Способ биоремедиации воды, загрязненной тринитротолуолом. Биоремедиация воды

Способ биоремедиации воды, загрязненной тринитротолуолом

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ биоремедиации воды, загрязненненной 2,4,6-тринитротолуолом (ТНТ). Способ осуществляют в трех последовательно соединенных биореакторах с непрерывным протоком очищаемой среды. На первом этапе биореакторы наполняют на одну треть жидкой ТНТ-содержащей средой, включают мешалки и систему аэрации. Затем в 1-й биореактор вносят суточную культуру дрожжей Yarrowia lipolytica ВКПМ Y-3492. Культивируют Y. lipolytica до полного превращения ТНТ в С-3 моногидридный комплекс Мейзенхеймера темно-красного цвета. Одновременно с началом работы 1-го биореактора во 2-й биореактор вносят суточную культуру Y. lipolytica и культивируют до аккумуляции желто-оранжевых СЗ, С5 дигидридных комплексов Мейзенхеймера. Одновременно с началом работы 1-го и 2-го биореакторов в 3-й биореактор вносят суточную культуру Y. lipolytica и культивируют до полного разрушения ТНТ-дигидридных комплексов с обесцвечиванием очищаемой среды. На втором этапе процесс биодеградации ТНТ осуществляют в непрерывном режиме культивирования Y. lipolytica. При этом процесс культивирования Yarrowia lipolytica ВКПМ Y-3492 осуществляют при температуре от +24 до +31°C, pH от 3,0 до 7,0 и скорости перемешивания среды 100-250 об/мин. В качестве источника углерода и энергии для роста штамма и деградации ТНТ используют моносахариды или трехатомные спирты, или алифатические углеводороды. Способ позволяет повысить эффективность процесса обезвреживания воды, загрязненной ТНТ, и сократить время биоремедиации; обеспечивает 85% разложение ТНТ в концентрации 100 мг/л за сутки. 1 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к области обработки воды и может быть использовано для технологий биоремедиации (биоочистки) природных и сточных вод, загрязненных преимущественно нитроароматическими соединениями.

Известно, что действия, связанные с производством, хранением, использованием и утилизацией нитроароматических соединений, например, 2,4,6-тринитротолуола (далее по тексту ТНТ) и его производных, приводят к их (соединений) широкому распространению в окружающей среде. В результате синтеза, а также захоронения этих соединений происходит загрязнение окружающей среды, например, грунтовых вод, которыми пользуется население.

Эксплуатация и износ оборудования промышленных предприятий, использующих нитроароматические соединения в технологических процессах, ведут к увеличению количества и накоплению отходов. Эти отходы характеризуются высокой токсичностью и кумулятивной способностью, а также могут обладать мутагенным эффектом. Сброс токсичных отходов промышленных предприятий в водоемы и водотоки существенно ухудшает их общее санитарное состояние, оказывая при этом негативное влияние на живые организмы как токсичностью, так и изменением режима биогенных элементов. Для снижения техногенного влияния нитроароматических соединений на объекты природной среды необходимо использование эффективных технологий очистки загрязненных сточных вод.

Известен способ [1] ремедиации ТНТ-загрязненных территорий, основанный на ковалентном связывании ТНТ и его нитропроизводных с органическим матриксом почвы.

Недостатком способа [1] является замедленность процесса ремедиации и его низкая эффективность. Так, после 28-суточной обработки ТНТ-загрязненной почвы в анаэробных и аэробных условиях процент связывания ТНТ и его метаболитов с органическим матриксом почвы составил 40%. Кроме того, существует угроза повторного загрязнения этими соединениями в результате их отщепления от органического матрикса почвы при истощении плодородия. В связи с этим применение способа [1] весьма ограниченное.

Известен способ [2] вымывания и удаления ТНТ из объектов, загрязненных смесями взрывчатых веществ.

Недостатком способа [2] является то, что его применение не сопровождается разрушением и минерализацией ТНТ. Это приводит к сохранению и циркуляции ТНТ и его метаболитов в окружающей среде.

Известен способ [3] небиологической очистки грунтовых вод, загрязненных взрывчатыми веществами, например, ТНТ, осуществляемый дитионит-восстановленными осадками.

Недостатком способа [3] является то, что потенциал трансформации ТНТ по способу существенно ограничен и не превышает 65 мг/л в течение 72 ч (3-х суток). К тому же, в процессе трансформации образуются такие метаболиты, как 2-амино-4,6-динитротолуол (2-АДНТ), 4-амино-2,6-динитротолуол (4-АДНТ), 2,4-диамино-6-нитротолуол (2,4-ДАНТ) и 2,6-диамино-4-нитротолуол (2,6-ДАНТ), которые сохраняют остаточную токсичность и характеризуются повышенной устойчивостью к последующему воздействию.

Известен способ [4] удаления ТНТ из биореакторов путем непрерывного культивирования микробных сообществ в жидкой ТНТ-содержащей среде в аэробных, микроаэрофильных и анаэробных условиях.

Недостатком способа [4] является то, что в процессе непрерывного культивирования микробных сообществ в очищаемой среде образуются следующие метаболиты трансформации ТНТ: гидроксиламино-динитротолуолы (ГАДНТ), амино-динитротолуолы (АДНТ), диамино-нитротолуолы (ДАНТ) и азоксинитротолуолы. Эти метаболиты не подвергаются биологическому разрушению и накапливаются в окружающей среде.

Известен микробиологический способ [5] обезвреживания объектов, загрязненных ТНТ (до 100 мг/л), штаммом гриба Penicillium sp. I-2081.

Недостатком способа [5] является то, что способ очистки с использованием штамма Penicillium sp. I-2081 продолжителен по времени (оптимально 10 суток). Для осуществления способа необходимо присутствие в обезвреживаемой среде высокой концентрации глюкозы (оптимально 15 г/л) и повышенной концентрации биомассы гриба (оптимально 150 г/л), что приводит к усложнению и удорожанию процесса биоремедиации штаммом Penicillium sp. I-2081.

Известен микробиологический способ [6] очистки сточных вод, содержащих ТНТ. Способ осуществляют путем двухэтапного непрерывного культивирования штамма Pseudomonas fluorescens B-3468, иммобилизованного на носителе из стекловолокна.

Недостатком способа [6] является то, что в сточной воде происходит накопление 2-АДНТ, 4-АДНТ и 2,4-ДАНТ, не разлагаемых штаммом Ps. fluorescens B-3468. Это ограничивает возможность осуществления известного способа [6] в природоохранной деятельности.

Наиболее близким по техническому решению к предполагаемому изобретению - прототипом, является способ обезвреживания ТНТ-загрязненной жидкости иммобилизованными клетками гриба Phanerochaete chrysosporium BKM-F-1767 в биореакторе в условиях непрерывного режима культивирования [7].

Недостатком прототипа [7] является то, что процесс биоочистки ТНТ-загрязненной жидкости осуществляют в единичном биореакторе, оснащенном соответствующим оборудованием для проведения и контроля процесса биотрансформации ТНТ. Применение единичного биореактора продиктовано особенностью процесса биотрансформации ТНТ, осуществляемого грибом Ph. chrysosporium BKM-F-1767. Для этого процесса характерна неудовлетворительная (низкая) для практики результативность, ограничивающая применение способа. Другим недостатком является осуществление биологического процесса культурой гриба Ph. chiysosporium BKM-F-1767 возрастом не менее 7 суток. Это продлевает и удорожает биотехнологический процесс. Кроме того, низкая устойчивость известного гриба к токсическому действию ТНТ не позволяет его (гриб) применять для биоремедиации объектов, загрязненных высокими концентрациями ТНТ. К тому же трансформация ТНТ грибом Ph. chiysosporium BKM-F-1767 сопровождается аккумуляцией в очищаемой среде устойчивых метаболитов (2-АДНТ, 4-АДНТ, 2,4-ДАНТ и 2,6-ДАНТ), что снижает эффективность биоремедиации с осуществлением прототипа. При этом средний уровень минерализации ТНТ известным грибом остается на низком уровне (15,3% от исходного содержания ТНТ (50 мг/л) в течение 41 суток).

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества и эффективности процесса биоремедиации (обезвреживания, очистки) вод, загрязненных токсичными нитроароматическими соединениями, сокращение времени биоремедиации, расширение области применения биотехнологий для очистки загрязненных объектов, предотвращение загрязнения окружающей среды.

Цели достигают тем, что биоремедиацию вод, загрязненных нитроароматическими соединениями, проводят с помощью штамма дрожжей Yarrowia lipolytica ВКПМ Y-3492 в последовательно соединенных и оснащенных соответствующим оборудованием трех биореакторах с непрерывным протоком загрязненной и очищаемой среды, с обеспечением (в биореакторах) оптимальных значений температуры, pH среды, аэрации, скорости перемешивания биомассы и среды. В качестве источника углерода и энергии для роста штамма и деградации ТНТ используют моносахариды, трехатомные спирты, алифатические углеводороды.

Способ осуществляют в устройстве, состоящем из резервуара и трех биореакторов, последовательно соединенных трубопроводами с запорно-регулирующим оборудованием, оснащенных пробоотборниками, отводящими воздух каналами, мешалками для перемешивания биомассы и среды, насосами для перекачивания среды, системой аэрации.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что биоремедиацию воды, загрязненной ТНТ, осуществляют с использованием штамма дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492.

Способ осуществляют непрерывным культивированием штамма в очищаемой среде в устройстве, состоящем из трех биореакторов в виде последовательно соединенных между собой емкостей, оснащенных необходимым эксплуатационным и контрольно-измерительным оборудованием. В ином варианте биотехнологический процесс осуществляют в трех последовательно соединенных между собой водоемах, например, проточных очистных сооружениях, оснащенных необходимым эксплуатационным и контрольно-измерительным оборудованием. Штамм дрожжей Y. lipolytica культивируют в оптимальном диапазоне температур от +24 до +31°C и pH от 3,0 до 7,0; при отклонении от оптимальных значений параметров процесс биоремедиации загрязненных вод замедляется.

Сущность предлагаемого способа поясняется примерами.

Пример 1. Обезвреживание вод, содержащих 2,4,6-тринитротолуол, штаммом дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 в присутствии моносахаридов, например, глюкозы в качестве источника углерода и энергии.

Способ осуществляют в устройстве, состоящем из резервуара и трех биореакторов, последовательно соединенных трубопроводами с запорно-регулирующим оборудованием. Биореакторы оснащены пробоотборниками, отводящими воздух каналами, мешалками, например, магнитными мешалками для равномерного распределения биомассы микроорганизмов и кислорода в толще очищаемой среды, насосами для перекачивания очищаемой среды, системой аэрации.

Обезвреживание осуществляют в установке для непрерывного культивирования дрожжей (Фиг.1), где 1 - первый биореактор; 2 - второй биореактор; 3 - третий биореактор; 4 - резервуар, содержащий жидкую среду с ТНТ; 5, 6, 7 - пробоотборники; 8, 9, 10 - воздухоотводы, оснащенные фильтрами; 11, 12, 13 - магнитные мешалки с магнитами; 14, 15, 16, 17 - система трубопроводов с запорно-регулирующим оборудованием; 18, 19, 20, 21 - насосы; 22, 23, 24 - система аэрации.

Установка состоит из резервуара 4, содержащего жидкую очищаемую (обезвреживаемую) синтетическую среду с ТНТ, и трех биореакторов 1, 2, 3, последовательно соединенных системой трубопроводов 14, 15, 16, 17 и оборудованных насосами, например, перистальтическими насосами 18, 19, 20, 21 для перекачивания очищаемой среды. Все биореакторы оснащены системой аэрации 22, 23, 24, обеспечивающей подачу стерильного воздуха (в биореакторы), а также отводящими воздух каналами 8, 9, 10, оснащенными 0,22 µm фильтрами. Кроме этого, биореакторы оснащены пробоотборниками 5,6,7. Процесс перемешивания очищаемой среды, инокулированной клетками дрожжей (с внесенными клетками) Y. lipolytica, осуществляют магнитными мешалками 11,12,13. Биотехнологический процесс осуществляют в диапазоне температур от +24 до +31°C.

