Функционально-экологическая оценка микроорганизмов-биодеструкторов для разложения и утилизации полиэтиленов высокого давления

Белова, Мария Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Функционально-экологическая оценка микроорганизмов-биодеструкторов для разложения и утилизации полиэтиленов высокого давления
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Функционально-экологическая оценка микроорганизмов-биодеструкторов для разложения и утилизации полиэтиленов высокого давления"

На правах рукописи,

005015091

Белова Мария Сергеевна

ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МИКРООРГАНИЗМОВ-БИОДЕСТРУКТОРОВ ДЛЯ РАЗЛОЖЕНИЯ И У ТИЖЗ АЦИИ ПОЛИЭТИЛЕНОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

1 2 МАР 2012

Москва 2012

005015091

Работа выполнена в проблемной научно-исследовательской лаборатории биологической защиты сырья и продуктов питания Московского Государственного университета прикладной биотехнологии

Научный руководитель доктор технических наук,

Легонькова Ольга Александровна

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор

кафедры биотехнологии РХТУ им, Д.И.Менделеева Градова Нина Борисовна

доктор биологических наук, профессор кафедры почвоведения Владимирского государственного университета Шушкевич Нина Ивановна

Ведущая организация Институт биохимии им.А.Н.Баха РАН

Защита диссертации состоится «14» марта 2012 года в 17 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д-220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А.Тимирязева

Адрес: 127550 г. Москва, ул. Тимирязевская, 49, Ученый совет РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К. А. Тимирязева.

Автореферат разослан «13» февраля 2012 г. и размещён на сайте университета — www.timacad.ru

Отзывы на автореферат (в 2-х экземплярах, заверенных печатью), просим направлять по адресу: 127550 г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; факс: 8(499)976-24-92

Учёный секретарь диссертационного совета ЩМиХГ СелицкаяО. В.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. В настоящее время экологическим вопросам, связанным с утилизацией полимерного мусора, уделяется недостаточное внимание. Исследование процессов физико-химических превращений синтетических и природных полимерных материалов (ПМ) в условиях воздействия окружающей среды, является фундаментальной задачей науки о материалах как при решении вопросов их биостойкости, так и получении биоразлагаемых изделий. Знание механизма процессов биодеструкции или относительной биостойкости должно позволить прогнозировать изменение функциональных параметров, находить способы как продления «сроков жизни», так и ускорения процесса их распада.

Проблема утилизации упаковочных материалов остается нерешенной, становясь все более и более международной. На сегодня можно встретить следующие данные:

- Объем образования муниципальных отходов в государствах - членах ЕС в среднем 524 кг на каждого жителя ЕС. Из общего количества образовавшихся муниципальных отходов 40% было захоронено на полигонах, 20% сожжено в энергетических целях, 23% переработано в качестве вторичных материальных ресурсов и 17% подверглось компостированию.

- в России по различным источникам (поскольку полноценный статистический учет не ведется) уже много лет проскальзывает цифра - 400 кг на человека в год (из них 100-150 кг отходов упаковки). Годовой уровень накопления полимерных отходов составляет 710 тыс. т, В среднем 61% ТБО выбрасывается на свалку, только 24% - вторично перерабатывается, 15% - сжигается. В Российской Федерации полимерные отходы не выделяются из общего объема ТБО, действующее законодательство не содержит определения термина «отходы упаковки». Для этих отходов не предусмотрено отдельной системы сбора и утилизации.

Состав ТБО следующий: бумага и картон - 25-30%, пищевые отходы -20-30%, металлолом - 10-12%, полимеры - 10-12%, прочие - 5-10%. Создается впечатление, что почти все полимерные упаковочные материалы переходят на свалки. Эти 10-12% полимерных отходов включают полиэтилены (до 38%), по-ливинилхлориды и его производные (до 20%), полистирол (до 15%), полипропилен (до 8%), другие пластики (полиэтилентерефталат, полиамиды и др. до 19%).

Убежденность многих экспертов в том, что благодаря биополимерам наступит перелом в охране окружающей среды, и решится проблема мусорных свалок, может оказаться слишком оптимистичной. Вопрос, что же делать с огромными свалками, уже существующими и продолжающими разрастаться, остается нерешенным. Следовательно, задачи повторного использования, восстановления и рециклинга полимерных отходов в этом широкомасштабном потоке отходов становятся все более и более актуальными.

Материалы на основе полиэтиленов высокого давления (ПЭВД) нашли широкое применение в различных сферах жизнедеятельности человека благодаря своим физико-химическим характеристикам: температурой плавления (105-108°С), стойкостью к различным химическим средам (исключая окислители), низкой газопроницаемостью и хорошими изоляционными свойствами. ПЭВД является наиболее широко применяемым упаковочным полимером, одна треть всех упаковочных пластиков составляет именно эти материалы. Состав полимерных отходов на 38% состоит из полиэтиленов (ПЭ) различных марок.

Многие ученые в России и за рубежном занимаются вопросами создания экологически чистых полимеров: H.A. Платэ, Г.Е. Заиков, O.A. Легонькова, D.L. Kaplan, А. Jimenes, J. Donate-Robles и др. Однако, эта проблема еще далека от решения.

Цель работы. Функциональная оценка микроорганизмов-биодеструкторов, выявление механизмов биоповреждения полиэтиленов высокого давления различных марок для разработки путей экологически безопасной утилизации полимерных отходов.

Задачи исследования. В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1) Разработать методический подход к выделению почвенных микроорганизмов-биодеструкторов синтетических полимерных материалов.

2) Проанализировать разнообразие микроорганизмов, выделенных из ряда почв России, потенциальных биодеструкторов полиэтиленов высокого давления (ПЭВД) различных марок.

3) Оценить степени биоповреждений полиэтиленов высокого давления различных марок под действием микроорганизмов-биодеструкторов.

4) Выявить механизмы биоповреждений полиэтиленов высокого давления

различных марок под действием почвенных микроорганизмов.

из которых составили рабочую коллекцию. Выяснили, что все изученные образцы почв содержали микромицеты, способные обрастать полиэтилены высокого давления различных марок. Разработан микробиологический подход к выделению биодеструкторов синтетических полимерных материалов. Выявлены активные штаммы микроорганизмов, вызывающие биоповреждения исследованных марок ПЭВД. Впервые установлено, что определяющим фактором степени грибостойкости полимеров является плотность полимерного материала. Показана идентичность глубины биоповреждений субстратов химического происхождения, основанных как на непосредственной метаболической активности микроорганизмов, так и на выделении ими продуктов жизнедеятельности. Получены данные, подтверждающие, что выделенные органические соединения при биоповреждении ПЭВД экологически безопасны при их утилизации инкубированием в почвах.

Практическая значимость исследования. Результаты выполненного исследования могут быть использованы для создания биоразлагаемых композиционных материалов и промышленных изделий из них, позволяя утилизировать отходы ПЭВД. Положения, сформулированные в работе, ряд экспериментальных данных и предложенных методов включены в качестве учебного материала при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам «Полимерное материаловедение», «Микробные биотехнологии в сельском хозяйстве», «Экологическая биотехнология».

