Лекція 9. БІОТЕХНОЛОГІЧНІ МЕТОДИ ОЧИЩЕННЯ ГРУНТІВ ПРИ ТЕХНОГЕННОМУ ЗАБРУДНЕННЮ

 

План:

       1. Нормування антропогенного навантаження на ґрунти

       2. Відновна рекультивація порушених земель

       3. Мікробна ремедіація ґрунтів

 

       В процесі урбанізації щорічно вилучаються із використання найбільш продуктивні в сільськогосподарському плані землі. Продовжується тенден-ція легковаж­ного ставлення до раціонального використання грунтів: значні площі земель зайняті під звалищами, смітниками, відвалами, забруднені пестицидами, мають високу концентрацію неорганічних відходів, тоді як вміст органічних речовин у грунті знижується, що призводить до зменшення врожайності сільськогосподарських культур, що в перспективі може призвести до нестачі виробництва екологічно чистих продуктів харчування. Все це зумовлює необхідність подальших наукових досліджень в плані усунення причин і наслідків забруд­нень та продуктивного і раціонального використання відновленої родючості ґрунтів.

      

9.1. Нормування антропогенного навантаження на ґрунти

 

       Небезпечність забруднення ґрунтів шкідливими речовинами полягає в тому, що вони є основним джерелом виробництва продуктів харчування людей, необхідної сировини для харчової промисловості. З ґрунтів шкідливі сполуки можуть надходити трофічними ланцюгами в організм людини: ґрунт —» мікроорганізми —» рослини —» тварини —» люди. Відтак стан грунтів, ступінь їх забруднення безпосередньо може впливати на здоров'я людиней. Подальша хімізація землеробства призводить до забруднення навколишнього середовища. Непоодинокі випадки, коли мінеральні добрива та хімічні засоби вносяться непродумано, а інколи й безвідповідально. Так, внесення азотних мінінеральний добрив на гірські луки і пасовища Карпат авіацією  шкідливе для біосфери. Нагромадження засобів хімізації у ґрунті, ґрунтових водах призводить до надмірного вмісту їх у продукції рослинництва, а через корми - і в продуктах тваринного походження. Розрізавши гігантський  столовий  буряк,  можна побачити  зони локалізації деструктованої тканини, перенасиченої агрохімікатами які є сприятливим середовищем для розвитку гнильної мікрофлори, особливо при зберіганні. Втрати вирощеної такої продукції  інколи сягають 30-35 і більше відсотків.

       Скидання з промисловими і побутовими стічними водами у водойми фосфоровмісних мийних засобів та інших сполук фосфору, змивання з полів фосфорних добрив призводить не лише до втрати та виведення фосфору із колообігу, але і до забруднення водойм, евтрофікації озер та прибережних ділянок морів. При інтенсивному використанні фосфорних добрив, особливо суперфосфату (містить до 1,5 % фтору та миш'яку), продукція збагачується фтором та миш'яком (на кожний гектар вноситься  від 30 до 300 мг миш'яку).

       Для зменшення надходження надлишкового фосфору в довкілля розроб-лено технології біологічного видалення фосфору зі стічних вод водоростями або бакте­ріями  Асіпеtobасtеr, Асеtоbасtеr, Nосаrdiа, котрі здатні накопичу-вати значну кількість фосфатів в аеробних умовах та виділяти їх в анаероб-них. Для біоусунення фосфору в біореакторах чергують аеробні та анаеробні умови, що дає змогу підвищити ступінь вилучення фосфатів до 80 - 90 відсотків.

       Біологічні методи впроваджені і для очищення забруднених шкідливими речовинами грунтів. Живий організм грунтового покриву болісно реагує і на нестачу фосфорних та азотних добрив, що призводить до зниження їх вмісту та зниження потенційної родючості ґрунтів. Застосування пестицидів проти бурянів, шкідників та хвороб знищує значну кількість і корисних представ-ників флори і фауни, а їх  необгрунтоване використання призводить до надлишкового їх вмісту у вирощеній продукції, яка надходить в організм людини та тварин, спричиняючи захворювання. Тому дуже важливо відновлювати родючість верхніх шарів ґрунту біологічними методами.

       Ґрунти є природною екосистемою, яка здатна самовідновлюватися природніми методами за раху­нок ґрунтової біоти, вміст якої визначає родючість та є біоіндикатором антропогенного забруднення земель. Принцип нормування вмісту шкідливих речовин в грунті базується на тому, що вони надходять в організм переважно через середовища, що контактують із ґрунтом (рослини, повітря, вода). Нормативи ГДК (гранично допустимі концентрації)  для грунту розроблені для речовин які можуть мігрувати в ат-мосферне повітря або ґрунтові води, знижувати врожайність або погіршувати якість вирощеної сільськогосподарської продукції.

       В Інституті екології людини (Росія) ведуться дослідження, спрямовані на обґрунтування індивідуальних показників шкідливих речовин ГДК для різних типів ґрунтів.

       Забруднення грунтів (за розміром зон та рівнем забруднення) поділяють на:

       - фонові - вміст забруднюючих речовин у ґрунті, який відповідає або є близьким до природного хімічного складу ґрунту;

       - локальні - забруднення ґрунту поблизу одного або сукупності джерел забруднення;

       - регіональні - забруднення грунтів, яке виникає внаслідок перенесення забруднюючих речовин на відстань не більше за 40 км від техногенних і ніж 10 км від сільськогосподарських джерел забруднень;

       - глобальні - забруднення ґрунтів, яке виникає внаслідок далекої пере-несення забруднюючих речовин - на відстань понад 1000 км від будь-яких джерел забруднення.

       Оцінка забрудненості ґрунтів - ключове питання нормування антропоген-ного навантаження на них. За ступенем їх забруднення ґрунти поділяють на:

       - сильно забруднені - вміст забруднюючих речовин у кілька разів перевищує ГДК (характерна низька біологічна продуктивність та істотні зміни хімічних і біологічних характеристик, при вирощуванні сільськогоспо-дарської продукції на цих ґрунтах у рослинах спостерігається перевищення норми токсичних речовин);

       - середньо забруднені - характерне незначне перевищення ГДК забруд-нюючих речовин, що не призводить до змін їх властивостей;

       - слабо забруднені - вміст шкідливих речовин не перевищує фонову концентрацію.

       Згідно з ГОСТ 17.4.1.02.-83, за ступенем небезпеки хімічні речовини, що містяться в ґрунті, поділяють (табл. 1.1) на три класи:

       - клас 1 - високонебезпечні речовини;

       - клас 2 - помірнонебезпечні речовини;

       - клас 3 - малонебезпечні речовини.

 

Таблиця  1.1.  Показники і класи небезпеки хімічних речовин ґрунту

 

Показники

Норми концентрації:

1 клас

2 клас

3 клас

Токсичність, ЛД50, мг/кг

<200

200-1000

>1000

Персистентність у ґрунті, міс.

>12

6-12

<6

ГДК, мг/кг

<0,2

0,2-0,5

>0,5

Персистентність у рослинах, міс.

>3

1-3

<1

Вплив на харчову цінність сільсь-когосподарської продукції

сильний

помірний

немає

 

       Рівень хімічного забруднення ґрунтів оцінюють за показниками, які розроблені під час сумісних геохімічних і гігієнічних досліджень навколиш-нього середовища. Виділяють індивідуальні та інтегральні показники забруд-нення.

       Забруднення грунтів важкими металами. Важкі метали є одними із основних забруднювачів сільськогосподарських угідь зяких більшість рослин накопичує кадмій кореневою системою, тоді як деякі рослини, такі як салат-Млук і тютюн, накопичують його литовою повехнею. Кадмій надходить в грунт здебільшого із примислових викидів і як домішка фосфорних добрив.

       Особливу небезпеку важкі метали становлять при виробництві еколо-гічно чистої продукції. Їх концентрація у ґрунті чітко регламентується. У ґру-нтах з високою катіонообмінною здатністю концентрація: цинку не більше за 1000, міді та нікелю - не більше ніж 500, кадмію - не більше за 20 кг/га, а з низькою - допустимий вміст цинку - 250, міді та нікелю - по 125,  кадмію - 5 кг/га.

       Важкі метали, які надходять у ґрунт у вигляді хімічних сполук, можуть накопичуватись в ньому до високих рівнів, що небезпечно для нормального функціонування ґрунтової біоти. У малих концентраціях вони, як мікроеле-менти, необхідні для нормальної життєдіяльності мікроорганізмів, а у висо-ких концентраціях - негативно впливають на структуру і функції природних екосистем, змінюють ґрунтовий біоценоз, функціонування якого підтримує потенційну родючість ґрунту. Під впливом надлишку важких металів відбуваються порушення у структурі комплексу ґрунтових мікро-організмів, пригнічення їх біохімічної діяльності, інгібування активності цілого ряду ферментів: фосфатаз, протеаз, дегідрогеназ, інвертаз тощо.

       Внаслідок зниження різноманітності і чисельності ґрунтових фауни змен-шуються швидкість деструкції органічної речовини і колообігу біогенних елементів. Одним з небезпечних проявів негативного впливу важких металів на ґрунтову біоту є їх здатність впливати на мутаційний процес у клітині. Генетична небезпека забруднень зумовлена дією самих важких металів, а також продуктів їх трансформації, тому під час моніторингу для оцінки стану ґрунтів визначають рівень їх мутагенного фону і токсичності.

       Біотестування забруднених важкими металами ґрунтів. Серед значної кількості біотестів для оцінки мутагенних ефектів ґрунту у світовій практиці генетичних досліджень найчастіше використовують мікро­організми: Sаlто-пеllа tурhітиrіит, Е. соlі. Особливо важливе значення мають тест-об'єкти, які дають змогу одночасно реєструвати токсичний і мутагенний вплив забруд-нень важкими металами ґрунту, а також вивчення ефективності меліорантів для знешкодження їх негативного впливу.

       Методики біотестування дають змогу визначити вплив важких металів на якість ґрунту та необхідність застосування біологічних меліорантів і мо-делювати можливі забруднення ґрунтів. Перспективним для токсикологічних та еколого-генетичних дослід­жень вважається бактеріальна модель – ауксот-рофний штам Sаlтопеllа tурhітиrіит ТА 100, який використовується в стан-дартному фізіологічному стані для культи­вування тест-організму в рідкому поживному середовищі з введенням досліджу­ваних металоагентів і контро-льовано без них. Токсичність важких металів у грунті оцінюють за відсотком інгібування росту тест-культури досліджуваним агентом.

