Введение к работе
Актуальность проблемы. Фосфор (Р) является критически важным элементом для жизнедеятельности человека, широко используется в разнообразных отраслях промышленности и для обеспечения продуктивности в сельском хозяйстве. Его получают из водонерастворимого сырья в химической фосфорной индустрии. Доказанных мировых запасов фосфатов существует примерно на 60-80 лет, отмечается постоянный рост спроса на сырье. Переработка сырья и производство фосфорсодержащих химических веществ и удобрений с использованием сильных кислот - энергоемкий и дорогой процесс, создающий к тому же десятки миллионов тонн отходов бедных фосфатных руд, отходов фосфогипса и шламов. Культурные растения ассимилируют только 10-25 % от вносимого с минеральными удобрениями фосфора. Как следствие, происходит эвтрефикация водоемов и переосаждение фосфора в почвах. Из-за высокой стоимости многие развивающиеся страны практически не используют химические фосфорные удобрения. В связи с этим встает вопрос о разработке более дешевых и эффективных фосфорных удобрений и способов их применения.
Альтернативой для существующих химических методов извлечения фосфора может служить процесс прямого микробиологического высвобождения (солюбилизации) фосфатов из нерастворимого сырья. Процесс основан на использовании метаболической активности фосфатсолюбилизирующих (ФС) культур. Они встречаются в природе в различных экологических нишах и способны медленно переводить нерастворимые фосфаты из фосфатсодержащих рудных материалов в растворимую форму в ходе своей жизнедеятельности. Прямая микробная мобилизация фосфатов может служить основой для использования в агротехнологиях в виде биофосфорных удобрений. Кроме того, эту микробиологическую активность можно было бы применить для более эффективного использования исчерпаемого сырья с извлечением остаточного фосфора из бедных руд, из вторичных продуктов переработки сырья, тем самым снизив экологическую нагрузку на окружающую среду. Однако, широкое применение ФС свойств микроорганизмов в сельском хозяйстве и, в особенности, в промышленности затруднено в силу ряда причин: недостаточно изучена биохимия процессов микробной ФС, нет полного представления о биоразнообразии
фосфатсолюбилизирующих микроораганизмов (ФСМ) и экологических нишах их обитания, нет данных о влиянии состава фосфатных руд на ФСМ. В целом проблема имеет междисциплинарный характер, и ее решение требует комплексного подхода с привлечением знаний в различных областях, Таким образом, представляется актуальным вопрос о разработке новых технологий и препаратов, базирующихся на ФС свойствах микроорганизмов, для чего требуется отобрать наиболее активные по фосфатсолюбилизации культуры, и исследовать микробную ФС в новом поколении биологических удобрений, а также в процессах утилизации отходов фосфатной индустрии и извлечении остаточного фосфора.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования являлись выделение активных ФСМ из различных экологических ниш и изучение возможности их использования для разработки биофосфорных удобрений и в процессах высвобождения фосфора из фосфатсодержащих бедных руд и отходов. Задачи исследования включали:
Поиск и выделение активных ФС культур в широком спектре экологических ниш;
Характеризацию ФС изолятов, включая исследование ФС в модельных средах, ключевых метаболитов, биодоступности различного фосфатного сырья;
Изучение возможности применения выделенных ФСМ для создания технологии микробных фосфорных удобрений и ее экономическая оценка;
Исследование перспективы использования ФСМ для прямого извлечения фосфатов из фосфатсодержащих отходов, бедных руд.
Научная новизна результатов исследований. Впервые для поиска, выделения и оценки распространенности ФСМ был предложена и использована панель скрининга разнообразных экологических ниш и показано, что активные ФСМ эффективно выделяются не только из ризосферной зоны растений, но и из бедных по питательным веществам экологических ниш, в том числе из разрушающихся (эрозионных) минеральных пород. Полученные результаты позволяют более глубоко понять процессы микробной ФС: выявлено значительное влияние компонентов питательной среды на состав метаболитов, обеспечивающих растворение фосфатов, с использованием широкого круга микроорганизмов детально изучен механизм высвобождения фосфатов с помощью группы
глюконовых кислот, позволяющий наиболее эффективно использовать для этой цели углеродный субстрат. Изучена доступность спектра фосфорных руд отечественных и мировых месторождений воздействию отобранных наиболее активных микроорганизмов. Выявлено несколько групп фосфатного сырья, наиболее доступных микробной фосфатсолюбилизации. Впервые показана возможность микробиологического высвобождения фосфатов низкой концентрации из фосфорсодержащих материалов: фосфогипса и рудных отходов.
