Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Формирование ремедиационных биоценозов для снижения антропогенной нагрузки на водные и почвенные экосистемы

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Янкевич, Марина Ивановна

ВВЕДЕНИЕ.

Елава 1. Аналитический обзор литературы

1.1. Иммобилизация ферментов и клеток микроорганизмов как основа создания активных биологических препаратов и систем.

1.1.1 .Методы иммобилизации ферментов и клеток.

1.1.2.Природа сил адгезии микроорганизмов.

1.1.3.Факторы, влияющие на сорбцию клеток на носителях.

1.1.4. Физиологическое состояние и жизнеспособность иммобилизованных клеток.'.

1.1.5. Виды сорбентов, применяемых для иммобилизации клеток микроорганизмов.

1.1.6. Иммобилизация клеток и сообществ микроорганизмов в природе как модель формирования искусственных ценозов.

1.2. Эколого-биохимический потенциал микроорганизмов и альго- бактериальных консорциумов по отношению к биодеструкции нефтяных углеводородов и других ксенобиотиков

1.2.1. Биодеградация ксенобиотиков: общие генетические и биохимические механизмы.

1.2.2. Биотехнологический потенциал микроорганизмов для борьбы с загрязнениями: нефтяные загрязнения.

1.2.3. Биоселективные препараты как первая ступень создания искусственных ремедиационных биоценозов

1.3. Водные и почвенные экосистемы в условиях техногенного загрязнения и современные способы их ремедиации.

1.3.1.Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на почвенную микрофлору.

1.3.2.Влияние нефтезагрязнений на водную микрофлору.

1.3.3.Биотехнологические основы формирования искусственных ассоциаций и биоценозов микроорганизмов-деструкторов.

1.3.4.Современные методы ремедиации водных и почвенных экосистем

Введение Диссертация по биологии, на тему "Формирование ремедиационных биоценозов для снижения антропогенной нагрузки на водные и почвенные экосистемы"

Разнообразная деятельность человека, связанная с варварской эксплуатацией среды обитания, привела к угрозе потери природных ресурсов Земли на рубеже веков и поставила задачу сохранения и защиты природы. Биотехнологии защиты окружающей среды это тот инструментарий, который призван обеспечить восстановление затронутых деятельностью человека экосистем.

Одним из современных методов, используемых при разработке экологически чистых технологий защиты окружающей среды и восстановления природных ресурсов, является биоремедиация, это наиболее щадящий метод сохранения биоразнообразия и обеспечения устойчивости очищающих биоценозов. Формирование этой области научных знаний состоялось в 90-х годах и в настоящее время происходит интенсивное развитие эко-биотехнологий, в том числе и защиты природы от нефти и продуктов ее переработки.

В среду обитания поступает огромное количество этих токсикантов, загрязнение грунта и наличие отходов содержащих нефтепродукты характерны для большинства промышленных городов и предприятий, нефтезаг-рязнения при добыче нефти и разведочном бурении накапливаются стремительно. По состоянию на 1998 год в России имелось более 1 млн. тонн неф-тешламов. Аварийные разливы не поддаются планированию, но требуют экстренных мер для их ликвидации и восстановлению загрязненных территорий и акваторий.

Скорость накопления нефтепродуктов, в результате техногенного загрязнения в водных и почвенных экосистемах, далеко опережает скорость их биодеградации естественным путем.

Для ускорения процессов очистки и восстановления, нарушенных нефте-загрязнениями водных и почвенных экосистем необходимо использовать биологические резервы не только микробных клеток, но и микробных сообществ и биоценозов, включающих организмы с разными биохимическими возможностями. Но если резервы микробных клеток и микробных ценозов использовались, в том числе и нами (Квитко, Янкевич, 1996;), то резервы сложных биоценозов, например альго-бактериальных, в технологиях очистки от нефтезагрязнений еще не использованы.

Культуры микроорганизмов, традиционно применяемые в биотехнологиях очистки от ксенобиотиков, представляют собой изоляты клонов гетеротрофных бактерий и грибов с относительно узким спектром биогеохимических функций, что ограничивает их применение. Природные ассоциации имеют значительно более богатый набор этих функций, так как всегда включают в себя фотосинтетики: высшие растения, эукариотические водоросли и цианобактерии.

Загрязнение поверхностных вод различными токсикантами - один из показателей общего ухудшения состояния природной среды. I

Очистка воды в природе - непременное звено в цикле водооборота. Любые типы загрязнений, при самоочистки воды, в конечном счете, оказываются сконцентрированными в виде продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, высших растений и животных и, в итоге, скапливаются на дне, в детрите - иловой массе.

Как правило, те водоемы, в которых природа уже не справляется с поступающим объемом загрязнений, погибают. В них процессы самоочищения тормозятся или не развиваются из-за изменения состава очищающей биоты. Следствием этого, является нарушение пищевых цепочек I микробного населения и ухудшение состояния биологической среды водоема.

