ЭФФЕКТИВНОСТЬ БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДАПТИРОВАННЫХ МИКРОБНЫХ КОНСОРЦИУМОВ В УСЛОВИЯХ АРИДНОГО КЛИМАТА РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты комплексных научных исследований по восстановлению нефтезагрязненных почв с использованием специально разработанных биопрепаратов, основанных на ассоциациях углеводородокисляющих микроорганизмов. Особое внимание уделено выбору штаммов, устойчивых к экстремальным природно-климатическим условиям, таким как высокие температуры и пониженная влажность, характерные для аридных регионов Республики Казахстан. Представлены современные подходы к биоремедиации, рассмотрены особенности биодеструкции различных фракций нефти, включая алифатические, ароматические и полициклические углеводороды, а также асфальтены. Показаны принципы разработки, хранения и применения биопрепаратов. В ходе полевых испытаний, проведенных на полигоне нефтеотходов ТОО «Компания -- Даулет Азия» в Кызылординской области, была достигнута эффективность деградации нефти на уровне 89,67% за 12 недель. Эти результаты подтверждают перспективность использования микробных консорциумов в задачах экологической реабилитации нефтезагрязненных территорий в условиях аридного климата.

ABSTRACT

The article presents the results of comprehensive scientific research on the restoration of oil-contaminated soils using specially developed biological products based on associations of hydrocarbon-oxidizing microorganisms. Particular attention is paid to the selection of strains that are resistant to extreme natural and climatic conditions, such as high temperatures and low humidity, characteristic of the arid regions of the Republic of Kazakhstan. Modern approaches to bioremediation are presented, and the features of biodegradation of various oil fractions, including aliphatic, aromatic, and polycyclic hydrocarbons, as well as asphaltenes, are considered. The principles of development, storage, and application of biological products are shown. During field tests conducted at the oil waste site of Daulet Asia LLP in the Kyzylorda region, oil degradation efficiency of 89.67% was achieved in 12 weeks. These results confirm the promise of using microbial consortia in the ecological rehabilitation of oil-contaminated areas in arid climates.

Ключевые слова: нефтезагрязненные почвы, биоремедиация, биодеструкция, микробные консорциумы, аридный климат, экстремофильные микроорганизмы, деградация углеводородов.

Keywords: oil-contaminated soils, bioremediation, biodegradation, microbial consortia, arid climate, extremophile microorganisms, hydrocarbon degradation.

Введение

Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами представляет серьезную экологическую проблему, требующую эффективных методов восстановления. В последние годы биоремедиация с использованием специализированных биопрепаратов зарекомендовала себя как перспективный, экологически безопасный и экономически эффективный подход к решению данной проблемы.

Современные исследования демонстрируют высокую эффективность биопрепаратов, содержащих специализированные штаммы бактерий, в разложении нефтяных углеводородов. Наиболее часто используемые микроорганизмы включают представителей родов Pseudomonas, Rhodococcus и Bacillus, которые обладают способностью метаболизировать различные компоненты нефти.

Исследования показывают, что биопрепараты способны снижать концентрацию нефтяных углеводородов в почве на 70-90% в течение нескольких месяцев, даже в суровых климатических условиях и при низких температурах [2, 4]. Например, новый биопрепарат, разработанный для аридных условий Казахстана, продемонстрировал способность разлагать 70% сырой нефти в почве, загрязненной 10% нефти, в течение шести месяцев полевых испытаний [4].

Эффективность биоремедиации значительно повышается при применении комплексных подходов, сочетающих различные технологии и добавки. Исследования показывают, что комбинирование биопрепаратов с биоуглем, гуматами, питательными веществами и фиторемедиацией способствует восстановлению микробного разнообразия, улучшению агрофизических свойств почвы и ускорению разложения нефти [13, 14].

Биоуголь играет важную роль в процессах биоремедиации, особенно в сочетании с микробными препаратами. Исследование Wang et al. [13] продемонстрировало, что комбинированное применение биоугля, микробных агентов и растений (Tagetes erecta) эффективно разлагает нефтезагрязненную почву, способствуя росту растений и повышению разнообразия бактериальных сообществ почвы.

Wei et al. [14] показали, что интегрированное применение биоугля, рамнолипидного биосурфактанта и азота эффективно снижает загрязнение сырой нефтью в почвах прибрежных болот, демонстрируя синергетическое взаимодействие и улучшение микробного сообщества почвы.

Фиторемедиация в сочетании с биопрепаратами показывает значительные преимущества в восстановлении загрязненных почв. Растения способствуют деградации углеводородов путем стимуляции микробной активности через корневые экссудаты [3].

Исследования показывают, что использование растений может улучшить деградацию углеводородов на 18% по сравнению с почвами без растительности [3]. Эффективными растениями для фиторемедиации являются кукуруза (Zea mays) и бархатцы (Tagetes erecta), которые дополнительно снижают токсичность почвы и повышают урожайность [15, 13].

