Комплексная оценка загрязнений почвы полосы отвода железнодорожного транспорта и рекомендации по ее восстановлению
На правах рукописи
КРОШЕЧКИНА Ирина Юрьевна
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОЧВЫ ПОЛОСЫ ОТВОДА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЕЕ ВОССТАНОВЛЕНИЮ
Специальность 03.02.08 – Экология (в транспорте)
(технические науки)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ).
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент
Николай Иванович Зубрев.
Официальные оппоненты: Пашинин Валерий Алексеевич –
доктор технических наук, профессор кафедры
«Химия и Инженерная экология» МГУПС (МИИТ).
Юдаева Оксана Сергеевна –
кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории Коммунальной гигиены и эпидемиологии, Руководитель испытательного центра «Экологической сертификации» ФГУП ВНИИЖГ.
Ведущая организация – Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ОАО «ВНИИЖТ»).
Защита диссертации состоится «28» февраля 2013 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 218.005.11 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете путей сообщения» МГУПС (МИИТ) по адресу: 127994 Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9 в ауд. 1235.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан «_24_» января 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук.
_____________ А.Н. Савин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Важнейшей проблемой современной экологии, имеющей приоритетное социальное и экономическое значение, является загрязнение почвенного покрова полосы отвода железнодорожного транспорта, происходящее в результате поступления в почву нефтепродуктов и патогенных микроорганизмов при эксплуатации подвижного состава. Оценка степени загрязнения почв и их восстановления являются актуальными для решения вопросов по защите окружающей среды и охране труда, так как заражение человека через загрязненную почву может наступить при текущем обслуживании железнодорожного пути и строительных работах.
Во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожной гигиены д.м.н. Овечкиной Ж.В. проведен анализ состояния здоровья путевых рабочих, который показывает, что общий уровень заболеваемости у данной категории работников выше, чем у работников других профессий на железнодорожном транспорте.
Количество загрязнений, попадающих на путь, колеблется от 5 до 20 г на 1 кг грунта. Ежегодно из пассажирских вагонов на каждый километр пути выливается около 200 м сточных вод, содержащих патогенные микроорганизмы (бактерии группы кишечной палочки (БГКП), энтерококки и д.р.), что приводит к бактериальному загрязнению почвы.
Взаимодействие различных нефтепродуктов с почвой носит сложный и многофакторный характер. Реальные последствия аккумуляции в почвах компонентов нефти недостаточно изучены. Известно, что их накопление вызывает изменение физических, химических, биологических свойств и характеристик почвы, приводит к обеднению биологического разнообразия растительного сообщества, угнетению полезной микрофлоры почвы, способствует росту патогенных микроорганизмов, которые вызывают дизентерию, гангрену, сальмонеллез, пневмонию и лептоспирозы у человека.
Кроме того, углеводороды способны образовывать в почве в процессе трансформации токсичные соединения, обладающие канцерогенной, тератогенной и мутагенной активностью. Следует отметить, что процесс самоочищения почвы и восстановления биоценозов в районах, подверженных загрязнению нефтепродуктами, протекает крайне медленно и занимает, как правило, 20-25 лет и более. Поэтому, в мировой практике широкое распространение получили технологии рекультивации, целью которых является контроль превращений загрязняющих веществ, их удаление, а так же восстановление свойств почвенных систем.
Из многочисленных методов, которые позволяют уменьшить концентрации загрязнений в почве, наиболее перспективными считаются биологические, основанные на естественных процессах разложения загрязнителей, участие в которых принимают микроскопические грибы, бактерии и дрожжи.
Воздействие железнодорожного транспорта на возникновение бактериального загрязнения почвы полосы отвода остается мало изученным. Хотя, безусловно, это имеет важное значение как для понимания процессов, протекающих в экосистемах, так и для решения многих практических задач, связанных с охраной окружающей среды, здоровья работников и населения.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации» (2009-2014гг.) и «Экологической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2015 г. и на перспективу до 2030 г.»
Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является экспериментально - теоретическое исследование совместного действия нефтепродуктов и микроорганизмов на санитарно-эпидемиологическое состояние почвы железнодорожной полосы отвода и разработка технологии по ее восстановлению. Для достижения поставленной цели в рамках настоящего исследования решались следующие задачи:
1. Проанализировать имеющейся опыт рекультивации почвы при нефтяном и бактериальном загрязнениях. Исследовать воздействие нефтепродуктов и патогенных микроорганизмов на почвенно-биотический комплекс.
2. Провести анализ качества и степени загрязнения почвы для оценки биоразнообразия растительных сообществ полосы отвода опытных участков Горьковской железной дороги.
3. Экспериментально определить и проанализировать содержание и распределение нефтепродуктов в почве полосы отвода до и после введения сорбентов, биопрепаратов и их различных комбинаций.
4. Провести оценку видового состава микроорганизмов в почве полосы отвода и выявить уровень ее бактериального загрязнения.