Искусственные системы очистки воды и основаны на использовании процесса минерализации и концентрирования загрязнителей, они имитируют природные объекты - стоячие и проточные водоемы, болота, пойменные земли. Теоретические и экспериментальные основы таких очищающих систем заложены в работах известных русских биологов -Г.Г.Винберга (Винберг, 1960; Винберг, Остапеня, 1961), С.Н.Скадовского (Скадовский, 1961), Е.А.Тимофеевой - Ресовской, (Тимофеева-Ресовская, 1963). В природе активно идет биоокисление нефтяных углеводородов, разложение продуктов органического синтеза, протекает минерализация ионов цветных и тяжелых металлов. Эти процессы осуществляются сложившимися при самоочистки консорциумами организмов различных таксономических групп. Применение активных штаммов микроорганизмов-деструкторов, выделение и использование устойчивых к загрязненным водам микроводорослей, введение в очищающий консорциум высших водных растений, позволяет создать новую комплексную биотехнологию очистки и восстановления водоемов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

Эта технология обеспечивает биоремедиацию водоемов подвергну/ тых аварийному загрязнению нефтепродуктами и водоемов, систематически в течение многих лет, загрязняемых нефтесодержащими стоками.

Биологическая очистка, т.е. удаление загрязнителей (излечение экосистемы) посредством стимуляции микробной деятельности в почвах и водоемах, в настоящее время называется биоремедиацией (bio - жизнь, remedio - лечение). Это может быть - биостимуляция природных микроорганизмов (микробного ценоза) путем внесения удобрений непосредственно в очищаемый участок природной среды или путем накопления в лаборатории препарата тех микроорганизмов из загрязненного ценоза, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. При биоремедиации путем улучшения природного ценоза в почвы или в водоемы вносят относительно большие количества специализированных микроорганизмов, которые ранее были выделены, отселектированны генетическими методами и размножены в виде биопрепарата (Вельков,1995). Во всех случаях биоремедиация предполагает создание в очищаемом участке среды высоких концентраций биогенов (удобрений) и высоких концентраций клеток активно размножающихся -бактериальных сообществ. Фито-ремедиация - использование фотосинтезирующих организмов в биотехнологиях, позволяет увеличивать энергетические ресурсы очищаемой экосистемы при умеренном использовании органических удобрений для стимуляции микробной деятельности. Этим фиторемедиация наиболее близка к природным процессам.

Создание и практическое применение искусственных консорциумов микроорганизмов-нефтедеструкторов и ассоциаций таких алканотрофных микроорганизмов и фотосинтезирующих водорослей может значительно расширить круг экологических проблем, которые возможно решать биотехнологическими методами, в том числе и ремедиацию водных и почвенных экосистем от техногенных загрязнений нефтепродуктами и разнообразными ксенобиотиками.

Цель и задачи исследований. Целью исследования является разработка научных основ интенсивных технологий ремедиации водных и почвенных экосистем, нарушенных антропогенным воздействием, в частности нефтью и продуктами ее переработки, с помощью интродукции в загрязненные экосистемы ремедиационных ценозов различных уровней сложности, в 1 том числе микроценозов, консорциумов гетеротрофных микроорганизмов различных классов, активно разрушающих ксенобиотик; биоценозов мик-роорганизмов-гетеротрофов, цианобактерий и микроводорослей-фотосинтетиков; многоуровневых биоценозов, включающих высшие растения, а также введение и систем жизнеобеспечения ремедиационных ценозов, включая иммобилизацию компонентов биоценоза, ввод элементов питания и регуляцию реакции среды.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Провести исследования биоселективных свойств и термотолерантности I гетеротрофных и фототрофных бактерий, дрожжей, цианобактерий, микроводорослей и на основание полученных данных отобрать наиболее активные штаммы.

2. Создать из отобранных штаммов многовидовые биоселективные альго-бактериальные ассоциации на основании изучения их синергического действия.

3. Разработать методы адгезионной иммобилизации алканотрофных микроорганизмов и получить эффективные биопрепараты на их основе. Изучить изменения химического состава фракций нефтяных углеводородов в результате их биодеградации алканотрофными ценозами.

4. Разработать принципы создания и практического применения многоуровневых очищающих консорциумов на основе микроорганизмов различных таксономических групп. Подобрать оптимальные параметры управления биоремедиационными процессами.

5. Изучить закономерности формирования иммобилизованных очищающих биоценозов, состоящих из микроорганизмов различных таксономических групп и предназначенных для очистки почв, грунтов и вод, подвергнутых антропогенному загрязнению. 1

Научная новизна исследований. Разработаны научные основы создания экобиотехнологий очистки особо загрязненных вод и почв с помощью ре! „ медиационных ценозов различных уровней сложности. Создана методология формирования очищающих биоценозов и управления процессами интенсивной биоремедиации водных и почвенных экосистем в условиях антропогенного загрязнения. Она заключается в системном подходе к конкретной проблеме биоремедиации объекта, и включает в себя следующие этапы: 1

1. скрининг резистентных и активных по отношению к загрязнителю бактериальных, дрожжевых и водорослевых культур;