Важным аспектом применения биопрепаратов является учет типа почвы и подбор оптимальных комбинаций препаратов и добавок. Исследования показывают, что для черноземов и камбисолей наиболее эффективны биопрепараты на основе микробных культур в сочетании с биоуглем, в то время как для песчаных почв предпочтительны гуматы [7].

Биопрепараты не только способствуют разложению нефтяных углеводородов, но и восстанавливают агрофизические свойства почвы. Исследования показывают, что применение биопрепаратов способствует восстановлению влагоемкости и снижению фитотоксичности почвы, что особенно важно для сельскохозяйственных территорий [10].

Российскими исследователями установлено, что применение биопрепарата "DOP-UNI" в течение трех недель привело к увеличению капиллярной влагоемкости нефтезагрязненной почвы в 1,3-1,8 раза по сравнению с необработанными образцами и снижению фитотоксичности на ~20% при уровне загрязнения нефтью до 150 г/кг [10].

Важным преимуществом современных биопрепаратов является их способность функционировать в различных климатических условиях. Исследования показывают, что биопрепараты сохраняют эффективность даже при низких температурах (до 10°C), что делает их применимыми для основных нефтедобывающих регионов Российской Федерации с суровыми климатическими условиями [10].

Современные исследования подтверждают высокую перспективность и универсальность биопрепаратов для восстановления нефтезагрязненных почв в различных климатических и почвенных условиях. Комплексные подходы, включающие биопрепараты, фиторемедиацию и различные добавки, демонстрируют синергетические эффекты и значительно повышают эффективность восстановления загрязненных территорий. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оптимизацию составов биопрепаратов для конкретных почвенно-климатических условий и разработку стандартизированных протоколов их применения.

Методы исследования

Работа включала три ключевых этапа: аналитический обзор, лабораторные эксперименты и полевые испытания. В первой части были обобщены современные данные по биодеструкции нефти и особенностям функционирования микробных консорциумов в экстремальных условиях. Проведен сравнительный анализ существующих методов и технологий биоремедиации, с акцентом на применимость к засушливым почвам. Рассмотрены возможности использования термофильных, ацидофильных и галотолерантных микроорганизмов.

На втором этапе была проведена лабораторная селекция высокоактивных штаммов из местных нефтезагрязненных почв. Были отобраны и идентифицированы штаммы Rhodococcus erythropolis KZ1, Rhodococcus erythropolis KZ2 и Pseudomonas putida KZ3. Из них была сформирована ассоциация, продемонстрировавшая наилучшую деградационную активность при температуре от 5 до 39°C и в условиях ограниченной влажности. Численность микроорганизмов в культуральной жидкости достигала 8,3×10¹⁰ КОЕ/мл. В рамках третьего этапа была разработана методика полевого внесения препарата, включающая предварительную аэрацию, подготовку почвы (вспашка, внесение удобрений и органики), а также оптимизацию режима полива. Процесс внесения препарата показан на рис. 1.

Рисунок 1. Внесение биопрепарата на нефтезагрязненную почву

Препарат применялся в сухой форме после лиофилизации с численностью микроорганизмов 8,0×10¹⁰ КОЕ/г. Наблюдение за динамикой загрязненности и численностью микрофлоры проводилось каждые две недели в течение 12 недель.

Результаты и обсуждение

Полевые испытания на участке площадью 3600 м², загрязненном нефтью (6,97 г/кг почвы), продемонстрировали высокую эффективность разработанного биопрепарата. Уже через 2 недели наблюдалось снижение содержания нефти на 21,67%. Через 6 недель убывание достигло 66,71%, а к 12 неделе составило 89,67%. Это свидетельствует о высокой активности введённых штаммов и способности препарата функционировать в условиях жары и ограниченного водоснабжения. Вид почвы после 12 недель обработки показан на рис. 2.

Рисунок 2. Очищенная нефтезагрязненная почва после 12 недель

В процессе эксперимента наблюдалось последовательное уменьшение остаточного содержания нефти, что согласуется с прогнозируемой кинетикой микробиологического разложения углеводородов. Применение повторных внесений биопрепарата без удобрений на поздних стадиях эксперимента показало, что даже при сниженной дозировке, микробная активность сохранялась на высоком уровне.

Дополнительные данные о численности микроорганизмов показали, что в течение всего периода количество деструкторов варьировалось от 5,2×10⁶ до 9,8×10⁷ КОЕ/г почвы, что указывает на устойчивое развитие микробного сообщества. Максимальная активность наблюдалась в первые 6 недель, после чего численность немного снизилась, что связано с истощением субстрата.

ИК-спектроскопический анализ подтвердил снижение интенсивности полос, соответствующих С–Н связям в нефти, а результаты газовой хроматографии показали деградацию как алифатических, так и ароматических компонентов нефти. Особенно значимым является разложение тяжелых фракций нефти, включая полициклические углеводороды и асфальтены, ранее считавшихся трудноразлагаемыми.