       Типова методика досліджень. Для вивчення токсичності 9 мл дослідного матеріалу поміщали в колбу і стерилізували при 1 атм., додаючи 0,1 мл добової культури Sаlтопеllа tурhітиrіит ТА 100 (культивованої в МПБ при 37°С), 1 мл мінерального середовища М9 і 1 мл. розчину біотину і гістидину. Культури вирощували на гойдалці протягом 5 год. при 120об./хв, 37°С. Контроль містив культуру тест-мікроорганізму і всі компоненти, крім дослід-ного матеріалу. Після інкубації тест-об'єкт висівали на тверді поживні сере-довища. Токсичність визначали за різницею між кількістю життєздатних клітин монели після культивування їх в середовищі, що містило дослідні агенти, і контролем. Для цього проводили поверхневий висів 0,1 мл дослід-ного матеріалу на МПА підраховували кількість життєздатних клітин за чисельністю вирощених колоній.

       Мутагенну активність металів у ґрунті оцінюють за кількістю зворот-них мутацій до прототрофного чи ауксотрофного за гістидином штаму Sаlто-пеllа tурhітиrіит ТА 100. Для визначення   мутагенної  активності   0,1   мл.  дослідного  матеріалу з додаванням м'якого агару і розчину біотину заливали другим шаром на тверде поживне середовище - бактеріальний агар (БА). Концентрація мутацій клітин сальмонели розраховується за формулою:

 

Км = (N : М) х 100%,

 

       де:  Км - концентрація мутацій;  N - кількість клітин на БА;  М - кількість клітин МПА.

       Мутагенну активність зразка характеризують за відносною концентра-цією мутацій, яку розраховують за формулою:

 

Квідн. = Кд : Кк

 

       де:  Квідн - відносна концентрація мутацій; Кд - концентрація мутацій дослідного зразка; Кк - концентрація мутацій контролю.

       Зменшити вміст важких металів або частково адсорбувати їх ґрунтом   можна шляхом внесення біокомпосту, біологічними меліорантами, фітореме-діацією тощо.

 

9.2. Відновна рекультивація порушених земель

 

       Природні процеси відновлення родючого шару грунтів та рельєфу порушених земель проходять повільно або взагалі можуть бути неефектними і недієвими, тому що порушена земна поверхня не зникає, а стає стійким техногенним формуванням. Порушені землі підлягають штучному віднов-ленню їх родючості - рекультивації. З метою збереження, підвищення родю-чості земель та надання їм властивостей навколишніх природних комп- лексів проводять їх рекультивацію.

       Рекультивація – комплекс інженерно-технічних, меліоративних, агротех-нічних, лісогосподарських та інших заходів, які виконують з метою віднов-лення родючості порушених земель та покращення умов природного середо-вища.

       Залежно від подальшого використання порушених земель розрізняють такі напрямиїх  рекультивації:

       - сільськогосподарська - створення на рекультивованих землях орних грунтів,  кормових угідь, садів та виноградників;

       - лісогосподарська - створення лісопосадок експлуатаційного та спеціаль­ного призначення (ґрунтозахисних, санітарно-захисних тощо);

       - водогосподарська - будівництво водойм різного призначення (водосхо­вища, водойми для розведення риби тощо);

       - рекреаційна - будівництво зон відпочинку, парків, басейнів, пляжів;

       - будівна - освоєння територій (кар'єрів, відвалів) під житлове та промис-ло­ве будівництво;

       - санітарно-гігієнічна - біологічна консервація порушених земель, які негативно вливають на навколишнє природне середовище, рекультивація яких для використання у народному господарстві економічно недоцільна;

       - комбінована - об'єднання двох і більше напрямів, наприклад, лісо -та водогосподарського з рекреаційним.

       Критерієм вибору виду рекультивації є соціальна або економічна ефек-тивність від виконаних робіт, які виконують, як правило, в два етапи:

       - технічна рекультивація включає підготовку земель та планування їх поверхні для подальшого цільового використання (зняття, складування та збереження родючого шару грунту, селективне (пошарове) формування від-валів, гірничо-планові роботи з вирівнювання поверхні порушених земель, покриття рекультивованих земель родючим шаром грунту, будівництво під'їзних шляхів, здійснення протиерозійних, гідромеліоративних заходів.

       Так, завданням техноекології - рекультивація териконів шахт та відвалів порід, які утворюються при гірничих розробках відкритим способом. Під терикони та відвали відводять землі непридатні для сільського або лісового господарства. Як правило проводять розбирання та виве­зення порід для засипки кар'єрів, зон обрушення, ярів тощо; покривають породу родючим шаром ґрунту та проводять біологічну рекультивацію (лісогоспо­дарську, рекреаційну тощо). Якщо у відвал складені нетоксичні породи, то товщина потенційно родючого шару сягає 1 м, а родючого - до 0,5 м. Якщо складу-ються токсичні породи, тоді передбачають захисний шар щебеню або неток-сичних глин до 0,4 м.

       Вирішуючи проблему раціонального використання кар’єрів, обґрунтову-ють можливість та доцільність їх затоплення, проводять заходи для запобі-гання прориву води у діючі підземні виробки.

       Для зменшення порушення земної поверхні, перевагу віддають підземним розробкам, екологічність яких залежить від способу ведення підземних гірничих робіт, які запобігають скороченню площ порушеної земної поверхні, охоплюючи такі напрямки:

       - використання способів ведення гірничих робіт, які виключають вилучення породи на земну поверхню;

       - запровадження системи розробки з вилученням породи на поверхню за повного використання відходів гірничими та переробними підприємствами;

       - перехід на нові способи розробки (геотехнологічний тощо).

       - біологічна рекультивація охоплює комплекс заходів з відновлення ро-дючості ґрунтів та підвищення продуктивності сільськогосподарських та лісових угідь, відновлення флори і фауни, недопущення негативного впливу порушених земель на навколишнє природне середовище. Загалом можливість біологічної рекультивації грунтів та її ефективність визначається ґрунтотвор-ною породою. Вона включає їх біологічне відновлення (біоремедіацію, біостимуляцію і біоаугментацію) родючості та екологічну чистоту ґрунту  (видалення речовин, що забруднюють грунт.

       При рекультивації дуже забруднених територій використовують генно-інженерні штами, структуруючі біополімери, компостування, фіторемедіа-цію, глибоку оранку, аерацію ґрунтів тощо.

       Рекультивацію хімічно забруднених ґрунтів редукуючими хімічними сполуками біогенного походження проводять за участю біологічних об'єктів мінералізацією, кометаболізмом тощо.

       Рециркуляція природних органічних матеріалів (соломи, здатної накопи-чувати фітотоксини) шляхом використання певних токсономічних груп мікроорганізмів (мікробіологічний препарат Філозоніт МС) при післязбира-льній її обробці дозволяє не лише зменшити негативний вплив присутніх шкідливих сполук, які виділяються в грунт, але й прискорити її мінералі-зацію, зекономіти азотні мінеральні добрива (рекомендується на тонну соломи вносити не менше 10 кг/га їх діючої речовини). Проходять виробничі випробування і інші препарати, зокрема за участю генно-інженерних штамів, які фіксують засвоєння біологічного азоту з атмосфери, сприяють перетво-ренню важкорозчинних форм фосфору в легкодоступні рослинам, в цілому позитивно впиваючи на загальний стан родючості грунту.

       За допомогою кометаболізму - унікального процесу біодеградації токсичних речовин, характерного для мікрофлори, видаляються нафтові заб-руднення грунту. Дослідженнями з рекультивації забруднених нафтою ґрун-тів за участю мікробіологічних препаратів здатних адсорбувати нафтопро-дукти показали, що при їх використанні проходить інтенсивне використання нафти мікроорганізмами адаптованими до деградації субстра-тів такого типу. Використання природного сор­бенту і природної мікрофлори для усунення нафтових забруднень можна інтенси­фікувати застосуванням синтетичного сорбенту разом з асоціацією бактерій, отриманих методами генної інженерії.

       Використання рекомбінантних плазмід для утилізації хлорзаміщених пести­цидів необхідне у зв'язку із забрудненням ґрунту шкідливими сполу-ками і агрохімікатами, багато з яких кумулятивні навіть у малих концент-раціях. Проблема забруднення ґрунтів може бути частково вирішена і при застосуванні біопестицидів, які в меншій мірі накопичуються рослинами.

 

9.3. Мікробна ремедіація ґрунтів

 

       Біоремедіація - застосування специфічних лікувальних технологій (фіто-ремедіація, компостування) та пристроїв для біологічного очищення ґрунтів та водойм від забруднювачів, не враховуючи захисту довкілля від шкідливих викидів та стоків за допомогою відстійників, колекторів, очисних споруд, фільтрів тощо - природна та примусова (мікробна, вермикультурна, фіторе-медіація). Значного поширення вона набула в кінці ХХ століття  в США та Росії. В Україні проводиться біоіндикація ґрунтів з метою визна-чення його чистоти і рівня мутагенності, шляхом встановлення мутагенності ґрунту через показник рівнів двониткових розривів ДНК та їх репарації за рахунок соматичної інтрахромосомної гомологічної рекомбінації із застосу-ванням трансгенних рослин Аrаbіdорsis traliana та Nikotiana tаbасит, що містять візуальний ген-маркер.

       Агрохімічні дослідження грунтів в Росії  та на Україні розпочаті з визначення нітратів у ґрунтах, рослинах та ґрунтових водах, оцінки балансу в агроценозі мікроелементів та використання мікробіологічних методів очи-щення ґрунтів (розмноження Рsеudотопаs  dитіпиtа у ґрунті усуває дихлорвініл).

       Застосування алопатичних продуктів - метод введення біодеградуючих препаратів, які можуть проявляти дію природних гербіцидів (похідні федулової кислоти, бензоксазолон, тритерпени, еритродіол та тіол, дихлор-халкон, флоридин), які швидко розкладаються у ґрунті. Модифікований     плазмідами штам Аgrоbасtеr tитefасіеns  синтезує гербіцид ІУК.

       Забруднені грунти можна використовувати і для ґрунтової утилізації шкідливих відходів, кількість та складування яких піддають суворому конт-ролю, а перед внесенням у ґрунт їх попередньо ферментують шляхом аероб-ного та анаеробного компостування в контрольованих людиною умовах, використовуючи певні таксономічні групи мікроорганізмів, які забезпечують:

       - біостимуляцію іп situ (в місцях найбільшого забруднення) - стимуляція росту   природної   мікрофлори,   потенційно   здатної   утилізувати   забруд-нення біодобавками;

       - біостимуляція іn vitro (через біореактор) - стимуляція та вирощування селекційних штамів на поживних середовищах та введення одержаних біоінєкцій в найбільш забруднені місця;

       - біоаугментація (біопокращання) - стимуляція виділених з місць заб-руднення потенційних мікроорганізмів - очищувачів та одержання техноло-гічних штамів, навіть генетично модифікованих за участю забруденого ґрунту з подальшим внесенням їх разом з біодобавками в місця безпосеред-нього забруднення.