В качестве очищаемой среды используют, например, синтетическую среду следующего состава: глюкоза - 11,2 мМ, (Nh5)2SO4 - 7,6 мМ, MgSO4 - 2,0 мМ, Na2HPO4 - 9,8 мМ, Kh3PO4 - 6,2 мМ (pH 7,0). ТНТ вносят из расчета 100 мг/л перед автоклавированием среды. Средой для поддержания штамма Y. lipolytica и накопления биомассы служит агаризованная среда Сабуро, содержащая глюкозу - 10,0 г/л, пептон - 10,0 г/л, дрожжевой экстракт - 5,0 г/л, NaCl - 0,3 г/л, агар - 20,0 г/л. Для приготовления всех сред используют дистиллированную воду.

Процесс биологической деструкции ТНТ и его метаболитов осуществляют в два этапа.

Предварительно резервуар 4 заполняют жидкой ТНТ-содержащей синтетической средой.

На первом этапе биореакторы 1, 2, 3 наполняют на одну треть жидкой ТНТ-содержащей синтетической средой из резервуара 4; включают магнитные мешалки 11, 12, 13 и систему аэрации 22, 23, 24.

В биореактор 1, содержащий жидкую синтетическую среду с ТНТ, через трубопровод 14 вносят суточную культуру У. lipolytica до конечной А600 0,2 и культивируют (Y. lipolytica) до полного превращения ТНТ в С-3 моногидридный комплекс Мейзенхеймера (3-Н--ТНТ) темно-красного цвета. В результате трансформации ТНТ штаммом дрожжей в биореакторе 1 накапливается мажорный метаболит - 3-Н--ТНТ (до 85%). При этом поддерживают нейтральное значение pH очищаемой среды.

Одновременно с началом работы биореактора 1 в биореактор 2, содержащий жидкую синтетическую среду с ТНТ, через трубопровод 15 вносят суточную культуру Y. lipolytica до конечной А600 0,4 и культивируют (Y. lipolytica) до аккумуляции желто-оранжевых С3, С5 дигидридных комплексов Мейзенхеймера (3,5-2Н--ТНТ, изомеры 3,5-2Н--ТНТ·Н+, являющихся основными метаболитами превращения исходного ксенобиотика в биореакторе 2. В биореакторе 2 происходит снижение pH до оптимального уровня 4,8-5,4 вследствие интенсивной продукции дрожжами органических кислот.

Одновременно с началом работы биореакторов 1 и 2 в биореактор 3, содержащий жидкую синтетическую среду с ТНТ, через трубопровод 16 вносят суточную культуру Y. lipolytica до конечной А600 1,0 и культивируют (Y. lipolytica) до полного разрушения ТНТ-дигидридных комплексов. Биоремедиация в биореакторе 3 сопровождается обесцвечиванием очищаемой среды и накоплением нитрат-иона, являющегося конечным азотсодержащем неорганическим продуктом деструкции токсичного ТНТ. В биореакторе 3 происходит снижение pH до оптимальных значений от 3,0 до 3,8 вследствие интенсивного синтеза и экскреции дрожжами органических кислот. На этом завершают выполнение первого этапа.

На втором этапе включают насосы 18, 19, 20, 21, и процесс биодеградации ТНТ и его метаболитов осуществляют в условиях непрерывного режима культивирования клеток дрожжей Y. lipolytica с обеспечением (работы насосов и запорно-регулирующего оборудования) полного обновления среды биореакторов в промежутке времени от 18 до 24 часов.

В каждом из биореакторов 1, 2, 3 поддерживают оптимальную концентрацию клеток Y. lipolytica (от А600 0,2 до А600 6,0) путем регулирования скорости поступления жидкой синтетической среды с ТНТ из резервуара 4 в биореактор 1, очищаемой среды из биореактора 1 в биореактор 2, очищаемой среды из биореактора 2 в биореактор 3 и очищенной среды из биореактора 3, например, в систему сбора и удаления очищенной среды (на Фиг.1 не указана, как не имеющая прямого отношения к способу биоремедиации). Скорость протока очищаемой среды через биореакторы устанавливают, сохраняя стабильность биологических процессов и обеспечивая пространственное разделение метаболитов трансформации ТНТ во всех трех биореакторах 1, 2, 3. Процесс контролируют путем отбора проб через пробоотборники 5, 6, 7 и их (проб) последующего анализа и корректируют, например, путем изменения скорости поступления среды (от 10 до 20 мл/ч), интенсивности перемешивания (100-250 об/мин).

В результате осуществления предлагаемого способа биоремедиации по Примеру 1 биодеградация ТНТ через разрушение промежуточных ТНТ-гидридных комплексов достигает 85% за 1 сутки. Оставшиеся 15% ТНТ трансформируются в ГАДНТ, которые ковалентно связываются с биологическими макромолекулами и в последующем не проявляют токсичность.

Пример 1 показывает, что заявляемый способ, обеспечивающий 85% разложение ТНТ в концентрации 100 мг/л за 1 сутки, по сравнению с прототипом, обеспечивающим 15,3% разложение ТНТ в концентрации 50 мг/л за 41 сутки, позволяет существенно повысить качество и эффективность процесса биоремедиации ТНТ-загрязненной воды.

Другим преимуществом предлагаемого способа биологического разрушения ТНТ и его производных в сточных водах является возможность его (способа) осуществления в присутствии более широкого (по сравнению с прототипом) спектра источников углерода и энергии, что доказано в следующих примерах.

Пример 2. Обезвреживание вод, содержащих ТНТ, штаммом дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 с использованием трехатомного спирта, например, глицерина в качестве источника углерода и энергии.

Процесс биологической деструкции ТНТ осуществляют по Примеру 1, с использованием иного источника углерода и энергии - глицерина, например, в концентрации 2,4 мл/л. Осуществлением процесса по Примеру 2 достигают деградации ТНТ в пределах 80%.

Пример 3. Очистка вод, загрязненных ТНТ, штаммом дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 в присутствии алифатического соединения гексадекана в качестве источника углерода и энергии.

Процесс биодеградации ТНТ осуществляют по Примеру 1 с использованием иного источника углерода и энергии - гексадекана, например, в концентрации 3,0 мл/л. Осуществлением процесса по Примеру 3 достигают 30%-ного разложения ТНТ.

В Примерах 2 и 3 эффективность процесса биоремедиации по предлагаемому способу уступает эффективности процесса по Примеру 1, но при этом существенно превосходит эффективность. прототипа. Таким образом, предлагаемый способ позволяет использовать альтернативные, по сравнению с прототипом, источники углерода и энергии для осуществления процесса биоремедиации. Это позволяет расширить область применения биотехнологий для детоксикации природных и сточных вод.

Динамика трансформации ТНТ и его метаболитов, сопровождающаяся изменением цвета очищаемой среды в биореакторах, позволяет осуществлять визуальный (без применения аналитического оборудования) контроль за биотехнологическим процессом в производственных условиях, что существенно упрощает работы по контролю за процессом и сокращает их продолжительность. При необходимости динамику процесса биоремедиации отслеживают путем анализа отобранных проб из биореакторов 1, 2, 3 с помощью пробоотборников 5, 6, 7. В практике очистки природных и сточных вод, загрязненных ТНТ и его метаболитами, достаточен визуальный контроль процесса биоремедиации.

Продукты трансформации ТНТ определяют различными физико-химическими методами, например, УФ-видимой спектрофотометрией, высокоэффективной жидкостной и ионной хроматографией.

Спектрофотометрические измерения выполняют на сканирующем двухлучевом спектрофотометре, например, Lambda 35 (Perkin Elmer, USA). Биомассу оценивают по изменению оптической плотности среды с клетками при длине волны 600 нм. Контролем служит лишенная клеток среда. 3-Н--ТНТ обнаруживают по пику поглощения при 476 нм, аккумуляцию 3,5-2Н--ТНТ и сумму изомеров 3,5-2H--THT·H+ - по спектральным сдвигам в область 440-445 нм.

ТНТ и продукты его трансформации анализируют высокоэффективной жидкостной хроматографией, например, на хроматографе Series 200 (Perkin Elmer, USA), в обращеннофазовом варианте с использованием колонки Supelcosil octyl C-8 (150×4,6 мм; 5 мкМ), с детекцией при 254 и 476 нм. Первоначально мобильная фаза состоит из 99% Na-фосфатного буфера (pH 7,0; 25 мМ) и 1% метанола. В течение 2,0 мин количество метанола увеличивают до 30%, в течение следующих 13,0 мин - до 43%. Последующие 12,5 мин хроматографии связаны с повышением содержания метанола до 100%, данный градиент оставляют неизменным в течение 0,5 мин. В дальнейшем за 1,0 мин соотношение мобильной фазы возвращают к первоначальному уровню и оставляют постоянным в течение следующих 5,0 мин. Скорость потока 1,0 мл/мин, температура +50°C.

Нитрит- и нитрат-ионы определяют с помощью ионного хроматографа, например, 761 Compact IC (Metrohm AG, Швейцария), оснащенного разделительной колонкой Metrosep A Supp 5-150 (6.1006.520). Элюцию проводят растворами 1,0 мМ NaHCO3 и 3,2 мМ Ма2СОз со скоростью 0,7 мл/мин.

Существенным отличием способа непрерывного многостадийного культивирования штамма дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 в присутствии ТНТ является более высокая (85%) по сравнению с прототипом (15,3%) эффективность биодеградации ТНТ и его метаболитов, возможность применения предлагаемой биотехнологической схемы очистки в различных отраслях промышленности. Кроме того, предлагаемый способ с использованием штамма Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 позволяет осуществлять очистку вод, загрязненных высокими концентрациями ТНТ, без использования разведении. По сравнению с известными аналогами и прототипом заявленный способ позволяет существенно сократить время биоремедиации (до 1 суток вместо 41 суток у прототипа), повышая при этом производительность и эффективность работы биоочистных сооружений и способствуя сохранности окружающей среды.

Возможность осуществления процесса биоремедиации с использованием альтернативных источников углерода и энергии для роста штамма Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 позволяет существенно расширить (по сравнению с прототипом) область применения биотехнологий для охраны окружающей среды.

Применение предлагаемого способа способствует повышению качества и упрощению процесса биоочистки природных и сточных вод, загрязненных токсичными нитроароматическими соединениями (на примере особоустойчивого к разрушению ТНТ), сокращению времени биоремедиации, расширению области применения биотехнологий для очистки экологически опасных объектов, предотвращению загрязнения окружающей среды.

Предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружены способы, которым присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявленный способ имеет изобретательский уровень, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявленное техническое решение можно реализовать на очистных сооружениях промышленных предприятий, синтезирующих нитроароматические соединения, а также в деятельности природоохранных организаций, используя известные стандартные технические устройства и оборудования. Это соответствует критерию "промышленная применимость", предъявляемому к изобретениям.

Использованные источники

1. Achtnich C., H.Lenke, U.Klaus, M.Spiteller, H.J.Knackmuss. Stability of immobilized TNT derivatives in soil as a function of nitro group reduction. // Environ. Sci. Technol. - 2000. - V.34. - P.3698-3704.

2. Monteil-Rivera F., S.Deschamps, G.Ampleman, S.Thiboutot, J.Hawari. Dissolution of a new explosive formulation containing TNT and HMX: comparison with octol. // J. Hazardous Materials. - 2010. - V.174. - P.281-288.

3. Boparai H.K., S.D.Comfort, P.J.Shea, J.E.Szecsody. Remediating у explosive-contaminated groundwater by in situ redox manipulation (ISRM) of aquifer sediments. // Chemosphere. - 2008. - V.71. - P.933-941.

