CC BY
632
© М.А. Водянова, Е.И. Хабарова, Л.Г. Донерьян, 2010
УДК 631.61
М.А. Водянова, Е.И. Хабарова, Л.Г. Донерьян
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРА ТОВ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ БИОДЕГРАДАЦИИ НЕФТИ В ПОЧВЕ
Проведен анализ использования различных технологий для очистки почв, загрязнённых нефтью, в том числе способа биоремедиации, включающего применение технологий, предназначенных для биологической очистки почв, основанных на способности живых организмов в процессе жизнедеятельности поглощать органические вещества, способствуя их деградации.
Ключевые слова: микроорганизмы, разложения нефти и нефтепродуктов, биодеградация.
Семинар № 10
А нализ существующих микробио-,/ж. логических препаратов, используемых для биодеградации нефти и нефтепродуктов в почве
Серьёзной экологической проблемой является загрязнение среды органическими токсикантами. Поступление в окружающую среду дизельного и котельного топлива, горюче-смазочных материалов, растворителей, расширение парка автотранспорта, увеличение числа АЗС и станций технического обслуживания, в связи с расширением инфраструктуры промышленных и горнодобывающих предприятий, а также городских территорий приводят к возрастанию содержания нефтепродуктов в природных объектах. Отрицательное воздействие на почву товарной продукции нефтеперерабатывающих заводов проявляется в деградации почвенного покрова, отчуждении земельных угодий из сельскохозяйственного оборота, нарушении экологического равновесия природных ландшафтов за счет воздействия нефтепродуктов на сопредельные среды
(растительный покров, поверхностные и грунтовые воды, животный мир).
Интенсивность оказываемого влияния можно определить, изучая микробное сообщество почв. Выделяют четыре качественно отличных уровней загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами (в зависимости от концентраций) (табл. 1).
Почва обладает уникальной способностью к самоочищению благодаря активной деятельности всей совокупности живых её обитателей: различных видов бактерии, актиномицетов, грибов, водорослей, простейших, червей, личинок насекомых [1]. Микроорганизмы, участвующие в разложении нефти (нефтепродуктов) и использующие углеводороды в качестве питательного субстрата, широко распространены в природе. Описано 22 рода бактерий, 31 род микроскопических грибов и в том числе 19 родов дрожжей, выделенных из почвенных экосистем, способных к биодеградации нефтяных углеводородов [9, 10, 18, 19]. Самоочищение почвы является сложным и относительно длительным
Таблица 1
Зонирование реакций микробного сообщества нефтезагрязнённой почвы [12]
№ п/п Уровень загрязнения Содержание нефтепродуктов Обозначение зоны Характеристика микробоценоза
мл/кг %
1 очень низкий 0 - 0,7 < 0,06 зона гомеостаза Все микробиологические показатели стабильны и практически неотличимы от контроля
2 низкий 0,7 - 50 0,06 -4,3 зона стресса Изменяется соотношение между отдельными группами аборигенных микроорганизмов по степени доминирования
3 средний 50 - 300 4,3 -25,5 зона резистентности Резкое снижение видового разнообразия и смена состава сообщества. Идёт полное изменение доминирующих форм в микробном сообществе
4 высокий > 300 > 25,5 зона репрессии Полное подавление роста и развития микроорганизмов в почве
биологическим процессом, в течение которого происходит разложение, деградация, миграция загрязнителя различной природы с образованием более простых соединений, входящих в состав почвы, при этом патогенные организмы отмирают. Темпы микробной деградации нефтяных углеводородов зависят от множества факторов, и для интенсификации этого процесса требуется оптимизация условий для роста и развития микроорганизмов. Основными природными факторами, влияющими на активность углеводородокисляющих микроорганизмов, являются температура, условия влажности и аэрации, кислотность почвы и обеспеченность элементами минерального питания, интенсивность солнечного света.
Оптимальными для развития углево-дородокисляющих микроорганизмов в почвах считают мезофильные условия, т.е. температурный интервал в 20-30 °С. Нефтеокисляющие микроорганизмы не могут развиваться в полностью обезвоженной среде. Наилучшими условиями влажности являются 60 % от полной влагоемкости. Значения рН, близкие к нейтральным, являются оптимальными
для разложения нефти в почвах. Поскольку процессы разрушения нефти преимущественно окислительные, и, как правило, все микроорганизмы - нефте-деструкторы являются аэробными, доступность кислорода является обязательным фактором, ускоряющим скорость биодеградации [13].
