Биоремедиация загрязненных объектов природной среды

Использование биологической активности для удаления загрязняющих веществ из окружающей среды называют биоремедиацией. Основными агентами биоремедиации являются микроорганизмы. В задачи микробиолога входят обнаружение и выделение микроорганизмов с необходимой активностью, а также определение оптимальных условий ее проявления. При загрязнении окружающей среды биоремедиацию можно осуществлять двумя путями. Можно стимулировать развитие активных микроорганизмов, уже имеющихся в месте загрязнения. Второй путь — это внесение в загрязненную область микроорганизмов с уже известными биоразрушающими способностями. К сожалению, для полученных в лаборатории микроорганизмов в природе не всегда удается создать оптимальные условия проявления их активности и, как правило, они менее конкурентоспособны, чем естественная микробиота данного места. В искусственных очистных сооружениях значительно больше возможностей применять отобранные в лаборатории микроорганизмы и их сообщества, в том числе и генно-инженерные.

Доступность вещества-загрязнителя в различных природных местообитаниях для способных разрушить его микроорганизмов во многом будет зависеть от физико-химических свойств данного местообитания. Свойства водной экосистемы довольно легко поддаются лабораторному моделированию, в то время как почва может значительно изменять характеристики процессов, разработанных в лаборатории. Почву и подстилающие се грунты следует рассматривать как сочетания локальных областей с разными наборами физико-химических свойств. Поэтому при пространственной миграции загрязняющего вещества существенно меняются факторы, влияющие на процесс его биоразрушения. Загрязнитель может связываться с веществами гумуса и минеральных частиц за счет сорбции или химических реакций, тем самым становясь малодоступным для микроорганизмов и накапливаясь в различных участках. Почвенные частицы могут создавать физический барьер между клетками и чужеродными веществами путем избирательной фильтрации через микропоры. Эти явления приводят к накоплению чужеродного соединения в отдельных локусах почвы, а также делают его малодоступным для микроорганизмов.

Одним из широко распространенных и опасных загрязнителей природных экосистем является нефть, которую добывают в больших количествах и транспортируют на значительные расстояния. В состав нефти и нефтепродуктов входят линейные и разветвленные углеводороды с разным числом атомов углерода, соединения с бензольными кольцами и различными заместителями, полициклические ароматические углеводороды. Микроорганизмы, способные использовать разные фракции нефти, присутствуют в любом типе почвы. Это представители родов Acinetobacter, Bacillus, Arthrobacter, Cytophaga, Clostridium, Corynebacterium, Flavobactetium, Micrococcus, Mycobacterium, Nocardia, Rhodococcus, Pseudomonas, мицелиальные грибы родов Aspergillus, Penicillium, Mucor_y Fusarium, Tnchodema и дрожжи родов Candida, Endomyces, Rhodotorula, Torulopsis и Saccharomyces.

Загрязненные почвы и грунты либо обрабатывают на месте, либо вывозят и подвергают обработке на специальных предприятиях. В первом случае наряду с физическим устранением загрязнения (промыванием, счищенном) применяют и биоразрушающую способность микроорганизмов. Один из методов — стимулировать развитие представителей естественной микробиоты данной почвы, способных разлагать загрязнитель. Для активизации этих микроорганизмов в почву вносят доступные источники углерода и энергии (например, этанол), окислители (кислород, нитраты), источники азота и фосфора и вспомогательные вещества (например, эмульгаторы для гидрофобных соединений). Аэрация почвы достигается вспашкой и подачей воздуха под давлением через перфорированные трубы. Уничтожение загрязнителя требует достаточно длительного времени, однако без таких добавок процесс очищения может проходить десятилетиями. Так, при разливе нефти на Аляске добавление азота и фосфора сократило процесс разложения углеводородов до 1,5 лет. Вторым приемом очистки является внесение микроорганизмов с уже известной биоразрушающей активностью к веществам-загрязнителям. Эффективность их воздействия во многом зависит от возможности создания условий, оптимальных для проявления активности. В природных экосистемах это не всегда достижимо, так как для них характерны существенные колебания физико-химических факторов. Тем не менее разработан целый ряд микробных препаратов на основе чистых и смешанных культур углеводородокисляющих микроорганизмов. Поскольку нет микроорганизма, способного разрушать абсолютно все химические компоненты нефти, то такие препараты, как правило, содержат виды, имеющие взаимодополняющие активности. Наряду с микробными клетками в препарат включают соединения, поддерживающие жизнедеятельность микроорганизмов в месте загрязнения. Применение таких препаратов целесообразно в свежих загрязнениях, пока естественная углеводородокисляющая микробиота не достигла значительной плотности.

Очистку с вывозом загрязненного грунта применяют в опасных случаях, чтобы не допустить проникновения загрязнителя в поверхностные и грунтовые воды. При этом удаляют почвенный слой и производят выемку грунта. Снятую почву укладывают в виде штабеля и аэрируют с помощью перфорированных труб для окисления кислородом воздуха. Растворимые загрязнения удаляются промывкой водой. При сильном загрязнении почву сжигают, превращая в минерализованный продукт. Полную выемку грунта производят на территориях, занятых свалками и полигонами ТБО, при намерении использовать их под строительство или для хозяйственных нужд. Грунт просеивают для отделения неразложившихся частиц, которые сжигают или перезахоранивают. Нетоксичный просеянный грунт можно применять для озеленения.

В водоемы нефть и нефтепродукты попадают при авариях на нефтяных скважинах, разливах во время перевозок, с судов и из нефтехранилищ. Опасность разлива нефти в этих случаях определяется быстротой ее распространения по большой площади и образованием поверхностной пленки. Пленка нарушает газообмен воды и атмосферы, что приводит к гибели фитопланктона, осуществляющего первичную продукцию органического вещества и кислорода в водоемах. Компоненты нефти оказывают токсическое действие на живые организмы. Тяжелые фракции могут откладываться в прибрежной зоне и в дойных осадках. В воде морей и пресных водоемов присутствуют микроорганизмы-деструкторы нефти в концентрациях 10⁶— 10⁷ клеток на 1 л. Это ряд групп неспоровых бактерий, актинобактерий, мицелиальных грибов и дрожжей. Очистные мероприятия заключаются прежде всего в ограничении распространения нефтяного пятна и механическом сборе нефтяной пленки с поверхности воды. Микробиологическую биоремедиацию осуществляют на месте загрязнения путем стимуляции естественной углеводородокисляющей микробиоты или с помощью вносимых микробных препаратов.

Особенностью процессов биоремедиации природных местообитаний при загрязнении ксенобиотиками является незначительная способность естественной микробиоты к их использованию при первом контакте. Однако многими исследователями отмечено явление адаптации микроорганизмов в природных и искусственных экосистемах, когда при повторном попадании данного соединения микробное сообщество осуществляет его переработку с большей скоростью и в более высоких концентрациях.