4. Gunnison D., H.L.Fredrickson, D.L.Kaplan, A.L.Alien, C.M.MelIo. J.E.Walker, G.Myrick, W.E.Evans, M.Ochman. Application of continuous culture technology for the development of explosives-degrading microorganisms. // Ann. NY Acad. Sci. - 1997. - V.829. - P.230-241.

5. Патент РФ «Микробиологический способ удаления нитроароматического соединения, присутствующего в растворе или в почве» RU №2249564, МПК7 C02F 3/34, B09C 1/10, C12N 1/14, C12R 1:80, приоритет от 29.09.1999. Текст описания от 10.04.2005.

6. Патент РФ «Способ биологической очистки сточных вод» RU №1471493, МПК6 C02F 3/34, приоритет от 08.12.1986. Текст описания от 10.09.1995.

7. Rho D., J.Hodgson, S.Thiboutot, G.Ampleman, J.Hawari. Transformation of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) by immobilized Phanerochaete chiysosporium under fed-batch and continuous TNT feeding conditions. // Biotech. Bioeng. - 2001. - V.73. - P.271-281.

Способ биоремедиации воды, загрязненной 2,4,6-тринитротолуолом, заключающийся в культивировании штамма дрожжей Yarrowia lipolytica ВКПМ Y-3492 в трех последовательно соединенных биореакторах с непрерывным протоком очищаемой среды с использованием моносахаридов или трехатомных спиртов, или алифатических углеводородов в качестве источника углерода и энергии, с обеспечением оптимальных значений температуры от +24°C до +31°C, pH среды от 3,0 до 7,0, скорости перемешивания биомассы и среды 100-250 об/мин.

www.findpatent.ru

Применение биотехнологий для очистки окружающей среды. Опасные отходы

Удаление химического загрязнения из воды и почвы стоило обществу значительных средств и проходило с относительно ограниченным успехом. Территории, требующие огромных денежных вложений, продолжают существовать десятилетиями после их обнаружения, и бОльшая часть денег, потраченных на эти территории, направляется на разнообразные отчеты, касающиеся детального изучения степени загрязнения и рисков, возникающих при использовании и очистке таких территорий. Существует несколько способов удаления химических загрязнителей. Во-первых, физическое перемещение загрязнителя, обычно просто с одного места на другое. Во-вторых, перенос загрязнителей из одной среды, например почвы или воды, в другую, обычно воздух. Действительно, результатом многих технологий является удаление загрязнителей из воды и высвобождение их в воздух. Даже если загрязненная вода проходит через активированный уголь, токсичность загрязнителей в абсолютном выражении не уменьшается, так как происходит лишь концентрирование загрязняющих веществ. Сжигание отходов при высокой температуре приводит к разрушению загрязнителей, но эта технология очень дорога и может быть связана с выбросом токсичных соединений в атмосферу.

Биоремедиация предлагает другой подход: использование микроорганизмов на загрязненных территориях или мусороперерабатывающих заводах для превращения потенциально опасных химических соединений в безопасные или менее опасные. Технология биоремедиации получает высокие оценки в популярной прессе и поощряется за хорошие результаты экологическими службами. Однако предстоит еще преодолеть целый ряд технических затруднений. Поэтому мусороперерабатывающая промышленность продолжает идти по пути наименьшего сопротивления: собирает отходы, которые затем захораниваются на полигонах или сжигаются. Некоторые из последних разработок обещают сделать биоремедиацию более привлекательной.

К наиболее успешным технологиям биоремедиации относятся те, в которых используются микроорганизмы, в естественных условиях присутствующие в загрязненной среде. Многие встречающиеся в природе бактерии и грибы способны разрушать химические загрязнители. К ним относятся, например, микроорганизмы, разрушающие пестициды и полихлорированные бифенилы, а также способные к детоксикации тяжелых металлов. Другой подход заключается в интродукции специально выведенных или ГМ-микроорганизмов. Однако использование природных видов микроорганизмов в настоящее время является более привлекательным.

Совершенно очевидно, что использование естественных процессов для очистки среды от опасных соединений — процесс длительный. Поэтому мы должны обдумать пути повышения его скорости. Методы биостимуляции предполагают внесение азотсодержащих и других питательных соединений на территориях, где уже существуют необходимые микроорганизмы, что создает благоприятные условия для их размножения. Например, загрязненные водоемы обогащают метаном в качестве источника питательных веществ для постоянно живущих там бактерий.

Еще одна изобретенная технология подразумевает повышение биодоступности таких нерастворимых загрязняющих веществ, как полихлорированные бифенилы. Биодоступность является показателем, который определяет, насколько конкретное вещество доступно растениям или микроорганизмам на данной территории. Высокая биодоступность является негативным фактором в отношении загрязнителей, так как такие вещества легко поступают в пищевые цепи. Однако, если вы пытаетесь увеличить доступность химических веществ для микроорганизмов с целью повышения эффективности биоремедиации, необходимо придумать методы, позволяющие увеличить растворимость этих соединений, а также уменьшить вероятность их абсорбции почвенными частицами. Действия, которые в данном случае могут быть полезными, включают нагревание, применение сурфактантов (поверхностно активных веществ), вентиляцию компоста влажным воздухом для поддержания оптимальной влажности реакционной среды, использование химических восстанавливающих агентов. Недавно были получены патенты на применение в компосте целлюлозосодержащего материала, бобовых растений или микроорганизмов. Загрязнители удерживаются волокнами целлюлозы и становятся более доступными. Очень важно поддержание анаэробных (отсутствие кислорода) условий либо in situ, либо в процессе обработки. Анаэробные условия благоприятствуют процессу детоксикации многих органических и неорганических загрязнителей.

Биоремедиация представляет интерес даже при загрязнении тяжелыми металлами. Бактерии, «питающиеся» металлами, присутствуют в почве в естественных условиях 1.

1 Для очистки окружающей среды от тяжелых металлов предлагается использовать и растения. Эта технология получила название фиторемедиации и основана на том, что многие виды растений способны накапливать тяжелые металлы, причем их содержание в тканях и органах растений может в десятки и даже сотни раз превышать содержание в окружающей среде. В настоящее время активно разрабатываются несколько областей фиторемедиации — «зеленой технологии» очистки окружающей среды. (1) Фитоэкстракция — использование естественных растений-аккумуляторов, способных накапливать металлы в надземных органах специально выведенных сортов растений, и определенных обработок почвы для переноса элемента-загрязнителя в надземные части растения, которые затем утилизируются. (2) Фитодеградация — использование растений и специально отобранных штаммов микроорганизмов для разрушения органических загрязнителей. (3) Фитофильтрация — использование корней взрослых растений (ризофильтрация) и проростков (бластофильтрация) для поглощения загрязнителя, главным образом тяжелых металлов, из водных растворов. (4) Фитоволитализация — использование растений для экстрагирования летучих веществ из почвы. (5) Фитостабилизация — использование растений для перевода веществ-загрязнителей в малодоступную форму. Технология фиторемедиации имеет как преимущества, так и недостатки. Последние связаны с небольшой биомассой растений-аккумуляторов, их низкой скоростью роста, а также с проблемами утилизации полученной биомассы. — Прим. перев.

К тяжелым металлам относятся мышьяк, сурьма, бериллий, кадмий, хром, медь, свинец, ртуть, железо, марганец, радий, никель, селен, серебро, таллий и цинк. Примеры применения биоремедиации включают очистку от тяжелых металлов, очистку поверхностных вод, подземных вод и (или) почвы от мышьяка, обработку отработанных металлсодержащих растворов. Очевидно, что металл не исчезает вообще, а переходит в менее токсичную форму.

Среди наиболее известных металлпотребляющих бактерий можно отметить анаэробные бактерии, которые восстанавливают шестивалентный хром до трехвалентного хрома. Шестивалентный хром вызывает рак у человека, в то время как трехвалентный не оказывает подобного действия. Обычно хромсодержащие почвы проходят обработку в биореакторе, где создаются условия, оптимальные для воздействия микроорганизмов. Некоторые из недавно разработанных технологий предлагают оставлять загрязненные хромом почвы на месте, добавляя в них восстанавливающие агенты и определенные питательные вещества, которые благоприятны для хром-восстанавливающих бактерий. Это всегда способствует увлажнению почвы.

Однако технология биоремедиации имеет свои трудности и недостатки, особенно в случае очистки водоемов. Условия в водоемах подвержены изменению (например, может меняться рН, доступность кислорода или питательных веществ), создавая сложности для роста и развития культуры микроорганизмов. Другой недостаток данной технологии — существующая вероятность «бегства» несвойственных данной среде микроорганизмов за пределы обрабатываемой территории, что может создать серьезные проблемы. Кроме того, может быть нежелательным проникновение микроорганизмов в подземные воды, особенно если эта вода используется для питья. Например, приходится проводить многочисленные манипуляции во избежание попадания метана в питьевую воду.

Некоторые загрязнители требуют наличия целого консорциума микроорганизмов. К таким загрязнителям относят, например, полиароматические гидрокарбонаты и полихлорированные бифенилы. Очистка подобных территорий требует интродукции новых микроорганизмов. Некоторые встречающиеся в естественных условиях или генетически модифицированные микроорганизмы созданы для очистки среды от специфических загрязнителей. Генетически модифицированные микроорганизмы должны быть интродуцированы в новые условия окружающей среды, где им необходимо предоставить возможность расти и питаться. Проблемы интродукции новых популяций микроорганизмов в определенное местообитание были уже рассмотрены ранее.

Сможет ли биоремедиация изменить наш склад ума, в котором прочно поселилось представление «выкопай и сожги»? Многое будет зависеть от принятия этой технологии широкой общественностью. Несмотря на то что концепция биоремедиации базируется на невмешательстве и дружеском отношении к окружающей среде, отдельные влиятельные деятели на местах придерживаются старых методов и стараются вставить палки в колеса комплексной очистки окружающей среды от загрязнения. Использование биологических методов очистки потребует терпимости и настойчивости со стороны общественности.

January 13th, 2011 in Биотехнологии | tags: in situ, активированный уголь, анаэробные бактерии, бактерии, бериллий, биодоступность, биореактор, биоремедиация, вода, детоксикация, железо, кадмий, кислород, компост, марганец, медь, метан, микроорганизмы, мышьяк, никель, очистка воды, очистка почвы, пестициды, поверхностно активные вещества, полиароматические гидрокарбонаты, полихлорированные бифенилы, почва, радий, Рак, рН, ртуть, свинец, селен, серебро, сурфактант, сурьма, таллий, токсичные вещества, тяжелые металлы, Фитоволитализация, Фитодеградация, фиторемедиация, Фитостабилизация, Фитофильтрация, Фитоэкстракция, химические загрязняния, хром, целлюлоза, цинк

www.rusdocs.com

Экологические проблемы. Пути решения. Технологии

С древних времен люди занимались «защитой природы». Но то, что происходит сегодня, нельзя назвать гармоничным балансом сосуществования. Увеличилось количество пустынь, высохших рек, загрязненных водоемов. Заметно сократилось число редких птиц, животных. В скором будущем наши люди будут знакомиться с ними лишь с помощью картинок. Предки лишили их возможности воочию наслаждаться красотой и разнообразием природной среды.

Для сохранения богатств матушки Земли недостаточно тех мер, которые применялись нашими предками. Необходимо коренным образом изменить метод хозяйственной деятельности человека, использовать современные технологии для защиты природы. Нельзя забывать, что потеря любого вида растений и животных – глубокая трещина в биологическом балансе Земли.

Природа предоставляет каждому из нас необходимые для существования составляющие элементы, такие как вода, еда, кислород, которые являются залогом дальнейшего существования и развития человечества. Однако, в условиях постоянного увеличения человеческой популяции и уменьшения биологического разнообразия, необходимо разрабатывать новые способы сохранения экосистемы, а также изыскивать способы продуктивного использования окружающей среды.

