Паразитизм микроорганизмов на растениях

Бактерии, паразитирующие на растениях, называют фитопатогенными. Виды фитопатогснных бактерий известны среди аэробных и факультативно анаэробных грамотрицательных па­лочек, в их числе бактерии, относящиеся к Pseudomonas, Erwinia, Agrobacterium и др., а также среди грампо-ложительных коринеформных бактерий и микоплазм. Как и па­тогены животных, патогены растений обладают факторами патогенности, позволяющими им преодолевать защитные барьеры растения. К таким факторам относятся, прежде всего ферменты пектиназы и целлюлазы, а также фитотоксины, фитогормоны и факторы адгезии.

Бактерии заражают растения, проникая через устьица, че­чевички, нектарники, иногда передаются с семенами. Некоторые бактерии могут проникать в растение только через свежие ранки. Например, корине-формная бактерия, возбудитель бактериального рака томатов, заражает растение при поломке волосков на стебле или на пло­дах. Заражению растения бактериями часто способствуют насе­комые. Erwinia atnylovora переносится пчелами и проникает в растение через нектарники, пчелы переносят также фитопатогенные виды спироплазм.

Фитопатогенные бактерии, проникшие в растение, обычно размножаются в межклеточном пространстве и в сосудистых пучках. Они вызывают различные гнили, ожоги, пятнистости, увядания, опухолевые разрастания. Между фитопатогенными бактериями и растениями сложились специфические взаимоотношения, включающие процессы взаимного узнавания и следующих за ним физиологических и регуляторных реакций. Узнавание бактерией растения-хозяина может стимулировать реакции, необходимые для проникновения бактерий в ткани растения и развития в них. Узнавание расте­нием фитопатогенной бактерии стимулирует его защитные реак­ции. Например, авирулентные штаммы Pseudomonas интенсивно аг­глютинируют под действием лектина клеток картофеля, пред­ставляющего собой богатый гидроксипролином гликопротеин. Реакция гиперчувствительности — гибель клеток около места внедрения паразита; клетки теряют воду, выцветают и спадаются. Микроорганизмы оказываются внутри скопления спавшихся клеток хозяина, и соседние здоровые ткани таким образом изолируются от паразита.

Важным фактором устойчивости растений к фитопатогенным бактериям являются фитоалексины. Это — низкомолекулярные, соединения, гетерогенные по химической структуре обладающие бактерицидными свойствами. Фитоалексины не образуются в здоровом растении, но их синтез индуцируется в пораженных бактериями тканях. Индукторами синтеза фитоалексинов мо­гут быть различные соединения, в том числе элементы клеточ­ной стенки бактерии. Защитная реакция растения может инду­цироваться сигнальными молекулами, образующимися в резуль­тате деградации оболочек растительных клеток при инфекции.

14 Биотехнологии в защите окружающей среды от загрязнений

14.1 Характер и источники загрязнения окружающей среды

Одной из важнейших проблем в природоохранной деятельности является защита атмосферы от загрязнений, которые в значительных масштабах выбрасываются промышленностью, энергетическими производствами и транспортом. Стало очевидным, что каждое новое поколение людей живет в условиях все более деградированной окружающей среды с новыми биогеохимическими характеристиками. Прежде всего это связано с выбросом в окружающую среду множества новых химических веществ, никогда прежде не встречавшихся в природе.

Органические вещества по своему происхождению могут быть разделены на две большие группы: биогенные и антропогенные.

Соединения антропогенного происхождения могут быть классифицированы как (10):

· Стойкие ксенобиотики: не подвержены воздействию микроорганизмов

· Упорные ксенобиотики: подвержены частичным превращениям, но не являющиеся источником питания

· Слабые ксенобиотики: подвергающиеся неполным превращениям и частично утилизирующиеся

· Синтетические полностью утилизируемые соединения.

Некоторые из них, как, например, синтетические ткани и пластмассы, почти не поддаются микробному воздействию; в природных условиях они постоянно накапливаются в виде неприглядного мусора. Широкое использование инсектицидов, гербицидов и фунги­цидов неизбежно приводит к их распространению в природе. Среди них также встречаются соединения, весьма устойчивые к микробному разрушению. (В анаэробных условиях, например в таких, которые создают­ся на дне озер, они могут сохраняться в течение еще более длительного времени.)

