3365

затрагивает многие страны. Во всем мире ведутся интенсивные исследования по изучению влияния нефтезагрязнений на живую природу и поиску способов ускорения деструкции нефти, загрязняющей почву и воду. Установлено, что микроорганизмы катализируют ферментативное разложение нефти и нефтепродуктов, что может быть использовано для разработки биопрепаратов для очистки нефтезагрязненных почв и воды.

Следует отметить, что процесс деструкции углеводородов (УВ) нефти осуществляется микроорганизмами, однако практическая значимость микробной деградации в конечном итоге определяется составом биопрепарата, который обеспечивает жизнеспособность бактерий, их активность, а также технологичность изготовления, хранения, транспортировки и использования.

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 100–1000т. 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-модульныхустановок;

-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.

Примеры применения в России техники, разработанной нашими специалистами, и технологий для биоремедиации почв различного типа от загрязнений нефтью и нефтепродуктами.

1.Технологии on site. Мелиорация почв (органических, минеральных

иорганоминеральных), загрязненных нефтью, подразумевает фрезерование с известкованием и нанесение на поверхность загрязненной почвы чистого торфа с удобрениями и высевом семян растений, устойчивых к нефтяному загрязнению (фиторемедиация, или фитомелиорация) без снятия верхнего сильно загрязненного нефтью слоя почвы. Этот метод хорошо зарекомендовал себя на почвах с уровнем нефтяного загрязнения ниже 100 г/кг на торфяных почвах и ниже 50г/кг на минеральных почвах

2. Технологии on site. Биоремедиация топких верховых болот в Западной Сибири (ЯНАО, ХМАО), где ведется интенсивная добыча нефти и газа, и разливы нефти происходят часто и, как правило, на обширных болотах, обычно верховых. Верховое болото бедно биогенными элементами.

может достигать 800-900 г/кг сух. торфа и выше. Именно для такого рода загрязненных нефтью болот разработана и техника, и технологии биорекультивации, поскольку процессы самовосстановления топких болот занимают десятки лет. При этом происходит распространение загрязнения вширь, и хрупкой природе наносится непоправимый ущерб. 14-15 лет назад для биоремедиации топких верховых болот (ХМАО, Нижневартовск) была разработана технология с использованием понтонохода с фрезой. Верхний сильно загрязненный нефтью (780-820 г/кг сухого торфа и выше) слой почвы перемешивался с нижележащим слоем, но концентрация нефти при этом практически не снижалась, или снижалась, но очень незначительно. Согласно

удобрения (850–950 кг/га), что в 3–4 раза больше агрономической нормы, раскислитель (известняковая мука 4000 кг/га), семена растений (200–300 кг/га), устойчивых к нефтяному загрязнению (в 10 раз больше агрономической нормы) и биопрепарат (200–340 кг/га), жидкий или иммобилизованный на торфе. Эта технология позволяла за один теплый сезон снизить уровень загрязнения нефтью в почве на 20–40%. Посеянная в июле трава (овес Avena sativa) к сентябрю покрывала болото на 40-60% довольно слабыми проростками. В дальнейшем такие болота начинают постепенно зарастать местным травостоем, а овес служит для них сидератом. Описанная технология биорекультивации топкого верхового болота инициировала процесс дальнейшего самовосстановления болота

ив несколько раз сокращала сроки его самовосстановления.

3.Технологии «on site» - биоаугментация. При более высоких уровнях нефтяного загрязнения применяют препараты-нефтедеструкторы. Показательным в этом отношении был сравнительный эксперимент,

загрязненной почвы препаратами проводилась только 1 сезон, на следующий сезон на всех участках были внесены дополнительно удобрения и семена злаков в местах выпада растений. Через 2 года участки, на которых применялись различные биопрепараты (Универсал, Деконтам, Петролан, Унирем, Родер, Омуг) и мелиорация почвы показали, что процессы самовосстановления почвы, ранее инициированные внесением препаратов

осушенных болотах, главным образом переходного или низового типа. Аналогичная технология аугментации и последующей фиторемедиации применяется в Краснодарском крае для очистки почв от нефтяных загрязнений и в Татарстане.