       Проведення біоремедіації повинно відповідати основним принципам:

       - після утилізації забруднення кількість чужорідної мікрофлори повинна значно зменшитись;

       - фізико-хімічна ремедіація триває від декількох діб до декількох тижнів, біотехнологічна ремедіація триваліша - від декількох місяців до декількох років;

       - вартість біоремедіації, зокрема на ринку США, на 10-40% нижча від аналогічних фізико-хімічних ремедіаційних проектів.

       Прийнято вважати, що фізико-хімічні методи очищення довкілля ефек-тивніші, аніж відповідні біотехнологічні, оскільки менш залежні від конк-ретних характерних забруднень ґрунту і води та практично не залежать від кліматичних умов.  Для  методів  біоремедіації ці  малоконтрольовані  факто-ри  можуть бути вирішальними іп situ, особливо у випадках, коли   ґрунт,  як і при хімічній ремедіації, можна переносити в спеціальний біореактор, пере-вести фазу та ферментувати, розкладаючи забруднення косорціумами біо-очищувачів.

 

9.4. Біоремедіація ґрунтів вермикультурою

 

       У 80-х роках XX ст. в Україні (м. Івано-Франківськ) створено спільне українсько-венгерське підприємство по виробництву біогумусу. Розпочаті науково-дослідні роботи дозволили запропонувати виробництву технології виробництва біогумусу (вермикомпосту), розробити і всестороньо вивчити на його основі виготовлення стимуляторів росту рослин гумінової природи із біогумусу (вермистим). 

       До виробництва біогумусу і створення власних ферм по розмноженню та вдосконаленню технології його виробництва долучались все нові країни і вермикультивування (вирощування дощових черв'яків (каліфорн гібридів) та використання їх для біодеградації органічних відходів (у 1 швидше ніж звичайне компостування) набуло міжнародних масштабів яке переросло у створення міжнародної організації «Біоконверсія» за участю практично всіх країн бувшого СССР. Її співробітниками розроблено у встановленому поряд-ку та затверджено технічні умови на біогумус і вермикультуру, методичні ре-комендації підрахунку черв'яків у субстраті під час їх вирощування і реалізації.

       Узагальнені результати наукових досліджень і виробнича практика вказували на те, що біогумус – добриво, що покращує азотний режим та мікробний стан грунту. В ньому присутні гумінові речовини (фульфо -і гумінові кислоти), макро -і мікроелементи. Прте функціонуванню ґрунтової біоти заважають токсичні речовини, зокрема важкі метали, які порушуючи структуру комплексу ґрунтових мікроорганізмів, пригнічують їх біохімічну діяльність, інгібуючи активність цілого ряду ферментів - фосфатаз, протеаз, дегідрогеназ, інвертаз тощо. Внаслідок зниження різноманітності і чисель-ності ґрунтових організмів зменшується швидкість деструкції органічної речовини і колообігу біогенних елементів.

 

Таблиця 23.2.1. Вміст елементів живлення в біогумусі залежно від

ступеня розкладання

 

Добриво

 Вміст, % сухої речовини

N (загальний)

Р2О5

К2О

             Гній

свіжий

0,45

0,18

0,50

напівперепрілий

0,52

0,21

0,50

перепрілий

0,60

0,36

0,80

перегній

0.71

0,40

0,91

             Біогумус

України  (НАУ)

1,04

1,00

1,20

Ізраїлю

0,80

1,00

0,39

Угорщини

0,73

0,90

1,10

Польщі

0,80

1,00

0,35

України (Івано-Франківська обл.)

0,84

1,50

0,90

   

 У вермикомпостах крім відходів, що розклалися, міститься певна кіль-кість відмерлих черв’яків, що також підвищує їх цінність, яка визначається здебільшого трьома факторами:

·- багатою флорою бактерій, яка в 100 разів перевищує ту, що міститься в гноєві тварин, що вважається найкращим натуральним добривом (до 2000 млрд. колоній в 1 г перегною, 150-350 млн. - в гноєві). Вермикомпост, який виробляється в деяких господарствах Італії часто додатково збагачують мікробною культурою бактерій, актиноміцетів і грибів;

·- вмістом більшості необхідних для рослин хімічних елементів живлення в засвоюваній формі;

·- кислотністю рН - 6,8-7,2, яка створює в ґрунті умови, які перешкод-жають розвитку хвороб. Крім того, якість біогумусу регламентується від-сутністю патогенної мікрофлори.

       Продукт життєдіяльності дощових черв'яків - перероблені ними органічні рештки - гній, солома, листя, бур'яни, тирса, промислові відходи містять необхідні для рослини елементи живлення. Вони багаті на мікрофлору і біологічно активні речовини. Під дією біогумусу віднов­люється родючість грунтів, а сільськогосподарські культури забезпечують високий врожай, одержана продукція має привабливий товарний вигляд і високі якість.

       Світовий досвід виробництва і використання біогумусу свідчить про те, що дотепер немає подібного йому за ефективністю, екологічною чистотою і надійністю добрива. Оздоровчий вплив біогумусу на землю визначає його багата мікрофлора, серед якої мікроорганізми, які засвоюють азот із повітря і виробляють біологічно активні речовини; в ньому багато ензимів, які надходять із кишечника черв'яків, що сприяє активізації мікробіологічних процесів у ґрунті, мобілізації його потенційної родючості. Завдяки біологіч-ній активності і поживній повноцінності біогумус - біостимулятор  (прискорює проростання насіння, підвищує стійкість рослин до хвороб, інтенсифікує ріст і розвиток культур, які вирощуються на ньому, прискорює дозрівання врожаю). Результати дослідів, проведених у різних країнах світу, свідчать про те, що біогумус сприяє інтенси­фікації росту і розвитку всіх агрокультур, проте найвищий ефект спостерігається при вирощуванні за допомогою біогумусу овочів і квітів, плодів, а також саджанців фруктових і лісових дерев.

       Вважається, що аскорбінова кислота виробляється мікроорганізмами у ґрунті, а потім засвоюється рослинами разом з елементами живлення. Висока мікро­біологічна насиченість біогумусу забезпечує безперервне утворення аскорбінової кислоти в удобреному ним грунті, а також активних метабо-літів, зокрема таких біорегуляторів росту, як ауксин, гіберліни та цитокі-ніни, які є продуктами повторного мікробного метаболізму.

       Типове вермигосподарство відкритого типу по виробництву біогуму із секціями (100 - 1000) ґрунтових лож (10 лож по 0,5 м одна від одної) для вирощування вермикультури з бетонованим рідинним збірником (50 м3) при відстані між секціями З м. В процесі виробництва біогумусу важливу роль відіграють, крім вермикультури, мікроорганізми (целюлазні бактерії 107-109 кл/г компосту). У ході ферментації компосту вони утилізують целюлозу в анаеробних умовах (Сytорhаgа піthinsolin, Роlіапgiит тіхососсиs) та в аероб-

них умовах (Сlostridium раstеrіапuт, актиноміцети), збільшуючи біомасу біогумусу та в анаеробних проводять нітрифікацію (Nitromonas,   Nitrobacter) грунту. Результати лабораторних визначень показали, що переробка 1 т гною забезпечує вихід 600 кг сухого органічного добрива, збільшуючи вміст доступного рослинам фосфору на 15 – 29 відсотків.

       Вермикомпост (біогумус) - високомолекулярна органічна сполука, що має циклічну структуру та аліфатичні ланцюги, яка утворилась внаслідок переробки черв’яками органічних речовин  (гною, соломи, листя, решток силосу, сіна, відходів харчової, м’ясної, плодоовочевої промисловості, комунального господарства, пташиного посліду) і виділилась в навколишнє середовище з травного каналу черв’яків. Гумус черв’яків (капроліти) бага-тий на поживні речовини - це біологічний матеріал, який не злежується і не має запаху.

       Отримана при  такій технології біомаса вермикультури - сировина для ветеринарної медицини, інгібіторів фітопатогенів, одержання протиракових препаратів, офтальмологічних препаратів, косметичних добавок, шампунів та кремів, лосьйонів, виготовлення антивірусних та антипухлинних сироваток (Китай), харчових білкових добавок (до 60% білку). Мікроорганізми, які містяться у вермикомпостах, сприяють переходу токсичних форм металів у малорухомі, їх акумулюють, блокуючи надходження в рослини і вирощувану продукцію радіонуклідів.

       Англійські екологи, виділили із загальної маси земляних червяків форми, які для своєї життєдіяльності використовують токсичні промислові відходи що містять свинець, мишяк, цинк, мідь і їх успішно використовують для відновлення забруднення ґрунтів і для біоіндикації чистого ґрунту, оскільки у незабрудненому грунті вони гинуть. Аналіз ДНК черв'яків показав, що незвичайні особини є новим видом (мутантом), який еволюціонував в умовах підвищеної токсичності спеціалізуючись використовувати конкретні елементи:  свинец, миш'як, мідь, проте проблемою залишається їх утилізація після їх відмирання.

       Дослідження процесу вермикультивування в Україні продовжує виклика-ти інтерес не лише фермерів, але і науковців. Вони встановили можливість прискорення утилізації органічних відходів сільськогосподарського вироб-ництва за допомогою біотехнології вермикультивування за умови оптимізації складу поживного середовища для каліфорнійських черв'яків при внесенні 3,0% цеоліту Сокирницького родовища Закарпатської області та 4,5% цеолітовмісного базальтового туфу родовища Рівненської області.

 

9. 6. Біостимуляція ґрунтів компостними добривами

 

Ґрунт - трифазний шар (за Б.А. Ягодиним).

• тверда фаза — багатокомпонентний комплекс конденсованої фази: міне­ральна - 90-99 % та органічна - 1-10 % (природний перегноєний гумус та і           негумінові речовини);

?<т,    •  водний рочин №+; К+: Са"; Мд""; ИН4+; Ш3~; §О42~; Н2РО4";

■•';    •   газ (виділення СО2, поглинання Ог).

^ і: Ерозію грунту (водну, вітрову) - процес руйнації та знесення родючого шару ґрунту водою або вітром - можна сповільнити науково обґрунтованим земле­користуванням, зокрема, використанням органічних матеріалів природного поход­ження для внесення у ґрунт (Росія, 1976). Зокрема, запропоновано вносити стру-ктуроутворюючі добрива (гумінові сполуки, промислові похідні целюлози, природні органічні полімери, компостовані похідні лігноцелюлози). Біоутилізація внесених лігноцелюлозних матеріалів здійснюється культивованою біомасою мікроорганізмів або їх ферментами, завдяки чому відновлюється поверхневий шар ґрунту.

Додавання у грунт у розумних кількостях біомаси не шкідливе за відсутності важких металів, які знижують ферментативну активність ґрунту (особливо СУ, який вдається іммобілізувати у грунті за допомогою Са і не допустити всмоктування СУ в рослини).