Одним из важнейших глобальных вопросов по сохранению экосистемы является решение проблем с экологией. Под экологией в широком смысле слова следует понимать науку, касающуюся отношений между живыми организмами и отношение биологической системы к окружающей среде. К биологическим системам в первую очередь относится, конечно же, человек, который оказывает наибольшее влияние на окружающую среду, как положительное, так и отрицательное.

Сегодня мир столкнулся с серьезными проблемами в отношении сохранения экосистемы и создания условий для ее дальнейшего функционирования. На сегодняшний момент экологическая ситуация во всем мире, в каждой стране, в каждом городе находится на крайне низком уровне, приближающемуся к критическому. Среди глобальных проблем, связанных с экологической ситуацией, наиболее критичной является уничтожение животного и растительного мира. Ежегодно тысячи разновидностей растений и животных погибают из-за вмешательства человека. Браконьеры беспощадно уничтожают редкие виды представителей флоры и фауны, которые уже занесены в Красную книгу.

Лесному покрову из года в год наносится ущерб и не только из-за природных стихий, а во многом из-за нерационального использования человеком. Еще одной глобальной экологической проблемой является загрязнение окружающей среды. Каждый год площадь загрязненных поверхностей увеличивается, уменьшаются территории, к которым бы не притронулась человеческая рука. На Земле практически не осталось поверхностей, где не созданы человеком искусственные элементы.

Многочисленные заводы из года в год продолжают загрязнять атмосферу, выбрасывая вредные вещества. Чистый воздух в современном мире – это большая редкость. Как следствие, частично разрушен озоновый слой, который предохраняет все живое на земле от губительных ультра фиолетовых лучей. Все эти действия провоцируют “парниковый эффект”, который в конечном итоге может привести к таянию ледников и мировому потопу.

Сэмюэл Батлер, английский писатель, в свое время сказал: «Природа – как фокусник: за ней нужен глаз да глаз». Действительно, за все приходиться платить – за боль, пренебрежительное и халатное отношение, безответственность. Природа обладает такой силой, что может разрушить целые города, лишить жизни тысячи людей. Различного рода катаклизмы – своего рода ответ на деятельность человека. Не зря ученые утверждают, что с каждым годом растет число аномальных явлений в природе.

Если человечество в ближайшее время не изменит свое отношение к окружающее среде, не перейдет от эгоистично- потребительской философии к философии продуктивного, рационального потребления, осознанию необходимости в сохранении экосистемы, то даже новейшие научные разработки не смогут предотвратить нарастание глобальных экономических проблем, которые могут перерасти в катастрофу.

Давайте вместе решать экологические проблемы современности! Без объединения сил и усилий многого не добиться!

Природа – как фокусник:за ней нужен глаз да глаз.

Сэмюэл Батлер.

technonature.w.pw

способ биоремедиации воды, загрязненной тринитротолуолом - патент РФ 2482076

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ биоремедиации воды, загрязненненной 2,4,6-тринитротолуолом (ТНТ). Способ осуществляют в трех последовательно соединенных биореакторах с непрерывным протоком очищаемой среды. На первом этапе биореакторы наполняют на одну треть жидкой ТНТ-содержащей средой, включают мешалки и систему аэрации. Затем в 1-й биореактор вносят суточную культуру дрожжей Yarrowia lipolytica ВКПМ Y-3492. Культивируют Y. lipolytica до полного превращения ТНТ в С-3 моногидридный комплекс Мейзенхеймера темно-красного цвета. Одновременно с началом работы 1-го биореактора во 2-й биореактор вносят суточную культуру Y. lipolytica и культивируют до аккумуляции желто-оранжевых СЗ, С5 дигидридных комплексов Мейзенхеймера. Одновременно с началом работы 1-го и 2-го биореакторов в 3-й биореактор вносят суточную культуру Y. lipolytica и культивируют до полного разрушения ТНТ-дигидридных комплексов с обесцвечиванием очищаемой среды. На втором этапе процесс биодеградации ТНТ осуществляют в непрерывном режиме культивирования Y. lipolytica. При этом процесс культивирования Yarrowia lipolytica ВКПМ Y-3492 осуществляют при температуре от +24 до +31°C, pH от 3,0 до 7,0 и скорости перемешивания среды 100-250 об/мин. В качестве источника углерода и энергии для роста штамма и деградации ТНТ используют моносахариды или трехатомные спирты, или алифатические углеводороды. Способ позволяет повысить эффективность процесса обезвреживания воды, загрязненной ТНТ, и сократить время биоремедиации; обеспечивает 85% разложение ТНТ в концентрации 100 мг/л за сутки. 1 ил., 3 пр.

Рисунки к патенту РФ 2482076

Изобретение относится к области обработки воды и может быть использовано для технологий биоремедиации (биоочистки) природных и сточных вод, загрязненных преимущественно нитроароматическими соединениями.

Известно, что действия, связанные с производством, хранением, использованием и утилизацией нитроароматических соединений, например, 2,4,6-тринитротолуола (далее по тексту ТНТ) и его производных, приводят к их (соединений) широкому распространению в окружающей среде. В результате синтеза, а также захоронения этих соединений происходит загрязнение окружающей среды, например, грунтовых вод, которыми пользуется население.

Эксплуатация и износ оборудования промышленных предприятий, использующих нитроароматические соединения в технологических процессах, ведут к увеличению количества и накоплению отходов. Эти отходы характеризуются высокой токсичностью и кумулятивной способностью, а также могут обладать мутагенным эффектом. Сброс токсичных отходов промышленных предприятий в водоемы и водотоки существенно ухудшает их общее санитарное состояние, оказывая при этом негативное влияние на живые организмы как токсичностью, так и изменением режима биогенных элементов. Для снижения техногенного влияния нитроароматических соединений на объекты природной среды необходимо использование эффективных технологий очистки загрязненных сточных вод.

Известен способ [1] ремедиации ТНТ-загрязненных территорий, основанный на ковалентном связывании ТНТ и его нитропроизводных с органическим матриксом почвы.

Недостатком способа [1] является замедленность процесса ремедиации и его низкая эффективность. Так, после 28-суточной обработки ТНТ-загрязненной почвы в анаэробных и аэробных условиях процент связывания ТНТ и его метаболитов с органическим матриксом почвы составил 40%. Кроме того, существует угроза повторного загрязнения этими соединениями в результате их отщепления от органического матрикса почвы при истощении плодородия. В связи с этим применение способа [1] весьма ограниченное.

Известен способ [2] вымывания и удаления ТНТ из объектов, загрязненных смесями взрывчатых веществ.

Недостатком способа [2] является то, что его применение не сопровождается разрушением и минерализацией ТНТ. Это приводит к сохранению и циркуляции ТНТ и его метаболитов в окружающей среде.

Известен способ [3] небиологической очистки грунтовых вод, загрязненных взрывчатыми веществами, например, ТНТ, осуществляемый дитионит-восстановленными осадками.

Недостатком способа [3] является то, что потенциал трансформации ТНТ по способу существенно ограничен и не превышает 65 мг/л в течение 72 ч (3-х суток). К тому же, в процессе трансформации образуются такие метаболиты, как 2-амино-4,6-динитротолуол (2-АДНТ), 4-амино-2,6-динитротолуол (4-АДНТ), 2,4-диамино-6-нитротолуол (2,4-ДАНТ) и 2,6-диамино-4-нитротолуол (2,6-ДАНТ), которые сохраняют остаточную токсичность и характеризуются повышенной устойчивостью к последующему воздействию.

Известен способ [4] удаления ТНТ из биореакторов путем непрерывного культивирования микробных сообществ в жидкой ТНТ-содержащей среде в аэробных, микроаэрофильных и анаэробных условиях.

Недостатком способа [4] является то, что в процессе непрерывного культивирования микробных сообществ в очищаемой среде образуются следующие метаболиты трансформации ТНТ: гидроксиламино-динитротолуолы (ГАДНТ), амино-динитротолуолы (АДНТ), диамино-нитротолуолы (ДАНТ) и азоксинитротолуолы. Эти метаболиты не подвергаются биологическому разрушению и накапливаются в окружающей среде.

Известен микробиологический способ [5] обезвреживания объектов, загрязненных ТНТ (до 100 мг/л), штаммом гриба Penicillium sp. I-2081.

Недостатком способа [5] является то, что способ очистки с использованием штамма Penicillium sp. I-2081 продолжителен по времени (оптимально 10 суток). Для осуществления способа необходимо присутствие в обезвреживаемой среде высокой концентрации глюкозы (оптимально 15 г/л) и повышенной концентрации биомассы гриба (оптимально 150 г/л), что приводит к усложнению и удорожанию процесса биоремедиации штаммом Penicillium sp. I-2081.

Известен микробиологический способ [6] очистки сточных вод, содержащих ТНТ. Способ осуществляют путем двухэтапного непрерывного культивирования штамма Pseudomonas fluorescens B-3468, иммобилизованного на носителе из стекловолокна.

Недостатком способа [6] является то, что в сточной воде происходит накопление 2-АДНТ, 4-АДНТ и 2,4-ДАНТ, не разлагаемых штаммом Ps. fluorescens B-3468. Это ограничивает возможность осуществления известного способа [6] в природоохранной деятельности.

Наиболее близким по техническому решению к предполагаемому изобретению - прототипом, является способ обезвреживания ТНТ-загрязненной жидкости иммобилизованными клетками гриба Phanerochaete chrysosporium BKM-F-1767 в биореакторе в условиях непрерывного режима культивирования [7].

Недостатком прототипа [7] является то, что процесс биоочистки ТНТ-загрязненной жидкости осуществляют в единичном биореакторе, оснащенном соответствующим оборудованием для проведения и контроля процесса биотрансформации ТНТ. Применение единичного биореактора продиктовано особенностью процесса биотрансформации ТНТ, осуществляемого грибом Ph. chrysosporium BKM-F-1767. Для этого процесса характерна неудовлетворительная (низкая) для практики результативность, ограничивающая применение способа. Другим недостатком является осуществление биологического процесса культурой гриба Ph. chiysosporium BKM-F-1767 возрастом не менее 7 суток. Это продлевает и удорожает биотехнологический процесс. Кроме того, низкая устойчивость известного гриба к токсическому действию ТНТ не позволяет его (гриб) применять для биоремедиации объектов, загрязненных высокими концентрациями ТНТ. К тому же трансформация ТНТ грибом Ph. chiysosporium BKM-F-1767 сопровождается аккумуляцией в очищаемой среде устойчивых метаболитов (2-АДНТ, 4-АДНТ, 2,4-ДАНТ и 2,6-ДАНТ), что снижает эффективность биоремедиации с осуществлением прототипа. При этом средний уровень минерализации ТНТ известным грибом остается на низком уровне (15,3% от исходного содержания ТНТ (50 мг/л) в течение 41 суток).

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества и эффективности процесса биоремедиации (обезвреживания, очистки) вод, загрязненных токсичными нитроароматическими соединениями, сокращение времени биоремедиации, расширение области применения биотехнологий для очистки загрязненных объектов, предотвращение загрязнения окружающей среды.

Цели достигают тем, что биоремедиацию вод, загрязненных нитроароматическими соединениями, проводят с помощью штамма дрожжей Yarrowia lipolytica ВКПМ Y-3492 в последовательно соединенных и оснащенных соответствующим оборудованием трех биореакторах с непрерывным протоком загрязненной и очищаемой среды, с обеспечением (в биореакторах) оптимальных значений температуры, pH среды, аэрации, скорости перемешивания биомассы и среды. В качестве источника углерода и энергии для роста штамма и деградации ТНТ используют моносахариды, трехатомные спирты, алифатические углеводороды.

Способ осуществляют в устройстве, состоящем из резервуара и трех биореакторов, последовательно соединенных трубопроводами с запорно-регулирующим оборудованием, оснащенных пробоотборниками, отводящими воздух каналами, мешалками для перемешивания биомассы и среды, насосами для перекачивания среды, системой аэрации.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что биоремедиацию воды, загрязненной ТНТ, осуществляют с использованием штамма дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492.

