Биотехнологические наработки по восстановлению нарушенных земель (по материалам 1-го международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития»)

© Е.И. Хабарова, 2003

YAK 622:.004.67

Е.И. Хабарова

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАРАБОТКИ ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ НАР"ШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ

Защита окружающей среды от влияния высокоинтенсивных технологий - одна из ключевых задач современного развития общества. В частности, в связи с исключительной ролью в эволюции жизни на Земле, в обеспечении человека необходимой продукцией и другими средствами существования, в выполнении важнейших экологических функций, все большую актуальность приобретает охрана почв.

Большие потери продуктивности земель и их плодородия связаны с загрязнением веществами, образующимися в результате промышленной и сельскохозяйственной деятельности. Многие из попадающих в почву техногенных продуктов длительно сохраняются в ней, не теряя токсичности (от нескольких месяцев до нескольких лет), что приводит к ухудшению ее свойств (сильному подкислению или подщелачива-нию, нарушению биологического режима), и поступлению химических загрязнений в растительные и животные продукты, атмосферу и природные воды. Возникает необходимость ликвидации последствий загрязнения почвенного покрова.

Значительный вклад в освещение вопросов детоксикации земельных ресурсов внес 1-й Международный конгресс «Биотехнология: состояние и пер-

спективы развития», состоявшийся 14-18 октября 2002 г. в Мосвкве. На 2-х секциях [«Биотехнология и окружающая среда» (72 доклада) и «Биотехнология и сельское хозяйство» (95 докладов)] в 17 (10 %) из 167 представленных для информации и обсуждения сообщениях, были затронуты вопросы, касающиеся биотехнологий восстановления

деградирующих в результате химического загрязнения почв.

Вниманию участников была предложена информация о некоторых разработках в области биоремидиации (биологической рекультивации), основанных на процессах, имеющих место в естественных условиях, как наиболее дешевых и не наносящих дополнительного ущерба окружающей среде методах. Под этим термином (от греч. «био» - жизнь и лат. «ремедиум» - лечить, восстанавливать) понимают применение технологий и устройств, предназначенных для удаления с помощью биологических объектов уже находящихся в почвах загрязнителей.

Биоремедиация (биорекультивация) подразумевает контролируемую регенерацию верхних слоев бесплодной поверхности нарушенных территорий. Она заключается либо в переработке неблагоприятных или токсичных для растений грунтов слоем гумуса или другими природными материалами, либо в прямом биологическом вмешательстве (если поверхность участка состоит из физически и химически благоприятных субстратов).

В представленных докладах были обозначены направления очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, нефтепродуктами, засоленными нефтепромысловыми водами, гербицидами и другими органическими соединениями.

Для достижения желаемых результатов может быть использована деятельность микроорганизмов, растений, грибов и их симбиозов. При этом делается ставка на то, что увеличение численности или активности этих организмов в месте загрязнения

приведет к существенному ускорению процессов деструкции и элиминации поллютантов, включая ксенобиотики.

В выступлениях больше всего внимания было уделено микроорганизмам. Это не удивительно: различные микроорганизмы уже давно и довольно успешно используются для обезвреживания ядовитых органических веществ. Известны огромные возможности их природных сообществ в отношении деградации новых соединений. В течение времени популяция микроорганизмов адаптируется или селектируется на способность деградировать конкретное соединение. Добавление нового субстрата в окружающую среду может запускать механизм отбора, т.е. имеет место природное генетическое конструирование. В ответ на присутствие нового субстрата организмы, изначально не обладавшие способностью эффективно использовать данное соединение, «реконструируются» переносом генетической информации, что приводит к появлению необходимых катоболи-ческих функций и способности утилизировать новое соединение. В генетическом потоке происходит случайный обмен генетическим материалом. Однако, как только происходит удачная перестановка, «новый» микроорганизм получает селективное преимущество. Эти механизмы предполагают, что наблюдаемые в лаборатории обмены генетическим материалом между организмами, даже через межвидовые и межродовые барьеры, встречаются в естественных условиях. Это действительно происходит, хотя очень редко.

Существующее в природе разнообразие микроорганизмов-редуцентов дает основание для развития следующих основных направлений деятельности.

1. Активизации аборигенной микрофлоры на загрязненных площадях путем создания оптимальных условий для ее развития (например, при использовании на фоне традиционных агротехнических приемов (рыхления и полива) специально подобранных удобрений: органических, орга-но-минеральных и минеральных).

