CC BY
126
УДК 502.3/7, 663.18
С. С. Тимофеева, И. А. Рябчикова, С. В. Иванова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ БИОРЕМЕДИАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭМ-ПРЕПАРАТОВ
Ключевые слова: техногенно загрязненные территории, почва, бенз(а)пирен, ЭМ-препарат, биоремедиация.
В модельном эксперименте изучена способность микробиологического препарата «Байкал-ЭМ 1» к деструкции Б(а)П в загрязненных почвах. Установлено, что при «опасной» категории загрязнения почв (до 5 ПДК) эффективность биопрепарата составила 96,7 %, при более высоком уровне загрязнения почвы (15-19 ПДК) «Байкал-ЭМ 1» был менее эффективным, при этом степень биоремедиации составила 38,7-52,6 %. Наиболее эффективной концентрацией биопрепарата является соотношение 1:100 по сравнению с 1:50.
Keywords: territories with technogenicpollution, soil, benzapyrene, EM-agent, bioremediation.
Ability of microbiological preparation «Baikal EM-1»to destruct BaP in polluted soils had been studied in the model experiment. It was found that the efficiency of a biological preparation was 96,7% with "dangerous" category of soil contamination (up to 5 MAC),) "Baikal EM 1" has been less effective with higher levels of soil contamination (15-19 MAC), but the degree of bioremediation was 38,7-52,6%. The most effective concentration of biological product is 1: 100 than 1:50.
Введение
Для очистки и восстановления территорий с техногенным загрязнением все более широкое применение находят методы био- и фиторемедиации, которые основаны на использовании биохимического потенциала микроорганизмов, водорослей, высших растений. Преимуществом данных технологий является их безопасность для окружающей среды, так как они основаны на процессах самоочищения живой природы. Биоремедиация - лечение жизнью, восстановление с помощью живых организмов [1].
Развитие биоремедиационных технологий началось в 1970-е гг. и, прежде всего, было связано с очисткой и восстановлением загрязнённых земель, остающихся после нефтедобычи, аварий при транспортировке и переработке нефти и нефтепродуктов. При этом использовались, как приёмы стимулирования местной почвенной микрофлоры, обладающей способностью к окислению нефтяных углеводородов, так и внесение в места загрязнения биопрепаратов-нефтедеструкторов (аугментация). Сегодня разрабатываются новые микробные препараты-деструкторы, специфичные к определённым видам органических загрязнений (мазутные, креозотные, битумные), а также к загрязнениям полициклическими ароматическими
углеводородами (ПАУ), и новые технологические решения, позволяющие полностью ликвидировать последствия систематических углеводородных загрязнений воды и почвы и восстановить природную среду [2].
ПАУ, индикатором которых принят бенз(а)пирен (Б(а)П), являются одним из важнейших классов опасных загрязнителей и относятся к главным токсикантам окружающей среды. Кроме гигиенического значения, загрязнение ПАУ имеет и негативный экологический аспект - под их действием угнетается почвенная биота, что регистрируется подавлением биохимической
активности почв, например дегидрогеназной и каталазной активностью [2]. Являясь стойкими органическими загрязнителями, эти соединения плохо поддаются микробной деструкции и накапливаются в почвах, адсорбируясь на почвенных частицах. Опасность накопления Б(а)П в почве заключается в том, что через почву он поступает в растения и по трофическим цепям попадает в организм человека. Так, по оценкам [3], только с продуктами питания в организм человека в России в год может поступать 1-2 мг/кг Б(а)П. Поэтому применение биоремедиационных технологий очистки почв от таких высокотоксичных загрязнителей, особенно для сельских территорий, расположенных в зоне влияния выбросов промышленных предприятий нефтехимического, алюминиевого, химического и других производств, позволит ликвидировать накопленный
экологический ущерб и создать более благоприятную санитарно-гигиеническую
обстановку.
На отечественном рынке в последнее время появилось большое количество биопрепаратов, используемых при биоремедиации. В их состав может входить несколько штаммов микроорганизмов, обладающих высокой
технологичностью и наибольшей окислительной способностью по отношению к широкому спектру загрязнителей. Например, известны биопрепараты на основе бактериальных культур, способные наряду с окислением алканов различной длины разрушать полициклические ароматические соединения: «Биодеструктор», «Деворойл», «Путидойл», «Родер». Но, как правило, эти препараты предназначены для уничтожения загрязнения нефтью и нефтепродуктами и их действие не распространяется на многочисленные ПАУ. В настоящее время ведется разработка новых препаратов, способных очищать
сильнозагрязненные почвы от многоядерных ПАУ. Так, проведенными исследованиями [2] показана эффективность использования инновационного
препарата БАК-ПАУ. Он состоит из консорциума бактериальных культур Shinella granuli, Pseudomonas ginsegisoli, Rhodococcus gingshengii, и способен очищать почву от многоядерных ПАУ, полностью деструктурировать Б(а)П.