Способ осуществляют непрерывным культивированием штамма в очищаемой среде в устройстве, состоящем из трех биореакторов в виде последовательно соединенных между собой емкостей, оснащенных необходимым эксплуатационным и контрольно-измерительным оборудованием. В ином варианте биотехнологический процесс осуществляют в трех последовательно соединенных между собой водоемах, например, проточных очистных сооружениях, оснащенных необходимым эксплуатационным и контрольно-измерительным оборудованием. Штамм дрожжей Y. lipolytica культивируют в оптимальном диапазоне температур от +24 до +31°C и pH от 3,0 до 7,0; при отклонении от оптимальных значений параметров процесс биоремедиации загрязненных вод замедляется.

Сущность предлагаемого способа поясняется примерами.

Пример 1. Обезвреживание вод, содержащих 2,4,6-тринитротолуол, штаммом дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 в присутствии моносахаридов, например, глюкозы в качестве источника углерода и энергии.

Способ осуществляют в устройстве, состоящем из резервуара и трех биореакторов, последовательно соединенных трубопроводами с запорно-регулирующим оборудованием. Биореакторы оснащены пробоотборниками, отводящими воздух каналами, мешалками, например, магнитными мешалками для равномерного распределения биомассы микроорганизмов и кислорода в толще очищаемой среды, насосами для перекачивания очищаемой среды, системой аэрации.

Обезвреживание осуществляют в установке для непрерывного культивирования дрожжей (Фиг.1), где 1 - первый биореактор; 2 - второй биореактор; 3 - третий биореактор; 4 - резервуар, содержащий жидкую среду с ТНТ; 5, 6, 7 - пробоотборники; 8, 9, 10 - воздухоотводы, оснащенные фильтрами; 11, 12, 13 - магнитные мешалки с магнитами; 14, 15, 16, 17 - система трубопроводов с запорно-регулирующим оборудованием; 18, 19, 20, 21 - насосы; 22, 23, 24 - система аэрации.

Установка состоит из резервуара 4, содержащего жидкую очищаемую (обезвреживаемую) синтетическую среду с ТНТ, и трех биореакторов 1, 2, 3, последовательно соединенных системой трубопроводов 14, 15, 16, 17 и оборудованных насосами, например, перистальтическими насосами 18, 19, 20, 21 для перекачивания очищаемой среды. Все биореакторы оснащены системой аэрации 22, 23, 24, обеспечивающей подачу стерильного воздуха (в биореакторы), а также отводящими воздух каналами 8, 9, 10, оснащенными 0,22 µm фильтрами. Кроме этого, биореакторы оснащены пробоотборниками 5,6,7. Процесс перемешивания очищаемой среды, инокулированной клетками дрожжей (с внесенными клетками) Y. lipolytica, осуществляют магнитными мешалками 11,12,13. Биотехнологический процесс осуществляют в диапазоне температур от +24 до +31°C.

В качестве очищаемой среды используют, например, синтетическую среду следующего состава: глюкоза - 11,2 мМ, (Nh5)2SO 4 - 7,6 мМ, MgSO4 - 2,0 мМ, Na2HPO 4 - 9,8 мМ, Kh3PO4 - 6,2 мМ (pH 7,0). ТНТ вносят из расчета 100 мг/л перед автоклавированием среды. Средой для поддержания штамма Y. lipolytica и накопления биомассы служит агаризованная среда Сабуро, содержащая глюкозу - 10,0 г/л, пептон - 10,0 г/л, дрожжевой экстракт - 5,0 г/л, NaCl - 0,3 г/л, агар - 20,0 г/л. Для приготовления всех сред используют дистиллированную воду.

Процесс биологической деструкции ТНТ и его метаболитов осуществляют в два этапа.

Предварительно резервуар 4 заполняют жидкой ТНТ-содержащей синтетической средой.

На первом этапе биореакторы 1, 2, 3 наполняют на одну треть жидкой ТНТ-содержащей синтетической средой из резервуара 4; включают магнитные мешалки 11, 12, 13 и систему аэрации 22, 23, 24.

В биореактор 1, содержащий жидкую синтетическую среду с ТНТ, через трубопровод 14 вносят суточную культуру У. lipolytica до конечной А600 0,2 и культивируют (Y. lipolytica) до полного превращения ТНТ в С-3 моногидридный комплекс Мейзенхеймера (3-Н--ТНТ) темно-красного цвета. В результате трансформации ТНТ штаммом дрожжей в биореакторе 1 накапливается мажорный метаболит - 3-Н--ТНТ (до 85%). При этом поддерживают нейтральное значение pH очищаемой среды.

Одновременно с началом работы биореактора 1 в биореактор 2, содержащий жидкую синтетическую среду с ТНТ, через трубопровод 15 вносят суточную культуру Y. lipolytica до конечной А600 0,4 и культивируют (Y. lipolytica) до аккумуляции желто-оранжевых С3, С5 дигидридных комплексов Мейзенхеймера (3,5-2Н--ТНТ, изомеры 3,5-2Н --ТНТ·Н+, являющихся основными метаболитами превращения исходного ксенобиотика в биореакторе 2. В биореакторе 2 происходит снижение pH до оптимального уровня 4,8-5,4 вследствие интенсивной продукции дрожжами органических кислот.

Одновременно с началом работы биореакторов 1 и 2 в биореактор 3, содержащий жидкую синтетическую среду с ТНТ, через трубопровод 16 вносят суточную культуру Y. lipolytica до конечной А600 1,0 и культивируют (Y. lipolytica) до полного разрушения ТНТ-дигидридных комплексов. Биоремедиация в биореакторе 3 сопровождается обесцвечиванием очищаемой среды и накоплением нитрат-иона, являющегося конечным азотсодержащем неорганическим продуктом деструкции токсичного ТНТ. В биореакторе 3 происходит снижение pH до оптимальных значений от 3,0 до 3,8 вследствие интенсивного синтеза и экскреции дрожжами органических кислот. На этом завершают выполнение первого этапа.

На втором этапе включают насосы 18, 19, 20, 21, и процесс биодеградации ТНТ и его метаболитов осуществляют в условиях непрерывного режима культивирования клеток дрожжей Y. lipolytica с обеспечением (работы насосов и запорно-регулирующего оборудования) полного обновления среды биореакторов в промежутке времени от 18 до 24 часов.

В каждом из биореакторов 1, 2, 3 поддерживают оптимальную концентрацию клеток Y. lipolytica (от А600 0,2 до А600 6,0) путем регулирования скорости поступления жидкой синтетической среды с ТНТ из резервуара 4 в биореактор 1, очищаемой среды из биореактора 1 в биореактор 2, очищаемой среды из биореактора 2 в биореактор 3 и очищенной среды из биореактора 3, например, в систему сбора и удаления очищенной среды (на Фиг.1 не указана, как не имеющая прямого отношения к способу биоремедиации). Скорость протока очищаемой среды через биореакторы устанавливают, сохраняя стабильность биологических процессов и обеспечивая пространственное разделение метаболитов трансформации ТНТ во всех трех биореакторах 1, 2, 3. Процесс контролируют путем отбора проб через пробоотборники 5, 6, 7 и их (проб) последующего анализа и корректируют, например, путем изменения скорости поступления среды (от 10 до 20 мл/ч), интенсивности перемешивания (100-250 об/мин).

В результате осуществления предлагаемого способа биоремедиации по Примеру 1 биодеградация ТНТ через разрушение промежуточных ТНТ-гидридных комплексов достигает 85% за 1 сутки. Оставшиеся 15% ТНТ трансформируются в ГАДНТ, которые ковалентно связываются с биологическими макромолекулами и в последующем не проявляют токсичность.

Пример 1 показывает, что заявляемый способ, обеспечивающий 85% разложение ТНТ в концентрации 100 мг/л за 1 сутки, по сравнению с прототипом, обеспечивающим 15,3% разложение ТНТ в концентрации 50 мг/л за 41 сутки, позволяет существенно повысить качество и эффективность процесса биоремедиации ТНТ-загрязненной воды.

Другим преимуществом предлагаемого способа биологического разрушения ТНТ и его производных в сточных водах является возможность его (способа) осуществления в присутствии более широкого (по сравнению с прототипом) спектра источников углерода и энергии, что доказано в следующих примерах.

Пример 2. Обезвреживание вод, содержащих ТНТ, штаммом дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 с использованием трехатомного спирта, например, глицерина в качестве источника углерода и энергии.

Процесс биологической деструкции ТНТ осуществляют по Примеру 1, с использованием иного источника углерода и энергии - глицерина, например, в концентрации 2,4 мл/л. Осуществлением процесса по Примеру 2 достигают деградации ТНТ в пределах 80%.

Пример 3. Очистка вод, загрязненных ТНТ, штаммом дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 в присутствии алифатического соединения гексадекана в качестве источника углерода и энергии.

Процесс биодеградации ТНТ осуществляют по Примеру 1 с использованием иного источника углерода и энергии - гексадекана, например, в концентрации 3,0 мл/л. Осуществлением процесса по Примеру 3 достигают 30%-ного разложения ТНТ.

В Примерах 2 и 3 эффективность процесса биоремедиации по предлагаемому способу уступает эффективности процесса по Примеру 1, но при этом существенно превосходит эффективность. прототипа. Таким образом, предлагаемый способ позволяет использовать альтернативные, по сравнению с прототипом, источники углерода и энергии для осуществления процесса биоремедиации. Это позволяет расширить область применения биотехнологий для детоксикации природных и сточных вод.

Динамика трансформации ТНТ и его метаболитов, сопровождающаяся изменением цвета очищаемой среды в биореакторах, позволяет осуществлять визуальный (без применения аналитического оборудования) контроль за биотехнологическим процессом в производственных условиях, что существенно упрощает работы по контролю за процессом и сокращает их продолжительность. При необходимости динамику процесса биоремедиации отслеживают путем анализа отобранных проб из биореакторов 1, 2, 3 с помощью пробоотборников 5, 6, 7. В практике очистки природных и сточных вод, загрязненных ТНТ и его метаболитами, достаточен визуальный контроль процесса биоремедиации.

Продукты трансформации ТНТ определяют различными физико-химическими методами, например, УФ-видимой спектрофотометрией, высокоэффективной жидкостной и ионной хроматографией.

Спектрофотометрические измерения выполняют на сканирующем двухлучевом спектрофотометре, например, Lambda 35 (Perkin Elmer, USA). Биомассу оценивают по изменению оптической плотности среды с клетками при длине волны 600 нм. Контролем служит лишенная клеток среда. 3-Н- -ТНТ обнаруживают по пику поглощения при 476 нм, аккумуляцию 3,5-2Н--ТНТ и сумму изомеров 3,5-2H--THT·H + - по спектральным сдвигам в область 440-445 нм.

ТНТ и продукты его трансформации анализируют высокоэффективной жидкостной хроматографией, например, на хроматографе Series 200 (Perkin Elmer, USA), в обращеннофазовом варианте с использованием колонки Supelcosil octyl C-8 (150×4,6 мм; 5 мкМ), с детекцией при 254 и 476 нм. Первоначально мобильная фаза состоит из 99% Na-фосфатного буфера (pH 7,0; 25 мМ) и 1% метанола. В течение 2,0 мин количество метанола увеличивают до 30%, в течение следующих 13,0 мин - до 43%. Последующие 12,5 мин хроматографии связаны с повышением содержания метанола до 100%, данный градиент оставляют неизменным в течение 0,5 мин. В дальнейшем за 1,0 мин соотношение мобильной фазы возвращают к первоначальному уровню и оставляют постоянным в течение следующих 5,0 мин. Скорость потока 1,0 мл/мин, температура +50°C.

Нитрит- и нитрат-ионы определяют с помощью ионного хроматографа, например, 761 Compact IC (Metrohm AG, Швейцария), оснащенного разделительной колонкой Metrosep A Supp 5-150 (6.1006.520). Элюцию проводят растворами 1,0 мМ NaHCO3 и 3,2 мМ Ма2СОз со скоростью 0,7 мл/мин.

