Перспектива применения биопрепаратов для ускорения процессов биодеградации нефтезагрязнений
Разнообразная деятельность человека, связанная с варварской эксплуатацией среды обитания, привела к угрозе потери природных ресурсов Земли на рубеже веков и поставила задачу сохранения и защиты природы. Широкое применение в борьбе с загрязнением почв и водоемов нефтью и нефтепродуктами начинают получать биологические методы. Биологические методы имеют ряд преимуществ, в первую очередь — это экологическая чистота и безопасность, а также минимальное нарушение физического и химического состава очищаемых объектов. Большинство технологий биологической очистки являются дешевыми и не очень трудоемкими. Их эффективность высока при низких концентрациях нефтепродуктов.
Биологическая очистка чаще всего используется для удаления органических загрязнителей, азотных и фосфорных соединений. Биологические методы очистки можно подразделить на:
1) методы микробиодеградации загрязнителей;
2) методы биопоглощения и перераспределения загрязнителей.
Методы микробиодеградации основаны на деструкции загрязнителей различными видами микроорганизмов. Эффект достигается за счет активизации аборигенной микрофлоры или внесения в грунт определенных культур микроорганизмов, а также всевозможных комплексных препаратов. В результате этого микроорганизмы начинают активно поглощать загрязнитель и вызывать его деструкцию. Активизация биодеградации в нефтезагрязненных почвах и грунтовых водах достигается внесением минеральных удобрений. Ускоряют биодеградацию нефти целлюлозосодержащие отходы — солома, опилки. Эффективно внесение опилок со стимуляторами разложения нефти [7].
Методы внесения культур микроорганизмов применяются в тех случаях, когда необходимая аборигенная микрофлора отсутствует. Они могут применяться при массированном и аварийном загрязнениях, в сложных условиях, при отсутствии развитого естественного биоценоза. Достоинством этих методов является их селективность и возможность выведения штаммов микроорганизмов, разрушающих сложные токсичные соединения. Технологии микробиологического обезвреживания органических экотоксикантов основаны на активации аборигенной микрофлоры или внесении в грунт культур определенных микроорганизмов и создании оптимальной среды для их развития.
Простейшими способами активации микрофлоры являются механические рыхление, вспашка, дискование. Необходимым условием размножения микроорганизмов является создание оптимального температурного диапазона. Для ускорения миграции микроорганизмов в последние годы используют электрокинетическую активацию биодеградации. Ультразвук также способствует ускорению биодеградации экотоксикантов. Другим широко распространенным способом биоактивизации является улучшение аэрации почвы за счет добавок воздуха (продувка почв воздухом под различным давлением).
Необходимым условием биодеградации нефтяных загрязнений является внесение минеральных удобрений. Идеальной для биоразложения является нейтральная среда. Для нейтрализации щелочных грунтов вносят гипс, для нейтрализации кислых грунтов — известь. Одним из методов, обеспечивающих диспергирование нефтяных загрязнений и улучшающих контакт с микроорганизмами, является внесение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Сочетание применения ПАВ с внесением минеральных удобрений ускоряет биодеструкцию. Внесение культур микроорганизмов используется только при аварийных загрязнениях или при отсутствии развитого естественного биоценоза. Микроорганизмы-деструкторы нефтяных углеводородов известны давно и выделены из различных сред: пресных и морских вод, донных загрязнений, пластовых вод нефтяных месторождений, загрязненных нефтью почв и др. [6, 7].
Микроорганизмы, деградирующие нефть, являются обычными представителями биоценозов водоемов и почв загрязненных нефтью, принадлежащих в основной массе к родам: 1) из бактерий- Micrococcus, Brevibacterium, Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, Nocardia, Corynebacterium; 2) из грибов-Aspergillus, Penicillium, Streptomyces, Actinomucor; 3) из дрожжей-Candida, Torulopsis, Cryptococcus и др..
