Перспективы биотехнологической очистки почв и водоемов, загр (Раздаточные материалы)

УДК 629.78.048:612

ПЕРСПЕКТИВЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПОЧВ И ВОДОЕМОВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ КОМПОНЕНТАМИ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ, В РАЙОНАХ ПАДЕНИЯ ОТРАБОТАВШИХ СТУПЕНЕЙ КОСМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ

И. И. Мартовецкая, Р. И. Миронова,

докт. биол. наук В. П. Холоденко, канд. биол. наук В. А. Чугунов

Анализируется возможность микробиологической очистки воды и почв, загрязненных несимметричным диметилгидразином (НДМГ) — вы­сокотоксичным компонентом ракетных топлив (КРТ).

Prospects of Biotechnological Purification of Soils and Water Basins Contaminated with Rocket Propellant Components in Spent Space Launch Vehicle Stage Drop Zones. I. I. Martovetskaya, R I. Mironova, V. P. Kho-lodenko. V. A. Chugunov. An opportunity for microbiological purification of water and soil contaminated with UDMH, a highly toxic component of rocket propellants is studied.

результате производственной деятельности ежегодно в среду обитания человека вводятся миллионы тонн различ­ных веществ. С каждым годом увеличивается поступление б биосферу, кроме природных, различных синтетических соединений, многие из которых обладают токсическими, мутагенными и канцерогенными свойствами. Ситуация осложняется не только ростом числа таких загрязнителей, но и тем, что, попадая в среду обитания человека, эти вещества вступают в сложное химическое взаимодействие друг с другом и с природными веществами. Часто результатом такого вза­имодействия является образование еще более токсичных, более канцерогенных веществ, чем исходные соединения. В результате этого происходит интенсивное загрязнение почвы, воды, воздуха и постепенное отравление ядовитыми веществами растений, .животных и людей.

На очистку окружающей среды могут потребоваться огромные средства, которых, как правило, не находят для этих целей. Выходом из создавшегося положения может быть использование огромного потен­циала самоочищения и самовосстановления живой природы. В тече­ние миллионов лет названные глобальные биогеохимические процессы обеспечивали экологическое равновесие на планете Земля. Однако в настоящее время темпы и масштабы химического загрязнения таковы, что за счет природных процессов самоочищения и самовосста­новления не всегда может поддерживаться экологическое равновесие. В подобных случаях требуется помощь человека — возникает необ­ходимость поиска и выделения природных микроорганизмов-деструк­торов, способных утилизировать различные химические загрязнители, применяя их в качестве источников углерода, азота, серы и энергии. Такие микроорганизмы-деструкторы могут быть использованы для разработки различных биотехнологий очистки почвы и воды от раз­личных природных и синтетических соединений.

Длительная эксплуатация отечественной боевой и ракетно-косми­ческой техники привела к значительному загрязнению окружающей природной среды токсическими компонентами ракетных топлив. В свя­зи с этим становится приоритетным решение проблем обеспечения экологической безопасности на всех стадиях эксплуатации КРТ. К настоящему времени разработаны практические рекомендации по

поводу различных способов, включая термические, химические и физико-химические, детоксикации компонентов жидких ракетных топлив [1—3].

Однако возможность использования микробиологических методов очистки почвогрунтов и водоемов, загрязненных КРТ, остается слабо изученной (хотя перспективность применения данных методов для очистки территорий, загрязненных другими различными токсикантами, является очевидной). По таким важным показателям, как технологич­ность, экологичность, экономичность и эффективность микробиологи­ческие методы в ряде случаев существенно превосходят существующие физические и химические [4].

Для очистки почв от КРТ наиболее эффективным может явиться рациональное сочетание различных способов, так как существуют концентрационные пределы, не позволяющие использовать микро­организмы на сильно загрязненных грунтах. В этой ситуации микро­биологический метод может быть наиболее эффективен на заверша­ющей стадии очистки загрязненных участков, когда другие методы становятся неэкономичными.

В настоящее время биотехнология защиты окружающей среды от химических загрязнений располагает целым арсеналом различных подходов, позволяющих в зависимости от конкретных условий выбрать наиболее эффективный метод микробиологической очистки [5, 6]. Однако во всех случаях центральным звеном является наличие микроорганизма или ассоциации микроорганизмов, обладающих спо­собностью утилизировать вредные вещества в качестве источников питания с образованием в конечном счете экологически безопасных продуктов.

В связи с этим рассмотрим возможность деградации несимметрич­ного диметилгидразина (НДМГ), токсического компонента жидких ракетных топлив, с помощью микроорганизмов-деструкторов.