Следует отметить, что стоимость таких препаратов составляет от 30 до 45 $/кг и они не доступны рядовому покупателю в розничной сети. Поэтому другими препаратами, перспективными для очищения почв от различных загрязнителей могут стать ЭМ-препараты. В основе этой технологии лежит использование уникальных биопрепаратов, содержащих сбалансированное сообщество «полезных» микроорганизмов различных физиологических групп.
Главной причиной исключительной
многофункциональности ЭМ-препаратов является очень широкий диапазон действия входящих в его состав микроорганизмов. Анализ научно-исследовательских и прикладных достижений по их использованию [4-9] показал, что внедрение биотехнологий на основе российских ЭМ-препаратов позволяет решать различные экологические проблемы. В частности, при очистке сточных и канализационных вод; переработке органических отходов в короткие сроки (30-60 дней); устранении неприятных запахов; обеззараживании воды в водоемах рекреационного и декоративного значения; рекультивации свалок; биоремедиации нефтезагрязненных почв.
Целью настоящей работы было изучить способность микробиологического препарата «Байкал-ЭМ» к деструкции Б(а)П на загрязненных почвах.
Методы исследования
Для исследования были взяты образцы почвы из техногенно загрязненных территорий, находящиеся в импактной зоне воздействия выбросов алюминиевого производства (сельское поселение Олха). Образцы почв отобраны в осенний период 2015 г. из поверхностного горизонта (0-10 см) на землях разного назначения (пашня, пастбище) методом конверта со стороной квадрата 1 м. Отбор образцов проводился согласно [10, 11].
с. Олха расположено в Шелеховском районе Иркутской области, в южной части Иркутско-Черемховской равнины, в долине реки Иркут и Олха. Климат резко континентальный, со среднегодовой температурой воздуха, равной -1,1 0С и амплитудой колебаний от самой холодной средней температурой в январе -20,9 0С до наиболее тёплой в июле +17 0С. Для региона характерны небольшая мощность снежного покрова и длительная сезонная мерзлота. Зимой, благодаря сибирскому антициклону, преобладает
малооблачная погода с недостаточной турбулентностью приземного слоя атмосферы, наблюдается высокая повторяемость
продолжительных приземных и приподнятых инверсий (64-89 %), штилей (54-62 %) и слабых ветров (79-89 %) [12]. Эти условия способствуют
интенсивному техногенному загрязнению почвенного покрова вблизи промышленных источников. Особенно такие неблагоприятные условия создаются в пониженных частях рельефа. Преобладают северо-западные и юго-восточные ветры, распространяющиеся вдоль Приангарской промышленной зоны со среднегодовой повторяемостью соответственно 28 % и 32 %. Годовое количество осадков - 270-400 мм. На основной части территории развиты дерново-подзолистые, серые лесные, дерново-карбонатные и луговые почвы.
Район является промышленно развитым. Здесь сосредоточены предприятия цветной металлургии, машиностроительные заводы, строительные организации и др. На территории района расположены интенсивно действующие авто- и железнодорожная магистрали, многочислен частный сектор с индивидуальным печным отоплением. Наличие большого количества промышленных предприятий обуславливает высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Шелехов и его пригородах - сельских поселениях Баклашинское и Олхинское.
По величине комплексной антропогенной нагрузки за 2009-2011 гг. степень напряжения санитарно-гигиенической ситуации в городе оценивалась как «кризисная» [13]. В 2013 году в условиях повышенного загрязнения почвы селитебной территории (Zc > 16 единиц) проживали более 54 тыс. жителей Шелеховского района [12].
Перед проведением эксперимента почва была подготовлена в соответствии с ISO 11268-1, 1993 [14]. Почву высушивали до постоянного веса и просеивали через сито с размером ячейки 5 мм, после чего ее гомогенизировали вручную, добавляли дистиллированную воду в количестве 100 мл на 1 кг почвы. Подготовленная почва раскладывалась в полипропиленовые емкости объемом 2 л слоем толщиной 15 см (1 кг почвы).
