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

Для исследования миграции грунтовых вод часто используют трейсеры – инертные химические вещества (обычно KBr), вводимые в грунтовые воды и позволяющие оценить направления предпочтительной миграции грунтовых вод с загрязнениями, привлекаются методы математического моделирования.

Уменьшение концентрации загрязнений в среде, определяемое по градиенту ниже и на разном удалении от источника загрязнения, не всегда свидетельствует о протекании процессов самоочищения, поскольку может быть обусловлено лишь разбавлением загрязнений. Для оценки самоочищения определяется суммарная масса ключевых контаминантов в потоках грунтовых вод (по результатам измерения концентраций загрязнений, объемов контаминированных зон, скорости движения грунтовых вод). Количественная характеристика идущих процессов часто бывает затруднена из-за медленной скорости самоочищения.

В природных почвенных средах естественная деградация органических поллютантов происходит в основном биологическим путем. Процессы самоочищения могут лимитироваться отсутствием или незначительным количеством почвенной микрофлоры, способной разлагать загрязнения, а также недостаточным количеством акцепторов электронов (кислорода, нитратов, сульфатов и др.), доступных питательных элементов (соединений азота и фосфора), физико-химическими условиями (температурой, pH, Eh, влажностью), механической структурой почв и условиями массопереноса. В зависимости от доступности кислорода, величины Eh в среде могут протекать аэробное окисление, денитрификация, восстановление соединений Fe(III), сульфатредукция, метанообразование – процессы, в которые загрязнения могут вовлекаться или не вовлекаться в зависимости от химических свойств. Например, углеводороды могут разлагаться только в присутствии кислорода, хлорорганические растворители – в аноксичных или анаэробных условиях, способствующих восстановительному дегалогенированию. Поэтому при использовании способа самоочищения большое внимание уделяется не только мониторингу загрязнений, но и мониторингу условий, способствующих протеканию биотрансформации

ибиодеградации, определению общей биомассы почвенных микроорганизмов

имикроорганизмов-деструкторов, субстратов, доноров и акцепторов электронов, биогенных элементов и продуктов реакций, по содержанию которых можно судить о протекании процессов биодеградации. Так, по численности почвенных микроорганизмов можно оценить способность почв к самоочищению. Количество микроорганизмов практически обратно пропорционально времени разложения загрязнений и может служить количественным критерием самоочищающей способности почв. Показателями самоочищающей способности в почвенной системе и уровня загрязненности могут служить:

уровень дыхания;

микробный метаболический коэффициент qCO2, представляющий собой отношение дыхания почвенных микроорганизмов к их биомассе;

величина опадно-подстилочного коэффициента — отношение запасов органического вещества в подстилке к растительному веществу в годичном опаде. Величина этого коэффициента отражает гидротермические

условия почв, а значит, и интенсивность протекания биологических процессов и связанных с ними процессов самоочищения почв от загрязнений.

Наряду с потреблением О2 об активности самоочищения свидетельствуют и скорость удаления других акцепторов электронов из контаминированной зоны или изменение концентрации восстановленных акцепторов электронов (например, ионов Fe2+ в грунтовой воде, образовавшихся в результате восстановления Fe3+, нитритов, образовавшихся из нитратов в результате денитрификации), присутствие продуктов деградации (например, Cl–, образовавшегося в результате анаэробного дегалогенирования хлорированных растворителей).

Может быть использован и изотопный анализ отношения 13С/12С в оставшейся фракции загрязнения, который уменьшается в процессе биодеградации. Зная или замеряя исходное соотношение изотопов в наиболее контаминированной зоне, являющейся источником распространения загрязнения, и в точке отбора на удалении от источника, можно определить вклад биологических процессов в самоочищение независимо от процессов разбавления и рассеивания.

Недостаток метода природного истощения – медленное протекание процессов и соответственно длительность очистки. Так, например, при деградации высокохлорированных соединений (перхлорэтилена, трихлорэтилена, полихлорированных бифенилов, гексахлорциклогексана и др.) требуется последовательное протекание биологических процессов в анаэробных и аэробных условиях, что труднореализуемо в природных средах.

Получение обоснованной оценки риска, распределения контаминированных зон, степени и времени очистки может потребовать организации обширной мониторинговой сети с большим количеством анализируемых проб и мест их отбора.

Бурение большого числа мониторинговых колодцев может приводить к дальнейшему распространению загрязнения, что также надо учитывать при оценке потенциала природного истощения.

