Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

«Плодородие и экология» (г. Ижевск) для переработки навоза животных, опила, отходов пивоварения, гидролизной промышленности, переработки молока, овощей, фруктов, чая, отходов общепита. Такой мини-производственный комплекс занимает площадь 1,1 м2 при высоте 2 м, перерабатывает сырья в год 4,2 м3 с получением биогумуса 2,9 м3/год, вермикультуры 0,7–5 млн экз./год. Аналогичный микробиозавод для переработки в домашних условиях кухонных отходов (очисток овощей и фруктов, использованной заварки чая, кофе) в вермикомпост имеет следующие технические характеристики:

Глава 4

БИОРЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ

Комплекс мероприятий, направленных на очистку и восстановление свойств природных сред, в частности почв, грунтов, донных осадков, называется ремедиацией. Направление исследований и разработок, связанных с использованием биотехнологий для очистки природных сред, получило название биоремедиации.

4.1.Основные факторы, влияющие на выбор способов ремедиации почв

Впочвах загрязняющие вещества претерпевают различные превращения, в результате которых они могут накапливаться, переходить из одной среды в другую, трансформироваться, распадаться, минерализоваться в абиотических и биотических процессах, полимеризоваться с образованием связанных остатков.

Целью ремедиационных технологий являются контроль и использование всех этих превращений для удаления и обезвреживания загрязнений.

От уровня загрязненности, площади, глубины проникновения и концентрации загрязнения, структуры экосистемы, характера загрязненного ландшафта, фильтрационных свойств пород, типа источника загрязнения (точечный, пло- щадно-диффузный), климатических, гидрогеологических, гидрохимических условий, сроков очистки, требований к срокам очистки и к остаточному содержанию загрязнений, хозяйственного использования земель, технических и финансовых возможностей зависит выбор способов ремедиации, физических, химических, биологических или комбинированных методов.

При концентрации загрязнения на уровне или выше уровня токсичности для живых организмов не могут быть использованы биологические методы.

Вэтих случаях возможно применение физических и физико-химических методов очистки. Биологические методы используются, если содержание поллютанта в среде ниже порога биотоксичности.

Свойства веществ-загрязнителей (состав загрязнений, их химическая структура, растворимость, летучесть, плотность, токсичность, гидрофобность и гидрофильность, полярность молекул, возраст загрязнения) влияют на характер их миграции в подпочвенных горизонтах, с грунтовыми водами, на испарение с поверхности почвы, прочность связывания с почвенными частицами, на их физические, химические превращения, биологическую доступность. Например, при попадании в почву больших масс нерастворимого в воде органического поллютанта результат его распределения в подпочвенных горизонтах в значительной степени зависит от плотности вещества. Если плохо растворимое в воде загрязнение имеет плотность меньше плотности воды (при попадании неф-

Скорость движения гидрофобных органических соединений с грунтовыми водами намного ниже скорости течения воды. Повышение растворимости загрязнений увеличивает их подвижность в зоне, насыщенной влагой (в водовмещающей, фреатической зоне, расположенной ниже зеркала грунтовых вод). Растворимость может быть повышена путем изменения pH почвенных растворов, добавления в грунтовые воды ПАВ, комплексообразователей, кислот, сольвентов. Усилению подвижности может способствовать и деятельность почвенных микроорганизмов, образующих биосурфактанты, изменение гидро- фобно-гидрофильных свойств продуктов первичной биотрансформации.

Рис. 4.2. Схема распределения плотной жидкой неводной фазы (DNAPL) в вадозной и фреатической зонах

В ненасыщенной, вадозной зоне (зоне аэрации, расположенной выше зеркала грунтовых вод) более существенным является свойство летучести. Летучесть может быть повышена путем вентилирования (продувкой воздухом, или его откачкой), продувкой паром. Все эти методы используются в существующих технологиях ремедиации загрязненных почв.

Адсорбция загрязнения на поверхности и в твердой фазе, механическое включение в почву, низкая растворимость и связанные остатки, образующиеся в результате химических реакций, пространственно разделяют и уменьшают по-

верхность контакта сорбированного соединения, физическую и биологическую доступность его для удаления. Положительным следствием ограничения доступности соединения является уменьшение его вредного воздействия на окружающую среду. Отрицательным – возможность повторного появления загрязнения в окружающей среде после проведения очистных мероприятий. Увеличению доступности и скорости деградации ксенобиотика способствует разрушение агрегатов или внесение добавок (поверхностно-активных веществ, хелатирующих агентов), вызывающих десорбцию загрязнения с твердых поверхностей, его растворение, диспергирование.