Многие из этих соединений, предназначенные ограничи­вать развитие одних организмов, токсичны также и для дру­гих форм жизни; поэтому долгосрочные экологические по­следствия распространения этих соединений трудно (а может быть, и невозможно) предсказать, хотя уже сейчас совер­шенно ясно, что их накопление в природе представляет весь­ма реальную угрозу для многих видов.

Теперь считается предпочтительным, чтобы любое синтетиче­ское органическое соединение, широко распространяемое в природной среде, было чувствительным к микробному воз­действию. Например, в 50-е годы нашего века алкилбензолсульфонаты стали основными составными частями используе­мых в быту моющих средст. Боковые цепи (R) этих соединений представляют собой разветвленные алифатические радика­лы, придающие всей молекуле в целом заметную устойчи­вость к микробному воздействию. Благодаря этому они про­ходили через установки для очистки сточных вод в основном неизмененными и в дальнейшем загрязняли хранилища питьевой воды, вызывая ее вспенивание. В начале 60-х го­дов процесс производства детергентов был изменен таким образом, чтобы можно было синтезировать бензолсульфонаты с линейными алифатическими боковыми цепями (линей­ные алкилбензолсульфонаты); поскольку эти соединения вы­сокочувствительны к разрушению под действием микробов, проблема была в значительной мере решена.

14.2 Очистка сточных вод

Вследствие концентрации населения в больших городах, тем­пы которой все более возрастают за последние 150 лет, уничтожение органических отходов, как бытовых, так и промыш­ленных, стало важнейшей экологической проблемой. Сброс необработанных городских отходов в примыкающие реки и озера таит в себе опасность загрязнения питьевой воды мик­робными возбудителями кишечных болезней и опасность ис­тощения запаса растворенного кислорода в результате мик­робного разложения органического вещества. В целях здравоохранения и охраны при­роды человек был вынужден разработать методы очистки сточных вод, обеспечивающие минерализацию органических компонентов перед их сбросом в окружающую природную среду.

Очистка сточных вод обычно сводится к тому, что с начала они подвергаются отстаиванию. Осадок, или ил, претерпевает медленное анаэробное разложение, в котором важ­ную роль играют метанобразующие бактерии. Растворимые органические соединения в надосадочной жидкости минера­лизуются в аэробных условиях. Иногда это достигается раз­брызгиванием жидкости над рыхлым слоем гальки, через ко­торую жидкость просачивается под действием силы тяжести. При использовании для очистки активного ила через сточ­ные воды продувается воздух; при этом образуются хлопья или осадок, в частицах которого содержатся активные мик­роорганизмы-окислители. После того как органическое веще­ство в основном окислилось, илу дают осесть. Ил, образовав­шийся как при анаэробном распаде, так и в окислительных процессах, состоит главным образом из бактерий, которые выросли за счет питательных веществ сточных вод. Этот остаток высушивают и используют как удобрение либо не­посредственно, либо после сжигания.

Целью всех процессов очистки сточных вод является об­разование такого конечного жидкого стока, в котором био­логически важные, элементы находятся в неорганической форме. Поэтому очистка сточных вод включает в себя ин­тенсивную работу определенных этапов круговорота веществ при более или менее контролируемых условиях. Однако даже тот конечный сток, в котором произошла полная минерали­зация, может оказывать нежелательные экологические воз­действия. Если он сбрасывается в озеро, то возникающее при этом обогащение озерной воды нитратами и фосфатами может вызывать чрезмерное размножение водорослей, в результате чего вода в определенные периоды окрашивается и мутнеет. При достаточно массовом росте водорослей последующее разложение их органического вещества может истощить в озере запас растворенного кислорода, что приведет к ката­строфическим последствиям для его животного мира. Такая постепенная биологическая деградация пресноводных водо­емов, первоначально происходившая в относительно неболь­ших озерах вблизи городов, в настоящее время приобрела широкие масштабы (серьезное положение создалось в неко­торых водоемах Великих озер в Северной Америке, особенно в озере Эри).

Угроза, которую представляет для внутренних вод сброс минерализованных стоков, и опасность для здоровья людей потребления воды, содержащей ионы нитрата, заставили, например, правительство США утвердить новые стандарты качества воды. Питьевая вода не должна содержать более 10 мг нитрата на 1 литр.

