3. Биоремедиация загрязненных почв

Комплекс мероприятий направленных на очистку, 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 биоремедиация.

Биоремедиация загрязнённой среды происходит под действием биологических процессов в мягких физико-химических условиях (когда концентрация загрязнителя не превышает допустимые для функционирования живых организмов нормы), при сохранении структуры почвы, её функциональных свойств. Наиболее распространены биометоды на основе использования бактерий, грибов. растений (фиторемедиация).

Среди способов биоремедиации выделяют:

-природное истощение или внутренняя биоремедиация

-биостимулирование in situ

-биоаугментация (использование биопрепаратов)

методы биоконцентрирования: биоадсорбция, биоаккумуляция, биоиммобилизация

-биовыщелачивание

-реакционноактивные биобарьеры (искусственные биогеохимические барьеры и биоэкраны)

-биоремедиация ex situ (обработка в буртах, насыпях, компостирование и вермикомпостирование, биорыхление - рыхление с помощью червей, обработка в биореакторах.)

-фиторемедиация (очень низкие скорости (наиболее короткий срок - 10-20 лет при непрерывном культивировании), необходимо реализовывать загрязнённую фитомассу. действует только при доступности загрязнителя для растений, иногда комбинируют с биостимулированием и биоаугментацией).

1. самоочищение - стратегия пассивной очистки, основанная на протекании естественных процессов, которые уменьшает мобильность загрязнения и их массу).Подход применяется при очистке почв от соединений, которые относительно биодоступны и биодеградируемы (нефтепродукты, пестициды, хлорированные растворители) тогда. когда самоочищение эффективно и имеется достаточное кол-во времени и пространства для ликвидации загрязнения. Процесс комплексный. По мере процесса необходимо проводить мониторинг.

недостатки процесса - медленное протекание, соответственно длительная очистка. Бывает трудно реализовать полное разложение загрязнителей.

2.биостимулирование in situ - активная биоремедиация, предусматривает активизацию природного сообщества (аборигенной микрофлоры и/или растений) путем создания оптимальных условий ОС (физ-хим, условий питания, дополн. субстратами, донорами и акцепторами электронов). Можно осуществлять чуть по-другому - взять аборигенную микрофлору, размножить её в биореакторе и внести обратно. В подпочвенных слоях - метод заключается в поставке туда кислорода (с водой или просто потоком воздуха-биовентелирование) как лимитир. фактора для организмов деструкторов. В такую воду можно дополнительно вносить добавки (биоПавы, этанол, хелатирующие агенты), улучшающие доступность загрязнителя, и обогащать её биогенными элементами и/или субстратами для МО (разложение загрязнителя в процессе кометаболизма), ростовые субстраты, вместо кислорода иногда вводят нитраты. В случае продувки - воздух может быть обогащен NH3 (источник N для МО),немного нагрет. Вода и воздух поставляются через специальные инжекционные скважины и колодцы. Есть также скважины и колодцы приёмники, осуществляющие откачку использованных воздуха и воды.

преимущества: использование легко устанавливаемого доступного оборудования, возможность исп. в труднодоступных местах, небольшие сроки отчистки (6мес. - 2 года) при оптимальных условиях. легкая комбинированность с другими методами.

Недостатки: возможность присутствия высоких концентраций загрязнений в экстрагируемом потоке, токсичных для МО, способ не эффективен на участках с низкой проницаемостью почвы (высоким содерж. глины), не всегда достигается полное очищение, при избытке кислорода возможно биооюрастание, биозагрязнение инжекцинных колодцев, а также окисление железа с образованием его нерастворимых форм, что закупоривает под поверхностные слои.

3. биоаугментация - внесение экзогенного биологического материала в природную среду. В загрязнённые среды вносят выделенные из естественных источников спец. отобран. МО (в виде биопрепаратов), обладающей необходимой биодеградирующей активностью, устойчивые к высоким концентрациям загрязнителя и не облад. нежелательн. эффектом. Они разлагают основную массу загрязнителя, снижают негативное воздействие на биоту и стимулируют тем самым процессы самоочищения. Внесённые МО сдвигают существующую сукцессию в необходимую сторону. На ранних стадиях сукцессии (загрязнение не застарелое) вносят r-стратегов, на поздних - к-стратегов и олиготрофов, способных более полно усваивать загрязнитель. Его устойчивую составляющую и ли промежуточные продукты метаболизма. Помимо внесения организмов необходимо регулировать свойства среды. чтобы обеспечить ему оптимальное функционирование. Целесообразно это проводить, если:

-концентрация загрязнителя высока, автохтонные МО не справляются

-загрязнение свежее (т.е. собственные МО не успевают к ним адаптироваться)

-условия данной территории не благоприятны для своей микрофлоры (холодные местообитания)

-вносимые МО заточены под разложение данного загрязнителя

-это даст реальную возможность уменьшить время ремедиации.

