🗊Презентация Проблема загрязнения окружающей среды и способы её решения (Биоремедиация)

Проблема загрязнения окружающей среды и способы её решения (Биоремедиация) А.Е. Филонов Лаборатория биологии плазмид ИБФМ РАН

Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms

По данным отечественных исследователей ежегодное антропогенное поступление нефти в воды Мирового океана составляет 12-15 млн. т, при этом, примерно 1/3 его поверхности постоянно или временно покрыта нефтяной пленкой. До 30% загрязнений вод нефтью приходится на бытовые и промышленные отходы, 27% на суда, 12% на аварии танкеров и нефтяных платформ, но в тоже время 24% загрязнений Мирового океана поступает со дна из естественных источников. По данным отечественных исследователей ежегодное антропогенное поступление нефти в воды Мирового океана составляет 12-15 млн. т, при этом, примерно 1/3 его поверхности постоянно или временно покрыта нефтяной пленкой. До 30% загрязнений вод нефтью приходится на бытовые и промышленные отходы, 27% на суда, 12% на аварии танкеров и нефтяных платформ, но в тоже время 24% загрязнений Мирового океана поступает со дна из естественных источников.

Процесс естественного самовосстановления загрязненной среды является очень длительным. Согласно устоявшемуся мнению, восстановление загрязненных почв при уровне загрязнения 5000 мг/кг идёт от 2 до 30 лет. В северных регионах скорость этих процессов еще ниже. В связи с этим, последствия нефтяного загрязнения там сказываются многие десятилетия, поскольку период распада нефти и ее производных в условиях Севера составляет минимум 50 лет. Процесс естественного самовосстановления загрязненной среды является очень длительным. Согласно устоявшемуся мнению, восстановление загрязненных почв при уровне загрязнения 5000 мг/кг идёт от 2 до 30 лет. В северных регионах скорость этих процессов еще ниже. В связи с этим, последствия нефтяного загрязнения там сказываются многие десятилетия, поскольку период распада нефти и ее производных в условиях Севера составляет минимум 50 лет.

Oil Contamination in Western Siberia The view of oil-contaminated site. July, 1999

Общие закономерности деградации углеводородов нефти. Элементный состав нефти характеризуется обязательным наличием пяти химических элементов: углерода, водорода, кислорода, серы и азота. В количественном отношении преобладают первые два элемента – свыше 90%, максимальное содержание остальных трех элементов может в сумме достигать 5 – 8%. В составе нефти выделяют углеводородную, асфальтосмолистую и зольную составные части, а также порфирины и серу. Углеводородный состав в основном представлен парафиновыми (30-35%) и нафтеновыми углеводородами (25-75%), и в меньшей степени соединениями ароматического ряда (10-20%).

Абиотические механизмы деградации нефти. Наиболее значимым физико-химическим механизмом деградации углеводородов нефти является их испарение. За первые сутки с верхнего слоя нефтяного пятна в летний период времени может испариться 15% нефти, или до 80% технического бензина, 22% керосина и только 0.3% компонентов мазута. Через 15 дней после разлива потери нефти за счет абиотической деградации могут составлять уже 36%. Разлившаяся нефть адсорбируется почвой и в основной массе локализуется в верхнем ее горизонте. Лишь небольшая часть углеводородов может диффундировать в подпочвенные слои, осадочные породы и грунтовые воды. Частично компоненты нефти на поверхности загрязненного участка подвергаются окислению и фотоокислению, однако, дальнейшее разрушение углеводородов нефти связано с процессами их биохимического окисления, которое происходит при участии нефтеокисляющих микроорганизмов.

Методы очистки окружающей среды от нефти и нефтепродуктов. Известные методы рекультивации загрязненных нефтью территорий условно можно подразделить на несколько групп:    Механические методы;    Термические методы;    Физико-химические методы;    Микробиологические методы.

Механические методы. А) Локализация и сбор нефти. всасывание плавающими насосами гидрофобный транспортер вихревой способ гидрофобные скиммеры Б) Системы сдерживания, барьеры. В) Механическое разделение и отжим. Г) Вывоз и захоронение. Д) Изолирование загрязнения. Е) Землевание. Ж) Использование полимерного покрытия.

Термические методы А) Выжигание нефти и нефтепродуктов in situ. Б) Сжигание нефти и нефтепродуктов ex situ. В) Термическая десорбция ex situ. Г) Термоэкстракция. Д) Метод ленточных микровзрывов.

Физико-химические методы А) Промывка почвы. Б) Экстракция нефтепродуктов в вакуумных камерах. В) Стабилизация/затвердевание нефти. Г) Экстракция растворителем. Д) Использование электроосмотического эффекта. Е) Флотационный метод. Ж) Применение сорбентов. З) Химическое окисление.

Биоремедиация территорий, загрязненных нефтью. Биоремедиация (от био и лат. remedio – лечение, восстановление), использование живых организмов – бактерий, дрожжей, грибов, водорослей и растений - для детоксикации загрязняющих веществ (поллютантов) или снижения их концентрации в окружающей среде. Ведущую роль в процессах биоремедиации играют сообщества микроорганизмов, эффективно разлагающие поллютанты или превращающие их в менее токсичные соединения. Существует два основных подхода к биоремедиации. Первый заключается в экскавации (удалении) загрязненного материала с последующей его детоксикацией (в биореакторах, путем компостирования). Это биоремедиация ex situ. Второй подход (биоремедиация in situ) состоит в детоксикации загрязнителя либо путем активации природных микроорганизмов (внесение дополнительных питательных веществ, улучшение аэрации, поддержание оптимального уровня влажности), либо путем внесения специализированных биопрепаратов.