В результате широкого скрининга микроорганизмов—деструкторов НДМГ, проведенного как среди штаммов коллекции отдела экологи­ческой биотехнологии Государственного научного центра прикладной микробиологии (ГНЦПМ), так и среди природных изоляторов, полу­ченных из образцов тундровой почвы, загрязненной НДМГ, удалось выделить и охарактеризовать несколько штаммов — его деструкторов. Идентификация упомянутых микроорганизмов позволила отнести их к трем таксономическим группам: бактерии (рода Pseudomonas, Bacillus, Agrobacterium, Mycobacterium, Rhodococcus, Actinomyces, Corynebacterium), микромициты (род Penicillium) и дрожжи (род Candida). Все штаммы-деструкторы разрушали НДМГ в жидких питательных средах различного состава, включая и такие, в которых данный компонент топлива использовался как единственный источник азота и углерода. Степень биодеградации НДМГ, варьировавшаяся в зависимости от вида штамма, состава питательной среды, продолжи­тельности эксперимента, достигла 80%. В ходе исследований была также продемонстрирована возможность биодеградации НДМГ в почвенной взвеси как отдельными штаммами-деструкторами, так и различными природными микробными ассоциациями. В данном случае биодеградация вещества достигала также значительной степени (около 70%) при обеспечении микроорганизмов дополнительным источником углерода (глюкозой). В ее отсутствие скорость биодеградации заметно снижалась и составляла около 45% в аналогичных условиях [7].

Существенного ускорения процесса утилизации НДМГ удалось достигнуть при использовании биосорбента, т. е. клеток штаммов-деструкторов, иммобилизованных на гранулированном активирован­ном угле (ГАУ). При этом в жидких средах и почвенных взвесях разрушение НДМГ было практически полным (до 98%). Увеличение

скорости его окисления в присутствии биосорбента может быть свя­зано с сорбцией НДМГ на активном угле, который одновременно является как сорбентом для микробных клеток, так и катализатором окисления этого компонента топлива кислородом воздуха [2].

Применение биосорбентов на основе ГАУ для ликвидации за­грязнений почвы НДМГ, на взгляд авторов, весьма перспективно. Во-первых, совместное действие химических (активированный уголь) и биохимических (клетки, сорбированные на ГАУ) катализаторов на. НДМГ существенно повышает скорость его суммарного окисления.. Во-вторых, процессы окисления НДМГ, адсорбированного на поверх­ности активного угля и, возможно, на клеточной поверхности, не приводят, как известно из литературных данных, к образованию вредных интермедиатов [8], что повысит экологическую безопасность очистки почвы с помощью данного биосорбента. Наконец, адсорбция НДМГ на ГАУ будет способствовать уменьшению скорости миграции указанного вещества в почвогрунтах и тем самым локализации загрязнения.

В связи с тем что в состав ракетного топлива входят, помимо азотсодержащих, и углеводородные компоненты, исследовалась также возможность использования углеводородокисляющих микроорганиз­мов для биодеградации НДМГ. В качестве такого микроорганизма применялся бактериальный штамм Phodococcus sp. 56Д, являющийся активным деструктором нефти и различных нефтепродуктов [9].. В жидкой среде данный штамм с высокой скоростью утилизировал НДМГ в качестве единственного источника азота, причем степень биодеградации упомянутого КРТ составляла около 90%. Полученные данные свидетельствуют о перспективности использования углеводородокисляющих бактерий в качестве основы для создания универ­сального биопрепарата, обеспечивающего биодеградацию токсичных азот- и углеводородсодержащих компонентов жидких ракетных топлив. В этом случае углеводородные компоненты топлива могут служить в качестве дополнительного источника углерода, стимулирующе­го процесс утилизации НДМГ, что особенно важно для биоочистки относительно бедных по органике загрязненных почв тундры.

На основе положительных результатов применения штамма Phodococcus sp. 56Д для детоксикации НДМГ была разработана ла­бораторная технология приготовления жидкого препарата [10], со­гласно которой была получена опытная партия такого препарата и проведены микрополевые испытания его эффективности по биоочистке почвы, загрязненной НДМГ. При этом исследовалась также зависи­мость степени его биодеградации от добавки в почву минеральных и органических удобрений. Исходная средняя концентрация НДМГ составляла 0,13 мг на 1 г почвы. В качестве добавок использовались нитроаммофоска (75 г/см²) и перегной (2 кг/м²), которые тщательно перемешивались с почвой до глубины 8 см. Бактериальный препарат вносился из расчета 1·10⁷ кл на 1 г почвы и также тщательно смеши­вался с верхним загрязненным ее слоем. Влажность делянок постоян­но поддерживалась на уровне 50—75% от общей влагоемкости. После месячной инкубации были отобраны почвенные пробы с глубины примерно 3—4 см и подвергнуты химическому и микробиологическому анализу. Его результаты показали, что за период наблюдения большая часть НДМГ (около 90%) из почвы исчезла путем химического и биологического окисления и, возможно, испарения. В то же время из этих данных следует, что присутствие в почве биопрепарата заметно (в среднем на 30%) стимулировало процесс деградации НДМГ по сравнению с его содержанием в контрольных почвах. Обогащение почвы путем внесения различных удобрений существенно ускоряло