4.4.2. Биостимулирование in situ

Биостимулирование – активная in situ биоремедиация, предусматривает активизацию жизнедеятельности природного сообщества (аборигенной микрофлоры и/или растений) путем создания оптимальных условий окружающей среды (физико-химических условий, обеспечение донорами и акцепторами электронов, компонентами питания, дополнительными субстратами).

Биостимулирование может осуществляться in vitro. В этом случае из места загрязнения выделяется естественная (аборигенная) микрофлора почвы или воды. Выделенные микроорганизмы культивируются в биореакторах, в ферментерах, для увеличения их количества, повышения их биоремедиационных возможностей, а затем вносятся в место загрязнения.

Для удаления органических загрязнений из подпочвенных сред часто достаточно активизировать жизнедеятельность аборигенных микроорганизмовдеструкторов, разлагающих соединения в аэробных условиях непосредственно

Рис. 4.25. Биоремедиация с использованием метода промывки

в месте их обитания. Обычно активность биодеструкторов лимитируется дефицитом кислорода, и при доставке в зону загрязнения необходимого количества воздуха биологическое разложение загрязнений ускоряется. Это возможно при использовании методов интенсификации конвективного транспорта, рассмотренных ранее, когда в среду подают воду, насыщенную кислородом воздуха (метод промывки, рис. 4.25), или воздух путем нагнетания его или откачки газовой среды под вакуумом. В процессе миграции с промывной водой или почвенными газами происходит биологическое окисление загрязнений.

Рис. 4.26. Промывка почвы с дополнительной обработкой промывной воды на биофильтре

Для интенсификации микробиологических процессов промывная вода может не только насыщаться кислородом, но и обогащаться биогенными элементами. Интенсивная прокачка воды способствует и массопереносу загрязнений, десорбции и вымыванию с поверхности почвенных частиц, повышает их биодоступность. После удаления из отработанной промывной воды остатков неразложившихся и не полностью минерализованных загрязнений, вода вновь насыщается кислородом, обогащается питательными элементами и повторно используется в процессе (рис. 4.25, 4.26).

Для увеличения биодоступности малорастворимых в воде и сорбированных органических загрязнений могут быть использованы поверхностно-активные вещества («сурфактант-усиленная биоремедиация», см. рис. 4.13), которые либо вносятся в места загрязнения, либо продуцируются микроорганизмами in situ. Возможно также внесение в промывную воду комплексонов и других добавок, способствующих повышению подвижности загрязнений. При этом добавки не должны отрицательно влиять на биологические процессы почвы, почвенную микрофлору.

ПАВ могут повышать биодоступность соединения в результате солюбилизации и включения в мицеллы, облегчать транспорт веществ внутрь микробных клеток, но могут приводить и к десорбции гидрофобных загрязнений с поверхности клеток микроорганизмов, токсично действовать на микроорга- низмы-деструкторы, разрушать клеточные мембраны и в конечном результате приводить к снижению скорости биодеструкции. Клетки могут неодинаково взаимодействовать с растворенным, солюбилизированным в составе мицелл загрязнением или его неводной фазой. При умеренном воздействии ПАВ при содержании сурфактанта в промывной воде ниже ККМ повышенная проницаемость клеточной мембраны может увеличить скорость диффузии гидрофобного вещества в клетку. При концентрации ПАВ выше ККМ возможен лизис клеток. Возможно также ингибирование синтеза микробных сурфактантов, обеспечивающих потребление загрязнений клетками. Изменение адгезионных свойств микробных клеток к частицам почвы в результате действия ПАВ может приводить к изменению физико-химических характеристик среды обитания и видового соотношения микроорганизмов биоценоза. Практический опыт показал, что из различных сурфактантов более эффективны анионогенные и неионогенные при концентрации в промывных растворах ниже ККМ. Однако показана большая практическая сложность в подборе необходимой рецептуры ПАВ и режимов промывки, позволяющих существенно повысить скорость биодеструкции, контролировать мобильность загрязнения, не влияя отрицательно на почвенную биоту, и уменьшить риск миграции загрязнения за пределы зоны его локализации.