Всего было подготовлено 3 серии образцов загрязненных почв: один образец - пахотная почва, второй и третий - луговая (пастбище). В полипропиленовые сосуды поместили по 1 кг почвы. В первый и второй образцы почв биопрепарат вносили в дозе, рекомендованной производителем: разбавление 1:100 (по 1 мл); в третий образец - 1:50 (по 5 мл). Препарат вносили 1 раз в неделю.
В качестве контроля также были подготовлены два образца (пахотная и пастбище) почв, в которые вносили дистиллированную воду, без препарата «Байкала-ЭМ».
Отбор проб из образцов почвы для анализа на содержание Б(а)П проводили через 14, 30 и 60 дней по [10, 11, 15]. Влажные образцы высушивали при комнатной температуре до воздушно сухого состояния. Затем образец измельчали в фарфоровой ступке и просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм.
Содержание массовой концентрации Б(а)П в почвах определяли в соответствии с МУК 4.1.127403 [16] методом ВЭЖХ с флуориметрическим
детектированием на жидкостном хроматографе «Agilent 1200 G1322A» (США). Погрешность определения Б(а)П в почве для содержаний от 0,005 до 0,040 и от 0,040 до 2,0 включительно составляет от 35 до 25 % соответственно, при доверительной вероятности Р=0,95.
Для изучения деструкции Б(а)П в загрязненных почвах был выбран биопрепарат - «Байкал-ЭМ», получивший наибольшую известность в России. «Байкал-ЭМ-1» содержит большое количество анабиотических (полезных) микроорганизмов, обитающих в почве: молочнокислые, азотфиксирующие, нитрифицирующие бактерии, актиномицеты, дрожжи и ферментирующие грибы. Молочнокислые бактерии вырабатывают молочную кислоту, подавляющую развитие гнилостной и патогенной микрофлоры, улучшают санитарное состояние обрабатываемого участка.
Молочнокислые бактерии способствуют разложению лигнинов и целлюлозы и ферментируют эти вещества. Жизнедеятельность актиномицет подавляет рост грибков. Ферментирующие грибы типа Aspergillus и Pénicillium быстро разлагают органические вещества, в том числе участвуют в разрушении углеводородов, выделяют антибиотики.
Ферментирующие грибы подавляют запахи и предотвращают заражение почвы вредными насекомыми и их личинками, предотвращают развитие основных паразитов дождевых червей. Таким образом, внесение биопрепарата обеспечивает вос-
становление плодородия и экологических функций загрязненных субстратов [9].
Обсуждение результатов
Результаты определения Б(а)П показывают, что в исследуемых почвах разного назначения, отобранных на расстоянии 3-4 км от источника загрязнения (Иркутский алюминиевый завод) по розе ветров, повышенное содержание канцерогенного вещества. При этом отмечается зависимость содержания Б(а)П не только от близости места отбора пробы к источнику загрязнения, промышленной зоне, но и от назначения почв: пастбище > пашня (табл. 1). Наблюдаемое расхождение средних концентраций Б(а)П в почвах пашни и пастбищ статистически значимое (Р=95 %). Это связано с тем, что пахотные почвы подвергаются сезонной механической обработке по сравнению с почвами пастбищ, где такая обработка отсутствует. Полученные результаты согласуются с ранее проведенными исследованиями на территории Южного Прибайкалья [19], которые показали, что вертикально-профильное распределение Б(а)П в почвах зависит не так от ее типовой принадлежности, как от ее назначения и водного режима. В необрабатываемых почвах не менее 90 % от суммарного количества Б(а)П накапливается в поверхностном слое до 10 см. В пахотных почвах он равномерно распределен в слое до 30 см.