Не всегда погодные условия оптимальны для быстрого разложения нефти и нефтепродуктов, их повышенные концентрации в почве и воде нарушают дыхательную активность почвы и микробное самоочищение почвенных и водных ресурсов. В этом случае для очистки загрязнённых природных поверхностей используются различные технологии, в том числе с применением специальной техники, которые подразделяются на техническую и биологическую рекультивации. Техническая рекультивация применяется немедленно после аварийного разлива нефти (нефтепродуктов) для максимального снижения риска распространения загрязнения за пределы первичного очага. При концентрации загрязняющего вещества < 20 %, наиболее перспективным является биологический способ очистки, а именно, метод биоремедиации.
Способность утилизировать трудно-разлагаемые вещества антропогенного происхождения (ксенобиотики) обнаружена у многих микроорганизмов. Это свойство обеспечивается наличием у микроорганизмов специфических ферментативных систем, осуществляющих катаболизм таких соединений.
Поскольку микроорганизмы имеют сравнительно высокий потенциал разрушения ксенобиотиков, проявляют способность к быстрой метаболитической перестройке и обмену генетическим материалом, им придаётся большое значение при разработке путей биоремедиации загрязнённых объектов.
Биоремедиация - это применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистки почв, основанных на способности живых организмов в процессе жизнедеятельности поглощать, метаболизировать органические загрязнители, способствуя их деградации [11].
Технологии биоремедиации разделяются на различные типы в зависимости от того, проводятся ли они непосредственно на месте загрязнения или вне его; вносятся или нет в загрязнённую среду микроорганизмы [5, 8].
Биоремедиация ex situ - проводится вне места загрязнения. Методы биоремедиации с вывозом нефтезагрязнённых почв имеют ряд существенных преимуществ, таких как, повышенный контроль за рекультивируемой почвой и оптимизация процесса. Существенными недостатками данного метода являются высокие затраты и вывод из хозяйственного оборота значительных площадей, так как загрязнённая почва извлекается, подвергается биоремедиации в специальных устройствах и возвращается в место загрязнения [10].
Биоремедиация in situ - проводится непосредственно в месте загрязнения и
необходимость в транспортировке загрязнённой почвы отсутствует [14]. Такой способ основан на стимулировании роста природных (аборигенных) микроорганизмов, естественно содержащихся в месте загрязнения.
Биоремедиация in situ складывается из комбинации двух основных подходов: биостимуляции in vitro и биодополнения (биоаугментации или биоулучшения).
Биостимуляция in vitro позволяет ускорить в свеже-загрязнённой почве естественный процесс накопления микробных деструкторов, вносимые клетки оказываются лучше приспособленными к условиям конкретного местообитания и особенностям разлагаемого углеводородного субстрата. В этом случае из почвы извлекают образцы естественной микробиоты, которые затем для повышения их ремедиа-ционных характеристик культивируются в ферментерах при добавлении необходимых ростовых факторов и соединений, индуцирующих биодеградацию целевого загрязнителя. Затем такая микробиота вносится в место загрязнения.
Биодополнение (bioaugmentation -биоаугментация или биоулучшение)
представляет собой процесс, при котором в место загрязнения вносятся специализированные микроорганизмы, чужеродные для данного места обитания, которые были заранее выделены из природных источников или специально генетически модифицированы.
Таким образом, биодеградация углеводородов в естественной среде может осуществляться за счёт стимуляции естественной нефтеокисляющей микрофлоры путём создания оптимальных условий для её развития (внесение азотно-фосфорных удобрений, аэрация и др.) или введения в загрязнённую экосистему углеводородо-кисляющих микроорганизмов (интродукция активных штаммов) наряду с добавками солей азота, фосфора, извести и т.д.
Эффективность биологической рекультивации подтверждается полевыми и лабораторными испытаниями, доказывая, что использование естественных природных ресурсов экономически значительно выгоднее, несмотря на ограничение их применения весенне-летним периодом.
Сейчас существует множество способов рекультивации земель. Новые технологии позволяют в несколько раз ускорить процесс восстановления нарушенных педосферных экосистем, поэтому развитие методов не прекращается. По появившимся и запатентованным изобретениям, а также их описаниям, занесенным в патентный фонд, можно проследить, какие идеи являются прогрессивными, а какие себя постепенно изживают.
Количество патентов по рубрикам «восстановление загрязнённой почвы» (индекс В09С1/00), «восстановление земель, нарушенных открытыми разработками» (индекс Е21С41/32) и «микробиологические способы восстановления загрязнённой почвы» (индекс В09С1/10) в Российской Федерации за период с 1983 по начало 2008 года (25 лет) составило 97 изобретений.
