Биоремедиация почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Способы очистки почв

2. Биоремедиация

2.1 Понятие биоремедиации почв

2.2 История развития способа биоремедиации почв

2.3 Преимущества и недостатки методов биоремедиации почв

2.4 Классификация биоремедиационных технологий

2.4.1 Биоремедиация on site

2.4.2 Биоремедиация ex situ

2.4.3 Биоремедиация in situ

2.5 Биопрепараты, использующиеся для биоремедиации

Заключение

Список использованных источников

Введение

Загрязнение почв давно является крайне важной глобальной экологической проблемой, которая так или иначе касается любого жителя нашей планеты. По всему миру почвы загрязняются различными вредными примесями, такими как нефтепродукты, тяжелые металлы, бытовой мусор, удобрения. Попадание таких компонентов в почву ведет к накоплению в пищевой цепи вредных для организмов компонентов, которые ведут к вымиранию и разрушению организмов, тем самым, загрязнение в почве, может разрушить целую экосистему.

Почва является источником жизни, источником минеральных веществ и других необходимых компонентов, благодаря почве запускается весь круговорот веществ - из почвы растения добывают необходимые для жизни влагу и вещества, почва является средой обитания для многих других организмов: бактерий, водорослей, грибов, беспозвоночных и других. Поэтому важно поддерживать ее пригодное состояние.

Загрязнение почвы ведет к ухудшению ее плодородия, что приводит к разрушению пищевой цепи. Через почву загрязняющие вещества также попадают в грунтовые воды, затем в водоемы.

В связи с тем, что скорость образования почв достаточно мала, существует острая необходимость в очищении почв от загрязняющих веществ.

1. Способы очистки почв

На настоящее время разработано несколько способов очистки почв:

1) биоремедиационные процессы: использование живых организмов;

2) химические процессы: разрушение, фиксирование или концентрирование токсичных соединений с использованием одной или нескольких химических реакций;

3) физические процессы: отделение загрязнителей от почвенной матрицы путем использования физических различий между почвой и загрязнителем (например, летучести загрязнителя) или различий между загрязненными и незагрязненными почвенными частицами (например, их плотностей);

4) отверждение и стабилизация: процессы иммобилизации загрязнений в физических и химических процессах (процессы отверждения -- это процессы, которые превращают загрязненные материалы в затвердевшую массу; процессы стабилизации -- это процессы, превращающие химическую форму загрязнителя в менее доступную для растений);

5) термические методы: использование процессов, протекающих при повышенных температурах.

биоремедиация почва микроорганизм

2. Биоремедиация

2.1 Понятие биоремедиации почв

Биоремедиация - использование живых организмов - бактерий, дрожжей, грибов, водорослей и растений - для детоксикации загрязняющих веществ (поллютантов) или снижения их концентрации в окружающей среде. Биоремедиация нормализует природные процессы, приближая экологические показатели к состоянию, которое было до техногенного воздействия. Биоремедиация используется для детоксикации как природных (нефтянных), так и синтетических соединений (пестицидов, отравляющих веществ, ПАВ).

Основную роль в процессе биоремедиации играют микроорганизмы, которые разлагают поллютанты до менее токсичных соединений.

Применяется биоремедиация при очищении загрязненных почв, грунтов, водоемов, отходов горнодобывающей промышленности и т.д.

2.2 История развития способа биоремедиации почв

Еще первые простейшие методы очистки сточных вод - поля орошения и поля фильтрации были основаны на использовании растений. Успешное развитие биоремедиационных технологий для восстановления загрязненных почв началось в 1970-е гг., прежде всего, в связи с очисткой земель, остающихся после нефтедобычи, аварий при транспортировке и переработке нефти и применения нефтепродуктов. В этих биотехнологиях используют как стимулирование местной почвенной микрофлоры, обладающей способностью к окислению нефтяных углеводородов, так и внесение в места загрязнения биопрепаратов-нефтедеструкторов (аугментация).

На данный момент разрабатываются новые микробные препараты-деструкторы, специфичные к определенным видам углеводородных субстратов (мазуты, креозоты, битумы, полиароматические соединения), и новые технологические решения, позволяющие полностью ликвидировать последствия аварийных и систематических углеводородных загрязнений воды и почвы и восстановить природную, окружающую среду.

2.3 Преимущества и недостатки методов биоремедиации почв

Преимущество биоремедиационных технологий связано с широчайшими возможностями живых систем, особенно микроорганизмов, метаболизировать в той или другой степени огромное число различных органических веществ (таблица 1). Кроме того, очень важно, что применение биоремедиационных технологий предполагает мягкое воздействие на очищаемую среду, не приводящую к существенным изменениям основных почвенных показателей. Важным моментом также является меньшая стоимость биоремедиации.