5. Исследовать эффективность биопрепаратов с различными носителями при очистке почвы от нефтяного и бактериального загрязнений и разработать технологию их применения для обезвреживания почвы полосы отвода.
6. Провести практическую апробацию технологии комплексной очистки почвы на опытных участках Горьковской железной дороги.
Методы исследования. В работе использованы стандартные методики для экспериментальных исследований в частности химические, биологические и микробиологические. Токсичность и фитотоксичность исходной и восстановленной почвы определяли на проростках овощных и зерновых культур. Для определения минералогического состава сорбентов использовали рентгеноструктурный метод анализа.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Достоверность, приведенных в диссертации научных положений, выводов и рекомендаций, базируется на соответствии экспериментальных результатов, полученных автором, с данными комплексных испытаний на модельных образцах и обусловлена применением современных методов исследования.
Научная новизна:
1. Установлена степень загрязнения нефтепродуктами и патогенными микроорганизмами почвы полосы отвода на опытных участках Горьковской железной дороги.
2. Впервые проведен анализ санитарно-эпидемиологического состояния почвы полосы отвода во взаимодействии с нефтяным загрязнением, который показал, что наличие нефтяного загрязнения приводит не только к значительному оскудению растительного сообщества полосы отвода, но и к формированию и развитию в почве большого числа патогенных микроорганизмов, наличие которых существенно увеличивает риск для здоровья работников железнодорожного транспорта.
3. Впервые установлена и доказана высокая эффективность применения биопрепарата Фитотрикс на основе бентонит - Trichoderma для снижения загрязнения нефтепродуктами и патогенными микроорганизмами почвы полосы отвода.
4. Разработана технология по снижению нефтяного и бактериального загрязнений почвы полосы отвода с использованием биопрепарата Фитотрикс на основе бентонит – Trichoderma.
5. Получено подтверждение снижения токсичности почвы при использовании разработанной технологии ее очистки на тест – объектах с практической проверкой высева на опытных участках Горьковской железной дороги.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Опытные испытания разработанной комплексной технологии очистки почвы проведены на участках Горьковской железной дороги. Технология рекомендована для ликвидации негативных воздействий, оказываемых железнодорожным транспортом, и улучшения санитарно-эпидемиологического состояния почвы полосы отвода.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты сравнительного анализа влияния добавок различных сорбентов и биопрепаратов на уменьшение концентрации нефтепродуктов в почве;
- оценка введения добавок сорбентов и биопрепаратов на снижение бактериального загрязнения почвенного слоя полосы отвода;
-взаимосвязь уменьшения биологического разнообразия растительного сообщества в полосе отвода с нефтяным и бактериальным загрязнением почвы;
- возможность применения биопрепарата Фитотрикс на основе бентонит - Trichoderma для восстановления почвы полосы отвода;
- технология снижения содержания нефтепродуктов и подавления болезнетворной микрофлоры почвы полосы отвода с применением биопрепарата Фитотрикс на основе бентонит – Trichoderma;
- обоснование стоимости выполнения работ по комплексной очистке почвы полосы отвода от нефтепродуктов и бактериального загрязнения.
Апробация работы:
Основные положения работы докладывались и были одобрены на научных конференциях и семинарах:
- Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экономической и социально-экологической безопасности Поволжского региона» (Казань, 2010, 2011 гг.);
- Международной научно-практической конференции «Логистическая интеграция Российских регионов: институциональные инновации» (Казань, 2012 г.);
- II Международной научно-практической конференции «European Science and Technology» (НИИЦ «Институт стратегических исследований», Германия, 2012 г.);
- Научно-практической конференции «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта» (Москва, РОАТ МИИТ, 2012 г.);
- Международной научно – практической интернет - конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития, 2012» (Одесса, 2012 г.);
- ежегодно на заседаниях Ученого совета Российской открытой академии транспорта Московского государственного университета путей сообщения и научных семинарах кафедры «Техносферная безопасность» (2005 - 2012 гг.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 статей, из них 4 статьи – в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Личный вклад автора. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Научному руководителю принадлежит разработка концепции решаемой проблемы и постановка задач исследования. Автор лично проводил 80 % экспериментальных исследований, обрабатывал, интерпретировал и обобщал полученные результаты, формулировал выводы.
Объем и структура работы. Основное содержание диссертационной работы изложено на 192 страницах машинописного текста, содержит 44 таблицы и 32 рисунка. Состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 261 наименования и приложений на 35 страницах.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и определены основные направления исследований, их целесообразность, перспективность и экологическая направленность.
В первой главе представлен анализ базы знаний и исследований в области физико-химических характеристик почвенного слоя, раскрыто его значение в функционировании биосферы.
Проведена оценка источников и видов загрязнений почвы, отведенной под земли железнодорожного транспорта, путей трансформации в ней загрязняющих веществ и степени их воздействия на окружающую среду, а также на здоровье человека. Этим исследованиям посвящены работы российских ученых д.т.н., проф. В.В. Бирюкова, д.т.н., проф. Е.А. Мазловой, д.м.н. Ж.В. Овечкиной, д.ф-м.н. В.М. Белькова и д.т.н, проф. И.А.Прошина.