Для сравнения был произведён патентный поиск в издании «Изобретения стран мира» по тем же индексам для таких стран, как Германия, Франция, Великобритания (Англия), Япония, США, и для таких организаций, как Всемирная организация интеллектуальной собственности (ВОИС) и Европейское патентное ведомство (ЕПВ), которые вели аналогичные разработки.
Для Германии и Франции это число составило - 71 и 16 соответственно, для Великобритании - 6, для Японии - 98, для США - 57, для ВОИС и ЕПВ - 100 и 65 соответственно.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что микробиологические
способы восстановления почв становятся всё более и более актуальными [6, 7].
В качестве биорекультивантов используют микробиологические препараты, имеющие соответствующие санитарногигиеническое заключение и паспорт. Применяемые культуры должны быть безвредны не только для человека и животных, но и для почвенной биоты и насекомых.
Содержание нефтеокисляющих микроорганизмов в биопрепаратах достигает 1011 клеток в 1 г препарата для бактерий и 109 клеток препарата в 1 г - для дрожжей
[4].
В настоящее время предлагается для использования достаточно большое количество биопрепаратов. В табл. 2 представлен перечень существующих препаратов, получивших наиболее широкое применение и известность в России и за рубежом
Каждый из этих препаратов был апробирован и имеет рекомендации по применению. Все они отличаются консистенцией (жидкие, сухие), компонентным составом, объектом обработки (почва или водные объекты, загрязнённые нефтью и нефтепродуктами). Поэтому для достижения максимального эффекта в рекультивации почв необходима проинформированность относительно типа почв, её мик-робоценоза, состава нефти и самого биодеградатора. Некоторые препараты применимы в регионах с пониженными температурами [17].
В последние годы появились работы, посвященные изучению изменения видового состава микробоценоза почв, подвергшихся нефтяному загрязнению, а также содержания токсичных видов почвенных грибов в экосистемах с разным уровнем антропогенной нагрузки
[2, 3].
Таблица 2
Препараты-биодеструкторы нефтяного загрязнения
№ Название Страна Активные компоненты Год Появления
1 Бациспецин Россия Bacillus sp. 739 1997
2 Белвитамин Россия нефтеокисляющие микроорганизмы 2003
3 Биодеструктор Россия Acinetobacter valentis, Acin.bicooum... 1995
4 Биосет Россия p.Arthrobacter, Micrococcus varians 1998
5 Деворойл Россия Candida, Rhodococcus, Pseudomonas 1992
6 Дестройл Россия Acinetobacter sp. 2000
7 Ленойл Россия Bacillus brevis, Arthrobacter sp. 2004
8 Лестан Россия нефтеокисляющие микроорганизмы 1996
9 Нафтокс Россия pp. Mycobacterium, Pseudomonas. 1996
10 Никаойл-1 Россия Pseudomonas, Rhodococcus. 1998
11 Олеворин Россия нефтеокисляющие микроорганизмы 1995
12 Путидойл Россия Pseudomonas putida 36 1990
13 Родер Россия Rhodococcus vubber, Rh.erithropolis 1999
14 Родобел Беларусь Rhodococcus erythropolis 5 D. 2003
15 Родотрин Россия нефтеокисляющие микроорганизмы
16 Руден Россия Rhodococcus sp. HX 7
17 Экойл Россия Mycobacterium flavesceus EX-S1 1994
18 Эконадин Россия Pseudomonas Fluorescens
19 Экосорб Россия нефтеокисляющие микроорганизмы 1994
20 Biocrack США нефтеокисляющие микроорганизмы 1992
21 Hydrobac США нефтеокисляющие микроорганизмы 1982
22 Noggies Г ермания нефтеокисляющие микроорганизмы 1986
Рядом авторов установлено, что острое токсическое действие нефти убывает по мере её удаления из почвы, а токсичность, обусловленная микроскопическими грибами, напротив, со временем может нарастать. Микотоксины (вторичные метаболиты грибов), обладающие широким спектром ингибирующего действия, могут накапливаться в пищевых цепях и вызывать поражения различных систем органов. Например, попадая в растения через корневую систему, токсины вызывают задержку развития, увядание, видоизменение корней [15, 16]. Некоторые виды грибов, доминирующие в составе комплекса микроорганизмов почв, мо-
гут быть серьезными патогенами для человека и животных. Таким образом, влияние нефти и нефтепродуктов на почву могут оказывать негативное влияние на жизнь и здоровье населения. Известно, что в антропогенно нарушенных почвах под влиянием соответствующего загрязнителя формируется микромицетный комплекс, использование которого в экологическом мониторинге позволяет установить степень почвенного неблагополучия [13]. Важно также отметить, что влияние биодеструкторов на представителей многих групп почвенных микроскопических грибов еще нельзя считать достаточно изученным.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ананьева Н.Д. Микробиологические 2. Бакаева М.Д. Комплексы микромице-
аспекты самоочищения и устойчивости почв. тов нефтезагрязнённых и рекультивируемых М: Наука, 2003, 223 С. почв/Уфа, 2004, 120 С.