Біомаса полісахаридних відходів целобіози (ЦБ) розкладається під дією целюлазних ферментів аеробних та анаеробних бактерій та грибів (рН=4-5,5; („=45-55 °С та \^= 55-70°С). Спочатку проходить аеробна ферментація зі зволо­женням та підкисленням грунту, що сприяє розвитку анаеробних мікроорганізмів.

Під час біокомпостування грунтів з відходами лігноцелюлози і складних ефірів целюлози бавовникових та деревних решток в процесі їх розкладу кислотність падає від слабкокислої рН=5,2 до слабколужної рН= 8-8,5 з появою запаху сечі через 80-90 діб, а відтак через 150-155 діб лужність знижується до нейтрального значення рН. Глибина ґрунтового шару нарощується біомасою і досягає нормальних розмірів - 1,5 м у глибину.   

       В останні роки розроблені і широко впроваджуються технології вико-ристання соломи з метою підвищення низькопродуктивних грунтів, головним чином віддалених від джерел органічних добрив. Основні її компоненти (целюлоза-40%, геміцелюлоза (лігнін-25%), білки, жири, нуклеїнові кислоти 5%), руйнуються під дією біологічних і хімічних процесів з утворенням хімічних продуктів розпаду, частина з яких негативно впливає на ріст і розвиток рослин, родючість ґрунту.

       Результати наукових досліджень вказують на те, залишена на поверхні землі пожнивні залишки призводять до зниження врожаю при вирощуванні пшениці в монокультурі,    що    частково    пов'язано    із    фітотоксичними   речовинами (низькомолекулярні жирні кислоти, солі оцтової, пропіонової, масляної кислот) котрі утворюються під час гниття рослинних залишків, а також з рістінгібуючою  активністю  (30-42% водних кислотних екстрактів соломи для коренів та пагонів пшениці,  кукурузи  і  сорго  чи  частково  стимулюючою  активністю  (до 40%) залежно від часу гниття соломи, підданої біодеградації.

       Максимум інгібуючої активності досягався на 12-й день гниття з утворенням фітотоксичних кислот з целюлози в результаті аеробної та анаеробної мікробної деструкції соломи у ґрунті. Продукти аеробного процесу стимулюють ріст ячменю, тоді як при анаеробній ферментації виділяються продукти, що інгібують ріст і розвиток злакових культур.

       В аеробних умовах солома руйнується швидше, з незначним накопичен-ням розчинних органічних сполук, а за анаеробних -  накопичуються розчин-ні органічні сполуки - переважно 180 ммоль оцтової кислоти, концентрація якої через 6 год після заробки соломи  у ґрунт знижувалася розведенням до 10 ммоль, зберігаючись стабільно протягом 12 днів.

       Біодеградація соломи методом обробки її целюлозолітичними препара-тами може частково зняти проблему зниження врожайності причиною якого є негативний вплив фітотоксинів (оцтової кислоти, виробленої мікроорганіз-мами в анаеробних умовах під час мінералізації соломи). Внесення у грунт целюлаз прискорює біодеградацію соломи. При цьому токсичн оцтової кислоти буде раніше досягнутий і спожитий ґрунтовими мікроорі до моменту осінньої сівби зернових.

       Целюлолітичну властивість при внесенні в ґрунт для біодеградації соломи проявляють шість змішаних грибних культур, що містять целюлолітичні гриби   родів   Тrісhоdеrта,   Репісіlіит,   Сhаеtотіит.   Додаючи їх до нарізаної ячмінної соломи в загальній концентрації 106 спор /г соломи, підвищуючи концентрацію біомаси азотфіксуючих бактерій спільно з целюлолітичними грибами завдяки тому, що надмірна потреба в азоті в п соломи целюлолітичними мікроорганізмами може бути спричинена азотфіксуючими організмами, що істотно збільшує ступінь біодеградації соломи порівняно з необробленою соломою (зразки 15 г соломи змішали з нестерильними зразками грунту трьох різних типів з різною швидкістю внесення в них соломи з вологістю 20% при співвідношеннях соломи до ґрунту 0,15:1, закритих в пластикові пакети і в пластмасові контейнери для усунення денного світла при температурі навколишнього середовища протягом вересня-квітня).

        Проте промислового штаму целюлітичного гриба, що зумовлює найбільшу біодеградацію соломи, ще не отримано. Це залежатиме від вирішення економічних  проблем.   Грибний  препарат  повинен  зберігати  целюлітичну  активність при висушуванні і тривалому зберіганні, його слід додавати до соломи для забезпечення максимально можливої швидкості біодеградації, щоб в грунті до сівби було якомога менше фітотоксинів.  Окрім того, внесені гриби повинні успішно витримати конкуренцію з ендогенною мікрофлорою грунту.

       Біодеградацію соломи можна проводити компостуванням, проте ці відходи важко використовувати, оскільки швидкість розкладання соломи невелика (при польових дослідженнях за рік залишалося нерозкладеної - 40 % на поверхні та 20% - в борознах, що пов'язано, насамперед, з частковою біодеградацією геміцелюлози). Краща утилізація соломи відбувається при інокуляції її целюлітичних грибів, азотфіксуючих і полісахаридоутворюючих бактерій, стимулюючи анаеробну чи аеробну біодеградацію (заорювати в грунт як органічне добриво, або використовувати як високобілковий вітамінізований корм).

       Під час компостування солому можна використовувати як компонент (твердий і здатний адсорбувати вологу, забезпечувати додатковий вуглець і потрібну його структуру) до гною, ставкового мулу, що мають низьке співвідношення азоту С:N, високу вологість і погано піддаються аерації.

Процес компостування є складною взаємодією між органічними відходами мікроорганізмами, вологою і киснем.  У відходах зазвичай існує своя ендогення, змішана мікрофлора. Мікробна активність зростає, коли вміст вологи і кисню досягають необхідного рівня. Окрім кисню і води, для росту і розмноження мікроорганізмів потрібні джерела вуглецю, азоту, фосфору, калію і мікроелементів, що часто присутні у відходах. Використовуючи відходи як поживний субстрат, мікроорганізми розмножуються і продукують воду, діоксид вуглецю, органічні сполуки та енергію, частина якої при біологічному окисненні вуглецю, витрачається в метаболічних процесах, решта виділяється у вигляді теплоти. Кінцевий продукт - біокомпост – містить стабільні органічні сполуки, продукти розкладу, біомасу мертвих та живих мікроорганізмів, продукти взаємодії цих компонентів.

        Біокомпост з біодеградованої соломи може застосовуватися як добриво для поліпшення структури ґрунту, а проміжний біогаз - як паливо.

       Відновлення родючості грунту в якому присутні хлоровані з циклічною органічною структурою групи сполук, що містять хлордан, дильдрин, токсафен, альдрин, ендрин, гептахлор, гептахлорепоксид, метоксихлор і альфа -бета, - гама -та дельта-гексахлорбензоли, причому цей грунт містить і популяції життєздатних анаеробних та аеробних мікроорганізмів здатних трансформувати зазначені сполуки на нешкідливі, які є життєздатними як в анаеробних, так і в аеробних умовах. Технологічний процес такого віднов-лення передбачає:

       - змішування грунту з речовиною, що поліпшує утворення твердої компостної суміші, яка містить органічні поживні речовини;

       - компостування ґрунту з підтриманням температури компостної суміші в інтервалі від 20°С до 65°С і волоості компостної суміші від близько 40% до близько 100% величини водоутримуючої здатності суміші;

       - підтримка під час зазначеного компостування величини окисно-віднов-лювального потенціалу компосту нижчим від негативної величини близько 200 мВ доти, доки не розкладеться значна кількість забрудню­ючої сполуки;

       - подальше насичення компостної суміші киснем для підвищення величи-ни окиснювально-відновного  потенціалу  компосту  вище  від  позитивної величини близько 100 мВ і підтримання окисно-відновного потенціалу вище від позитивної величини  близько  100  мВ доти, доки  не розкладеться значна кількість забруднюючих сполук;

       - повторення всіх стадій до повного завершення  процесу компостування та знешкодження шкідливих речовин.

 

9.7. Фіторемедіація

 

Одним з найперспективніших методів для очищення забруднень у промислово розвинених країнах також вважається фіторемедіація - очищення грунту за допомогою рослин. Основною перевагою цього методу є його найбільша економічна ефективність порівняно з усіма вищевказаними методами за високого рівня ефективності очищення. Деякі дослідники вважають, що мікробіологічні методи ефективніші для водойм, інші - для очищення ґрунтів.

Фіторемедіація - один з нових напрямів використання трансгенних рослин для очищення ґрунтів та ґрунтових вод від полютантів: важких металів, радіонуклідів та інших шкідливих сполук.

Спочатку фіторемедіація як метод очищення ґрунтів була розроблена для усунення забруднень важкими металами. Було виявлено, що деякі види рослин Це відкриття дало змогу знайти просте рішення - тепер для очищення грунту еобхідно засіяти його потрібним видом рослин, а наприкінці сезону зібрати врожай" важких металів і вивезти для захоронення або компостування. Цікавим ззвитком цього методу стала ідея добувати дорогоцінні метали із грунту, тому що зякі рослини, зокрема звичайна капуста, виявилися здатними нагромаджувати їх у )бі в підвищених кількостях, "добуваючи" із землі всі іони золота, срібла й іатини, до яких тільки мала доступ їх коренева система.

Іншим напрямом, перспективність якого вже доведена, і який має великий ітенціал розвитку, стало очищення вуглеводневих забруднень (нафта й фтопродукти) за допомогою рослин.

Виділяють чотири основні методи очищення забруднень за допомогою слин:

•   фітостабілізація;

•   фітодеградація;

•   фітовипар;

•   ризодеградація.

Фітостабілізація — нагромадження або іммобілізація рослиною забрудню-их речовин із ґрунту або ґрунтових вод; можливі різні механізми процесів -орбція забруднювачів кореневою системою й нагромадження їх у рослині, орбція забруднювачів у прикореневій зоні - ризосфері й (або) їх осадження.

Фітодеградація - "внутрішнє" руйнування вуглеводнів рослиною - після линання - розкладання їх у ході метаболічних процесів або "зовнішнє", коли ітопродукти розкладаються під дією кореневих виділень. Дотепер було існено низку досліджень за рубежем, у яких був отриманий позитивний ^льтат, тобто була доведена можливість руйнування - розкладання на безпечні здові рослиною нафти й нафтопродуктів, що свідчить про перспективність штку цього напряму очищення нафтових забруднень, а з іншого боку - про зхідність здійснення подальших досліджень.

Фітовипар — здатність рослини поглинати нафту або нафтопродукти, римуючи свій водний баланс, тобто разом з водою "викачувати" із грунту уднюючу речовину. Проте недоліком є те, що в цьому випадку забруднююча івина виводиться в атмосферу у ході транспірації.