При протекании природных процессов самоочищения в силу разнородности условий связывания и миграции в первую очередь удаляются легкодоступные загрязнения. По мере увеличения времени контакта загрязнения с почвой возрастает доля загрязнений, прочнее удерживаемых почвенными частицами в результате образования химических связей с почвенной матрицей, изменения в структуре поверхности почвы, образования трудноразрушаемых почвенных агрегатов, адсорбировавших вещество (процесс старения). Поэтому при прочих равных условиях застарелые загрязнения сложнее удалять. С другой стороны, остающиеся загрязнения вследствие инертности, низких скоростей освобождения иммобилизованных и химически связанных остатков, малой подвижности могут не представлять серьезной опасности для окружающей среды. На участках с застарелыми загрязнениями более высока вероятность адаптации биоты к поллютантам, появления организмов, устойчивых к ним, способных трансформировать и разлагать их. Поэтому при застарелых загрязнениях целесообразны методы биологической очистки, основанные на стимулировании активности аборигенных микроорганизмов-деструкторов (метод биостимулирования, см. разд. 4.4.2).

Наиболее важные свойства почвенной среды – типы почв и подстилающие породы, влияющие на распределение поллютантов в загрязненной зоне, на выбор способов ремедиации и их эффективность, фракционный состав (минеральная и органическая составляющие и их структура, почвенные коллоиды, имеющие органическое, минеральное или органоминеральное происхождение), механическая структура, устойчивость к ветровой и водной эрозии, характер растительного покрова, водоудерживающая способность, минеральный состав и содержание обменных катионов, зональность почв, проницаемость, гетерогенность с чередованием водопроницаемых и водоупорных почвенных горизонтов, характер подпочвенных вод, движения грунтовых и поверхностных вод, мощность и распространение водоносных горизонтов, условия питания и разгрузки, водный режим (промывной, непромывной), глубина проникновения, характер миграции и распределения загрязняющих веществ по площади и почвенному профилю, физико-химические условия (температура, влажность, активная кислотность, окислительно-восстановительный потенциал), содержание растворенных веществ в грунтовой воде, органического вещества, газовый режим.

Управляя водо- и воздухопроницаемостью почв, коллоидной стабильностью и мобильностью с помощью таких факторов, как механические воздействия, pH, ионная сила, жидкостная композиция, размер частиц и состояние коллои-

дов и/или загрязнений, можно регулировать скорость миграции загрязнений, переносимых конвективным и облегченным транспортом.

Глинистые почвы, тяжелые суглинки, илистые почвы, солонцы обладают низкой водо- и воздухопроницаемостью и даже при небольших изменениях влажности становятся слишком вязкими и липкими, либо твердыми, плохо поддающимися рыхлению и ремедиации.

Почвы комковатой структуры, черноземы, богатые гумусом, более проницаемы для воды и лучше аэрируются, чем почвы мелкозернистой структуры. Водопроницаемость почв сильно увеличивают кротовины, ходы землероек, корнеходы. Вода по ним практически свободно стекает, а механический состав почвы и ее структура играют в данном случае второстепенную роль. Агрегирование почвенных частиц способствует сохранению и регулированию поступления воды и элементов питания для почвенных организмов, межагрегатные пустоты

ипоры — свободному газообмену с атмосферой, выделению газообразных продуктов.

Высокая катионообменная емкость почв, содержание гумифицированного органического вещества и аморфного неорганического материала (например, гидроксидов железа) способствуют поглощению и накоплению загрязнений. Глины с высокой способностью к набуханию, такие как монтмориллонит

ивермикулит, сорбируют больше загрязнений по сравнению с ненабухающими глинами, такими как иллит и каолинит. В результате ионного обмена и комплексообразования гуминовые кислоты концентрируют тяжелые металлы и радионуклиды в почвах и донных илах. Гумифицированное органическое вещество почв сильнее удерживает и большинство органических загрязнений, особенно гидрофобной природы, поэтому почвы, обогащенные органическим веществом, высокогумифицированные, прочнее связывают и удерживают органические ксенобиотики и тяжелые металлы. Для очистки загрязненных почв с высоким содержанием гуминовых кислот (например, в черноземах) целесообразно применять методы иммобилизации, связывания и обездвиживания загрязнений непосредственно в почве. Это снизит проникновение загрязнений в почвенную воду, организмы и растения и их последующее движение по трофическим цепям питания. Для очистки таких почв могут оказаться эффективными и методы механического фракционирования.