14.3 Биоразрушение загрязнений в природе

Биоразрушение (биодеградация) — это преобразование сложных веществ с помощью биологической активности. Это широкое по­нятие включает:

1) трансформацию, или незначительные измене­ния молекулы;

2) фрагментацию, или разложение сложной моле­кулы на более простые соединения и

3) минерализацию, или пре­вращение сложного вещества в самые простые (Н₂О, СО₂, Н₂, NH₃, СН₄ и т.д.). Основными биологическими агентами, осуществляю­щими биоразрушения, являются микроорганизмы, обладающие огромным разнообразием ферментных систем и большой лабиль­ностью метаболизма. Они способны разлагать широкий спектр химически устойчивых соединений, тем самым возвращая в глобальные биогеохимические циклы Земли.

Разрушение накопленных в биосфере устойчивых загрязнителей антропогенного происхожде­ния – это актуальная проблема современного человечества и связано это с тем, что человек создал такие соединения, которые не разрушаются в природе в обычных усло­виях, — различные синтетические полимеры, красители, пести­циды, фармацевтические препараты, моющие средства и т.д. Эти чужеродные (живой природе) вещества — ксенобиотики — имеют уникальную биологическую активность. К ним могут быть отнесены и вещества природного происхождения, но полученные в сверхколичествах и перемещенные в несвойственные им места (например, нефть). Боль­шинство таких соединений обладает значительной стабильностью (разложения при обычных условиях требуются сто­летия). Происходит непрерывный перенос этих веществ по пище­вым цепям. Большое число ксенобиотиков чрезвычайно ток­сично и проявляет мутагенную, канцерогенную, аллергенную и тератогенную активности. Так как человечество не может полностью отказаться от использования таких веществ на первый план выходит использование биоразрушающей способности микроорганизмов для очистки окружа­ющей среды от антропогенных загрязнителей.

Деградация ксенобиотиков может происходить различными путя­ми в зависимости от химической структуры разрушаемого веще­ства, наличия тех или иных биологических активностей, а также в зависимости от условий окружающей среды.

В аэробных условиях первой стадией биодеградации ксенобио­тиков может быть гидроксилирование. Введение в молекулу гидроксильной группы приводит к поляризации и лучшей растворимо­сти вещества в воде, что делает, его более доступным для биологи­ческой атаки. В деградации ксенобиотиков принимают уча­стие и реакции окислительного метаболизма, такие, как декарбоксилирование, ( окислительное расщепление ароматического и гетероциклических колец).

В анаэробных условиях начальные этапы биоразрушения в неокислительных условиях осуществляются через реакции восстановительной трансформа­ции — восстановитель­ное дегалогенирование, насыщение двойных и тройных связей, восстановление альдегидов и кетонов в соответствующие спирты, превращение сульфоксида в сульфид.

И в аэробном, и в анаэробном метаболизме ксенобиотиков важное место занимают реакции ГИДРОЛИЗА, в которых молекула расщепляется при присоединении воды.

Синтетические пути преобразования ксенобиотиков включа­ют их модификацию путем присоединения некоторых химических групп или конденсацию нескольких молекул с образованием димерных или полимерных структур. Микроорганизмы в основ­ном участвуют в присоединении алкильных (метальных) и ацильных (формильных и ацетильных) групп. Продукты синтетических путей трансформации ксенобиотиков часто обладают иной ток­сичностью, чем исходные вещества.

Микроорганизмы могут преобразовы­вать ксенобиотики для получения энергии и углерода или с целью детоксикации. В детоксикации могут участвовать ферменты периферического метаболизма, которые обычно ка­тализируют реакции трансформации и фрагментации молекулы.

Для деградации трудноразлагаемых веществ может быть использо­вано явление, называемое кометаболизмом (в аэробных условиях — соокисление), когда способность к трансформации сложной моле­кулы обусловливается наличием доступного источника энергии для поддержания жизнедеятельности, так как сам ксенобиотик не мо­жет использоваться микроорганизмом в этих целях. Культура, транс­формирующая чужеродное соединение, в это время не размножа­ется, скорость процесса остается постоянно низкой, а продукты трансформации могут накапливаться в окружающей среде.

Свойства, влияющие на устойчивость данного соединения к микробному разрушению:

- наличие в молекуле таких заместителей, как галоген, нитро-, сульфонатная или метальная группы, что уменьшает биодеградабильность данных веществ.