Кроме того, были зафиксированы положительные изменения биологических и физико-химических характеристик почвы: улучшение структуры, увеличение ферментативной активности, снижение экотоксичности (по биотестам). Внесение органических удобрений (навоз) и минеральных подкормок (нитроаммофоска) способствовало не только активации микрофлоры, но и повышению общей биогенности почвы.

Таким образом, результаты полевых испытаний позволяют говорить о комплексной эффективности предложенного подхода, который сочетает использование адаптированных микробных консорциумов, органоминеральной подпитки и простых агротехнических приёмов.

Заключение

Результаты исследований показали, что применение специально разработанного микробного препарата, состоящего из штаммов Pseudomonas и Rhodococcus, эффективно способствует деградации нефти в почве даже в условиях аридного климата. За 12 недель загрязненность почвы была снижена почти на 90%. Проведена оптимизация методов хранения и применения препарата, предложены практические рекомендации для масштабирования технологии.

Предложенный подход может быть адаптирован для использования в других регионах с аналогичными климатическими и почвенными условиями. Таким образом, разработанная стратегия биоремедиации с применением адаптированных консорциумов микроорганизмов является экологически безопасной, экономически эффективной и технологически реализуемой альтернативой традиционным методам очистки почв от нефти и нефтепродуктов.

Список литературы:

1. Appazov, R., Narmanova, R., Puntus, I., et al. (2025). Development and application of a dry form of a new biopreparation for remediation of oil-contaminated soils in extreme continental climate conditions. Edelweiss Applied Science and Technology.
2. Борзенков И.А., Звягинцева И.С. и др. Устойчивость микрофлоры к нефтезагрязнению. Микробиология, 2006, 75(5), 610-616.
3. Brzostowicz, P. C., Reams, A. B., Clark, T. J., et al. (2002). Promoter and gene replacement analysis of the alkane monooxygenase operon from Pseudomonas putida. Applied and Environmental Microbiology, 68(6), 2874-2882.
4. Franchi, E., Cardaci, A., Pietrini, I., et al. (2022). Nature-Based Solutions for Restoring an Agricultural Area Contaminated by an Oil Spill. Plants, 11(17), 2311.
5. Funtikova, T. V., Akhmetov, L., Puntus, I. F., et al. (2023). Bioremediation of Oil-Contaminated Soil of the Republic of Kazakhstan Using a New Biopreparation. Microorganisms, 11(2), 481.
6. Иванова Н.А., Корчагина Л.Е. Восстановление почв: современные методы. Естественные науки, 2012. №1, 37-46.
7. Кебекбаева Н. и др. Микробиологический подход к ремедиации нефтезагрязнённых почв. Вестник КазНУ. Серия биологическая, 2020 №3 (89), 66-73.
8. Minnikova, T., Ruseva, S., Kolesnikov, S., et al. (2023). Enzymatic Assessment of the State of Oil-Contaminated Soils in the South of Russia after Bioremediation. Toxics, 11(4), 321.
9. Поконова И.В.  Нефть и нефтепродукты. СПб: Синтез, 2003. - 902 с.
10. Ryumin, M. B., Stom, D., Balayan, A., et al. (2025). Change in the capillary moisture capacity and phytotoxicity of oil-contaminated soils under the influence of the oil-destructive biological product "DOP-UNI" in a short-term experiment. Povolzhskiy Journal of Ecology, 1, 45-52.
11. Stapleton, R. D., Fredrickson, J. K., Bollag, J. M. (2000). Phenanthrene degradation in soil columns and its enhancement by treatment with a microbial consortium. Applied and Environmental Microbiology, 66 (7), 2664-2669.
12. Tripathi, V., Srivastava, A., Kaur, R., et al. (2024). Unlocking bioremediation potential for site restoration: A comprehensive approach for crude oil degradation in agricultural soil and phytotoxicity assessment. Journal of Environmental Management, 352, 120034.
13. Vasudevan, N., Rajaram, P. (2001). Bioremediation of oil sludge-contaminated soil. Environment International, 26(5-6), 409-411.
14. Wang, X., Fang, X., Zhang, L., et al. (2024). Biochar-bacteria-plant combined potential for remediation of oil-contaminated soil. Frontiers in Microbiology, 15, 1347961.
15. Wei, Z., Gaston, L. A., Delaune, R. D., et al. (2020). Remediation of crude oil-contaminated coastal marsh soil: Integrated effect of biochar, rhamnolipid biosurfactant and nitrogen application. Journal of Hazardous Materials, 396, 122593.
16. Wójtowicz, K., Steliga, T., Kapusta, P., et al. (2023). Oil-Contaminated Soil Remediation with Biodegradation by Autochthonous Microorganisms and Phytoremediation by Maize (Zea mays). Molecules, 28(3), 1363.