Существенным отличием способа непрерывного многостадийного культивирования штамма дрожжей Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 в присутствии ТНТ является более высокая (85%) по сравнению с прототипом (15,3%) эффективность биодеградации ТНТ и его метаболитов, возможность применения предлагаемой биотехнологической схемы очистки в различных отраслях промышленности. Кроме того, предлагаемый способ с использованием штамма Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 позволяет осуществлять очистку вод, загрязненных высокими концентрациями ТНТ, без использования разведении. По сравнению с известными аналогами и прототипом заявленный способ позволяет существенно сократить время биоремедиации (до 1 суток вместо 41 суток у прототипа), повышая при этом производительность и эффективность работы биоочистных сооружений и способствуя сохранности окружающей среды.

Возможность осуществления процесса биоремедиации с использованием альтернативных источников углерода и энергии для роста штамма Y. lipolytica ВКПМ Y-3492 позволяет существенно расширить (по сравнению с прототипом) область применения биотехнологий для охраны окружающей среды.

Применение предлагаемого способа способствует повышению качества и упрощению процесса биоочистки природных и сточных вод, загрязненных токсичными нитроароматическими соединениями (на примере особоустойчивого к разрушению ТНТ), сокращению времени биоремедиации, расширению области применения биотехнологий для очистки экологически опасных объектов, предотвращению загрязнения окружающей среды.

Предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружены способы, которым присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявленный способ имеет изобретательский уровень, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявленное техническое решение можно реализовать на очистных сооружениях промышленных предприятий, синтезирующих нитроароматические соединения, а также в деятельности природоохранных организаций, используя известные стандартные технические устройства и оборудования. Это соответствует критерию "промышленная применимость", предъявляемому к изобретениям.

Использованные источники

1. Achtnich C., H.Lenke, U.Klaus, M.Spiteller, H.J.Knackmuss. Stability of immobilized TNT derivatives in soil as a function of nitro group reduction. // Environ. Sci. Technol. - 2000. - V.34. - P.3698-3704.

2. Monteil-Rivera F., S.Deschamps, G.Ampleman, S.Thiboutot, J.Hawari. Dissolution of a new explosive formulation containing TNT and HMX: comparison with octol. // J. Hazardous Materials. - 2010. - V.174. - P.281-288.

3. Boparai H.K., S.D.Comfort, P.J.Shea, J.E.Szecsody. Remediating у explosive-contaminated groundwater by in situ redox manipulation (ISRM) of aquifer sediments. // Chemosphere. - 2008. - V.71. - P.933-941.

4. Gunnison D., H.L.Fredrickson, D.L.Kaplan, A.L.Alien, C.M.MelIo. J.E.Walker, G.Myrick, W.E.Evans, M.Ochman. Application of continuous culture technology for the development of explosives-degrading microorganisms. // Ann. NY Acad. Sci. - 1997. - V.829. - P.230-241.

5. Патент РФ «Микробиологический способ удаления нитроароматического соединения, присутствующего в растворе или в почве» RU № 2249564, МПК7 C02F 3/34, B09C 1/10, C12N 1/14, C12R 1:80, приоритет от 29.09.1999. Текст описания от 10.04.2005.

6. Патент РФ «Способ биологической очистки сточных вод» RU № 1471493, МПК6 C02F 3/34, приоритет от 08.12.1986. Текст описания от 10.09.1995.

7. Rho D., J.Hodgson, S.Thiboutot, G.Ampleman, J.Hawari. Transformation of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) by immobilized Phanerochaete chiysosporium under fed-batch and continuous TNT feeding conditions. // Biotech. Bioeng. - 2001. - V.73. - P.271-281.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ биоремедиации воды, загрязненной 2,4,6-тринитротолуолом, заключающийся в культивировании штамма дрожжей Yarrowia lipolytica ВКПМ Y-3492 в трех последовательно соединенных биореакторах с непрерывным протоком очищаемой среды с использованием моносахаридов или трехатомных спиртов, или алифатических углеводородов в качестве источника углерода и энергии, с обеспечением оптимальных значений температуры от +24°C до +31°C, pH среды от 3,0 до 7,0, скорости перемешивания биомассы и среды 100-250 об/мин.

www.freepatent.ru

Ремедиация сточных вод. Современные методы ремедиации сточных вод

Нарастающее антропогенное воздействие приводит к прогрессирующему ухудшению ка­чества окружающей среды. Одними из способов восстановления объектов окружающей среды являются использование методов биологической очистки, физической и химической сорбции, наноматериалов.

В биоремедиации обычно используют ми­кроорганизмы (бактерии, грибки, дрожжи и во­доросли), хотя возможно и применение высших растений [1-4].

Известно, что микроорганизмы могут раз­лагать органические остатки, при этом целена­правленное их введение может повышать есте­ственные процессы самоочищения. В настоящее время новые подходы биоремедиации возни­кают на основе достижений в области молеку­лярной биологии и биотехнологии. В последнее время разработаны методы скрининга организ­мов, способных разлагать конкретные отходы. Так, для биоремедиации сточных вод был создан микробный консорциум из трех штаммов грибов белой гнили (WRF изолят - WR 3), Pseudomonas sp. и Aspergillus sp., которые изолировали из сточных вод. Консорциум всех штаммов показал значительное улучшение цветности сточных вод до 85,4%, уменьшал концентрацию растворен­ных сульфитов на 98,8%, сульфатов на 54,5%, химическое потребление кислорода (ХПК) на 57,5% и биологическое потребление кислорода (БПК) на 55,2% в течение 15 дней инкубации [5].

Сульфатредуцирующий бактериальный кон­сорциум, выделенный из сточных вод, спосо­бен удалять полиароматические углеводороды (ПАУ) до 74% путем биодеградации и около 20% через испарение. Оптимальными условия­ми для биодеградации ПАУ являются рН от 4,0 до 6,5, концентрация этанола меньше 35 мг/л и биомассы более 65 мг/л [6].

В результате щелочной экстракции пшенич­ной соломы образуется бумажная пульпа (чер­ный щелок), которая, попадая в сточные воды, приводит не только к увеличению рН среды от 11,0 до 13,0, но и к возрастанию ХПК выше 100 000 мг/л. Основной вклад в высокие значе­ния ХПК вносят лигнин, гемицеллюлоза и цел­люлоза. На основе выделенных 11 штаммов ми­кроорганизмов (роды Halomonas и Bacillus) из сточных вод целлюлозной фабрики был создан консорциум для ремедиации черного щелока [7].

Проблема загрязнения вод фенольными от­ходами является актуальной для территории Казахстана, так как они являются одними из ос­новных классов ксенобиотиков промышленных процессов, таких, как нефтедобыча. Установле­на потенциальная активность ү-протобактерий и цитофага-флавобактерии для ремедиации воды, загрязненной фенолами [8].

Spirulina sp (Oscillatoriaceae) способна ад­сорбировать значительное количество свинца и цинка из водных растворов, удаляя 90% Pb2+ и 89% Zn2+ в течение 15 минут после добавления водоросли. Отчетливая связь между рН водного раствора металла и связывание Pb2+ спирулиной наблюдается при рН 2-5, 5-9 и 9-12. Сорбция ио­нов тяжелых металлов водорослью носит двух­ступенчатый характер: сначала ион металла фи­зико-химически распределяется на поверхности клетки (пассивный транспорт) и потом проника­ет через клеточную мембрану (активный транс­порт) [9].

Выделено и идентифицировано 13 штаммов бактерий из сточных вод устойчивых к цинку, свинцу, хрому и кадмию. Минимальная ингиби-рующая концентрация (МИК) составляла от 100 до 1500 мкг/мл. Среди этих металл-резистентных штаммов 77% составляли грамм-отрицательные и 23% грамм-отрицательные [10].

Воды пивоваренных заводов могут быть ис­пользованы для очистки сточных вод с высоким содержанием хрома. Так, установлено, что 15 г/л дрожжевых клеток могут удалить до 33% хрома, содержащегося в воде [11].

Aspergillus lentulus может удалять хром на 79%, медь на 78%, свинец на 100% и никель на 42% при их наличии в сточных водах по отдель­ности. При комбинированном присутствии этих металлов в сточных водах также отмечаются положительные результаты. Aspergillus lentulus удаляет хром на 71%, медь на 56% и свинец на 100% [12].

Chlamydomonas mexicana уменьшает кон­центрацию азота (62%), фосфора (28%) и неор­ганического углерода (29%) в сточных водах. Кроме того, микроводоросль характеризуется высоким содержанием липидов (33±3%), среди которых преобладают пальмитиновая, линоле-вая, а-линоленовая и олеиновая жирные кис­лоты. Так, Chlamydomonas mexicana является перспективной для одновременного удаления биогенных веществ из сточных вод и получения биодизеля [13].

Нарастающий уровень эндокринных нару­шений водных организмов связывают с посту­плением в водные экосистемы синтетического эстрогена 17а-этинилэстрадиола. Выделеные из активного ила микроорганизмы (B.subtilis, P.aeruginosa, P.putida, R.equi, R.erythropolis, R.rhodochrous, R.zopfii) обладают способностью удалять 17а-этинилэстрадиол. R.rhodochrous проявлял наибольшую активность и полная де­градация эстрогена достигалась через 48 часов. Не отмечалось аддитивного или синергетиче-ского эффекта с сочетанием бактериальных культур [14].

Перифитон, благодаря своей приуроченно­сти к субстрату, играет первостепенную роль при оценке качества воды и позволяет судить о ее среднем загрязнении за определенный про­межуток времени. Двустворчатые моллюски (Corbicula fluminea) перифитона и собственно перифитон могут быть биоиндикаторами загряз­нения водоемов кадмием и цинком. В теле дву­створчатого моллюска аккумулируется 80,6 мг кадмия, а в биопленке - до 861,2 мкг. Уровень цинка достигает в теле моллюска 2,0 мг и в био­пленке - 21,3 мг. Низкое содержание металлов в моллюске связано с температурным режимом водоема. Показано, что, если температура водо­ема падает до 6С° и ниже, то моллюски уже не способны накапливать металлы [15].

Комплексная фиксированная форма активно­го ила является модификацией обычного актив­ного ила, состоящая из биопленки и факторов роста. В процессе изучения эффективности очи­щения промышленных стоков установили, что основную долю составляли Proteobacteria рода Firmicutes и Pseudomonas [16].

Pleurotus citrinopileatus проявляет наилуч­шую активность при деградации сахарного жома, если последний был подвергнут обработ­ке горячей водой. Гриб разрушает лигнин, цел­люлозу, гемицеллюлозу и как результат сниже­ние содержания углерода в жоме, которые идут на постройку собственно плодового тела гриба. С течением времени уровень углерода снижает­ся, однако в среде возрастает содержание азота. Выявлена положительная корреляция между снижением уровня углерода сахарного жома и ферментативной системой гриба (целлюлазы, ксиланазы, лакказы и полифенолоксидазы). Во время роста мицелия гриба идет быстрее дегра­дации лигнина, наоборот, во время плодоноше­ния - целлюлозы и гемицеллюлозы [17].

Инкапсулированные на гидрогели диоксида кремния грибы Rhizopus oryzae и Pleurotus sajor были добавлены в сточные воды целлюлозного комбината на 29 дней при 28 ° C. Оба видов гри­бов улучшали качественные и количественные характеристики сточных вод: цветность улучша­лась на 56%, химическая потребность в кисло­роде сокращалась на 65% и уменьшался уровень органических соединений на 72-79% [18].

Перспективной технологией фиторемедиа-ции является использование декоративных рас­тений, широко используемых в цветоводстве, в качестве восстановления тяжелых металлов за­грязненных почв и вод. Такие виды растений, как подсолнечник (Helianthus Annuus), ноготки (Calendula officinalis), бархатцы раскидистые (Tagetes patula) и гребень петушиный (Celocia cristata), выросшие на почве, загрязненной про­мышленными сточными водами и сточными во­дами, содержащими различные металлы (Ca2+,Cr (VI), Mn2+, Fe2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+), накапливают эти металлы в различных частях. Так, наиболь­шее накопление происходит в корне, листве, стволе и цветке [19].