- введение в молекулу двух и более заместителей повышает устойчивость соединения к микробной деструкции.

Факторы влияющие на процесс биоразрушения:

1. Наличие микроорганизмов, способных к преобразованию данного соеди­нения.

2. Подбор условий для проявления соответ­ствующей активности (оптимальные значения температуры, рН, осмолярности, аэрации, доступность питательных веществ и ак­цепторов электронов).

3. Присутствие хищников и кон­курентные или кооперативные взаимоотношения с другими мик­роорганизмами.

Наиболее активно участвуют в разрушении ксенобиотиков бак­терии и грибы, основное количество которых выделено из почвы и воды. Представители бактерий относятся к различным родам грамотрицательных и грамположительных аэробных и анаэробных орга­низмов. Из наиболее важных аэробных грамотрицательных бакте­рий следует отметить виды родов Pseudomonas, Alcaligenes, метанокисляющие и нитрифицирующие бактерии, а из грамположительных — пред­ставителей родов Nocardia, Bacillus. Неко­торые виды нитрат- и сулъфатредуцирующих бактерий, а также метаногенные археи активно участвуют в анаэробной деградации ксенобиотиков. Грибы, способные аэробно разрушать такие соеди­нения, относятся к родам Penicillium, Aspergillus, Fusarium.

Преобразование ксенобиотиков, в природных местообитаниях биодеградация осуществляется преиму­щественно активностью гетерогенных микробных сообществ, (по причине прочных трофических связях). Как правило, для нормального функцио­нирования анаэробной пищевой цепи необходим межвидовой перенос водо­рода, иногда ацетата, формиата. В таких усло­виях возникает синтрофия, что позволяет микроорганизмам, ответ­ственным за разные стадии биодеградации сложного вещества, находиться пространственно близко друг к другу для облегчения межвидового переноса.

Так как каждая группа ксенобиотиков имеет в своем соста­ве соединения самой разнообразной химической структуры, про­цесс биодеградации сложного загрязнителя складывается из не­скольких путей, осуществляемых определенными группами мик­роорганизмов и направленных на конкретный класс химических веществ.

Нефть и нефтепродукты содержат линейные и раз­ветвленные алканы и алкены, ароматические соединения с раз­ными заместителями, полициклические ароматические углеводо­роды.

Моющие сред­ства состоят в основном из различных алкилбензолсульфонатов.

Пластмассы, состав­ляют полимерные молекулы разной структуры.

Лакокрасочные и фармацевтические препараты представлены всеми вышеперечис­ленными классами соединений, а также могут включать очень сложные конденсированные молекулы.

Аэробная деградация простых ароматических соединений осуществляяется микроорганиз­мами, являются представители родов Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus и грибы рода Aspergillus, широко распространен­ные в почвенных и водных экосистемах.

В анаэробных условиях при отсутствии такого окислителя, как кислород, разрушение ароматических веществ происходит более сложно, в многоэтапном процессе, при участии различных фер­ментов.

Микроорганизмы способны использовать широкий набор ароматических субстратов это Pseudomonas, Desulfobacterium, Rhodopseudomona.В метаногенных условиях конечные стадии биодеструкции пред­ставлены археями.

Биодеструкция поверхностно-активных веществ, имеющих в алкильной цепи от одного до трех атомов углерода, начинается с сульфонатной группы, а у соеди­нений с большим числом атомов — с боковой цепи. В аэробных условиях такие соединения разлагаются бактериями и грибами, способными к деструкции ароматических соединений. В отсутствие кислорода разрыв C-S-связи сульфоароматических соединений могут проводить бактерии с бродильным типом метаболизма, микроорганизмы родов Clostridium, Methanobacterium.

На способности микроорганизмов к разложению сложных орга­нических веществ основан процесс биоремедиации, т. е. устранения загрязняющих агентов из окружающей среды посредством биоло­гической активности. При этом есть две возможности его осуществления: либо стимулировать развитие активных микроорганизмов, уже имеющихся в окружающей среде, либо вводить в заг­рязненную область микроорганизмы с уже известной деструктив­ной активностью. Однако введение в большинстве случаев не бывает успешной, так как для лабораторно полученных штаммов в природе не всегда удается создать опти­мальные условия проявления их активности и, как правило, такие микроорганизмы менее конкурентоспособны, чем резидентная микрофлора.