2. оценку взаимного влияния выбранных культур для формирования из них ассоциаций, в том числе альго-бактериальных;

3. формулирование требований к носителям и их подбор для адгезионной иммобилизации монокультур бактерий, дрожжей, микроводорослей и их ассоциаций;

4. формирование иммобилизованных ценозов различных уровней сложности в виде биопрепаратов: отдельных алканотрофных микроорганизмов; консорциумов микроорганизмов, обладающих селективной в отношении загрязнителя активностью; альго-бактериальных ценозов;

5 формирование структурированных биоценозов, включающих организмы различных таксономических групп, в том числе и высшие растения, т. е. содержащих организмы с разнымц биохимическими функциями и возможностями, что позволяет не только моделировать природные процессы самоочищения, но и интенсифицировать их в условиях антропогенной нагрузки.

Исследованы закономерности иммобилизации микроорганизмов различных классов и их ассоциаций на синтетических (поливинилстирольных, поликапроамидных) волокнах и природных (торф, вермикулит) носителях, в том числе в зависимости от параметров процесса и структурных, химических свойств поверхности носителей. Изучено влияние химических модификаций носителей на количественные показатели иммобилизации клеток. Разработаны методы создания новых, биоселективных к составу загрязнения, препаратов иммобилизованных бактериальных и дрожжевых культур, сохраняющих жизнеспособность в течение длительного времени. Определены условия и разработаны методы поддержания высокой активности и жизнеспособности клеток биопрепаратов в природных экосистемах в условиях загрязнения ксенобиотиками с помощью обеспечения фи1 зиологических потребностей иммобилизованных микроорганизмов в основных элементах питания и оптимального уровня реакции среды.

Научная новизна разработанных способов иммобилизации алкано-трофных культур и способов очистки, природных и сточных вод от нефте-загрязнений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теория и практика применения биотехнологических процессов ремедиации водных и почвенных экосистем, в том числе сильно загрязненных, с помощью иммобилизованной микрофлоры.

2. Принципы создания интенсивных технологий восстановления водных и почвенных экосистем, нарушенных антропогенными воздействиями, на примере загрязнений нефтью, нефтепродуктами и другими токсикантами.

3 .Биоремедиационный потенциал микроорганизмов-фотосинтетиков - цианобактерий и микроводорослей и его использование для структурирования пространства биофильтров с помощью формирования искусственных биоценозов в процессах интенсивной очистки природных и сточных вод.

4.Критерии формирования структурированных биоценозов разных уровней сложности, обладающих биоселективной активностью. Практическая значимость и реализация результатов исследований.

Созданы и опробованы в реальных условиях биотехнологические методы очистки природных и сточных вод, загрязненных нефтепродуктами и другими токсикантами, предусматривающие отбор культур разных таксономических групп и формирование из них искусственных консорциумов, иммобилизованных на поверхности специально подобранных носителей.

Результаты разработки комплексной биотехнологии очистки токсичных вод реализованы в проекте локальных очистных сооружений очи1

14 стки вод накопителя жидких отходов полигона промышленных отходов г. Самары. (

Технология биоремедиации нефтезагрязненных водоемов реализована в системах РАО ЕЭС. I

Результаты разработки технологии очистки сильнозагрязненных мазутом почв и грунтов использованы при проектировании природоохранного комплекса нефтеналивного терминала в г. Приморск Ленинградской области, а также реализованы при проектировании и строительстве комплекса очистки сточных вод ТЧ-9 Витебского отделения Октябрьской железной дороги.

Материалы исследований используются в учебном процессе - для подготовки студентов и дипломников биологического факультета СПбГУ и факультетов защиты окружающей среды и тонкого химического и микробиологического синтеза СПбГТИ.(ТУ).

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Янкевич, Марина Ивановна

Выводы и рекомендации. о смотря на ма^ую площадь - 4 м и количество - 10 кг, присутс->агрузки во вторичном отстойнике оказывает положительное влия-I очистку воды от нефтепродуктов. лагаем в дальнейшем продолжить испытания препарата в зимний , с большим количеством загрузки отвечающем окислительной спохаиттща. ^идЕГЛУШШ П1Ш'1ШР0ДУКТ0В В СТОЧШИ ВОДЕ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ЗЕ1ЕН0Г0РСК0Г0 УЧАСТКА КАЬАЛИЗА НЫХ СЕТЕЙ И СООРУЖЕНИЙ СЕСТРОРЕЦКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ "ВОДОКАНАЛ" ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИСПЫТАНИЙ ЧАСТИЧНОЙ ЗАТО

ПРЕПАРАТОМ ШКГО0РГАШЗЮВ-ДЕСТРУКТ0Р0В УГЛЕВОДОРОДОВ. Начаты 10.07.92. Закончены i8.u9.922

Площадь поверхности вторичного отстойника - 1017 м^; Площадь загрузки - 4 Объем сточной воды - 3000 ь;^/су тки Вес загрузки - 10 кг.

Время анализа Содержание нефтепродуктов, иг/л о очистки