Проанализированы различные методы восстановления почвы от загрязнения нефтепродуктами и патогенными микроорганизмами. Большой вклад в развитие технологий восстановления почвы внесли российские и зарубежные ученые R.R Corwell, д.г-м.н. В.А. Ковда, акад. Е.Н. Мишустин и д.б.н. Ф.К. Алимова.
Во второй главе представлены характеристики объектов и методов исследований.
Для исследования были выбраны участки «7 км» и «12км» перегона Юдино – Казань Казанского отделения Горьковской железной дороги, расположенные в черте г. Казани Республики Татарстан. Даны их климатические и эксплуатационные характеристики. Установлено, что участки Горьковской железной дороги являются характерными по видам загрязнений, объему и качеству эксплуатации для сети Российских железных дорог.
Распределение нефтепродуктов в почве полосы отвода и присутствие в ней болезнетворных микроорганизмов на двух участках имеет аналогичный характер. Но так как участок «12км» находится в водоохранной зоне, где к качеству почвы предъявляются повышенные требования, его выбрали для исследований по снижению содержания загрязняющих веществ.
Опытный участок «12 км» находится между ст. Казань и о.п. Адмиралтейская Слобода на расстоянии 400 м и 2150 м, соответственно, в водоохранной зоне рек Волга и Казанка.
Грузонапряженность участка по нечетному пути – 99,1 млн. ткм брутто/км в год, по четному пути – 54,1 млн. ткм брутто/км в год. На этом участке по четному и нечетному направлениям за сутки проходит 34 пары поездов, из них грузовых - 7; пассажирских - 12; мотор-вагонных – 15. Вид тяги поездов – электрическая и тепловозная, серия локомотивов 2ТЭ10, ВЛ80с, ЧС4т и ЭП1м. Максимальная скорость движения поездов: пассажирских – 100 км/ час, грузовых – 80 км/час. Балласт щебеночный толщиной до 35 см.
Приведены физико – химические свойства и состав природных сорбентов: бентонита, шунгита и глауконита, а также состав и свойства биопрепаратов (Флавобактерин, Ризоторфин, Ризоагрин и Фитотрикс).
Для исследования качества почвы полосы отвода, оценки загрязнения нефтепродуктами и ее санитарного состояния пробы отбирали по методу конверта путем усреднения 14 точечных проб.
При анализе загрязнения почвы нефтепродуктами отбор проб проводили на двух почвенных горизонтах 0-5 см и 5-20 см, а для бактериального загрязнения почвы только на верхнем горизонте 0-5 см.
С целью выявления уровня загрязнения почвы вдоль железнодорожного полотна пробы отбирали на опытном участке длиной 200 м, разбитом на 8 делянок. Длина каждой делянки 25 м, а ширина с одной стороны была ограничена рекой Волга и изменялась от 25 до 35 м (рис.1).
Анализ распределения нефтепродуктов при удалении от оси пути проводили на участке длиной 18 м (делянка 1). Данный участок был разбит на девять частей, длиной 2 м и шириной 25 м.
В качестве объектов исследования были определены почвоудобрительные биопрепараты производства ООО НПИ «Биопрепараты» (Республика Татарстан), которые используются для восстановления биологических и агрохимических свойств почвы и природные сорбенты.
Рис.1 – Опытный участок «12 км» перегона Юдино – Казань
Для производства биопрепаратов используется носитель золонит, микроэлементы, стимулирующие действие биопрепаратов и продуктов их метаболизма.
Микробиологический препарат Ризоагрин на основе азотфиксирующих ризосферных бактерий рода Agrobacterium radiobacer обладает влажностью 50-55%. В одном грамме Ризоагрина содержится не менее 8 - 12· 109 клеток бактерий.
Микробиологический препарат Ризоторфин на основе Bradyrhizobium japonicum, Rhizobium galegae, Rhizobium leguminosarum представляет собой сыпучую массу с влажностью 50-60 %. В одном грамме препарата содержится 2-4 ·109 бактерий.
Флавобактерин - препарат комплексного действия, созданный на основе ассоциативных азотфиксирующих микроорганизмов Flavobacterium L-30. В одном грамме препарата содержится 2-4 ·109 бактерий, посторонняя микрофлора отсутствует.
Фитотрикс – биопрепарат, созданный на основе гриба Trichoderma Lignorum, является весьма активным компонентом многих сообществ почвенных микроорганизмов. Эти грибы могут играть существенную роль не только в формировании почвенных организмов, но и в перераспределении органических и неорганических веществ. В одном грамме препарата содержится 4-6 ·109 бактерий.
В табл. 1 представлены физико-химические характеристики сорбентов.
