих микроорганизмов обычно рекомендуется на естественных минеральных материалах. Сорбент-носитель должен обладать следующими основными свойствами: проницаемостью, нефтеемкостью, неслеживаемостью, пористостью и сыпучестью. 

Наиболее полно этим требованиям отвечают цеолиты и вспученный вермикулит (ГОСТ 12865-67) . Кристаллическая решетка цеолитов сформирована тетраидами с хорошо развитой внутренней поверхностью, что обеспечивает сорбционную способность минералу и хорошую адгезию микробным клеткам, позволяя закрепляться нефтедеструкторам не только на поверхности носителя, но и внутри, что позволяет его использование в качестве сорбента-носителя для иммобилизации микробных культур. В полной мере этим требованиям отвечает используемый для биопрепарата «Препарат для очистки почв от нефтезагрязнений» (патент RU 2600868 С2, 2014), разработанный и запатентованный ФГБУН Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук (г. Якутск) природный цеолит месторождения Хонгуруу (Западная Якутия). В препарате использованы штаммы Rhodococcus sp. ВКМ Ac-2626D и Serratia plymuthica VKM B-2819D, выделенные из мерзлотных грунтов Центральной Якутии и активные в интервале температур +4+30°С. 

Цеолиты - каркасные аллюмосиликаты, в структуре которых имеются сообщающиеся полости, занятые крупными ионами различных элементов и молекулами воды, имеющими значительную свободу движения, благодаря чему происходят ионный обмен и обратимая дегидратация . Кристаллическая решетка цеолитов сформирована тетраидами с хорошо развитой внутренней поверхностью, что обеспечивает сорбционную способность минералу и хорошую адгезию микробным клеткам, позволяя закрепляться нефтедеструкторам не только на поверхности носителя, но и внутри, что позволяет его использование в качестве сорбента - носителя для иммобилизации . Насыщение цеолита месторождения Хонгуруу нефтью происходит практически сразу после погружения образца в нефть. Через 1 минуту нефтеемкость образца достигает 0,4-0,5 г/г и не меняется в течение шести часов . Являясь катализатором реакций деструкции нефтяных углеводородов, цеолит при внесении его в нефтезагрязненные почвы способствует и формированию в загрязненном грунте центров активной деструкции нефтяных углеводородов благодаря сорбции на его поверхности нефтеусваивающих культур микроорганизмов . 

Химический состав цеолитов позволяет использовать их как источник макро- и микроэлементов, необходимых для активации и питания нефтеокисляющих микроорганизмов почв . Внесение цеолита в нефтезагрязненную почву может усилить также ее азотфиксирующую способность за счет наличия в цеолите таких микроэлементов, как Мо и Fe, которые активируют нитрогеназный ферментный комплекс азотфиксирующих микроорганизмов (в частности, бактерии рода Azotobacter и цианобактерий) .

Вермикулит месторождения Инагли (Якутия), используемый в препарате для очистки почв и воды от нефтезагрязнений (патент RU 2600872 C2, 2014) - природно-гидратированная слюда во вспученной по ГОСТ 12865-67 форме также является перспективным сорбентом-носителем, используемым для иммобилизации клеток. Он обладает необходимыми уровнями проницаемости, нефтеемкости, неслеживаемости, пористости и сыпучестию, сочетает свойства носителя микроорганизмов и сорбента для нефти, что обеспечивает высокую эффективность и пролонгированность реакций деструкции нефтяных углеводородов .

Почвы тундр, лесотундр и северной тайги преимущественно олиготрофны, бедны минеральными и органическими питательными веществами, что сдерживает размножение бактериальной флоры. В связи с этим разработчиками биопрепаратов-нефтедеструкторов рекомендуют использовать совместно с биопрепаратами-деструкторами нефтезагрязнений минеральные удобрения. Но вносимые минеральные фосфорные и азотные удобрения, особенно те, которые плохо растворяются в воде при низких температурах, могут вместе с поверхностным стоком поступать в олиготрофные арктические водоемы и вызывать их эвтрофикацию, что может негативно повлиять на популяцию ценных лососевых и сиговых рыб. Эвтрофикация водоемов вызывает аномальное разрастание анаэробных продуцентов (сине-зеленые водоросли), что нарушает равновесие в экосистеме водоемов. Поэтому может оказаться более предпочтительным внесение органических удобрений. При использовании минеральных удобрений эффект их воздействия на водоемы Арктики должен тщательно рассчитываться.