Для снижения риска вторичного загрязнения окружающей среды внесенными ПАВ все большее применение находят биосурфактанты или биоэмульсификаторы, продуцируемые микроорганизмами. Био-ПАВ уже используются в нефтедобыче для более полного извлечения нефти из пластов, ускорения темпов разработки нефтяных месторождений, процесса бурения скважин, защиты нефтяного оборудования от коррозии, уменьшения гидравлических потерь при

транспорте нефти и т. п. Значение био-ПАВ при биоремедиации почв, в частности загрязненных нефтью и нефтепродуктами, ПАУ, ПХБ, определяется их биодеградируемостью, нетоксичностью, совместимостью с микроорганизмами, которые продуцируют их непосредственно в зоне биоремедиации.

Микроорганизмы синтезируют различные био-ПАВ (гликолипиды, липопротеины, липопептиды, фосфолипиды, нейтральные липиды и жирные кислоты). К числу наиболее активных микробных продуцентов сурфактантов относятся углеводородокисляющие микроорганизмы почв, в частности бактерии Pseudomonas aeruginosa, синтезирующие рамнолипиды.

Для ускорения биодеструкции наряду с ПАВ могут использоваться и другие добавки. Удаление из почв таких хлорорганических растворителей, как ПХЭ и ТХЭ, можно ускорить (в десятки раз), используя добавки этанола (концентрация этанола в промывной воде около 10 г/л). Этанол не только способствует повышению растворимости и доступости этих загрязнений микроорганизмам, но и выступает в качестве донора электронов при микробиологическом восстановлении хлорорганических соединений.

При анаэробных условиях этанол метаболизируется до ацетата или CO2 с одновременным образованием водорода:

В почвенной среде на дехлорирование ПХЭ идет лишь незначительное количество добавленного этанола. Остальное вовлекается в сопутствующие процессы метаногенерации и рассеивания.

Для очистки сред, загрязненных тяжелыми металлами, радионуклидами, некоторыми ксенобиотиками гидрофобной природы, в частности ПАУ, эффективным может быть добавление хелатирующих агентов: синтетических (ЭДТА и др.) и природных.

Например, природный комплексообразователь – -циклодекстрин, может использоваться для очистки почвы, загрязненной тяжелыми углеводородами. Циклодекстрин образует комплексы с углеводородами и десорбирует их из почвенной матрицы, повышая их биодоступность и уменьшая токсичность. При применении циклодекстринов время очистки почвы сокращается в 2 раза.

Подвижность тяжелых металлов и радионуклидов в почве может быть повышена при добавлении водорастворимых высокомолекулярных носителей, аналогичных по свойствам природным фульвокислотам, которые могут связывать металлы. Для использования в ремедиации такие носители должны иметь высокое сродство к веществу-загрязнителю, не адсорбироваться на поверхности почвенных частиц, диспергироваться и быть подвижными в почвенной среде, не агрегировать и не задерживаться на их пути через пористую среду, иметь вы-

ные почвенные горизонты, инжекционные или экстракционные скважины, инфильтрационные штольни или траншеи. Движение воздуха (кислорода) стимулирует жизнедеятельность почвенных микроорганизмов-деструкторов и обеспечивает миграцию летучих загрязнений вверх в зону дерна и корней, в зону наибольшей активности микроорганизмов. Обеспечение микробиологической активности в зоне дерна и корневой ризосферы является главным в технике биовентилирования.

При слишком сильном потоке воздуха может наблюдаться повышенный унос летучих загрязнений в атмосферу, поэтому способ биовентилирования наиболее приемлем для удаления умеренно летучих загрязнений, таких как дизельное или реактивное топливо и остатки застарелой нефти, хлорорганические растворители.

Отработанный воздух может дополнительно очищаться на каталитических инсинераторах, фильтрах или биофильтрах.

Для стимулирования активности микробиологических процессов деградации загрязнений in situ необходимым является контроль влажности почвы в вадозной зоне. Нагнетаемый в подпочву воздух может увлажняться, обогащаться кислородом, газообразным аммиаком (как источником азота для микроорганизмов). Повышению биологической активности способствует и умеренный нагрев нагнетаемого воздуха.

Для некоторых непроницаемых почв, в частности глинистых и заиленных, разработаны методы, позволяющие повысить пористость почвы для обеспечения большей их воздухопроницаемости. Для этих целей можно использовать напорный гидравлический поток под давлением или напорный поток воздуха под давлением с последующим биовентилированием.

К преимуществам методов биовентилирования и близких им методов биобарботирования и откачки жидкой фазы под вакуумом с биодеструкцией можно отнести:

использование легкоустанавливаемого доступного оборудования;

возможность использования в труднодоступных местах (например, под зданиями);

конкурентоспособность по затратам (45–140 долл. за 1 т загрязненной почвы);

относительно небольшие сроки очистки, обычно от 6 мес до 2 лет при оптимальных условиях;

легкая комбинируемость с другими методами;

возможность не обрабатывать отдуваемые газы, что ведет к существенной экономии затрат.

