Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1. Проблема экологической безопасности и защиты окружающей среды от промышленных экотоксикантов 12
1.2. Анализ существующих методов утилизации техногенных загрязнителей органической и неорганической природы 14
1.2.1. Основные методы утилизации отходов производства 14
1.2.1.1. Методы очистки почв и водоемов от тяжелых металлов 16
1.2.1.2. Методы утилизации нефтяных углеводородов 17
1.2.1.3. Методы очистки сточных вод от фенола и формальдегида 19
1.3. Биологические методы разложения и утилизации промышленных экотоксикантов 20
1.3.1. Биотехнологические методы очистки сточных вод 27
1.3.2. Биотехнологические методы очистки загрязненных почв и водоемов 32
1.3.2.1. Обработка в жидкой фазе 32
1.3.2.2. Твердофазная обработка с выемкой загрязнителя 32
1.3.2.3. Локальная обработка почвы 33
1.3.3. Особенности очистки водоемов от органических загрязнителей 35
1.3.4. Биологические препараты экологического назначения 36
1.4. Целлюлоза и нитроцеллюлоза и возможные пути их утилизации 43
1.4.1. Целлюлоза 43
1.4.2. Нитроцеллюлоза.. 47
1.5. Предложения по поиску и выбору наиболее эффективных решений для обезвреживания загрязненных нитроцеллюлозой территорий 56
Глава 2. Результаты собственных исследований 63
2.1. Материалы и методы исследований 63
2.1.1. Микроорганизмы, питательные среды и способы культивирования 63
2.1.2. Экспериментальные модели 72
2.1.3. Прудки-накопители ФГУП «Режевской химический завод» 77
2.1.4. Статистическая обработка результатов исследований 81
2.2. Экспериментальное изучение биодеструктивных свойств бактериальных культур микроорганизмов, способных утилизировать промышленные отходы, содержащие нитроцеллюлозу 81
2.2.1. Изучение микробиологического состава проб 81
2.2.2. Биодеструктивная активность бактериальных культур в отношении нитроцеллюлозы 84
2.2.3. Сравнительная оценка в лабораторных условиях эффективности биодеструкции нитроцеллюлозы культурами микроорганизмов и их ассоциациями 86
2.2.4. Изучение влияния различных физико-химических и технологических факторов на эффективность биодеструкции нитроцеллюлозы 94
2.2.4.1. Концентрация водородных ионов 95
2.2.4.2. Температура 96
2.2.4.3. Удельная концентрация экобиопрепарата 98
2.2.4.4. Продолжительность воздействия экобиопрепарата и кратность его применения 99
2.2.4.5. Интенсивность аэрации 100
2.2.4.6. Биостимуляторы 101
2.3. Обоснование технических решений по микробиологической деструкции нитроцеллюлозы для включения в проектную документацию на рекультивацию прудков-накопителей ФГУП «Режевской химический завод» 104
2.4. Результаты выполнения работ по обезвреживанию и рекультивации прудков-накопителей от промышленных отходов, содержащих нитроцеллюлозу, на территории ФГУП «Режевской химический завод» биологическим методом 108
Заключение 120
Выводы 128
Практические рекомендации 130
Список литературы 131
- Биологические методы разложения и утилизации промышленных экотоксикантов
- Предложения по поиску и выбору наиболее эффективных решений для обезвреживания загрязненных нитроцеллюлозой территорий
- Сравнительная оценка в лабораторных условиях эффективности биодеструкции нитроцеллюлозы культурами микроорганизмов и их ассоциациями
- Результаты выполнения работ по обезвреживанию и рекультивации прудков-накопителей от промышленных отходов, содержащих нитроцеллюлозу, на территории ФГУП «Режевской химический завод» биологическим методом
Биологические методы разложения и утилизации промышленных экотоксикантов
Биологические методы обезвреживания отходов находят все более широкое применение в нашей стране и за рубежом. Они основаны на способности различных штаммов микроорганизмов в процессе своей жизнедеятельности разлагать или усваивать в своей биомассе многие органические загрязнители. Биологическая очистка чаще всего используется для нейтрализации органических токсикантов и тяжелых металлов, а также азотных и фосфорных соединений в почвах и грунтах.
