Формирование ремедиационных биоценозов для снижения антропогенной нагрузки на водные и почвенные экосистемы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.23, доктор биологических наук Янкевич, Марина Ивановна
- Специальность ВАК РФ03.00.23
- Количество страниц 336
Оглавление диссертации доктор биологических наук Янкевич, Марина Ивановна
ВВЕДЕНИЕ.
Елава 1. Аналитический обзор литературы
1.1. Иммобилизация ферментов и клеток микроорганизмов как основа создания активных биологических препаратов и систем.
1.1.1 .Методы иммобилизации ферментов и клеток.
1.1.2.Природа сил адгезии микроорганизмов.
1.1.3.Факторы, влияющие на сорбцию клеток на носителях.
1.1.4. Физиологическое состояние и жизнеспособность иммобилизованных клеток.'.
1.1.5. Виды сорбентов, применяемых для иммобилизации клеток микроорганизмов.
1.1.6. Иммобилизация клеток и сообществ микроорганизмов в природе как модель формирования искусственных ценозов.
1.2. Эколого-биохимический потенциал микроорганизмов и альго- бактериальных консорциумов по отношению к биодеструкции нефтяных углеводородов и других ксенобиотиков
1.2.1. Биодеградация ксенобиотиков: общие генетические и биохимические механизмы.
1.2.2. Биотехнологический потенциал микроорганизмов для борьбы с загрязнениями: нефтяные загрязнения.
1.2.3. Биоселективные препараты как первая ступень создания искусственных ремедиационных биоценозов
1.3. Водные и почвенные экосистемы в условиях техногенного загрязнения и современные способы их ремедиации.
1.3.1.Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на почвенную микрофлору.
1.3.2.Влияние нефтезагрязнений на водную микрофлору.
1.3.3.Биотехнологические основы формирования искусственных ассоциаций и биоценозов микроорганизмов-деструкторов.
1.3.4.Современные методы ремедиации водных и почвенных экосистем
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Биотехнология», 03.00.23 шифр ВАК
Биотехнологии ремедиации и конверсии углеводородов2023 год, доктор наук Щемелинина Татьяна Николаевна
Особенности функционирования альго-бактериальных сообществ техногенных экосистем2005 год, доктор биологических наук Сопрунова, Ольга Борисовна
Разработка комплексных форм биопрепарата для биоремедиации загрязненных нефтяными углеводородами почв и водных сред2012 год, кандидат технических наук Шарапова, Ирина Эдмундовна
Разработка приемов биоремедиации замазученных сточных вод2012 год, кандидат биологических наук Гальперина, Алина Равильевна
Сравнительный анализ влияния нефтяного загрязнения и биопрепаратов на почвенные цианобактериально-водорослевые ценозы и сообщества микромицетов2012 год, кандидат биологических наук Якупова, Альфира Буребайевна
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование ремедиационных биоценозов для снижения антропогенной нагрузки на водные и почвенные экосистемы»
Разнообразная деятельность человека, связанная с варварской эксплуатацией среды обитания, привела к угрозе потери природных ресурсов Земли на рубеже веков и поставила задачу сохранения и защиты природы. Биотехнологии защиты окружающей среды это тот инструментарий, который призван обеспечить восстановление затронутых деятельностью человека экосистем.
Одним из современных методов, используемых при разработке экологически чистых технологий защиты окружающей среды и восстановления природных ресурсов, является биоремедиация, это наиболее щадящий метод сохранения биоразнообразия и обеспечения устойчивости очищающих биоценозов. Формирование этой области научных знаний состоялось в 90-х годах и в настоящее время происходит интенсивное развитие эко-биотехнологий, в том числе и защиты природы от нефти и продуктов ее переработки.
В среду обитания поступает огромное количество этих токсикантов, загрязнение грунта и наличие отходов содержащих нефтепродукты характерны для большинства промышленных городов и предприятий, нефтезаг-рязнения при добыче нефти и разведочном бурении накапливаются стремительно. По состоянию на 1998 год в России имелось более 1 млн. тонн неф-тешламов. Аварийные разливы не поддаются планированию, но требуют экстренных мер для их ликвидации и восстановлению загрязненных территорий и акваторий.
Скорость накопления нефтепродуктов, в результате техногенного загрязнения в водных и почвенных экосистемах, далеко опережает скорость их биодеградации естественным путем.