Таблица 1 – Физико-химические характеристики сорбентов
| Сорбент | Характеристика сорбента | |
| сорбционная емкость, мг-экв/100г | минералогический состав | |
| Бентонит (Беклянское месторождение Республика Татарстан) | 43,33 | Монтмориллонит – 71%, пирит – 3%, хлорит – 2%, каолинит – 1%, кварц – 13%, мусковит – 6%, полевой шпат ортоклаз – 2%, цеолитовый минерал группы гейландита - клиноптилолита – 1%, кальцит - <1%, альбит -<1%, гипс –примесь. |
| Шунгит (Зажогинское месторождение республика Карелия) | 68,88 | Углерод — 30%, кварц — 45%, сложные силикаты (слюды, хлориды) — 20%, сульфиты — 3%, примесь – 2%. |
| Глауконит (Лопатинское месторождение Московской области) | 64 | Кварц - 52,43%, зерна глауконита - 38, 57 %, полевые шпаты - 3,24 %, песчаник - 2,38 %, слюда - 1,61 %, акцессорные минералы - 1,18 %, кремний 0,52 %, ильменита 0,07 %. |
Бентонит является щелочноземельным монтмориллонитом, имеющим преимущественно кальциевый обменный комплекс, с содержанием от 68,2 до 95,3 % глинистых частиц, в том числе от 32,7 до 51,6 % частиц размером менее 1 мкм. Обладает твердостью по минералогической шкале 1-3 и плотностью 2,242,32 г/см3. В химический состав входят оксид калия (К2О) 0,92 %, оксид натрия (Na2O) 1,92%, оксид алюминия (Al2O3) 16,6 %, оксид железа (III) (Fe2O3) 10,3%, оксид магния (MgO) 4,0 %, оксид кремния (SiO2) 54,3%, оксид кальция (СаO) 10,49 %., оксид фосфора (5) (Р2О5) 0,12 %, сера (S) 0,38 %, оксид титана (IV) (ТiO2) 0,97 %. Минеральный состав бентонита определен на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3.
Шунгит насыщен углеродным веществом в некристаллическом состоянии и имеет твердость по минералогической шкале 33,5, плотность 18401980 кг/м3. В химический состав шунгита входят оксид калия (К2О) 1,23 %, оксид алюминия (Al2O3) 4,05 %, оксид железа (III) (Fe2O3) 1,01%, оксид кремния (SiO2) 36,46%, углерод (С) 26,26 % и следы других элементов.
Глауконит глинистый минерал с высоким содержанием двух- и трехвалентного железа. Твердость по минералогической шкале 2-3; плотность 2,22,9 г/см3. В химический состав входят оксид калия (К2О) - 4,4 %, оксид натрия (Na2O) - 2,5 %, оксид алюминия (Al2O3) - 5,5 %, оксид железа (Fe2O3) - 27,9%, оксид железа (FeO) - 8,6 %, оксид магния (MgO) - 2,4 %, оксид кремния (SiO2) - 47,6 %, вода (H2O) – 1,1 %.
В работе использованы современные методы определения физико – химических характеристик и минералогического состава сорбентов, включая рентгеноструктурный анализ. Токсичность и фитотоксичность загрязненной и восстановленной почвы определяли с помощью биотестов на проростках зерновых и овощных культур. Определение бактериального загрязнения проводилось по применяемым в мировой практике и рекомендованным в России методикам, основанным на бактериальных тест-системах. Для количественной оценки экспериментальных данных использовали биологические, микробиологические и стандартные методы испытаний.
В третьей главе представлены результаты исследования распределения нефтепродуктов в почве полосы отвода вдоль железнодорожного полотна и при удалении от оси пути. Проведен анализ эффективности применения сорбентов и биопрепаратов для снижения содержания нефтепродуктов.
Доказано, что содержание нефтепродуктов в исходной почве практически не меняется вдоль железнодорожного полотна и находится в пределах 312-403 мг/кг, а зависит только от глубины залегания почвенного горизонта.
На рис. 2 показано изменение содержания нефтепродуктов в почве при удалении от оси пути.
Установлено, что при удалении от оси пути концентрация нефтепродуктов изменяется в соответствии с рельефом полосы отвода и находится в интервале 320-680 мг/кг. Максимальная концентрация 680 мг/кг обнаружена у основания откоса, то есть на расстоянии 8 м от оси пути при глубине отбора почвы 0-5 см. Отмечено, что концентрация нефтепродуктов в почве на опытном участке не превышает допустимые значения по Республике Татарстан (1500 мг/кг).
Очевидно, что увеличение концентрации нефтепродуктов является следствием весеннее - осеннего стока талых и дождевых вод со склона насыпи в низинные участки железнодорожной полосы отвода
. Анализ влияния различных сорбентов и биопрепаратов на снижение содержания нефтепродуктов в почве проводили в несколько этапов. Сначала исследовали влияние биопрепаратов, затем природных сорбентов на эффективность очистки почвы. Для этого отбирали пробы почвы на опытном участке «12 км», где было выявлено максимальное загрязнение. Сорбенты и биопрепараты в почву вносили в сухом виде при экспозиции - 50 сут.