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на: The Second International Conference on Biodegradable Polymers and Sustainable Composites (Spain, 2009); Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания» (Москва, 2009); IX Ежегодной международная молодежной конференции «Биохимическая физика» ИБХФ РАН-ВУЗы (Москва, 2009); Международная конференция «Биотехнология: экология крупных городов» (Москва, 2010); VI Международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация представлена введением, обзором литературы по данной тематике, описанием объектов, методов и условий экспериментов, экспериментальной частью и её обсуждением, заключением с выводами и рекомендациями.

Объём диссертационной работы составляет 197 е., из них 65 с. приложения. Работа включает 48 таблиц, 108 рисунков, список литературы из 179 наименований (в том числе 63 на иностранном языке).

Объекты и методы исследования

В качестве объектов были исследованы образцы различных марок полиэтилена высокого давления, широко используемые при упаковке пищевых продуктов и изготовлении изделий различных назначений, ГОСТ 16337-77: следующих марок 15303-003,15803-020, 10803-020 (Таблица 1).

Таблица 1

Физико-механические характеристики полиэтиленов_

Марка ПЭВД ПТР, г/10 мин Прочность при разрыве, МПа Деформация при разрыве, % Плотность, г/см3

ПЭВД 153 03-003 0,3 13,7 600 0,9205

ПЭВД 158 03-020 2,0 11,5 600 0,9270

ПЭВД 108 03-020 2,0 12,2 550 0,9185

Для сравнительного анализа поведения образцов полиэтиленов были взяты образцы широко известного в качестве биоразлагаемого материала, поли-лактида (PLA) фирмы Nature Works. Биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота.

Для выделения микроорганизмов-биодеструкторов были исследованы следующие образцы почв (Таблица 2).

Таблица 2

Характеристика образцов почв __

№п/п Место отбора образцов Тип почвы

1 Краснодарский край, поле Чернозем южный

2 Самарская область, поле Чернозем выщелоченный

3 Тульская область, поле Серая лесная

4 Московская область, сад Дерново-подзолистая

5 Московская область, нерегулируемая свалка Технозем 1

6 Московская область, нерегулируемая свалка Технозем2

7 Московская область, регулируемая свалка Технозем 3

Численность микроорганизмов различных групп определяли методом посева по общепринятой методике (Теппер и др, 2004): бактерии, использующие органические формы азота - на мясопептонном агаре (МПА), инкубация посева при 28°С; бактерии, использующие минеральные формы азота (в том числе ак-тиномицеты) - на крахмало-аммиачном агаре (КАА); микроскопические грибы- на минеральной среде Чапека (с добавлением молочной кислоты);аэробные целлюлозоразлагающие микроорганизмы - на среде Гетчинсона. Результаты анализа выражали численностью колониеобразующих. единиц (КОЕ) на 1 г массы абсолютно сухой почвы.

Для выделения чистых культур использовали метод посева из разведений почвенных суспензий на плотные питательные среды двумя различными способами: 1. Путем создания элективных условий по общепринятой методике на агаризованных средах Чапека с добавлением молочной кислоты (2 мл на 1 литр среды), КАА, сусло-агаре и МПА. 2. Методом выделения аэробных микроорганизмов на агаризованной среде Гетчинсона, где в качестве единственного источника углерода были использованы образцы ПЭВД. Этим методом выделяли микроорганизмы из образцов почв №№ 6 и 7 (техноземов Московской области с нерегулируемой и регулируемой свалок). После выделения чистых культур, продолжили работу только с грибами. Идентификацию микромицетов проводили по культурально-морфологическим признакам с использованием определителей почвенных грибов. Рабочую коллекцию составили 25 изолятов, которые были протестированы на способность развиваться на образцах ПЭВД. Культивирование микроорганизмов на выбранных марках ПЭВД проводили на основании ГОСТ 9.048-89, ГОСТ 9.049-91. Оценивали грибостойкость каждого образца по интенсивности развития мицелия (Таблица 3).

Таблица 3

Характеристики баллов оценки грибостойкости

Балл Характеристика балла

0 Под микроскопом прорастания спор и конидий не обнаружено

1 Под микроскопом видны проросшие споры и незначительно развитый мицелий

2 Под микроскопом виден развитый мицелий, возможно спороношение

3 Невооруженным глазом мицелий и (или) спороношение едва видны, но отчетливо видны под микроскопом

4 Невооруженным глазом отчетливо видно развитие грибов, покрывающих менее 25% испытуембй поверхности

5 Невооруженным глазом отчетливо видно развитие грибов, покрывающих более 25% испытуемой поверхности

Определение физико-механических свойств образцов ПЭВД различных марок до и после воздействия микроорганизмов Измерение физико-механических свойств ПЭВД различных марок до и после инокуляции микрооганизмами проводили на универсальной машине для механических испытаний "Autograph AGS-10kNG" фирмы Shimadzu, которая может испытывать образцы на растяжение, сжатие и изгиб с усилием от 0,005 Ньютона до 10 КилоНьютона (от 0,5 до 1 т) в зависимости от скорости перемещения траверсы от 0,05 до 100 мм/мин; точность измерения усилий от 0,5 до 1%; в соответствии с ГОСТ 14236.

Характеристиками прочности являлись: разрушающее напряжение при растяжении, рассчитанное на первоначальное сечение образца (ар), деформация при разрушении (ер), модуль упругости, а также кривая растяжение в координатах и =Де) ПРИ комнатной температуре и скорости перемещения нижнего зажима 100 мм/мин.

Все результаты эксперимента обрабатывали статистически. Разброс экспериментальных данных не превышал 10%

Измерение убыли веса образцов Измерения веса образцов производили на электронных аналитических весах фирмы OHAUS, марки Adventurer Pro (AV).

Дискретность 0,1 мг. Измеряли образцы до и после инокуляции. Электронная Микроскопия Оценка изменений поверхности испытуемых образцов полиэтиленов высокого давления различных марок производили по состоянию поверхности методом растровой электронной микроскопии (JEOL - JEM-5300LV, Япония).

Хроматомасс-спектрометрический метод исследования Продукты деструкции определяли при помощи хроматографа марки Hewlett Packard модель HP - 6890 (США). Для идентификации хроматограмм использовали базу данных NIST 98 и WILEY275. Газо-хроматографическое разделение примесей осуществляли на капиллярной кварцевой колонке НР-5 МС с геометрическими размерами: 30м х0,25мм*0,25 мкм. Образцы пленок до и после обработки растворителями сушили на фильтровальной бумаге при комнатной температуре и взвешивали на аналитических весах. Пленки помещали в бюксы, заливали 2 мл метанола, встряхивали вручную в течение 5 минут и ставили в УЗВ на 15 мин., после чего отбирали растворитель и концентрировали его до объема 0,2 мл, обдувая поверхность жидкости потоком азота, затем 1 мкл «рабочего» образца вводили в испаритель хроматографа. Образцы пленок, не бывших в контакте с микроорганизмами, обрабатывали вышеприведенным способом и использовали как «контрольные». При сравнении хроматограмм

исключали пики с одинаковыми временами удерживания («метод вычитания»). Оставшиеся пики на хроматограммах идентифицировали.