Таблица 1 - Результаты биоремедиации почв, загрязненных Б(а)П с использованием препарата «Байкал-ЭМ»
Назначение почвы Концентрация препарата, мл/кг Концентрация Б(а)П, мг/кг
До обработки После биоремедиации в течении
14 дней 30 дней 60 дней
Пашня контроль 0,085±0,02 0,082±0,02 - 0,078±0,02
1 0,091±0,02 0,047±0,01 0,014±0,004 0,003±0,001
Пастбище контроль 0,39±0,10 0,42±0,10 - 0,35±0,09
1 0,38±0,10 0,23±0,06 0,31±0,08 0,18±0,05
5 0,31±0,08 0,24±0,06 0,28±0,07 0,19±0,05
Во всех образцах почв концентрация Б(а)П превышала ПДК [17] - в пахотной почве в 4,6 раз, в почвах пастбищ в 15,5 - 19 раз (табл. 1). Оценка степени загрязнения почв показала, что такие почвы в соответствии с СанПиН 2.1.7.1287-03 относятся к категории «опасная» и «чрезвычайно опасная» соответственно. Согласно другому нормативному документу МУ 2.1.7.730-99 пахотные почвы могут быть отнесены к категории «умеренно опасные», поскольку транслокационный и водно-миграционный показатели ниже допустимого уровня и такие почвы могут использоваться под любые культуры при условии контроля качества с.-х. продукции; почвы пастбищ соответствуют категории загрязнения «высокоопасная». Такие почвы регламентированы для использования только под технические культуры и, следовательно, овощные и зеленые культуры, выращенные на этих
почвах, могут представлять опасность для здоровья человека.
Таким образом, для снижения уровня загрязнения почв, интенсивно используемых для выращивания с.-х. продукции в частных хозяйствах на территории сельского поселения Олха, необходимо проведение комплекса мероприятий. Одним из таких мероприятий может быть применение технологий биоремедиации, важнейшим преимуществом которых является их безопасность для окружающей среды, поскольку они основаны на процессах самоочищения живой природы.
В результате поставленного модельного эксперимента было определено, что исследуемый биопрепарат «Байкал-ЭМ», состоящий из консорциума микроорганизмов, способен очищать почвы разной степени загрязнения и
деструктировать Б(а)П и возможно другие токсичные многоядерные ПАУ (табл. 1).
Так, при обработке пахотной почвы с концентрацией Б(а)П, равной 0,091 мг/кг наблюдалась деструкция загрязнителя на 48,4 % уже через 14 дней биоремедиации, а через 2 месяца -снизилась на 96,7 %. Конечная концентрация Б(а)П в обрабатываемой почве составила 0,003 мг/кг, т.е. уровень загрязнения почв снизился до 0,15 ПДК (рис. 1).
методами, например фиторемедиации (высев растений-концентраторов загрязнителей). Также для более эффективной работы биопрепарата необходимо создание более благоприятной питательной среды, т.е. загрязненные почвы должны быть в достаточной степени обогащены минеральными элементами, а именно азотом, фосфором и калием. Следовательно, необходимо дополнительное внесение минеральных удобрений в оптимальных соотношениях.
Рис. 1 - Степень биоремедиации загрязненных почв
На пастбищных почвах с «чрезвычайно высоким» уровнем загрязнения (15,5-19 ПДК) исследование проводили при различных концентрациях препарата в следующих соотношениях - 1:100 и 1:50. В целом, с увеличением степени загрязнения почв эффективность биопрепарата заметно снижается. Так, при обработке почвы «Байкал-ЭМ» в концентрации 1:100 (1мл на 1 кг почвы) содержания Б(а)П через 14 и 30 дней были сопоставимы между собой и с учетом погрешности измерения статистически незначимыми. При этом степень биоремедиации составила 18-39,5 %. Через 60 дней наблюдалось заметное снижение концентрации Б(а)П, которое было статистически значимое, степень его деградации составила 52,6 % (рис. 1, 2).
Увеличение концентрации биопрепарата (1:50, 5 мл на 1 кг почвы) не дало положительного результата, наоборот, отмечалось снижение степени биоремедиации почв. Через 14-30 дней содержания Б(а)П в исследуемой почве также были сопоставимы и статистически незначимыми, и степень его деградации составила 9,8 - 22,6 %. Через 60 дней степень биоремедиации достигла 38,7 %, при этом конечная концентрация Б(а)П составила 0,19 мг/кг (9,5 ПДК). Возможно, что для ремедиации почв с очень высоким и «застарелым» уровнем загрязнения необходим более длительный период (2-3 летних сезона) восстановления в сочетании с другими
Рис. 2 - Степень биоремедиации загрязненных почв при различной концентрации «Байкал-ЭМ»
Полученные нами результаты являются предварительными и нуждаются в проверке на техногенно нагруженных территориях в полевых условиях, тем не менее, они позволяют сделать некоторые выводы:
- проведенные исследования показали эффективность использования микробиологического препарата «Байкал-ЭМ 1» для биоремедиации почв, загрязненных Б(а)П. Так, при уровне загрязнения почв, соответствующей категории «опасная» (до 5 ПДК) его эффективность через 2 месяца биоремедиации составила 96,7 %. При более высоком уровне загрязнения почвы - до 15-19 ПДК микробиологический препарат был менее эффективным и степень биоремедиации составила 38,7-52,6 %. Возможно, что для ремедиации почв с очень высоким и «застарелым» уровнем загрязнения необходим более длительный период восстановления в сочетании с другими методами;
- установлено, что наиболее эффективной концентрацией биопрепарата является соотношение 1:100 по сравнению с 1:50.
