CC BY
177
2
Результаты научно-исследовательских работ в области изучения влияния на организм человека особо опасных и вредных производственных факторов
Г.А. Жариков, А.И. Марченко, О.А. Крайнова, В.В. Капранов, М.Г. Жариков
Разработка и полевые испытания
W ^ W
технологии биоремедиации территории, загрязненных токсичными химическими веществами
ФГБУН Научно-исследовательский центр токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов ФМБА России, п. Большевик Серпуховского р-на Московской области
G.A. Zharikov, A.I. Marchenko, O.A. Krainova, V.V. Kapranov, M.G. Zharikov
Development and field trials of the technology for bioremediation of the territories contaminated by toxic chemicals
Federal State-Financed Institution «Research Center for Toxicology and Hygienic Regulation of Biopreparations of Federal Medico-Biological Agency»
Ключевые слова•
Keywords'
Введение
Интенсификация промышленной и сельскохозяйственной деятельности привела к значительному загрязнению окружающей среды токсичными химическими веществами: пестицидами, гербицидами, полихлорирован-ными бифенилами, нефтепродуктами и полициклическими ароматическими углеводородами, тяжелыми металлами. Большинство
токсичных отходов не подвергаются естественному разложению и мигрируют в природной среде, вызывая опасные заболевания у животных и людей. По данным ВОЗ (2006), загрязнение окружающей среды химическими веществами является причиной 68% отравлений, 44% астмы, 19% всех онкологических заболеваний и 1,3 млн смертей от рака ежегодно, 5% врожденных аномалий развития, 2% заболеваний сердца и легких.
Опасность воздействия поллютантов связана не только с непосредственным контактом с ними, но и с опосредованным — через загрязненные почву и воду, выращиваемую сельскохозяйственную продукцию.
В Федеральной целевой программе «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009—2014 годы)» поставлены задачи по «разработке и внедрению современных методов, средств защиты и техно -логий производства для обеспечения защиты населения и окружающей среды от негативных влияний и угроз, вызванных факторами химического и биологического характера, <...> проведению рекультивации земель, зараженных экотоксикантами различной природы».
Цель ремедиации как активной формы охраны природы заключается в защите и восстановлении природных ресурсов. При этом используемые технологии не должны нарушать биологическое равновесие в природе, должны эффективно разлагать загрязнители без образования токсичных продуктов деструкции и восстанавливать плодородие почв.
Существуют два подхода к стандартам очистки загрязненных почв: многофункциональный ( когда ремедиация почв позволяет устранить весь комплекс токсичных веществ) и по конечному результату (когда очистку почвы осуществляют в отношении определенного токсичного соединения). Учитывая широкий спектр химических веществ (загрязнителей), невозможно разработать какой-либо один способ эффективной деструкции этих поллютантов на всех типах почвы.
Наиболее активно используют технологию очистки загрязненных почв, при которой рядом агротехнических приемов (увлажнением, рыхлением, внесением органических веществ, минеральных удобрений и т.д.) активизируют деятельность почвенных микроорганизмов. За счет их жизнедеятельности происходит неспецифическая деструкция загрязнителей. Этот метод носит название lands farming. В США, Евросоюзе и России практикуется целевая биоремеди-ация, при которой в загрязненную почву вносят специально выращенную биомассу
микроорганизмов-деструкторов. Для каждого типа загрязнителей используют специальные штаммы микроорганизмов, ранее выделенные из природы и поддерживаемые в лабораторных условиях. Для ремедиации загрязненных территорий биологические технологии являются наиболее предпочтительными вследствие своей экологической безопасности, низкой себестоимости работ и достаточно высокой эффективности, что было неоднократно продемонстрировано при решении различных экологических задач. Таким образом, разработка и внедрение в практику эффективных технологий биоре-медиации почв, загрязненных токсичными химическими соединениями, крайне актуальны.
При кажущейся простоте решения данной задачи возникает ряд трудностей. Во-первых, необходимо выделить технологичные (т.е. пригодные для промышленного использования и безопасные для людей) микроорганизмы, во-вторых — подобрать условия их культивирования, в-третьих — правильно выбрать время, дозу и способ внесения биодеструкторов в почву, ведь почва загрязняется неравномерно (мозаично), в различных концентрациях токсиканта, на разную глубину. Помимо всего перечисленного необходим контроль за интегральной токсичностью почвы: мы должны быть уверены, что продукты деструкции загрязнителя не будут токсичны, а почва будет в достаточной мере очищена.