Статистическая обработка данных

Результаты эксперимента были обработаны с помощью статистического метода дисперсионного анализа (Ивашкин Ю.А. и др.,1987).

Задача дисперсионного анализа заключались в определении изменчивости признака под влиянием каких-либо контролируемых переменных факторов (анализ вариативности).

Цель дисперсионного анализа заключалась в следующем: определить при заданном уровне значимости а, взаимозависимость прочности, убыли веса и степени обрастания полимера (результативный признак) и вида микроорганизма (фактор).

Проверка гипотезы о равенстве групповых математических ожиданий (в случае, если фактор не влияет на результирующий признак) осуществляли по критерию Фишера. Если расчётное значение F-критерия меньше критического для заданного уровня значимости и числа степеней свободы, то наблюдения не подтверждают влияния фактора на признак. В противном случае влияние фактора на результирующий признак подтверждается.

Результаты и обсуждение

Мониторинг почвенных микромицетов на различных средах

Все изученные образцы почв содержали виды микромицетов, способных деструктировать самые разнообразные субстраты (Domsch, et al., 1980; Лугау-скас и др., 1987). Наиболее распространенными были следующие виды (в зависимости от образцов почв):

Образец почвы № 1 (Чернозем Южный, Краснодарский Край) Aspergillus ochraceus G. Wilh., A. sydowii (Bainier et Sartory) Thom et Church, A. versicolor (Vuill.) Tirab., Pénicillium aurantiogriseum Dierckx, P. chrysogenum Thom, P.citrinum Thom;

Образец почвы № 2 (Чернозем выщелоченный, Самарская область) Acrostalag-mus luteoalbus (Link) Zare, Aspergillus sydowii, Fusarium solani (Mart.) Sacc., Pénicillium aurantiogriseum, P. citrinum W. Gams et Schroers; Образец почвы № 3 (Серая лесная, Тульская область) Aspergillus niger Tiegh., А. sydowii, A. versicolor, Pénicillium aurantiogriseum, P. chrysogenum, P.citrinum; Образец почвы № 4 (Дерново-подзолистая, Московская область) Aspergillus ochraccus, A. glaucus (L.) Link, A. sydowii, Pénicillium chrysogenum, P. citrinum; Образец почвы № 5 (Технозем 1, нерегулируемая свалка Московской области) Aspergillus sydowii, A. terreus Thom, Pénicillium chrysogenum;

Образец почвы № 6 (Технозем 2, нерегулируемая свалка Московской области) Aspergillus glaucus, А. sydowii, А. ustus (Bainier) Thom et Church, Mucor circinelloides Tiegh, Penicillium canescens Sopp, Talaromyces helicus (Raper et Fennell) C.R. Benj., Trichoderma harzianum Rifai;

Образец почвы № 7 (Технозем 3, регулируемая свалка Московской области) Acremonium kiliense Grütz, Acrostalagmus luteoalbus, Actinomucor elegans (Eidam) C.R. Benj. et Hesselt., Aspergillus glaucus, A. niger,, A. terreus Thom, A. sydowii, A. versicolor, Aureobasidium pullulans (de Bary) G. Arnaud, Botryotrichum piluliferum Sacc. et Marchai, Cadophora fastigiata Lagerb. et Melin, Clonostachys solani (Harling) Schroers et. W.Gams, Coniothyrium fuckelii Sacc., Fusarium oxysporum Schltdl., F. solani, Gliomastix murorum (Corda) S. Hughes, Lecanicillium psalliotae (Treschew) Zare et W. Gams, Paecilomyces inflatus (Bumside) Carmichael, Paraconiothyrium sporulosum (W. Gams et Domsch) Verkley, P. canescens, P. funiculosum Thom, P. rubrum Sopp, P. leveillei Boerema et G.J. Bollen, P. variabile Sopp, P. aurantiogriseum Dierckx, P. brevicompactum Dierckx, P. glabrum (Wehmer) Westling, P. rugulosum Thom. Pseudallescheria boydii (Shear) McGinnis, Scopulariopsis brumptii Salv.-Duval, Stachybotrys chartarum (Ehrenb.) S. Hughes, Trichoderma harzianum Rifai, Geomyces pannorum (Link) Sigler et J.W. Carmich, Trichocladium asperum Harz, Actinomucor elegans (Eidam) C.R. Benj. et Hesselt, Mortierella sp„ Gliomastix murorum (Corda) S. Hughes, Fusarium merismoides Corda, Beauveria bassiana (Bals.-Criv.) Vuill., Trichurus spiralis Hasselbr., Coniothyrium sp.

Всего было выделено и идентифицировано более 100 штаммов микроорганизмов. Наибольшее разнообразие видов было обнаружено в техноземах, в особенности в образце почвы № 7 (технозем с регулируемой свалки Московской области). Результат можно отнести к ожидаемым, т.к. в этой почве, содержащей технические и бытовые отходы, что естественно, сформировано сообщество микроорганизмов, адаптированных к разнообразным субстратам различного химического происхождения. Далее мы рассчитали частоту встречаемости интересующих нас выявленных микроорганизмов из наиболее «богатой» почвы, технозем 3 (Московская , область, регулируемая свалка). Преобладали такие виды как: Aspergillus sydowii, Pseudallescheria boydii, Paecilomyces inflatus, Fusarium oxysporium (рисунок 1).

Наша задача состояла в выявлении как можно большего количества микроорганизмов почв различных зон России с целью проверки их на способность вызывать биоповреждения полиэтиленов. Для ответа на поставленные задачи и выявления наиболее «активных» микроорганизмов с точки зрения их биопо-вреждающей способности по отношению к ПЭВД, образцы пластика были ино-кулированы всеми идентифицированными штаммами из всех образцов почв.

£ I

— У

6 d

Я I

к 1

ü . ü Щ Hi

1 я

Рис.1 Наиболее распространенные штаммы, выделенные из технозема 3 (регулируемая свалка Московской области)

Рабочую коллекцию в работе составили 25 микроорганизмов (таблица 4).

