Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшей экологической проблемой является химическое загрязнение окружающей природной среды, способствующее накоплению экотоксикантов. Широко распространенными такими загрязнителями – поллютантами являются углеводороды, среди которых наиболее опасным для биосферы являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) - высокомолекулярные органические соединения бензольного ряда. Угроза многих ПАУ для живых организмов и здоровья человека обусловлена их канцерогенными, тератогенными и мутагенными свойствами, а также их длительной устойчивостью к естественной биодеградации. В загрязненных экосистемах ПАУ входят в пищевые цепи и вызывают функциональные расстройства в биоте различного уровня организации. В связи с этим их концентрация в окружающей среде является объектом постоянного мониторинга и экологические исследования, связанных с ПАУ, вызывают большой и широкий интерес.
ПАУ образуются в высокотемпературных процессах деструкции различных органических веществ. В настоящее время антропогенное загрязнение окружающей среды этими веществами при сжигании топлива, коксовании угля, нефтепереработке, проливах каменноугольных продуктов, нефти и нефтепродуктов, техногенных авариях является основным и намного превышает природное образование ПАУ при лесных пожарах и извержениях вулканов. Накоплению и длительному сохранению ПАУ в окружающей среде способствуют их малая летучесть в воздухе и незначительная растворимость в воде. В городских почвах доля ПАУ в загрязнениях может достигать 55%.
В России индикатором загрязнения среды ПАУ является бенз(а)пирен (Б(а)П), который обладает сильной биологической активностью, в том числе канцерогенной, наряду с высокой устойчивостью к деградации в окружающей среде. В почвах зон различного хозяйственного пользования города Санкт-Петербурга содержание Б(а)П превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК, 20 мкг/кг) в среднем по городу в 6 раз, причем максимальное накопление Б(а)П отмечается, наряду с промышленными и в жилых зонах. По сравнению с обычным физико-химическим контролем концентрации индикаторного ПАУ более эффективными могут быть биологические методы мониторинга или их сочетание, например, в экологически допустимых нормативах (ЭДН), (Абакумов В.А., Сущеня Л.М.. 1991; Левич А.П., 1994; Кондратьева Л.М., 2001). Уменьшение уровня ПДК и ЭДН ПАУ в городских почвах и водах является актуальной экологической проблемой.
Наиболее перспективными методами решения данной проблемы считаются методы детоксикации и очистки, предполагающие использование деятельности живых микроорганизмов. Наличие ПАУ в биосфере обусловило существование микроорганизмов и бактерий, способных к использованию ПАУ в качестве основного источника энергии для жизнедеятельности, к трансформации и деградации молекул ПАУ. В настоящее время штаммы таких бактерий интенсивно изучаются в связи с их способностью к конверсии ПАУ.
Вопросам разработки микробиологических методов мониторинга и очистки почв, донных осадков и вод, загрязненных ароматическими соединениями, посвящены работы: Абакумова В.А., Антонюк Л.П., Бабошина М. А., Боронина А. М., Гарабаджиу А. В., Головлевой Л. А., Ивахнюка Г. К., Карасевич Ю.Н., Кондратьевой Л.М., Левича А.П., Плешаковой Е.В., Плотниковой Е.Г., Ровинского Ф.Я., Турковской О. В., Фишер Н.К., Юровской Е.М., Янкевич М.И., Bogan B.W., Boonchan S., Cerniglia C.E., Chung W.K., Juhasz A.L., Kanaly R.A., Kaushish L.M., Zhang H. и других авторов. Пристальное внимание уделяется изоляции и исследованию штаммов, способных к деградации высокомолекулярных ПАУ, (молекула которых содержит более трех ароматических колец), как особо опасных и для которых количество известных штаммов и систематическое разнообразие бактерий еще недостаточно для промышленного применения. Задача поиска и применения новых штаммов-деструкторов высокомолекулярных ПАУ является по-прежнему актуальной. Также недостаточно известно о влиянии различных условий на конверсию ПАУ микроорганизмами и скорость бактериальной деградации ПАУ. Например, распространенной особенностью загрязнений городских почв является сопряженность загрязнений ПАУ с загрязнениями другими углеводородами, например, нефтепродуктами, а также тяжелыми металлами. Изучение биодеградации ПАУ в этих усложненных условиях также требует дальнейшего детального моделирования и анализа наблюдаемых процессов и результатов.