Наиболее эффективным способом поиска микроорганизмов-деструкторов, на наш взгляд, является выделение микробных изо-лятов из природных почв, длительное время загрязняемых сельскохозяйственными ядохимикатами или промышленными отходами аналогичного состава. В ходе длительной, многолетней эволюции микроорганизмы, находящиеся в почве, постепенно приспосабливаются к наличию данных токсикантов. Это выражается в утолщении клеточной стенки или появлении полисахаридных капсул. На первом этапе естественной селекции у некоторых микроорганизмов появляются ферменты (оксидазного типа), защищающие микробную клетку от воздействия токсичных соединений. На втором этапе се-
лекции микроорганизмы начинают утилизировать (разлагать) эти вещества и использовать полученную энергию для обеспечения своей жизнедеятельности. Со временем такие микроорганизмы наследуют эти признаки и передают своему потомству через плазмиды. Признак деградирующей способности в отношении токсичных соединений постепенно закрепляется генетически. Несмотря на высокую скорость размножения микроорганизмов, эти процессы занимают в почве десятилетия, поэтому методологически наиболее целесообразно исследовать образцы почв на территориях старых складов ядохимикатов, возле сельскохозяйственных полей ( где эти вещества использовались и накапливались в почве), возле промышленных предприятий, в местах хранения и утилизации химического оружия и т.д.
В ходе всесторонних лабораторных исследований проводят селекцию микроорганизмов, способных наиболее активно разлагать в почве и/или воде целевой поллютант. Оценивают неприхотливость микроорганизмов для культивирования, степень и сроки деструкции загрязнителя, интегральную токсичность почвы до и после микробной биоре-медиации, фитотоксичность. Затем отобранные штаммы микроорганизмов-деструкторов проверяют на безопасность для теплокровных животных. Токсикологические испытания проводят на лабораторных линиях белых мышей и крыс по наиболее строгим критериям, принятым в международной практике для оценки безопасности штаммов микроорганизмов — продуцентов лекарственных препаратов. Этими критериями являются: вирулентность, токсичность, токсигенность и дис-семинация в органах и тканях лабораторных животных. В ФГБУН НИЦ ТБП ФМБА России имеется лабораторная база для проведения таких исследований (виварный комплекс), которая соответствует международному стандарту СЬР, оснащена необходимым оборудованием, а персонал прошел обучение в США и России по вопросам гуманного обращения с лабораторными животными.
Только после комплекса лабораторных исследований приступают к испытаниям микроорганизмов в полевых условиях (в окружающей среде). По результатам хими-
ческих анализов и оценки интегральной токсичности почвы до и после биоремедиации судят об эффективности проведенных работ. Это позволяет гарантировать безопасное применение в окружающей среде микроорганизмов для очистки почв. Полученные штаммы микроорганизмов-деструкторов депонируют в Международной коллекции промышленных микроорганизмов и патентуют. На основании проведенных лабораторных и полевых исследований разрабатывают технологию применения....... микроорганизмов для
биоремедиации почв, загрязненных химическими веществами.
Таким образом, разработка технологии биоремедиации почвы, загрязненной каким-либо химическим веществом, — длительный, многостадийный процесс, требующий совместной работы специалистов различного профиля: микробиологов, химиков-аналитиков, биохимиков, биотехнологов и токсикологов. Эта работа, несмотря на ее длительность и многохарактерность, позволяет в итоге получать эффективные, экологически безопасные, высокопластичные по уровням загрязнений и малозатратные технологии биоремедиации почв.
Результаты исследований
В отделе экологической биотехнологии ФГБУН НИЦ ТБП ФМБА России более 20 лет проводятся исследования по разработке технологий биоремедиации почв, загрязненных токсичными химическими веществами, переработки сельскохозяйственных и промышленных органических отходов вермикомпостированием. В ходе многолетних экспедиционных работ организован музей живых культур природных штаммов микроорганизмов — деструкторов токсичных химических веществ. Созданы музей промышленных линий дождевых червей, применяемых для вермикомпостиро-вания отходов, и лаборатория биотестов (микроорганизмов, дафний, рыб гуппи, дождевых червей, хлореллы).
В отделе разрабатываются технологии биологической ремедиации почв, загрязненных токсичными химическими веществами, с помощью природных штаммов микроорганизмов-деструкторов, растений,
биосорбентов и биогумуса. Контроль за процессами биоремедиации проводится химическим анализом и биотестированием на интегральную токсичность, испытаниями на теплокровных животных.