Так, например, использование природных микроорганизмов для утилизации ксенобиотиков занимает приоритетное место в различных экологических программах по охране окружающей среды. Микробиологический метод очистки является одним из наиболее перспективных направлений развития экобиотехнологии вследствие своей эффективности, безвредности и сравнительно низкой себестоимости. В качестве объектов первостепенного внимания при этом признаются промышленные растворители, нефтепродукты и полихлорированные бифенилы [8, 85, 109].
Микробиологическое обезвреживание отходов требует в 3-10 раз меньше экономических затрат, чем физические или химические методы. По другим источникам стоимость использования способа микробиологической деструкции, например, на рынке США, на 10-40% ниже, чем стоимость применения для этих целей физико-химических методов [6, 8, 17, 23, 28, 29, 32, 42, 52, 63, 108, 140, 172, 212, 254].
Микробиологические методы основаны на естественной способности природных микроорганизмов деградировать опасные соединения до безвредных веществ. Они эффективны против широкого ряда вредных органических соединений, трудно поддающихся разрушению другими известными способами. Поэтому проблема биологической деструкции, т.е. процесса полного или частичного разрушения органических соединений микроорганизмами, приобретает в настоящее время чрезвычайную актуальность [28, 32, 52, 63, 79, 109, 148].
Многие ксенобиотики эффективно деградируются природными микроорганизмами. Рассмотрение и анализ литературы, посвященной микроорганизмам-деградантам, показал, что некоторые соединения, в особенности галогенизирован-ные, весьма устойчивы. Следует отметить, что, несмотря на способность микроорганизмов к деструкции широкого разнообразия органических субстратов конкретные штаммы, как правило, окисляют ограниченное количество загрязнителей [28, 30, 32, 42, 52, 110, 140, 227, 254].
В настоящее время ведутся интенсивные экспериментальные исследования по поиску, выделению и изучению биологических свойств новых видов микроорганизмов, устойчивых к негативному воздействию различных экотоксикантов, по генетической модификации и селекции активных штаммов-биодеструкторов и конструированию на их основе эффективных биологических препаратов экологического назначения [16, 22, 39, 86, 96, 113, 235, 288].
Так, например, обнаружено, что бактерии рода Alcaligenes оказались эффективны в ускорении естественного разложения гидразинов в почве и воде. Штаммы Alcaligenes RH021 и RH022 высвобождали от 50 до 90 % фтора из трех изомеров мо-нофторбензоата. Для псевдомонад, утилизирующих алкилсульфонаты, в качестве единственного источника углерода и энергии (Pseudomonas rationis T) установлен путь первоначального расщепления связи C-S с последующим окислением алифатического спирта до соответствующих кислот, что может быть использовано для очистки сточных вод, загрязненных анионными поверхностно-активными веществами [20, 32, 123].
Выделены штаммы Pseudomonas paucimobilis, утилизирующие целый ряд конденсированных ароматических углеводородов, считавшихся ранее устойчивыми к биодеструкции – антрахинон, бензофлуорен, хризен, фенантрен, пирен и др. [96]. В глубинных меловых отложениях обнаружены грамположительные бактерии с уникальным спектром утилизируемых соединений, использующие в качестве единственных источников углерода, азота и энергии такие соединения как: толуол, нафталин, дибензотиофен, салицилат, бензол, р-крезол и все изомеры ксилола [31, 42].
Повышение практической результативности работ в данном направлении связывается с развитием генно-инженерных исследований, которые в настоящее время ограничиваются сложными процедурами получения разрешений на проведение полевых экспериментов с рекомбинантными микроорганизмами. В то же время некоторые биотехнологические фирмы активно разрабатывают технологии применения генетически измененных бактерий для биологической деструкции опасных веществ в биореакторах [40, 85, 109].
Огромным количеством исследований, проводимых различными научными центрами, показана высокая эффективность утилизации микроорганизмами различных ксенобиотиков в лабораторных условиях [46, 85, 110, 172]. Однако в природных условиях превращение токсиканта с помощью бактериальных энзимов может осуществляться по другому пути, нежели в лабораторных, и, что наиболее важно, при внесении микроорганизмов, особенно полученных генетическими методами, не исключен риск, связанный с нежелательными и непредсказуемыми последствиями, которые могут возникнуть в результате этого в природной среде. Намного более перспективно и безопасно использование активных микроорганизмов-деструкторов для очистки стоков промышленных предприятий от остатков чужеродных соединений. Здесь микроорганизмы применяют или в закрытых системах или в иммобилизованном виде, что предотвращает непреднамеренное загрязнение окружающей среды [85, 109].