Ефективнішим є очищення, коли рослина поєднує здатність до фітовипару й цеградації. Тоді в повітря виводяться тільки безпечні продукти розкладу опродуктів. Важливою об'єднуючою ланкою, проміжною між вищевказаними ма властивостями є так званий гідравлічний контроль, коли рослина одержує уп до ґрунтових вод і споживає разом з вологою забруднюючу речовину, яка )м може бути або зруйнувана, або випаровувана.

Особливе місце займає здатність рослин до ризодеградації (ризосферно пена біодеградація або рослинно посилена біодеградація).  Принцип цього сама рослина, а мікроорганізми.

Роль рослини полягає в значному посиленні ефективності роботи мікроорганізмів за рахунок біологічно активних кореневих виділень, хоча результати окремих досліджень показали, що рослини, крім стимуляції мікробів, можуть і самі брати безпосередню участь у розкладі вуглеводнів.

Леткі вуглеводні нафти можуть випаровуватися   з поверхні листя в атмосферу

-*%

Вуглеводні нафти           >

можуть накопичуватися £=£> або деградувати

Виділення коріння \ стимулюють розвиток І мікроорганізмів, і які руйнують * нафту

Коріння рослин абсорбує на своїй поверхні .                         вуглеводні нафти

 

 

 

Рисунок 34. Схема фітовипару рослиною нафтових забруднень при фіторемедівації

 

Листя рослини випаровує воду, виконуючи функцію насоса, що відпомповує із ґрунту за допомогою кореневої системи воду з розчиненими в ній речовинами. Вугле­водні, з яких складається нафта, абсорбуються на поверхні кореня (що знижує рухли­вість і токсичність нафти), поглинаються ними, надходять у надземні частини рослин, де руйнуються (деградують), нагромаджуються або випаровуються в атмосферу.

Рослини перебувають у тісній взаємодії з мікроорганізмами, що заселяють ґрунт. Рослинний організм у ході фотосинтезу акумулює сонячну енергію у вуглеводах (цукрах). Від 10 % до 20 % усієї з нагромадженої завдяки фотосинтезу енергії рослина витрачає на синтез і виділення речовин (цукор, спирти, органічні кислоти) у прикореневу зону, що сприяє розвитку мікроорганізмів. Тому безпосередньо поруч із поверхнею кореню в одному кубічному сантиметрі міститься близько 130 млрд. мікроорганізмів, а на відстані вже 10 см їх кількість падає до 20 млрд.

Найважливішим механізмом фіторемедіації ґрунту є біодеградація вуглевод­нів нафти мікроорганізмами, розвиток яких стимулюється виділеннями кореневої системи рослин.

Технологія фіторемедіації ґрунту, забрудненого нафтою, достатньо проста у застосуванні, але вимагає висококваліфікованих фахівців.

Фітоконцентратори токсинів ґрунту

Для зниження надходження кадмію в організм людини і тварин пропо­нується отримання трансгенних рослин, листки яких використовують в їжу чи на корм тваринам, але які накопичують меншу кількість цього металу в листках.

дів, які виявлені в рослинах. Однак сучасні уявлення про гени, що кодують синтез фітохелатинів, ще недостатні для одержання трансгенних рослин із цими генами.

Науковці пропонують також використовувати металотіопеїни - невеликі, збагачені цистеїном білки, що здатні зв'язувати важкі метали. Доведено, що металотіопеїн ссавців є функціональним у рослинах. Отримано трансгенні рослини, що експресують гени металотіопеїнів, і показано, що трансгени стійкіші проти кадмію, ніж контрольні. Трансгенні рослини з ЬМТІІ геном ссавців мають на 60-70 % нижчу концентрацію кадмію в стеблах порівняно з контролем і перенесення кадмію з кореня в стебла знижене (лише 20 % поглинутої кількості).

Було встановлено, що метаболізм формальдегідів у рослинах подібний до метаболізму у печінці в присутності альдегіддегідрогенази.

Глутатіонзалежна формальдегіддегідрогеназа виявилася еволюційним попе­редником великої сім'ї алкогольдегідрогеназ. Розроблено спосіб отримання трансгенних рослин, що здатні до детоксикації фітотоксичних альдегідів за рахунок введення гена альдегіддегідрогенази.

Фіторемедіаційні рослини - потенційні біоконцентратори токсичних еле­ментів навколишнього середовища — можна одержувати й іншими способами. Наприклад, Я. Блюм і С. Феник за допомогою селекції іп уііго одержали клітинні лінії та рослини, стійкі проти цезію та кадмію. Встановлено, що стійкість (зокрема, до кадмію) зумовлюють не лише фітохелатини, а й низькомолекулярні кадмійзв'язуючі білки.

Встановлено також, що стійкі проти ртуті бактерії експресують ген тегА, який кодує білок перенесення і детоксикації ртуті. Модифіковану конструкцію гена тегА використовують для трансформації тютюну, ріпаку, тополі, арабідопсиса. У гідропонній культурі рослини з цим геном вилучають з водного середовища до 80 % іонів ртуті, ріст і метаболізм трансгенних рослин не пригнічуються, а стійкість проти ртуті передається у поколіннях.

 9.8. Біоочищення ґрунтів біомеліорантами

За висновками українських науковців використання меліорантів різного походження для усунення забруднень важких металів чи зниження їх токсичної їх дії - доволі ефективний метод.

Ефективність дії меліорантів визначали, використовуючи різні меліоранти — неорганічні, органічні, біологічні і комбіновані меліоранти визначають на забруд­неному газоні:

•   неорганічний меліорант - цеоліти білий (3  т/га) та зелений (3 т/га), вермикуліт (0,5 т/га);

•   органічний меліорант - біогумус (8 т/га);

•   біологічний меліорант - суспензія міцелію і спор культури титром ЗТО10 колонійутворюючих одиниць (КУО) на 1 га (культура 8ігеріотусе$ аіЬоуігШіз 141,

Інституту мікробіології і вірусології ім. Д. К. Заболотного;;

•   комбінований   меліорант  -   гіпс   (2,1   т/га)   з   культурою   ВігерЬ аіЬоУігісііз 141 (3 ■ 1010 КУО/га), а також КС-1 - колоїдний сорбент (15 кополімер на основі мікробного полісахариду - енпосану (20 %) і поліакри

(80%).

Для встановлення дії меліорантів досліджують водні витяжки контро^ забрудненого і меліорованого ґрунту (5 г сухого ґрунту + 25 мл дистилі води) та водні витяжки (0,1 %) меліорантів - цеолітів білих, зелених, біоі вермикуліту, 0,5 % КС-1 (колоїдного сорбенту).

Досліди виконують на темно-сірому підзолистому ґрунті, в який е

суміш солей важких металів СУ2* + См2+ + РЬ1+ + 2п2+ у кількості, що дорів

1, 10 і 20 ГДК. Пр&-цьому з розрахунку на 1 ГДК наважки становили: <

5,56 мг/кг; Си804 ■ 5Н20 - 11,8 мг; РЬСІ2 - 26,8 мг та 2п504 • 7Н2О - 101,12 мг

Токсикологічні дослідження вказують на те, що природний (контр

незабруднений) темно-сірий підзолистий грунт не пригнічував ріст тест-мік

нізму   -   Заітопеїїа   іуркітигіит   ТА   100.   Внесення   суміші   важких

(Си+Ссі+РЬ+2п) у ґрунт спричинило токсичний вплив на клітини тест-мії

нізму.  Водна витяжка ґрунту,  забрудненого важкими металами у дозах 1,

ГДК, пригнічувала ріст тест-культури на 45,60—78,31 порівняно з контроле

Мутагенна активність контрольного, незабрудненого грунту не переві

спонтанний рівень. При експериментальному забрудненні ґрунту важки\

лами в дозі від 1 до 20 ГДК мутагенна активність ґрунту зростала в 2,29-'

порівняно зі спонтанним рівнем.

Дослідження науковцями ефективності заходів для зменшення нега впливу забруднення грунту важкими металами на тест-мікроорганізм пока меліоранти не тільки сприяли зниженню токсичних властивостей забр^ ґрунту, а й стимулювали ріст тест-культури. Так, при забрудненні ґрунту ГДК чисельність життєздатних клітин тест-мікроорганізму збільшувалась у з цеолітом білим у 3,42 раза, цеолітом зеленим - у 4,66 раза, біогумусом раза,   вермикулітом - у   6,23 раза,   культурою 8ігеріотусе$ аіЬоУігіа'із 14

раза порівняно з контролем.

При дозі 10 ГДК кількість клітин тест-мікроорганізму збільшу варіанті з цеолітом білим, біогумусом і гіпс+ 5. аіЬоуігіа'іх 141 у 1,16 1,2 варіанті з КС-1 - у 2,13 раза порівняно з контролем культури.

Якщо доза забруднення вища (20 ГДК), токсичну дію важких металі культуру знімав лише біогумус. Чисельність клітин тест-мікроорганізм) варіанті була у 1,54 раза вищою, ніж у контролі культури.

Одночасно з токсикологічними дослідженнями було визначено ефек меліорантів із знешкодження мутагенного впливу важких металів і Встановлено, що за невисокої дози забруднення (1 ГДК) всі досліджені м™;іаішло иічіиопі^ш ір_упі^ № перевищувала ршни ілшншнних мутацій, ла вищих доз забруднення ефективність меліорантів зменшувалась. Так, при дозі забруднення 10 ГДК тільки застосування біогумусу і КС-1 знижувало мутагенність грунту до спонтанного рівня, а при дозі забруднення 20 ГДК максимальний демутагенний ефект реєструвався при внесенні у ґрунт біогумусу і гіпсу+5. аіЬоуІгШіз 141.

Оцінка токсичності і мутагенності ґрунту, забрудненого важкими металами, показала, що природний темно-сірий підзолистий ґрунт Лівобережжя України не чинив токсичного і мутагенного впливу на тест-мікроорганізм - Заітопеїїа (уркітигіит ТА 100. Забруднення ґрунту сумішшю важких металів {Си+Са'+РЬ+Хп) в дозах 1, 10 і 20 ГДК спричинило токсичний і мутагенний вплив на тест-культуру. При забрудненні ґрунту в дозі 1 ГДК знешкоджували токсичну і мутагенну дію важких металів такі меліоранти, як цеоліт білий, цеоліт зелений, біогумус, вермикуліт і культура 8ігеріотусе$ аіЬоуігШіз 141. При високих дозах забруднення (10 і 20 ГДК) найефективнішими виявились біогумус, КС-1 і гіпс+ £. аіЬоуігісіїя 141. Ці меліоранти можуть бути застосовані для оздоровлення ґрунтів, забруднених важкими металами.

