Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО "ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ

Курсовая работа

Боремедиации акваторий и почв, загрязненных нефтью, с помощью бактерий-биодеструкторов

Исполнитель: студент 3 курса

Худобич Николай Александрович

Научный руководитель:

канд. биологических наук,

доцент Безрученок Николай Николаевич

ПИНСК 2016

Содержание

• Введение
• Глава 1. Обзор литературы
• 1.1 Влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую природную среду
• 1.2 Компоненты нефти и их действие
• 1.3 Нефтяное загрязнение почв
• Глава 2. Понятие биоремедиации
• 2.1 Микроорганизмы-деструкторы нефти и нефтепродуктов
• 2.2 Способы рекультивации нефтезагрязненных почв и грунтов с применением методов биоремедиации
• Глава 3. Биоремедиация in situ
• 3.1 Биоремедиация ex situ
• 3.2 Другие улучшенные методы биоремедиации
• Заключение
• Список литературы

Введение

Биоремедиация - комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов - растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.

Я выбрал данную тему для своей курсовой работы, так как считаю, что полученная информация в ходе написания этой работы пригодится для моей будущей профессии. Рассматриваемая тема является очень актуальной, потому что сейчас на многих предприятиях используются токсичные вещества и люди подвержены их негативному влиянию.

Нефть (через тур. neft, от перс. naft; восходит к аккадскому напатум - вспыхивать, воспламенять) - природная горючая маслянистая жидкость со специфическим запахом, распространенная в осадочной оболочке Земли. Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть - жидкие углеводороды (УВ) (> 500 веществ; 80-90% по массе) и гетероатомные органические соединения (4-5%), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородсодержащие (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые). Минорные компоненты - растворённые углеводородные газы (C1-C4; 0.1-4%), вода (0-10%), минеральные соли (главным образом хлориды; 0.1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и механические примеси (частицы глины, песка, известняка).

нефть биоремедиация загрязнение почва

Глава 1. Обзор литературы

При написании данной работы были использованы научная и учебно-методическая литература, статьи в периодических издания.

Основными источниками, раскрывающими теоретические основы моей работы, явились работы А.И. Гриценко, Г.С. Акопов, И.Ф. Скокова, Михалев М.Ф., Дытнерский Ю.И., Foster R.L, Mann J.S.

В литературном обзоре охарактеризованы способы глубинного культивирования микроорганизмов продуцентов ферментов. Проанализирован ассортимент и технологические особенности производства различных существующих на сегодняшний день способов получения бактерий-биодеструкторов, приведены данные. Приведенные литературные данные служат обоснованием поставленной цели и задач настоящего исследования.

1.1 Влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую природную среду

Нефть - не только ценнейшее химическое сырье и (на сегодня) важнейший источник энергии, но и серьезная угроза окружающей среде.

С каждым годом все больше внимания уделяется проблемам загрязнения окружающей среды. Нефть и нефтепродукты - наиболее распространенные загрязнители, нарушающие и угнетающие все жизненные процессы: они подавляют дыхательную активность и микробное самоочищение, изменяют естественное соотношение численности микроорганизмов, меняют направление обмена веществ, накапливаются в виде трудноокисляемых продуктов. Эта проблема стоит остро не только для нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих регионов; любой город может столкнуться с нефтезагрязнением, поскольку хранилища горюче-смазочных материалов распространены повсеместно. В этой связи очень актуальна разработка эффективных способов биологической очистки нефтезагрязненных почв для конкретных регионов [11].

К сожалению, для современной цивилизации вполне привычными стали экологические катастрофы, связанные с наземными разливами нефтепродуктов. Загрязнение такого рода негативно воздействуют на почвенный слой, поверхностные и подземные воды, геологическую среду. Немалая доля таких происшествий связана с авариями на нефтехранилищах и их ненадлежащей эксплуатацией. При этом даже после прекращения действия таких нефтехранилищ они на долгие годы остаются источниками загрязнений. По степени отрицательного влияния на экосистемы нефть, нефтепродукты и нефтесодержащие промышленные отходы, в том числе пластиковый и полиэтиленовый мусор, занимают второе место после радиоактивного загрязнения. Несовершенство технологий добычи, транспортировки, переработки и хранения нефти приводит к ее значительным потерям, которые достигают 50 млн. т/год, то есть 2% от общей добычи. Так, 20 апреля 2010 г. на буровой платформе Deepwater Horizon нефтегазовой компании British Petroleum в Мексиканском заливе произошел неконтролируемый выброс нефти с глубины 1500 м. Оценки масштабов выброса нефти различны: от 5 до 60 тыс. баррелей в день [15]. Объём разлива нефти, произошедшего в результате аварии на танкере Эксон Вальдез, которая ранее считалась наиболее разрушительной из морских катастроф, составил около 260 тыс. баррелей нефти.