Еще один прием повышения эффективности очистки нефтезагрязненных почв - посев трав с разветвленной корневой системой. Они сдерживают миграцию нефтезагрязнения, препятствует пересыханию почвы, образованию корки, что важно для высокой микробиологической активности. Растения через ризосферу (симбиотические микроорганизмы) положительно влияют на деструкцию нефти и нефтепродуктов и стимулируют трансформацию более широкого спектра нефтяных углеводородов . 

Растения, произрастающие на нефтезагрязненной почве, адаптируясь к токсичной среде, используют в своем арсенале все возможные механизмы защиты от увеличения активности антиоксидантных систем и систем репараций ДНК до включения апоптоза и SOS-репараций, а часть продуктов биодеградации нефтезагрязнений используются растениями в качестве питательной среды. Достигаемый синергетический эффект интродукции микроорганизмов-нефтедеструкторов и высевания устойчивых к нефтезагрязнению многолетних травянистых растений усиливает положительный эффект другого, способствуя реализации положительных обратных связей. Взаимоактивация внесенных комплексов микробов и растений увеличивает скорость процессов биодеградации загрязнения, способствует обеспечению стабильности протекающих процессов, вовлечению в процессы трансформации более широкого спектра углеводородов и приближению состава почвенных битумоидов к природному фону .

Одним из существенных факторов, влияющих на скорость биологической деструкции нефтепродуктов, является температура . В этой связи создавать для арктических условий биопрепараты-деструкторы нефтезагрязнений необходимо на основе не проявляющих антагонизма в отношении эндогенных микроорганизмов районированных аборигенных штаммов, обладающих способностью расти при пониженных температурах (+4+10°С), низких значениях рН (4,5-6) или повышенном содержании NaCl (1-4%) для условий морских побережий, утилизировать широкий спектр компонентов нефти при температурах 10-15°С . Микроорганизмы могут выжить в условиях ультранизких температур лишь обладая соответствующими механизмами биологического обмена, включая особенности белкового синтеза и структурой ферментных белков .

Наиболее перспективная с этой точки зрения группа психрофильных штаммов микроорганизмов-нефтедеструкторов выделена в Республике Саха (Якутия). Эта группа адаптирована не только к размножению в условиях низких температур, но и способна легко переносить ультрахолодные условия зимнего периода. На территории Центральной Якутии из-за обширного зимнего антициклона снежный покров рыхл и невелик, а ночные температуры особенно низки, в связи с чем почвы промерзают быстро, на значительную глубину и для них характерны наиболее низкие температуры даже в сравнении с почвами арктических островов, где в силу морского циклонического климата не происходит такого низкого падения температур. Но целесообразно получение образцов мерзлотных почв по всему арктическому побережью, чтобы иметь аборигенные штаммы для всех секторов Арктики. В связи с реализации программ по очистке Арктики от скоплений бочек из под нефтепродуктов, целесообразно брать образцы почв в местах скопления этих бочек на участках, наиболее загрязненных нефтепродуктами. Это обогатит коллекции штаммов микроорганизмов- деструкторов нефтепродуктов. 

Необходимо учитывать, что в соответствии описаниями уже разработанными биопрепаратов минимальный эффективный для них уровень рН - 4,5. Но почвы торфяных бугров крупнобугристых болот и верховых торфяников имеют еще более высокую кислотность (рН 3-4,5). Для таких территорий нужно применять известкование, что при правильном дозировании не вызовет серьезных проблем, та как те же растительные сообщества успешно произрастают на карбонатных породах.