Таблица 1 - Биодеструкция органических токсикантов

Технологии биоремедиации на данный момент используются достаточно редко - в 10-15% случаев восстановления почв. Это связано с недостатков этого метода:

1. Биоремедиация чаще всего использует метод деградации органических загрязняющих веществ, поглощение же тяжелых металлов растениями происходит значительно реже. Таким образом существует жесткая зависимость использования метода от того, в какой мере загрязняющие вещества могут быть подвержены разложению;

2. Плохая изученность темпов обработки загрязненных территорий - существуют исследования, показывающие, что темпы биодеградации существенно замедляются со временем;

3. Биоремедиация зачастую не позволяет полностью очистить субстрат, поэтому необходима дополнительная обработка почв;

4. Малая популярность метода - многие подрядчики не знакомы с технологиями биоремедиации.

2.4 Классификация биоремедиационных технологий

Принятая международная классификация биоремедиационных технологий делит их на 3 группы.

1. Биоремедиация ex situ (вне места нахождения почвы):

К указанным способам биоремедиации относятся технологии лэндфарминга, биокомпостирования в буртах на площадках и обработка загрязненной почвы в биореакторах.

· Извлечение загрязненной почвы, перемещение ее на площадки обезвреживания, агротехнические работы;

· Отмывание извлеченной почвы от загрязнения (в основном от нефти), возвращение на прежнее место и проведение мелиорации (комплекс мероприятий для повышения эффективности использования почвы);

· При обработке почвы в биореакторах происходит экскавация почвы и проведение жидкофазной или твердофазной ферментации в биореакторах с добавлением биогенных элементов в аэробных или анаэробных условиях (несколько дней или месяцев, снижение концентрации ксенобиотика на 90-99%).

2. Биоремедиация on site (без извлечения почвы):

· Мероприятия проводятся на месте без извлечения почвы;

· Проводятся мелиорация, биостимулирование, фиторемедиация (1-2 года, снижение концентрации токсиканта на 60-90%);

· Загрязненная почва остается на месте, только при необходимости механически снимается верхний, сильно загрязненный слой почвы, далее проводятся обработка биопрепаратами-деструкторами и весь комплекс агротехнических работ (2-4 года или больше, снижение концентрации ксенобиотика до 90%).

3. Биоремедиация in situ (в условиях нахождения загрязнения под поверхностью почвы):

· Биовентилирование - закачка воздуха, продолжительность - от нескольких дней до месяца, снижение концентрации ксенобиотика на 90-99%;

· Биобарботирование - закачка питательных растворов, продолжительность - от нескольких дней до месяца, снижение концентрации ксенобиотика на 90-99%;

· Биодеструкция при откачке жидкой фазы загрязнителя под вакуумом (продолжительность - от нескольких дней до месяца и года).

Также можно классифицировать способы биоремедиации по способам воздействия организмов.

1. Использование растений:

· Ризофильтрация -- сорбция загрязнителя на корнях или других частях растений, что также актуально при ликвидации неорганических загрязнений;

· Ризодеградация - деструкция загрязнений в корневой зоне растения под действием корневых жидкостей и активности ризосферной микрофлоры. Широкий спектр поллютантов, в том числе и стойких органических загрязнителей (СОЗ), можно разрушить с участием интродуцированных микроорганизмов-деструкторов СОЗ и растений, обладающих активной ризосферной микрофлорой, создавая новые растительно-микробные очищающие комплексы.

· Фитоэкстракция -- поглощение, транслокация и аккумуляция загрязнителя в растениях. Процесс лежит в основе очистки почв от тяжелых металлов и радионуклидов;

· Фитоволатилизация -- испарение воды и летучих химических элементов (As, Se) листьями растений;

· Фитотрансформация:

o Фитостабилизация -- перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму (снижает риск распространения загрязнений);

o Фитодеградация -- деградация растениями и симбиотическими микроорганизмами органической части загрязнений;

· Фитостимуляция -- стимуляция развития симбиотических микроорганизмов, принимающих участие в процессе очистки

2. Использование микроорганизмов и грибов:

· Биостимуляция - стимулирование развития аборигенной микрофлоры на территории, подвергшейся загрязнению;

· Биодополнение - внесение в почву биопрепаратов микроорганизмов способных к деградации загрязнителя;

· Фитостимуляция - использование растений для стимуляции развития ризосферных микроорганизмов.

Главную роль в деградации загрязнений играют именно микроорганизмы. Растение в процессе биоремидиации является биофильтром, создающим для них среду обитания (обеспечение доступа кислорода, разрыхление грунта).

2.4.1 Биоремедиация on site

Преимуществом технологии является то, что биоремедиация проводится прямо на месте загрязнения, что позволяет обрабатывать почву без ее извлечения и транспортировки и тем самым существенно снизить затраты на очистку.