4. Технологии ex-situ. Проводится фиторемедиация почвы, предварительно отмытой от нефти в установке по переработке нефтешлама (УПНШ). Это интересная технология, которая довольно широко применяется

формирование «Природа», Республика Коми), болото обваловывается, вдоль обваловки прорываются канавы, и нефть с поверхности болота сначала стекает в канавы и откачивается насосами. Затем в эти же канавы нефть отжимается специально созданной драгой. Иногда остаточная нефть смывается с поверхности болота в аналогичные канавы или приямки и водонефтяная смесь откачивается затем в емкости и отправляется на переработку.

Ранней весной, пока болото не оттаяло, срезается 5-7 см или 10 см слой

в загрязненную почву или в нефтешлам активного ила с городских станций аэрации (биологическая очистка сточных вод — БОСВ), применяется в Рязанской области, Краснодарском Крае, в Республике Коми. В Республике Коми сильно загрязненные нефтью почвы и нефтешлам предварительно

ила со станции БОСВ г. Усинска (ООО СПАСФ «Природа»). В полевых условиях в Усинском районе подтвердились результаты, полученные ранее в лаборатории. Концентрация нефтяного загрязнения в почве была снижена на 60% и была снята фитотоксичность почвы.

6. Другие Технологии on site или ex-situ. Классическое компостирование почв, загрязненных нефтью, и, в первую очередь нефтешламов (Самара, Рязань), когда на специально подготовленной площадке или рядом с местом загрязнения, предварительно защитив пленкой почву, сооружаются бурты высотой до 1,5-2 м, шириной около 2 м, длиной от 5 до 20 метров и больше. В бурте слои загрязненной почвы перемежаются

В Германии для таких буртов строят отдельные ангары с принудительной аэрацией и очисткой отходящих газов. Загрязненная почва в буртах, подготовленных осенью, и укрытых слоем дерна или пленки, за осень, зиму и весну очищается от 50-60% до 80-90% в аэробных и анаэробных условиях, которые сменяют друг друга в процессе компостирования. Общая продолжительность разложения основной массы углеводородов в шламовых

иммобилизованного на торфе (ООО НПК «ИЛМА Эко») или препарата «Родер». Загрязненная нефтью почва или ничем не разбавляется, или разбавляется торфом, или песком, или чистой почвой в зависимости от консистенции загрязненной почвы. Вносятся удобрения, препаратнефтедеструктор, производится рыхление и полив восстанавливаемой почвы. За 1-2 сезона достигается очистка от нефти и нефтепродуктов на 6090%. Последующая фиторемедиация завершает очистку почвы от остаточных углеводородов.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите основные биотехнологии, применяемые для очистки почв от нефтяных загрязнений.

2.Что такое биоремидиация?

3.Какие микроорганизмы участвуют в биоремидиации?

Тема 6. Биодеградация ксенобиотиков, нефтяных загрязнений

Проблема выявления загрязненных химическими веществами территорий стала привлекать внимание государственных и местных органов управления развитых зарубежных стран главным образом в последние 30–40 лет. Так, в США Федеральная программа по этой проблеме осуществляется с 1981 г., в Канаде – с 1989 г. (в отдельных провинциях раньше), в Англии и Нидерландах – с 1987 г., во Франции – с 1984 г., в ФРГ – с 1970 г.. В настоящее время во многих странах не только активно выполняются исследования по выявлению и инвентаризации зон техногенного загрязнения, но и большое внимание уделяется развитию технологий их очистки, в значительных масштабах проводятся работы по деконтаминации (decontamination–обеззараживание, очистка) или, как сейчас пишут в англоязычной литературе, по ремедиации (remediation–восстановление, «излечивание») химически загрязненных почв, почвогрунтов и подземных (грунтовых) вод в пределах городов и промышленных территорий.