Принцип получил название «биостимуляция in situ (биостимуляция в месте загрязнения). Этот подход основан на стимулировании роста природных микроорганизмов, естественно содержащихся в загрязненной почве и потенциально способных утилизировать загрязнитель, но не способных делать это эффективно из-за отсутствия полного набора пищевых компонентов (недостатка соединений азота, фосфора, калия и др.). В этом случае в ходе лабораторных испытаний с использованием образцов загрязненной почвы устанавливают, какие именно пищевые добавки и в каких количествах следует внести в загрязненную почву, чтобы стимулировать рост микроорганизмов, способных утилизировать загрязнитель. Некоторые фирмы располагают запатентованными биодобавками, которые, согласно рекламной информации, оказывают универсальное стимулирующее действие на широкий спектр микроорганизмов, способных к утилизации большого количества загрязнителей.

2. Выделения и исследования различных штаммов микроорганизмов, эффективно проявляющих себя при различных климатических, почвенных и других естественных факторах, и разработка методов стимуляции их де-градативной активности. Принцип получил название «биостимуляция in vitro>. Отличие этого подхода от вышеописанного в том, что биостимуляция образцов естественной микрофлоры загрязненной почвы проводится сначала в лабораторных или промышленных условиях (в биореакторах или ферментерах). При этом в биореакторе обеспечивается преимущественный и избирательный рост тех микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. Затем таким образом «стимулированную» (специально отселек-ционированную, обогащенную) микрофлору вносят в загрязненную почву. При этом одновременно со «стимулированными» микроорганизмами вносят и необходимые пищевые добавки, по-

вышающие эффективность утилизации загрязнителя. Иногда бывает необходимо обеспечить принудительную аэрацию загрязненной почвы, чтобы повысить скорость микробного окисления загрязнителей.

3. Создание и интродукция в загрязненную экосистему биопрепаратов на основе одного или нескольких специально подобранных активных микроорганизмов-деструкторов (например, «Олеоворин»). Принцип получил название «биоаугментация» (биоулучшение). В этом случае в загрязненную почву вносят относительно большое количество специализированных микроорганизмов, которые заранее были выделены из различных загрязненных источников и/или специально генетически модифицированы.

В частности, активно разрабатываются варианты биологической рекультивации нефтезаг-рязненных почв. Для решения этой проблемы предлагается:

- совместное приме-

нение активированной аборигенной микрофлоры и интродуци-руемых популяций углеводородоокисляющих микроорганизмов, в том числе бактерий рода Лго-ЮЬас±ег (Л.сИгоососсит,

Л.уте1апсШ, Л.Ье]еппскП), к тому же обладающих способностью повышать биоремедиационную способность интродуцированных популяций других углеводородоокисляющих микроорганизмов;

- использование специализированных установок, на которых производится обезвреживание грунта при добавлении биопрепарата «Олеоворин» в оптимальных условиях температуры, влажности, доступа воздуха, наличия биогенных элементов и др., в результате чего получается обезвреженный грунт, разрешенный для использования в городском хозяйстве.

Модернизированная технология очистки территории от нефтепродуктов состоит из 3-х этапов:

- создания в специальном биореакторе водно-почвенной пульпы и введения в нее на 2-3 часа микробного сообщества для интенсификации процесса биофлотации, в результате чего отделяется 95-98 % загрязнения;

- формирования почвосмеси с использованием биосорбента природной основы с иммобилизованными нефтеокисляющими культурами для более глубокой очистки почвогрунта;

- устройства биогрядок на 3-4 теплых месяца для доочистки от нефтепродуктов.

Для биотехнологической очистки окружающей среды от по-лиароматических углеводородов (ПАУ), наиболее персистентных компонентов нефтяных загрязнений, обладающих токсичностью и канцерогенностью, осуществлен синтез лабораторных штаммов с включенными в них плазмидами, контролирующими процессы деструкции ПАУ, которые имитируют природную генетическую «реконструкцию», обусловленную появлением нового субстрата.

Реализуются и другие варианты интенсификации процессов очистки:

- использование переносчиков кислорода (неионогенных поверхностно активных веществ (ПАВ), состоящих из блок-сополимеров этилена и пропилена, и ионогенных ПАВ, содержащих аминокислотные группировки) позволяет очищать почву от нефтепродуктов с концентрацией, превышающей предельную в 2.5-4 раза и сокращать продолжительность процесса биодеградации в 1.5-2 раза.

- иммобилизация (закрепление) микроорганизмов на сорбентах биогенного, органического и неорганического происхождения (деструктурированная радиационно-химическим методом ось куриного пера, гидрофо-бизированная целлюлоза, вспученные перлит и вермикулит) в 4 раза уменьшает рабочую концентрацию микроорганизмов и в 1.52 раза сокращает время очистки от нефтяных загрязнений;

- иммобилизованные композиции, имеющие в своем составе галофильные бактерии, защищающие бактерии рода Pseudomonas от губительного для них воздействия солей, позволяют бороться с нефтяными загрязнениями на засоленных почвах.