Наряду с биоремедиацией, т.е. позитивной, с точки зрения человеческой деятельности, стороной биоразрушающей активности, есть и отрицательное проявление этого процесса, называемое биокоррозией. Под биокоррозией (био­повреждениями) понимают нежелательные изменения свойств про­мышленных и бытовых объектов и материалов.

Перспективные исследования видового состава микробных сообществ, осуществляющих процесс биодеградации, а также изучение ме­ханизмов преобразования чужеродных веществ позволит понять и стимулировать процессы самоочищения в природных местообита­ниях, создать эффективные системы микробной переработки про­мышленных и бытовых отходов и, в конечном счете, позволит сни­зить негативное антропогенное давление на природу.

14.4 Биоремедиация загрязненных почв и грунтов

Интенсивный рост промышленности и городов привели к необратимому загрязнению почв и грун­тов на значительных территориях. Добыча природных ископаемых, нефти и газа сопряжена с разрушением почвенного покрова и загрязнением природных ландшафтов, нефтью, нефтепродуктами и сопутствующими вредными веществами. Интенсивное использование нефтепродуктов в промышленности также вызывает экологические проблемы, связанные с загрязнением почвы и воды. Загрязнения почвы и воды любыми типами нефтепродуктов нарушают соотношения между отдельными группами микроорганизмов, меняют направление метаболизма: подавляются процессы дыхания, азотфиксации, нитрификации, разрушения целлюлозы, накапливаются трудноокисляемые продукты, уменьшается количество корневых выделений и органических остатков растений, являющихся важнейшими факторами питания микроорганизмов. Разложение нефтепродуктов содержащимися в почве бактериями происходит крайне медленно, повышенные концентрации нефтепродуктов подавляют активность микроорганизмов почвы.

Создавшееся положение диктует необходимость принципиально новых подходов к ликвидации аварийных разливов на почве, разработки научно-методических основ, приемов и технологий ее реабилитации.

Загрязненные места должны быть рано или поздно подвергнуты очистке — ремедиации. Это крайне сложная задача, так как почвы и грунты гетерогенны и геологическая структура загрязненных территорий разнообразна.

Почвы и грунты считаются загрязненными, когда концентрация нефтепродуктов в них достигает такой величины, при которой начинаются негативные экологические изменения в окружающей среде: нарушается экологическое равновесие в почвенной экосистеме, гибнет почвенная биота, падает продуктивность или наступает гибель растений, происходит изменение морфологии, водно-физических свойств почв, падает их плодородие, создается опасность загрязнения подземных и поверхностных вод в результате вымывания нефтепродуктов из почвы или грунта и их растворения в воде.

Определение уровня загрязнения почвы необходимо для решения вопроса о целесообразности проведения специальных работ по санации почвы. Небезопасным уровнем загрязнения почвы считается уровень, который превышает предел потенциала самоочищения.

В зарубежных странах принято считать верхним безопасным уровнем содержания нефтепродуктов в почве 1 - 3 г/кг; начало серьезного экологического ущерба - при содержании 20 г/кг и выше. В странах ближнего зарубежья предельно допустимые концентрации (ПДК) нефтепродуктов в почве не разработаны. В России, в частности, в Татарстане ПДК нефтепродуктов в почве составляет 1,5 г/кг, что соответствует фито-аккумуляционному показателю вредности. В европейских странах геохимический фон (кларк) содержания углеводородов нефти в почве колеблется в пределах 0,01 - 0,5 г/кг. На территориях, прилегающих к предприятиям переработки, добычи нефти, фон достигает 6 г/кг. Показатели вредности установлены для наиболее токсичной сернистой нефти карбоновых отложений.

Слабое загрязнение может быть ликвидировано в процессе самоочищения почвы в ближайшие 2 - 3 года, среднее - в течение 4 - 5 лет. Загрязне­ния могут накапливаться в разных участках, что требует специ­фических подходов к разработке методов ремедиации загрязнен­ных территорий.

В мировой практике для обезвреживания почв и грунтов, применяются различные методы:

1. обработка на месте (in situ)

2. экскавация, т.е. вывоз и обработка на специальных предприятиях (ex situ).

14.4.1 Биоремедиация загрязненных почв in situ и ex situ

В настоящее время большинство загрязненных территорий об­рабатывается на месте с помощью описанных ниже методов и их комбинаций.