Температура почвы влияет на скорость испарения воды и загрязнений с поверхности почвы, миграцию загрязнений в подпочвенных горизонтах, их содержание в грунтовых водах и почвенном воздухе, на активность биологических процессов. С повышением температуры уменьшаются вязкость подпочвенных растворов с загрязнениями и межфазное натяжение, увеличивается доля почвенных пор, доступных для удаления загрязнений (деконтаминации), повышаются растворимость загрязнения, скорости молекулярной диффузии и конвективного переноса, летучесть загрязнений, усиливается десорбция их с поверхности почвенных агрегатов. Повышение температуры воды в порах и на поверхности агломератов способствует набуханию и размягчению почвенного органического вещества, повышая подвижность и доступность сорбированных соединений.

Применение повышенных температур при очистке – один из приемов увеличения доступности загрязнения, который используется в термических методах ремедиации, ведет к повышению эффективности и ускорению ремедиации участка и снижению затрат на ее осуществление. Положительный эффект от повышения температуры особенно заметен при очистке почв с плохо или непроницаемыми слоями (линзами) глин.

В наибольшей степени температура влияет на биологические процессы. Оптимальная температура для развития большинства микроорганизмовбиодеструкторов 30–37 °С, для психрофильных – 5–15 °С, для термофильных – 60–70 °С. В последнем случае процесс может протекать с большей скоростью, например при компостировании органического материала, загрязненного ксенобиотиками, или при комбинированном методе ремедиации почвы с одновременной отдувкой загрязнений нагретым водяным паром. Нагрев почвенной среды до температуры 80 °С и выше в термических небиологических методах очистки приводит к гибели почвенных организмов, утрате биологических функций почв.

Влажность почвы влияет на подвижность загрязнений, структуру почвенных агломератов. Влажность необходима для протекания процессов биодеградации в почвенных средах. Испарение влаги с поверхности почвы создает условия для восходящего движения (эффузии) загрязнений к поверхности вследствие конвективного переноса. С поверхности влажной почвы органические ксенобиотики испаряются эффективнее, чем с поверхности сухой. Наиболее активно процесс биоремедиации почвы протекает при содержании влаги 60–80% от предельной полевой влагоемкости (ППВ). Влажность менее 40% ППВ существенно снижает скорость биоремедиации. При влажности почвы выше 80–90% ППВ возможно замедление скорости биодеградации, так как перенос кислорода затрудняется, уменьшается интенсивность аэробных процессов, создаются условия для развития аноксичных и анаэробных. При проведении мелиоративных и биоремедиационных работ методами, исключающими выемку почвы, и искусственном создании условий, обеспечивающих оптимальные параметры температуры и влажности, лучшие результаты достигались на почвах с хорошей инфильтрацией, водоудерживающей способностью и имеющих покров, снижающий потери воды от испарения.

От величины pH сильно зависит жизнедеятельность почвенных организмов. Высокая концентрация водородных ионов в почвенном растворе угнетает растения и микроорганизмы. Оптимальный pH среды для большинства бактерийдеструкторов находится в интервале 6–8, для грибов-деструкторов – от 4 до 6.

Активная кислотность в значительной степени определяет скорость миграции тяжелых металлов, радионуклидов, заряженных молекул растворимых органических ксенобиотиков. Это важный параметр, влияющий на адсорбцию, обмен ионов, доступность их растениям, окислительно-восстановительные реакции, комплексообразование, осаждение, выщелачивание подстилающих пород, структурные характеристики почвы и почвенных коллоидов, которые напрямую или опосредованно влияют на скорость многих абиотических и биологических процессов трансформации. Низкий pH способствует миграции ио-

нов железа и алюминия, катионогенных тяжелых металлов и радионуклидов, высокий pH – миграции анионогенных элементов. В регулировании pH грунтовых вод и почвы важную роль играет содержание карбонат-бикарбонатных ионов в среде. В нейтральных и слабощелочных средах, где карбонатная система служит рН-задающей, pH меняется в интервале 6,0–8,5.

