Биоремедиация почв, загрязненных тяжелыми металлами

 

      С расширением экологического контроля состояния почв широко стали применять методы определения содержания кислоторастворимых (1 н. HCI, 1 н. HNO3) соединений ТМ. Нередко им присваивают название «условноваловое содержание ТМ» Применение в качестве реагентов разбавленных растворов минеральных кислот не обеспечивает полного разложения пробы, но позволяет перевести в раствор основную часть соединений химических элементов техногенного происхождения.

      К подвижным формам ТМ относят элементы и соединения почвенного раствора и твердой фазы почвы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с химическими элементами почвенного раствора. Для определения подвижных ТМ в почвах в качестве экстрагента применяют слабо солевые растворы, с ионной силой, близкой к ионной силе природных почвенных растворов: (0,01–0,05М СаCI₂,           Са(NO₃)₂, KNO₃). Содержание потенциально подвижных соединений контролируемых элементов в почвах определяют в вытяжке 1 н. NH4CH3COO при разных значениях рН. Используют этот экстрагент и с добавлением комплексообразователей (0,02–1,0 М ЭДТА).

      Для анализа чаще всего отбирают верхние слои почвы (0–10 см), иногда анализируется распределение загрязняющих веществ в почвенном профиле. Верхние горизонты играют роль геохимического барьера на пути потока веществ, поступающих из атмосферы. В условиях промывного водного режима загрязняющие вещества могут проникать вглубь и накапливаться в иллювиальных горизонтах, которые также служат геохимическими барьерами.

     Санитарно-гигиеническим критерием качества окружающей среды служит предельно допустимая концентрация (ПДК) химических веществ в объектах окружающей среды. ПДК соответствует максимальному содержанию химического вещества в природных объектах, которое не вызывает негативного (прямого или косвенного) влияния на здоровье человека (включая отдаленные последствия).

      Токсическое действие различных химических веществ на живые организмы характеризуют общесанитарным показателем, в качестве которого часто используют показатель ЛД-50 (летальная доза), который показывает массу вещества, поступившего в организм подопытных животных (мышей, крыс) и вызвавшего гибель 50 % из них. Размерность этого показателя – мг вещества/кг массы подопытного животного. Прямые контакты человека с почвой несущественны и происходят опосредованно через другие компоненты: почва – растение – человек; почва – растение – животное – человек; почва – воздух – человек; почва – вода – человек. Определение ПДК в почвах сводится к экспериментальному определению способности этих веществ поддерживать допустимую для живых организмов концентрацию веществ в контактирующих с почвой воде, воздухе, растениях. Именно поэтому ПДК химических веществ для почв устанавливается не только по общесанитарному показателю, как это принято для других природных сред, а еще и по трем другим показателям: транслокационному, миграционному водному и миграционному воздушному.

      Транслокационный показатель определяют по способности почв обеспечивать содержание химических веществ на допустимом уровне в растениях (тест-культурами служат редис, салат, горох, фасоль, капуста и др.).

      Соответственно миграционный водный и миграционный воздушный определяют по способности почв обеспечивать содержание этих веществ в воде и воздухе не выше ПДК. Однако санитарно-гигиенические нормативы качества почв не лишены недостатков; основной из них состоит в том, что условия модельного эксперимента определения ПДК и естественные условия сильно отличаются.

      Одним из этапов решения проблемы экологического нормирования был подход, основанный на определении допустимой нагрузки на почву с учетом ее буферных свойств, обеспечивающих способность почвы ограничивать подвижность поступающих из вне химических веществ, способность к самоочищению. Такие подходы развиваются в России и в других странах.

      Но разработать ПДК для каждого типа почв очень трудно. Целесообразна разработка нормативов химических веществ для почвенно-геохимических ассоциаций, объединенных общностью основных физико-химических свойств, определяющих их устойчивость к химическому загрязнению.

      На следующем этапе для ряда химических элементов были разработаны ОДК (ориентировочно допустимые концентрации) этих элементов для почв, различающихся по важнейшим свойствам (по кислотности и гранулометрическому составу). Разработаны они были не на основе стандартизованного экспериментального метода, а на обобщении имеющихся сведений о взаимосвязи между уровнем нагрузки на почвы, состоянием почв и сопредельных сред.