1. Запахивание в почву на неиспользуемых территориях. При этом способе санации почву, загрязненную нефтью и нефтепродуктами, распределяют по поверхности разрыхленного грунта из расчета 10 кг/м². При внесении такого количества загрязненного нефтью грунта после перепашки на глубину 30-35см концентрация нефти в почве не превышает миграционного водного показателя вредности нефти и может быть отнесена к категории среднезагрязненных земель. Вспашку повторяют с интервалом в месяц, сокращая до одной за сезон после двухлетней экспозиции. В случае необходимости кислотность почвы доводят до рН 6,5 путем внесения извести или коррегирующих кислотность среды препаратов или субстратов. При таком способе санации срок детоксикации загрязненного грунта не превышает трех лет, но может быть сокращен до одного года при условии интенсификации процесса биодеградации;

2. Вымывание загрязняющих веществ применяется в случае за­грязнения почвы растворимыми веществами. Почву промывают поливом сверху и с помощью различных ирригационных приемов, часто с использованием циркуляции воды. Промывные воды со­бирают, обрабатывают ex situ биологическими и физико-хими­ческими методами. При такой обработке малорастворимые соеди­нения остаются в почве.

Биоремедиацию - очистка загрязненной почвы и воды с использованием препаратов углеводородоокисляющих микроорганизмов, биогенных добавок для дополнительного их питания или специальных препаратов, содержащих биологически позитивные эмульгаторы, ферменты, сахара, минеральные соли, необходимые для стимуляции аборигенной нефтеокисляющей микрофлоры.

14.4.2 Обработка нефтезагрязненной почвы стимуляторами роста аборигенной нефтеокисляющей микрофлоры

На загрязнение почвы различными органическими вещества­ми природа, как правило, отвечает развитием микроорганизмов, способных использовать эти вещества. Именно из загрязненных мест были выделены многие бактерии, разлагающие различные ксенобиотики, нефтепродукты и т.д. Для активации автохтонной мик­робной популяции в почву вносят окислители (О₂, КО₃), косубстраты (мелассу, этанол и даже навозные стоки), источники минерального удобрения азота и фосфора, эмульгаторы для ускорения транспорта и разрушения структуры липофильных загрязнений. Для внесения растворимых компонентов используют ирригационные методы. Промывные воды очищают методами анаэробной и аэробной очистки. Для улучше­ния аэрации производится вспашка почвы, в более глубокие слои кислород или воздух подаются под давлением через систему пер­форированных труб. Этот метод обработки относительно недорог и дает хорошие результаты, но для достижения положительного эф­фекта иногда требуются годы. Он широко используется для очист­ки мест, загрязненных нефтепродуктами. Для извлечения растворимых нефте­продуктов из почвы ее промывают водой с необходимыми добав­ками. Снабжение кислородом и вытеснение промывной воды мо­жет осуществляться одновременно в циркуляционном процессе. Промывные воды очищают ex situ.

При загрязнении высокоокисленными соединениями, такими, как пентахлорфенол (пропитка деревянных конструкций), нитроароматические соединения (взрывчатые вещества), хлорирован­ные алкены и алканы (растворители), для интенсификации дег­радации необходимо снабжение популяции микроорганизмов до­норами электронов. Для этого используют недорогие субстраты — метанол, этанол, мелассу, которые добавляют в циркулируемую воду. В анаэробных условиях эти субстраты используются с образо­ванием водорода, способствующего восстановительной дегалогенизации и разрыву ароматических колец. Характер загрязнений, химический состав и структура почв и грунтов определяют выбор добавок и методов обработки. Например, в настоящее время разработан и испытан в опытно-промышленных условиях биологически активный препарат для активизации аборигенной микрофлоры нефтезагрязненной почвы. Применение данного препарата позволило в течение 2,0 – 3 месяцев работ по ремедиации нефтезагрязненной почвы шламовых амбаров снизить содержание нефтепродуктов ~ на 34%.. Основным критерием окончания работ по ремедиации нефтезагрязненной почвы является ее фитотоксичность. Разработанный и внедренный метод ремедиации нефтезагрязненных почв, в отличии от существующих в настоящее время подходов, направленных на очистку нефтезагрязненных земель, т.е. максимальное разложение углеводов нефти, находящихся в почве до углекислого газа и воды, предполагает не полное их окисление, а трансформацию в гумусоподобные вещества, отвечающие за плодородие почвы.