Таблица 4

Микроорганизмы, вошедшие в рабочую коллекцию

№ п/п Наименование микроорганизмов

1 Acremonium murorum (Corda) W. Gams

2 Acrostalagmus luteoalbus (Link) Zare

3 Actinomucor elegansJEidam) C.R. Benj. Et Hesselt

4 Aspergillus ochraceus G. Wilh.

5 Aspergillus glaucus (L.) Link

6 Aspergillus niger Tiegh.

7 Aspergillus sydowii (Bainier et Sartory) Thom et Church

8 Aspergillus terreus Thom

9 Aspergillus ustus jBainier) Thom et Church

10 Aspergillus versicolor (Vuill.) Tirab.

11 Aureobasidium pullulans (de Вагу) G. Arnaud

12 Clonostachys solani (Harling) Schroers et. W.Gams

№ n/n Наименование микроорганизмов

13 Fusarium oxysporum Schltdl.

14 Fusarium solani (Mart.) Sacc.

15 Lecanicillium psalliotae (Treschew) Zare et W. Gams

16 Mucor circinelloides Tiegh.

17 Pénicillium canescens Sopp

18 Pénicillium citrinum Thom

19 Pénicillium cyclopium Westling

20 Pénicillium rubrum Sopp

21 Pénicillium variabile Sopp

22 Pénicillium chrysogenum Thom

23 Stachybotrys chartarum (Ehrenb.) S. Hughes

24 Talaromyces helicus (Râper et Fennell) C.R. Benj.

25 Trichoderma harzianum Rifai

Изучение образцов почв с использованием среды Гетчинсона

С целью оптимизации процесса скрининга микромицетов в работе была предпринята попытка выделения потенциальных биодеструкторов полиэтиле-нов различных марок с помощью среды, разработанной нами на основе среды Гетчинсона, в которой в качестве единственного источника углерода были использованы образцы полиэтилена высокого давления в качестве единственного источника углерода. На 28 день инокулирования, непосредственно с поверхности образцов пластиков, было выделено и идентифицировано около 20 штаммов ( мы использовали 2 образца почв: с регулируемой и нерегулируемой свалок Московской области). Данные микроорганизмы, также как и полученные чашечным методом, были иммобилизованы на поверхность исследуемых образцов синтетических полимеров. Десять из них попали в рабочую коллекцию. Оценку биоповреждений проводили по степени обрастания, убыли веса и изменению прочности образцов ПЭВД различных марок.

Изучив и сравнив разнообразие микроорганизмов, полученных двумя способами, мы пришли к выводу, что метод выделения микроорганизмов путем использования образцов в качестве единственного источника углерода на ага-ризованной среде Гетчинсона нельзя использовать как самостоятельный. Однако он являлся существенным дополнением к общепринятому способу, т.к. именно с его помощью были выделены микроорганизмы, которые не были выделены чашечным методом, такие, например, как Mucor circinelloides, Talaro-myces helicus, Pénicillium canescens, Lecanicillium psallioîae.

Разработка методического подхода к оценке степени биоповреждений полиэтиленов под действием почвенных микроорганизмов.

Оценка грибостойкости полиэтиленов высокого давления под действием почвенных микроорганизмов

Все изученные почвы содержали микромицеты, способные вызывать биоповреждения полиэтиленов, наибольшее разнообразие видов было выделено из техноземов. Самые активные штаммы были обнаружены в образце почвы № 7 (Технозем №3 с регулируемой свалки Московской области). В таблице 5 представлено сравнение грибостойкости различных марок ПЭВД при инокуляции одними и теми же микроорганизмами на 7,14,21 и 28 дни.

Таблица 5

Грибостойкость ПЭВД

Марка полимера Виды микроорганизмов Интенсивносл вития мицелия »раз-балл

7 дн. 14 ДН. 21 дн. 28 ДН.

ПЭВД 153 03-003 Actinomucor elegans 4 4 4 4

ПЭВД 158 03-020 Actinomucor elegans 4 4 5 5

ПЭВД 108 03-020 Actinomucor elegans 5 5 5 5

ПЭВД 153 03-003 Aspergillus versicolor 3 4 4 4

ПЭВД 158 03-020 Aspergillus versicolor 4 4 5 5

ПЭВД 108 03-020 Aspergillus versicolor 5 5 5 5

ПЭВД 153 03-003 Aspergillus sydowii 4 4 4 4

ПЭВД 158 03-020 Aspergillus sydowii 4 4 4 4

ПЭВД 108 03-020 Aspergillus sydowii 4 4 4 4

ПЭВД 153 03-003 Aureobasidium pullulans 3 4 4 4

ПЭВД 158 03-020 Aureobasidium pullulans 4 4 4 4

ПЭВД 108 03-020 Aureobasidium pullulans 4 5 5 5

ПЭВД 153 03-003 Pénicillium aurantiogriseum 2 3 4 4

ПЭВД 158 03-020 Pénicillium aurantiogriseum 2 2 3 3

ПЭВД 108 03-020 Pénicillium aurantiogriseum 3 4 4 5

ПЭВД 153 03-003 Trichoderma harzianum 2 4 4 4

ПЭВД 158 03-020 Trichoderma harzianum 2 3 4 4

ПЭВД 108 03-020 Trichoderma harzianum 4 4 5 5

Было выявлено, что существует зависимость между степенью обрастания грибами и различными марками полиэтилена. Интенсивность развития мицелия на поверхности полимера с низким показателем текучести (марка ПЭВД 153 03-003) была ниже по сравнению с марками ПЭВД 108 03-020 и ПЭВД 158 03-

020 , имеющими более высокое значение ПТР. При одинаковом значении ПТР (марки ПЭВД 158 03-020 и ПЭВД 108 03-020) интенсивность развития мицелия зависела от плотности материала: чем ниже плотность полимера, тем выше степень его обрастания. Таким образом, важным фактором степени грибостойкости полимеров является их плотность.

Изучение изменений убыли веса и физико-механических характеристик полиэтиленов при инокуляции почвенными микромицетами

Данные по изменению веса образцов полиэтиленовых пленок, бывших в контакте с микоорганизмами, по сравнению с контрольными подтверждают, что почвенные микромицеты вызывают деструктивные процессы полимеров: для ПЭВД 108 03-020 убыль веса составила 1,4 % ± 0,6 % за 28 дней (рисунок 2), в случае ПЭВД 15303-003 эта величина равна 1,3%±0,4%, ПЭВД 158 03-020 - 1,7%±0,5%.Результаты подтверждают, что почвенные микромицеты вызывают деструктивные процессы полимера. Отличия связаны как с видовой принадлежностью используемых микроорганизмов, так и маркой полиэтилена, отличающихся важным показателем для биоповреждений - плотностью материала.

6 т~ ■ " *■ ~ ~ .....- -.....-....... _____.

1 i If 1 ° l¡íIII!S IIII lili I 1 1 j il ' il

Рис. 2 Убыль веса образцов ПЭВД 108 03-020 после инокуляции, %

Прочностные характеристики исследуемых образцов были охарактеризованы таким параметром, как прочность при разрыве. Для оценки значимости полученных данных по изменению прочности ПЭВД были проведены исследования по изменению прочности полилактида (рисунок 3), известного, как био-разлагаемый пластик.

В качестве образца почвы (на основании результатов эксперимента с образцами ПЭВД различных марок, описанного выше) нами сознательно было отдано предпочтение образцу №7 (Технозем №3 с регулируемой свалки Московской области). Образцы полилактида были погружены в регулярно увлажняемую почву. Прочностные испытания 15 образцов проводили через 8, 9, 10, 14 и 17 недель. Увеличение прочности на 10-ой неделе можно объяснить проявлением релаксационных процессов цепей макромолекул полимера под влиянием сорбированной воды почвы. (А.Е. Чалых, Г.Е. Заиков).

5,87

7,17

¡ЯЙ

ЩЩШ

¿,06 шр ¡111 щ

-0,75

8 недель 9 недель КУтейеть 14 недель 17 недель

Рис.3 Потеря прочности образцов полилактида при инокуляции в почве, %

Также образцы подвергали весовым измерениям до и после проведенного времени в почве (рисунок 4).

1 > ; 0,68 0,73

1 ЧЛ

035 1 ]

031 1ЯЩ1

0,19 11(11?

V 8Й5Й8!