Поэтому, в промышленно развитых странах, в настоящее время широко ведутся исследования с целью разработки различных технологий для использования активных штаммов-деструкторов и их ассоциаций в биореакторах для очистки промышленных стоков и биоремедиации загрязненных почв [8, 17, 28, 30, 32, 53, 63, 109, 170, 254].
В целом изучение путей микробной деструкции загрязняющих окружающую среду экотоксикантов и анализ опыта последних лет по целенаправленному использованию биотехнологических процессов для восстановления нарушенных в результате человеческой деятельности экосистем свидетельствуют как о несомненной перспективности развития исследований в этой области, так и о необходимости интеграции усилий ученых и специалистов для решения конкретных практических задач [17, 29, 46, 85, 172, 292].
Следует также отметить, что биологические методы условно подразделяются на микробиологическую биодеградацию загрязнителей и биопоглощение.
Микробиологическая биодеградация – это деструкция органических веществ определенными культурами микрофлоры, внесенными в грунт. Процесс биоразложения протекает с заметной скоростью при оптимальных температуре и влажности.
Биопоглощение – это способность некоторых растений и простейших организмов ускорять биодеструкцию органических веществ или аккумулировать специфические загрязнители в клетках.
Метод микробиологической биодеградации бытовых и промышленных отходов основывается на биохимическом (ферментативном) разложении микроорганизмами различных органических субстратов. Нейтрализация отходов может происходить как аэробным путем, в частности, компостированием, так и анаэробным, сопровождающимся выделением биогазов.
Что касается компостирования, то это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеструкции смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеструкции органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образованием стабильного безопасного конечного продукта [10, 17, 23, 29, 42, 52, 130, 148, 212, 254].
Поддаются компостированию отходы, содержащие как органические, так и неорганические компоненты. В процессе компостирования, когда удовлетворяется потребность в кислороде, органические вещества переходят в более стабильные конечные формы и выделяются, в основном, в виде диоксида углерода, окислов азота и воды [29, 148, 170, 254].
Известно, что в природе, не подвергшейся вмешательству человека, в экосистемах под влиянием микроорганизмов (аборигенной микрофлоры) происходят процессы самоочищения, сопровождающиеся разложением и нейтрализацией экозагрязнителей.
Так, известно, что в одном грамме почвы содержатся десятки миллионов микроорганизмов – сапрофитов, актиномицетов, грибков, олигонитрофилов, азотобактеров и клубеньковых бактерий, бактерий, разлагающих клетчатку, аммонификаторов, денитрификаторов, анаэробных фиксаторов азота.
Перечень и количество наиболее часто встречаемых почвенных микроорганизмов [26, 49, 67, 97, 120, 127, 134, 196, 275, 276] приведены в таблице 1.
Предложения по поиску и выбору наиболее эффективных решений для обезвреживания загрязненных нитроцеллюлозой территорий
Микроорганизмы, способные к деструкции разнообразных органических веществ, широко распространены в различных природных условиях. Они играют ведущую роль в процессах самоочищения объектов окружающей среды, загрязненных техногенными веществами. При этом наблюдается прямая зависимость между степенью загрязненности почв и присутствием в них различных видов микроорганизмов-биодеструкторов, что дает возможность считать наличие таких микроорганизмов индикаторами экологической обстановки местности [17, 20, 109, 254]. Микроорганизмы, способные усваивать органический загрязнитель в качестве единственного источника углерода, азота и энергии, встречаются в различных экологических нишах и особенно часто в местах добычи и на территориях аварийных розливов нефти, в нефтяных водах (шламах), на автозаправочных станциях, в местах дислокации техники и др. Из загрязненных образцов почв выделено значительное количество различных представителей микробного мира. В настоящее время известно свыше 100 видов бактерий, дрожжей, мицелиальных грибов, являющихся естественными представителями биоценозов почв и обладающих способностью утилизировать широкий спектр ксенобиотиков. К ним относятся представители следующих родов: бактерий – Rhodococcus, Pseudomonas, Flavobacterium, Nocardia, Arthrobacter, Acinetobacter, Vibrio, Micromonospora, Mycobacterium, Micrococcus, Desulfovibrio, Bacterium, Pseudobacterium; дрожжей – Candida, Pichia, Torula, Debaryomyces, Endomycopsis, Trichosporon; мицелиальных грибов – Actinomucor, Cunninghamella, Trichoderma, Actinomy-ces, Phycomycetes, Ascomycetes, Basidiomycetes, Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Mu-cor, Cladosporium, Cephalosporium [26, 28, 49, 67, 94, 97, 109, 120, 127, 275].