Реально применяется для отчистки от нефти почв (свежее загрязнение), если можно обеспечить хорошую аэрацию и влажность.

МО - бактерии: псевдомонады, родококки, бациллы, артробактерии. флавобактерии, коринебактерии, актиномицеты, нокардии.+ цианобактерии

-грибы белой гнили (разрушающие лигнин)

-дрожжи

Лучше всего применять смешанные культуры (конвеер из продуктов разложения).

при внесении важно, чтобы МО были конкурентноспособны по отношению к аборигенной микрофлоре.

4.биоконцентрирование - накопление в-в загрязнителей в локальной зоне в результате жизнедеятельности организмов путем адсорбции, иммобилизации. связывания в тв.фазе орг. и неорг. вещ-в или в биогенном материале. Биомасса с накопленным загрязнением м.б. извлечена и переработано отдельно. (исп. при очистке от тяж.Мет. и радионуклеидов почвенных и водных сред)

локализация - загрязнение не всегда концентрируется, но связывается в малоподвижные формы в результате иммобилизации их на поверхности организмов, связывания с почвенным веществом под действием организмов или осаждения в зоне их активной жизнедеятельности. МО могут осаждать тяж.Мет в рез-те их окисления или восстановления и взаимод. с микробными метаболитами. Один из наиболее важных процессов внеклеточного осаждения тяж.Мет - перевод их в сульфатредуцирующими бактериями в сульфиды в результате образования сероводорода.

При таком методе также осуществляют внесение микроорганизмов. Здесь встает вопрос утилизации иммобилизованных загрязнителей. Процесс довольно затратный. Поэтому проще размещать такие Мо на специальных барьерах. откуда затем их можно будет удалить. Иногда применяют дождевых червей, которые поедают почвенную биомассу с загрязнителем. Но для начала в почву вносят МО-деструкторов, чтобы снизить токсичность. Червей потом извлекают и перерабатывают.

5. биомобилизация - перевод загрязнений в подвижную форму. Из этих методов наиболее значимым является биовыщелачивание (например. когда тяж.Мет под действием Мо или в результате изменения рН среды переходят в подвижную растворимую форму. Пример: участок территории, загрязнённый тяж.Мет, орошается раствором, содержащим орг.в-во, комплексообразователи, ПАВ, с низким рН. В результате активизации жизнедеятельности почв.МО, реакции комплексообразования и других процессов Ме выщелачиваются из тв.фазы почвы, растворяются в жидкой и становятся подвижными. Дренируемые растворы собираются в коллектор и далее биол.обрабатываются.

6. реакционно-активные биобарьеры - варианты барьеров, сооружаемых в ОС на пути миграции загрязнений для их локализации и обезвреживания.

в биобарьерах протекают биологические процессы, благодаря кот. Реализ. защитные ф-ции. Типичный барьер содержит воздухо- и водопроницаемую загрузку или сорбент, на поверх кот. в результате внесения или естественным образом развиваются биоплёнки организмов деструкторов. Грунтовые воды с загрязнителем движутся через барьер и происходит окиление загрязнителя. недостаток состоит в постепенном зарастании и загрязнении сорбента. Но зарастание не происходит на искусственных биогеохим. барьерах и биоэкранах.(например в сорбент помещают сульфаты, обеспечивают в нём анаэробные условия. постепеенно МО в барьере перейдут на сульфатредукцию. Такой барьер будет задерживать тяж.Мет. Под биоэкраном тут имели ввиду тот же барьер, но кот. активно аэрируется в направлении перпендикулярном потоку грунтовых вод.

7. Обработка в штабелях, буртах, насыпях, компостирование, вермикомпостирование - осуществляется либо непосредственно в ОС после сгребания почвы с загрязнением в кучу или в спец.помещениях, полигонах. В буртах (кучках) поддерживают необходимые условия, увлажняют, вносят МО, если требуется. подают кислород. При компостировании загрязнённый материал смешивают с объёмным органическим материалом (зелёная масса растения, солома и т.п.), вносят минер.добавки. В отличие от буртов при компостировании массу рыхлят периодически.

8. Обработка в биореакторах - достигаются наибольшие скорости деструкции. Реакторы обычно используют суспензионные с перемешиванием (почву размельчают и поставляют в реактор) (есть ещё твёрдофазные реакторы).Обычно перед этим почву фракционируют. Недостаток - энергозатратный метод. Менее энергозатратный. если используют анаэробные процессы.

9. Комбинированные и гибридные процессы - т.е. биол. очистка чаще всего сопровождается физико-химическими процессами. Обычно биометоды используются на последних стадиях очистки (часто чередуют применение сорбентов с исп. МО, например при очистке от нефти)

в общем нужно сказть, что биологич методы ремедиации долгосрочны, часто много затратнее физ-хим методов, не дают гарантированный результат, применяются на последних стадиях ремедиационных работ. Но они позволяют провести очистку в мягких условиях для почвы и естественным для неё путём.