Микроорганизмы, выделенные из пластовых вод нефтяных месторождений в основном относятся к углеводородокисляющим, сульфатвосстанавливающим бактериям, денитрифицирующим, аммонифицирующим, метаноокисляющим, нитрифицирующим, тионовым, целлюлозоразрушающим [4].
После открытия способности микроорганизмов разрушать углеводороды прошло более полувека, прежде чем биологи перестали считать эти процессы микробиологической экзотикой. И лишь в последние 15-20 лет появилась убежденность, что это свойство широко распространено в мире микробов. Общепризнанным стало то, что микроорганизмы способны сравнительно легко превращать молекулы углеводородов-веществ, весьма устойчивых к действию химических реагентов.
Превращение веществ углеводородной природы осуществляется в основном двумя путями:
· В процессе культивирования микроорганизмов на средах с углеводородами, в качестве единственного источника углерода и энергии;
· В процессах соокисления культурами, растущими за счет других ростовых субстратов.
Микроорганизмы, способные усваивать углеводороды нефти, могут быть использованы для решения экологических проблем, поэтому при поиске микроорганизмов-деструкторов необходимо учитывать, что вносимая в почву микробная биомасса не должна быть чужеродной для почвенной микрофлоры. Еще одним важным условием является их непатогенность. Микроорганизмы-деструкторы должны обладать высокой жизнестойкостью, так как они могут подвергаться воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды, таким как колебания температуры, высокая и низкая влажность, изменение рН среды, нехватка питательных элементов.
Для ликвидации нефтяных загрязнений в почве разработан целый ряд биопрепаратов, содержащих в составе активный штамм-деструктор или сообщество микроорганизмов, обладающих катаболической активностью в отношении нефтяных углеводородов, и минеральные добавки.
Наиболее известными зарубежными биопрепаратами являются американские препараты “Микробар” и “Парабан” (США). В товарном виде они представляют собой порошкообразные вещества и хорошо растворимые в воде. По данным НИИ гигиены имени Эрисмана, они деструктируют углеводороды с длиной цепи С12, однако в строго определенном диапазоне рН (6,5-7,5), солености, температуры (10-35оС).
Российские ученые разработали такие препараты, как “Деворойл”, “Лестан”,“Нафтокс”, “Родотрин”, “Экойл”, “Псевдомин” и др..
В состав биопрепарата “Деворойл” (Институт микробиологии предприятие “Биотехинвест”) входит консорциум микроорганизмов (в том числе дрожжи рода Candida), растущих на углеводородах различных классов и их производных. Титр живых клеток составляет не менее 108. Они устойчивых к повышенной солености (до 150 г/л NaCl), к резким колебаниям температуры (от –5 до +40°С), с активностью в широком диапазоне рН (от 4,5 до 9,5), а также добавок, активизирующих процесс биодеструкции нефти, при интенсивности загрязнения почвы нефтью более 5 %. Высокая эффективность применения «Деворойла», по данным разработчиков, определяется тем, что в состав препарата входят лиофильные и гидрофильные микроорганизмы: бактерии, окисляющие нефтяные алканы и ароматические соединения, в частности фенол, крезол и пирокатехин; дрожжи, характеризующиеся высокой нефтеокисляющей активностью и способные выделять в среду аминокислоты, витамины и поверхностно-активные вещества. Выгодным отличием этого препарата от ряда других является его способность работать и на границе контакта с углеводородами, и непосредственно в толще нефтяного слоя. Используемые другими представителями почвенного биоценоза продукты жизнедеятельности бактерий и сами клетки отмирающих бактерий легко усваиваются сапрофитной микрофлорой биоценоза [11].
Доза внесения препарата составляет 10 л на 1 м2 загрязненной почвы. Нанесение суспензии осуществляют путем дождевания с использованием специальных агрегатов. Спустя 2-3 недели после обработки препаратом проводят минеральную подкормку загрязненной почвы раствором диаммофоса и аммиачной селитры [11].
Торфяной препарат “Псевдомин” был разработан на основе штамма Pseudomonas putida 91-96,обладающего способностью использовать низкомолекулярные алканы, что позволило его применять на почвах загрязненных нефтью и нефтепродуктами. “Псевдомина” почти полностью трансформирует нефтепродукт (94,5-99,8%).