14.4.3 Обработка почвы селекционированными нефтеокисляющими штаммами микроорганизмов в сочетании с введением комплексных минеральных удобрений

Чтобы многократно активизировать и ускорить процессы биологического разрушения углеводородов нефти, разработана технология внесения в загрязенный нефтью участок почвы или воды специально выделенных из почвы углеводородокисляющих аборигенных микроорганизмов размноженных в форме биопрепарата, в результате чего интенсифицируется микробиологическая активность окисления углеводородов нефти, что позволяет в достаточно сжатые сроки удалить из почвы или воды загрязнитель, превратив его в продукты жизнедеятельности бактерий - СО₂, Н₂О. Однако, внесение в загрязненные почвы микроорганизмов, способных разлагать соответствующие специфические вещества, применяет­ся не часто и не всегда дает существенный эффект. Как правило, одновременно необходимо применение мер, описанных в преды­дущем разделе. Тем не менее, к настоящему времени выделено и описано большое количество бактерий, способных использовать нефтяные загрязнения, ксенобиотики, токсические соединения. Применение таких культур в качестве посевного материала может быть полезно в свежих загрязнениях, когда ав­тохтонная микробная популяция еще не успела развиться или плотность ее очень низка. В любом случае необходимо обеспечить доступность загрязняющих веществ для использования их микро­организмами. Здесь важную роль играют дисперсия и растворение загрязнителей, а также снабжение микроорганизмов источника­ми азота и фосфора. Их недостаток лимитирует микробный мета­болизм и рост, а это, в свою очередь, ограничивает процесс био­деградации. Например, один из таких препаратов за основу содержит бактерии Pseudomonas fluorescens, чему предшествовало длительное изучение их особенностей как деструкторов биологически резистентных поллютантов - стойких органических азокрасителей, ПАВ, различных углеводородов нефти. Не маловажно для данного штамма это то, что он не патогенен для человека, гидробионтов, высших растений.

Из всех нефтеокисляющих микроорганизмов в природе наиболее широко распространены бактерии рода Pseudomonas. Они являются постоянными обитателями вод Мирового океана, внутренних водоемов, почвы и грунтов. Более 50 видов этого рода способны участвовать в биоразложении нефти в окружающей среде. Наиболее активная нефтеокисляющая способность выявлена у P. аerugenoza, P. putida, P. fluorescens. О широком распространении и пластичности вида P. fluorescens свидетельствуют факты выделения этого вида из почвы, пресноводных и морских водоемов, пластовых вод, донных отложений. Высокая углеводородокисляющая активность, эмульгирующие свойства псевдомонад, способность расщеплять углеводороды, как в аэробных условиях, так и в условиях дефицита кислорода, позволяет использовать наиболее активные штаммы для борьбы с нефтяным загрязнением воды и почвы.

14.4.4. Обработка удаленных почв и грунтов ex situ

Когда по тем или иным причинам очистка загрязненных тер­риторий in situ невозможна, почвенный слой удаляют и в боль­шинстве случаев производят выемку (экскавацию) грунта для последующей обработки или сжигания. Обычно очистку ex situ применяют при особо опасных загрязнениях, если они проникли или захоронены на глубине и существует серьезная опасность по­падания загрязнений в поверхностные и грунтовые воды.

Окисле­ние воздухом производят в снятой почве, уложенной в виде шта­беля, конуса или тонкого слоя, которую аэрируют обычно с по­мощью перфорированных труб. Для такой обработки требуется длительное время, иногда годы.

Промывка водой с последующей ее биологической и физико-химической очисткой используется в случае растворимых загрязнений.

Сжигание загрязненной почвы является быстрым, но дорогостоящим методом. При этом уничтожаются природные биоценозы, происходит загрязнение атмосферного воздуха продуктами горения. Кроме того, по­чва перестает быть таковой, превращаясь в минерализованный продукт — золу.