процесс ее очистки, очевидно, за счет создания лучших условий жизнедеятельности штамма—деструктора НДМГ (Phodococcus sp. 56Д), а также, возможно, стимулирования местной микрофлоры поч­вы. Действительно, введение в нее упомянутых добавок вызывало значительное, примерно на порядок, увеличение численности почвен­ной микрофлоры. Таким образом, результаты микрополевых испыта­ний препарата на основе штамма-деструктора Phodococcus sp. 56Д показали перспективность его применения для биоочистки почв, загрязненных НДМГ, а также возможность ускорения процессов биоочистки за счет создания условий, благоприятных для микроорга­низмов.

Известно, что одной из важнейших характеристик процесса био­деградации токсикантов является его экологическая безопасность. Этот процесс можно считать экологически безопасным, если он не сопровождается накоплением вредных интермедиатов биотрансформа­ции токсиканта. В связи с отсутствием в литературе данных о продук­тах биодеградации НДМГ были проведены исследования некоторых экотоксикологических характеристик процесса его биотрансформации с использованием для этого нескольких подходов.

Один из таких подходов — биотестирование интегральной токсич­ности растворов, содержащих НДМГ и продукты его биодеградации. В качестве биотеста применялась культура Escherichia coli. О сум­марной токсичности можно было судить по скорости накопления клеточной биомассы в присутствии продуктов биотрансформации НДМГ, полученных ранее в результате процесса его биодеградацни штаммом-деструктором Candida sp. Биотестирование, проведенное с использованием Е. Coli 907, показало, что процесс биодеградации НДМГ с помощью дрожжей Candida приводил к значительному умень­шению токсичности водных растворов, содержащих НДМГ и продукты его биотрансформации [11].

Согласно другому подходу интегральная токсичность НДМГ и продуктов его биодеградации оценивалась по их фитотоксичности для прорастающих семян злаковых культур — пшеницы и ячменя как в водной, так и в песчаной среде. В качестве морфологического теста применялись такие показатели, как длина колеоптиля и основного корешка. Результаты тестирования показали, что процесс биодегра­дации НДМГ дрожжами вызывал уменьшение ингибирующего дейст­вия на рост колеоптиля и корней у семян пшеницы и ячменя. Эти данные свидетельствуют о практическом отсутствии в продуктах биодеградации НДМГ интермедиатов, обладающих фитотоксическим действием.

Наконец, была сделана попытка путем химического анализа установить в продуктах биодеградации НДМГ наличие деметилнитрозоамина, который, очевидно, является самым вредным соединением из всех известных продуктов химических трансформаций гептила. Полу­ченные результаты анализа говорят о том, что концентрация НДМГ, рассчитанная с учетом его остаточного содержания в контрольных пробах, составляла менее 2%. Это указывает на то, что биодеграда­ция НДМГ дрожжами не приводит к накоплению диметилнитрозоамина, являющегося опасным канцерогеном [11].

Таким образом, биотестирование и химический анализ показали, что процесс биодеградации НДМГ, проведенный в лабораторных условиях, экологически безопасен.

В ходе исследований было выделено 14 микроорганизмов—дест­рукторов НДМГ, относящихся к различным таксономическим группам. Следовательно, возможен выбор штаммов-деструкторов с желатель­ными свойствами, на основе которых можно разрабатывать различ­ные биотехнологии очистки почв и водоемов, загрязненных НДМГ.

Более того, возможно создание таких универсальных биопрепаратов, которые могут очищать территории, загрязненные не только азот­содержащими, но и углеводородосодержащими КРТ, т. е. осуществ­лять комплексную очистку загрязненных территорий.