§9.9. Макроміцетові біодеструктори ґрунтових забруднень

Активними біодеструкторами забруднень можна вважати мікроміцети та макроміцети. Зокрема, процеси трансформації радіоактивних часточок ґрунтовою біотою у чорнобильській зоні відчуження вивчали дослідники з Інституту мікробіології та вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України і Наукового центру "Інститут ядерних досліджень" НАН України. Вчені з'ясували, що деякі штами гриба виду Сіаа'озрогіит сіаа'озрогюіа'ез інтенсивно ростуть у присутності цих частинок, оскільки мають здатність до радіотропізму, "огортаючи" їх своїм міцелієм. Під час безпосереднього контакту з радіотрофним грибом та внаслідок дії продуктів його метаболізму радіоактивна частинка руйнується. Окрім того, де­струкція можлива і без прямого контакту - якщо гриб активно росте в умовах опромінення, створюючи навколо себе агресивне середовище, в якому руйнується радіоактивний субстрат. Вчені припускають, що така деструктивна дія може бути притаманна всім радіорезистентним штамам мікроміцетів, а отже, перелік природ­них руйнівників радіоактивних частинок найближчим часом поповниться.

 

9.10. Біодеструкція нафтових забруднень ґрунтів

 

Серед найпоширеніших і найнебезпечніших техногенних забруднювачів особливе місце займають нафтопродукти, що пояснюється їх здатністю утворювати токсичні сполуки у ґрунтах, поверхневих та підземних водах. Ця проблема є надзвичайно складною та актуальною для підприємств нафтогазового комплексу з таких причин:

-    значні концентрації забруднювачів у природних об'єктах;

-    токсичний, мутагенний вплив на довкілля. Для очищення ґрунтів, що забруднені нафтою, використовують різні мете

•   фізичні (видалення поверхневого забрудненого шару ґрунтів або барботаж/вентиляція, закачування ґрунтових вод і їх обробка, введення г забруднені ґрунти, підсилення забезпечення киснем);

•   хімічні (екстракція подвійною фазою);

•   біологічні (фіто- та мікробіологічна ремедіація).

Хімічні та фізичні методи трудомісткі, довготривалі, потребують ві

витрат. Наприклад, витрати лише для вилучення і транспортування забруд

ґрунту, із середнім рівнем забруднення вуглеводнями, об'ємом 4500 м3 (900(

з площі 1,3 га становить близько 500 000 дол. США, тоді як витрати на відно

і регенерацію забруднених ґрунтів за допомогою рослин без здійснення пс

заходів становлять 17 дол. США /тонну ґрунту. Крім того, якщо фізико-

способи очищення забруднених ґрунтів мають одноразовий ефект і вп.

біологічні способи характеризуються тривалішим впливом і стабільним

щанням екологічної ситуації. Вони можуть бути використані як для одно1

необхідного негайного очищення забруднених ґрунтів, так і для профілактик

земель, де часті нафтові забруднення.

Відповідно до проекту НАК "Нафтогаз України" у дослідженнях з оч ґрунтів від нафтових забруднень, зокрема, встановлено, що українські глауі породи є ефективними природними сорбентами широкого спектра нафтопр фенолів тощо. Оптимізацію функціонування глауконітолітових захисних б ліквідацію нафтових забруднень пропонується здійснювати із залученням с

біотехнологічних методів.

Біоремедіація ґрунтів з нафтовими забрудненнями

Біодеградація   та  видалення   нафти   і   її   складових   із   забруднеі визначається впливом низки абіотичних і біотичних процесів.

Природні процеси самоочищення й відновлення ґрунтів, заб1 нафтою, проходять достатньо повільно, особливо якщо високі рівні забру;

У перші тижні після забруднення грунту відбуваються переважне процеси міграції й розсіювання вуглеводнів нафти в результаті випаров вилуговування. Швидкість випаровування залежить від властивостей сер погодних умов, від складу нафти.

Передусім випаровуються фракції із точкою кипіння нижче за Втрати нафти внаслідок випаровування нафтових олив і сирої нафти в і регіонах становлять до 40-70%. У північній кліматичній зоні випа значно менше нафти, у ґрунті вона може зберігатися десятки років, відбл розсіювання циркулюючими водами.

У результаті випаровування нафти зростає в'язкість залишкової ' сповільнюється міграція, збільшується кількість вуглеводнів з довжино  имилс».улирні ьуілсьодмі. у результаті видалення наитоксичніших легких вуглеводнів зменшується токсичний вплив залишкової суміші на мікро-організми-деструктори, що полегшує подальшу мікробіологічну деградацію, але підвищується частка компонентів, менш летких і розчинних, тобто стійкіших до розкладання.

Плівка вуглеводнів на водній і ґрунтовій поверхні може зазнати хімічної трансформації внаслідок утворення вільних радикалів як результату термічних і фотохімічних реакцій.

Цей процес вираженіший у водних середовищах і зонах з посушливим кліматом. Мікробіологічна трансформація органічних ксенобіотиків виражена у жаркому кліматі, і менш - у ґрунтах помірного й холодного клімату. У першому випадку переважають фотохімічне окиснення, випаровування і подальше механічне руйнування й розсіювання, внаслідок чого за 2-3 роки відбувається самоочищення контамінованих середовищ. Проникнення нафти в ґрунт призводить до розширення площі й збільшення глибини забруднення. При легкому механічному складі ґрунтів, наприклад, супіщаних і суглинних, легкі фракції нафти й нафтопродуктів можуть проникати на глибину 1,5—2,0 м, пригнічуючи біологічну активність ґрунтів. У міру віддалення від джерела забруднення співвідношення між основними формами міграції змінюються, підвищується частка розчинених, емульгованих, сорбованих нафтопродуктів.

За 1-4 тижні після виливу нафтових вуглеводнів у навколишнє середовище у приятливих умовах для розвитку мікрофлори починається біодеградація забруднення.

Практично всі вуглеводні, які входять до складу нафти, можуть бути об'єк­том мікробіологічного впливу, за різноманітними шляхами перетворення. Вуглеводні в ґрунті розкладаються у результаті дії вуглеводеньокиснюючих мікро­організмів, здатних окиснити вуглеводні до СОг і води або перетворювати їх на сполуки, які утилізують інші мікроорганізми. У цьому процесі беруть участь і гриби, і бактерії, причому значення останніх в асоціаціях мікроорганізмів-деструкторів найвагоміше.

За ступенем зниження окисності мікроорганізмами компоненти нафти й нафтопродуктів розташовуються в такій послідовності:

аліфатичні > ароматичні > смоли > асфальтени (майже не окиснюються).

Найактивніше утилізуються вуглеводні із прямим ланцюгом, н-парафіни, залежно від умов вони розкладаються на 10-90% протягом 1-2 місяців за первинного сумарного вмісту нафтових вуглеводнів 0,5-2 % у ґрунті.

Біологічне очищення є базовим сучасним підходом для зменшення кількості органічних забруднювачів за допомогою мікроорганізмів, які трансформують їх у менш небезпечні форми, або до повного окиснення та очищення забрудненого ґрунту, зокрема забрудненого нафтопродуктами та пестицидами. Низька розчинність у воді вуглеводнів та пестицидів є лімітуючим фактором цього процесу, що робить їх малодоступними для мікробних клітин.

нафтою грунтів, які здійснюються індивідуально або в комбінації з її   іими

яких можна виділити основні:

1. Біоремедіація - використання мікроорганізмів-деструкторів нафти топродуктів (бактерій, дріжджів, грибів, плісеневих грибів тощо) та їх ре; нантних штамів, а також асоціацій мікроорганізмів-деструкторів, біосурфак (поверхнево-активних речовин мікробіального походження, здатних емуль вуглеводні нафти). Необхідний час для здійснення біоремедіації - від 2 до 5 Біотехнологічні методи очищення повинні бути спрямовані як на стві асоціацій мікроорганізмів-деструкторів забруднювачів, так і на стимуляцію п

них процесів ремедіації.

Процес біодеградації включає взаємозв'язок між частинками ґрунту, : нювачем, водою та мікроорганізмами. Поверхнево-активні речовини і активно впливати на ці процеси, сприяють підвищенню видалення забр1 Біосурфактанти повинні стати стандартним інструментом біологічного очиї відновлення ґрунтів. Ефективність біотехнологічних методів ремедіації можна підвищувати також з використанням активних природних сорбентів.

2.  Фіторемедіація - використання рослин, що здатні рости в прис нафтових забруднень;  залежно від ступеня забруднення для досягнени очищення необхідно не менше від 2-3 років.

3.  Біокаталіз — використання ферментних препаратів сумісно з біо

тантами.

"(ВЕТ)-гуте ТесЬпо1о§у" або "ВДААМ Епгуте-ТесЬпоіо^у" - які ско]

термін біоремедіації з 2-5 років до 5-6 тижнів і дають змогу виконати л

очищення иіп зііи" та "ех 5ІШп як для значних об'ємів нафтозабруднених

(1 млн. метричних тонн), так і в міні-масштабах (В.ІААМ Епуігошпепіаі, Іпс

Технологія НС2уте "КетіесЬ Еп§іпеегз™" також дає змогу за в

термін (50-79 днів) майже повністю здійснювати очищення "ш зіш"

об'ємів забруднених дизельним паливом ґрунтів і ґрунтових вод за рахунок

позаклітинних  ферментів  -  оксигеназ,   26   бактерій   і  грибів,   які   пе

вуглеводні в окиснений стан у результаті введення в них кисню і р

довголанцюгові зв'язки, перетворюючи їх на "прості вуглеводні", готук

взаємодії з мікроорганізмами.

4. Вермикультивування - використання вермикультури (дощових» для прискорення розкладу нафтових забруднень. Дослідження в цьому нап доктор АгІЇшг І.Зіешай на дослідній ділянці у Північному Колорадо (СІШ Тагіа Нубгуіаіпеп (Шіуегзігу оі" Іууйзкуіа Оерагітепі оГВіо1о§іса1 апгі Епуі

Зсіепсез, Ріпіапй) та інші автори.

У СНД є препарати на основі мікроорганізмів-деструкторів в нафти і їх асоціацій ("путідойл", "деровойл" та інші препарати), котрі з біоремедіації здатні очищати ґрунти від нафтових забруднень. Крім тиднак мікрооргашзми-Оеструктори і рослини-фіторемедіанти у запропонованих розробках є адаптованими до помірних кліматичних умов і грунтів європейських і центральних районів СНД. У зв'язку з цим існують деякі обмеження щодо їх використання у напіваридних й аридних умовах.

Ідею використання мікробіологічних методів для очищення грунтів та води підказала сама природа. Відомо, що у місцях нафтових розливів через певний період знаходять мікроорганізми-деструктори нафтопродуктів.