По Государственному контракту с ФМБА России № 26.004.06.0 разработана технология микробной ремедиации почв, загрязненных высокотоксичным ракетным топливом — гептилом. Гептил широко используется в качестве топлива для вывода на орбиту искусственных спутников Земли, а также пилотируемых космических кораблей. При падении отделяющихся первых ступеней ракет и в случае аварийных ситуаций несимметричный диметилгидразин (НДМГ) топлива попадает в природные экосистемы в районах, прилегающих к космодромам. При этом резко снижается плодородие почв, уменьшается биоразнообразие почвенной экосистемы. Гептил относится к 1-му классу опасности [16]. Проникая через дыхательные пути, неповрежденную кожу и пищеварительный тракт, он способен в минимальных концентрациях вызывать хроническое отравление человека, поражая печень, почки, нервную, сердечно-сосудистую и эндокринную системы. НДМГ обладает канцерогенным, мутагенным, эмбриотоксическим и тератогенным действием, вызывая развитие доброкачественных и злокачественных опухолей [5; 9; 11; 12].
В ходе исследований в течение 1999— 2005 гг. из природных почв, длительное время загрязненных ракетным топливом, были выделены микроорганизмы, способные разлагать НДМГ. По результатам микробного скрининга был получен наиболее эффективный по деструктивной способности штамм*
....................... 19Ф, безопасный
для теплокровных животных и человека. Он удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к промышленным микроорганизмам. Штамм 19Ф депонирован во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (ВНИИ генетики, Москва), на него оформлен патент России.
По результатам лабораторных и полевых исследований разработана технология
биоремедиации — почв, загрязненных ракетным топливом гептилом. На экспериментальном полигоне НИИ Химмаш «Индекс» в 2006—2008 гг. проведены полевые испытания биотехнологии, отработаны режимы ее применения. Использование микроорганизмов -деструкторов штамма •• ......... 19Ф совместно с растениями-мелиорантами (смесь гороха и пшеницы) приводит к разложению гептила, снижению интегральной токсичности и восстановлению биологических свойств почвы. В течение 2 месяцев биоремедиации концентрация НДМГ в почве значительно снижается и достигает безопасного уровня. В ходе микробной очистки почвы токсичных продуктов разложения гептила не образуется.
Биотехнология характеризуется высокой эффективностью, низкой трудоемкостью ( не требуется экскавации, транспортировки или компостирования загрязненного слоя почвы) и экологической безопасностью. Затраты на очистку почвы — • с использованием микроорганизмов на порядок ниже методов ремедиации, связанных с экскавацией и химической дезактивацией загрязненной почвы.
Разработанная технология биоремедиации — * *— почв, загрязненных НДМГ, рекомендуется для практического применения.
Загрязнение окружающей среды нефтепродуктами и полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) представляет собой серьезную угрозу здоровью населения и природе. ПАУ относятся к категории приоритетных загрязнителей окружающей среды, при их попадании в почву снижаются плодородие почв и качество получаемой сельхозпродукции.
По государственному контракту с ФМБА России № 26.001.08.0 разработана технология биоремедиации почв, загрязненных ПАУ (фенантреном, антраценом, пире-ном и флуорантеном), с помощью природных микроорганизмов-деструкторов. Выделены штаммы микроорганизмов, активно разлагающие ПАУ при повышенных температурах и высокой засоленности почв.
По проекту Международного научно-технического центра (МНТЦ) № 1429 разработана биотехнология фиторемедиации почв, загрязненных нефтепродуктами и ПАУ, с помощью хемотаксически активных микроорганизмов ризосферы растений. Биодеградация ПАУ микроорганизмами осуществляется интенсивнее в ризосфере растений, чем непосредственно в почве. Чистые культуры микроорганизмов — деструкторов ПАУ были выделены из образцов загрязненной нефтепродуктами почвы методом накопительных культур. Способность микробных клеток к трансформации ПАУ проверена модифицированным методом Kiyohara. Колонии бактерий, способные трансформировать эти поллютан-ты, образовывали зоны просветления в нанесенном слое ПАУ. Хемотаксические свойства штаммов — деструкторов ПАУ по отношению к корневым выделениям растений изучены капиллярным методом Адлера. Отобраны микробные культуры, обладающие подвижностью. Для части отобранных бактериальных культур нафталин и фенантрен обладали свойствами аттрактантов.
Изучена эффективность ризореме-диации ПАУ хемотаксически активными
микроорганизмами-деструкторами в натив-ной почве (-**— ). Для проведения микрополевого эксперимента были выбраны участки почвы с загрязнениями нефтью и дизельным топливом. В ходе 4-месячного полевого эксперимента по ризоремедиации концентрация углеводородов нефти в загрязненной дерново-подзолистой почве значительно уменьшилась. При этом содержание 16 приоритетных ПАУ сократилось на 64,9% в случае растительно-
микробной ассоциации • ** -......... +
штамм...........МЕУ-Б1 и на 56,1% при ассоциации ............ + штамм ................
