Фактори, що пришвидшують процеси мікробної деструкції ксенобіотичних речовин

Процеси мікробної деструкції ксенобіотиків в природі є дуже тривалим, і чим більше забруднення, тим триваліший процес, а високі концентрації ксенобіотика взагалі пригнічують ріст мікроорганізмів. Значно прискорює цей процес створення оптимальних умов для розвитку природніх чи ГММ деструкторних штамів, а також застосування активних деструкторних штамів. Важливою умовою пришвидшення процесу біодесгрукції як природними мешканцями ґрунту, тобто аборигенною мікрофлорою ґрунту, так і штучно внесеними видами мікроорганізмів препарату є створення оптимальних умов для їх розвитку:

1. внесення речовин, які підвищують доступність ксенобіотиків для мікроорганізмів (емульгатори, сурфактанти, ПАР);

2. внесення доступних джерел азоту і фосфату;

3. забезпечення аерації.

Багатьом мікроорганізмам для реакцій розщеплення органічних сполук необхідний кисень. Наприклад, для активного біорозкладу вуглеводнів, необхідний кисень, в той час як нафта, розпливаючись плівкою створює анаеробні умови. Для аерації ґрунтів застосовують механічне розрихлення, оранку, продувку трутів повітрям під тиском. Є дані, що мікроорганізми здатні розкладати вуглеводні і в анаеробних умовах, але ці процеси ще достатньо не вивчені.

4. відповідний температурний діапазон, вологість;

2 Основні форми екопрепаратів мікроорганізмів

1. ліофілізовані клітини

2. імобілізовані на сорбентах

До складу обох препаратів входять сполуки азоту, фосфору, калію, які є потрібними для розвитку деструктор них мікроорганізмів

Вимоги до деструкторних штамів:

1. нетоксичність, непатогенність

2. здатність активно утилізувати ксенобіотики, продукувати біоПАР

3. активність в екстремальних умовах довкілля:

• різких температурних коливань від-5 до +40°С,

• підвищеній соленості (до 150 г/л №С1),

• широкому діапазоні рН (від 4,5 до 9,5),

• в різних умовах кисневого забезпечення

4. сприяння розвитку ксенобіотикостійких деструкторних рослин (наприклад нафтоокислюючої осоки шершавої),

5. мікроорганізми не мають акумулювати токсичні речовини, оскільки в такому випадку вони також представляють загрозу. Хіба що мікроорганізми імобілізовані на такому сорбенті, який дозволяє легко забирати їх назад, як губку, яка поглинула шкідливі речовини.

161

Якщо мікроорганізми не вносять безпосередньо в забруднений грунт чи водойми, а використовують в біоректорах - вимоги 3-5 неактуальні. Тоді можна відрегулювати оптимальний режим біодеструкції, непотрібно розвитку рослин і акумульовані токсичні речовини легко усунути разом з мікроорганізмами.

Приклади мікроорганізмів, які мають перспективи використання для очищення довкілля:

Серед мікроорганізмів виявлено дуже багато потужних деструкторів ксенобіотичних речовин. Зараз і далі продовжуються відкриття все нових активних деструкторних видів. Вважається, що всі мікроорганізми, які відомі науці складають тільки 1%-10% від існуючих в природі. Відомі своїми деструкторними властивостями псевдомонади, артробактерії, нокардії.

1. Перший запатентований генетично-модифікований штам - штам деструктор Pseudomonas putida, який завдяки переносу генів набув здатності завоювати різні вуглеводні. Серед ґрунтових бактерій псевдомонад були виявлені штами, які були здатні засвоювати вуглеводні: один штам засвоював - октан, другий - нафталін, інший - ксилол, ще інший камфору. Але не було виявлено такого одного природнього штаму, який міг би розщеплювати всі ці різні вуглеводні. Гени ферментів деструкції вуглеводнів в них були локалізовані не в хромосомі, а в плазмідах. В 1970р. в США Чакрабарті із своєю науковою групою шляхом кон'югаційного переносу плазмід з різних штамів в один сконструювали штам Pseudomonas putida, який завдяки цьому набув здатності завоювати різні вуглеводні. Цей штам не використовували для очищення нафтових забруднень, але він відіграв важливу роль в становленні біотехнологічної промисловості. При створенні таких штамів є проблема їх життєздатності в умовах довкілля. Більшість мікроорганізмів, в тому числі штамів-деструкторів є мезофілами, тобто активно ростуть при температурі 20-40С. Але температура забрудненого довкілля коливається в межах 0-40С. Цю проблему можна вирішити шляхом перенесення генів деструкції мезофільного штаму в психрофільний штам. Вперше це було зроблено для штаму мезофільного деструктора Pseudomonas. Плазміду, що визначала розщеплення толуолу було перенесено в психрофільний штам Pseudomonas. Такий штам набув здатності катаболізувати толуол при 0 С. Ця робота показала принципову можливість отримання психрофільних деструкторів.