Для ускорения процессов очистки и восстановления, нарушенных нефте-загрязнениями водных и почвенных экосистем необходимо использовать биологические резервы не только микробных клеток, но и микробных сообществ и биоценозов, включающих организмы с разными биохимическими возможностями. Но если резервы микробных клеток и микробных ценозов использовались, в том числе и нами (Квитко, Янкевич, 1996;), то резервы сложных биоценозов, например альго-бактериальных, в технологиях очистки от нефтезагрязнений еще не использованы.
Культуры микроорганизмов, традиционно применяемые в биотехнологиях очистки от ксенобиотиков, представляют собой изоляты клонов гетеротрофных бактерий и грибов с относительно узким спектром биогеохимических функций, что ограничивает их применение. Природные ассоциации имеют значительно более богатый набор этих функций, так как всегда включают в себя фотосинтетики: высшие растения, эукариотические водоросли и цианобактерии.
Загрязнение поверхностных вод различными токсикантами - один из показателей общего ухудшения состояния природной среды. I
Очистка воды в природе - непременное звено в цикле водооборота. Любые типы загрязнений, при самоочистки воды, в конечном счете, оказываются сконцентрированными в виде продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, высших растений и животных и, в итоге, скапливаются на дне, в детрите - иловой массе.
Как правило, те водоемы, в которых природа уже не справляется с поступающим объемом загрязнений, погибают. В них процессы самоочищения тормозятся или не развиваются из-за изменения состава очищающей биоты. Следствием этого, является нарушение пищевых цепочек I микробного населения и ухудшение состояния биологической среды водоема.
Искусственные системы очистки воды и основаны на использовании процесса минерализации и концентрирования загрязнителей, они имитируют природные объекты - стоячие и проточные водоемы, болота, пойменные земли. Теоретические и экспериментальные основы таких очищающих систем заложены в работах известных русских биологов -Г.Г.Винберга (Винберг, 1960; Винберг, Остапеня, 1961), С.Н.Скадовского (Скадовский, 1961), Е.А.Тимофеевой - Ресовской, (Тимофеева-Ресовская, 1963). В природе активно идет биоокисление нефтяных углеводородов, разложение продуктов органического синтеза, протекает минерализация ионов цветных и тяжелых металлов. Эти процессы осуществляются сложившимися при самоочистки консорциумами организмов различных таксономических групп. Применение активных штаммов микроорганизмов-деструкторов, выделение и использование устойчивых к загрязненным водам микроводорослей, введение в очищающий консорциум высших водных растений, позволяет создать новую комплексную биотехнологию очистки и восстановления водоемов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.
Эта технология обеспечивает биоремедиацию водоемов подвергну/ тых аварийному загрязнению нефтепродуктами и водоемов, систематически в течение многих лет, загрязняемых нефтесодержащими стоками.
Биологическая очистка, т.е. удаление загрязнителей (излечение экосистемы) посредством стимуляции микробной деятельности в почвах и водоемах, в настоящее время называется биоремедиацией (bio - жизнь, remedio - лечение). Это может быть - биостимуляция природных микроорганизмов (микробного ценоза) путем внесения удобрений непосредственно в очищаемый участок природной среды или путем накопления в лаборатории препарата тех микроорганизмов из загрязненного ценоза, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. При биоремедиации путем улучшения природного ценоза в почвы или в водоемы вносят относительно большие количества специализированных микроорганизмов, которые ранее были выделены, отселектированны генетическими методами и размножены в виде биопрепарата (Вельков,1995). Во всех случаях биоремедиация предполагает создание в очищаемом участке среды высоких концентраций биогенов (удобрений) и высоких концентраций клеток активно размножающихся -бактериальных сообществ. Фито-ремедиация - использование фотосинтезирующих организмов в биотехнологиях, позволяет увеличивать энергетические ресурсы очищаемой экосистемы при умеренном использовании органических удобрений для стимуляции микробной деятельности. Этим фиторемедиация наиболее близка к природным процессам.
Создание и практическое применение искусственных консорциумов микроорганизмов-нефтедеструкторов и ассоциаций таких алканотрофных микроорганизмов и фотосинтезирующих водорослей может значительно расширить круг экологических проблем, которые возможно решать биотехнологическими методами, в том числе и ремедиацию водных и почвенных экосистем от техногенных загрязнений нефтепродуктами и разнообразными ксенобиотиками.