Среди органических соединений наиболее опасны галогенированные углеводороды и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

К ним относятся поливинилхлорид, или ПВХ; полихлорированные бифенилы, или ПХБ, ДДТ (пестецид), тетрахлорфенол и тетрахлорэтилен (растворители). В эту же группу входят сильноядовитые вещества – диоксины.

За рубежом предпочтение отдается физическим и физико-химическим

биовентилирование, закачивание пара в почву под давлением и экстракция ксенобиотиков, введение сильных окислителей, суперкритическая

экстракция и др.). Методы дорогие, энергозатратные, но высокоэффективные и быстродействующие.

Небиологические методы ремедиации считаются более надежными по сравнению с методами биоремедиации. Эффективность небиологических методов, как правило, мало зависит от характеристик загрязнений почвы и воды и практически не зависит от климатических условий места расположения загрязненного объекта. Ремедиационные работы при использовании физико-химических или химических методов могут длиться от нескольких дней до нескольких недель (в зависимости от масштаба проекта).

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 превышать7–10%от общей стоимости работ.

В России биопрепаратами называют препараты, полученные на основе штаммов микроорганизмов, имеющих разрешения санитарноэпидемиологических 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 физиологобиохимические свойства, такие как термотолерантность, осмофильность, оптимальные для роста значения pH, способность включать в метаболические процессы разные классы загрязнений. Эти физиологобиохимические свойства штаммов-биодеструкторов определяют эффективность применения биопрепаратов в разных почвенноклиматических 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.

Биопрепараты 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

ине 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.

Основными преимуществами биологических методов являются протекание процесса очистки в относительно мягких условиях, не изменяющих качество окружающей среды, значительно меньшие затраты на ее осуществление, высокая эффективность очистки. Стоимость биоремедиации (в условиях США) на 10–40%ниже, чем цена аналогичного проекта, выполненного при использовании физико-химических методов.

Проблема ремедиации загрязненных земель (причем, не только городских) для России является не менее актуальной. Так, обследование интенсивности загрязнения тяжелыми металлами 31,1 млн. га сельскохозяйственных земель страны (примерно 14% от общего фонда сельскохозяйственных земель) установило, что 519 тыс. га загрязнено Pb, 184

тыс. га –Cd, 326 тыс. га –Zn, 71 тыс. га –Cr, 527 тыс. га –Ni, 1416 тыс. га –Cu,

328 тыс. га –Co. Наиболее острыми экологическими проблемами городского землепользования считаются загрязнение, захламление и нарушение земель, недостаточные объемы их рекультивации. Отмечается также постоянный рост площади земель, подверженных загрязнению выбросами промышленных предприятий.

Вопросы для самоконтроля

1.Перечислите основные ксенобиотики, загрязняющие окружающую среду 2.Каким требованиям должны отвечать биопрепараты, применяемые

для очистки природной среды?

Тема 7. Получение экологически чистой энергии. Биологическое получение водорода

Человечество потребляет для своих нужд громадное количество энергии, и потребности в ней пока увеличиваются вдвое каждые 25 лет. За девяносто лет,прошедших с начала прошлого века, энергопотребление выросло более чем в12 раз.

Современная наука пытается перевести мировую энергетику на экологически чистые источники энергии. Существуют различные способы осуществления этой идеи – в первую очередь это увеличение эффективности действующих установок, улучшение их технических и экологических характеристик. Второй путь – освоение нетрадиционных источников на основе последних физических открытий в области свойств материи. Это требует, прежде всего, разработки теорий, касающихся неисследованных, пока еще загадочных явлений. У природы есть еще не мало подобных явлений, что дает современной науке множество направлений для поиска решения энергетической проблемы. Эфиродинамика и акустический термоядерный синтез – одни из направлений в поисках экологически чистой энергии. Атмосферные вихри - смерчи и циклоны – это природные машины по переработке потенциальной энергии атмосферы в кинетическую энергию вихрей, поэтому естественно желание человека использовать эту громадную энергию для своих целей. Шаровая молния имеет множество необъяснимых свойств, если в будущем будет разгадана ее природа, это также даст возможность синтезировать энергию.