Микроорганизмы, имеющие гидрофильные клеточные оболочки, способны разрушать и нерастворимые в воде углеводороды при непосредственном контакте с ними. К таким микроорганизмам относятся Mycobacterium, Rhodococcus, Corinebacerium, Acinetobacter и многие другие роды микроорганизмов, в том числе и дрожжи. Описано ускорение роста дрожжей рода Torulopsis на углеводородах при увеличении поверхности эмульгированных капель нерастворимых в воде углеводородов. Эти микроорганизмы выделяют гликолипиды и миколовые кислоты в клеточные стенки, благодаря чему осуществляется диспергирование и перенос углеводородов через клеточные стенки. Такие микроорганизмы обнаруживаются только внутри капель нефти или на поверхности контакта «нефть – вода» [52, 109, 254]. Углеводородокисляющие микроорганизмы различных родов различаются по способности разрушать углеводороды различных классов. Бактерии рода Pseudo-monas и Achromobacter способны разрушать алифатические, ароматические и некоторые другие виды углеводородов в аэробных условиях и легко разлагают легкие бензины, лигроиновые и керосиновые фракции нефти. В разрушении тяжелых фракций более существенное участие принимают микроорганизмы семейства Mycobacteriaceae, Brevibacterium, дрожжи и грибы. Микобактерии и нокардии более чем Pseudomonas активны в отношении разветвленных парафинов и углеводородов сложного строения.
Хотя многие ксенобиотики достаточно эффективно деградируются природными микроорганизмами, некоторые органические соединения, в особенности галоге-низированные, весьма устойчивы. Следует отметить, что, несмотря на способность микроорганизмов к деструкции широкого разнообразия органических субстратов, индивидуальные штаммы, как правило, окисляют только одно или небольшое число соединений. Поэтому во многих лабораториях мира ведутся интенсивные исследования по поиску в объектах окружающей среды микроорганизмов, устойчивых к токсикантам и способных их разлагать.
Ускорение практической результативности работ в данном направлении связывается с развитием генно-инженерных исследований по получению активных штаммов-деструкторов, конструированию новых ДНК-рекомбинантных микроорганизмов с повышенной способностью к деструкции чужеродных соединений. Данные исследования в настоящее время ограничиваются сложными процедурами получения разрешений на проведение полевых экспериментов с генетически измененными микроорганизмами [22, 52, 109, 235, 288].
Научно-исследовательскими работами показана в лабораторных условиях эффективность утилизации различных ксенобиотиков микроорганизмами при оптимизации конкретных биотехнологических параметров, влияющих на скорость биодеструкции. Однако в природных условиях биохимические превращения экотоксикан-тов с помощью микробов могут осуществляться по другому пути, нежели в лабораторных, и, что наиболее серьезно, при внесении микроорганизмов, особенно полученных генетическими методами, не исключен риск, связанный с нежелательными и непредсказуемыми последствиями, которые могут возникнуть в результате этого в природной среде. Намного более перспективным и безопасным является использование активных почвенных микроорганизмов-деструкторов для очистки стоков промышленных предприятий от остатков различных чужеродных соединений. Здесь микроорганизмы используются или в закрытых системах, или в иммобилизованном виде, что предотвращает непреднамеренное загрязнение окружающей среды [52, 109, 212, 254].
Анализ данных литературы в области разработки экобиопрепаратов свидетельствует, что основными критериями для подбора эффективных микроорганизмов-деградантов и конструирования на этой основе ЭБП является их способность разрушать широкий спектр органических веществ, стабильность генетического аппарата, сохранение жизнеспособности в процессе хранения, быстрый рост после хранения, высокая ферментативная активность, способность к росту в природных условиях, способность выдерживать конкуренцию с местными микроорганизмами. Глубина трансформации загрязнителя должна гарантировать максимальное исчерпание источников загрязнения, биодеструкцию и снижение их концентрации до экологически приемлемого для данного экотоксиканта уровня [17, 27, 29, 109, 138, 212].