    

     Таблица 3

            Список основных  химических веществ,  загрязняющих почву, для которых            определены предельно допустимые  концентрации

 

Вещества	ПДК в почве, мг/кг	Класс опасности
Ртуть	2,1	1
Свинец	32,0	1
Кадмий	3,0	1
Никель	35,0	2
Хром (6+)	6,0	2
Цинк	110,0	1
Медь	23,0	2
Мышьяк	2,0	1
Фтор	2,8	1
Кобальт	5,0	2
Сурьма	4,5	2
Марганец	1500	3
Ванадий	150	3
Формальдегид	7,0	3
Стирол	0,1	3
Бенз(а)пирен	0,02	1
Толуол	0,3	3
Бензол	0,3	3
Ацетальдегид	10,0	3
Нитраты	130,0	3

 

 

     4 Методы очистки почвы от тяжелых металлов

 

    На способности переводить металлы в подвижную форму основаны методы очистки почв промывкой, экстракцией, химическим выщелачиванием, электродиализом, электрокинетической обработкой. Металлы удаляются из почвы в виде растворов, которые перерабатываются методами ионного обмена, реагентного осаждения, упаривания, мембранного разделения, электрохимического осаждения, электродиализа с получением твердых остатков с малым объемом, подходящим для размещения на свалках, местах захоронения вредных веществ.

     При выборе  метода извлечения металлов учитывают  их количество в почве, состав  и дисперсность твердой фазы. Металлы, которые находятся в  обменной форме, извлекаются растворами  солей, связанные с карбонатами-растворами  кислот, с оксидами железа и марганца-химическими восстановителями, с органическим веществом-растворами комплексообразователей, в виде сульфидов-химическими окислителями.

      В биологических  методах повышения подвижности  тяжелых  металлов  для их  извлечения  из почвы используют  микроорганизмы и растения. Подвижность  металлов повышается:

• в результате биоминерализации органических веществ, содержащих  металлы.
• в ходе окислительных реакций, протекающих с участием микроорганизмов в процессах биовыщелачивания;
• в результате изменения рН, Еh почвенной среды при протекании биологических процессов;
• при образовании растворимых комплексов металлов с органическими веществами, синтезируемыми и выделяемыми микроорганизмами и корнями растений;
• при биовосстановлении металлов органическими веществами в аноксигенных условиях;
• в результате перевода металлов в летучую форму при метилировании и трансалкилировании.

   Фиксированиие тяжелых металлов почвой понижает их доступность для растений, миграцию по пищевым цепям.

   Один из вариантов  снижения биодоступности тяжелых металлов-внесение в почву сорбентов.

    Из различных сорбентов природного и искусственного происхождения используются цеолиты, бентониты, красная глина, зола, фосфаты, торф, навоз, компост, прудовый ил, биомасса микроорганизмов на различных носителях, отходы шерсти, шелка, отходы, содержащие таннин и клетчатку. Общие требования к сорбентам: рН 6,0-7,5,доступные и относительно дешевые.

       В одной из технологий,названной Bio Metal Sludge Reactor (BMSR), разработанной для очистки почв, ила, твердых отходов, используются бактерии Ralstonia metallidurans. Бактерии солюбилизируют металлы с помощью синтезируемых веществ-сидерофоров и сорбируют металлы на клеточной поверхности с помощью индуцируемых металлами белков внешней мембраны, полисахаридов и пептидогликанов клеточной стенки. Бактерии устойчивы к тяжелым металлам. Металлы удаляются из клетки путем антипорта с протонами , что приводит к накоплению ионов ОН^- в периплазматическом пространстве, защелачиванию внешней среды и образованию карбонатов и бикарбонатов. Ионы металлов, экспортированные из цитоплазмы, образуют на клеточной поверхности и вокруг клетки карбонаты и бикарбонаты в пересыщенных концентрациях и кристаллизуются на клеточно-связанных металлах, служащих центрами кристаллизации. Это приводит к высокому соотношению металла и биомассы (от 0,5 до 5,0 ). Такие бактерии удаляют металлы из раствора в поздней фазе экспоненциального роста или в стационарной фазе роста, что удобно для извлечения металлов из контаминированных почв методами ex situ. Бактерии имеют особые свойства, которые обуславливают низкую скорость осаждения бактериальных клеток по сравнению с органическими и глинистыми частицами почвы. Это позволяет разделять почвенные частицы и клетки с поглощенным металлом методом осаждения. Бактерии с сорбированными металлами, находящиеся после разделения в водной фазе, легко удаляются из последней флотацией или флокуляцией.

 

 

 

 

 

 

     5 Общие сведения о Ralstonia metallidurans

 

 

     Рис.1   Изображение Ralstonia metallidurans

 

      Структура клетки и метаболизма

      R. Metallidurans-грамотрицательные бактерии, имеющие форму жезла. Таким образом, они имеют структурные особенности грамотрицательных бактерий, такие, как стенки ячеек, содержащих пептидогликан, внешние мембраны, содержащие пластинки и периплазматическое пространства.