Установлено, что биоремедиация почв, загрязненных гер-

бицидами (в частности, промет-рином или 2-метилтио-4,6-бис (изопропиламино) сим-триази-ном), существенно ускоряется при внесении в почву соломы зерновых злаковых культур, т.к. формирующийся в компосте консорциум микроорганизмов-

гидролитиков активно разлагает гербициды и ряд других ксенобиотиков, используя целлюлозу, гемицеллюлозу и продукты их гидролиза в качестве источника углерода и косубстрата. Для реализации механизма инокуляции почвы микроорганизмами, утилизирующими полисахариды, создан препарат консорциума на твердофазном субстрате, и разработан простой, дешевый и эффективный метод биоремедиации почв, загрязненных гербицидами производными сим-триазинов.

Однако микроорганизмы не способны удалять из почвы тяжелые металлы. Иное дело зеленые растения, которые извлекают из окружающей среды и концентрируют в своих тканях различные химические элементы. Растительную массу не составляет особого труда собрать и сжечь, а образовавшийся пепел или захоронить, или использовать как вторичное сырье. Этот метод очистки был назван фиторемедиацией (от греч. «фитон» -растение и лат. «ремедиум» - лечить, восстанавливать).

Фиторемедиация была признана эффективным и экономически выгодным методом очистки почв только после того, как были обнаружены растения-гипераккумуляторы, способные накапливать в своих листьях до 5% тяжелых металлов в пересчете на сухой вес, т.е. в десятки раз больше, чем обычные растения.

В частности, на конгрессе было доложено, что для очистки почв от свинца (Pb), меди (Cu) и никеля (Ni) может быть рекомендован клевер луговой, от кобальта (Co) - бодяк полевой и тысячелистник обыкновенный, а от цинка (Zn) и кадмия (Cd) - растения семейства амаранта. Были установлены наиболее активные периоды накопления металлов в процессе роста и развития растений, определены места локализации тяжелых металлов в клетках и разработаны способы, увеличивающие примерно на 1 порядок значения накопления тяжелых металлов в вегетативных органах в результате предварительной обработки семян и растений в период вегетации.

К сожалению, мало чего известно о механизме накопления. Возможно, растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корни выделяют в почву какие-то природные веще-ства-комплексообразователи. Если предположить, что немалую роль в повышении биологической доступности тяжелых металлов может играть и почвенная микрофлора, то становится понятным, почему интенсивность микробиологических процессов увеличивается при использовании технологии ремедиации почв на основе микробно-растительного взаимодействия.

В настоящее время для целей биоремедиации наиболее перспективным представляется комбинированное использование растений, аккумулирующих тяжелые металлы и ризосферных бактерий рода Pseudomonas, обладающих способностью стимулировать рост растений (PGPRP). Последнее условие может быть достигнуто, в частности, путем

переноса в PGPRP плазмид, контролирующих соответствующие признаки. Использование природных микроорганизмов и плазмид вкупе с естественными способами горизонтального переноса генетической информации позволяет получать штаммы микроорганизмов, не представляющих какой-либо опасности для окружающей среды.

Аналогично положительные результаты были зафиксированы для восстановления почв, загрязненных токсичными дозами сульфата алюминия или нефти, с использованием нового синтетического регулятора роста растений и микроорганизмов - гидро-петрина.

Выращивание растений (МесИ-садо эаИуа Ь.) в течение двух лет на почве, загрязненной битумом, улучшало деструкцию углеводородов нефти на 9 % по сравнению с незасеянной (84 и 75 % соответственно). Аналогичный эксперимент на почве, загрязненной ПАУ, выявил стимулирующую роль люцерны, оценивающуюся в 20 % (74 против 54 %).

Внесение в нефтезагрязнен-ную землю мицелия грибов белой гнили (Р1еиго.и озГеаив) не влияло на деструкцию парафинов (68 % в опыте и контроле за 1 месяц), но существенно сказывалось на деградации ПАУ (31 % - против полного отсутствия убыли этих соединений в контроле).

Дальнейшего развития методов фиторемедиации можно, по-видимому, ожидать после того, как методами генной инженерии будут созданы растения, срособ-ные более эффективно, чем известные виды, концентрировать тяжелые металлы.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Хабарова Елена Ивановна - кандидат химических наук, доцент, зав. кафедрой «Прикладная экология и охрана труда» Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

ХАБАРОВА

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB11~03 C:YUsersYТаняYAppDataYRoammgYMicшsoftYШаблоныYNormaLdotm БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАРАБОТКИ ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ

НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ Содержание:

Автор: Хабарова

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки:

Дата печати:

При последней печати страниц: слов:

знаков:

21.08.2003 13:19:00

3

21.08.2003 13:22:00 Гитис Л.Х.

5 мин.

09.11.2008 18:16:00

3

2 178

12 421