Микроорганизмы-деграданты должны относиться к группе прототрофов, т.е. расти и функционировать в неприхотливых реальных условиях среды, а производство биопрепаратов на их основе должно быть экологически чистым и экономически выгодным. Микроорганизмы не должны быть патогенными, не должны накапливать в качестве конечных или промежуточных продуктов токсичные или другие вредные для человека, животных или растений соединения. Кроме того, штаммы микроорганизмов-деструкторов, входящие в разрабатываемые ЭБП, не должны обладать вирулентностью, токсичностью и токсигенностью, раздражающим действием, способностью к диссеминации во внутренних органах человека и животных, то есть в целом быть абсолютно безопасными и безвредными для человека, животных и объектов окружающей среды, что должно быть подтверждено материалами экспериментальных исследований и оформлением соответствующей нормативной документации [109, 212, 254].
Следует отметить, что внесение ЭБП с фосфор- и азотсодержащими добавками, а также образующиеся продукты распада загрязнителя не должны оказывать токсического влияния на процессы восстановления самоочищающей способности объектов окружающей среды. В лабораторных экспериментах должно быть подтверждено отсутствие антагонизма между микроорганизмами, входящими в состав экобиопрепарата, и аборигенными гетеротрофами [17, 29, 109, 212, 254].
Таким образом, анализ данных литературы по вопросам биологической нейтрализации и очистки объектов от загрязнения различными (прежде всего промышленными) экотоксикантами и разработки для решения этих задач эффективных биопрепаратов позволяет говорить о том, что несмотря на значительное число предложенных для этой цели штаммов микроорганизмов, обладающих биодеструктивными свойствами, маловероятно создание одного единственного и универсального биопрепарата, пригодного для обезвреживания различных объектов.
Высокая эффективность любого микробного препарата во всем диапазоне наличия массы химически многообразных экотоксикантов и воздействия различных физико-химических и климатических факторов окружающей среды, экологических условий принципиально невозможна, что подтверждается объективным фактом отсутствия на коммерческом рынке такого многофункционального биопрепарата.
В идеале, значительное разнообразие почвенных и климатических условий (сезонные перепады температур, виды почв, их аэрируемость, влажность, кислотность и т.п.), а также состава и свойств загрязнителя, должно находить отражение в компонентном составе ЭБП и технологии его применения.
Сравнительная оценка в лабораторных условиях эффективности биодеструкции нитроцеллюлозы культурами микроорганизмов и их ассоциациями
Исключительно важным для успешного решения поставленных задач представлялась оценка биотехнологического потенциала (деструктивной активности) выбранных микроорганизмов и их ассоциаций, а именно, изучение их способности расти и накапливать биомассу на простых минеральных средах и разлагать такой специфический экотоксикант как нитроцеллюлозу. Исходя из проведенного выше сравнительного анализа изучаемых отдельных монокультур бактерий, а также с целью повышения уровня биодеструктивных свойств в случае использования их в неблагоприятных условиях внешней среды и воздействия различных неблагоприятных факторов (температура, величина рН, недостаточный уровень аэрируемости и др.), нами были предложены ассоциации (поликультуры) штаммов-биодеградантов. Так, были сконструированы ассоциации из следующих комбинаций микроорганизмов:
Acinetobacter sp. и Pseudomonas fluorescens 2;
Pseudomonas fluoresce 4 и Rhodococcus sp. 7;
Acinetobacter sp. и Rhodococcus sp. 7;
Acinetobacter sp, Pseudomonas fluorescens 2, Pseudomonas fluorescens 4 и Rhodococcus sp. I.
Удельные концентрации бактериальных клеток в каждой ассоциации были одинаковыми и составляли 109 кл.-мл-1.
В качестве препарата сравнения использовали экобиопрепарат «Центрум-MMS» (ассоциация № 5), состоящий из двух видов штаммов-биодеструкторов: Pseudomonas fluorescens ВКМ В-6847 и Rhodococcus erythropolis ВКМ Ас-1769.