- Загрязненный нефтью и нефтепродуктами грунт и твердые материалы добавляют к отходам на городских свалках в количестве 1-2% от общего количества сдаваемых на свалку отходов. Срок утилизации - 3-5 лет;

- выемка загрязненного грунта и вывоз на специально подготовленные площадки - полевые грядки. Этот метод предусматривает распределение вынутого грунта на подготовленной площади, проведение аэрации посредством многократного рыхления и принудительной вентиляции, орошение, введение питательных веществ и микроорганизмов. Срок утилизации - 1 год;

- санирование в кагатах, которое предусматривает выемку загрязненной почвы и укладку её в форме кагата высотой 0,4-2 м. После этого производится орошение кагата суспензией биомассы микроорганизмов и питательных веществ. Для предотвращения эрозии производят эвентуальное озеленение кагата. Срок утилизации - 2 года;

Для полной рекультивации территорий, занятых под свалки и полигоны ТБО, с целью использования их под строительство или для иных хозяйственных нужд необходима полная выемка грунта. Обычно его просеивают, отделяя неразложившиеся крупные включения — стекло, пластики, металл и т.п. Эта часть сжигается или перезахоранивается. Просеянная фракция при отсутствии высоко­го содержания тяжелых металлов и других токсичных компонен­тов может использоваться в озеленительном хозяйстве. В против­ном случае она должна быть подвергнута обработке или перезахо­ронена.

Все вышеперечисленные технологии в настоящее время относятся к наиболее широко применяемым биотехнологическим методам ликвидации нефтяного загрязнения почвы.

15 Биогеотехнология металлов

Биотехнология – это область биотехнологии, которая занимается промышленным извлечением металлов из руд, концентратов, горных пород и растворов, экстракцией остаточных порций нефти из иссякающих месторождений с помощью микроорганизмов и их метаболитов.

Биогеотехнология металлов тесно связана с гидрометаллургией, наукой о промышленном извлечении металлов из руд или другого сырья в виде соединений водными растворами химических реагентов с последующим выделением металлов из растворов.

Гидрометаллургия представляет собой альтернативу пирометаллургии (обжиг, плавка, возгонка), более традиционного пути извлечения металлов из руд, путем их термической обработки.

Основные методы пирометаллургии

Биогеотехнология сочетает принципы гидро- и пирометаллургии, однако обходится без применения высоких температур, заменяя их микробным катализом.

Методы биогеотехнологии используются для извлечения из руд широкого круга ценных металлов: меди урана, золота, серебра и др.

15.1 Технологии микробного выщелачивания

Еще за 1000 лет до нашей эры римляне, финикийцы извлекали медь из рудничных вод. В 17 веке валлийцы в Англии (графство Уэльс) и в 18 веке испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли процесс, «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти древние металлурги не подозревали, что основную роль в извлечении металлов из руды играли бактерии. Лишь в 50-е годы прошлого столетия выяснилось, что в получении металлов из минералов решающую роль играют микроорганизмы. В 1947 г. Колмер и Хинкл выделили из шахтных дренажных вод бактерию Thiobacillus ferroxidans. Эта бактерия окисляла двухвалентное железо и серу. Вскоре оказалось, что она участвует в переводе меди из рудных минералов в раствор. Сейчас известны и многие другие микроорганизмы, участвующие в переводе металлов из сульфидных минералов в растворимое состояние. Существует три основных механизма, используемых в биогеотехнологии:

1. Окисление металлов – перевод их из закисной формы в окисную

(As³⁺ As⁵⁺; Cu⁺ Cu²⁺; U⁴⁺ U⁶⁺) или из металлургической формы в ионную (в частности, применительно к золоту), что приводит к образованию растворимых продуктов, содержащих целевой металл. Точно такой же эффект достигается микробным окислением серы – компонента соединений металлов.

Окисление металлов и серы осуществляется сложными ферментативными комплексами, переносчиками электронов (цитохромами), расположенными в цитоплазматической мембране бактерий.

Еще один механизм окисления связан с действием катионов Fe³⁺, которые образуются при окислении Fe²⁺ с участием бактерий, и является мощным окислителем;

2. Образование агрессивных веществ – органических и минеральных кислот, проникающих вглубь частиц руды и растворяющих (выщелачивающих) металлы;

3. Поглощение металлов из растворов биомассой, перевод металлов в осадок, например, в виде сульфидов; или в летучую форму, например, в виде диметилртути;

Бактериальное выщелачивание – растворение металлов путем окисления сульфидных минералов из выщелачивающей жидкости.

Существует три технологии выщелачивания металлов с применением микроорганизмов.