К недостаткам относятся:

возможность присутствия высоких концентраций загрязнений в экстрагируемом потоке, токсичных для микроорганизмов;

способ не эффективен на участках с низкой проницаемостью почвы, высоким содержанием глины; не всегда могут быть достигнуты требования к остаточному содержанию

загрязнений в почве и грунтовых водах;

при большом избытке кислорода возможно биообрастание, биозагрязнение инжекционных колодцев, что приводит к ухудшению проницаемости колодцев и закупорке обводненных горизонтов для дальнейшей аэрации. Дополнительные проблемы вызывает закупоривание подповерхностных геологических формаций железосодержащими осадками в результате окисления Fe2+ до Fe3+ и последующего образования оксигидроксидов железа (III) или других нерастворимых минералов железа.

Интенсивность биологического окисления поллютантов в ряде случаев может лимитироваться недостаточным нагнетанием воды, насыщенной кислородом воздуха, или воздуха в подпочвенные слои. Скорость поступления кислорода к загрязненным участкам может быть повышена при использовании чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом, озона, пероксидов или других веществ – переносчиков кислорода. При использовании растворенного в воде кислорода, равновесное содержание которого относительно воздуха при нормальных условиях составляет около 8 мг/л, для окисления в почве 1 кг углеводородов потребовалось бы 400 м3 воды; при аэрации чистым кислородом – 80 м3. Пероксиды высвобождают чистый кислород и увеличивают содержание его в воде до 40 мг/л. Расход растворов при использовании кислорода пероксидов (пероксидов водорода или металлов) – наименьший (при концентрации 500 мг/л в пересчете на H2O2 – 13 м3).

Полевые испытания ремедиации с добавлением в нагнетаемую воду пероксида водорода показали сохранение активности почвенной микрофлоры при биодеградации таких веществ, как бензин, хлорированные углеводороды и ароматические соединения. Для снабжения кислородом в качестве стартовых условий в почвенных средах используют H2O2 в концентрации 100–1000 мг/л.

Применение реагентов с повышенной окислительной способностью сдерживается высокой стоимостью и быстрым их распадом, сложностью технологии применения, возможностью побочных процессов окисления органических веществ среды и токсичностью для микрофлоры растворов с высокой концентрацией оксидантов. С целью повышения эффективности доставки кислорода были разработаны кислородгенерирующие соединения на основе материалов, содержащих пероксид магния или кальция, которые позволяют обеспечивать контролируемую пролонгированную подачу кислорода в результате разложения пероксида при помещении в скважину в виде пастообразной массы.

Пероксид магния освобождает кислород при гидратации в соответствии со следующей реакцией:

Оба соединения магния, участвующие в реакции, безопасны для человека и окружающей среды. В медицине они используются как нейтрализаторы кислотности (гидроксид магния известен как магнезиальное молочко).

Кислородгенерирующий материал на основе пероксида магния включает кристаллы собственно пероксида магния, интеркалированного с фосфатами пищевой чистоты. Последние обеспечивают необходимую замедленную ско-

рость реакции для высвобождения кислорода в природной среде, ингибируя проникновение воды в кристаллическую структуру пероксида магния. Скорости проникновения воды и образования кислорода зависят, главным образом, от концентрации фосфата и способа интеркалирования фосфатов в кристаллы пероксида магния при формировании материала. Одновременно фосфаты предотвращают образование низкопроницаемого покрытия из гидроксида магния, ограничивающего проникновение воды в глубь кристалла и освобождение доступного кислорода по мере того как вода реагирует с неинтеркалированным MgO2. Кислород высвобождается в течение 4–12 мес.

Такой кислородгенерирующий материал выпускается в виде порошка и может храниться в холодных сухих условиях в специальной таре от 9 до 24 мес без риска существенного разложения. При использовании он смешивается с водой и образует суспензию, которая инжектируется с помощью нагнетательных устройств. Порошок или суспензия могут быть также внесены через пробуренные скважины в виде «фильтрующего чулка», цепочки сцепленных мешочков из специальной фильтрующей ткани, загруженных в скважины или штольни на всю длину загрязненной зоны. При контакте с грунтовыми водами происходит высвобождение кислорода. При полном разложении порошка такой «чулок» может быть легко заменен.