МЕУ. В большей степени уменьшилась концентрация ПАУ, содержащих 2—4 бензольных кольца, и в меньшей степени — концентрация ПАУ с 5—6 бензольными кольцами.
Анализ результатов ризоремедиации почв, загрязненных нефтью и дизельным топливом, демонстрирует, что изученные растительно-микробные ассоциации люцерны и овса с хемотаксически активными штаммами микроорганизмов-деструкторов служат эффективным средством очистки дерново-подзолистых почв от загрязнения ПАУ.
Биотехнология характреизуется высокой эффективностью, низкой стоимостью и трудоемкостью, а также экологической безопасностью.
По данным ВОЗ (ШЕР СЬеш.), по-лихлорированные бифенилы (ПХБ) входят в число 12 наиболее опасных и трудно разлагаемых загрязнителей окружающей среды. Их широко использовали в электротехнической промышленности из-за чрезвычайной устойчивости во внешней среде. Однако эти вещества токсичны, аккумулируются в организме людей и обладают канцерогенным эффектом. В г. Серпухове располагается НПО «Квар», где в течение 30 лет при производстве трансформаторов использовали препараты на основе ПХБ: Трихлордифенил, Совол и Совтол (Россия), Арохлор (США), Канехлор (Япония), Пирален и Фенохлор (Франция), Клофен (Германия). В районе расположения завода, по данным Центра госсанэпиднадзора г. Серпухова, отмечены: повышенная в несколько раз заболеваемость
людей онкологическими болезнями, отставания в росте и развитии у детей, высокий процент детских аллергических заболеваний.
По проектам МНТЦ № 228, 2093 и 3067 разработана технология биоремедиации почв, загрязненных ПХБ, проведены ее опытно-промышленные испытания.
По проекту МНТЦ № 228 из образцов загрязненной почвы были выделены 2 штамма микроорганизмов, способных эффективно разлагать ПХБ. Эти штаммы были депонированы во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов, на них оформлены международные патентные заявки РСТ, патенты России и США.
В 2001 г. на территории г. Серпухова при поддержке городской администрации были проведены широкомасштабные полевые испытания разработанной биотехнологии (проект МНТЦ № 2093). Для биоремедиации выбрали 8 наиболее загрязненных ПХБ участков общей площадью 2 га, расположенных на территории завода и в прилегающей жилой зоне. Анализ образцов почвы на ПХБ проводили в химико-аналитической лаборатории НПО «Тайфун», аттестованной по международным стандартам. Проект курировало Агентство по защите окружающей среды США.
Испытания показали, что в течение летнего сезона микроорганизмы активно разрушали ПХБ. Степень разложения ПХБ варьировала в зависимости от их исходной концентрации в почве, а также от ее влажности во время биоремедиации. На территории завода «Конденсатор», где были наиболее загрязненные участки, концентрация ПХБ в почве снизилась со 1600 до 160 мг/кг, степень разло-
жения составила 90%. На территории сквера на Безымянном переулке (слабо загрязненный участок) концентрация ПХБ снизилась с 12—14 мг/кг почвы до предельно допустимых значений — 0,1 мг/кг. По данным хроматогра-фического анализа, микробному разложению подвергались ди- три-, четырех- и пятихлоры ПХБ, составляющие большую часть загрязнения. На территории сельскохозяйственного кооператива «Юрьевка», где присутствуют почвы с высоким содержанием высокохлориро-ванных бифенилов, верхний участок площадью 0,5 га был очищен от ПХБ полностью, а на двух других (общей площадью 1 га) ПХБ были разложены на 80—90%. Так же, как и на территории завода, было выявлено высвобождение ПХБ из почвенных коллоидов микроорганизмами-деструкторами с последующим частичным разложением загрязнителя.
После биоремедиации интегральная токсичность почвы ( биотестирование на дафниях) на всех участках значительно снизилась и достигла допустимого уровня, т.е. биотехнология экологически безопас-
на. Микробиологические исследования почвенных проб выявили, что концентрация микроорганизмов-деструкторов по мере разложения ПХБ значительно снижается и достигает экологически безопасного уровня.