Воснове биотехнологического получения этилового спирта, кормовых

ипищевых дрожжей, пивоварения и виноделия лежит процесс брожения - один из разновидностей биологического окисления субстрата у гетеротрофных микроорганизмов. Биотехнологические бродильные процессы изучены сравнительно давно. Однако некоторые процессы брожения реализованы на практике только сейчас. В основе брожения лежит универсальная реакция превращения источника углерода глюкозы в ключевой промежуточный продукт-пировиноградную кислоту, из которой синтезируются дальнейшие продукты, включая этиловый спирт. Возбудителями спиртового брожения могут быть дрожжи - сахаромицеты, некоторые мицелиальные грибы (Aspergillus oryzae) и бактерии (Erwinia amylovora, Sarcinaventricula, Zymomonas mobilis, Z. anaerobia). По расходу сырья производство этилового спирта самое крупное биотехнологическое производство в мире. Однако по стоимости валового продукта этанол занимает третье место среди крупнотоннажной продукции. Как известно, этанол широко используется в химической, фармакологической и пищевой промышленности. Кроме того, он может стать источником энергетических ресурсов.

Вкачестве сырья для производства этанола в различных странах используют национальные доступные растительные источники: зерновые, картофель и свекловичная масса - в России, Украине, Беларуси; сахарозу и тростниковую мелассу - в США; рис - в Японии и т.д.

Важным вопросом в крупнотоннажном производстве этанола, является выбор сырья. Во внимание принимают главным образом экономические аспекты - доля затрат на сырье в общей себестоимости. Существенное значение имеет количество этанола, которое получают из растительного сырья, выращенного на 1 га. В настоящее время значительный интерес для производства этанола представляют аэротолерантные бактерии Zymomonas mobilis. В отличие от дрожжей эти бактерии характеризуются отсутствием катаболитной репрессии и низкой чувствительностью к этанолу. Кроме того, удельная скорость потребления глюкозы и образования этанола у них в 2-3 раза выше (Q глюк= 3,75; Qэт. = 1,87 г/(г-ч).

Один из путей, которым может пойти в будущем энергетическая биотехнология, — развитие методов получения водорода с помощью живых организмов — бактерий и водорослей — или с помощью субклеточных частиц этих организмов. Работы в этом на правлении и у нас в стране, и за рубежом ведутся уже более полувека.

Образование водорода происходит в живых клетках в процессе фотосинтетического расщепления воды в ходе фотохимических светочувствительных реакций с использованием водородных доноров, иных, чем вода (например, соли или эфиры яблочной кислоты, ацетаты), а также в ходе различных других катаболических реакций, таких, как анаэробное разложение. Мы рассмотрим только первый тип реакции, так как второй тип предполагает использование уже готовых органических молекул, а третий тип частично затронут в разделе, описывающем разложение, где образование водорода/представлено как нарушение хода процесса.

В микроорганизмах образование водорода происходит при участии гидрогеназы. Высшие растения не имеют этого фермента в своем фотосинтетическом аппарате и не образуют водорода; однако внутриклеточный экстракт из высших растений при добавлении активного препарата гидрогеназы выделяет водород. Обычно фотолитическое образование водорода в природе не происходит, но оно может быть вызвано, например, азотным голоданием сине-зеленых водорослей и манипулированием с бесклеточными системами. По литературным источникам, получение водорода предполагает использование клеток или экстрактов высших растений, сине-зеленых водорослей, зеленых и других водорослей, а также фотосинтетических бактерий.

Даже на лабораторном уровне не удалось продемонстрировать практического метода получения чистого водорода на основе биофотолиза. Сине-зеленые водоросли выделяют смесь водорода и кислорода с эффективностью около 1 %, а внутриклеточные экстракты высших растений

— с еще более низкой эффективностью. Все системы характеризуются недостатком стабильности, так как в целых клетках необходимое условие азотного голодания ослабляет организмы и происходит потеря фотосинтетического пигмента. Период жизни внутриклеточных систем недолог вследствие воздействия ферментов на структурные липиды и белки,