Рис. 2 – Изменение концентрации нефтепродуктов на участке «12 км» при удалении от оси пути
Биопрепараты применяли в дозах (29,2 г/кг), рекомендованных для их использования в сельскохозяйственном производстве. На модельных образцах почвы доказано, что введение биопрепаратов приводит к незначительному уменьшению содержания нефтепродуктов.
Были проведены сравнительные исследования по эффективности бентонита, шунгита и глауконита на степень очистки нефтезагрязненной почвы при постоянных дозах 58,2 г/кг. Доказано, что наиболее эффективным сорбентом оказался бентонит, обеспечивший снижение содержания нефтепродуктов в 4,3 раз (рис.3).
Влияние различных добавок бентонита на изменение содержания нефтепродуктов в почве показано на рис. 4.
Рис. 3 - Концентрация нефтепродуктов в почве после обработки сорбентами
Рис. 4 – Изменение концентрации нефтепродуктов в почве
при различных добавках бентонита
Установлено, что внесение бентонита в почву в дозе 58,2 г/кг приводит к снижению содержания нефтепродуктов в 4,3 раза. Дальнейшее увеличение содержания бентонита практически не влияет на изменение концентрации нефтепродуктов.
При оценке влияния экспозиции бентонита на степень очистки почвы определяли концентрацию в ней нефтепродуктов с интервалом 8 суток в течение 56 суток (рис.5).
Рис.5 – Изменение концентрации нефтепродуктов при различной экспозиции бентонита
Из рисунка 5 видно, что резкое снижение концентрации нефтепродуктов в почве (на 67%) происходило на 24 сутки, в дальнейшем их содержание изменялось незначительно.
В четвертой главе проведено исследование уровня бактериального загрязнения почвы полосы отвода, а также эффективности применения сорбентов и биопрепаратов для подавления численности патогенной микрофлоры почвы.
Анализ распределения микроорганизмов в верхнем слое почвы полосы отвода проводили на опытном участке «12 км», вдоль железнодорожного полотна и при удалении от оси пути. Токсичность биопрепаратов определяли по тесту Эймса. Для определения видового состава микроорганизмов использовали определитель Берджи.
При анализе бактериального загрязнения почвы полосы отвода выявлено, что виды микроорганизмов вдоль железнодорожного полотна практически не меняются. В то же время при удалении от оси пути происходит изменение видового состава микроорганизмов и микроскопических грибов. На расстоянии до 12 м от оси пути в почве обнаружены патогенные и условно-патогенные виды микроорганизмов, а при дальнейшем удалении - естественные для почвы виды микроорганизмов (табл. 2).
Необходимо отметить, что в пробах почвы определены микроскопические грибы Penicillium, Mucor, Fusarium и виды бактерий Clostridium, Salmonella, Leptospira, Spirillum, Aeromonas, Klebsiella. Среди представителей родов и семейств есть патогенные для человека виды, способные вызывать опасные заболевания, такие как гангрена, столбняк, дизентерия, сальмонеллез и пневмония, а также привести к летальному исходу.
Таблица 2 – Анализ микробного сообщества почвы при удалении от оси пути
| Расстояние от оси пути, м | Виды микроскопических грибов | Виды бактерий | ||
| патогенные виды | условно-патогенные виды | непатогенные виды | ||
| 2 | Aspergillus | Bacillus | Clostridium, Pseudomonas, Escherichia | - |
| 4 | Penicillium, Mucor, Fusarium, Aspergillus | Bacillus, Salmonella, Shigella | Escherichia, Pseudomonas, Klebsiella | Aeromonas, |
| 6 | Alternaria, Aspergillus | Bacillus, Shigella, Leptospira, Micrococcaceae | Escherichia, Pseudomonas, Clostridium | Aeromonas, |
| 8 | Penicillium, Mucor, Fusarium, Alternaria, Aspergillus | Bacillus, Salmonella, Leptospira, Shigella | Escherichia, Pseudomonas, Spirillum, Klebsiella, Clostridium | - |
| 10 | Penicillium, Fusarium, Aspergillus | Bacillus | Escherichia, Pseudomonas, Clostridium, Spirillum | - |
| 12 | Penicillium, Fusarium, Aspergillus | - | Pseudomonas | Aeromonas |
| 14 | Penicillium, Aspergillus | - | - | Aeromonas |
| 16 | Penicillium, Aspergillus | - | - | Aeromonas Azotobacter |
| 18 | Penicillium, Aspergillus | - | - | Aeromonas Azotobacter |
Такие виды условно-патогенных бактерий, как Escherichia и Clostridium, поступают в почву полосы отвода с канализационными стоками от пассажирского подвижного состава. Поэтому необходимо проведение высокоэффективных, малозатратных и безопасных для работников железнодорожного транспорта мероприятий по снижению бактериального загрязнения почвы.