Окислительно-восстановительный потенциал Eh (редокс-потенциал) зависит от содержания кислорода и протекания окислительно-восстановитель- ных реакций с участием соединений азота, серы, углерода, ионов железа в почвенной среде и влияет на миграцию таких загрязнений, как тяжелые металлы, радионуклиды. Чем больше концентрация растворенного кислорода в воде, тем выше Eh. Низкий Eh способствует протеканию аноксигенных и анаэробных процессов деструкции ксенобиотиков, накоплению восстановленных ионов: NO2–, NH4+, Fe2+, Mn2+, отложению сульфидов металлов.

Скорость миграции многих химических элементов и органических загрязнений зависит от содержания растворенных органических и минеральных веществ в грунтовой воде. Растворенное органическое вещество в виде фульвокислот и других соединений способствует миграции металлов. Грунтовые воды почв, бедных гумусом, но содержащих много фульвокислот в гумусе (кислые почвы, подзолистые, торфяники, заболоченные), высокоцветные. В таких почвах тяжелые металлы мигрируют интенсивно. Для очистки их целесообразно применять методы мобилизации, вымывания загрязнений из почвы.

Содержание в почвах солей связано в первую очередь с климатическими условиями и соленосностью почвообразующих и подстилающих пород. Это влияет на адсорбцию загрязнений на поверхности почвенных частиц, особенно минералов глин, структуру коллоидов. В верхних горизонтах почвенного покрова соли могут накапливаться в результате подъема с грунтовыми водами, потребления растениями воды (десукции) и испарения (эвапорации). Соли могут привноситься с поверхностным потоком, при затоплении морем, при поливе минерализованной водой. Накопление солей приводит к засолению почв, препятствует росту растений, используемых для биоремедиации. При засолении полив должен обеспечивать вымывание солей из почвы при соответствующей системе дренажа для сбора и отвода насыщенной солями воды.

При проведении биоремедиации важно учитывать такие факторы, как доступность акцепторов и доноров электронов или косубстратов для биоты, кислородный режим, наличие биогенных элементов и формы, в которых они находятся в среде, общая биологическая активность и санитарно-гигиеническое состояние почв, состав почвенных ценозов и интродуцируемых при биоремедиации организмов или их сообществ, перенос загрязнений с живыми организмами и по трофическим цепям питания.

Использование загрязняющего субстрата микроорганизмами сопряжено с потреблением окислителя (акцептора электронов) либо восстановителя (донора электронов). Дефицит их или одного из них в среде может снижать активность биодеструкции. В аэробных условиях в качестве окислителя выступает кислород воздуха, в аноксичных – NO3–, SO42–, Fe(III), Mn(IV) и др. Так, в процессе денитрификации микроорганизмами могут окисляться такие соединения,

как толуол, ксилол, фенол. Однако скорости протекания аноксичных процессов и спектр окисляемых загрязнений, как правило, ниже по сравнению с процессами, в которых в качестве акцептора электронов выступает молекулярный кислород. Бензол и алканы, в частности, нитратами не окисляются. Поэтому при биоремедиации сред, загрязненных углеводородами, необходимо поступление кислорода воздуха в очищаемую среду.

Восстановленные неорганические соединения (H2, NH4+, NO2–, сульфиды металлов, H2S, Fe2+, Mn2+ и др.) участвуют в энергетическом обмене в качестве донора электронов. Однако в больших концентрациях (за исключением использования молекулярного водорода) они выступают как контаминанты, что ограничивает их применение. Эти соединения можно использовать в системах биологической деструкции в тех случаях, когда деградация ксенобиотика возможна в анаэробных или аноксичных условиях. Например, обезвреживание полихлорированных соединений может быть осуществлено в анаэробном процессе дехлорирования. В данном случае они могут выступать в качестве акцепторов электронов, если в среде есть подходящие соединения-доноры. В аналогичных условиях обезвреживаются и соединения с большим числом нитрогрупп в молекуле. Водород эффективно восстанавливает многие соединения, и его применение при удалении загрязнений более приемлемо с экологической точки зрения. В качестве доноров электронов могут выступать и гуминовые кислоты, например, при биодеградации хлорорганических соединений в анаэробных условиях. Гуминовые вещества могут быть и акцепторами электронов.