С учетом изложенного экобиотехнологии могут проблемы сохранения окружающей среды и санитарно-гигиенического благополучия населения.
следует признать, что эффективно решать качества объектов
Литература
1. Прикладная экобиотехнология: учебное пособие : в 2 т. Т.1/ А.Е. Кузнецов [и др.]. М.: Бином. Лаборатория знаний. 2012. 629 с.
2. М.И. Янкевич, В.В. Хадеева, И.А. Афти, Экология производства, 1, 62-67 (2015).
3. В.Н. Майнстренко, Р.З. Хамитов, Г.К. Будников Эколого-аналитический мониторинг суперэкотоксикантов. М.: Химия. 1996. 320 с.
4. В.А. Блинов, А.Б. Иванов, Вода и экология: проблемы и решения, 2 (46), 57-60 (2011).
5. О.В. Волкова, Сборник трудов «Достижения ЭМ-технологии в России» [Электронный ресурс]. URL: http// www.biolit.com.ua (28.03.16).
6. Т.А. Сильченко, Сборник трудов «Достижения ЭМ-технологии в России» [Электронный ресурс]. URL: http// www.biolit.com.ua (28.03.16).
7. Е.Ю. Голенко, О.М. Китаева, О.Н. Сайгина, Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке, Т.3, 75-80 (2011).
8. О.С. Безуглова, Сборник трудов «Достижения ЭМ-технологии в России» [Электронный ресурс]. URL: http// www.biolit.com.ua (27.03.16).
9. С.Б. Чачина, С.В. Болтунова, Н.В. Черкашина, Омский научный вестник, 1, 221-225 (2015).
10. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2013 году» -Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН. 2014. 389 с.
11. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2012 году». [Электронный ресурс]. URL: http//wwwmnr.gov.ru (25.03.16).
12. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. М.: Стандартинформ, 2008. 6 с.
13. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического анализа. М.: Стандартинформ, 2008. 7 с.
14. ISO 11268-1:1993. Качество почвы. Воздействие загрязняющих веществ на земляных червей. Определение кратковременного токсического эффекта с использованием субстрата искусственной почвы. [Электронный ресурс]. URL: base.consultant.ru (21.12.2016).
15. ГОСТ Р ИСО 14507-2011. Качество почвы. Предварительная подготовка проб для определения органических загрязняющих веществ. [Электронный ресурс]. URL: base.consultant.ru (21.12.2016).
16. МУК 4.1.1274-03. Измерение массовой доли бенз(а)пирена в пробах почв, грунтов, донных отложений и твердых отходов методом ВЭЖХ с использованием флуориметрического детектора. М.: Стандартинформ, 2003. 21 с.
17. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора. 2006. 15 с.
18. СанПиН 2.1.7.1287-03. Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы. [Электронный ресурс]. URL: base.consultant.ru (21.03.2016).
19. Л.И. Белых, И.А. Рябчикова, В.А. Серышев, Агрохимия, 4, 65-67 (2004).
20. МУ 2.1.7.730-99. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест [Электронный ресурс]. URL: base.consultant.ru (21.03.2016).
© С. С. Тимофеева - д.т.н., профессор, заведующая кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Иркутского национального исследовательского технического университета, sstimofeeva@mail.ru; И. А. Рябчикова - к.б.н., доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Иркутского национального исследовательского технического университета, rjabchik@bk.ru; С. В. Иванова - к.с-х.н., доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Иркутского национального исследовательского технического университета, genesis@istu.edu.
© S. S. Timofeevа - PhD, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and safety of Irkutsk National Research Technical University, sstimofeeva@mail.ru; 1 A. Ryabchikova - Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of Industrial Ecology and safety of Irkutsk National Research Technical University, rjabchik@bk.ru; S. V. Ivanova - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor of Industrial Ecology and safety of Irkutsk National Research Technical University, genesis@istu.edu.