В дальнейшем было исследовано влияние сорбентов и биопрепаратов на снижение бактериального загрязнения почвы. Для этого на опытном участке «12 км» на расстоянии 8 м от оси пути, отбирали образцы почвы, в которые вносили реагенты в сухом виде. Доза сорбентов составляла 58,2 г/кг и биопрепаратов – 29,1 г/кг при экспозиции 50 суток.
По тесту Эймса выявлено, что сорбенты не способны снижать бактериальное загрязнение почвы, а использование биопрепаратов способствует существенному подавлению болезнетворных микроорганизмов, причем наиболее эффективным является Фитотрикс (табл. 3).
Таблица 3 – Снижение бактериального загрязнения почвы при обработке биопрепаратом Фитотрикс
| Микроорганизмы в почве полосы отвода до обработки | Микроорганизмы в почве полосы отвода после обработке |
| Микроскопические грибы | |
| Penicillium, Mucor, Alternaria Aspergillus Fusarium | Penicillium, Mucor, отсутствует отсутствует отсутствует |
| Патогенные виды микроорганизмов | |
| Bacillus Salmonella Shigella Clostridium Leptospira | Bacillus - снижение численности на 39% Salmonella - снижение численности на 28% отсутствует отсутствует отсутствует |
| Условно-патогенные микроорганизмы | |
| Escherichia Spirillum Klebsiella Pseudomonas | Escherichia - снижение численности на 41% Spirillum Klebsiella Pseudomonas |
| Непатогенные микроорганизмы | |
| Aeromonas | Aeromonas |
Установлено, что после обработки почвы Фитотриксом общее количество колоний снизилось на 17 % и не были обнаружены микроорганизмы родов Fusarium, Shigella, Clostridium, Leptospira, Alternaria и Aspergillus. Отмечено значительное снижение численности колоний Escherichia - 41%, Salmonella – 28% и Bacillus - 39%.
Необходимо заметить, что снижение численности патогенных форм микроорганизмов в среде даже на 1-2% является значимым фактором предупреждения инфекционных процессов.
В пятой главе представлен анализ биологического разнообразия и физико-химических показателей почвы полосы отвода, а также исследования влияния биопрепарата Фитотрикс на основе бентонит - Trichoderma на токсичность и фитотоксичность почвы.
Исследована эффективность очистки почвы от способа внесения сорбентов и биопрепаратов. Для этого в пробы почвы опытного участка полосы отвода их вносили в одном случае одновременно, в другом последовательно. При этом доза бентонита составляла 58,2 г/кг, а Фитотрикса - 29,1 г/кг.
Проведенные исследования показали, что при использовании различных способов внесения сорбента и биопрепарата эффективность очистки почвы от загрязнения нефтепродуктами была практически одинакова, следовательно, биопрепарат не понижает сорбционные свойства бентонита и его можно использовать в качестве носителя для гриба Тrichoderma.
При исследовании степени воздействия Фитотрикса на основе бентонит - Trichoderma на снижение бактериального загрязнения почвы отмечено, что полученные результаты незначительно отличаются от данных, установленных при исследовании Фитотрикса на основе золонит - Trichoderma, следовательно, бентонит не снижает антагонизм гриба.
Использование биопрепарата Фитотрикс на основе бентонит - Trichoderma является эффективным для комплексной очистки почвы полосы отвода. Его внесение в почву приводит к снижению концентрации нефтепродуктов в 4,3 раза и подавлению большинства патогенных и условно-патогенных форм микроорганизмов.
Проанализировано биологическое разнообразие растительного сообщества полосы отвода на участке «12 км» перегона Юдино – Казань во взаимодействии с нефтяным загрязнением. Установлено, что на откосе четного главного пути, имеется очагово-развитая растительность практически на протяжении всего опытного участка. Видна четкая тенденция к увеличению видового и численного многообразия растений при удалении от оси пути более чем на 10 м. Однако и там виды растительного покрова существенно отличались от показателей нативного сообщества - пойменного луга, а в составе растительного покрова присутствовала значительная часть рудеральных видов, что говорит о нарушенности данного сообщества.
При оценке качества почвы полосы отвода определяли реакцию почвенной среды (рН), содержание подвижного фосфора, обменного калия, марганца, цинка и гумуса в зависимости от глубины почвенного слоя вдоль железнодорожного полотна и при удалении от оси пути. Доказано, что почва относится к категории истощенной.
Установлено, что присутствие нефтяного загрязнения способствует угнетению естественных и увеличению патогенных форм микроорганизмов в почве.
Индикатором эффективности рекультивации загрязненной почвы служит изменение ее биологической активности. Оценка фитотоксичности почвы проводилась по всхожести семян редиса, а токсичности почвы - по методу биотестирования на проростках озимой ржи. Результаты биотестирования загрязненной и восстановленной почвы представлены в табл. 4-5.