.............. Расчеты канцерогенного
риска, связанного с потреблением загрязненных ПХБ продуктов растениеводства, были проведены на примере сельскохозяйственного кооператива «Юрьевка». Расчеты выполняли в соответствии с существующими методиками количественного определения риска, связанного с потреблением загрязненных продуктов питания, EPA «Risk Assessment» [31]. Было принято, что в ежедневной пище семей, проживающих в этом районе, до половины рациона составляют продукты питания, выращенные на индивидуальных участках в условиях загрязнения почв ПХБ. Расчеты показали, что после очистки загрязненной почвы индивидуальный канцерогенный риск населения, проживающего в зоне биоремедиации, уменьшается практически в 30 раз - с 2,8Х10-3 до 1,1х10-4.
Результаты демонстрационных испытаний в г. Серпухове наглядно показали, что разработанную биотехнологию и микроорганизмы-деструкторы можно рекомендовать для биоремедиации —......почв,
загрязненных ПХБ.
Биотехнология одобрена к применению комиссией Миннауки России и ВОЗ (подпрограмма UNEP Chem.). В 2006 г. по проекту TACIS 2005/099-720 разработанная биотехнология прошла международную экспертизу и была рекомендована к практическому применению в России и Евросоюзе.
Широкое и бесконтрольное применение в сельском хозяйстве фосфорорганических соединений (ФОС) — пестицидов, гербицидов, инсектицидов и т.п. — привело к значительному загрязнению окружающей среды. В настоящее время наиболее проблемной «точкой» является разложение ФОС с трудно ги-дролизуемой прямой С—Р связью. Эта связь
устойчива к фотолизу, химическому гидролизу, тепловому разрушению и встречается в широком ряду средств защиты растений.
По проекту МНТЦ № 1892 совместно с Институтом биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН (г. Пущино) разработана технология биореме-диации почв, загрязненных фосфорорганиче-скими пестицидами и гербицидами, с помощью микроорганизмов-деструкторов. Для выделения микроорганизмов - деструкторов ФОС был проведен отбор почвенных проб на территориях Московской, Саратовской, Волгоградской и Самарской областей, Краснодарского края. Пробы почвы отбирали возле складов ядохимикатов; на сельскохозяйственных полях, в течение 2-5 лет обрабатываемых глифосатом и другими гербицидами; в окрестностях полигонов, где проводили ликвидацию химического оружия. В ходе лабораторных работ было получено 13 штаммов, осуществляющих деструкцию ФОС путем расщепления прямой С-Р связи. Исследования показали, что эффективность деструкции глифосата и метилфосфоно-вой кислоты штаммами микроорганизмов значительно различается.
Полевые испытания по биоразложению глифосата с помощью микроорганизмов-деструкторов проводили на специально выделенном полигоне. Было показано, что применение микроорганизмов штамма Kg16.......
привело к разложению глифосата в течение 1 месяца на 89%.
Исследования показали, что почва, загрязненная глифосатом, после микробной биоремедиации не обладает интегральной токсичностью и фитотоксичностью, не оказывает токсического действия на лабораторных животных. Таким образом, технология микробиологической биоремедиации загрязненной ФОС почвы экологически безопасна. Внесение микроорганизмов-деструкторов способствовало восстановлению биологических свойств почвы, т.е. ее реабилитации.
На технологию и штамм..................
Kg16 оформлен патент России.
В качестве благотворительной акции в 2010-2011 гг. была проведена очистка восстанавливаемого Знаменского храма в Пензенской области, ранее использовавшегося как склад удобрений и пестицидов. В результате обработ-
ки микроорганизмами внутренних стен, грунта внутри храма и почвы вокруг здания загрязняющие вещества были разложены, исчез запах, а почва стала нетоксичной. Были даны рекомендации по обустройству стен и пола. В настоящее время в храме возобновлено проведение церковных служб.
Разработанная технология микробной
биоремедиации ....... почвы, загрязненной
ФОС, рекомендуется для дальнейшего практического использования.
В соответствии с Международной конвенцией проводятся работы по уничтожению запасов химического оружия и рекультивации загрязненных почв. Во многих странах мира имеются значительные запасы отравляющего вещества — иприта, хранящегося десятилетиями. Кроме того, большую экологическую проблему представляет химическое оружие, затопленное в Балтийском море в период окончания Второй мировой войны. Попадая в окружающую среду, иприт в силу своей токсичности и биоустойчивости длительное время сохраняется в ней и оказывает губительное действие на все живое. Известные технологии уничтожения иприта сложны, неэкономичны, а часто и неприемлемы с позиций экологии, поэтому возникла необходимость разработать экологически безопасную технологию биоремедиации почв, загрязненных продуктами гидролиза иприта (ПГИ), с помощью природных микроорганизмов-деструкторов.