С неуклонным ростом плотности автотранспорта на территории городов увеличивается число заправочных станций и обслуживающих пунктов, а это, в свою очередь, повышает вероятность возникновения разливов нефтепродуктов и создает пожаро - и экологически опасную ситуацию. В настоящее время эти загрязненные территории не подвергаются обработке. Процесс естественного самовосстановления загрязненной среды является очень длительным: при уровне загрязнения 5 г/кг почвы он длится от 2 до 30 лет и выше. В связи с этим, остро стоит вопрос разработки экологически безопасных и экономически обоснованных мероприятий, направленных на интенсификацию процессов биологической очистки и восстановления плодородия земель. [14].

1.2 Компоненты нефти и их действие

Нефть (через тур. neft, от перс. naft; восходит к аккадскому напатум - вспыхивать, воспламенять) - природная горючая маслянистая жидкость со специфическим запахом, распространенная в осадочной оболочке Земли. Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть - жидкие углеводороды (УВ) (> 500 веществ; 80-90% по массе) и гетероатомные органические соединения (4-5%), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородсодержащие (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые). Минорные компоненты - растворённые углеводородные газы (C1-C4; 0.1-4%), вода (0-10%), минеральные соли (главным образом хлориды; 0.1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и механические примеси (частицы глины, песка, известняка) [7].

Легкая фракция нефти (наиболее подвижная часть) включает низкомолекулярные алканы, нафтены и ароматические УВ. Метановые УВ, находясь в почвах, водной или воздушной средах, оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеводородной цепью. Они лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цитоплазматические мембраны организма. Легкая фракция мигрирует по почвенному профилю и водоносным горизонтам, значительно расширяя ареал первичного загрязнения [11].

Ароматические УВ - наиболее токсичные компоненты нефти: в концентрации всего 1% в воде они убивают все водные растения. Бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое действие на организм, чем полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Последние действуют медленнее, но более длительное время, являясь хроническими токсинами. В основе практически всех техногенных источников ПАУ лежат термические процессы, связанные со сжиганием и переработкой органического сырья: нефтепродуктов, угля, древесины, мусора, пищи, табака и др. Такие соединения, как бенз [a] антрацен, бенз [a] пирен и овален, обладают ярко выраженными канцерогенными, мутагенными и тератогенными свойствами [1].

Еще одна фракция нефти - парафины - сама по себе не токсична для живых организмов и в условиях земной поверхности переходят в твердое состояние, лишая нефть подвижности. Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе. Он надолго может "запечатать" все поры почвенного покрова, лишив почву возможности свободного влагообмена и дыхания, что, в конечном счете, приводит к полной деградации биоценоза.

1.3 Нефтяное загрязнение почв

Вредное экологическое влияние смолисто-асфальтеновых компонентов на почвенные экосистемы заключается не в химической токсичности, а в значительном изменении водно-физических свойств почв. Если нефть просачивается сверху, ее смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в основном в верхнем, гумусовом горизонте иногда прочно цементируя его. При этом уменьшается поровое пространство почв. Обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги, в результате чего растения погибают. Эти вещества малодоступны микроорганизмам, процесс их метаболизма идет очень медленно - иногда десятки лет [4].

Ранее предполагалось, что микроорганизмы, способные разлагать и использовать углеводороды нефти и нефтепродуктов, встречаются только там, где расположены нефтепромыслы, нефтехранилища или нефтепроводы, однако, согласно современным данным, микроорганизмы-нефтедеструкторы распространены в природе очень широко и могут быть выделены из любой почвы, осадочных пород, морской и речной воды. Эти гетеротрофные микроорганизмы могут усваивать разнообразные органические соединения - углеводы, белки, жиры и пр. Численность микроорганизмов-нефтедеструкторов в естественных биоценозах в немалой степени определяется климатическими условиями, типом почв, степенью их обработки, глубиной залегания грунтовых вод [20].