2. На основі природніх штамів бактерій і дріжджів розроблено багато біопрепаратів для очищення довкілля.

162

В Києві розроблено препарат „Родойл" на основі природних штамів бактерій Acinetobacter, Gordonia i Rhodococcus для очищення ґрунтів і водойм від нафтопродуктів. Препарат містить сорбент вермикуліт і перліт з мікроорганізмами і неорганічні солі.

Ефективність препарату для очищення ґрунтів, а також прісної і морської води від нафти випробували в модельних дослідах у лабораторних умовах. В грунті, де проходили природні процеси самоочищення екосистеми, спостерігався низький рівень деструкції вуглеводнів - 2-12 %. В грунті, де вносили сполуки для активізації аборигенної мікрофлори - рівень деструкції нафти досягав 44,6 %. При внесенні препарату через 60 діб деструкція нафти дорівнювала 88,5 %. Аналогічні результати отримано і в нафтозабрудненій воді.

Препарат „Деворойл " отримано на основі асоціації дріжджів і бактерій, які здатні виділяти в середу поверхнево-активні речовини, вони ростуть на вуглеводнях різних класів та їх похідних, стійкі до підвищеної солоності (до 150 г / л NаСІ), до різких коливань температури (від -5 до +40 ° С), з активністю в широкому діапазоні рН (від 4,5 до 9,5).

Бактеріальний препарат „Сойлекс" можна застосовувати в широкому діапазоні умов: рН = 4,5 ... 8,5, температура 10 ... 42 ° С. Через 20 днів грунт, що містить до 1% нафти, очищається на 90%.

Пошуки тривають і далі, часто ці препарати працюють тільки при незначному забрудненні нафти 1-5%.

3. Geobacter sulfurreducens - бактерія, що здатна видаляти радіоактивні забруднення ураном з ґрунтових вод. Виявлена ще в кінці 1980-х років. Пройшла успішні випробовування на шахті „Ріфл Мілл" в Західному Колорадо, де до 1972 р видобували уран. В результаті кількість урану було зменшено на 90%. Переводить розчинну форму урану (VI) в не розчинну (III), яку можна виділити.

163

Застосування рослин для очищення довкілля

Перспективним методом очищення ґрунтів є комбінована фітомікроборемедіація, що відбувається за участю і рослин, і мікроорганізмів. Тому і важливим є пошук деструкторних штамів серед мікроорганізмів, які тісно співіснують з рослинами, і здійснюють взаємовигідний обмін поживними речовинами, створюючи один одному сприятливі умови для розвитку (азотні сполуки, органічні кислоти, вітаміни, аерацію), що дозволяє їм разом виживати в складних умовах забруднення відходами.

Переваги біологічних методів очищення:

1. екологічна чистота і безпека,

2. мінімальне порушення фізичного і хімічного складу очищуваних об'єктів,

3. більшість технологій біологічної очистки є дешевими і не дуже трудоємними,

4. їх ефективність висока і при низьких концентраціях забруднювачів, коли більшість інших методів вже не працює.

Є 2 основні способи очищення

1. на місці забруднення (розлив нафти в океані, забруднений грунт)

2. в очисному біореакторі з мікроорганізмами (Шар забрудненого ґрунту збирають і везуть в реактор, або туди подають забруднену воду)

Біологічні методи очищення ґрунту. Очищення ґрунту на місці забруднення.

1. очищення ґрунтових вод і повітря на місці забруднення

Застосовують при розчиненні ксенобіотиків в ґрунтових водах;

• грунт вертикально пронизують трубами.

• насосом викачують ґрунтові води, пропускають їх через фільтр з біоплівкою,

• далі води мікробіологічно очищують в резервуарах

• і по інших трубах вже очищені води повертають в грунт;

Ґрунтове повітря з леткими токсичними сполуками викачують з ґрунту, очищують, а тоді знову закачують назад.

2. активізація мікрофлори шляхом додавання окисників, емульгаторів і оранки для аерації

В ґрунт вносять окисники і емульгуючі речовини, щоб підвищити доступність ксенобіотиків для мікроорганізмів, посилити їх транспортування в клітину. Поверхню ґрунту зорюють для аерації. Для такої обробки не потрібно великих затрат, але вона може тривати роки і навіть десятиліття.