Установлена положительная корреляция на­копления азота и фосфора в тканях растений рода Плевел с производством биомассы и мощностью очистки воды. В исследованиях были использо­ваны 12 сортов и только 3 сорта уменьшали про­явление эвтрофикацию водоема. Эффективность удаления азота и фосфора варьировала от 52,2% до 73,8% и 75,1% до 84,8%, соответственно. По­сле 162 дней наблюдения биомасса увеличива­лась с 321,5 до 922,8 г / м2 [20].

Кактус Nopalea cochenillifera Salm. Dyck и его клеточная культура преобразует текстильные красители, в том числе токсический реактивный красный HE7B, в неопасные метаболиты. Реак­тивный красный HE7B трансформируется через активацию внутриклеточной ферментативной системы. Так, уровень лакказы повышается на 687%, тирозиназы на 219%, азоредуктазы на 144% и 2,6-дихлорфенолиндофенола редуктазы на 167% [21].

Биотехнологический подход применен для уменьшения содержания фенолов в сточных во­дах оливкового завода с использованием транс­генных растений табака Nicotiana tabacum. Выделен из вешенки обыкновенной Pleurotus ostreatuspox ген cDNAлакказа, который введен в геном табака. В результате получен рекомби-нантный фермент секретируемый в ризосфере корня растения, в результате удалось сократить общее содержание фенола до 70% [22].

В результате получения пробок для буты­лок вина остаются частицы размером 0.25-0.42 мм, проявляющие высокую сорбционную и де-сорбционную активность при загрязнении воды смесью ПАУ. Химический состав частиц пред­ставлен клеточными компонентами - суберином (38,5%) и лигнином (31,6%). На высокую эффек­тивность сорбента указывает то, что около 80% адсорбции происходит в течение первых двух минут с момента введения сорбента. Самое вы­сокое сродство адсорбции было выявлено для пирена, антрацена и фенантрена. Исследования показывают, что десорбция имеет высокую сте­пень необратимости для всех ПАУ, и особенно для ПАУ с высокой молекулярной массой. По­казано, что количество остатков пробки, необхо­димого для связывания загрязненной воды ПАУ, в 15 раз меньше количества других известных материалов (например, опилок древесины) [23].

Добавление углеродных материалов, та­ких, как растительные отходы (опилки и шелу­ха риса), обезвоженный остаток компоста, по­вышает содержание влаги и соотношение С/N (углерод/азот). Результаты показали, что кон­центрации хрома и кадмия уменьшались при до­бавлении растительных отходов цинка и никеля в опилках. Оптимальные условия для компости­рования осадков в резервуарах сточных вод: на каждый килограмм компоста требуется 350 г опилок, 470 г листьев и 388 г рисовой шелухи [24].

Известно, что избыточное содержание фос­фора в воде озер и рек является одной из глав­ных проблем качества воды. При этом, исполь­зование натуральных отходов или побочных материалов промышленных процессов может выступать эффективным средством для удале­ния избыточного фосфора в воде. Преимуще­ства использования таких материалов связано с их низкой стоимостью, наличием в большом количестве, не требует подготовки, особенно по сравнению с искусственными материалами, таких, как ионообменные смолы и полимерные адсорбенты. В качестве теста была использо­вана вода поверхностных водоемов, которая имела общую концентрацию Р 132-250 мкг/л и концентрацию общего органического углерода 15-32 мг/л. Было показано, что использованием квасцов шлама нанокомпозита - гибридным ани-онитом с оксидом железа - достигается эффек­тивное удаление фосфора и минимизация неже­лательных вторичных изменений химического состава воды [25].

Известно, что лекарственные препараты мо­гут не удаляться в процессе очистки сточных вод, их компоненты обнаруживаются повсеместно в воде и донных отложениях. После использова­ния растворенного воздуха и окисления озоном фармацевтические сточные воды удовлетворяют стандартам качества воды для сточных вод. В за­висимости от конкретных лекарственных препа­ратов может быть эффективным только один из способов. Например, при использовании озона удаляется из сточных вод до 95% ибупрофен, в то время как скорость удаления безафибрат на­ходиться в диапазонах между 50% и 90% [26].

В настоящее время новый класс наноматери-алов - наноклей или органоклей, относящиеся к гибридным органо-неорганическим наномате-риалам, все чаще используются для устранения загрязненных почв и сточных вод. Установле­на взаимосвязь между поверхностным зарядом наноклея бентонита Arquad® 2HT-75 и спо­собности к восстановлению органических за­грязнителей, таких, как фенол и р-нитрофенол. Конформация молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) в бентоните становится бо­лее регулярной, упорядоченной и твердой. Это приводит к формированию положительного Z-потенциала на поверхности органобентонита, что способствует сорбции [27].

Исследовано нановещество железа для уда­ления тяжелых металлов из сточных вод. Было определено, что удаление тяжелых металлов за­висит от pH сточных вод. Наилучший эффект достигается при кислой среде (рН=2) [28].

Применение синтетического гидроксиапати-та (ГА) и природных фосфоритов (ФАП) приво­дит к уменьшению растворимых в воде металлов

Cd2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+ примерно на 84-99%. При­чем, наибольшую активность проявляют ГА для иммобилизации тяжелых металлов. ГА и ФАП снижают концентрацию этих металлов в воде и почве, что сводит к минимуму подкисления почвы и потенциального риска развития эвтро-фикации [29]. Показана эффективность исполь­зования наногидроксиаппатита для удаления Cr (VI) из водного раствора, в основе адсорбции ле­жит хемосорбция [29].

Установлена эффективность использования витамина С при добавлении в загрязненную воду Cr (VI). Витамин С является важнейшим биоло­гическим восстановителем в организме человека и животных. Эффективность преобразования Cr (III) составила 89% при массовой концентрации витамина С 80 мг/л в течение 60 минут, и поч­ти 100% при массовой концентрации - 100 мг/л [30].

Макропористый полистирол дивинилбен-зол смолы Amberlite XAD-4 - эффективный ад­сорбент металлов. Однако его эффективность увеличивается при совместном использовании алифатических аминов для удаления хрома (VI) сточных вод кожевенного завода [31].

Была проведена оценка коагуляционного эффекта соединений хлорида железа, сульфата алюминия, гидрооксидхлорида алюминия и по-лиалюминевого сульфата на химические показа­тели воды. Исследования установили, что наи­лучшие показатели были у гидрооксихлорида алюминия: возрастало химическое потребление кислорода (ХПК) на 98% и биологическое по­требление кислорода (БПК5) на 95% [32].

Положительно зарекомендовал себя метод фотокатализа в устранении опасности воздей­ствия сточных вод и продуктов их естественного разрушения [33].

На основе изучения приведенных литератур­ных источников, опубликованных за последние годы, можно утверждать, что наибольшее число исследований посвящено биологической реме-диации сточных вод, которая, может выступать важным дополнением к химическим или физи­ческим методам. Следует отметить, что нараста­ют также разработки перспективных наномате-риалов для очистки загрязненной воды. 

 

Литература

1.  Ahluwalia S.S., Goyal D. Microbial and plant derived biomass for removal of heavy metals from waste­water // Bioresour Technol. - 2007. - №98. - Р.2243-2257.
2. Pavasant P., Apiratikul R., Sungkhum V., Suthiparinyanont P., Wattanachira S., Marhaba TF. Biosorp-tion of Cu2+, Cd2+, Pb2+, and Zn2+ using dried marine green macroalga Caulerpa lentillifera // Bioresour Technol. - 2006. - №97. - №2321-2329.
3. Zouboulis AI, Loukidou MX, Matis KA. Biosorption of toxic metals from aqueous solution by bacterial strains isolated from metal-polluted soils // Process Biochem. - 2004. - №39. -Р.909-916.
4. Oswald W.J. My sixty years in applied algology // J. Appl. Phycol. - 2003. -№15.- Р.99-106.
5. Saha B.K., Parani K. Bioremediation of distillery effluent by a consortium of microbial isolates//J. En­viron. Sci. Eng. - 2011. -№1. -Р.123-128.
6. Kumar M., Wu P.C., Tsai J.C., Lin J.G. Preparation and application of the titania sol-gel coated anodized aluminum // Biodegradation of soil-applied polycyclic aromatic hydrocarbons by sulfate-reducing bacterial consortium // Talanta. - 2009.-№4. - Р.1285-1289.
7. Chunyu Y., Guangchun C., Li Y. A Constructed Alkaline Consortium and Its Dynamics in Treating Alka­line Black Liquor with Very High Pollution Load* // PLoS ONE. - 2008. -№ 3. - Р.3777.
8. Andrew S. Whiteley and Mark J. Bailey Bacterial Community Structure and Physiological State within an Industrial Phenol Bioremediation System // Appl. Environ. Microbiol. - 2000.- №6. - Р. 2400-2407.
9. Kumar R., Chaudhary G., Singh Ahluwalia S. and Goyal D. Biosorption of Pb2+ and Zn2+ by Non­Living Biomass of Spirulina sp. // J. Microbiol. - 2010. -№4. - Р. 438-442.
10. Yamina B., Tahar B., Marie Laure F. Isolation and screening of heavy metal resistant bacteria from wastewater: a study of heavy metal co-resistance and antibiotics resistance // Water Sci.Technol. - 2012. -№10.-    Р. 2041-2048.
11. Chang S.Y., Sun J.M., Song S.Q., Sun B.S. Utilization of brewery wastewater for culturing yeast cells for use in river water remediation // Environ. Technol. - 2012. -33(4-6). - Р. 589-595.
12. Chang S.Y., Sun J.M., Song S.Q., Sun B.S. Utilization of brewery wastewater for culturing yeast cells for use in river water remediation // Environ. Technol. - 2012. -33(4-6). - Р. 589-595.
13. Abou-Shanab R.A., Ji M.K., Kim H.C., Paeng K.J., Jeon B.H. Microalgal species growing on piggery wastewater as a valuable candidate for nutrient removal and biodiesel production // J. Environ. Manage. - 2012.-    Vol.115. - Р.257-264.
14. Larcher S., Yargeau V. Biodegradation of 17a-ethinylestradiol by heterotrophic bacteria // Environ Pol-lut. - 2013. - Vol.173. - P.17-22.
15. Arini A., Baudrimont M., Feurtet-Mazel A., Coynel A., Blanc G., Coste M., Delmas F. Comparison of periphytic biofilm and filter-feeding bivalve metal bioaccumulation (Cd and Zn) to monitor hydrosystem restoration after industrial remediation: a year of biomonitoring// J. Environ. Monit. - 2011.-Vol.13. -№12. -Р.3386-3398.
16. Li C., Li X.L., Ji M., Liu J. Performance and microbial characteristics of integrated fixed-film activated sludge system treating industrial wastewater // Water Sci. Technol. - 2012.- №12. - Р. 2785-2792.
17. Pandey V.K., Singh M.P., Srivastava A.K. Biodegradation of sugarcane bagasse by Pleurotus citrinopi-leatus // Cell. Mol. Biol. - 2012. -№1. - Р. 8-14.
18. Duarte K., Justino C.I., Pereira R., Panteleitchouk T.S., Freitas A.C., Rocha-Santos T.A., Duarte A.C. Removal of the organic content from a bleached kraft pulp mill effluent by a treatment with silica-alginate-fungi biocomposites // J Environ Sci Health A Tox Hazard Subst Environ Eng. 2013;48(2):166-72.
19. Chatterjee S., Singh L., Chattopadhyay B., Datta S., Mukhopadhyay S.K. A study on the waste metal remediation using floriculture at East Calcutta Wetlands, a Ramsar site in India Environ Monit Assess // Envi­ronmental Monitoring and Assessment - 2011. - Vol.178. -№ 1-4. - Р. 361-371.
20. Olivella M.A., Jove P., Oliveras A. The use of cork waste as a biosorbent for persistent organic pol­lutants-Study of adsorption/desorption of polycyclic aromatic hydrocarbons // J. Environ. Sci. Health. - 2011. - Vol.46. -№8. - Р.824-832.
21. Adki V.S., Jadhav J.P., Bapat V.A. Exploring the phytoremediation potential of cactus (Nopalea coche-nillifera Salm. Dyck.) cell cultures for textile dye degradation // Int. J. Phytoremediation. - 2012. -№6. -Р.554-569.
22. Chiaiese P., Palomba F., Galante C., Esposito S., De Biasi M.G., Filippone E. Transgenic tobacco plants expressing a fungal laccase are able to reduce phenol content from olive mill wastewaters // Int. J . Phy-toremediation. - 2012. -№9. - Р835-844.
23. Alidadi H., Najafpoor A.A., Parvaresh A. Determination of carbon/nitrogen ratio and heavy metals in bulking agents used for sewage composting // Dose Response. - 2008. - №4. - Р.383-396.
24. Boyer T.H., Persaud A., Banerjee P., Palomino P. Comparison of low-cost and engineered materials for phosphorus removal from organic-rich surface water // Water Res. - 2011. - Vol. 45. -№16. - Р.4803-4814.
25. Sarkar B., Megharaj M., Xi Y., Naidu R. Structural characterisation of Arquad® 2HT-75 organoben-tonites: surface charge characteristics and environmental application // J. Hazard. Mater. - 2011. -№15. -Р.155-161.
26. Choi M., Choi D.W., Lee J.Y., Kim Y.S., Kim B.S., Lee B.H. Removal of pharmaceutical residue in municipal wastewater by DAF (dissolved air flotation)-MBR (membrane bioreactor) and ozone oxidation // Water Sci. Technol. - 2012. -№12. - Р.2546-2555.
27. Chen S.Y., Chen W.H., Shih C.J. Heavy metal removal from wastewater using zero-valent iron nanopar-ticles // Water Sci. Technol. - 2008. - №.10.- Р.1911-1916.
28. Mignardi S., Corami A., Ferrini V. Evaluation of the effectiveness of phosphate treatment for the reme­diation of mine waste soils contaminated with Cd, Cu, Pb, and Zn // Chemosphere. - 2012. -№4. -Р354-360.
29. Asgari G., Rahmani A.R., Faradmal J., Seid Mohammadi AM. Kinetic and isotherm of hexavalent chromium adsorption onto nano hydroxyapatite // J. Res. Health. Sci.- 2012 . №12. - Vol. 1. - Р. 45-53.
30. Yong Liu, Xin-hua Xu, Ping He Remediation of Cr(VI) in solution using vitamin C// J. Zhejiang. Univ .Sci. - 2005. -№6. -Р. 540-542.
31. Kumar A.S., Rajesh N., Kalidhasan S., An enhanced adsorption methodology for the detoxification of chromium using n-octylamine impregnated // J. Environ. Sci. Health. - 2011. Vol.46. -№13. - Р.1598-1610.
32. Pavon-Silva T., Pacheco-Salazar V., Carlos Sanchez-Meza J., Roa-Morales G., Colin-Cruz A. Physico-chemical and biological combined treatment applied to a food industry wastewater for reuse- // J.Environ. Sci. Health. - 2009. - №1. - Р.12-20.
33. Shinde S.S., Bhosale C.H., Rajpure K.Y. Hydroxyl radical's role in the remediation of wastewater // J. Photochem. Photobiol .B. - 2012.- №5. - Vol.116. - Р. 66-74.