Готовая форма данного препарата содержит культуры выше представленных микроорганизмов в количественном соотношении 1:2 соответственно.
В научной литературе указывается, что качественный и количественный состав ассоциаций привязан к конкретным условиям и является элементом обратной связи с составом сообществ аборигенной микрофлоры конкретных почвенно-климатических зон, данные о которых в принципе можно использовать для конструирования или корректировки состава конкретного биопрепарата. Существенное значение имеют и результаты изучения взаимотолерантности микроорганизмов в искусственно составленных ассоциациях, возможности их совместной ферментации методом периодической культуры. Предполагается также, что объединение отдельных культур микроорганизмов-биодеструкторов в ассоциации может существенно увеличить биологическое разложение различных экотоксикантов [52, 62, 109, 120, 196].
Результаты выполненных исследований приведены в таблице 7.
Анализ экспериментальных данных представленных в таблице 7 позволяет говорить о наличии у изучаемых культур и ассоциаций микроорганизмов хорошо выраженных биодеструктивных свойств и способности разлагать в экспериментальных моделях НЦ. Сравнительные испытания биодеструктивных свойств в отношении НЦ позволили установить, что наибольшая эффективность обнаружена у ассоциаций №№ 2, 4 и 5. Многокомпонентная ассоциация № 2 показала более высокую биодеструктивную активность, чем ассоциации №№ 4 и 5 (коммерческий экобиопрепарат «Центрум-MMS»).
Проведенные исследования позволили также выявить определенный синерге-тический эффект в деструкции НЦ у изучаемых ассоциаций микроорганизмов-биодеструкторов в сравнении с отдельными монокультурами.
Вышеизложенные факты, установленные по результатам лабораторных исследований, позволяют утверждать о наличии реальных возможностей целенаправленно создавать для целей биодеструкции нитроцеллюлозы эффективные экобиопрепараты с заданными биотехнологическими свойствами.
В принципе, для решения поставленных в настоящей работе задач (разложения различных органических загрязнителей, содержащих соединения азота, в том числе и нитроцеллюлозу) наиболее целесообразным было бы конструирование и утверждение в установленном порядке нового биологического препарата на основе таких культур как Pseudomonas fluorescens 4 и Rhodococcus sp. 1 (ассоциация № 2), а также Acinetobacter sp., Pseudomonas fluorescens 2, Pseudomonas fluorescens 4 и Rhodococcus sp. 1 (ассоциация № 4).
В то же время в наших исследованиях было показано, что одним из наиболее близких к исследуемым ассоциациям биологически активных штаммов, способных утилизировать нитроцеллюлозу, по своему бактериальному составу является разработанный нами ранее (Патент на изобретение № 2428471 от 11 мая 2010 г.) и производимый в настоящее время биологический препарат экологического назначения «Центрум-MMS». Экобиопрепарат создан на основе двух видов углеводоро докисляющих микроорганизмов Rhodococcus erythropolis ВКМ Aс-1769 и Pseudomonas fluorescens ВКМ В-6847 и используется для ремедиации почв и водных поверхностей, загрязненных нефтяными, мазутными и другими углеводородными экотоксикантами, для чего собственно он и создавался.
Изучение биологических характеристик, как самого экобиопрепарата «Центрум-MMS», так и входящих в его состав культур двух бактериальных штаммов, позволили выявить и экспериментально подтвердить наличие у них нового, ранее неизвестного свойства, как способности утилизировать нитросоединения и оценить целесообразность возможного дальнейшего применения данного ЭБП.
Для подтверждения перспективности использования экобиопрепарата «Центрум-MMS» необходимо было экспериментально подтвердить специфическую активность, составляющих его основу штаммов, к утилизации нитроцеллюлозы в донных отложениях прудков-накопителей.
Ранее полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что представители микроорганизмов родов Pseudomonas и Rhodococcus наиболее активны в процессе биотрансформации нитроцеллюлозы при культивировании их в синтетической безуглеродной среде, где они способны использовать ее в качестве источника углерода.
