CC BY
95
I В МИРЕ НАУКИ |
Биоремедиация природных и производственных сред
Бурное развитие промышленности и интенсификация сельскохозяйственного производства наряду с бесконтрольным природопользованием сопровождается глобальными, порой необратимыми нарушениями баланса естественных процессов в биосфере в результате ее загрязнения.
Алисса Самсонова,
завлабораторией деградации ксенобиотиков и биоремедиации природных и производственных сред Института микробиологии НАН Беларуси, доктор биологических наук
Переломным годом в отношении к проблеме взаимодействия человека и природы стал 1972 г. - год Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде, заставившей по-новому взглянуть на проблемы развития общества и его движущие силы и наметившей ряд мер по оздоровлению экологии. После конференции резко активизировалась законодательная работа, формирование систем природопользования, международная деятельность. Качество окружающей среды стало рассматриваться как неотъемлемая часть понятия «благосостояние», а расходы на его поддержание к концу 80-х гг. составляли 2-4% от ВВП в развитых странах. Были организованы системы слежения за состоянием экологии в национальном и глобальном масштабах. Именно эти системы 20 лет спустя (1992 г. - год Конференции ООН в Рио-де-Жанейро по окружающей среде и развитию) регистрируют еще большее ухудшение ситуации. И это несмотря на то что человечество затратило колоссальные средства (порядка
1 трлн долл. в ценах 80-х гг.) на поддержание качества окружающей среды.
Очистка воды и почвы, стоившая обществу значительных средств, не всегда приносила желаемый результат, поскольку основой многих природоохранных технологий было удаление загрязнителей из воды и высвобождение их в воздух. В тех случаях, когда вода пропускалась через активированный уголь, токсичность загрязнителей в абсолютном выражении также не уменьшалась, так как имело место концентрирование вредных веществ. Сжигание отходов при высокой температуре приводило к разрушению загрязнителей, но эта технология была очень дорогостоящей и зачастую приводила к выбросу токсичных соединений в атмосферу.
В настоящее время всеми странами мира без исключения наиболее экологичными способами охраны и очистки окружающей среды признаны биологические методы, представляющие собой комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов -микроорганизмов, растений, насекомых, червей и других организмов, получивших название биоремедиантов. По данным Организации экономического сотрудничества и развития, их потенциальный рынок составляет около 75 млрд долл.
Главную роль в деградации загрязнений играют микробные технологии, основанные на метаболической активности ми-
кроорганизмов, способных к использованию в качестве источников питания практически любых органических соединений, представляющих угрозу экологическому состоянию объектов как природных, так и производственных сред.
Лидирующие позиции на рынке микробных препаратов и технологий, предназначенных для биоремедиации почвы, воды, атмосферного воздуха, занимают РФ, США, Германии, Японии.
По данным рабочих материалов к Стратегии развития биотехнологической отрасли промышленности РФ до 2020 г., в России наибольшей популярностью пользуются отечественные препараты «Путидойл», «Олеоворин», «Нафтокс», «Родер», «Цен-трин», «Псевдомин», «Дестройл», «Лидер», «Валентис», «Деворойл», белорусского производства - «Родобел», «Родобел-Т», а также украинские «Эконадин» и «Десна». Кроме этого, на российском рынке широко представлены препараты США, выпускаемые в РФ в составе серии «Микрозим» и предназначенные для биоремедиации почвы, сточных вод, нарушенных природных водоемов от нефти, жиров, углеводов, белков, азота, а также утилизации и обезвреживания отходов.
Неоспоримость преимущества микробных технологий ремедиации окружающей среды заключается как в их полной экологической безопасности, так и в высокой эффективности в сопоставлении с физико-химическими методами, экономичности, простоте использования.
Методы биоремедиации экосистем от загрязняющих веществ можно разделить на три основные группы:
• основанные на активации метаболической деятельности естественной микрофлоры
БИОТЕХНОЛОГИИ
в месте обитания путем изменения соответствующих физико-химических условий среды агротехническими приемами;
• базирующиеся на внесении в загрязненные природные среды специально подобранных популяций микроорганизмов-деструкторов ксенобиотиков;
• комбинация первого и второго методов.
Несмотря на принципиальную возможность атаковать тот или иной ксенобиотик, микробы могут оказаться неспособными осуществить этот процесс из-за отсутствия в природе условий, необходимых для его успешного протекания.
При поступлении в почву загрязняющих веществ в процесс их разложения - биотрансформацию, соокисление (или коме-таболизм) - включаются микроорганизмы, находящиеся до этого момента в состоянии относительно слабой метаболической активности. В связи с этим факторы, определяющие рост и развитие микроорганизмов, обусловливают также интенсивность самоочищения почв от ксенобиотиков.