Практическая значимость. Разработаны микробиологические и
биотехнологические основы для использования процессов прямой микробной
фосфатсолюбилизации в промышленности, сельском хозяйстве и
природоохранных технологиях. Выделены культуры, способные к прямой
микробной фосфатсолюбилизации из нерастворимого рудного сырья. Отобраны
для практического использования наиболее перспективные штаммы, не
уступающие или превосходящие по ряду свойств и ФС активности лучшие
мировые аналоги. Разработаны лабораторные методики приготовления фосфорных
удобрений с использованием фосфат-солюбилизирующих микроорганизмов,
выделения и селекции фосфатсолюбилизирующих микроорганизмов, лабораторные
Регламенты производства фосфорных удобрений с использованием
фосфатсолюбилизирующих микроорганизмов и производства комплексного биофосфорного удобрения с фунгицидными свойствами. В Государственную коллекцию патогенных микроорганизмов и клеточных культур «ГКПМ-Оболенск» (п. Оболенск Московской обл.) депонированы два штамма ФСМ. Показано повышение урожайности зерновых и декоративных растений при использовании экспериментальных образцов биофосфорных удобрений. Отобраны наиболее биологически доступные группы фосфатного сырья, выбраны наилучшие по биодоступности отечественные фосфатные руды. Разработаны формоустойчивые волокнистые носители, позволяющие эффективно соиммобилизовать биомассу и сырье в процессе непрерывной обработки руд. Предложена технология использования ФС культур и ФС процессов для извлечения фосфатов из бедных руд и для утилизации фосфатсодержащих отходов промышленности (фосфогипса).
Апробация работы. Апробация диссертации состоялась на заседании межлабораторного семинара ФГУН ГНЦПМБ 16 июля 2010 года. Материалы
диссертации доложены и представлены на 12 международных и российских научных конференциях: 8-м Европейском конгрессе по биотехнологии (17-21 августа 1997 г., Budapest, Hungary); Международном конгрессе «Вода: экология и технология» (25-30 мая 1998 г., Москва, Россия); Международном семинаре «Evaluation of sponsored biological studies in Russia for new millennium» (02-04 сентября 1999 г. Новосибирск, Россия); Международной научной конференции «Проблемы биологической и экологической безопасности» (22-25 мая 2000 г., Оболенск, Россия); Международном Форуме «Биотехнология и современность» (17-18 июня 2003 г., Санкт-Петербург, Россия); Канадско-Российском Коллоквиуме по биологическим наукам (15-17 Сентября 2004 г., Москва); 34-м Международном Семинаре Япония/Россия «Biotechnologies in Russia/CIS» (17 Июня 2005 г., Tokyo, Japan); 3-м Московском Международном Конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (14-18 марта 2005 г., Москва, Россия); 3-м Международном Симпозиуме «Phosphate Dynamics in Soil-Plant Continuum» (14-19 мая 2006 г., Uberlandia, Brazil); 10-й Международной Конференции «Soil-Water Systems Consoil-2008» (03-06 июня 2008 г., Milano, Italy); Юбилейном Международном Симпозиуме МОББ «Биоценотическая регуляция. Основы современных фитосанитарных технологий» (21-25 мая 2007 г., Санкт-Петербург, Россия); 2-м Международном Экологическом Форуме «Окружающая среда и здоровье человека» (01-04 июля 2008 г., Санкт-Петербург, Россия).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 17 научных публикациях, включая 7 статей и патент.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 182 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, раздела материалов и методов, результатов исследований, выводов и списка литературы, включающего 170 работ, из них 121 на иностранном языке. Работа иллюстрирована 56 рисунками и 34 таблицами.