По проекту МНТЦ № 2488 совместно с Санкт-Петербургским научно -исследовательским центром экологической безопасности РАН разработана технология микробной ремедиации почв, загрязненных ПГИ. Был проведен отбор почвенных образцов на территории Краснодарского края, Московской, Саратовской и Ленинградской областей в местах расположения складов ядохимикатов. Отбирали также образцы донных осадков и воды в ходе экспедиционных работ в местах захоронения химического оружия (в том числе иприта) в акватории Балтийского моря на Лиепайском и Борнхольмском полигонах, в проливе Скагеррак.
В ходе лабораторных исследований из почвенных проб были выделены микроорганизмы, способные осуществлять полную или частичную деструкцию продуктов первичного гидролиза иприта, проведен отбор наиболее эффективных и безопасных штаммов.
Затем в полевых условиях была изучена деструктивная способность выбранных штаммов микроорганизмов. На специальном полигоне были подготовлены участки, на которые внесли ПГИ. Загрязненная ими почва обладала высокой интегральной токсичностью и фитотоксичностью. В ходе микробной очистки в загрязненной почве проходила 100% деградация тиодигликоля, в то время как хлор-органические соединения ПГИ подвергались разрушению на 76%. Проведенными токсикологическими исследованиями было установлено, что водные экстракты из почвы после микробной ремедиации не оказывают токсического действия на организм подопытных крыс. Интегральная токсичность и фи-тотоксичность почвы после биоремедиации снижались до безопасного уровня.
В результате проведения комплекса лабораторных и микрополевых исследований была получена ассоциация из 2 штаммов микроорганизмов-деструкторов, способная разлагать в почве тиодигликоль и монохлор-тиодигликоль. На технологию биоремедиа-ции почв и ассоциацию микроорганизмов-деструкторов оформлена Международная патентная заявка РСТ.
Круглогодичная эксплуатация авиационной техники в климатических условиях России невозможна без применения в зимний период специальных антиобледенителей на основе этиленгликоля. Игнорирование этой проблемы приводит к авиакатастрофам и гибели людей. В результате обработки самолетов перед стартом антиобледенителями происходит сильное загрязнение территории аэродрома. При весеннем таянии снега этиленгликоль проникает в почву, поступает в ливневую канализацию аэродрома и затем — в поверхностные водоисточники. Кроме того, при заправке самолетов в почву
попадают авиационный керосин и смазочные масла. Этиленгликоль ядовит, относится к веществам 3-го класса опасности, обладает раздражающим и наркотическим действием (карточка безопасности КОБКООЬ(ТМ) БЬИ 50), при попадании внутрь вызывает отравление, смертельная доза составляет 1,4 г/кг. Таким образом, в настоящее время остро встала проблема экологически безопасной очистки ливневых вод аэродромов, содержащих этиленгликоль и нефтепродукты, а также рекультивации загрязненных почв.
По заказу ЗАО «Домодедово» (г. Москва) в 2012 г. была разработана технология очистки ливневых вод аэродрома на биореакторах с иммобилизованными специальными микроорганизмами - деструкторами, разлагаю -щими этиленгликоль и авиационный керосин.
Разработана оригинальная конструкция биореактора, способная раскладываться внутри труб (различного диаметра) ливневой канализации аэродрома. Принцип работы биореактора основан на микробиологическом разложении химических загрязнителей, находя -щихся в ливневых водах, с помощью специально подобранных штаммов микроорганизмов-деструкторов. Микроорганизмы иммобилизованы на фильтровальной ткани, натянутой внутри конструкции. Разложение загрязнителей происходит как при протекании воды через биореактор, так и после него за счет вовлекаемых в водяной поток микроорганизмов. Особенностью биореакторов является то, что они не оказывают значительного сопротивления току воды.
Из образцов почв, отобранных на территории аэродрома «Домодедово», были выделены микроорганизмы, разлагающие этиленгликоль и авиационный керосин. Организован музей штаммов микроорганизмов-деструкторов. В ходе лабораторных исследований отобраны наиболее эффективные 2 штамма микроорганизмов, разлагающих этиленгликоль, и 1 штамм биодеструкторов авиационного керосина.
На базе виварного комплекса ФГБУН НИЦ ТБП ФМБА России были проведены токсикологические испытания микроорганизмов. Установлено, что по показателям вирулентности, диссеминации, токсичности и ток-сигенности штаммы являются непатогенны-
ми для теплокровных животных и удовлетворяют требованиям, предъявляемым к промышленным микроорганизмам.
