آلودگي هيدروكربن¬هاي نفتي خاك مي‌تواند باعث ايجاد خطرات اكولوژيكي، به ويژه از طريق نشت به مخازن آب شده و اثرات مخربي برمنابع طبيعي و سلامت محيط داشته باشد. بنابراين، تشخيص تغييرپذيري مكاني كل هيدروكربن‌هاي نفتي و زيست پالايي آن‌ها در اين خاك‌ها بسيار حياتي است. اين مطالعه در سه بخش انجام شد. بخش اول شامل بررسي تغيير پذيري هيدروكربن‌هاي نفتي و ارتباط آن با پذيرفتاري مغناطيسي و برخي ويژگي‌هاي شيميايي خاك بود. بدين منظور صد نمونه خاك آلوده نفتي كه درجات مختلف آلودگي را نشان مي‌دادند از عمق 0 تا 10 سانتي متري از خاك هاي اطراف تالاب شادگان در استان خوزستان در جنوب ايران برداشت شد. نتايج نشان داد هيدروكربن‌هاي نفتي كل از 2/1 تا 1/18 ٪ (وزني / وزني)، با تغيير χlf از 08/14 تا 93/713 × 10-8 m3 kg-1 متغير بود. بيشترين تنوع (ضريب تغييرات= 12%/107) براي χlf به دست آمد كه نشان دهنده اثرات قابل توجه معدني شدن تركيبات نفتي بر تركيبات آهن¬دار است. همبستگي مثبت بالايي بين ميزان هيدروكربن‌هاي كل نفتي (TPH)، χlf و اشكال مختلف آهن (Fed:آهن استخراج شده توسط CBD، FeO آهن استخراج شده توسط اگزالات، و Fet آهن كل) شناسايي شد. نتايج كاني‌شناسي با استفاده از XRD پودري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، تشكيل كاني‌هاي فري مغناطيسي (مگنتيت، مگهميت) را در طي تجزيه زيستي هيدروكربن‌هاي نفتي تاييد كرد. تجزيه و تحليل رگرسيون چندگانه گام به گام نشان داد كه χlf و Fed سهم بزرگي داشتند و توانستند حدود 74 درصد از تنوع TPH را در سايت‌هاي مورد مطالعه توضيح دهند. در بخش دوم اين مطالعه نمونه‌هاي خاك براي پيش‌بيني TPH با استفاده از طيف‌سنجي بازتابي در دامنه Vis-NIR در آزمايشگاه طيف سنجي و پس از اعمال انواع پيش پردازش¬ها، به كمك مدل رگرسيون حداقل مربعات جزئي (PLSR) و همچنين دو مدل يادگيري ماشين شامل جنگل تصادفي (RF) و ماشين بردار پشتيبان (SVM) آناليز شدند. نتايج نشان داد كه مقادير بازتاب در 1725 نانومتر و 2311 نانومتر، به‌ترتيب، به‌عنوان اثرات انگشت تركيبات نفتي در خاك نشان گذاري شدند. در بين روش‌هاي پيش پردازش، روش تصحيح پايه بالاترين عملكرد را نسبت به ساير روش‌ها نشان داد. با توجه به معيارهاي مدل ارزيابي در مجموعه داده اعتبارسنجي، كارايي سه مدل انتخاب شده به ترتيب رگرسيون SVM ‎> RF ‎> PLS تشخيص داده شد. مدل SVM بهترين عملكرد را در مجموعه داده‌هاي اعتبارسنجي با 85/0 R2 =، ريشه ميانگين مربع خطا (59/1=RMSE) و نسبت پيش بيني به انحراف (RPD=6/2 ) نشان داد. در بخش سوم اين مطالعه روند تجزيه TPHو تغييرات پذيرفتاري مغناطيسي و كاني‌هاي آهن در خاك آلوده نفتي در سه بافت مختلف رسي، لومي شني و شني لومي مورد بررسي قرار گرفت. در اين مطالعه از تجزيه‌ي بيولوژيكي به وسيله باكتري¬هاي سودوموناس و مارينوباكتر براي از بين بردن آلاينده‌هاي هيدروكربني در خاك‌هاي آلوده‌ي مصنوعي استفاده شد. ميزان تجزيه كل نفت در خاك رسي 93/36 درصد، خاك لومي 03/47 درصد و در خاك شني 79/62 درصد به دست آمد؛ در بررسي اثرات بافت خاك نيز بيشترين ميزان تجزيه در بافت شني اتفاق افتاد كه داراي منافذ ريز كم‌تر است و نفت به راحتي در دسترس باكتري‌ها جهت تجزيه قرار مي‌گيرد. در بافت رسي و سيلتي چون باكتري‌ها امكان استقرار دارند و به مواد غذايي بيشتري دسترسي دارند از كربن موجود در نفت به عنوان منبع انرژي استفاده نموده و باعث كاهش اشكال آهن غيرمغناطيس خاك و سپس كاني‌سازي مگنتيت و مگهميت شدند. نتايج اين بخش از مطالعه تاييد كرد در حضور تغذيه مصنوعي باكتري‌هاي مزبور در بازه زماني شش ماهه بخش قابل توجهي از تركيبات نفتي قابل تجزيه است، كه اين مطالعه مي‌تواند مبناي استفاده از اين باكتري‌ها در زيست پالائي خاك هاي آلوده نفتي در مناطق نفت خيز و اطراف پالايشگاه¬ها قرار گيرد. همچنين جمع بندي ساير بخش¬هاي اين تحقيق كارائي بالاي تكنيك‌هاي پذيرفتاري مغناطيسي و طيف¬سنجي نزديك را در رصد كردن ميزان تركيبات نفتي در خاك هاي آلوده مورد استفاده نشان داد.

