По данным Минэнерго, Россия занимает второе место в мире по объемам добычи нефти, но развитие этой отрасли влечет за собой серьезный экологический ущерб: разливы нефти приводят к разрушению экосистем, а токсичные отходы нуждаются в сложной переработке. Используемые на данный момент способы восстановления промышленных земель – физические и химические – зачастую лишь скрывают проблему или вызывают дополнительное загрязнение. Биологическое восстановление, основанное на использовании возможностей микроорганизмов и растений для разрушения загрязнителей, представляется многообещающей альтернативой. Ранее фиторемедиация (метод очистки почвы с помощью растений) не использовалась для обезвреживания буровых шламов из-за высокой токсичности окружающей среды. Однако исследователи Пермского Политеха отобрали растения, которые позволяют проводить экологически безопасную нейтрализацию загрязнений с эффективностью до 40%.
Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», том 1.
Нефть – это ключевое сырье, на котором базируется современная цивилизация. Благодаря сложной химической переработке, из нее получают широкий перечень продуктов: от привычных видов топлива и моторных масел до полимеров для производства пластиков, синтетических тканей, косметики и даже лекарственных средств.
Россия является одним из важнейших игроков на рынке нефти. Она занимает второе место в мире, она ежегодно добывает порядка 500-550 млн тонн нефти. Основные месторождения сосредоточены в Западной Сибири (Ханты-Мансийский и Ямало-Ненецкий округа), Поволжье и на шельфе Арктики. Однако интенсивное развитие данного направления имеет и обратную сторону, сопровождаясь масштабным экологическим ущербом.
Буровые шламы – одни из самых серьезных и недостаточно изученных проблем, возникающих в процессе добычи нефти. Это промышленные отходы, формирующиеся при бурении скважин. В отличие от широко освещаемых разливов нефти, подобные загрязнения часто представляют собой «скрытую опасность», постепенно накапливаясь на площадях нефтедобычи. Буровые шламы – это густая смесь измельченной породы, нефтепродуктов, ионов тяжелых металлов (цинк, хром, свинец), минеральных солей и химических добавок (для регулирования вязкости и стабилизации бурового раствора). Эти отходы могут десятилетиями оказывать разрушительное влияние на компоненты окружающей среды и нарушать нормальное состояние экосистем.
По данным ООН, по оценкам, около трети земельных угодий на планете уже подвержены деградации вследствие эрозии, засоления и химического загрязнения. Данная экологическая проблема оказывает негативное воздействие на все формы жизни: животные испытывают отравления, теряют источники питания и находятся под угрозой исчезновения, а люди сталкиваются с дефицитом продовольствия, нехваткой качественной воды и увеличением числа заболеваний, спровоцированных загрязнением окружающей среды.
Современные технологии переработки отходов, как физические, так и химические, имеют принципиальные ограничения. Так, захоронение на полигонах лишь переносит опасные вещества, что влечет за собой долгосрочные экологические последствия. Процессы, основанные на высокой температуре, например сжигание, приводят к образованию дополнительных загрязнителей: токсичной золы и опасных газов. Химическая обработка требует значительных затрат на используемые вещества, негативно влияет на естественную микрофлору почвы и уменьшает ее способность к плодородию. Помимо этого, большинство из них характеризуются высоким потреблением энергии и порождают новые отходы, нуждающиеся в дальнейшей переработке.
В настоящее время биологическая очистка становится все более популярным методом, основанным на использовании возможностей микроорганизмов и растений для разложения загрязняющих веществ. Этот подход предполагает активацию естественных микроорганизмов (биостимуляция), добавление специализированных бактерий (биоаугментация) и применение растений (фиторемедиация). Ранее растения практически не использовали для утилизации буровых шламов, поскольку высокое содержание солей, ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов препятствовало росту культур. Однако специалисты Пермского Политеха выявили растения, способные обеспечивать эффективную и экологически безопасную очистку загрязненных участков, трансформируя опасные отходы в плодородные почвы. В отличие от традиционных технологий, данная методика позволяет избежать рисков для окружающей среды и исключает образование вторичного загрязнения.
Фиторемедиация представляет собой метод очистки почвы и водных ресурсов с использованием растений. Эти растения действуют как естественные фильтры, поглощая вредные вещества, такие как тяжелые металлы или нефтепродукты, и накапливая их в стеблях и листьях, а затем вовлекая в природные циклы.
— Изучение проводилось поэтапно. На первом этапе был выполнен лабораторный анализ образцов бурового шлама, взятых на месторождениях, для определения типа и уровня загрязнения. Полученные данные показали значительное нарушение экологических стандартов: содержание нефтепродуктов составило 2170 мг/кг при установленном пределе в 1000 мг/кг, а концентрация хлорид-ионов – 3800 мг/кг, причем в некоторых образцах соленость была еще более высокой, — сообщил Александр Сурков, доцент кафедры «Охрана окружающей среды» и кандидат технических наук.
Для дальнейшего исследования было подготовлено семь экспериментальных образцов. В каждой емкости сформировали двухслойную структуру: нижний слой, толщиной 2 см, состоял из бурового шлама, а верхний слой, толщиной 3 см, – из чистой песчаной почвы. Для сопоставления результатов была создана контрольная емкость, содержащая только чистую почву. В каждую экспериментальную пробу высадили различные виды растений-ремедиантов: белую горчицу, обладающую способностью поглощать тяжелые металлы; луговой клевер, улучшающий почву за счет обогащения ее азотом; фацелию рязанскую и специальную смесь злаковых трав, применяемую, в частности, на этапе биологической рекультивации.
— В рамках исследования, которое длилось 2,5 недели, велась фиксация всхожести семян, скорости роста и общего состояния растений. Уже на 3–4 день эксперимента были отмечены первые всходы. По словам Александра Суркова, наиболее результативными оказались фацелия и травосмесь, показавшие быстрый и энергичный рост без признаков негативного воздействия.
Использование данных культур открывает наиболее перспективные возможности для восстановления территорий, пострадавших от нефтяного загрязнения, что позволяет применять экологически безопасные и экономически выгодные методы рекультивации почв.
Эксперимент продемонстрировал, что фиторемедиация эффективна для очистки буровых шламов: растения не только прижились в загрязненной среде, но и активно извлекали токсичные вещества, запуская процесс формирования почвы. Первичные результаты указывают на 40-процентное уменьшение концентрации хлорид-ионов, а также существенное снижение содержания нефтепродуктов и тяжелых металлов, таких как хром, цинк, никель, кадмий, кобальт и свинец.
— По словам Александра Суркова, в дальнейшем планируется продолжить исследования в данной области. Значительный интерес вызывает не только поглощение, но и полное усвоение токсичных элементов растениями из буровых шламов. Это позволит не только оценить эффективность технологии, но и подготовить ее к практическому применению.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