Опытно-промышленные образцы биореакторов были установлены 2 октября 2012 г. в трубах ливневой канализации аэродрома «Домодедово». На фильтрующую ткань биореакторов были нанесены микробные суспензии микроорганизмов — деструкторов этиленгликоля и нефтепродуктов.
В декабре 2012 г. при комиссионном отборе ( совместно с представителями аэродрома «Домодедово») проб воды из выпусков было отмечено, что ливневая вода из колодцев перед биореакторами имела сильный запах авиационного керосина. После биореакторов ливневая вода не имела этого резкого запаха. Результаты химического анализа показали, что при прохождении через биореакторы концентрация этиленгликоля в воде снизилась в 40—50 раз до допустимого уровня, а авиационного керосина — в 20 раз до допустимого уровня.
Изучение интегральной токсичности ливневых вод на дафниях в остром эксперименте показало, что вода до биореакторов, содержащая высокие концентрации этиленгли-коля и авиатоплива, высокотоксична для биотестов. После прохождения через биореакторы ливневые воды становятся нетоксичными.
Микробиологический анализ ливневых сточных вод показал, что после биореакторов в ней присутствуют микроорганизмы — деструкторы этиленгликоля. Это означает, что микроорганизмы в течение 2 месяцев прижились в биореакторах и активно размножаются. Они могут длительное время (больше 2 месяцев) сохраняться и размножаться в холодной воде.
Таким образом, разработана технология очистки ливневых вод, загрязненных этилен-гликолем и авиационным керосином, с помощью микроорганизмов-деструкторов, которые нанесены на фильтрующую ткань биореакторов, расположенных непосредственно в трубах ливневой канализации аэродромов.
Заключение
Проводимые нами исследования показывают, что применение природных микроорганизмов-деструкторов и растений, последующее внесение биогумуса позволя-
ют экологически безопасно проводить био-ремедиацию территорий, загрязненных токсичными химическими веществами. При комплексном подходе достигается не только экологически безопасное разложение токсичных поллютантов, но и восстановление плодородия почв. В почве увеличивается содержание гуминовых веществ, восстанавливается ее структура, происходит активизация почвенной микрофлоры и обеззараживание от фитопатогенов. Это подчеркивает значимость и необходимость использования разработанных биотехнологий для решения экологических задач.
Разработанные биотехнологии рекомендуются для практического применения.
Литература
1. Арбисман Я.С., Шпильков П.А., Петро -ва А.А. и др. Вклад биотехнологии в проблему уничтожения отравляющих веществ / / XV Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Минск, 1993. Т. 4. С. 30.
2. Воронин А.М., Сахаровский В.Г., Старо-войтов И.И. и др. Научные основы комплексной экологически безопасной технологии уничтожения иприта // Прикладная биохимия и микробиология. 1996. Т. 32. № 1. С. 61-68.
3. Варфоломеев С.Д., Курочкин И.Н., Рай-нина Е.И. и др. Новый технологический подход к уничтожению химического оружия. Полная биологическая деградация химических боеприпасов // Российский химический журнал. 1995. Т. 39. № 4. С. 20-24.
4. Государственный доклад «О состоя -нии и охране окружающей среды Российской Федерации в 2008 году». Министерство природных ресурсов Российской Федерации [Электронный ресурс] // Экология производства: Научно-практический портал. URL: http://www. ecoindustry.ru/gosdoklad/view/167.html (дата обращения: 18.01.2013).
5. Греков А.П., Веселов В.Я. Физическая химия гидразина. Киев: Наукова думка, 1979.
6. Дворникова Т.П., Гранатская Т.А., Пла-цында В.А. Микробиологическое превращение гербицидов // Взаимодействие пе-
стицидов с микроорганизмами. Кишинев: Штинница, 1984. С. 91-104.
7. Ермаков Е.И., Панова Г.Г. Основы экологически гармоничной биореставрации химически загрязненных почв // Доклады Россельхозакадемии. 2000. № 5.
8. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: МГУ, 1991.
9. Коровин Н.В. Гидразины. М.: Химия, 1980.
10. Петров С.В., Корякин Ю.Н., Завьялова Н.В., Холстов В.И. Биотехнология в решении проблемы уничтожения химического оружия // Российский химический журнал. 1995. Т. 39. № 4. С. 18-20.
11. Петрова З.М., Остапенко Н.С., Бойцова Л.В. Миграция несимметричного диметил-гидразина и его производных при рекультивации загрязненных почв // Почвоведение. 1999. № 12.
12. Пимкин В.Г., Качин В.Г. Методы и средства локализации и обезвреживания КРТ в окружающей среде. СПб.: Изд. РНЦ прикладной химии, 1992.
13. Полихлорированные бифенилы и терфе-нилы. Женева: ВОЗ, 1980.
14. Полихлорированные дибензо-парадиокси-ны и дибензофураны. Женева: ВОЗ, 1993.
15. Продовольственное сырье и пищевые продукты. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. СанПиН 2.3.2.1078-01. М.: Минздрав России.
16. Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ. 1,1 — диметил гидразин. Свидетельство о гос. регистрации. Серия ВТ № 000899.
17. Фомин Г.С., Фомин А.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам: Справочник. М.: Протектор, 2001.
18. Харечко А.Т., Мягких В.И., Остроумов Ю.И. и др. Применение микроорганизмов для деструкции опасных веществ, загрязняющих окружающую среду // Российский химический журнал. 1993. Т. 37. № 3. С. 40-43.
19. Черников В.А., Алексахин Р.М., Голубев А.В. и др. Агроэкология. М.: Колос, 2000.
20.Яковлев А. С., Шульгин А. И., Скворцо-ва И.Н., Павленко Н.В. Микробиологическая диагностика и способ детоксика-ции почв, загрязненных полихлориро-ванными бифенилами / / Почвоведение. 2000. № 12. С. 1515-1519.
21. Abramowiez D.A. Aerobic PCB biodégradation and anaerobic PCB dechlorination in the environment. — 10th Forum in microbiology // Bioremediation: scientific and technological issues. P. 42—46.
22.Anderson W.C. Bioremediation. Water Environment Federation, 1995.
23.Deckwer W.-D., Weppen P. Обзор технологий по санации загрязненной почвы и заброшенных территорий, загрязненных вредными отходами // Chemie Ingenieur Technik. 1987. Vol. 59. № 6. P. 457—464.
24.Degradation of polychlorinated organic compounds // BioCycle. 1994. № 8. P. 29.
25. Fava F., Bertin L. Use of exogenous specialised bacteria in the biological detoxification of a dump site-polychlorobiphenyl-contami-nated soil in slurry phase conditions // Biotechnology and bioengineering. 1999. Vol. 64. № 2. P. 240—249.
26. Fava F., Gioia D.D., Marchetti L. Cyclo-dextrin effects on the ex-Situ bioremediation of a chronically pilychlorobiphenyl-contaminated soil // Biotechnology and bioengineering. 1998. Vol. 58. № 4. P. 345—355.
27. Frische W. The potential of microorganisms for bioremediation // ECB: Proceeding of the 6th European Congress on Biotechnology. 1994. P. 1213—1221.
28.Mulbry W., Rainina E. Biodegradation of chemical warfare agents // ASM News. 1998. Vol. 64. № 6. P. 325—331.
29.Munro N.B., Talmage S.S., Griffin G.D. et al. The sources, fate, and toxicity of chemical warfare agent degradation products //
Environmental Health Perspectives. 1999. Vol. 107. № 12. P. 933-974.
30.Nass L.I. Heat stabilizers // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. N.Y.: John Wiley, 1981. P. 240.
31. PCBs: Cancer dose-response assessment and application to environmental mixtures // EPA/600/P-96/001F. National Center for Environmental Assessment. Office of Research and Development. USEPA, Washington, D.C., September 1996.
32.Pham M.Q., Harvey S.P., Weigand W.A., Bentley W.E. Reactor composition for the biodegradation of thiodiglycol, a product of mustard gas hydrolysis // Applied Biochemistry and Biotechnology. 1996. Vol. 57-58. P. 779-789.
33.Schowanek D., Verstraete W. Phosphonate utilization by bacte rial cultures and enrichments from environmental samples // Applied and Environmental Microbiology. 1990. Vol. 56. P. 895-903.
34.Wackett L.P. Biodegradation of haloge-nated compounds: protein and metabolic engineering // Journal of Cellular Biochemistry. 1995. Suppl. 21a. P. 38.
35.Weber J.B., Mrozek E. Polychlorinated biphenyls: phytotoxicity, absorption and translocation by plants, and inactivation by activated carbon // Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 1997. Vol. 23. P. 412-417.
Контакты:
Жариков Геннадий Алексеевич, начальник отдела экологической биотехнологии ФГБУН НИЦ токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов ФМБА России, доктор биологических наук, профессор.
Тел./факс: 8 (4967) 39-97-38. E-mail: zharikov@freemail.ru