Суть таких методов состоит либо в активизации природной микрофлоры, разлагающей токсикант в месте загрязнения, либо во внесении биопрепаратов деструкторов, специфичных именно к целевому загрязнителю.

Существует определенный недостаток таких технологических решений, связанный с низкой скоростью массопереноса в столь гетерогенной среде, как почва - очистка обычно происходит в течение недель и месяцев, что может приводить к изменению сроков дальнейшего использования очищаемой территории. Поэтому важным предварительным этапом работы является изучение состава почвы, состава загрязнения, уровня и направления тока (состава) грунтовых вод, и далее, уже на основе полученных данных, уточняется технологический регламент проведения биоремедиации.

Основное внимание при использовании биоремедиационных технологий уделяется обеспечению процесса кислородом для микробиологического окисления токсиканта. Невозможна биоремедиация загрязненных почв и грунтов в присутствии элементов питания, необходимых для роста и размножения клеток. Как правило, процессы деструкции осуществляются в определенном диапазоне величин рН. Например, при окислении углеводородов образуются промежуточные продукты метаболизма - органические кислоты, сдвигающие величины рН почвы в кислую сторону. Поэтому применяются раскислители почвы и стабилизаторы рН почвенного раствора.

При снижении температуры происходит замедление процессов, обеспечиваемых активностью микроорганизмов, что является определяющим для северных регионов, хотя микроорганизмы-деструкторы, как правило, остаются жизнеспособными и при температуре ниже точки замерзания воды и восстанавливают активность при повышении температуры окружающей среды. Следует отметить важность присутствия воды в почве при проведении биоремедиации, так как только она является той транспортной средой, через которую и загрязнитель, и элементы питания поступают в клетку, а также выводят продукты метаболизма.

Как правило, завершающим этапом очистки и восстановления почв загрязненных территорий является фиторемедиация - посев устойчивых к нефтяному загрязнению трав.

2.4.2 Биоремедиация ex situ

К указанным способам биоремедиации относятся технологии лэндфарминга, биокомпостирования в буртах на площадках и обработка загрязненной почвы в биореакторах.

Лэндфарминг - это очистка извлеченной загрязненной почвы, распределенной на поверхности земли слоем 0,3-0,5 м, за счет биостимулирования аборигенной микрофлоры агротехническими приемами, такими как рыхление и внесение минеральных удобрений, для обеспечения сбалансированного питания микрофлоры, а также полив и обработка биопрепаратами-деструкторами одновременно с поливом и внесением удобрением на фоне проводимых мероприятий. Эта довольно простая и недорогая технология позволяет очистить почву за время от 2-3 месяцев до нескольких лет, но требует значительных площадей. Используется для очистки почвы с невысоким уровнем загрязнения веществами, деструкция которых происходит медленно, такими как полиароматические углеводороды, хлорированные растворители (перхлорэтилен, трихлорэтилен, дихлорэтилен), диоксины.

Успех биокомпостирования в буртах на площадках обезвреживания сильнозагрязненных почв и грунтов зависит от применяемых агротехнических решений и эффективности биопрепаратов-деструкторов токсиканта. Складирование загрязненных почв и грунтов в бурты позволяет осуществить процесс биоремедиации в более контролируемых условиях, чем при лэндфарминге. Если биокомпостирование проводится в буртах с принудительной аэрацией, то высота бурта достигает нескольких метров, внутри размещается система перфорированных труб, через которые насосом прокачивается воздух. Если аэрация осуществляется естественным образом, то организуется бурт не более 0,5 м высоты и с регулярным перемешиванием компоста.

Для проведения биоокисления токсикантов бурты периодически увлажняют и вносят элементы питания. Очень часто, особенно при высоком уровне загрязнения, почвы смешивают с объемным разбавителем (сидераты, торф, опилки, лиственный опад). Как правило, биокомпостирование почв, грунтов, отходов с углеводородным загрязнением проводится от нескольких месяцев до 1-2 вегетативных сезонов, при тщательном соблюдении регламентных работ на площадке.

Обработка загрязненной почвы в биореакторах наиболее эффективна и дает возможность достичь высокой степени очистки в минимальные сроки, но экономически этот способ самый дорогой. Наибольшие расходы при его применении связаны с энергозатратами на перемешивание и аэрирование очищаемой суспензии водного раствора и почвы.

2.4.3 Биоремедиация in situ

Проблемы уничтожения загрязнений территорий на глубину, особенно под объектами городской застройки, возникают в больших городах, когда идет перепрофилирование территорий промпредприятий, находящихся в городской черте, развитие и расширение городской застройки. От эффективной ликвидации таких загрязнений зависят градостроительные решения.