Каковы же перспективы применения микробиологических методов для рекультивации территорий, загрязненных компонентами ракетного топлива? Очевидно, что в зависимости от характеристики конкрет­ного места их пролива могут быть использованы различные биотех­нологии в отдельности или в сочетании с другими способами очистки (химическими, физико-химическими, термическими). Гибкость сущест­вующих биотехнологий очистки позволяет в каждом конкретном случае выбирать наиболее эффективные способы биоочистки. Это, во-первых, применение биопрепаратов для очистки мест загрязнения in situ, которое считается одним из самых экономичных. В случае сильного загрязнения почвы НДМГ, когда в этой высокотоксичной среде микроорганизмы погибают, возможно использование биореактора: почвенная взвесь разбавляется водой до такой концентрации вещест­ва, при которой микроорганизмы уже могут его утилизировать. Если КРТ проникли в глубинные слои почвогрунтов, находящиеся в ана­эробных условиях и не допустимые для действия биопрепарата, то в таких ситуациях пригоден метод «бногрядок». При этом извлеченные на поверхность загрязненные почвенные горизонты обрабатывают биопрепаратом и различными добавками, интенсифицирующими про­цессы жизнедеятельности микроорганизмов. Грядки делают неболь­шой высоты для лучшей аэрации. Если же необходимо очистить за­грязненный водоем, то вода пропускается через биофильтр с иммо­билизованными на носителе микроорганизмами—деструкторами НДМГ. В качестве такого носителя возможно применение ГАУ, что позволит существенно повысить производительность и надежность процесса биоочистки. Существуют и другие, менее широко применяемые, ее способы, предназначенные для специальных случаев, но и выше­перечисленные методы обеспечивают с достаточной эффективностью биоочистку почв и водоемов от широкого круга различных токсикан­тов, в том числе и компонентов ракетного топлива. Очевидно, что выбор той или иной технологии будет определяться на основании комплексного анализа химических, гидрологических, микробиологи­ческих и других показателей, характеризующих состояние участков, загрязненных КРТ.

Для успешного применения микробиологических способов очист­ки территорий, загрязненных КРТ, в настоящее время необходима разработка опытно-промышленных биотехнологий. Первоочередной среди них является, на взгляд авторов, очистка загрязненных почво­грунтов in situ с помощью биопрепаратов на основе микроорганиз­мов-деструкторов, что обусловлено прежде всего простотой ее реали­зации, надежностью и экономичностью. Кроме этого, разработанные формы биопрепаратов, включая и биосорбенты на основе ГАУ, могут быть использованы на «биогрядках» и в биофильтрах, а также для начальной инокуляции биореакторов, т. е. практически во всех основ­ных биотехнологиях очистки почвогрунтов от КРТ.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Плехоткин В. Ф., М у с а к и н а В. П.. Елагина И. П., Кожемяки­
   на И. Н. Химия и технология обезвреживания НДМГ. Л.: ГИПХ, 1980.

1. Коровин Н. В. Гидразины. М.: Химия, 1980, 272с.

1. Пимкин В. Г.. Качин В. Г. Методы и средства локализации и обезвреживания КРТ в окружающей среде. С. Пб.: РНЦПХ, 1992.

2. Бельков В. В. Биоремедиация: принципы, проблемы, подходы.— Биотехнология, 1995, № 3, 4, с. 20—27.

1. Sayler G. S., Fox R., Blackburn J. W. (Eds). Environmental biotech­nology for waste treatment.— Jn. Environmental Science Research. 1991, v. 41, p. 288.

2. Alexander M. Biodegradation and Bioremediation.— Academic press, 1994
   p. 301.

3. Холоденко В. П., Чугунов В. А., Кобелев В. А., Воробье­ва В. М., Мартовецкая И. И. Исследование микробиологической очистки почв,
   загрязненных несимметричным диметилгидразином — токсическим компонентом ракет­ного горючего.— В тезисах докладов: Новые направления биотехнологии. Оболенск,
   Моск. обл.: ГНЦ прикладной микробиологии, 1994, с. 55.

4. Савин Ю. И., X а л и к о в И. С. Оценка основных путей трансформации
   несимметричного диметилгидразина в природных средах. Труды. М.: Институт экспериментальной метеорология, 1993, вып. 22, с. 74—79.

5. Пат. № 2101352. Приоритет от 30.11.95. Миронова Р. И., Носкова В. П.,
   Расулова Г. Е., Холоденко В. П. Штамм Rhodococcus sp. 56D, используемый для
   очистки воды и почвы от нефти и нефтепродуктов.

1. Лабораторный регламент приготовления препарата на основе штамма—деструктора гептила. Оболенск, Моск. обл.: ГНЦ прикладной микробиологии, 1995.

2. Кhо1оdеnko V. P., Chugunov V. А., Магtоvetsкауа I. 1.,
   Mirоnova R. I., Fоmсhеnkоv V. М. Ecotoxicological Characterization of
   l.l'-dimethyrazine biodegradation. Second International Congress.: Water Ecology
   and Technology. Ecwatech-96. Abstracts., Moscow, September, 17—21, 1996, p. 36, 37.