В большинстве случаев метаболизм парафиновых углеводородов начинается с окисления терминальной метильной группы в спирт и, далее, через альдегид до соответствующей жирной кислоты. Дальше процесс идет по пути? - окисления жирных кислот, при котором за каждый цикл длина цепочки жирной кислоты укорачивается на два углеродных атома. Как правило, ферменты, участвующие в этом процессе, обладают низкой специфичностью и могут участвовать в утилизации углеводородов с различным числом углеродных атомов. Конечные продукты метаболизма нефти в почве следующие:

углекислота (связывается в составе карбонатов) и вода;

кислородсодержащие соединения (спирты, кислоты, альдегиды, кетоны), которые частично входят в почвенный гумус, частично растворяются в воде и удаляются из почвенного профиля;

Так, главный продукт окисления нафталина - салициловая кислота; антрацена - 3-гидрокси-2-нафтойная; фенантрена - 1-гидрокси-2-нафтойная; хризена - гидроксифенантренкарбоновая и бензо [a] пирена - гидроксипиренкарбоновая кислоты.

Твердые нерастворимые продукты метаболизма - результат дальнейшего уплотнения высокомолекулярных продуктов или связывания их в органо-минеральные комплексы;

Именно химический и композиционный состав отдельных компонентов нефти определяют особенности утилизации их микроорганизмами. Решающее значение для использования алифатических углеводородов имеет длина цепи: по мере удлинения цепи парафинов растет число видов микроорганизмов, способных использовать эти соединения, а также активность их использования. После первичной атаки микроорганизмов в нефтезагрязненной среде остаются алканы с очень длинной цепью, полициклические нафтены, полиароматические углеводороды и смеси веществ, составляющие фракцию смол и асфальтенов. Все эти вещества не могут быть метаболизированы отдельными микроорганизмами, и их деструкция в природных условиях связывается с действием смешанных популяций микроорганизмов, - сообществ, для которых характерны отношения кооперации и взаимопомощи [20].

Глава 2. Понятие биоремедиации

На первое место сейчас выходит биоремедиация (bio - жизнь, remedio - лечение) - очищение природной среды от загрязнений при помощи биологических методов. При этом необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Это может быть биостимуляция аборигенной микрофлоры путем внесения удобрений непосредственно в загрязненную экосистему или внесение специализированных препаратов микроорганизмов, созданных для очистки загрязненных экосистем [2].

Использование нефтеокисляющих микроорганизмов для очистки окружающей среды является не новой, но недостаточно изученной областью исследований. Продолжается поиск новых деструкторов углеводородов нефти и выявление оптимальных условий эффективного использования имеющихся препаратов.

2.1 Микроорганизмы-деструкторы нефти и нефтепродуктов

Кооперация - это уникальные взаимоотношения между метаболически разными типами бактерий, которые зависят друг от друга при разрушении субстратов. По характеру взаимосвязей можно выделить несколько таких сообществ, в которых ассоциация микроорганизмов становится более эффективной, чем отдельно взятые виды:

в которых непосредственные деструкторы углеводородов не способны к синтезу тех или иных компонентов, необходимых для роста (например, витаминов), и этот дефицит покрывается за счет метаболической активности других членов сообщества;

в других сообществах некоторые метаболиты, в какой-либо мере подавляющие рост организма-деструктора, удаляются остальными членами сообществ [14];

в некоторых сообществах осуществляется передача восстановительных эквивалентов от одной популяции другой. При этом за счет активности акцепторного организма становится возможным анаэробное разрушение ароматических соединений другими микроорганизмами.

Оптимальная скорость переноса метаболитов достигается в случае тесного контакта партнёров: непосредственного соседства, образования агрегатов или "флокков". Также для описания различных коопераций микроорганизмов используется термин консорциум [14].

При этом необязательно чтобы консорциум состоял только из нефтедеструкторов. Возможно, наиболее эффективным будет взаимодействие нескольких активных нефтедеструкторов, ориентированных на разные фракции нефти, и нескольких гетеротрофных микроорганизмов, не обладающих углеводородокисляющей способностью, но способных ассимилировать продукты промежуточного окисления углеводородов, часто токсичных для углеводородокисляющих организмов. Проблема создания подобных консорциумов состоит в том, что очень сложно оценить потенциал углеводородокисляющих ферментных систем, а также трофические связи внутри сообщества. Необходимо отметить, что создание универсального биопрепарата (консорциума микроорганизмов, спроектированного специально для задач биоремециации) невозможно по ряду причин [5]:

во-первых, нефти разных месторождений отличаются друг от друга по фракционному и композиционному составу;

во-вторых, в практике биоремедиации приходится сталкиваться не только с нефтяными загрязнениями, но и с загрязнениями нефтепродуктами, которые резко отличаются по химическим свойствам от исходной нефти;

в-третьих, районы добычи, переработки и хранения нефти и нефтепродуктов значительно отличаются друг от друга по природно-климатическим и гидротермическим условиям [10].