Новыми и успешными в Европе и США являются методы биовентилирования, биобарботирования и откачки жидкой фазы под вакуумом для удаления адсорбированных летучих и полулетучих токсикантов и загрязнителей в жидком состоянии. Для интенсивного протекания микробиологических процессов проводят нагнетание воздуха через инжекционные скважины. Движение воздуха стимулирует жизнедеятельность почвенных микроорганизмов и миграцию загрязнителей в зону дерна и корневой ризосферы. Отработанный воздух дополнительно очищается в установках каталитического дожига, фильтрах, биофильтрах.

При реализации этих методов, кроме насыщения воздухом, применяют биопрепараты и биогенные элементы и добавки (обычно биологически совместимые поверхностно-активные агенты), способствующие десорбции адсорбированных на частицах почвы загрязняющих веществ и увеличению их биодоступности аборигенной или интродуцированной микрофлоре.

2.5 Биопрепараты, использующиеся для биоремедиации

Большое распространение получили технологии с применением различных биопрепаратов, содержащих микроорганизмы, способные разрушать токсикант. Такие биопрепараты первого поколения (1980- 1990-?е гг.), как правило, содержали микроорганизмы-деструкторы одного вида и рода, например, известные в России бактериальные препараты «Путиноид», «Руден», или консорциум микроорганизмов, такие как препарат «Деворойл» (5 бактериальных культур и 2 дрожжевые), препарат серии «Биодеструктор» (два штамма бактерий), «Родер» (2 штамма бактерий).

Дальнейшие исследования и испытания разработанных препаратов позволили определить направление развития и конструирования биопрепаратов. Было показано, что эффективность биопрепаратов повышается при иммобилизации микроорганизмов-деструкторов на материалах, обладающих сродством к загрязнителю.

Преимуществом биопрепаратов, состоящих из иммобилизованных на носителях микроорганизмов-деструкторов (в том числе биосорбентов), является более высокая выживаемость клеток микроорганизмов, что существенно увеличивает сроки хранения препаратов; носители могут содержать питательные компоненты, необходимые для поддержания деструктивной активности клеток, что упрощает технологический процесс применения биопрепаратов.

Разработано много биопрепаратов, включающих и сорбенты, и микроорганизмы-деструкторы. Такие биосорбированные препараты можно отнести ко второму поколению. Это, например, препараты «Экойл», «Эколан», семейство препаратов «БАК» и другие. Они более технологичны, не требуют предварительной подготовки для применения, хотя и выявились сложности в производстве и поддержании их в производственных и лабораторных условиях.

Третье поколение современных биопрепаратов на основе смешанных культур и ассоциаций микроорганизмов имеет более широкие адаптационные возможности для использования. Они применяются не только для очистки почв и грунтов, но и для обезвреживания таких органических отходов, как креозот, сланцевые масла, отработанные машинные и моторные масла, смазочно-охлаждающие жидкости и другие углеводородные загрязнения.

Для расширения сферы применения и эффективности в современные биопрепараты добавляют различные эмульгаторы, биодобавки, поверхностно-активные вещества и другие стимуляторы биологических процессов. Происходит дальнейшее усложнение как методов получения таких биопрепаратов, так и технологий применения

Заключение

Почва - очень важная для всего живого и крайне восприимчивая к загрязнениям экосистема. Почвы необходимо охранять от вредных воздействий, но если она всё же была нарушена какими-либо инородными компонентами, то её следует очищать. Для этих целей разработаны различные способы очистки почвы, например такие как:

· Физические

· Химические

· Биоремедиационные и т.д.

В данной работе были рассмотрены методы биоремедиационной очистки почв, такие как:

· очистка не на исходном месте нахождения почв (ex situ)

· очистка воздействием на почвы снаружи (on setu)

· очистка воздействием изнутри (in setu).

Для очистки почв биоремедиационными методами могут быть использованы специальные биологические препараты (добавки), такие как

· «Родер»

· «Путиндойл»

· «Дестройл» и т.д.

биоремедиация почва микроорганизм

Список использованных источников

1. Журнал - Наука за рубежом - № 25, август-сентябрь 2013 - Институт проблем развития науки РАН

2. Боронин А.М. Биоремедиация // Большая российская энциклопедия. (2016)

3. Ступин Д.Ю. Загрязнение почв и новейшие технологии их восстановления. Санкт-Петербург; 2009

4. Киреева Н.А., Тарасенко Е.М., Онегова Т.С., Бакаева М.Д. Комплексная биоремедиация нефтезагрязненных почв для снижения токсичности. Биотехнология. 2004

5. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. Прикладная экобиотехнология. М.: БИНОМ; 2010

Размещено на Allbest.ru