ши в

Л:. ■ \ ___________

8 недель 9 недель 10 недель 14 недель 17 недель

Рис. 4. Убыль веса образцов ; полилактида при инокуляции в почве, %

Данные потери прочности, убыли веса образцов полилактида и ПЭВД находятся в одинаковых пределах, что подтверждает факт биоповреждений ПЭВД.

Оценка поверхностных биоповреждений полиэтиленов различных марок

Для оценки биоповреждений на поверхности инокулированных образцов ПЭВД применяли электронный растровый микроскоп при напылении золотом (Рисунки 5 и 6).

йшннн

¡Щй

шт ■ -л

Шйё

: С . -'

Clonostachachys solare (Harting) Schroers et W.Sams

I. j •••:.■■■■

Aspergillus glaucu s( L.) Link (*Eurotiumherbariorum)

Рис. 5 Электронно-микроскопические фотографии поверхности ПЭВД после инокуляции образцов микромицетами (увеличение хЮОО)

Уе«лцч$ниех50й

Рис. 6 электронно-микроскопические фотографии поверхности ПЭВД марки 158 03-020 инокулированного Aspergillus glaucus при различных увеличениях

Для сравнения на рисунке 7 представлена микрофотография исходного образца полиэтилена высокого давления.

Рис. 7 Электронно-микроскопическая фотография поверхности полиэтилена высокого давления. Увеличение хЮОО.

На рисунке 6 представлены электронно-микроскопические фотографии поверхности ПЭВД марки 158 03-020 инокулированного Aspergillus glaucus, при различных увеличениях. Образцы отмывали и просматривали поверхности. Как показывают электронно-микроскопические фотографии (рисунок 5) повреждения поверхности ПЭВД после инокуляции образцов микромицетами (увеличение хЮОО) различны как по внешнему виду, так и по степени дефектности в зависимости от вида микроорганизма и марки полимера.

Дисперсионный анализ данных

Результаты эксперимента были обработаны с помощью статистических методов, а именно, с помощью дисперсионного анализа.

Данные о степени обрастания, убыли веса, прочности полимеров, подвергнутых действию различных микроорганизмов, были представлены в виде таблиц, удобных для обработки.

Проанализированные данные для всех трех марок ПЭВД подтверждают, что с методической точки зрения для выделения микроорганизмов-биодеструкторов необходимо оценивать следующие изменения поведения полимерных материалов: прочностные характеристики, обрастание и убыль веса.

Механизм бноповрежденнй и экологические аспекты утилизации полиэти-ленов высокого давления инкубированием в почве

Результаты по определению эффективности типов почв при твердофазном культивировании штаммов неоднозначны. Трудно оценить отличие активности штаммов, взятых из образцов почв №1-4 (чернозем южный Краснодарского края, чернозем выщелоченный Самарской области, серая лесная почва Тульской области и дерново-подзолистая почва Московской области), что подтверждается данными газохроматографического анализа: например, штамм Aspergillus sy-dowii на подложке ПЭВД 15803-020 продуцирует метиловый эфир бутановой кислоты и 2-этил-1-гексанол независимо от того, из какой почвы он выделен. Однако по интенсивности развития мицелия было очевидно, что наиболее «активными» (интенсивность развития мицелия от 4 баллов) были штаммы микроорганизмов,. выделенных из образца почвы №7 (Технозема 3 с регулируемой свалки Московской области).

В таблицах 6, 7 и 8 представлены результаты идентификации продуктов, образующихся при инокуляции почвенными микроорганизмами поверхности полиэтиленов.

Таблица 6

Идентифицированные органические соединения, образующихся при контакте ПЭВД15303-003 с почвенными микромицетами

(образец Технозема №3 с регулируемой свалки Московской области)

Микроорганизмы Наименование обнаруженных органических соединений

Aspergillus sydowi тетракозан

Trichoderma harzianum метоксифенилоксим, 2,6-ди((-бутил)-4-гидрокси-4-метил-2,5-циклогексадиен-1-он, 3-октадецен, метиловый эфир пентадекановой кислоты,1,7,11-триметил-4-(1-метилэтил)циклотетрадекан, докозан

Aureobasidium pullulons 1,2-докозадиен

Aspergillus versicolor 1-метил-2-пропил циклогексан, докозан, гек-силциклогексан, 2-метил эйкозан, 1-октадецен, Н-гептадецил циклогексан, 2-метилтетракозан, пентакозан

Pénicillium aurantiogriseum 1,2,4а,5,6,8а-гексагидро-4,7-диметил-1 -изопропилнафтален, бензофенон, докозан, гексакозан

Таблица 7 Идентифицированные органические соединения, образующиеся при контакте ПЭВД 15803-020 с почвенными микромицетами

Микроорганизмы Наименование обнаруженных органических соединений

Trichoderma harzianum (технозем №3 с регулируемой свалки Московской области) 2-этил-1-гексанол

Aspergillus sydowii (технозем №3 с регулируемой свалки Московской области) Метиловый эфир бутановой кислоты, 2-этил-1-гексанол

Actinomucor elegans (технозем №3 с регулируемой свалки Московской области) Метиловый эфир бутановой кислоты

Aureobasidium pullulans (технозем №3 с регулируемой свалки Московской области) Метиловый эфир бутановой кислоты, 2-этил-1-гексанол

Pénicillium citrinum (чернозем южный Краснодарского края) Метиловый эфир бутановой кислоты

Aspergillus sydowii (чернозем южный Краснодарского края) Метиловый эфир бутановой кислоты, 2-этил-1-гексанол

Таблица 8

Идентифицированные органические соединения при контакте ПЭВД10803-020 с почвенными микромицетами

Микроорганизмы Наименование обнаруженных органических соединений

Aspergillus sydowii (технозем №3 с регулируемой свалки Московской области) Метиловый эфир бутановой кислоты, 2-метилдекан, 2,6-ди(1-бутил)-4-гидрокси-4-метил-2,5-циклогексадиен-1 -он, метиловый эфир 9-гексадеценовой кислоты, метиловый эфир 9,12-октадекадиеновой кислоты

Actinomucor elegans (технозем №3 с регулируемой свалки Московской области) Гексакозан

Trichoderma harzianum (технозем №3 с регулируемой свалки Московской области) 2-этил-1-гексанол

Âureobasidium pullulans (технозем №3 с регулируемой свалки Московской области) 2-этил-1-гексанол, 2-метилдекан, 2,6,10-триметилпентадекан, метиловый эфир 9-гексадеценовой кислоты, метиловый эфир цис-10-гептадеценовой кислоты, бутилмети-ловый эфир-1,2-бензолдикарбоксильной кислоты, метиловый эфир 9,12-октадекадиеновой кислоты, трикозан, тетра-козан разветвленный, гексакозан

Pénicillium aurantiogriseum (чернозем южный Краснодарского края) 2-этил-1-гексанол, 2-метилдекан, 2,6,10-триметилпентадекан, метиловый эфир 9,12-октадекадиеновой кислоты

Aspergillus versicolor (чернозем южный Краснодарского края) 2-метилдекан, 2,7,10-триметилдодекан, метиловый эфир 9,12-октадекадиеновой кислоты, трикозан

Молекула полиэтилена не содержит в своем составе атомы кислорода, азота и фрагменты ароматических и насыщенных углеводородов. Выявленные низкомолекулярные соединения, содержащие азот, кислород и насыщенные углеводороды, однозначно свидетельствуют о том, что и продукты метаболизма, образующиеся в процессе «расходования» полиэтилена микроорганизмами. Соединения, представленные в таблицах 6,7 и 8 можно с большой долей вероятности отнести к продуктам взаимодействия полимеров и микроорганизмов, в том числе и вторичных метаболитов грибов, так как они отсутствуют в контрольных образцах.