Переваги біологічних способів загальновизнані з економічного, енергетич­ного та екологічного погляду, оскільки мікроорганізми є деструкторами нафтових забруднень, вони використовують нафту як джерело вуглецю та енергії. Отже, нафтопродукти трансформуються до простих сполук, що входять у кругообіг речовин та енергії.

Технічними засобами складно забезпечити повне очищення забруднених ґрунтових об'єктів від нафти, але можна досягти повнішої ремедіації біологічними засобами. Комплекс заходів біодеградації нафтових забруднень ґрунтів розроб­лений у багатьох країнах, зокрема, в 2000 р. біодеградацією очищено 35 га в республіці Комі та 25 га в Тюмені (Росія, 1986—1989 рр., патент № 2057724).

Згідно з проектом НАК "Нафтогаз України" також ведуться дослідження очищення грунтів від нафтових забруднень, зокрема встановлено, що українські глауконітові породи є ефективними природними сорбентами широкого спектра нафтопродуктів, фенолів тощо. Оптимізацію функціонування глауконітолітових захисних бар'єрів і ліквідацію нафтових забруднень пропонується здійснювати із залученням сучасних біотехнологічних методів.

Біодеструктори нафтового забруднення ґрунтів

Видобування нафти, як і газу, пов'язане з руйнуванням ґрунтового покриву і забрудненням ландшафтів. При цьому порушуються співвідношення між окремими групами мікроорганізмів, змінюється напрям метаболізму (пригнічуються процеси дихання, азотфіксації, нітрифікації, руйнування целюлози, збільшується нагромад­ження важкоокиснюваних продуктів, зменшується ріст кореневої системи та органічних залишків рослин). У складі бактеріальної мікрофлори забруднених нафтою грунтів домінують представники родів АгіНгоЬасіег, Рзеиа'отопаз, АсіпеіоЬасіег, Місгососсиз, КИосіососсш тощо; серед дріжджів - Сапсіїсіа, Тотіорзіз, Ккосіоіогиіа, нижчі гриби — Азрег§Шиз, РепісШНит, Ризагіит.

Склад мікрофлори забруднених нафтою грунтів:

•   бактеріальна мікрофлора - домінують представники родів АгіЬгоЬасіег, Рзеисіотопаз, АсіпеіоЬасіег, Місгососсиз, КНоа'ососсиз тощо;

•   дріжджів — Сапсіісіа, Тотіорзіз, КНоа'оіогиіа;

•    мікрогриби - Азрег&Шиз, РепісіШіит, Ризагіит тощо.

Високою здатністю до окиснювання (50-80 %) аліфатичних вуглеводнів і нафтопродуктів володіють бактерії роду АгікгоЬасіег.

 

Мікрорганізми-деструктори нафтових заоруднень розкладають сполуки ступінчасто, через проміжні продукти мікробного метаболізму, баланс можливих реакцій зображають такою схемою :

а(СЩ + ЬО2 + сЖ4 ->сКСН1,д2Оо,іМо,24) + еСО2 +/(СхНуОг),

де а{СН2) - вуглеводень, що розщеплюється;

сі(СНі д2Оо,зМо,24) - формула біомаси;

/(СХНУО^ - сумарні метаболіти та вода.

Кінцевими продуктами метаболізму у ґрунтах є:

•   вуглекислота, що може зв'язуватись у карбонатах, і вода;

•   сполуки кисню (спирти, кислоти, альдегіди, кетони), що часткове у ґрунтовий гумус, частково розчиняються у воді.

Набуло великого поширення використання мікроорганізмів-мутанп маних за методами генної інженерії, для яких характерна висока нафтоок активність (за короткий час можуть руйнувати нафту за малих коні забруднень, але швидко гинути, якщо вміст забруднювачів вимагає три часу деструкції). Наприклад, у мутанта роду Рзеиа'отопаз період існуї початку розмноження до відмирання становить т = 7,5 доби. Штам Рзе\ риііа'а - генетично модифікований (патент 1979, США, "Сепегаї е1« запропонований для деградації восків та парафінів, знесіркування нафти, лігроїну зі сланців та бітумних пісків.

Встановлено, що бактерії роду Рзеиа'отопаз споживають переважн нову нафту, а дріжджі КИоа'ососсиз можуть утилізувати вуглеводні лише довжиною вуглецевого ланцюга (Сіг-Сгг)- Було виділено 18 штамів, що р нафті, вазеліновому маслі та н-алканах Сю - Сі2, які на основі діагностичи були зараховані до трьох видів роду КНоа'ососсиз: КИ. егуіНгороііз, КН. 1\

тагіз.

На основі численних спостережень встановлено, що найшвидше пі біологічному руйнуванню аліфатичні вуглеводні, а нафтенові й ароматичн розщеплюються набагато важче.

Окрім зазначених вище факторів, велике значення для процесів біо; мають умови навколишнього середовища: концентрація солей, інтенсивні лення, вміст біогенних елементів у субстраті, температура, концентрація генетичні регуляторні механізми.

Досліджували здатність мікроорганізмів поїдати нафту для створеї біодеструкторів  нафтових забруднень російські вчені (проф.  Грачев, Вперше за допомогою глибоководних жил апаратами "Мир-1" і "Мир-2 занурення на Байкалі (глибина 1,6 тис. м, довжина 636 км, входить усесвітньої природної спадщини ЮНЕСКО) з трьох місць, звідки виходи взято проби з мікроорганізмами, щоб зрозуміти механізм поїдання ними дна Байкалу з тектонічних тріщин   в його води щорік надходить близьі нафти, яка поглинається мікроорганізмами, що живуть на Байкалі, том; кубічних кілометрів, що становить 20 % світових і 90 % російських запасів прісної води.

Байкальські мікроорганізми вирощують у лабораторних умовах у середовищі з нафтою, щоб визначити можливість вживання байкальських мікроорганізмів для ліквідації у різних місцях наслідків екологічних катастроф, пов'язаних з витоком нафти.

Вимоги до оптимізації процесу біодеградації нафти

Розкладання нафтопродуктів природною мікрофлорою відбувається вкрай поволі. Щоб активізувати процес, розроблена технологія внесення у забруднену нафтою ділянку ґрунту веглеводнеокиснюючих місцевих мікроорганізмів, розмно­жених у формі біопрепарату, в результаті чого інтенсифікується мікробіологічна активність окиснення вуглеводнів нафти, що дає змогу в достатньо стислі терміни видалити з ґрунту або води забруднювач у вигляді СО2, Н2О.

Загальні вимоги до біодеградації нафти:

•   біодоступність субстрату для клітин чи інтенсифікація взаємодії;

•   біостійкість мікроорганізмів і здатність засвоювати гідрофобні субстрати;

•   прийнятні умови навколишнього середовища (концентрація солей, інтен­сивність освітлення, вміст біогенних елементів у субстраті, температура, концен­трація, а також генетичні регуляторні механізми).

Умови навколишнього середовища для біодеградації:

•   екологічна чистота - модифікація місцевої культури методом селекції у проточному  хемостатному режимі  чи  методом  періодичного  культивування  з виділенням найактивнішої компоненти;

•   забезпечення фізіологічного балансу живильного середовища (джерело вуглецю, енергії) внесенням мінеральних добрив (фосфору, калію, магнію та азоту - N : 1-2 Р : 1-2 К. : 0,01-0,02 М§), економічно обґрунтованих (зокрема, витрата аміачної селітри в 1,5-2 рази менша, це дешевше, ніж карбамід, сульфат амонію, нітрат натрію);

•   аерація середовища для ефективного розкладу нафти зорюванням ґрунту та зниженням гравіометричної густини на 10-30 %;

•   кількісна перевага біодеструкторів над сторонньою мікрофлорою забезпе­чується    внесенням    культури    нафтоутилізуючих    мікроорганізмів    у    дозах 3-500 мг/дм3 ґрунту (робочий об'єм культури вирощується на мікробіологічних грядках), іммобілізованої на пористих носіях (торф, тирса тощо);

•   оптимальна концентрація нафти для біодеградації досягається при 20-25 % до ваги безводного зразка (регуляція поверхневої концентрації нафти відка­чуванням чи глибинним зорюванням);

•   необхідний рівень рН - рН = 5-8 досягається внесенням мінеральної добавки діамонійфосфату з високою буферною ємністю або доломіту, що є також джерелом магнію.

особливо засушливих ґрунтів необхідний штучний полив;

•   засів очищених площ рослинами, стійкими до забруднень (ш мовий, пирій сизий, житняк тощо - схожість - більше ніж 50 % при вмії ґрунті до 20 %, особливо на старих розливах - більше ніж 2-3 місяці).

Комплексні біоремедіатори від нафтових забруднень Комплексними відновлювачами ґрунтів є:

•   мікробні ПАР;

•   біодеструктори вуглеводнів;

•   природні сорбенти для захисту й очищення ґрунтів.

Вплив біоПАР на відновлення спонукав українських науковції мікробіології і вірусології НАНУ) застосовувати біоПАР як стандартний у біологічному очищенні, особливо від нафтових забруднень, і відновле із використанням біокомплексу мікробних ПАР, мікроорганізмів-ді вуглеводнів, вітчизняних природних сорбентів для захисту й очищення ґ]

У роботах українських науковців   (НАК "Натогаз України") із зі нафтою зразків ґрунту і води виділені нафтоокиснюючі бактерії, іденти АсіпеіоЬасґег саісоасеіісиз К-4, ИосагсИа уасеіпіі К- 8, Кпоа'ососсиз АЧ-1, МусоЬасіегіит зр. К-2. Показано, що застосування керамзиту яі іммобілізації  бактерій  дає  змогу   інтенсифікувати  процес  росту  й вуглеводневих  субстратів.   З'ясована  можливість  очищення  води,  : нафтою (100 мг/л), іммобілізованими на керамзиті клітинами К. егуіИщ N.  уасеіпіі К-8. Знайдена залежність ступеня очищення води від її подавання, рівня аерації і наявності біогенних добавок (джерел азоту Ефективність очищення води від нафти іммобілізованими клітинами К. АЧ-1 за високої швидкості протікання води (до 0,68 л/год), низької 0,1 л/л за хв) і періодичному подаванні 0,01 % діамонійфосфату стані 99,8 %.   Вивчено  динаміку  культивування  бактеріального  штаму  Р! продуцентом високоефективних біоПАР    на різноманітних нафтопрс можуть бути забруднювачами ґрунтів. Максимальний ріст культури спої на третю—четверту добу при температурі ЗО °С та рН 6,8-7,2.

Виявлено стимулюючий вплив глауконітолітів на синтез екстрс поверхнево-активних сполук штамом Р8-17, і показано, що спостеріга< щення емульгуючої активності (Е24) 55-85 % за рахунок мінерально-е складу глауконітових порід, а також завдяки адсорбції глауконітолш нево-активних метаболітів. Виведення продуктів із сфери біохіміч стимулює їхній подальший мікробіологічний синтез.