      R. metallidurans имеет возможность использовать различные субстраты как источник углерода. Он может расти автотрофно, используя молекулярный водород как источник энергии и углекислый газ в качестве источника углерода. Кроме того, в присутствии представителей нитрата, он может расти анаэробно. Они не растут на фруктозе  и его оптимальная температура роста-30 C.

Экология

      За счет своей способности выдерживать действие  токсичных металлов, было изучено  использование этой особенности в областях биологического восстановления.

Патология

    Было установлено, что R.metallidurans не является для человека патогенной.

Применение в биотехнологии

     В R. metallidurans была обнаружена способность производить ферменты, которые могут быть использованы в создании топливных элементов. Эти ферменты способны окислять водород, что в конечном итоге может привести к производству электроэнергии.

 

     6 Технология очистки почвы от тяжелых металлов

 

     При проведении  очистки по технологии BMSR загрязненная почва вносится в реактор проточного типа с мешалкой, в который подается вода и питательные вещества (ацетат-5г/л, азот-0,5г/л, фосфор-0,05г/л), вносятся бактерии (в количестве 10⁸ кл/мл). Почва предварительно фракционируется для удаления крупных агломератов, дебриса и т.п. Размер частиц в реакторе должен быть не более 2 мм. Показатель рН поддерживается на уровне 7,2. Гидравлическое время пребывания в реакторе составляет от 10 до 20 часов.

     В ходе обработки  загрязняющие металлы переносятся  из почвенных частиц на бактериальные  стенки. После обработки в реакторе  шлам осаждается в отстойнике, в который добавляется вода. В  присутствии бактерий частицы  почвы имеют хорошие седиментационные свойства и осаждаются в отстойнике в течение 1-2 часов. Содержащие металлы бактерии остаются в суспензии, которая из отстойника поступает в осадительный танк (декантатор). Внего добавляется флокулянт, после чего осадок биомассы может быть обезвожен и высушен. Содержание металлов в биомассе бактерии составляет: Zn-8-25, Pb-3-5, Cd-0,16-0,25. Эта биомасса может быть сожжена пирометаллургической обработкой с получением золы с высоким содержанием металлов, которые могут быть извлечены выщелачиванием, или с последующим складированием золы на местах захоронения. Содержание тяжелых металлов в очищенной почве уменьшается в 5-10 раз. Почва, обработанная бактериями при нейтральном рН по технологии BMSR, может быть использована повторно. Отработанная вода содержит очень низкие концентрации металлов и может быть рециркулирована.

 

 

Расчет  процесса биоремедиации почвы от тяжелых металлов.

 

    С участка площадью 6 га были взяты пробы почвы  с глубины 9 см (0,09 м).  Содержание  свинца составляет 50 мг/кг.

 

     1.Определение  объема загрязненной почвы.

V_п = S_п × Н

V_п = 6000 м² × 0,09 = 540 м³

     2.Вес загрязненной  почвы.

Р_п = V_п × d

Р_п = 540 м³ × 1,2 т/м³ = 648 т

    3.Общий вес  тяжелых металлов.

1 кг почвы - 2,5 г ТМ

1 т почвы - 2500 кг ТМ

640 т почвы – х кг ТМ

х = 640 т × 2,5 т = 320 т

     ИБЕ микроорганизмов  Ralstonia metallidurans составляет 8 м³/т ТМ.

8 RM -1 т ТМ

х м³ – 640 т

    Устанавливаем  количество  амофоса.

Для 1 т ТМ – 24 кг АМФ

Р_АМФ = 320× 24  =7680 кг АМФ

    Растворимость  АМФ = 18 кг/м³.

    Объем воды.

1 м³ Н₂О – 18 кг АМФ

х м³ Н₂О -104,8  кг

V_в = 104,8 /18 = 5,82 т

7680 т + 5,82 т = 7686 т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор участка

 

 

Боронование почвы

 

 

Транспортировка на ремедиацию

 

 

Измельчение до 2 мм

 

Бактерии

Вода

Погрузка в биореактор

Питательные вещества

Амофос

 

Вода

Отстаивание

Флокулянт

Декантатор

 

Обезвоживание

 

 

Сушка

 

 

Пирометаллургическая обработка

Складирование на местах захоронения

 

 

 

 

 

 

      Рис.2 Технологическая схема биоремедиации почвы от тяжелых металлов.