Было проведено сравнительное исследование способности роста выделенных нами микроорганизмов Pseudomonas sp. и Rhodococcus sp., аналогичных коллекционным штаммам Pseudomonas fluorescens и Rhodococcus erythropolys, входящих в состав препарата «Центрум-MMS». Так, было установлено, что штаммы Pseudomonas fluorescens ВКМ В-6847 и Rhodococcus erythropolys ВКМ Aс-1769 в целом обладают биологическими свойствами как у аналогичных почвенных микроорганизмов Pseudomonas sp. и Rhodococcus sp., прошедших длительный период адаптации в экологических нишах, содержащих высокие концентрации НЦ, что дает основание изучить возможность использования данного экобиопрепарата для решения поставленных нами технических задач.
На данном этапе исследований была определена общая концентрация бактериальных клеток в биопрепарате, обеспечивающая эффективную очистку загрязненных нитроцеллюлозой проб. Первоначально было показано, что увеличение посевной дозы с 106… 107 кл.-см-3 до 108… 109 кл.-см-3, как правило, приводит к заметному ускорению биологической деструкции, и существенно влияло на конечную степень очистки. При внесении же биодеструкторов в концентрации 105 кл.-см"3 заметной деструкции экотоксиканта не наблюдалось.
Результаты выполнения работ по обезвреживанию и рекультивации прудков-накопителей от промышленных отходов, содержащих нитроцеллюлозу, на территории ФГУП «Режевской химический завод» биологическим методом
В ходе изысканий, выполненных ООО «Компания «ЭКОТЕХПРОМ», являющимся одним из субподрядчиков по реализации «Проекта обезвреживания и рекультивации прудков-накопителей на территории Режевского химического завода», было установлено, что общее количество накопленных отходов (донных осадков полужидкой консистенции) характеризовалось следующими показателями: по ПН «Северный» - 14,5 тыс. м3 (26,0 тыс. тонн) на площади 2,3 га, при средней влажности 556 кг-т1; по ПН «Южный» - 13,3 тыс. м3 (23,0 тыс. тонн) на площади 2,5 га, при средней влажности 552 кг-т1.
Предварительный отбор проб иловых отложений, выполненный весной 2013 года позволил обнаружить значительные концентрации нитроцеллюлозы (таблица 10).
Как видно из данных представленных в таблице 11 масса нитроцеллюлозы в донных отложениях прудков-накопителей была весьма значительной для взрывоопасных соединений, хотя и распределялась неравномерно и в различных точках контроля составляла от 1,5 (точка 2-6) до 120 кг (точка 2-30).
Перечень общих, технических и технологических вопросов по проблеме обезвреживания промышленных отходов нитроцеллюлозы и продуктов ее распада были изложены в разработанных субподрядчиками материалах, прошедших государственную экологическую экспертизу, результаты которой – «Заключение экспертной комиссии государственной экологической экспертизы «Проект обезвреживания и рекультивации прудков-накопителей на территории бывшего Режевского химического завода, расположенного по адресу: Свердловская область, г. Реж», были утверждены приказом Департамента Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Уральскому федеральному округу от 28 февраля 2014 г. № 194. Экспертной комиссией государственной экологической экспертизы установлено соответствие представленных материалов экологическим требованиям технических регламентов и действующему законодательству в области охраны окружающей среды.
В соответствии с «Технологическим регламентом по утилизации промышленных отходов химико-биологическим методом» общая схема мероприятий по реме-диации и рекультивации прудков-накопителей Режевского химического завода должна была осуществляться в 7 этапов:
- инженерно-экологические изыскания;
- применение биологического препарата экологического назначения;
- использование минерального сорбента (при необходимости);
- локализация донных отложений, содержащих нитроцеллюлозу;
- щелочной гидролиз промышленных отходов нитроцеллюлозы (при необходимости);
- технологические работы по превращению обезвреженных донных осадков в инертный материал (техногрунты);
- фиторемедиационные работы.
Выполненные нами предварительные исследования по оценке концентрации водородных ионов (рН) технологической воды, а также донных осадков в «Северном» и «Южном» прудках-накопителях показали, что во всех изучаемых пробах их значения не были выше 8,5 ед. рН, что в целом незначительно превышало их наиболее эффективные значения (см. рисунок 7) и, в принципе, по нашему мнению, исключало необходимость щелочной или кислотной коррекции.
В последующем, при практическом применении в натурных условиях рекомендуемого нами экобиопрепарата учитывая высокий уровень (по отношению к нитроцеллюлозе) его биодеструктивной эффективности, было принято консолидированное решение о нецелесообразности использования минерального сорбента, а также этапа щелочного гидролиза НЦ. Это позволило упростить и существенно оптимизировать (исключив применение химического метода нейтрализации НЦ) весь технологический процесс, что было подтверждено конечными достигнутыми результатами.