Большой популярностью пользуются микробные препараты, предлагаемые в широком ассортименте биотехнологическими компаниями Европы, США и Японии. Однако, как свидетельствует практика, применение заполнивших российский рынок зарубежных бакпрепаратов, разработанных для районов, по климатическим и экологическим условиям резко отличающихся от регионов России, оказывается малоэффективным. Среди отечественных препаратов наибольшую известность получили "Деворойл", "Ленойл", "Путидойл", "Белвитамил", "Нафтокс", "Биоприн". Эти препараты разрешены к применению Государственным Комитетом санитарно-эпидемиологического надзора при Президенте РФ и экспертной комиссией главного управления государственной экологической экспертизы Минприроды России [10].

В результате биологической обработки нефтяного загрязнения биопрепаратами в окружающей среде остаются легко разлагающийся бактериальный белок, не требующий последующей утилизации, и нетоксичные продукты разложения нефти. Продукты жизнедеятельности бактерий и сами отмирающие бактерии легко усваиваются аборигенной микрофлорой, давая основу для формирования гумуса (при использовании препарата для очистки почвы) или образуя донный ил (в случае применения на воде). Степень очистки зависит от исходной величины загрязнения, вида нефтепродукта, механического состава грунта [10].

На Кафедре биохимии и физиологии клетки Воронежского Государственного Университета совместно с Проектной организацией ООО "ВЕГА-эко" разрабатывают биопрепарат, эффективный в условиях местного региона. Были изучены штаммы рода Acinetobacter (B-2838, B-5064 и B-3780), полученные из Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов ФГУП ГосНИИГенетика.

Грамотрицательные бактерии рода Acinetobacter - свободноживущие гетеротрофы, обнаруженные в почве, воде, сточных водах и пище. Некоторые представители Acinetobacter присутствуют в составе кожной микрофлоры человека. Таким образом, представители Acinetobacter распространены практически повсеместно. Их метаболическая универсальность означает, что они могут играть важную роль в коммерчески важных промышленных процессах, а также в биологическом разложении ряда веществ, загрязняющих окружающую среду, - Acinetobacter (в составе микробных сообществ) разлагает соединения, токсичные для большинства микроорганизмов. Некоторые представители рода способны выделять полимеры, которые эмульгируют углеводороды и нефть, делая эти субстраты доступными для разложения в водной среде [7].

Штаммы Acinetobactercalcoaceticus и Acinetobacterradioresistens эффективно окисляют ароматические и нециклические компоненты. Особенно важной является способность к росту на ароматических углеводородах, таких как толуол, бензол и ксилол, которые в естественных условиях и при биоремедиации разлагаются сложнее всего. При изучении активности в лаборатории степень деградации нефтепродуктов составила от 40.3 до 99.7% для разных штаммов. В микрополевом опыте в течение 60 дней деструкция нефтепродуктов на участке без добавления биопрепарата составила 8.83% за счет деятельности аборигенной микрофлоры, а на участке с внесением биопрепарата - уже 48.37% [8-10].

Бактерии A. calcoaceticus продуцируют биосурфактантэмульсан, а бактерии A. radioresistans - биосурфактанталасан [10]. Эмульсанэмульгирует легкие фракции нефти, дизельное топливо, сырую нефть и газойли. Аласан - высокомолекулярный комплекс белков и полисахаридов, стабилизирующий различные масляно-водные эмульсии, включающие н-алканы с длиной цепи 10 и более углеродных атомов, алкилароматические углеводороды, жидкий парафин и сырую нефть [7].

Для определения изменения биологической активности почвы в процессе биоремедиации часто используют показатели пероксидазной и полифенолоксидазной активности. Пероксидаза участвует в реакции конденсации веществ при образовании гуминовых кислот, а также в окислительно-восстановительных процессах в почве (ее влияние направлено на окисление гумусовых веществ). Полифенолоксидазы участвуют в превращении органических соединений ароматического ряда в компоненты гумуса. Увеличение активности пероксидазы объясняется включением фермента в процесс детоксикации, а полифенолоксидазы - трансформацией продуктов нефтяного разложения в компоненты гумуса. Низкие дозы загрязнения активизируют эти ферменты, средние и высокие - оказывают ингибирующее действие.