Концентрация идентифицированных органических соединений находится на уровне 1,0-10"3 - 5,0" 10"4 %. В работе (Легонькова О.А., 2009) при рассмотрении механизмов биоповреждений акрилатов, термопластичных полиуретанов, поливиниловых спиртов показано, что концентрация органических соединений находится в тех же пределах. Можно предположить идентичность глубины процессов биоповреждений субстратов химического происхождения, основанных как на непосредственной метаболической активности микроорганизмов, так и на выделении ими продуктов жизнедеятельности.

Выделенные органические соединения при биодеструкции ПЭВД экологически безопасны при их утилизации инкубированием в почвах.

ВЫВОДЫ

1. Разработан методический подход к выделению биодеструкторов синтетических полимерных материалов, заключающийся в крупномасштабном мониторинге почвенных микромицетов на агаризованных средах по показателям: прочность, убыль веса, степень обрастания.

2. Было выделено более 100 изолятов, 25 из них составили рабочую коллекцию. Все изученные образцы почв содержали микромицеты, способные вызывать биоповреждения ПЭВД различных марок. Наибольшим биоразнообразием отличается технозем с регулируемой свалки Московской области.

3. «Активными» микроорганизмами-биодеструкторами для разных марок полиэтиленов высокого давления являются:

■S ПЭВД 153 03-003 - Acrostalagmus luteoalbus, Aspergillus niger, A. glaucus, A. sydowii, A. versicolor, Aureobasidium pullulans, Pénicillium canescens, P. variabile, P. cyclopium, Fusarium oxysporum, F. solani, Lecanicillium psalliotae,;

S ПЭВД 158 03-020 - Fusarium oxysporum, Lecanicillium psalliotae, Pénicillium citriunum, P. cyclopium, P. chrysogenum, Acrostalagmus luteoalbus, Ac-tinomucor elegans, Aureobasidium pullulans, Aspergillus versicolor, A. glaucus;

S ПЭВД 108 03-020 - Lecanicillium psalliotae, Acrostalagmus luteoalbus, Fusarium solani, Aspergillus sydowii, A. versicolor, Actinomucor elegans, Aureobasidium pullulans, Trichoderma harzianum, Pénicillium citrinum, P. canescens, P. cyclopium, P. chrysogenum.

4. Показана избирательность действия штаммов грибов по отношению к различным марками полиэтилена. Интенсивность развития мицелия на поверхности полимера, снижение прочности, убыль веса не зависят от показателя текучести расплава, а связаны как с природой используемых

микроорганизмов, так и маркой полиэтилена. Важным показателем для возникновения биоповреждений является плотностью материала.

5. Показана идентичность глубины процессов биоповреждений субстратов химического происхождения, основанных на непосредственной метаболической активности микроорганизмов. Полученные данные подтверждают способность микромицетов осуществлять деструкцию ПЭВД.

6. Установленно, что выделенные органические соединения при биодеструкции ПЭВД экологически безопасны при их утилизации инкубированием в почвах. Концентрация идентифициронных соединений находится на уровне 1,0-10'3 - 5,0-10"4 % за 28 дней.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Легонькова O.A., Бокарев A.A., Федотова М.С. Свойства композиционных материалов на основе наполненных акриловых дисперсий// «Лакокрасочные материалы и их применение», 2005.- № 9.- С. 22-25;

2. Legonkova О., Fedotova M. Biotechnological Approach to Degradation of Hybrid Synthetic Composites/ЛЪе Second International Conference on Biodegradable Polymers and Sustainable Composites, Spain, 2009. - 30 Sept-2 Oct.

3. Легонькова O.A., Федотова М.С. Биотехнологический подход к утилизации упаковочных отходов// Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания»// Москва, МГУПБ, 2009 - С. 122-123;

4. Легонькова O.A., Федотова М.С.// IX Ежегодной международная молодежной конференции «Биохимическая физика» ИБХФ РАН-ВУЗы, Москва, 2009.-9-11 ноября;

5. Легонькова O.A., Селицкая О.В., Федотова М.С. Микробиологическая деструкция композиционных полимерных материалов в почве// Международная конференция «Биотехнология: экология крупных городов», Москва, 2010,-15-17 Марта, С. 364;

6. Легонькова O.A., Федотова М.С. Материаловедческие сновы упаковки продуктов животного происхождения// «Пищевая промышленность», 2011,- № 1, - С. 8-14;

7. Легонькова O.A., Федотова М.С. Биоповрежедния клеев на основе терм-попластичных полиуретанов под действием почвенных микроорганизмов// «Клеи, герметики, технологии», 2011, №6, - С. 61-64;

8. Легонькова O.A., Федотова М.С., Селицкая О.В., Александрова А.В, Биоутилизация крупнотоннажного упаковочного материала в пищевой промышленности// «Пищевая промышленность», 2011,- №5, - С. 74-77;

9. Легонькова O.A., Федотова М.С. Биоразлагаемая упаковка для пищевых продуктов// «Переработка молока», Москва, 2011, - июнь, - С. 61-62;

10. Легонькова O.A., Федотова М.С., Селицкая О.В. Мониторинг почвенных микроорганизмов основных зональных почв России/ЛЛ Международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, 2011.- 21-25 марта, С. 93;

11. Легонькова O.A., Белова М.С. Проблемы утилизации упаковочных материалов в России и зарубежом// «Пищевая промышленность», 2011.-№6,-С. 26-29.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Формат 60х84'/1б, Усл. печ. л 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 68.

Издательство РГАУ - МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Белова, Мария Сергеевна, Москва

61 12-3/633

ГОУ впо

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНОЙ

БИОТЕХНОЛОГИИ»

на правах рукописи

БЕЛОВА МАРИЯ СЕРГЕЕВНА

ФУНЦИОНАЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МИКРООРГАНИЗМОВ-БИОДЕСТРУКТОРОВ ДЛЯ РАЗЛОЖЕНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ПОЛИЭТИЛЕНОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 03.02.08 - Экология (биология)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Легонькова О.А.