Ключевым в регуляции процесса разложения любого загрязняющего вещества является газовоздушный режим почвы. Например, нефтяное загрязнение ухудшает газовый обмен, создает условия для активизации анаэробных процессов, при которых деградация нефтяных углеводородов затруднена. Из свыше 100 видов исследованных нами бактерий, грибов и дрожжей, относящихся к 11 родам, способных утилизировать один или более нефтяных углеводородов, только один принадлежал к анаэробным.
Рыхление - мощный регулирующий фактор, интенсифицирующий процесс самоочищения почв: он положительно влияет на микробиологическую и ферментативную активность, так как способствует улучшению условий жизнедеятельности аэробных групп микроорганизмов, которые количественно и по интенсивности метаболизма доминируют в почвах и являются основными деструкторами химических веществ. Рыхление загрязненной почвы увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, способствует равномерному распределению загрязняющих веществ в почве и увеличению активной поверхности. Обработка почвы создает мощный биологически
активный слой с улучшенными агрофизическими свойствами, в ней формируется оптимальный физический режим - водный, воздушный и тепловой.
Одним из приемов, обеспечивающих улучшение контакта микроорганизмов с субстратом, кислородом и питательными веществами, является диспергирование загрязняющих веществ в почве путем использования поверхностно-активных веществ - ПАВ. Однако их применение в каждом конкретном случае должно быть строго обосновано биологическими показателями, чтобы ни сами ПАВ, ни продукты их разложения не стали дополнительным источником загрязнения биосферы.
Важный фактор, лимитирующий процесс разложения ксенобиотиков, - обеспеченность загрязненных почв биогенными элементами: азотом, фосфором, калием. Необходимость внесения в загрязненную почву биогенных элементов обусловливается повышением численности микроорганизмов и значительным изменением соотношения СД способствующим иммобилизации азота. Недостаток биогенных элементов, лимитирующих разложение, надо восполнять путем внесения минеральных удобрений. Потребность в питательных элементах различна в зависимости от типа почв, однако практически во всех случаях удобрения стимулируют разложение ксенобиотиков в почве.
Температура - важный фактор, который при прочих равных условиях определяет скорость деструкции загрязняющих веществ. Оптимальная температура для процесса микробной деструкции органических веществ - 20-35 °С.
Поддержание почвы во влажном состоянии является одним из агротехнических приемов управления биологической активностью, который оказывает эффективное влияние на темпы разложения любых загрязнителей. Благодаря поливу достигается благоприятный водный режим, улучшение которого обусловливает эффективную модификацию других свойств почв - агрохимических, в частности, влияет на подвижность питательных веществ, микробиологическую деятельность и активность биохимических процессов. Одновременно с этим усиливается действие на
микробиологическую и ферментативную активность агрохимических приемов, например внесения удобрений, рыхления.
Важную роль в разложении ксенобиотиков играет кислотность почвы. Значения рН, близкие к нейтральным, оптимальны для роста большинства микроорганизмов. Поэтому для создания значений рН, при которых разложение загрязняющих веществ происходило бы наиболее быстро, кислые почвы подвергаются известкованию.
Внесение органических соединений, легкодоступных для почвенных микроорганизмов, в ряде случаев способствует ускорению разложения химических соединений, загрязняющих почву, путем вовлечения в процесс биодеградации углеводородных соединений микроорганизмов, способных к соокислению. Расширение круга микроорганизмов, участвующих в деструкции загрязняющих веществ, приводит к более полному использованию потенциальных возможностей микробиоценоза.
Таким образом, разложение ксенобиотиков в почве зависит от многих факторов и требует разработки комплекса агротехнических мероприятий, направленных на оптимизацию деятельности естественной микрофлоры почв. При этом необходимо исходить из конкретных физико-химических условий среды, интенсивности загрязнения и его характеристик, типа почв, климатических особенностей и основываться на комплексных микробиологических, биохимических и агротехнических исследованиях загрязненных почв.
Идея практического использования специально подобранных микроорганизмов-деструкторов ксенобиотиков в процессах очистки загрязненных ими природных и производственных сред привлекательна, и в этом направлении уже осуществлены обширные исследования по выделению и созданию специальных коллекций таких микроорганизмов. Ряд зарубежных фирм изготавливают коммерческие микробные препараты для очистки экосистем от загрязнений. Разработка новых направлений в области уменьшения загрязнений окружающей среды, основанных на интродукции активных культур-деструкторов ксенобиотиков в загрязненную почву, -
№10(104) Октябрь 2011 НАУКА И ИННОВАЦИИ 65
1 В МИРЕ НАУКИ 1
перспективное направление современной биотехнологии.