Из литературных данных известно, что внесение в почву структурообразующих субстратов, таких как опилки, торф и т.д., благотворно влияет на биоремедиацию, поскольку такие субстраты, во-первых, служат сорбентами нефтепродуктов, а во-вторых, улучшают аэрацию почвы [13]. Но при этом может возникнуть конкуренция между нефтедеструкторами и целлюлозолитиками за источники азота. Поэтому одним из решений данной проблемы является добавление к консорциуму штаммов диазотрофов, способных к фиксации азота и накоплению его в более доступной форме для нефтедеструкторов. Таким образом, использование консорциума из штаммов Acinetobacter и диазотрофов, таких как Azospirillum, может стать очень перспективным способом очистки нефтяных загрязнений.

2.2 Способы рекультивации нефтезагрязненных почв и грунтов с применением методов биоремедиации

Рекультивация земель - это комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель. Задача рекультивации нефтезагрязненных почв и грунтов - снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения [12]. В настоящее время разработан ряд методов ликвидации нефтяных загрязнений почвы, включающие механические, физико-химические, биологические методы.

До недавнего времени наиболее распространенным и дешевым методом ликвидации нефтяного загрязнения было простое сжигание. Этот способ неэффективен и вреден по двум причинам:

1. сжигание возможно, если нефть лежит на поверхности густым слоем или собрана в накопители, пропитанные ею почва или грунт гореть не будут;

2. на месте сожженных нефтепродуктов продуктивность почв, как правило, не восстанавливается, а среди продуктов сгорания, остающихся на месте или рассеянных в окружающей среде, появляется много токсичных, в частности канцерогенных веществ [3].

Очистка почв и грунтов в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром дорогостояща и малоэффективна для больших объемов грунта. Требуются большие земляные работы, в результате чего нарушается естественный ландшафт, а после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды - источник канцерогенной опасности [12].

Землевание замедляет процессы разложения нефтяных углеводородов, приводит к образованию внутрипочвенных потоков нефти, пластовой жидкости и загрязнению грунтовых вод. Складирование загрязненной почвы создает очаги вторичного загрязнения [2].

Качественное удаление нефтяных загрязнителей при высоких уровнях загрязнения зачастую не обходится без применения различного рода сорбентов. Среди возможного сырья для производства сорбентов наиболее привлекательными являются естественное органическое сырье и отходы производства растительного происхождения. К такому сырью относятся торф, сапропели, отходы переработки сельскохозяйственных культур и др. [6].

Существует технология очистки почв и грунтовых вод путем промывания их поверхностно-активными веществами. Этим способом можно удалить до 86% нефти и нефтепродуктов. Применять его в широких масштабах вряд ли целесообразно, так как поверхностно-активные вещества сами загрязняют окружающую среду, и появится проблема их сбора и утилизации [12].

Существующие механические, термические и физико-химические методы очистки почв от нефтяных загрязнений дорогостоящи и эффективны только при определенном уровне загрязнения (как правило, не менее 1% нефти в почве), часто связаны с дополнительным внесением загрязнения и не обеспечивают полноты очистки. В настоящее время наиболее перспективным методом для очистки нефтезагрязненных почв, как в экономическом, так и в экологическом плане является биотехнологический подход, основанный на использовании различных групп микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеградации компонентов нефтей и нефтепродуктов [12]. Способность утилизировать трудноразлагаемые вещества антропогенного происхождения (ксенобиотики) обнаружена у многих организмов. Это свойство обеспечивается наличием у микроорганизмов специфических ферментных систем, осуществляющих катаболизм таких соединений. Поскольку микроорганизмы имеют сравнительно высокий потенциал разрушения ксенобиотиков, проявляют способность к быстрой метаболической перестройке и обмену генетическим материалом, им придается большое значение при разработке путей биоремедиации загрязненных объектов.

Под термином "биоремедиация" принято понимать применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистки почв, т.е. для удаления из почвы уже находящихся в ней загрязнителей [1].

Биоремедиация включает в себя два основных подхода:

1. биостимуляция - активизация деградирующей способности аборигенной микрофлоры внесением биогенных элементов, кислорода, различных субстратов;

2. биодополнение - интродукция природных и генноинженерных штаммов-деструкторов чужеродных соединений.