Цель и задачи исследований. Целью исследования является разработка научных основ интенсивных технологий ремедиации водных и почвенных экосистем, нарушенных антропогенным воздействием, в частности нефтью и продуктами ее переработки, с помощью интродукции в загрязненные экосистемы ремедиационных ценозов различных уровней сложности, в 1 том числе микроценозов, консорциумов гетеротрофных микроорганизмов различных классов, активно разрушающих ксенобиотик; биоценозов мик-роорганизмов-гетеротрофов, цианобактерий и микроводорослей-фотосинтетиков; многоуровневых биоценозов, включающих высшие растения, а также введение и систем жизнеобеспечения ремедиационных ценозов, включая иммобилизацию компонентов биоценоза, ввод элементов питания и регуляцию реакции среды.
В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:
1. Провести исследования биоселективных свойств и термотолерантности I гетеротрофных и фототрофных бактерий, дрожжей, цианобактерий, микроводорослей и на основание полученных данных отобрать наиболее активные штаммы.
2. Создать из отобранных штаммов многовидовые биоселективные альго-бактериальные ассоциации на основании изучения их синергического действия.
3. Разработать методы адгезионной иммобилизации алканотрофных микроорганизмов и получить эффективные биопрепараты на их основе. Изучить изменения химического состава фракций нефтяных углеводородов в результате их биодеградации алканотрофными ценозами.
4. Разработать принципы создания и практического применения многоуровневых очищающих консорциумов на основе микроорганизмов различных таксономических групп. Подобрать оптимальные параметры управления биоремедиационными процессами.
5. Изучить закономерности формирования иммобилизованных очищающих биоценозов, состоящих из микроорганизмов различных таксономических групп и предназначенных для очистки почв, грунтов и вод, подвергнутых антропогенному загрязнению. 1
Научная новизна исследований. Разработаны научные основы создания экобиотехнологий очистки особо загрязненных вод и почв с помощью ре! „ медиационных ценозов различных уровней сложности. Создана методология формирования очищающих биоценозов и управления процессами интенсивной биоремедиации водных и почвенных экосистем в условиях антропогенного загрязнения. Она заключается в системном подходе к конкретной проблеме биоремедиации объекта, и включает в себя следующие этапы: 1
1. скрининг резистентных и активных по отношению к загрязнителю бактериальных, дрожжевых и водорослевых культур;
2. оценку взаимного влияния выбранных культур для формирования из них ассоциаций, в том числе альго-бактериальных;
3. формулирование требований к носителям и их подбор для адгезионной иммобилизации монокультур бактерий, дрожжей, микроводорослей и их ассоциаций;
4. формирование иммобилизованных ценозов различных уровней сложности в виде биопрепаратов: отдельных алканотрофных микроорганизмов; консорциумов микроорганизмов, обладающих селективной в отношении загрязнителя активностью; альго-бактериальных ценозов;
5 формирование структурированных биоценозов, включающих организмы различных таксономических групп, в том числе и высшие растения, т. е. содержащих организмы с разнымц биохимическими функциями и возможностями, что позволяет не только моделировать природные процессы самоочищения, но и интенсифицировать их в условиях антропогенной нагрузки.
Исследованы закономерности иммобилизации микроорганизмов различных классов и их ассоциаций на синтетических (поливинилстирольных, поликапроамидных) волокнах и природных (торф, вермикулит) носителях, в том числе в зависимости от параметров процесса и структурных, химических свойств поверхности носителей. Изучено влияние химических модификаций носителей на количественные показатели иммобилизации клеток. Разработаны методы создания новых, биоселективных к составу загрязнения, препаратов иммобилизованных бактериальных и дрожжевых культур, сохраняющих жизнеспособность в течение длительного времени. Определены условия и разработаны методы поддержания высокой активности и жизнеспособности клеток биопрепаратов в природных экосистемах в условиях загрязнения ксенобиотиками с помощью обеспечения фи1 зиологических потребностей иммобилизованных микроорганизмов в основных элементах питания и оптимального уровня реакции среды.