Из таблиц 4 и 5 видно, что при обработке почвы биопрепаратом Фитотрикс на основе бентонит - Trichoderma снижение фитотоксичности происходит в 4 раза, а токсичности - в 2,3 раза.
Таблица 4 – Токсичность почвы до и после обработки комплексом Фитотрикс на основе бентонит - Тrichoderma на проростках озимой ржи
| Вариант в эксперименте | Количество проростков, шт. | Энергия прорастания (Эп), % | Всхожесть, (В), % | Высота проростков (Вп), мм | Масса проростков (Мп), г | Длина корневой части (Дк), мм | Масса корневой части (Мк), г | ||
| Взошедшие проростки (Нв) | Аномальные проростки (Ап) | Не взошедшие проростки (Нп) | |||||||
| Контрольный вариант (чистый песок) | 188 | 12 | 12 | 94 ±7,02 | 88 ±4,3 | 138,1 ± 12,15 | 2,77 ±0,21 | 70,8 ±7,0 | 0,57 ±0,09 |
| Загрязненная почва | 107 | 32 | 93 | 53,5 ±4,3 | 37,5 ±2,3 | 84,8 ±7,2 | 0,5 ±0,05 | 45,9 ±3,1 | 0,33 ±0,02 |
| Почва, обработанная биопрепаратом Фитотрикс на основе бентонит - Тrichoderma | 179 | 7 | 21 | 89,5 ±7,23 | 87 ±5,2 | 119,8 ±8,5 | 2,59± 0,2 | 64,2± 6,0 | 0,54 ± 0,01 |
В главе 6 приведена технология комплексной очистки почвы полосы отвода от загрязнений с использованием биопрепарата Фитотрикс на основе бентонит – Trichoderma и технолого-нормировочные карты для ее восстановления.
Таблица 5 – Фитотоксичность почвы до и после обработки биопрепаратом Фитотрикс на основе бентонит - Тrichoderma на проростках семян редиса
| Варианты в опыте | Число посеянных семян, шт. | Число проросших семян, шт. | Средняя длина корней проростков, мм | Т, % |
| Контроль (водопроводная вода) | 30 | 25± 2 | 11,5± 1,6 | - |
| Водный экстракт (загрязненная почва) | 30 | 5± 1 | 5,6± 0,24 | 52,2 |
| Водный экстракт (почва, обработанная биопрепаратом Фитотрикс на основе бентонит – Тrichoderma) | 30 | 21± 2 | 10,3± 0,8 | 10,4 |
Технология комплексной очистки почвы заключается в окультуривании почвы, улучшении ее физико-химических и биологических свойств, снижении уровня загрязнений и включает в себя подготовительные, основные работы и работы, выполняемые на следующий год после основного этапа. На рис. 6 приведена последовательность операций, проводимых для восстановления почвы. Для организации работ не требуется специального оборудования и дополнительного обучения персонала. Опытные испытания разработанной технологии были проведены на участках перегона Юдино – Казань Казанского отделения Горьковской железной дороги.
На основе производственных испытаний разработанной технологии проведен расчет экономических затрат, который составил 67,922 тыс. рублей на 1км пути.
Рис. 6 – Технология комплексной очистки почвы полосы отвода
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
- Проведено исследование содержания и распределения нефтепродуктов и присутствия микроорганизмов и грибов в почвенном покрове полосы отвода на перегоне Юдино - Казань Горьковской железной дороги. Установлено, что концентрация нефтепродуктов находится в диапазоне от 320 мг/кг до 680 мг/кг, при этом максимальная концентрация обнаружена у основания откоса. Установлено, что в почве полосы отвода присутствуют патогенные микроорганизмы родов Salmonella, Leptospira, Shigella, Bacillus, которые могут вызывать опасные инфекции, в том числе гнойные, а также гангрену, столбняк, дизентерию, сальмонеллез, аллергические реакции, паралич дыхания и пневмонию.
- Определено биологическое разнообразие растительного сообщества полосы отвода в зависимости от степени нефтяного и бактериального загрязнения почвы. Установлено, что уменьшение разнообразия растительного сообщества приводит к увеличению степени развития болезнетворной микрофлоры.
- Определена эффективность различных сорбентов и биопрепаратов на детоксикацию нефтепродуктов в почве. Внесение сорбентов приводит к уменьшению содержания нефтепродуктов. Найдено, что по степени влияния на снижение нефтепродуктов в почве сорбенты можно расположить в ряд: бентонит > шунгит > глакоунит. При введении бентонита достигалось снижение загрязняющего вещества в 4,3 раза. Показано, что применение биопрепаратов не приводит к значительному снижению нефтяного загрязнения почвы полосы отвода.
- Определено влияние сорбентов и биопрепаратов на снижение бактериального загрязнения почвы полосы отвода. Доказано, что наиболее эффективным является применение почвоудобрительного биопрепарата Фитотрикс, приводящее к подавлению микроскопических грибов Fusarium, Alternaria, Aspergillus и болезнетворных бактерий родов Shigella, Clostridium, Salmonella, Leptospira, Escherichia и Bacillus. При этом установлено, что сорбенты не угнетают патогенные и условно-патогенные микроорганизмы.
