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

рода, реактив Фентона, озон, мягкое ультрафиолетовое излучение, ионизирующая радиация. Воздействие этих абиотических факторов может активировать соединения, трудно поддающиеся биологической деградации, повысить их биодоступность. Образующиеся продукты окисления могут затем использоваться микроорганизмами как источник питания и энергии, завершая таким образом детоксикацию ксенобиотиков.

Одновременное совмещение химических, фотохимических и биологических процессов при обработке контаминированного материала в едином объеме и с участием O2, H2O2, свободных радикалов и других реакционноспособных частиц (активных форм кислорода, АФК), а также ионов металлов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cu) может лежать в основе создания гибридных методов очистки. В них до некоторой степени воспроизводятся процессы самоочищения в природных средах, протекающие на освещенных солнечным светом поверхностях, в неглубоких водоемах (фотохимические и биологические процессы), в толще водных и почвенных сред (процессы химического гидролиза

ибиодеструкции соединений, химического и биологического окисления), при включении остатков соединений в природные полимеры (в результате химического и биологического катализа), деструкции полимерных материалов (при

протекании автокаталитических реакций с участием кислорода, H2O2 и ферментов грибов). Технологически, экономически и экологически наиболее приемлемым в таких гибридных процессах и методах является использование пероксида водорода

имикроорганизмов, адаптированных к его окислительному действию. H2O2 присутствует в природных средах в концентрациях 10–6–10–4 моль/л и выполняет важную роль в трансформации веществ и процессах самоочищения, окисляя органические соединения самостоятельно или в присутствии катализаторов – солей железа (II) или железа (III), марганца, меди. Он образуется в ходе аэробного дыхания как побочный продукт окисления органических веществ, участвует во многих ферментативных реакциях и, возможно, в регуляции метаболизма у различных организмов (см. раздел 1.4.6, с. 145–147).

Поскольку большие дозы активных химических окислителей, таких как

H2O2, угнетают жизнедеятельность и вызывают гибель живых организмов, в гибридных процессах биологической очистки и биоремедиации необходимо использовать небольшие, оптимальные дозы АФК и популяции организмов, адаптированные к действию АФК. Так, в присутствии относительно небольших концентраций пероксида водорода и при использовании активного ила, адапти-

рованного к H2O2, в ряде случаев наблюдается улучшение показателей очистки загрязненных водных сред.

Наряду с использованием микроорганизмов, устойчивых к H2O2, показана возможность применения ферментных систем, способных окислять некоторые органические токсиканты. В частности, под действием пероксидазы хре-

на в присутствии H2O2 фенольные соединения окисляются до полифенолов, не растворимых в воде. Для их удаления из водной среды предложены неводные системы, поливинилпироллидон, тальк и каолин, которые адсорбируют продукты реакции на своей поверхности. Это позволяет не только извлекать продукты реакции из водных растворов, но и сохранить активность пероксидазы.

4.5.Специализированные биопрепараты

4.5.1. Биопрепараты и их получение

Среди биопрепаратов, разработанных для решения задач охраны окружающей среды, можно выделить следующие группы по их назначению:

для ликвидации загрязнений;

для рекультивации территорий и восстановления плодородия почв;

для переработки отходов;

для очистки природных водоемов;

для биомониторинга и биотестирования.

Специализированные биопрепараты для ликвидации аварийных загрязнений, очистки загрязненных территорий, оборудования, переработки отходов, использования в быту и других целей находят в настоящее время все более широкое применение. В ряде случаев они позволяют существенно снизить затраты, повысить скорость и эффективность биологических методов очистки загрязненных почв, стоков и водоемов, стабилизировать работу очистных сооружений, решить задачу нейтрализации вредных токсикантов, переработки нетоксичных отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности с получением кормовых продуктов и биологически активных добавок. При вкладе биопрепарата в процесс очищения до 50–75% стоимость его может не превышать 7–10% от общей стоимости работ.

В России биопрепаратами называют препараты, полученные на основе штаммов микроорганизмов, имеющих разрешения санитарно-эпидемиологи- ческих служб на их производство и применение. Подавляющее большинство этих штаммов прототрофные, природного происхождения, т. е. не относятся к генетически модифицированным и не содержат мутаций, требующих дополнительных источников ростовых факторов.

Выпускаемые коммерческие биопрепараты, предназначенные для очистки природных сред, представляют в основном массу жизнеспособных клеток микроорганизмов-биодеструкторов. Они различаются используемыми для их получения штаммами, имеющими различные физиолого-биохимические свойства, такие как термотолерантность, осмофильность, оптимальные для роста значения pH, способность включать в метаболические процессы разные классы загрязнений. Эти физиолого-биохимические свойства штаммов-био- деструкторов определяют эффективность применения биопрепаратов в разных почвенно-климатических зонах и средах, для удаления различных по химическому составу загрязнений. Конечным продуктом биотрансформации загрязнений являются простые минеральные вещества и микробная биомасса, которая в природных условиях легко вовлекается в биогеохимические циклы превращения веществ.