Аналогичными свойствами обладает пероксид кальция. Композиции на основе CaO2 обычно содержат 30–70% по массе основного вещества, а также CaCO3 и/или Ca(OH)2 в смеси с натуральными связующими и наполнителями. В промышленности CaO2 получают обработкой Ca(OH)2 50% пероксидом водорода или из октагидрата CaO2 · 8H2O, который, в свою очередь, образуется обработкой CaCl2 3% раствором H2O2 в присутствии аммиака.

Обработка с кислородгенерирующими материалами пролонгированного действия позволяет существенно снизить затраты на очистку почв и грунтовых вод методами биостимулирования in situ, загрязненных, в частности, нефтью и нефтепродуктами, BTEX-соединениями, метилтретбутиловым эфиром, спиртами, кетонами, и устранить основную массу загрязнений в течение одного года. Пероксиды могут быть использованы и при ex situ биоочистке почвы. Однако они не должны использоваться в средах, обладающих высокой каталитической или восстановительной активностью по отношению к пероксидам. Смешивание таких сред с пероксидами может привести к быстрому распаду последних, увеличению давления, что небезопасно. Стоимость материала на основе MgO2 — около 20 долл. за 1 кг.

Недостатком метода является повышенный расход кислорода и соответственно кислородгенерирующего материала при взаимодействии с неорганическими восстановленными соединениями, присутствующими в матрице почвы.

Другой способ доставки кислорода может быть реализован с помощью специальных веществ – переносчиков кислорода. В биотехнологии, в частности в процессах культивирования микроорганизмов, для этих целей апробированы эмульсии фторированных углеводородов (перфторанов), а также некоторые комплексные соединения. Для деконтаминации почв предложены переносчики кислорода на основе неионогенных ПАВ – блоксополимеров окисей этилена

и пропилена, а также ионогенных ПАВ, содержащих аминогруппы. Показано, что применение таких переносчиков позволяет очищать почву от нефти и нефтепродуктов при их концентрации, превышающей предельную в 2,5–4 раза, а также сокращать продолжительность процесса биодеградации в 1,5–2 раза.

Ускорить разложение ряда загрязнений возможно также, вводя в подаваемый воздух дополнительные органические источники углерода или используя загрязнение в качестве акцептора электронов (в реакциях дегалогенирования, восстановления нитрогрупп).

В аэробной среде многие низкомолекулярные алканы, алкены и их замещенные производные окисляются в условиях кометаболизма. Этот процесс протекает особенно эффективно при участии метанокисляющих микроорганизмов. Окисление метана осуществляется при участии ферментной системы – метанмонооксигеназы, которая синтезируется метанокисляющими бактериями. Метанмонооксигеназа катализирует превращение метана в метанол:

Метанол под действием метанолдегидрогеназы окисляется в формальдегид, который вовлекается как в анаболические, так и катаболические процессы. Формиат окисляется до CO2:

В зависимости от вида микроорганизмов и условий их роста у метанотрофов могут функционировать две метанмонооксигеназы: растворимая цитоплазматическая и нерастворимая, связанная с мембраной. Растворимая метанмонооксигеназа не обладает субстратной специфичностью и одновременно с метаном соокисляет его гомологи (этан, пропан, бутан и др.), алкены, ароматические соединения и их хлорированные аналоги, а также окисляет NH3 до NH2OH.

Из хлорзамещенных производных этилена активно соокисляются метанотрофами дихлорэтилен и трихлорэтилен. Перхлорэтилен и винилхлорид также соокисляются, но со значительно меньшей скоростью. Аэробная кометаболическая биодеградация ТХЭ метанотрофами протекает через образование эпоксида с последующей спонтанной деградацией эпоксида до легкоутилизируемых интермедиатов, которые могут быстро метаболизироваться другими гетеротрофными микроорганизмами.

ТХЭ, ДХЭ, винилхлорид, 1,1,1-трихлорэтан способны аэробно кометаболизироваться и при окислении таких органических субстратов, как фенол, толуол, пропан, этилен, а также ионов аммония.

При ремедиации вадозной зоны методом вентилирования можно вводить в нагнетаемый воздух наряду с кислородом дополнительные ростовые субстраты, такие как метан, пропан, бутан, этилен. Наиболее эффективным является циклический режим подачи субстратов – с перерывами, во время которых микроорганизмы переключаются на потребление хлорированных соединений без существенного снижения своей активности. Длительность цикла составляет