- Впервые предложено применение биопрепарата Фитотрикс на основе бентонит – Trichoderma, объединяющего свойства биопрепарата и сорбента, экспериментально доказана его эффективность. Установлено снижение загрязнения почвы нефтепродуктами в 4,3 раза и уменьшение колоний бактерий родов Escherichia - на 41%, Salmonella - на 28% и Bacillus - на 39%, приводящее к улучшению санитарно-эпидемиологического состояния почвы. На тест – объектах зерновых и овощных культур подтверждено снижение токсичности почвы - в 2,3 раза и фитотоксичности в 4 раза.
- Разработана и прошла практические испытания на участке перегона Юдино – Казань Казанского отделения Горьковской железной дороги технология, которая доказывает, что применение биопрепарата Фитотрикс на основе бентонит - Trichoderma приводит к снижению содержания нефтепродуктов в почве и подавлению патогенной микрофлоры в полосе отвода.
- Обоснована стоимость выполнения работ по комплексной очистке почвы полосы отвода от нефтепродуктов и бактериального загрязнения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ
Статьи в журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК:
- Крошечкина И.Ю. Применение бактериальных препаратов для биорекультивации нарушенных почв территорий зоны железнодорожного транспорта / Научно технический журнал «Наука и техника транспорта» № 1. – М.: МИИТ, 2011. – с. 27-30
- Крошечкина И.Ю., Зубрев Н.И., Аксенов В.А. Очистка почвенного слоя полосы отвода от бактериального загрязнения / Научно технический журнал «Наука и техника транспорта» № 4. – М.: МИИТ, 2012. – с. 65-69.
- Крошечкина И.Ю., Зубрев Н.И., Чеботарева Э.В. Снижение нефтяного загрязнения в почвенном слое полосы отвода железнодорожного транспорта / ХХI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс: Научно-методический журнал. – 2012. – № 02(06). – Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. – с. 206– 215.
- Крошечкина И.Ю., Зубрев Н.И. Исследование возможности применения комплекса сорбент-биопрепарат для обезвреживания почв полосы отвода железнодорожного транспорта / Научно технический журнал «Транспорт Российской Федерации» № 5 (42). – С-Пб.: Транспорт РФ, 2012. – с. 65-66.
Статьи и тезисы докладов в других изданиях:
- Крошечкина И..Ю., Ахметшина Г.Х. Очистка почвенного слоя полосы отвода железнодорожного полотна от загрязнения нефтепродуктами / Сборник научных трудов «Актуальные экономические и социально-экологические проблемы Поволжского региона». - Казань: РГОТУПС, 2008. – С. 174-178.
- Крошечкина И.Ю. Анализ основных параметров почвы транспортных территорий / IV Межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы экономической и социально-экологической безопасности Поволжского региона». Сборник по материалам. – Казань: Казанский филиал МИИТ, 2011. – С. 154-160
- Крошечкина И.Ю., Зубрев Н.И. Снижение бактериального загрязнения почв транспортных территорий / II Международная НПК «Европейская наука и технологии». Сборник по материалам. – Германия: НИИЦ «Институт стратегических исследований», 2012. – С. 105-110
- Крошечкина И.Ю., Зубрев Н.И., Оценка микробиологического загрязнения в полосе отвода железнодорожных магистралей / Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта».– М.: РОАТ, 2012. – С. 52-56.
- Крошечкина И.Ю., Зубрев Н.И. Сравнительная оценка технологий биоремедиации почв предприятий железнодорожного транспорта / Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития, 2012». Сборник научных трудов Sworld. Выпуск 3. Том 31. – Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. – С.103-106.
- Крошечкина И.Ю., Зубрев Н.И., Загрутдинова А.А. Оценка влияния качества почв на природные сообщества/ Международная заочная научно-практическая конференция «Наука и образование в жизни современного общества». Сборник научных трудов. Часть 12. – Тамбов: ТРОО «Бизнес- Наука-Общество», 2012. – С.58-59
- Крошечкина И.Ю., Зубрев Н.И., Анохина А.Ф. Оценка метода активации природных сорбентов с целью улучшения их сорбционных свойств / Международная заочная научно-практическая конференция «Наука и образование в жизни современного общества». Сборник научных трудов. Часть 12. – Тамбов: ТРОО «Бизнес - Наука-Общество», 2012. – С.57-58
КРОШЕЧКИНА ИРИНА ЮРЬЕВНА
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОЧВЫ ПОЛОСЫ ОТВОДА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЕЕ ВОССТАНОВЛЕНИЮ
Специальность 03.02.08 – Экология (в транспорте)
(технические науки)
Подписано в печать _________ Формат бумаги 60х90 1/16
Усл. печ. л. _____ Тираж ___ экз.
Заказ №_______
УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9.