3. Биккинина А.Г. Разработка технологии рекультивации нефтезагрязнённых объектов с использованием комплекса микробиологических препаратов/Уфа, 2007, 125 с.
4. Борзенков И.А., Ибатуллин Р.Р., Ми-
лехина Е.И., Сидоров Д. Г., Храмов И.Т., Беляев С.С. Использование микроорганизмов при ликвидации нефтяных загрязнений
почв//Конференция «Интродукция микроорганизмов в окружающую среду», 17-19 мая, 1994 г.: Тезисы докладов - М., 1994, с. 14-15.
5. Вельков В.В. Стандартизация формата описаний промышленных технологий биоре-медиации//Биотехнология. - 2001. - № 2. - С. 70-76.
6. Водянова М.А., Хабарова Е.И. Статистика патентования технологий восстановления земель//Материалы международной научнопрактической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2008, 30 апреля, 492 - 495.
7. Водянова М.А., Хабарова Е.И. О патен-
товании биотехнологий восстановления земель за последние 25 лет (1983 - июнь 2008
гг.)//Материалы VII международной конференции. Москва - Ереван, 15 - 19 сентября 2008 г. - РУДН, 2008. - 137 - 138.
8. Гриценко А.И., Акопова Г.С., Максимов В.М. Экология. Нефть и газ. - М.: Наука, 1997. - 597 с.
9. Ильин Н.П., Калачникова И.Г. Наблюдение за самоочищением почв от нефти в средней и южной тайге / Добыча полезных ископаемых и геохимия природных систем. М. 1982. С. 245-258.
10. Исмаилов Н.М., Пиковский Ю.И. Современное состояние методов рекультивации нефтезагрязнённых земель. Восста-
новление нефтезагрязненных почвенных экосистем/Под редакцией М.А. Глазовской. - М.: Наука, 1988. - С. 222-230.
11. Киреева Н.А., Бакаева М.Д. Рекультивация нарушенных земель. - Уфа: РИО БашГУ,
2005. - 208 с.
12. Микроорганизмы и охрана почв. Издательство Московского университета, 1989, (под ред. Д.Г.Звягинцева), - М. 1997. - С.129-149.
13. Свистова И.Д., Щербаков А.П., Корецкая И.И., Талалайко Н.Н. Накопление токсичных видов микроскопических грибов в городских почвах./Гигиена и санитария, Москва, 2003, № 5, С. 22 - 25.
14. Стабникова Е.В. Выбор активного микроорганизма деструктора углеводородов для очистки нефтезагрязнённых почв //Прикладная биохимия и биотехнология. -1995. -Т. 31, № 5. - С. 534 - 539.
15. Тарасенко Е.М. Биологическая активность и токсичность почв при нефтяном загрязнении и рекультивации/У фа, 2006, 120 с.
16. Тарасова Ж.Е. Гигиеническая оценка влияния нефти на почвенный микробоценоз и самоочищающую способность почвы/Москва,
2006, 229 с.
17. Таскаев А.И., Архипченко И.А., Боро-винских А.П. Опыт биологической рекультивации земель в условиях Крайнего Севе-ра//Экология и промышленность России. -Спецвыпуск, 2004. - С. 27-31.
18. Atlas R.M. Microbial degradation of petroleum hydrocarbons and environmental perspective // Microbiol. Rev. 1981. V.45. №1. РЛ80-209.
19. Atlas R.M., Bartha R. Hydrocarbon biodegradation and oil spill bioremediation (ed. By K.C. Marshall) // Adv. Microb. Ecol.-1992.-V.12.-P. 287-338. ЕШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------
Водянова М.А. - аспирантка, Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, [email protected] e-mail: m. [email protected]
Хабарова Е.И. - кандидат химических наук, доцент, Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, зав. каф. Прикладной экологии и безопасности труда, e-mail: [email protected]
Донерьян Л.Г. - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Государственное учреждение научно исследовательский институт экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН (ГУ НИИ ЭЧ и ГОС им. А. Н. Сысина РАМН), email: [email protected]