Биологический этап обезвреживания НЦ и рекультивации включал в себя:
- активацию бактериальных клеток, входящих в состав «Центрум-MMS» в лабораторных условиях, их адаптацию к конкретным условиям загрязнителя;
- наработку партий биологического препарата в промышленных условиях и его паспортизацию и транспортирование его к месту проведения обработки;
- подращивание (при необходимости) препарата в полевых условиях;
- нанесение препарата осуществлялось с помощью технических средств;
- регулярный (один раз в 1-2 недели) контроль содержания НЦ и концентрации биокомпонентов используемого биологического препарата в обрабатываемой среде;
- повторное внесение (при необходимости) экобиопрепарата и минеральных добавок в обрабатываемую среду.
Нормы расхода экобиопрепарата для нейтрализации НЦ должны были в соответствии с паспортными данными обеспечивать создание в реакционной среде начальные концентрации клеток-биодеструкторов не ниже 1-Ю8 кл.-см"3. Для ускорения процессов биодеструкции, особенно при пониженных температурах окружающей среды, препарат вносился в более высоких концентрациях (2…9 108…109 кл.-см"3. Для рекультивации обеих прудков-накопителей всего было израсходовано 50 т экобиопрепарата «Центрум-MMS» (27,5 т - прудок «Северный», 22,5 т - прудок «Южный»).
Исходя из уровня загрязнения и объема донных осадков в прудках-накопителях «Северный» - 14500 м3 (масса 8055 тонн) и «Южный» - 13300 м3 (масса 7389 тонн), расчетное количество суперфосфата составляло - 29,6 тонны, калия хлористого - 2,8 тонн и - 15,8 и 2,3 тонны соответственно.
Первоначально вносили 80% от расчетного количества препарата. Еженедельно проводили лабораторный анализ, по результатам которого определяли общее содержание внесенных микробных клеток биодеструкторов и изменение концентрации НЦ. Пробы отбирали в 4-5 равноудаленных точках каждого прудка-накопителя. Аэрация воды и рыхление донных осадков осуществляли с помощью земснаряда-амфибии при максимальной мощности донного насоса 40 м3-ч-1 и движении по водной поверхности со скоростью 15 м-мин1. Продолжительность рыхления и аэрации составляла 5…8 недель после внесения биопрепарата. Общая длительность биоремедиационных работ составляла около 2,5 месяцев. При необходимости проводили корректировку количества экобиопрепарата «Центрум-MMS» для того, чтобы количество микроорганизмов Pseudomonas и Rhodococcus не уменьшалось ниже 108 кл.-см"3.
Внесение расчетного количества биостимуляторов (суперфосфата и калия хлористого) приводило на 7 сутки к существенному увеличению концентрации микрофлоры, принадлежащей к четырем таксономическим группам: Alkali genes (аборигенные аэробные грамотрицательные оксидазоположительные неферментирующие бактерии); Acinetobacter (аборигенные грамотрицательные бактерии), концентрация которых возросла на 1… 2 порядка, а также Pseudomonas и Rhodococcus, количество которых в среднем составляло 102… 103 кл.-см"3.
После проведения всех запланированных технологических операций донные осадки прудков-накопителей представляли собой практически безопасный материал, суммарная концентрация НЦ, а также ее производных (коллоксилина и пироксилина), в которых не превышала 10"6 г-кг"1. Одновременно наблюдали и существенное снижение концентрации углеводородов с 24,80±6,20 г-кг"1 (максимальная на 15.08.2013) до минимальной 7,10±1,70 г-кг"1 (на 27.08.2013).
Полученные результаты в целом свидетельствуют, учитывая сравнительно незначительный срок проведения всех технологических операций по обезвреживанию прудков-накопителей Режевского химического завода от промышленного загрязнения нитроцеллюлозой, о высокой эффективности биологического метода и предлагаемых технических решений по их практическому применению.
Ниже приводим (таблица 12) результаты аналитических исследований илового осадка после проведения биотехнологических мероприятий на содержание нитроцеллюлозы и некоторых продуктов ее распада.