164

Очищення зібраного шару ґрунту

3. очищення в купі на полігоні

Шар ґрунту забирають і зсипають в купу на спеціальному полігоні. Щоб інтенсифікувати аеробну біодеструкцію в купу поміщають труби для аерації. Така обробка займає декілька років

4. промивання ґрунту

Шар ґрунту забирають і промивають, можуть вносити ПАР (поверхнево-активні речовини). А промивні води з екстрагованими ксенобіотиками розкладають біологічно.

5. очищення грунту в біореакторах і біомодулях.

Біодетоксикацію проводять в спеціальних біореакторах,, куди перевозять забруднені грунти. Перед загрузкою в біореактор грунт подрібнюється, оскільки чим менший розмір частинок грунту, тим вища дифузія екотоксикантів до мікроорганізмів. Забруднений грунт дозовано подається в біореактор, де триває процес біорозкладу нафтопродуктів мікроорганізмами в умовах підігріву і періодичного перемішування ґрунту в біореакторі. Проби ґрунту аналізуються на вміст нафтопродуктів, очищений грунт завозять на місце.

165

Методи очищення вод від побутових стоків за допомогою мікроорганізмів

Типові побутові стоків, що поступають в міські очисні споруди містять багато органічних речовин: з них близько 50% вуглеводів, 40% білків і сечовини, 10% жирів - в основному детергенти з мила і миючих засобів. ПАР. Основні неорганічні сполуки стоків: фосфат з миючих засобів, аміак, який виділяється при амоніфікації органічних азотовмісних сполук і нітрат, до якого окислюється аміак. Стоки містять велику кількість мікроорганізмів: 10⁶-10⁸ клітин бактерій на 1 мл, 10³-10⁵ дріжджів і грибів на 1 мл. Ці мікроорганізми, поступають із стоками в очисні споруди і формують так званий мул, який використовують для очищення води.

Етапи очищення води

1- механічний етап очищення. Після його завершення стоки направляють на

2 - мікробіологічний етап: аеробний в аеротенках чи анаеробний в метатенках.

3- відділення мікроорганізмів мулу від води у відстійнику - мікроби активного мулу осаджують, надлишок мулу видаляють, решту повертають назад в аеротенк. Далі воду направляють у водойму приймач чи на 4 етап.

4 - очищення води від фосфатів хімічним чи біологічним методом. Даний етап характерний для слаборозвинутих країн (це речення з іноземного підручника). Стоки українських вод і досі продовжують забруднюватись фосфатами миючих засобів. У високорозвинутих країнах більшість миючих засобів вже не містить фосфатів. Фосфати осаджують хімічним шляхом - солями заліза або алюмінію. Ефективність видалення фосфату невелика. Її можна підвищити біологічним шляхом за допомогою бактерій. Аеробні бактерії Acinetobacter - які є компонентами активного мулу - нагромаджують в своїх клітинах фосфат у вигляді синтезованих з нього нього поліфосфатів - запасних високоенергетичних сполук. Одночасно з осадженням цих бактерій з води можна позбутися токсичних фосфатів. На жаль, це тільки перспективи використання.

166

І метод - аеробне біоочнщення типових побутових стоків з допомогою мікрофлори активного мулу (в аеротенках) (великі міста)

Аеротенки - великі басейни, які інтенсивно аеруються і перемішуються. Процес очищення відбувається за участю активного мулу.

Активний мул - складний мікробний біоценоз, в якому домінують бактерії Zoogloea, Leucothrix і Thiothrix. Більшість видів взагалі ще не ідентифікована і не виділена в культурі. Недавні дослідження із використанням групоспецифічних олігонуклеотидних рРНК-зондів показали, що до його складу входять псевдомонади і аеромонади, коринебактерії і нокардії, родококи, бацили і клостридії, лактобацили, стафілококи тощо. Ці бактерії формують агрегати, а вільноживучих бактерії поїдають інфузорії і амеби. В аеробних умовах мікроорганізми мулу утилізують до 99% органічних речовин. По мірі вичерпання органічних субстратів, у стоках розвиваються хемолітотрофні аеробні нітрифікуючи бактерії. Вони окислюють неорганічні сполуки азоту: утворений при амоніфікації аміак до нітриту, а тоді до нітрату. Нітрат далі в умовах обмеженого доступу кисню може асимілюватись денітрифікуючими бактеріями в процесі анаеробного дихання і виділятись у вигляді молекулярного азоту.

Аеробний процес в аеротенках - добре відпрацьована технологія, але має економічні недоліки: потрібні додаткові затрати:

• на постачання кисню і його регуляцію,

• на перемішування,

• на видалення надлишку активного мулу.