Биостимуляция insiti (биостимуляция в месте загрязнения). Этот подход основан на стимулировании роста природных микроорганизмов, обитающих в загрязненной почве и потенциально способных утилизировать загрязнитель, но не способных делать это эффективно из-за недостатка основных биогенных элементов (соединений азота, фосфора, калия и др.) или неблагоприятных физико-химических условий. В этом случае в ходе лабораторных испытаний с использованием образцов загрязненной почвы устанавливают, какие именно компоненты и в каких количествах следует внести в загрязненный объект, чтобы стимулировать рост микроорганизмов, способных утилизировать загрязнитель [12].

Биостимуляция invitro. Отличие этого подхода в том, что биостимуляция образцов естественной микрофлоры загрязненной почвы проводится сначала в лабораторных или промышленных условиях (в биореакторах или ферментерах). При этом обеспечивается преимущественный и избирательный рост тех микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. "Активизированную" микрофлору вносят в загрязненный объект одновременно с необходимыми добавками, повышающими эффективность утилизации загрязнителя [12].

Существующие два пути интенсификации биодеградации ксенобиотиков в окружающей среде - стимуляция естественной микрофлоры и интродукция активных штаммов, не только не противоречат, но и дополняют друг - друга.

Глава 3. Биоремедиация in situ

Биоремедиация in situ основана на очистке среды от поллютанта без удаления загрязнённой почвы из района загрязнения. Поскольку технологии этого типа не требуют проведения землеройных работ, они являются более дешёвыми, создают меньше запыления воздуха и высвобождают меньше летучих поллютантов, чем технологии ex situ [1].

Один из подходов биоремедиации in situ заключается во введении в загрязнённую почву кислорода с помощью специального оборудования, с тем, чтобы стимулировать рост микроорганизмов и аэробную биодеградацию поллютантов. Данная техника чаще всего применяется для очистки от различных нефтепродуктов.

Помимо кислорода стимуляция биодеградации может осуществляться путём введение в почву питательных веществ для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих деградацию поллютанта. Чаще всего для этих целей используют азот - и фосфорсодержащие удобрения [1].

Другим распространённым подходом является введение в почву микроорганизмов (в том числе генетически модифицированных) или ферментов для ускорения деградации органических поллютантов, присутствующих в почве [1].

3.1 Биоремедиация ex situ

Биоремедиация ex situ основана на снятие слоя загрязнённой почвы и очистке её от поллютантов за пределами места загрязнения, что делает этот подход более дорогостоящим, чем биоремедиация in situ. Тем не менее, у технологий данного типа есть ряд преимуществ: они требуют меньше времени и обеспечивают полный контроль процесса очистки [3].

Одним из типов применяемых при биоремедиация in situ технологий является использование биореакторов. Перед помещением в биореактор из почвы удаляются крупные камни, грунт подвергается перемешиванию, что делает его более однородным; после добавления воды образуется глинистая суспензия. В данную суспензию вносятся проводящие очистку от поллютанта почвы микроорганизмы, для которых в реакторе создаются оптимальные условия. После завершения процесса очистки почва высушивается и возвращается в окружающую среду [3].

Другой подход биоремедиации in situ заключается в том, что удалённая с места загрязнения почва размещается на определённой территории, её обеспечивают аэрацией, питательными веществами и водой для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих биоремедиацию. По сравнению с очисткой с помощью биореакторов, данная технология требует много места и занимает дольше времени. Можно выделить несколько различных вариантов такого подхода [3].

В одном из вариантов загрязнённую почву удаляют с места загрязнения и распределяют тонким слоем на площади, специально огороженной по периметру для предотвращения распространения загрязнения за её пределы. Почву вспахивают для обеспечения доступа кислорода почвенным микроорганизмам и добавляют стимулирующие их рост вещества. Также над почвой разбрызгивают воду, что позволяет поддерживать оптимальную влажность и понижает запыленность воздуха [17].

Загрязнённую почву можно также складывать толстым слоем высотой 1-3 метра. При этом аэрация путём вспахивания заменяется аэрацией с помощью системы труб, доставляющих в почву воздух для стимуляции биодеградации. В данном случае почву обычно смешивают с каким-нибудь рыхлым веществом (например, соломой), чтобы облегчить аэрацию. В процессе ремедиации из-за продувки воздуха происходит испарение из грунта различных веществ, в том числе самого поллютанта, поэтому система обязательно снабжается датчиком состава почвенных испарений. Также в грунт добавляют удобрения и поддерживают на определённом уровне влажность [11].

При смешивании грунта с большим количеством разрыхлителей (сена, кукурузных кочерыжек, соломы) аэрацию можно осуществлять с помощью вакуумных насосов или вентиляторов. Такую смесь также можно аэрировать путём перемешивания в специальных резервуарах. Ещё один вариант - размещение загрязнённой почвы с разрыхлителем в длинные кучи, регулярно перемешиваемые тракторами. Во всех этих трёх случаях соотношение разрыхлитель/почва составляет примерно 1/3. После каждого перемешивания почва укрывается, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность. Очистка таким способом занимает недели вместо обычных для биоремедиации почв месяцев [3].

3.2 Другие улучшенные методы биоремедиации

Существует целый ряд методов биоремедиации, позволяющих проводить более полную очистку почвы, причём как в условиях in situ так и ex situ [12].

Одной из таких перспективных технологий является применение пены.

Смесь пенообразующего вещества вместе с деградирующими бактериями накачивается сжатым воздухом на определённой глубине почвы. Пена мобилизирует загрязняющие вещества (в частности жидкие углеводороды) и повышает их биодоступность. С помощью вакуумного насоса смесь пены, бактерий и деградируемого поллютанта выкачивается из почвы, поллютант удаляется на дальнейшую деградацию, а очищенное пенообразующее вещество снова используют вместе с микроорганизмами для очистки.

Другая перспективная технология биоремедиации почвы основана на механизме электролиза [12].

В почву помещают две противоположно электрически заряженных конструкции (по сути, катод и анод). Происходит электролиз почвенной воды, образуется водород и стимулирующий метаболизм деструкторов кислород. Кроме стимуляции кислородом, рост и метаболизм микроорганизмов стимулируется повышением температуры, сопровождающим электролиз. Водород и кислород, а также другие выделяющиеся из почвы газообразные вещества, затем собирают в танкер. После смешивания в танкере они обратно накачиваются в почву. Также в почву поставляется вода и лактат для обеспечения оптимальной влажности и рН [12].

Заключение

На основании изучения влияния нефтепродуктов на окружающую природную среду, можно сделать вывод о том, что нефть и нефтепродукты - наиболее распространенные загрязнители, нарушающие и угнетающие все жизненные процессы: они подавляют дыхательную активность и микробное самоочищение, изменяют естественное соотношение численности микроорганизмов, меняют направление обмена веществ, накапливаются в виде трудноокисляемых продуктов.

Выявление основных компонентов нефти устанавливает, что нефть состоит из смеси около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть - жидкие углеводороды (УВ) (> 500 веществ; 80-90% по массе) и гетероатомные органические соединения (4-5%), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородсодержащие (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые). Минорные компоненты - растворённые углеводородные газы (C1-C4; 0.1-4%), вода (0-10%), минеральные соли (главным образом хлориды; 0.1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и механические примеси (частицы глины, песка, известняка).

В ходе исследований, можно выделить микроорганизмы-деструкторы нефти и нефтепродуктов, которые наиболее широко используются: штаммы рода Acinetobacter, Acinetobactercalcoaceticus и Acinetobacterradioresistens, а также консорциум Azospirillum.

В результате обобщения способов рекультивации нефтезагрязненных почв с применением биоремедиации выявлены механические методы (обвалка загрязнения, откачка нефти в емкости и замена почвы), физико-химические (сжигание, предотвращение возгорания, промывка почвы, дренирование почвы, экстракция растворителями, сорбция и термическая десорбция), а также биологические методы (биоремедиация и фиторемедиация).

В итоге проделанной работы, можем заявить, что мы выполнили поставленную цель. Мы получили знания по данной теме и подробно раскрыли её. Узнали какие неорганические соединения наиболее токсичны, а также какие органические соединения имеют промышленное значение. Подробно рассмотрели поступления яда через дыхательные органы, неповрежденную кожу и желудочно-кишечный тракт. Узнали о процессах биотрансформации и депонирования ядов. В пункте классификации производственных ядов более подробно рассмотрели острые, подострые и хронические интоксикации. И в заключительном пункте основной части реферата узнали о зависимости токсического действия ядов от сопутствующих факторов.

Список литературы

1. Гиляров М.С. Биология. Большой энциклопедический словарь. - 3-е изд. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 864 с.

2. Вельков В.В. Биоремедиация; принципы, проблемы, подходы/ В.В. Вельков // Биотехнология. - 1995. - № 3-4. - С. 20-27.