Препараты для очистки природных сред должны отвечать ряду требований:

быть получены на основе непатогенных штаммов, выделенных из природных ценозов или селекционированных в лаборатории; не содержать патогенных инфицирующих микроорганизмов;

микроорганизмы биопрепаратов должны иметь высокие технологические показатели: способность к росту и накоплению биомассы в промышленных ферментерах больших объемов; высокая конкурентоспособность по отношению к сопутствующей микрофлоре ферментера, позволяющая проводить процесс в не строго асептических условиях; сохранение жизнеспособности при высушивании и длительном хранении;

быть технически простыми в использовании и экономически приемлемыми;

обеспечивать эффективное снижение уровня загрязнения без образования опасных промежуточных и конечных продуктов трансформации и не оказывать неблагоприятного воздействия на окружающую среду;

дозы препаратов, интродуцированных в окружающую среду, должны активировать самоочищающую способность природных биоценозов, не разрушать их структуру и функции, не стимулировать рост патогенных микроорганизмов.

Мировой рынок препаратов для биоремедиации составлял в 1994 г. от 290 до 440 млн долл., в 2000 г. 800–1350 млн долл., а по отдельным странам:

Разработкой технологии получения, производством и применением биопрепаратов занимается ряд специализированных организаций как за рубежом, так и в Российской Федерации, а также множество небольших производителей. Исследования по получению биопрепаратов направлены на подбор культурпродуцентов, выбор форм препаратов, разработку технологии их применения.

Основные технологические этапы получения и использования биопрепаратов для очистки контаминированных сред представлены на рис. 4.34.

В лабораторных условиях определяется активность отобранных штаммов по отношению к углеводородам разных групп и конкретного загрязнения, определяются оптимальные условия для проявления деструкционного потенциала микроорганизмов в почве, получают оценочные значения расходных норм препарата и возможной продолжительности очистки конкретного места загрязнения.

Для наработки препарата в производственных условиях разрабатывают технологический регламент, обеспечивающий получение продукта, соответствующего техническим условиям, сопутствующие рабочие инструкции по эксплуа-

тации оборудования, микробиологическому контролю и т. п., разрабатываются рекомендации, инструкции по применению препарата.

Товарной формой препаратов могут быть сухой порошок и жидкая концентрированная суспензия клеток.

Технология получения сухих товарных форм биопрепаратов и используемое технологическое оборудование типичны для биотехнологических процессов получения биомассы живых клеток микроорганизмов (например, при выпуске пекарских дрожжей, микробиологических средств защиты растений и т. д.). Технология включает следующие стадии:

прием, хранение и подготовка сырья, органического субстрата, растворов минеральных солей;

обеспечение ферментационного процесса источником кислорода, технологической водой, паром, моющими и дезинфицирующими средствами, пеногасителями;

выращивание посевного материала;

накопление биомассы в рабочем аппарате – ферментере;

концентрирование суспензии микроорганизмов сепарацией, микрофильтрацией, адсорбцией на инертных материалах-наполнителях;

сушка;

если предусмотрено, гранулирование, компаундирование препарата с различными наполнителями и внесение добавок;

расфасовка, упаковка, складирование, отправка готового продукта;

очистка сточных вод, газовоздушных выбросов со стадии ферментации, сепарации и сушки.

При выпуске жидких форм препаратов стадия сушки отсутствует.

На стадии ферментации микроорганизмы культивируют периодическим или непрерывным способом, на питательных субстратах и при режимах, гарантирующих получение микроорганизмов с необходимыми свойствами или активностью ферментов, участвующих в удалении загрязнений. При использовании таких субстратов, как углеводороды, биодоступные аналоги ксенобиотиков (например, нехлорированные аналоги хлорсодержащих соединений) возможно культивирование в не строго асептических условиях, что существенно упрощает требования к технологическому обеспечению ферментационного процесса и квалификации обслуживающего персонала.

При концентрировании биомассы и сушке используются методы и технологические режимы, обеспечивающие сохранение жизнеспособных клеток микроорганизмов, что особенно важно при получении биопрепаратов на основе неспоровых форм микроорганизмов. В частности, сепараторы и циркуляционные контуры мембранных установок оснащаются рубашкой для охлаждения суспензии, что позволяет в процессе сепарирования поддерживать температуру ниже температуры инактивации клеток микроорганизмов, для сушки применяют распылительные, лиофильные или вакуум-термические сушилки.

При получении иммобилизованных биопрепаратов суспензию клеток микроорганизмов (обычно до стадии концентрирования) смешивают с носителем

(сорбентом). Носитель может быть порошкообразным, гранулированным, волокнистым, тканым. Процедура иммобилизации может предусматривать внесение дополнительных реагентов, флокуляцию, осаждение клеток на носителе

идругие приемы, повышающие эффективность иммобилизации. В процессе созревания, длящемся от 2–3 недель до 1,5–2 мес, биомасса микроорганизмовдеструкторов нарастает на носителе, увеличиваются титр жизнеспособных клеток, их активность и срок хранения препарата.