167

ІІ метод - анаеробне біоочищення побутових стоків і значних органічних забруднень з допомогою мікрофлори покривного мулу (в реакторах UАSВ метатенках)

Анаеробне очищення - більш економний метод. В цьому випадку ріст менш інтенсивний, тому нема проблеми видалення надлишкового мулу. В даному методі використовують здатність мікробних клітин прикріплятись до поверхонь, утворюючи покривний мул. В якості носіїв мікробів використовують гравій, пісок або плаваючі пластикові гранули. Реактор представляє собою анаеробний крапельний фільтр в якому плавають гранули з мікробами. Утворена біомаса мулу постійно змивається потоком води, але молоді мікробні клітини залишаються прикріпленими до гранул.

В процесі анаеробного дихання мікроорганізмів органічні сполуки перетворюються до СО₂ і Н₂О, СН₄ Н₂S, N та .

1. СО₂ і Н₂O (вЦТК),

2. до СН₄ (метанобактеріями в процесі карбонатного дихання), тому і називають реактори метантенками,

3. Н₂S до (сірковідновлюючі і сульфатредукуючі - сіркове чи сульфатне дихання),

4. N та . (денітрифікуючі бактерії - нітратне дихання).

В результаті анаеробного бродіння органічні сполуки зброджуються до органічних кислот і спиртів. Анаеробне очищення особливо ефективне при сильному органічному забрудненні вод. Ця технологія застосовується як повноцінний етап мікробного очищення або як І етап для очищення слабозабруднених міських побутових стоків з наступним II етапом аеробним процесом. Первинне анаеробне очищення також доцільне для деяких промислових стоків, наприклад, забруднених токсичними галогенвмісними органічними сполуками.

III метод - біоочищення побутових стоків з допомогою біоплівки на фільтрах (невеликі міста)

Воду пропускають невеликою струєю по фільтрах з дробленого пористого каменю, на яких розвивається різноманітна за складом біоплівка. Розклад субстрату може проходити, як в аеробних, так і в анаеробних умовах.

168

Очищення води з допомогою бананових фільтрів

Бразильці придумали неординарний і дешевий спосіб очищення води. Вони запропонували позбавлятися від важких металів (міді, свинцю), які потрапляють у воду через сільськогосподарські роботи або з вини промислових підприємств, транспорту за допомогою бананів. Щоб виділити їх з питної води, Густаво Кастро з Інституту біологічних наук і його колеги з інших інститутів вирішили використовувати природні матеріали.

Бразильці І. висушили та подрібнили шкірку бананів, додали її в контейнери з водою, в якій містилась відома кількість металів (міді та свинцю).

Крім того, II вчені зробили фільтри з шкірки плодів і пропустили через них воду.

У статті, що вийшла в журналі Industrial & Engineering Chemistry, автори новації роблять висновок, що в обох випадках важкі метали «застрягли» в шкірці, вода була очищена. Процес очищення в бочках зайняв близько 10 хвилин, а бананові фільтри зберегли свої властивості протягом 11 циклів. Попередні роботи показали, що для очищення води від токсичних речовин також можуть бути використані відходи яблук, відходи переробки цукрової тростини очерету, кокосове волокно і шкаралупа горіхів.

Проблеми хлорування води. Дезінфекція питної води/

Питна вода в Україні дезінфікується шляхом хлорування. Відомо, що хлорні сполуки є токсичними для людини. Крім цього, якщо у воді є слідова кількість органічного забруднення, під впливом сильних хлорних окисників утворюються токсичні речовини. В розвинутих країнах з цією метою використовується озонування. Ці два методи дозволяють позбутися більшості мікроорганізмів. Але вони небезпечні, оскільки озон і хлор є сильними окислювачами.

169

Очищення газоподібних відходів за допомогою мікроорганізмів

- необхідне для виробництв, які викидають в атмосферу токсичні чи біологічноактивні леткі сполуки. Наприклад, виробництво барвників треба очищувати від органічних розчинників, виробництва із реакціями обезжирювання - від летучих хлорованих вуглеводнів, плодоовочеві склади - від етилену, який утворюється при дозріванні плодів.

Є 2 основних способи очищення газоподібних відходів за допомогою мікроорганізмів.

1. за допомогою біоплівки, що росте на сорбенті

В якості сорбента застосовують синтетичні речовини або подрібнену деревину, дерев’яну кору, торф чи грунт. Сорбент зволожують, а тоді через нього пропускають забруднене повітря. На сорбенті розвиваються мікроорганізми, вони формують біоплівку і розкладають токсичні речовини.

2. шляхом пропускання газоподібних відходів через рідину Промивні води тоді окремо очищують за допомогою мікроорганізмів.