В основе разработки положения об искусственном внесении в почву микроорганизмов лежит принцип ненасыщенности почвы микроорганизмами. Оно заключается в том, что интродуцированные в почву новые микроорганизмы, которых в ней не было, не погибают, а, как правило, легко вписываются в комплекс почвенных микроорганизмов. Внесенный микроорганизм может проявить свое положительное действие при относительно низкой популяционной плотности, то есть при отсутствии абсолютного доминирования среди почвенной микрофлоры. Для выяснения судьбы интродуцированных штаммов в окружающей среде их предварительно метят, например, по характерным особенностям их клеток (морфология, пигментация, люминесценция колоний), устойчивости к антибиотикам, методом иммунофлуорес-ценции, радиоактивной метки и др.
Смешанная популяция более стабильна в экстремальных условиях окружающей среды, имеет более широкий спектр активности, чем отдельные штаммы.
Эффективность очистки повышается при внесении микроорганизмов на носителях, обладающих высокой пористостью, таких как активированный уголь, селикагель, цеолит и др. Результативность инокуляции зависит от степени адаптации ино-кулянтов к условиям окружающей среды к ксенобиотикам.
Особенно быстро приспосабливаются к меняющимся условиям биосферы и включают в свой рацион созданные человеком синтетические соединения бактерий. Доминирующая роль в процессах деградации ксенобиотиков принадлежит микроорганизмам рода Pseudomonas. Псевдомонады относятся к сравнительно просто и однотипно организованным бактериям. Однако их мембрана содержит ферменты, которые во многом определяют уникальную физиологию этих организмов, и позволяет им усваивать широкий спектр органических соединений.
Важное место в процессах деструкции ксенобиотиков занимают бактерии рода Bacillus. Благодаря способности образовывать споры они обладают устойчивостью к внешним воздействиям и выдерживают
действие таких соединений, которые обычно губительно влияют на живые организмы.
Микобактерии (коринеформы) также играют существенную роль в разрушении чужеродных соединений в биосфере, они принадлежат к автохтонной микрофлоре и в неблагопрятных условиях длительно сохраняют свою жизнеспособность.
Практически биоремедиация загрязненных ксенобиотиками сред реализуется путем осуществления следующих основных этапов.
Первый - получение высокоактивных штаммов микроорганизмов-деструкторов:
• наиболее эффективным способом поиска микроорганизмов-деструкторов является выделение микробных изолятов из природных объектов, длительное время загрязняемых сельскохозяйственными ядохимикатами или токсичными промышленными отходами;
• в ходе всесторонних лабораторных исследований проводят селекцию микроорганизмов, способных наиболее активно разлагать в почве и/или воде целевой поллютант. Оценивают технологичность микроорганизмов, степень и сроки деструкции загрязнителя, интегральную токсичность почвы до и после микробной биоремедиации;
• отобранные штаммы микроорганизмов-деструкторов проверяют на безопасность для теплокровных животных. Критериями токсикологических испытаний являются вирулентность, токсичность, патогенность;
• после комплекса лабораторных исследований приступают к испытаниям микроорганизмов в природных или производственных условиях, по результатам которых отбирают наиболее перспективные штаммы;
• изучают физиолого-биохимические особенности отобранных штаммов микроорганизмов-деструкторов, проводят их идентификацию и депонирование в коллекционном фонде.
Второй этап - разработка технологии получения микробных препаратов на основе штаммов-деструкторов - включает следующие стадии:
• оптимизацию условий культивирования и питательных сред для получения биопрепарата (источники азотного и углеродного питания, время культивирования, РН, солевой состав питательной среды, ПАВ);
• оценку эффективности сорбентов с различными физико-химическими параметрами с целью оптимизации препаратных форм для почвенных и водных объектов;
• изучение микробиологической деструкции метаболитов хроматографическими и спектральными методами;
• оценку возможности совместного культивирования микроорганизмов на основе изучения их взаимоотношений (антагонизм, стимуляция) и оптимизацию параметров процесса.
Третий этап - разработка технологии применения биопрепаратов на основе штаммов-деструкторов для биоремедиации загрязненных природных и производственных сред - включает:
• обследование загрязненной территории (для почвенных объектов);
• определение характеристики очищаемого объекта: инженерно-геологические показатели, качественные и количественные показатели загрязнений (для почвенных, водных и воздушных сред), микробиологические и агрохимические показатели очищаемого грунта;
• локализацию загрязнений на почвенных объектах;
• обваловку, применение сорбентов;
• механическую очистку территории от загрязнений;
• обработку загрязненной территории микробным препаратом, внесение препарата в очистное сооружение;
• внесение биогенных элементов;
• вспашку, увлажнение почвы;
• химический и микробиологический контроль за процессом очистки;
• сдачу объекта заказчику.
Из различных способов очистки сточных вод - механических, химических, физико-химических и биологических - традиционно наиболее часто используется аэробная биологическая очистка, включающая:
• трансформацию, или незначительные изменения молекулы загрязняющего вещества;
• фрагментацию, или разложение сложной молекулы на более простые соединения;
• минерализацию, или превращение сложного вещества в самые простые (НО, СО , Н , NH3, СН4 и т.д.).
Продолжение следует.