Москва 2012

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10

1.1 Состояние окружающей среды в современных 10 техногенных условиях

1.1.1 Проблемы утилизации упаковочных материалов в 11 России и за рубежом

1.1.2 Современная законодательная база в сфере 12 обращения с пластиковыми отходами

1.1.3 Экология почвенных микроорганизмов при 14 антропогенных факторах воздействия

1.2 Биодеградируемость - очередной шаг вперед при 18 решении создавшейся экологической ситуации

1.21 Биопластики - мировой рынок, состояние, 18 перспективы развития

1.2.2 Биодеструкция синтетических полимерных 31 материалов

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 34

2.1 Объекты исследований 35

2.1.1 Полиэтилен высокого давления 35

2.1.2 Полилактид 35

2.1.3 Характеристика образцов почв 36

2.2 Микробиологические методы исследований 37

2.2.1 Исследования характеристик почв изучаемых 37 территорий

2.2.2 Выделение чистых культур и определение 38 численности микроорганизмов

2.2.3 Определение относительной частоты встречаемости 45 почвенных микроорганизмов

2.2.4 Культивирование микроорганизмов на образцах 45 полиэтилена высокого давления

2.3 Физико-механические методы исследований 47

2.3.1 Измерения убыли веса 47

2.3.2 Хроматомасс-спектрометрический метод 47 исследования

2.3.3 Определение физико-механических свойств 48 полиэтиленов различных марок и полилактида после иннокулировния микроорганизмами

2.3.4 Электронная микроскопия 48

2.3.5 Статистическая обработка данных 49 Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 51

3.1 Мониторинг почвенных микромицетов на 51 различных средах

3.2 Изучение образцов почв с использованием среды 62 Гетчинсона

3.3 Разработка методического подхода к оценке степени 63 биоповреждений полиэтиленов под действием почвенных микроорганизмов

3.3.1 Оценка грибостойкости полиэтиленов под 63 действием почвенных микроорганизмов

3.3.2 Изучение изменений физико-механических 73 характеристик полиэтиленов при инокуляции почвенными микромицетами

3.3.3 Оценка поверхностных биоповреждений 87 полиэтиленов различных марок

3.3.4 Дисперсионный анализ данных 90 3.4 Механизм биоповреждений и экологические 97

аспекты утилизации полиэтиленов инкубированием в почвы

ВЫВОДЫ 103

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105

ПРИЛОЖЕНИЯ 132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В настоящее время экологическим вопросам, связанным с утилизацией полимерного мусора, уделяется недостаточное внимание. Исследование процессов физико-химических превращений синтетических и природных полимерных материалов (ПМ) в условиях воздействия окружающей среды, является фундаментальной задачей науки о материалах как при решении вопросов их биостойкости, так и получении биоразлагаемых изделий. Знание механизма процессов биодеструкции или относительной биостойкости должно позволить прогнозировать изменение функциональных параметров, находить способы как продления «сроков жизни», так и ускорения процесса их распада.

Проблема утилизации упаковочных материалов остается нерешенной, становясь все более и более международной. На сегодня можно встретить следующие данные (Легонькова O.A., 2010; www.waste-management-world.com, 2010; www.solidwaste.ru, 2010):

•S Объем образования муниципальных отходов в государствах - членах ЕС в среднем 524 кг на каждого жителя ЕС. Из общего количества образовавшихся муниципальных отходов 40% было захоронено на полигонах, 20% сожжено в энергетических целях, 23% переработано в качестве вторичных материальных ресурсов и 17% подверглось компостированию.

■S В России по различным источникам (поскольку статистический учет не ведется) уже много лет проскальзывает цифра 400 кг на человека в год (из них 100-150 кг отходов упаковки). Годовой уровень накопления полимерных отходов составляет 710 тыс. т. В среднем 61% ТБО выбрасывается на свалку, только 24% вторично перерабатывается, 15% сжигается.

В Российской Федерации полимерные отходы не выделяются из общего

объема ТБО, действующее законодательство не содержит определения термина «отходы упаковки» и не предусматривает отдельной системы сбора и утилизации.

Состав ТБО следующий: бумага и картон - 25-30%, пищевые отходы - 2030%, металлолом - 10-12%), полимеры - 10-12%, прочие - 5-10%. Создается впечатление, что почти все полимерные упаковочные материалы переходят на свалки. Эти 10-12%) полимерных отходов включают полиэтилены (до 38%), поливинилхлориды и его производные (до 20%>), полистирол (до 15%»), полипропилен (до 8%>), другие пластики (полиэтилентерефталат, полиамиды и др. до 19%).

Нельзя сказать, что для решения проблемы утилизации полимерных материалов ничего не делается. Отходы захоранивают, сжигают, подвергают пиролизу, вторично перерабатывают. Многие ученые в нашей стране и за рубежом продолжают работать над созданием биоразлагаемых полимеров и композитов: В.А.Каргин, Н.М.Эмануэль, Н.А.Платэ, А.А.Берлин, А.Л.Бучаченко, Г.Е.Заиков, D.L. Kaplan, J.E.Guillett, A.Jimenez, A.D'Amore... Однако в целом, проблема утилизации, переработки, создания биоразлагаемых материалов далека от полного решения.

Убежденность многих экспертов в том, что благодаря биополимерам наступит перелом в охране окружающей среды, и решится проблема мусорных свалок, может оказаться слишком оптимистичной (Легонькова O.A., 2011). Вопрос, что же делать с огромными свалками, уже существующими и продолжающими разрастаться, остается нерешенным. Поэтому задачи повторного использования, восстановления и рециклинга полимерных отходов в этом широкомасштабном потоке отходов становятся все более и более актуальными.

Целью исследования являлась функциональная оценка микроорганизмов-биодеструкторов, выявление механизмов биоповреждения полиэтиленов высокого давления различных марок для разработки путей экологически безопасной утилизации полимерных отходов.

Задачи исследования

4) Выявить механизмы биоповреждений полиэтиленов высокого давления различных марок под действием почвенных микроорганизмов.

Научная новизна исследования. Установлено, что все изученные образцы почв содержали микромицеты, способные вызывать биоповреждения ПЭВД различных марок. Наибольшим биоразнообразием отличается технозем с регулируемой свалки Московской области. Выделено более 100 изолятов, 25 из которых составили рабочую коллекцию. Выяснили, что все изученные образцы почв содержали микромицеты, способные обрастать полиэтилены высокого давления различных марок. Разработан микробиологический подход к выделению биодеструкторов синтетических полимерных материалов. Выявлены активные штаммы микроорганизмов, вызывающие биоповреждения исследованных марок ПЭВД. Впервые установлено, что определяющим

фактором степени грибостойкости полимеров является плотность полимерного материала. Показана идентичность глубины биоповреждений субстратов химического происхождения, основанных как на непосредственной метаболической активности микроорганизмов, так и на выделении ими продуктов жизнедеятельности. Получены данные, подтверждающие, что выделенные органические соединения при биоповреждении ПЭВД экологически безопасны при их утилизации инкубированием в почвах.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на The Second International Conference on Biodegradable Polymers and Sustainable Composites (Spain, 2009); Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания» (Москва, 2009); IX Ежегодной международная молодежной конференции «Биохимическая физика» ИБХФ РАН-ВУЗы (Москва, 2009); Международная конференция «Биотехнология: экология крупных городов» (Москва, 2010); VI Международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011).

Объем работы. Диссертация изложена на 179 страницах машинописного текста и включает в себя следующие разделы: введение, обзор литературы, описание объектов и методов исследования, результаты и обсуждение, выводы и список литературы, включающий 179 наименований, в том числе 63 зарубежных авторов, приложения на 65 страницах. Диссертация иллюстрирована 48 таблицами и 108 рисунками

Работа выполнена 2008-2011 в лаборатории ПНИЛСиПП ГОУ ВПО «Московского Государственного университета прикладной биотехнологии».