Фамилия автора: Н.А. Ибрагимова, Н.Е. Козычев, Б. Сембаева, Н.А. Кенжебаев

articlekz.com

Биоремедиация — Википедия (с комментариями)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Биоремедиация — комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов — растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.

История

Первые простейшие методы очистки сточных вод — поля орошения и поля фильтрации — были основаны на использовании растений.

Принципы биоремедиации

Использование растений

Растение воздействует на окружающую среду разными способами. Основные из них:

Использование микроорганизмов и грибов

Возможно три основных подхода к Биоремедиации почв с помощью микроорганизмов

• биостимуляция - стимулирование развития аборигенной микрофлоры на территории подвергшейся загрязнению.

• биодополнение - внесение в почву биопрепаратов микроорганизмов способных к деградации загрязнителя.

Главную роль в деградации загрязнений играют микроорганизмы. Растение является своего рода биофильтром, создавая для них среду обитания (обеспечение доступа кислорода, разрыхление грунта. В связи с этим, процесс очистки происходит также вне периода вегетации (в нелетний период) с несколько сниженной активностью.

Типовые цели биоремедиации

Восстановление почв после загрязнения диоксинами

Диоксины попадают в почвы из воздуха с дождем и текучими водами. Из почвы диоксины попадают в сельскохозяйственную продукцию и воду. В организме животных они способны накапливаться. После загрязнения диоксинами применяются методы биоремедиации in situ и [en.wikipedia.org/wiki/Ex_situ ex situ].

Преимущества

• возможность произведения ремедиации in situ
• относительно низкая себестоимость проводимых работ по сравнению с традиционными очистными сооружениями
• метод безопасен для окружающей среды
• теоретическая возможность экстракции ценных веществ из зеленой массы растений (Ni, Au, Cu)
• возможность мониторинга процесса очистки
• уровень очистки не уступает традиционным методам, особенно при небольшом объеме сточных вод (например, в деревнях)

Библиография

• Идентификация нового вида опасности химических веществ: ингибирование процессов экологической ремедиации // ДАН. 2002. т. 385. № 4. C. 571-573.

• Плешакова Е.В., Дубровская Е.В., Турковская О.В. Сравнение эффективности интродукции нефтеокисляющего штамма Dietzia maris и стимуляции естественных микробных сообществ для ремедиации загрязнённой почвы // Прикладная биохимия и микробиология, 44 (2008), 4 (июль), 430-437.

• О новых исследованиях взаимодействия загрязняющих веществ с макрофитами в связи с изучением их фиторемедиационного потенциала // Вода: технология и экология. 2009. № 1. стр. 72–74.

• Obed Schacht, Kenneth Ajibo. Soil Bioremediation: In-Situ vs. Ex-situ. (Costs, Benefits, and Effects). - WSP and Göteborg Energi, 2002.- p. 77.

Внешние ссылки

На английском языке

• [www.genomenewsnetwork.org/categories/index/environment/toxic.php Bioremediation (Toxic Cleanup) News from Genome News Network (GNN)]
• [www.bioremediationgroup.org Bioremediation Discussion Group (BioGroup)]
• [www.cluin.org/techfocus/default.focus/sec/Bioremediation%5Fof%5FChlorinated%5FSolvents/cat/Overview/ Technology Focus on Bioremediation of Chlorinated Solvents Website hosted by the USEPA Technology Innovation Program]
• [www.mobot.org/jwcross/phytoremediation Phytoremediation Website hosted by the Missouri Botanical Garden]
• [www.renovogen.com/index.asp Renovogen - Natural Bioremediation Methods for Contaminated Soil and Groundwater]
• журнал International Journal of Phytoremediation

Напишите отзыв о статье "Биоремедиация"

Отрывок, характеризующий Биоремедиация

Богучарово лежало в некрасивой, плоской местности, покрытой полями и срубленными и несрубленными еловыми и березовыми лесами. Барский двор находился на конце прямой, по большой дороге расположенной деревни, за вновь вырытым, полно налитым прудом, с необросшими еще травой берегами, в середине молодого леса, между которым стояло несколько больших сосен. Барский двор состоял из гумна, надворных построек, конюшень, бани, флигеля и большого каменного дома с полукруглым фронтоном, который еще строился. Вокруг дома был рассажен молодой сад. Ограды и ворота были прочные и новые; под навесом стояли две пожарные трубы и бочка, выкрашенная зеленой краской; дороги были прямые, мосты были крепкие с перилами. На всем лежал отпечаток аккуратности и хозяйственности. Встретившиеся дворовые, на вопрос, где живет князь, указали на небольшой, новый флигелек, стоящий у самого края пруда. Старый дядька князя Андрея, Антон, высадил Пьера из коляски, сказал, что князь дома, и проводил его в чистую, маленькую прихожую. Пьера поразила скромность маленького, хотя и чистенького домика после тех блестящих условий, в которых последний раз он видел своего друга в Петербурге. Он поспешно вошел в пахнущую еще сосной, не отштукатуренную, маленькую залу и хотел итти дальше, но Антон на цыпочках пробежал вперед и постучался в дверь. – Ну, что там? – послышался резкий, неприятный голос. – Гость, – отвечал Антон. – Проси подождать, – и послышался отодвинутый стул. Пьер быстрыми шагами подошел к двери и столкнулся лицом к лицу с выходившим к нему, нахмуренным и постаревшим, князем Андреем. Пьер обнял его и, подняв очки, целовал его в щеки и близко смотрел на него. – Вот не ждал, очень рад, – сказал князь Андрей. Пьер ничего не говорил; он удивленно, не спуская глаз, смотрел на своего друга. Его поразила происшедшая перемена в князе Андрее. Слова были ласковы, улыбка была на губах и лице князя Андрея, но взгляд был потухший, мертвый, которому, несмотря на видимое желание, князь Андрей не мог придать радостного и веселого блеска. Не то, что похудел, побледнел, возмужал его друг; но взгляд этот и морщинка на лбу, выражавшие долгое сосредоточение на чем то одном, поражали и отчуждали Пьера, пока он не привык к ним. При свидании после долгой разлуки, как это всегда бывает, разговор долго не мог остановиться; они спрашивали и отвечали коротко о таких вещах, о которых они сами знали, что надо было говорить долго. Наконец разговор стал понемногу останавливаться на прежде отрывочно сказанном, на вопросах о прошедшей жизни, о планах на будущее, о путешествии Пьера, о его занятиях, о войне и т. д. Та сосредоточенность и убитость, которую заметил Пьер во взгляде князя Андрея, теперь выражалась еще сильнее в улыбке, с которою он слушал Пьера, в особенности тогда, когда Пьер говорил с одушевлением радости о прошедшем или будущем. Как будто князь Андрей и желал бы, но не мог принимать участия в том, что он говорил. Пьер начинал чувствовать, что перед князем Андреем восторженность, мечты, надежды на счастие и на добро не приличны. Ему совестно было высказывать все свои новые, масонские мысли, в особенности подновленные и возбужденные в нем его последним путешествием. Он сдерживал себя, боялся быть наивным; вместе с тем ему неудержимо хотелось поскорей показать своему другу, что он был теперь совсем другой, лучший Пьер, чем тот, который был в Петербурге. – Я не могу вам сказать, как много я пережил за это время. Я сам бы не узнал себя. – Да, много, много мы изменились с тех пор, – сказал князь Андрей. – Ну а вы? – спрашивал Пьер, – какие ваши планы? – Планы? – иронически повторил князь Андрей. – Мои планы? – повторил он, как бы удивляясь значению такого слова. – Да вот видишь, строюсь, хочу к будущему году переехать совсем… Пьер молча, пристально вглядывался в состаревшееся лицо (князя) Андрея. – Нет, я спрашиваю, – сказал Пьер, – но князь Андрей перебил его: – Да что про меня говорить…. расскажи же, расскажи про свое путешествие, про всё, что ты там наделал в своих именьях?

wiki-org.ru

---

Смотрите также

• 
  Аэрирование воды
• 
  Гиперхлорирование воды
• 
  Вода куяльник
• 
  Аксинья вода
• 
  Вода иорданская
• 
  Санация воды
• 
  Вода эван
• 
  Отсекатель воды
• 
  Вода инфильтрационная
• 
  Поверье вода
• 
  Вода поверье