Виявлено, що глауконітоліти мають доволі високу сорбцій відносно біоПАР - питома сорбція становить 10-15 мг/г. Це створює і отримання нових екологічно безпечних сорбентів для різноманітних сполук. Модифікація глауконітових порід за допомогою біоПАР збіл фобність поверхні, підвищує спорідненість до нафтових забруднень.

іш для очищення заоруднених ґрунтів з промислової зони ВАТ НІЖ "Галичина" двома способами:

•   обробкою забруднених зразків глауконітолітами та розчинами біоПАР у вигляді культуральної рідини;

•   внесенням активних штамів продуцентів біоПАР та деструкторів вугле­воднів у вигляді змішаної мікробної популяції (ЗМП).

У вихідному забрудненому нафтопродуктами грунті містилося 330,97 мг/кг нафтопродуктів, які утилізувалися комплексною системою біодеструкторів до 29 мг/кг протягом 35 діб.

За висновками науковців, найкращий ефект дає використання комплексних систем очищення - застосування глауконітолітів і біоПАР та змішаної мікробної популяції і біоПАР.

Деструкція нафтових забруднень ґрунтів біосурфактантами

Під час видобування і переробки нафти утворюється велика кількість нафтових шламів (до 40 % нафтопродуктів), що забруднюють грунти і загалом навколишнє середовище. Для їх утилізації використовують асоціації, які містять культури мікро­організмів Рзеисіотопаз аеги&іпоза, Васіїїт зркаегісш, Васііінз Нспепі/огтіз, які завдяки своїй здатності до споживання кисневмісних органічних сполук і синтезу біоПАР гідрофілізують поверхню частинок шламу і відшаровують нафтопродукти.

У разі значних забруднень грунтів дію природної мікрофлори необхідно посилити й активізувати внесенням мікроорганізмів-деструкторів.

Найважливішою умовою мікробіологічної деградації органічних сполук нафтових субстратів є їх біодоступність, тобто можливість контакту і засвоєння бактеріальними клітинами, що ускладнюється гідрофобністю нафтових субстратів.

Механізм біодеструкції нафтозабруднень

Мікробні ПАР використовують нафту як джерело вуглецю та енергії, трансфор-муючи нафтопродукти до простих сполук, що входять у кругообіг речовин та енергії.

У вуглеводневій суміші передусім утилізуються молекули речовин, що мають зв'язки з найменшими енергіями розриву:

•   сполуки з гетероатомами {О, 8, И), нетоксичні для організмів;

•   сполуки, що містять вторинний, третинний атоми вуглецю або атоми вуглецю в подвійному зв'язку;

•   високомолекулярні нормальні алкани;

•   алкілзаміщені  одноядерні  циклічні  вуглеводні  з  короткими  боковими ланцюгами;

•   низькомолекулярні алкани і незаміщені циклічні вуглеводні. Інтенсифікувати усунення гідрофобності нафтових субстратів, що ускладнює

їхнє проникнення у клітину, дають змогу поверхнево-активні речовини (ПАР), які є посередниками контакту і засвоєння та підвищують біодоступність органічних забруднювачів у біологічному очищенні ґрунтів і води.

; у народному і іллшдарстві, негативно діють н. середовище. Нагромаджуючись у грунті, ці речовини не тільки згу флору і фауну, але й сприяють проникненню в нього інших токсичних останніми роками все актуальнішим є отримання альтернативних ПАР

Мікробні біосурфактанти (біоПАР) мають великі переваги над ( завдяки їх природному розкладу та утилізації, що виключає забрудне вони менш чутливі до екстремальних температур, рН і солоності с також різняться біологічною активністю і нетоксичністю. Поверхневе луки мікробного походження за своєю ефективністю можуть переверш ПАР. Разом з тим, біоПАР є біодеградабельними, тобто екологічно Завдяки здатності до солюбілізації вуглеводнів та інших органічних сп< значно підвищують їхню біодоступність для мікроорганізмів і спричі лад забруднювачів у природі.

Найважливіший вплив поверхневих активних речовин біологі1 ження (біоПАР) на біоочищення - це стимуляція масоперенесення з від грунту до водної фази, яку можна пояснити такими механізмами:

•    емульгування;

•    міцелярна солюбілізація;

•    специфічний транспорт забруднювачів (стимуляція, десорбц дація).

Біодеградація гідрофобних органічних сполук у забруднених грз цес, що охоплює взаємодію між частинками грунту, забруднювачем, во організмами. Поверхнево-активні агенти можуть впливати на цю і застосування цих речовин сприяє підвищенню біодоступності гідрофоб них забруднювачів у біологічному очищенні грунтів.

Механізм комплексного впливу біоПАР на очищення грунтів охопи

•    процеси стимуляції;

•    процеси десорбції;

•    процеси біодеградації забруднюючих сполук.

У   сучасні   й   науковій   літературі   робиться   висновок  про   і використання біоПАР як стандартного інструменту у біологічному відновленні грунтів.

Технологія фіторемедіації фунту, забрудненого нафтою та дуктами складається з кількох етапів:

1.  Оцінка характеру забруднення ділянки (хімічний склад розли проникнення нафти у грунт, картування).

2.  Розроблення оптимальної схеми фіторемедіації (добір видов рослин, що оптимальні для усунення певного типу забруднення й ві ґрунтово-кліматичним умовам, визначення схеми посадки, вибір необх технічних заходів, зокрема оптимізація живлення й хімічний захист росл і^иіч*     поип^оши     таї «•ріалу ,     иіДІІЛОВНа     іруН'Гу,     ВНЄСЄННЯ     М1НЄраЛЬНИХ

добрив, використання засобів захисту).

4. Моніторинг ділянки (визначення концентрації й поширення хімічних ком­понентів нафти, відстеження способів біодеградації нафти, здійснення інформа­ційного аналізу й прогнозування).

Економічна ефективність фіторемедіації є, мабуть, найвагомішим аргумен­том на користь цієї технології. Сьогодні інженерні методи очищення забруднених нафтою ділянок землі обходяться північноамериканським нафтовим компаніям у суму від $ 10 до $ 1000 за кубометр грунту.

Особливо дорогі методи повного очищення від погано розчинних у воді компонентів нафти, що вимагають екскавації ґрунту і її транспортування до очисних установок. Кінцева вартість біоремедіації забрудненою нафтою ґрунту за допомогою мікроорганізмів становить від $ 50 до $ 400 за кубометр і також часто вимагає екскавації.

Хоча часто мікробіологічна біодеградація є найефективнішим рішенням, не можна не згадати про деякі особливості цього методу.

При застосуванні мікробної деградації, зокрема, необхідно ретельно відсте-жувати близькість забруднення до родовища нафти, для того, щоб не допустити потрапляння туди мікроорганізмів, що розкладають нафту. Варто враховувати, що фіторемедіація одного кубометра забрудненого нафтою ґрунту, за оцінками ВР Атосо, обходиться в $ 3 на рік, а впровадження сучасних агротехнологій дало змогу знизити вартість технології до $ 0,02 на рік (у перерахуванні на гектар від $ 200 на рік).

Причина порівняно низької вартості фіторемедіації у тому, що рослини є природними установками з очищення ґрунту, які працюють на сонячній енергії.

Способи очищення ґрунту, яке виконують сьогодні інженери й мікробіологи, розроблялися природою протягом мільйонів років, тому її рішення виявляються ефективнішими у всіх аспектах. Отже, можна говорити про певні переваги, які дає фіторемедіація як технологія очищення забрудненою нафтою ґрунту. З еконо­мічного погляду фіторемедіація вигідніша від альтернативних технологій, вона не передбачає великих одноразових капіталовкладень, пов'язані з нею витрати можуть бути розподілені на кілька років. Фіторемедіація не вимагає екскавації ґрунту й може застосовуватися на більших площах, що особливо важливо для вітчизняної нафтової промисловості. Фіторемедіація сприяє збереженню й відновленню навко­лишнього середовища, оскільки пов'язана з вирощуванням рослин, поліпшенням ґрунтів і захистом їх від ерозії. Це найестетичніша технологія очищення ґрунту, що теж важливо. Нарешті, для держави й суспільства це найприйнятніша технологія очищення ґрунту від нафти, і її застосування поліпшує імідж компаній.

Атмосферне   повітря   складається   з   двох   основних   фізично складних компонентів:

•   газова складова;

•   аерозольна складова. Атмосферні забруднювачі:

•    первинні - надходять безпосередньо в атмосферу;

•   вторинні - утворені при перетвореннях первинних забруднюва Газові забруднення: газоподібні речовини - оксид вуглецю (125(

викликає підвищення температури на планеті та виникнення парникої сірчистий ангідрид (переробка сірчистих руд - до 170 млн.т/рік), сірчан спричиняють кислотні дощі, сірководень і сірковуглець, оксиди азоту (2 сполуки фтору та хлору тощо - токсичність повітря.

Аерозолі - тверді або рідкі штучні частинки (11-51 мкм), завис (11 км3/рік).

Під дією мікроорганізмів шляхом газоутворення з металами Н§ те ються дуже токсичні метиленові похідні, виробництво яких в Япок заборонено.

За даними Укргідромету (2000 р.) близько 90 % забруднень і великих міст України створюють викидні гази автотранспорту (з пе] граничнодопустимої концентрації поліциклічних вуглеводнів).

В анаеробних умовах багато мікроорганізмів, мікроводорості та рослини виділяють у навколишнє середовище диметилсульфід (СНу/3) дисульфід (СНз)г5, метилмеркаптан СН3Ш, сірковуглець СЗ2, карбоніле та деякі  інші  сполуки.  Сірковуглець може слугувати  попередникої сульфіду та 5О2 в атмосфері.

Всі забруднювачі атмосферного повітря більшою чи меншою і тивно впливають на здоров'я людини. Ці речовини потрапляють в оргаї переважно через систему дихання. Органи дихання страждають від з безпосередньо, оскільки близько 50% частинок домішки (0,01-0,1 м каючи в легені, осідають в них, спричиняючи токсичний ефект, оскільки

•    токсичні (отруйні) за хімічною або фізичною природою;

•    слугують перешкодою для одного або декількох механізмів, за яких нормально очищається респіраторний (дихальний) тракт;

•    є носієм поглиненої організмом отруйної речовини.

В деяких випадках комплексна дія однієї із забруднюючих комбінації з іншими призводить до серйозніших розладів здоров'я, ніж з них окремо. Велику роль відіграє тривалість дії.

Комплекс мутагенів за активністю поділяється на:

•     прямі мутагени - активність, зумовлена вихідною хімічною речовин;

•   непрямі мутагени - активність, зумовлена утвореними метабол