При аэробном разложении загрязнений в условиях затрудненного поступления воздуха кислород часто является лимитирующим фактором. Биологические процессы не лимитируются при содержании кислорода в водной среде выше 2–3 мг/л, т. е. при 20–40% от концентрации насыщения. Растворенный кислород быстро восстанавливается органическими веществами, поэтому в зоны загрязнения целесообразно подавать воздух или насыщенную кислородом промывную воду. Второй вариант менее эффективен вследствие низкой растворимости кислорода в воде. Скорость доставки кислорода к загрязненным участкам можно повысить, используя чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом, озон, пероксиды.

При биостойкости, биотоксичности и небольшой концентрации в среде органических ксенобиотиков их биологическое разрушение может происходить в режиме кометаболизма при внесении в почву дополнительных источников углерода и энергии, например, таких органических субстратов, как подстилочный и жидкий навоз, солома, свежие растительные остатки, компосты. Внесение бифенила стимулирует рост микроорганизмов, способных разлагать полихлорированные производные бифенила. При очистке почв от растворителя трихлорэтилена в качестве дополнительного субстрата используется метан.

Рост организмов в природных средах часто ограничивается дефицитом биогенных элементов, азота и фосфора. Сера, калий, магний и другие микроэлементы обычно содержатся в количествах, достаточных для нормального функционирования биоты. Поэтому при проведении биоремедиационных работ контролируют в первую очередь содержание азота и фосфора, не допуская их де-

фицита и переизбытка. Необходимое соотношение углерода загрязнения, азота

ифосфора при использовании микроорганизмов-деструкторов в природных условиях составляет ориентировочно 100–500 : 10 : 1. Дополнительное внесение минерального питания требуется при биоремедиации песчаных и супесчаных почв, разложении больших масс контаминантов, бедных биогенными элементами.

Большие сложности в снабжении питанием микроорганизмов возникают при биоремедиации глинистых почв. Технологии биоремедиации малоэффективны на глинистых почвах. Для таких случаев предложен электрокинетический метод, при котором биогенный элемент или акцептор электронов мигрирует в результате создания разности электрического потенциала между источником необходимого элемента и зоной его доставки (см. разд. 4.3.2.6).

Переизбыток биогенных элементов, особенно азота, может приводить к подавлению некоторых биологических процессов в почве, например азотфиксации, к резкому сдвигу рН почвы, влиять на численность биоценозов и их состав, приводить к накоплению токсичных продуктов вследствие неполного окисления загрязнений, увеличивать численность в кислых средах в почвенных биоценозах низших токсинобразующих грибов, усиливать поражение растений корневыми гнилями. Это приводит к вторичному загрязнению почвы и нарушению экологического равновесия в очищаемой среде. Исходя из этого при биоремедиации целесообразно вносить удобрения дробно или использовать удобрения пролонгированного действия, например мочевину или мочевину, дражированную биоразлагаемыми полимерами. При внесении удобрений важно учитывать форму внесения удобрений, особенно азота и фосфора. Аммонийный азот прочнее удерживается в почве, чем нитратный; возможны потери азота нитратов в результате денитрификации и улетучивания в атмосферу в виде молекулярного азота или закиси азота. Фосфор усваивается микроорганизмами в виде водорастворимых фосфат-ионов. В составе нерастворимых фосфатов кальция, в виде полифосфатов и в составе нуклеиновых кислот он труднодоступен для почвенных микроорганизмов и растений.

От биологической активности почв зависит выбор метода биологической очистки: метод аугментации (применение биопрепаратов, привнесение биологических объектов, микроорганизмов-биодеструкторов, см. разд. 4.4.3) или метод, основанный на активизации жизнедеятельности аборигенной микрофлоры (см. разд. 4.4.2). В целом скорость деструкции ксенобиотиков повышается при увеличении численности почвенной микрофлоры, играющей ведущую роль в трансформации и разложении загрязнений, и зависит от доступности субстрата

ифизико-химических условий в почве. Почвы с низким содержанием гумуса характеризуются и низкой численностью микрофлоры, поэтому их биоремедиация наиболее эффективна при использовании способа аугментации. В сухих почвах или почвах, содержащих питательные вещества в виде локальных микроагрегатов, к хорошим результатам может привести использование мицелиальных грибов, поскольку мицелиальный рост обеспечивает лучший доступ организма к таким микроагрегатам.

Метод аугментации более эффективен для очистки зон с незастарелыми загрязнениями, когда аборигенная микрофлора еще не адаптировалась к окис-