Автор выражает признательность и благодарность научному руководителю д.т.н. Легоньковой O.A., доценту, к.б.н. О.В. Селицкой, к.б.н. Ваньковой A.A., сотрудникам кафедры микробиологии и иммунологии РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева. Автор благодарит ведущего научного сотрудника кафедры микологии и альгологии МГУ к.б.н., Александорову A.B.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Состояние окружающей среды в современных техногенных условиях

1.1.1. Проблемы утилизации упаковочных материалов в России и за рубежом

Количество образовавшихся отходов на душу населения сильно варьируется в разных странах, начиная от 306 кг в Греции и заканчивая 802 кг в Дании.

В Австрии, Германии и Нидерландах 60-70%) муниципальных отходов подвергается переработке в качестве вторичных материальных ресурсов или компостируются. Но в 10-ти государствах - членах ЕС такой обработке подвергается только менее 10% отходов. Самый высокий уровень захоронения отходов на полигонах отмечен в Болгарии (100%), Румынии (98%), Мальте (97%), Литве (96%) и Латвии (93%).

Сжиганию подвергается 54%) отходов в Дании, 49% в Швеции, 39% в Нидерландах, 36% в Бельгии и Люксембурге, 35% в Германии, 32% во Франции. Но в 10 государствах - членах УС термической обработке подвергается только менее 1 % отходов.

Компостирование муниципальных отходов широко распространено в Австрии (40%), Италии (34%), Нидерландах (27%), Бельгии (25%), Испании и Люксембурге (по 20%).

- в Великобритании подсчитали, что каждый из 60 млн. граждан в год «производит»: 0,5 т бытовых отходов, 1,5 т промышленного мусора, 2,0 т строительного мусора, 3,1 т сельскохозяйственных отходов и отходов, образующихся в результате добычи ископаемых. Итого - 430 млн. т ежегодно.

- в России по различным источникам (поскольку полноценный статистический учет не ведется) уже много лет проскальзывает цифра - 400 кг на человека в год (из них 100-150 кг отходов упаковки). Годовой уровень накопления полимерных отходов составляет 710 тыс. т. В среднем 61% ТБО выбрасывается на свалку, только 24% — вторично перерабатывается, 15% -сжигается. В Российской Федерации полимерные отходы не выделяются из общего объема ТБО, действующее законодательство не содержит определения термина «отходы упаковки». Для этих отходов не предусмотрено отдельной системы сбора и утилизации.

Соотношение мирового производства упаковочных материалов таково: 45-50% составляет упаковка из бумаги и картона, 20-25% - металл, 10-12% -полимеры, 8-10 % - стекло, 2-3% - прочие виды упаковки.

Состав ТБО следующий: бумага и картон - 25-30%), пищевые отходы -20-30%), металлолом - 10-12%, полимеры - 10-12%, прочие - 5-10%. Создается впечатление, что почти все полимерные упаковочные материалы переходят на свалки. Эти 10-12% полимерных отходов включают полиэтилены (до 38%), поливинилхлориды и его производные (до 20%), полистирол (до 15%>), полипропилен (до 8%), другие пластики (полиэтилентерефталат, полиамиды и др. до 19%).

Захоронение. На конец 90-х годов существовало 46 оборудованных полигонов, 190 официальных свалок, 240 необу строенных больших стихийных свалок. Специализированных полигонов для промышленных отходов - не было. Общая площадь свалок составляла 7-8 тыс. га, т.е. 0,17% всей территории Москвы и Московской области.

Сжигание. В 2008 планировалось, что через 4 года будут построены дополнительно 6 мусоросжигательных заводов, общее число заводов составит 10. Даже если они уже построены или будут построены, то не решат надолго этот вопрос. Мощность заводов составит 3,6 млн. т., а только количество отходов жилого сектора на 2008 год образовывалось 5 млн. т.

Вторичная переработка. 2008 год был «урожайным» на принятие соответствующих ГОСТов по вторичной переработке пластмасс (1.5.3491.001.08, 1.5.349-1.002.08, 1.5.349-1.003.08, 1.5.349-1.0004.08, 1.5.3491.005.08, 1.5.349-1.006.08, 1.5.349-1.007.08, 1.5.349-1.008.08, 1.5.349-1.029.08, 1.5.349-1.031.08). Однако в России вторично перерабатывается только до 24% отходов. В США эта цифра составляет 60 и более процентов.

Необходимо отметить, что за долгие годы в упаковочном секторе пищевой промышленности предпринимались огромные усилия по сокращению количества отходов упаковки, направленные на снижение массы упаковки и оптимизацию ее конструкции. И к сегодняшнему дню упаковщики добились того, что масса некоторых видов упаковки снизилась:

- консервных банок - на 50% за 50 лет;

- стаканчиков для йогурта - на 60% за 30 лет;

- ПЭТ-бутылок для газированных напитков - на 33% за 30 лет;

- картонных коробок для групповой упаковки напитков - на 16% за 10 лет.

Сегодня российский рынок упаковки относится к 10 крупнейшим в мире, а его оборот достигает 12,5 млрд. доллоров.

1.1.2. Современная законодательная база в сфере обращения с пластиковыми отходами

Во многих развитых странах реализуются конкретные комплексные меры по многим направлениям (Кремер Л., Винтер Г., 2007; Фюр М., 2006; Рамочная директива, 2006; Директива 2006; Рамочная директива, 2008).

^ принимаются законодательные меры для снижения объемов полимерного мусора;

активно разрабатываются, испытываются и внедряются самые разнообразные полимерные материалы, строятся заводы по производству новых биоразлагаемых материалов; ^ совершенствуются методы сортировки, компостирования и переработки отходов;

разрабатывается нормативно-техническая и испытательная база для исследований биополимеров. В России дело обстоит следующим образом: ^ с 1998 года действует один самостоятельный регулятивный акт в области обращения с отходами - Федеральный закон «Об отходах производства и потребления», №89-ФЗ, который не гармонизирован с нормами международного права, используемая классификация отходов не унифицирована с нормами международного права. Не проводится дифференциация в отношении отходов, требующих специального регулирования (биологических, упаковочных, крупнотоннажных отходов и др.). В данном Федеральном законе или специальном законодательном акте, прежде всего, следует закрепить дефиниции таких понятий, как «упаковочные отходы» или «отходы упаковки»,

чтобы отграничить указанные отходы от иных категорий отходов производства и потребления.

В настоящее время обращение с отходами и их утилизацию (вторичное использование, компостирование, сжигание...) следует рассматривать как самостоятельную отрасль народного хозяйства, находящуюся в тесной взаимосвязи с другими отраслями промышленности.

Россия - практически единственная в мире страна,

Информация о работе

Белова, Мария Сергеевна
кандидата биологических наук
Москва, 2012
ВАК 03.02.08

Диссертация

Функционально-экологическая оценка микроорганизмов-биодеструкторов для разложения и утилизации полиэтиленов высокого давления - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Функционально-экологическая оценка микроорганизмов-биодеструкторов для разложения и утилизации полиэтиленов высокого давления - тема автореферата по биологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы