Успешная биокоррекция

Чтобы понимать текущее состояние биокоррекции, полезно изучить список компонентов, которые были успешно биокорректированы в крупно лабораторном, пилотном, полевом и полномасштабном применении (Табл. 2). Большинство успехов биокоррекции ex situ и in situ связаны с первыми тремя категориями компонентов: углеводороды нефти; бензол, толуол, этилбензол и ксиленовый соединения (сокращенное наименование группы БТЭК); другие химикаты нефтяного типа, например, многоатомные спирты. Постоянно накапливается дополнительная информация и опыт по обезвреживанию и других внесенных в список химикатов.

Данные таблицы 3, рисунков 4 и 5 описывают текущее состояние использования биокоррекции в полевых условиях. Первые четыре технологии, внесенные в список таблицы 3, это технологии будущего, поэтому не вызывает никакого удивления тот факт, что наиболее успешные биокоррективные экперименты до настоящего времени использовали именно эти технологии. Другие внесенные в список технологии являются инновационными или развивающимися технологиями. С 1991 г. биокоррекция была использована приблизительно в 12 процентах случаев чрезвычайных ситуаций, связанных с загрязнением окружающей среды.

Управление по охране окружающей среды США создало базу данных, называемую «Bioremediation Field Initiative» (Инициатива полевой биокоррекции), которая является попыткой собрать воедино примеры использования биокоррекции не только в экстремальных зонах, но также и на других участках. Данные Рис. 4 показывают, что большинство схем биокоррекции находится в стадии разработки.

Хотя биокоррекция наиболее часто применяется к нефтяным углеводородам, теперь также хлорированные растворители, сбрасываемые в сточные воды, и пестициды, подвергаются биокоррекции. Категория "Другие соединения" на Рис. 5 включает компоненты типа нитрированных ароматических соединений (например, тринитротолуол - ТНТ).

Табл. 2.

Примерный список компонентов, которые были биокорректированы.

1. Нефтяные углеводороды (бензин, дизельные топлива, реактивное топливо, масла)

2. Бензол, толуол, этилбензол и ксиленовые (БТЭК) компоненты

3. Спирты, кетоны, эфиры

4. Многоатомные ароматические углеводороды (простые, например, нафталин)

5. Креозот

6. Хлорированные алифатические углеводороды

7. Фторсодержащие углеводороды (например, фреоны)

8. Хлорированные бензолы

9. Полихлорированные бифенилы

10. Фенолы и хлорированные фенолы

11. Нитрированные ароматические соединения

12. Пестициды

Tаблица 3.

Специальный фонд корректирующих действий (1991 бюджетный год США)

Технологии	Количество участков	Процент участков
Перевод в нерастворимую форму/стабилизация	128	26
Сжигание вне участка	85	17
Локальное сжигание	65	13
Другие организационные действия	10	2
Сухая возгонка почвы	84	17
Тепловая десорбция	28	6
Ex situ биокоррекция	25	5
In situ биокоррекция	20	4
In situ отмывка под напором	16	3
Отмывка водными растворами	16	3
Дехлорирование	8	2
Экстракция растворителями	6	1
In situ витрификация (сплавление)	3	<1
Химическая обработка	1	<1
Другие инновации	3	<1
ВСЕГО:	498	100

Чтобы понимать и применять эти процессы более успешно в будущем, мы должны показать окончательно, что благодаря биокоррекции (то есть, биологическим процессам) можно удалять эти химические соединения. Национальный научно-рекомендательный совет по in situ биокоррекции США предлагает пройти три теста для того, чтобы доказать жизненность технологии. Сначала, должно получить зарегистрированное свидетельство о том, что примеси удаляются в полевых условиях. Эта задача относительно легка при наличии в настоящее время доступных образцов и аналитических методов. Во вторых, нужно показать, что организмы на участке или организмы, введенные на участок, в состоянии подвергнуть примеси биотрансформации или биодеградации. Контроль состоит в том, что необходимо пробу почвы с участка доставить в лабораторию и тщательно в тестовых экспериментах установить, что биокоррекция имеет место. В-третьих, наиболее трудное – доказать очевидно, что биокоррекция фактически произошла на данном участке. Для этого можно использовать несколько методов: например, измерить концентрацию микроорганизмов наряду с концентрацией загрязнителя. Если концентрация микроорганизмов увеличивается в то же самое время, как уменьшается содержание примеси, то, вероятно, что организмы проводят биотрансформацию. Можно провести анализ наличия акцептора электронов (например, кислорода). Исчезновение кислорода наряду со снижением содержания загрязнителя явится доказательным свидетельством того, что очистка происходит благодаря биотрансформации.

Биокоррекция наибольшие успехи имела при удалении нефтяных углеводородов даже на Аляске при низких температурах. Собственно, впервые успех был достигнут Ричардом Раймондом в Штате Пенсильвания в 1975 г., где произошла утечка 400 т бензина. Свободный продукт был собран физическими средствами, а биокоррекцию вызвали, добавляя сульфат аммония, как источник серы, и кислород через воздушный разбрызгиватель. Через 10 месяцев взяли пробы почвы с участка и проверили на содержание нефтяных углеводородов: ни один не был обнаружен. По данным основных образцов, взятых на участке, установлено, что концентрация микроорганизмов в почве увеличилась в то время, как углеводороды исчезли, доказывая, что биокоррекция произошла.

Рис. 4. Биокоррекция: современное состояние (данные получены из отчетов Агенства по охране окружающей среды США, 1998 г.):

1 – Предварительная разработка технологии.

2 – Технология в активной разработке.

3 – Технология в испытании.

4 – Технология в рабочем режиме.

5 – Разработка технологи завершена.

Рис. 5. Биокоррекция: очищенные канализационные отходы (данные получены из отчетов Агенства по охране окружающей среды США, 1998 г.):

1 – Нефть.

2 – Вещества, консервирующие древесину.

3 – Растворители.

4 – Пестициды.

5 – Другие соединения.

Второй пример – участок в Калифорнии, где почва и подпочвенные воды были загрязнены нефтяными углеводородами в 1993 г. В почве уровень содержания нефтяных углеводородов колебался от ноля до 1900 ppm и достигал 32 ppm для суммарного содержания бензола, толуола, этилбензола и ксилена (БТЭК). Грунтовые воды по БТЭК были загрязнены более чем на 6000 ppm в то время, как стандарт питьевой воды для бензола, например, является 5 ppm. Грудтовые воды были восстановлены путем их рециркуляции с добавлением источника кислорода, которым служила перекись водорода, хлорида аммония, как источника азота, и триполифосфата, как источника фосфора. В пределах 10 месяцев уровни нефтяных углеводородов и БТЭК в грунтовой воде и почве были понижены до пределов обнаружения. Биокоррекция была подтверждена исчезновением нефтяных углеводородов и БТЭК, совпавшим с исчезновением добавленного питательного вещества для микробов – аммиака, и увеличением концентрации окиси углерода в газах почвы и воде.

Для расширения современного понимания и применения биокоррекции инженерам требуются ответы на несколько вопросов. Они должны знать:

• что делается,

• как это делается,

• кто это делает,

• для чего это делается,

• как быстро это будет сделано,

• можно ли это сделать быстрее и лучше,

• можно ли управлять этим,

• можно ли выдержать стандартвы очистки и

• можно ли предсказать с разумной уверенностью, что произойдет именно то, что желаемо.

Очень важно, что бы мы были способны надежно предсказать успех.

Приведем пример недавней разработки, отвечающей на некоторые из этих вопросов и примененной в полевых условиях для анаэробного биопреобразования перхлорэтилена (CCl₂=CCl₂, ПХЭ; синоним - тетрахлорэтилен). Процесс восстановительной дегалогенизации в анаэробных условиях ПХЭ (сначала до трихлорэтилена – ТХЭ, потом до дихролэтилена – ДХЭ и хлорида винила – известный канцероген, наконец к этану) известен уже более 10 лет. Поскольку удаляется каждый последующий атом хлора, то скорость реакции становится медленнее. Таким образом, менее хлорированные компоненты накапливаются и становятся мало доступными для биодеградации в дальнейшем. Однако, аэробные микроорганизмы с оксигеназными ферментативными системами (например, метан монооксигеназа и толуолдиоксигеназа) могут ко-метаболизировать эти низшие хлорированные компоненты до окиси углерода, хлоридов и других продуктов. Эти аэробные процессы весьма дорогостоящие и имеют собственные проблемы.

Во всяком случае существует наверное возможность полной анаэробной очистки, надежду эту поддерживают работы, проведенные на критическом участке в Cент-Джозефе, штат Мичиган, где было обнаружено пятно ТХЭ в 1992 г. Поскольку была стимулирована биодеградация ТХЭ, его конценттрация снизилась, затем появился ДХЭ, концентрация которого впоследствии начала снижаться и появился хлорид винила появился, содержание которого также впоследствии стало снижаться, в конце концов было зарегистрировано накопление этана. Специалисты из Корнелловского университета, исследуя деградацию ПХЭ при анаэробных условиях с и без образования этана установили, что этот процесс возможен в лаборатории. Европейские ученые показали, что дехрорирование ПХЭ возможно в загрязненных речных осадках до этена и этана. В 1993 г. был выделен из ила микроорганизм, способный использовать ПХЭ или ТХЭ в качестве акцептора электронов для роста. Этот организм дехлорировал ПХЭ и ТХЭ до ДХЭ, а затем другие микроорганизмы преобразовывают ДХЭ в этан.

Эти захватывающие открытия для биокоррекции были применены в полевых условиях в Сент-Джозефе, Мичиган, где было обнаружено пятно ТХЭ, с великолепным конечным результатом. В другом случае в экспериментах полевого масштаба в Виктории, штат Техас, в 1997 г. в почву для стимулирования роста местных организмов были добавлены бензойная кислота и сульфат. В этих условиях аборигенная микрофлора преобразовывала ПХЭ в этен и этан. Пошаговый контроль участков показал, что благодаря биокоррекции произошло необходимое преобразование. Участок, в который внесли бензойную кислоту и сульфат, показывал преобразование ПХЭ в этен и этан в противоположность контрольному участку, в который ничего не было внесено и где содержание ПХЭ не изменялось. Таким образом, последние примеры в технологии биокоррекции показывают, что лабораторные результаты быстро будут перенесены в полевые и крупномасштабные условия.