This study was conducted in three parts. The first part included investigating the variability of petroleum hydrocarbons an‎d its relationship with magnetic susceptibility an‎d some soil chemical properties. For this purpose, one hundred contaminated soil samples by crude oil showing different degrees of contamination were collected from a depth of 0 to 10 cm from the soils around Shadegan Wetlan‎d in Khuzestan province in southern Iran. The results showed that total petroleum hydrocarbons (TPH) ranged from 2/1 to 18.1% (w/w), with χlf varying from 14.08 to 713.93 × 10-8 m3 kg-1 The highest variation (coefficient of variation = 107 %) was obtained for χlf, indicating significant effects of mineralization of petroleum compounds on iron-containing compounds. A high positive correlation was achieved between the amount of TPH, χlf, an‎d different forms of iron (Fed: CBD-extracted iron, FeO: oxalate-extracted iron, an‎d Fet total iron). Mineralogical studies results using powder XRD an‎d scanning electron microscopy (SEM) confirmed the formation of ferrimagnetic minerals (magnetite, maghemite) during the biodegradation of petroleum hydrocarbons. Stepwise multiple regression analysis showed that χlf an‎d Fed had a large contribution an‎d were able to explain about 74% of the TPH variation at the studied sites. In the second part of this study, soil samples were analyzed for TPH prediction using reflectance spectroscopy in the Vis-NIR range in the spectroscopy laboratory an‎d after applying various preprocessing, using the partial least squares regression (PLSR) model as well as two machine learning models including ran‎dom forest (RF) an‎d support vector machine (SVM). The results showed that the reflectance values at 1725 nm an‎d 2311 nm, respectively, were identified as fingerprints of petroleum compounds in the soil. Among the preprocessing methods, the baseline correction method showed the highest performance compared to other methods. According to the eva‎luation model criteria in the validation dataset, the efficiency of the three selec‎ted models was determined in the order of SVM ‎> RF ‎> PLS regression. The SVM model showed the best performance in the validation dataset with R2 = 0.85, root mean square error (RMSE = 1.59 %) an‎d ratio of prediction to deviation (RPD = 2.6). In the third part of this study, the process of TPH decomposition an‎d changes in magnetic susceptibility an‎d iron minerals in oil-contaminated soil in three different textures of clay, san‎dy loam an‎d san‎dy loam was investigated. In this study, biological decomposition by Pseudomonas an‎d Marinobacter bacteria was used to eliminate hydrocarbon pollutants in artificially contaminated soils. The total oil decomposition rate was 36.93 in clay soil, 47.03% in loamy soil, an‎d 62.79% in san‎dy soil. In the study of the effects of soil texture, the highest decomposition rate occurred in san‎dy texture, which has fewer fine pores an‎d petroleum compounds are easily accessible to bacteria for decomposition by microorganisms. In clayey an‎d silty textures, because of bacteria can settle an‎d have access to more nutrients, they used the carbon in oil as an energy source an‎d caused a decrease in non-magnetic iron forms of the soil an‎d then the formation of magnetite an‎d maghemite. The results of this part of the study confirmed that in the presence of artificial nutrition of the aforementioned bacteria, a significant portion of the petroleum compounds can be degraded within a six-month period, which can serve as the basis for using these bacteria in the bioremediation of petroleum-contaminated soils in oil-polluted sites around refineries. Also, the summary of other parts of this study showed the high efficiency of magnetic susceptibility an‎d near-field spectroscopy techniques in monitoring the amount of petroleum compounds in the oil contaminated soils.

شمس اله ايوبي

احمد ميره اي , بنفشه خليلي

محمدعلي حاج عباسي جورتاني , سعيد اسلاميان , عليرضا كريمي