Биодеградация органических соединений. Под биодеградацией понимают процесс полного или частичного разрушения органических соединений микроорганизмами с использованием продуктов разложения в качестве источников углерода и энергии. Бактерии родов Burkholderia, Acinetobacter, Ralstonia, Comamonas, Shingomonas, Arthrobacter, Rhodococcus, Alcaligenes, Achromobacter, Bacillus, Micrococcus, Metanobacterium, Mycobacterium, Brevibacterium, актиномицеты (Streptomyces, Endomyces, Nocardia), грибы (Aspergillus, Cephalosporium, Penicillium), дрожжи (Candida, Rhodotorula, Torula, Trichoderma, Hansenula, Saccharomyces).

Принципы микробиологической деструкции нефти. В большинстве случаев, метаболизм парафиновых углеводородов начинается с терминального окисления концевой метильной группы в спирт и, далее, через альдегид до соответствующей жирной кислоты. Дальнейшее окисление углеводорода протекает по пути, который известен как бета-окисление жирных кислот, при котором за каждый цикл длина цепочки жирной кислоты укорачивается на два углеродных атома. Изоалканы окисляются слабее н-алканов, так как терминальные метильные разветвления ограничивают или полностью блокируют биодеградацию. Низкомолекулярные циклоалканы нафтеновой фракции нефти, хотя и не так часто, могут служить субстратом микроорганизмов. Средне- и мало конденсированные нафтены разлагаются значительнее медленнее, а высоко конденсированные циклоалканы сравнительно устойчивы к микробной атаке. Метаболические превращения моноциклических ароматических углеводородов, как правило, включают реакции гидроксилирования, и, только после этого, ароматическое кольцо расщепляется по орто- или мета- пути. Основными продуктами биодеградации углеводородов нефти являются углекислый газ, вода и биомасса микроорганизмов, выросших на углеводородах. При этом, как бы сложно не были организованы низкомолекулярные компоненты нефти, они достаточно активно подвергаются метаболическому расщеплению.

Методы интенсификации микробиологической деградации нефти и нефтепродуктов. два принципиальных подхода:  Стимулирование активности аборигенной углеводородокисляющей микрофлоры. Интродукция активных штаммов углеводородокисляющих организмов, а также их ассоциаций путем интродукции их в загрязненные объекты в виде биопрепарата. Аэрация почв. Полив. Оптимизация температурного режима. Внесение минеральных удобрений. Внесение органических удобрений. Известкование. Внесение биостимуляторов. Диспергирование нефти с помощью поверхностно активных веществ. Фитомелиорация.

Биоремедиация водных систем, загрязненных нефтью. Среди водных сред потенциально подвергающихся загрязнению нефтью можно выделить следующие:      поверхностные воды, в том числе Мировой океан (акватория морей и океанов) и пресные воды (реки, озёра и т.д.);         грунтовые воды;         сточные воды.

Разработка биопрепаратов. Скрининг и исследование углеводородокисляющих микроорганизмов Подбор ассоциаций микроорганизмов – деструкторов нефти. Интродукция углеводородокисляющих микроорганизмов.

Growth of strains on different substrates

Emulsifying activity of degrader strains at 24ºC

Change of crude oil fraction composition after 7 days incubation at 24ºC and 4-6ºC

Degradation of crude oil by Rhodococcus strains at 24ºC and 4-6ºC during 7 days

Degradation of crude oil by Pseudomonas and unidentified strains at 24ºC and 4-6ºC during 7 days

REP-PCR pattern with Box A1R primer

RAPD analysis of Rhodococcus strains ( with OA20 primer)

Dendrogram of Oil-degrading Strains Based on Their Catabolic and Physiological Properties

Model Flow System for selection of active degrader strains

Degradation of crude oil by individual strains and association at 24ºC and 4-6ºC during 7 days

Фото микроорганизмов в среде с нефтью

Микроорганизмы в среде с гексадеканом

Examples of plasmids encoding the degradation of predominantly naturally occurring organic compounds (data from E.M. Top et al., 2000)

Methods of Improvement of Degrader Microorganisms Mutagenesis and selection Genetic engineering in vitro Protein engineering “Molecular breeding” Use of plasmids for genetic manipulation in vitro

Plasmid-enhanced biodegradation of crude oil

Horizontal transfer open and model soil

transfe

Фиторемедиация. В фиторемедиации принято выделять несколько направлений: Фитоэкстракция – использование растений, аккумулирующих органические и неорганические поллютанты в надземной части с целью удаления их из почвы. Фитодеградация (ризоремедиация) – использование растений и ассоциированных с ними мироорганизмов для деградации органических поллютантов. Ризофильтрация – использование корней растений для адсорбции и абсорбции загрязнителей, главным образом металлов, из воды и сточных вод. Фитоиспарение - использование растений для удаления поллютантов в газообразном виде. Использование растений для удаления поллютантов из воздуха. Фитостабилизация - некоторые виды растений могут успешно произрастать на наиболее загрязненных грунтах, образуя плотную дернину, которая может содействовать стабилизации почвы, препятствуя таким образом выходу пыли и миграции загрязненных вод.

Схема механизмов фиторемедиации

Naphthalene toxic effect

Effect of naphthalene degradative plasmids on interaction of PGPR strains and mustard plants (Brassica juncea L.) under gnotobiotic conditions in sand supplemented with naphthalene. Treatment of seedlings with plasmid-bearing rhizobacteria led to a pronounced protective effect from naphthalene. The exception was the seedlings treated with P. putida 53a(pBS216). In this case no seed germination was observed

phytoremediation

Plant-Microbial Interaction in Rhizosphere

PGPR Pseudomonas colonize the plant root, suppress the phytopathogenic fungi and stimulate the plant growth