3. Гриценко А.И. Экология. Нефть и газ / А.И. Гриценко, Г.С. Акопов, В.М. Максимов. - М.: Наука, 1997. - 598 с.

4. Иваненко Н.В. Экологическая токсикология. Часть 4: "Нефть и нефтепродукты". Учебное пособие. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2006. - 108 с.

5. Карасева, Э.В. Биоремедиация черноземной почвы, загрязненной нефтью / Э.В. Карасева [и др.] // Биотехнология. - 2005. - N 2. - С.67-72.

6. Колесниченко А.В. Процессы биодеградации в нефтезагрязненных почвах / А.В. Колесниченко, А.И. Марченко, Т.П. Побежимова, В.В. Зыкова. - Москва: "Промэкобезопасность", 2004. - 194 с.

7. Кононова В.В. Cурфактантобразующая микрофлора: свойства и практическое использование / В.В. Кононова, А.С. Самсонова, Н.Ф. Семочкина // Микробные биотехнологии: фундаментальные и прикладные аспекты. Сборник научных трудов ГНУ "Институт микробиологии НАН Беларуси", 2007. - С.350-365.

8. Данг Т.Т., О.О. Логинова, Е.В. Белоусова, М.Ю. Грабович, М.Ю. Шевченко. Перспективы использования бактерий рода Acinetobacter для деградации почвенных нефтяных загрязнений // Проблемы региональной экологии. - 2011. - Вып.4, С. 202-208.

9. Логинова О.О., Данг Т.Т., Белоусова Е.В., Шалимова С.С., Шевченко М.Ю., Грабович М.Ю. Биодеградация нефтепродуктов в почве штаммами микроорганизмов родаAcinetobacter. Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов: межрегиональный сборник научных работ. - Воронеж, 2010 (Вып.12), 129-136.

10. Логинова О.О., Данг Т.Т., Белоусова Е.В., Грабович М.Ю. Использование штаммов рода Acinetobacter для биоремедиации нефтезагрязненных почв на территории Воронежской области. Вестник ВГУ 2011.

11. Логинова О.О., Данг Т.Т., Пояркова Т.Н., Вязникова О.С., Белоусова Е.В., Шевченко М.Ю., Грабович М.Ю. Поверхностно-активные свойства сурфактантов, полученных из представителей консорциума нефтедеструкторов, состоящего из Acinetobacterradioresistens штамм BCБ-567 (В-5064), штамм ACKS-1 (В-2838) и A. calcoaceticus штамм 134 (В-3780). Экология урбанизированных территорий 2011.

12. Логинов О.Н. Биотехнологические методы очистки окружающей среды от техногенных загрязнений / О.Н. Логинов, Н. Н, Силищев, Т.Ф. Бойко, Н.Ф. Галимзянова. - Уфа: Гос. изд. научно-тех. литературы "Реактив", 2000. - 100 с.

13. Рахимова Э.Р., Осипова А.Л., Зарипова С.К. Очистка почвы от нефтяного загрязнения с использованием денитрифицирующих углеводородокисляющих микроорганизмов // Прикладная биохимия и микробиология 2004, Т.40 № 6

14. Технология восстановления почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Справочник. - М.: РЭФИА. НИА. - Природа. - 2003. - С.258.

15. www.bbc. co. uk/russian/science/2011/04/110420_oil_spill_year_on. shtml

16. Toren A., Navon-Venezia S., Ron E. Z., Rosenberg E. (2001). Emulsifying activities of purified Alasan proteins from Acinetobacterradioresistens KA53. Appl. Environ. Microbiol.67 (3),1102-1106.

17. 17. Статья "Промышленные яды и их влияние на организм. Профилактика вредного воздействия" http://helpiks.org

18. 18. Статья"Промышленныеяды"http://www.f-med.ru/toksikologia/prom_yad. php

19. 19. Статья "Промышленные яды и действие их на организм" http://mylovekid.ru/p/mlk-2977.html

20. 20. Статья "Психиатрия и наркология. Промышленные интоксикации"

21. 21. Лакшин, А.М., Катаева, В.А. Общая гигиена с основами экологии человека: Учебник/А.М. Лакшин, В.А. Катаева. - М.: Медицина, 2004. - 464с.

22. 22. Медицинская экология/Под ред. А.А. Королева. - М.: Издательский центр "Академия", 2001. - 192 с.

Размещено на Allbest.ru