Таким образом, тема исследования, посвященного разработке микробиологических методов сохранения экологической безопасности городских почв и вод, загрязненных углеводородами, является актуальной.
Цель работы: разработать экологически безопасные микробиологические методы очистки почв и сточных вод, загрязненных полиароматическими соединениями, углеводородами и тяжелыми металлами, на основе селекции штаммов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выделение из длительно загрязняемой углеводородами и тяжелыми металлами городской почвы штаммов бактерий, обладающих способностью к деструкции ПАУ, селекция штаммов и идентификация.
-
Исследование экологической безопасности почвы, очищенной селекционными штаммами и их ассоциацией, для растений и гидробионтов.
-
Разработка биопрепарата и методики его применения для очистки почв и сточных вод, содержащих ПАУ и нефтепродукты.
-
Изучение санитарно-гигиенических и токсилогических свойств ассоциации штаммов, входящих в состав биопрепарата.
-
Опытно-полигонные и промышленные испытания биопрепарата по очистке загрязненных почв и сточных вод.
Защищаемые положения:
-
Городские почвы содержат штаммы бактерий Micrococcus sp. и Bacillus sphaericus способных к конверсии широкого спектра ПАУ в почвах и сточных водах в условиях комбинированного загрязнения углеводородами и тяжелыми металлами.
-
Штамм вида Bacillus sphaericus обладает способностью к разрушению бенз(а)пирена и росту на нафталине, фенантрене и антрацене как единственном источнике углерода и энергии.
-
Биологическая очистка с применением изолированных штаммов не влияет на интегральную токсичность почв для растений и водных вытяжек для гидробионтов.
-
Разработан безопасный биопрепарат и методики его применения для очистки почв и сточных вод, содержащих ПАУ и нефтепродукты.
Научная новизна работы.
- впервые обнаружена способность вида Bacillus sphaericus к разрушению бенз(а)пирена и росту на нафталине, фенантрене и антрацене как единственном источнике углерода и энергии;
- впервые показана способность бактерий родов Micrococcus и Bacillus разрушать антрацен, фенантрен и бенз(а)пирен в условиях комбинированного загрязнения среды углеводородами и тяжелыми металлами.
Практическая значимость работы:
- создание ассоциации штаммов – деструкторов ПАУ, устойчивых к высоким концентрациям нефтепродуктов и тяжелых металлов, позволило повысить эффективность очистки производственных сточных вод транспортных и промышленных предприятий с использованием фильтрующих кассет;
- на основе созданной ассоциации микроорганизмов разработан и апробирован биопрепарат «Микобас» для комплексной очистки сильно загрязненных почв и методика его использования.
Биопрепарат используется на предприятиях: ЗАО «Экопром», ООО «Экология Большого Города», ЗАО «СПБВЕРГАЗ» при биоремедиации загрязненных почв и очистке сточных вод
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом исследований автора, выполненных согласно планам НИР Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) и в рамках проекта подготовки кадров Комсомольского-на- Амуре государственного технического университета. Экспериментальные данные получены автором и при его непосредственном участии в лабораторных работах, включая отбор проб, подготовку специальных сред, проведение модельных экспериментов и опытно-полигонных испытаний, анализ и обобщение полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на Всероссийских и международных конференциях, в том числе, на 9-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология-наука ХХІ века» (Пущино, 2005); Международной конференции «Проблемы биодеструкции техногенных загрязнителей окружающей среды» (Саратов, 2005); Международной научно-практической конференции «Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля» (Пенза, 2007); Международной научно-практической конференции «XXXYIII неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2009); IV Международной конференции молодых ученых «Биоразнообразие. Экология. Адаптация. Эволюция», посвященной 180-летию со дня рождения И.П. Сеченова (Одесса, 2009). По материалам конференций опубликованы тезисы докладов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе две статьи в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, включает 27 рисунков и 16 таблиц. Диссертация состоит из списка сокращений, введения, обзора литературы, экспериментальной части с описанием объектов и методов исследования, 5 глав с изложением полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов, и библиографического списка, включающего 193 источника литературы.