Внесение различных добавок (наполнителей, осмопротекторов и других защитных веществ, компонентов питания и т. п.) в полученную биомассу позволяет исключить из технологической схемы стадию сушки, инактивирующую клетки микроорганизмов, стандартизировать характеристики биопрепарата, увеличить срок хранения, выживаемость и активность микроорганизмов, эмульгирующую, диспергирующую, адгезионную, пенообразующую способности, уменьшить слеживаемость.

Сухие товарные формы биопрепаратов могут храниться до 6 мес и более без существенного снижения их целевых свойств. Срок хранения жидких препаратов существенно ниже. Однако исходный титр жизнеспособных клеток в них может быть больше, а стоимость ниже, так как из технологии получения исключена стадия сушки, приводящая к инактивации части клеток.

Задачей разработки технологии применения биопрепаратов является обеспечение необходимых условий (содержание минеральных компонентов, дополнительных субстратов, мелиорантов, наполнителей и других добавок, оптимальные условия влажности, температуры, рН среды, аэрации и др.) для активного развития микроорганизмов биопрепарата в загрязненной среде, использования их биоокислительного потенциала.

Для активации микроорганизмов биопрепаратов (восстановления сниженной жизнеспособности клеток, индукции и повышения активности деструкционных ферментов) перед использованием рекомендуется препараты разводить в водной среде, содержащей питательные компоненты и, возможно, загрязняющее вещество, и выдерживать некоторое время (от нескольких часов до суток), если требуется, при аэрировании среды.

При высокой концентрации загрязнений может потребоваться предварительная обработка среды другими методами. Например, при высоком содержании загрязнения на поверхности почвы сначала механическими способами (бульдозером, лопатами) собирается верхний слой и лишь затем проводится обработка биопрепаратом. Собранный грунт складируют. Возможна его дальнейшая обработка биопрепаратами на площадках складирования.

Контроль за качеством очистки осуществляют при использовании физикохимических, химико-аналитических и биологических (микробиологических, фитотоксикологических) методов.

По окончании очистных работ проводят рекультивационные мероприятия

ипри необходимости утилизируют и обезвреживают образовавшиеся отходы.

4.5.2.Биопрепараты для ликвидации загрязнений

Большое количество биопрепаратов разработано для биодеструкции нефти и продуктов ее переработки, загрязняющих природные среды в результате утечек, проливов, разного масштаба экологических катастроф.

В России накоплен большой опыт в области применения биопрепаратов нефтедеструкторов, что связано с большими масштабами нефтезагрязнений, размером загрязненных площадей и ущербом от этих загрязнений.

Ежегодная потребность в биопрепаратах нефтедеструкторов оценивается в 100–1000 т. Такие биопрепараты могут применяться с разной целью:

для обеззараживания воды и почвы от сырой нефти, продуктов ее переработки и некоторых видов топлив;

для очистки ливневых и сточных вод при использовании нефтеловушек, отстойников, блочно-модульных установок;

очистки и глубокой доочистки сточных вод от углеводородных загрязнений;

глубокой доочистки балластных вод от промывки морских и речных транспортных средств;

при запуске в эксплуатацию и стабилизации работы очистных сооружений при залповых попаданиях в сточные воды нефтепродуктов;

депарафинизации нефти в нефтяных скважинах;

очистки буровых шламов от углеводородов;

очистки территорий аэропортов, локомотивных депо, моечных и заправочных станций, акваторий морских и речных портов;

очистки небольших и сильнозагрязненных пожарных водоемов для предотвращения самовозгорания на поверхности;

очистки территорий военных баз;

очистки оборудования, емкостей и хранилищ, сепараторов, насосных станций, внутренней поверхности трубопроводов, канализационных коллекторов, колодцев, жироуловителей;

для обезвреживания шламов, сорбентов и других отходов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, утилизации осадка очистных сооружений автомоек и автотранспортных предприятий с получением песка, который может быть реутилизирован, например, в строительной индустрии и при прокладке автомобильных дорог, для послойной засыпки и рекультивации полигонов.

Потенциальными потребителями биопрепаратов могут быть промышленные предприятия, нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность, нефтеналивные и заправочные станции ГСМ, подразделения МЧС, автотранспортные предприятия и станции технического обслуживания, предприятия по транспортировке нефти и нефтепродуктов, морские и речные порты, фирмы, специализирующиеся на продаже недвижимости и земельных участков, городские и муниципальные службы и др.

В настоящее время на рынке представлена широкая номенклатура биопрепаратов на основе моно- и смешанных культур микроорганизмов для ликвидации загрязнений нефтью и нефтепродуктами. Многие препараты выпускаются российскими фирмами. При этом, как правило, фирмы, занимающиеся производством биопрепаратов, сами проводят очистные и рекультивационные мероприятия, так как эффективность использования препарата существенно зависит от технологии его применения.

С помощью биопрепаратов в большинстве случаев удается очистить загрязненные среды за один-два летних сезона. В табл. 4.5 приведены характеристики ряда препаратов нефтедеструкторов, присутствующих на российском рынке.

Таблица 4.5.

Характеристика наиболее известных препаратов нефтедеструкторов

Продолжение таблицы 4.5.

570 Глава 4

Продолжение таблицы 4.5.