Основу препарата “Олеоворин” составляет штамм микроорганизмов Acinetobacter oleovorum, являющихся аэробами, выделенными из природных биоценозов. Штамм непатогенен, нетоксичен. Имеющиеся материалы по исследованию окислительной активности препарата по отношению к углеводородам нефти свидетельствуют о его достаточно высокой эффективности. Степень очистки за 2...3 месяца составляет 75...80 % .
Бактериальный биопрепарат “Родотрин” содержит активный штамм-деструктор Rhodococcus erythropolis. Данный препарат прошел испытания в условиях Татарстана и Крайнего Севера. Через 3 месяца после обработки была достигнута высокая степень очистки почвы от нефти и нефтепродуктов.
В настоящее время возможны два подхода к очистке от нефтезагрязнений: на месте и в биореакторах и биомодулях. В первом случае для биоразложения строят полигон площадью несколько гектаров, организуют аэрацию, периодически вносят минеральные удобрения и перепахивают грунт, во втором — биообезвреживание проводят в специальных реакторах с подогревом, куда перевозят замазученные почвогрунты, осадки и нефтешламы. Процесс разложения нефтепродуктов бактериальными препаратами — медленный: в условиях полигона — три летних месяца, в реакторах — 7 и более дней. Степень очистки грунта от нефтепродуктов — 80...90 %.
Для условий России, биообезвреживание грунтов открытым способом малоэффективно, и очистить грунт до норматива за летний период на широте выше положения г. Москвы не удается. Для низких средних температур разрабатываются закрытые биореакторы изотермического типа. Такие реакторы могут работать круглогодично за счет поддержания оптимальных температурных условий, необходимых для размножения микроорганизмов и биоразложения нефтепродуктов.
Конструктивно биореакторы представляют собой камеру, куда подается загрязненный нефтепродуктами грунт и внутри которой осуществляется перемешивание грунта и периодическая дозированная подача воды, удобрений и микрофлоры. Перед загрузкой в биореактор грунт измельчается с помощью культиватора, так как чем меньше размер частиц грунта, тем выше диффузия экотоксикантов к микроорганизмам.
Использование микробиологических препаратов часто рассматривают как альтернативу агротехнической биорекультивации. Существуют ситуации, когда использование специальных микробиологических препаратов просто необходимо. В частности, это оправдано для районов с непродолжительным теплым периодом, где внесением интродуцента можно искусственно усилить процессы биодеструкции нефти в почве.
При благоприятных условиях среды (оптимальная температура, соленость, рН, достаточная степень аэрации, обеспеченность элементами минерального питания) удачно подобранная культура или смесь штаммов способны за короткое время практически полностью утилизировать десятки тонн нефтяных углеводородов, трансформируя их в органическое вещество собственной биомассы, углекислый газ и безвредные для окружающей среды продукты.
Практическая часть
В 1994 г. произошла Усинская катастрофа – серия прорывов на нефтепроводе Харьяга – Усинск, вызванная его изношенностью. Тогда вылилось около 100 тыс. тонн нефти, что позволило считать эту аварию самым крупным разливом нефти на суше. В пяти поселках была объявлена чрезвычайная экологическая ситуация. В месте катастрофы почти полностью уничтожена фауна и флора. Многочисленные притоки рек, озера отравлены. Тонны нефти, попавшей в многочисленные притоки Печоры, на много лет поставили под удар жизнь и здоровье людей, населяющих не только эти места, но и прилегающие районы. Особую тревогу вызвала возможность попадания нефти в Баренцево море. Негативные экологические последствия могли затронуть Канаду, США и ряд стран Северной Европы.
Общая площадь загрязненных и нарушенных земель в зоне аварии 1994 г. составила 270,4 га земель, из них 115,79 га были загрязнены аварийной нефтью. Возникла необходимость принятия срочных мер по обеспечению локализации, ликвидации разливов нефти и восстановлению земель.