Научная новизна разработанных способов иммобилизации алкано-трофных культур и способов очистки, природных и сточных вод от нефте-загрязнений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Теория и практика применения биотехнологических процессов ремедиации водных и почвенных экосистем, в том числе сильно загрязненных, с помощью иммобилизованной микрофлоры.
2. Принципы создания интенсивных технологий восстановления водных и почвенных экосистем, нарушенных антропогенными воздействиями, на примере загрязнений нефтью, нефтепродуктами и другими токсикантами.
3 .Биоремедиационный потенциал микроорганизмов-фотосинтетиков - цианобактерий и микроводорослей и его использование для структурирования пространства биофильтров с помощью формирования искусственных биоценозов в процессах интенсивной очистки природных и сточных вод.
4.Критерии формирования структурированных биоценозов разных уровней сложности, обладающих биоселективной активностью. Практическая значимость и реализация результатов исследований.
Созданы и опробованы в реальных условиях биотехнологические методы очистки природных и сточных вод, загрязненных нефтепродуктами и другими токсикантами, предусматривающие отбор культур разных таксономических групп и формирование из них искусственных консорциумов, иммобилизованных на поверхности специально подобранных носителей.
Результаты разработки комплексной биотехнологии очистки токсичных вод реализованы в проекте локальных очистных сооружений очи1
14 стки вод накопителя жидких отходов полигона промышленных отходов г. Самары. (
Технология биоремедиации нефтезагрязненных водоемов реализована в системах РАО ЕЭС. I
Результаты разработки технологии очистки сильнозагрязненных мазутом почв и грунтов использованы при проектировании природоохранного комплекса нефтеналивного терминала в г. Приморск Ленинградской области, а также реализованы при проектировании и строительстве комплекса очистки сточных вод ТЧ-9 Витебского отделения Октябрьской железной дороги.
Материалы исследований используются в учебном процессе - для подготовки студентов и дипломников биологического факультета СПбГУ и факультетов защиты окружающей среды и тонкого химического и микробиологического синтеза СПбГТИ.(ТУ).
Похожие диссертационные работы по специальности «Биотехнология», 03.00.23 шифр ВАК
Эколого-функциональные аспекты микробной ремедиации нефтезагрязнённых почв2010 год, доктор биологических наук Плешакова, Екатерина Владимировна
Разработка новой формы биопрепарата для очистки водных объектов от тонких нефтяных пленок2007 год, кандидат технических наук Аушева, Хадишат Ахметовна
Иммобилизация отселектированных углеводородокисляющих микроорганизмов для интенсификации биотехнологических процессов очистки вод от нефтяных загрязнений2012 год, кандидат биологических наук Хуснетдинова, Ландыш Завдетовна
Микробиологические технологии в процессах ремедиации природных и техногенных объектов2009 год, доктор биологических наук Силищев, Николай Николаевич
Формирование консорциума микроорганизмов для очистки сточных вод производств органического синтеза от углеводородов нефти2012 год, кандидат технических наук Жукова, Ольга Вадимовна
Заключение диссертации по теме «Биотехнология», Янкевич, Марина Ивановна
Выводы и рекомендации. о смотря на ма^ую площадь - 4 м и количество - 10 кг, присутс->агрузки во вторичном отстойнике оказывает положительное влия-I очистку воды от нефтепродуктов. лагаем в дальнейшем продолжить испытания препарата в зимний , с большим количеством загрузки отвечающем окислительной спохаиттща. ^идЕГЛУШШ П1Ш'1ШР0ДУКТ0В В СТОЧШИ ВОДЕ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ЗЕ1ЕН0Г0РСК0Г0 УЧАСТКА КАЬАЛИЗА НЫХ СЕТЕЙ И СООРУЖЕНИЙ СЕСТРОРЕЦКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ "ВОДОКАНАЛ" ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИСПЫТАНИЙ ЧАСТИЧНОЙ ЗАТО
ПРЕПАРАТОМ ШКГО0РГАШЗЮВ-ДЕСТРУКТ0Р0В УГЛЕВОДОРОДОВ. Начаты 10.07.92. Закончены i8.u9.922
Площадь поверхности вторичного отстойника - 1017 м^; Площадь загрузки - 4 Объем сточной воды - 3000 ь;^/су тки Вес загрузки - 10 кг.
Время анализа Содержание нефтепродуктов, иг/л о очистки
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.