Конкурентоспособность цепей поставок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ  БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ

2.1. Методы восстановления  нефтезагрязненных почвенных экосистем

 

 

Нефтяное загрязнение  отличается от многих других антропогенных  воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю  ответную реакцию. При оценке последствий  такого загрязнения не всегда можно  сказать, вернется ли экосистема к устойчивому  состоянию или будет необратимо деградировать. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий  загрязнения, с восстановлением  нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который  уже нанесен при загрязнении. Суть восстановления загрязненных экосистем  – максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой  неразрывный биогеохимический процесс.

Рекультивация земель –  это комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и  хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель. Задача рекультивации  – снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных  веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения[1].

 

 

 

2.2. Основные подходы и  роль биоремедиации в восстановлении нефтезагрязненных почв

 

 

Существующие механические, термические и физико-химические методы очистки почв от нефтяных загрязнений  дорогостоящи и эффективны только при  определенном уровне загрязнения (как  правило, не менее 1% нефти в почве), часто связаны с дополнительным внесением загрязнения и не обеспечивают полноты очистки. В настоящее  время наиболее перспективным методом  для очистки нефтезагрязненных почв, как в экономическом, так и в экологическом плане является биотехнологический подход, основанный на использовании различных групп микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеградации компонентов нефтей и нефтепродуктов.

Способность утилизировать  трудноразлагаемые вещества антропогенного происхождения (ксенобиотики) обнаружена у многих организмов. Это свойство обеспечивается наличием у микроорганизмов специфических ферментных систем, осуществляющих катаболизм таких соединений. Поскольку микроорганизмы имеют сравнительно высокий потенциал разрушения ксенобиотиков, проявляют способность к быстрой метаболической перестройке и обмену генетическим материалом, им придается большое значение при разработке путей биоремедиации загрязненных объектов.

Под термином «биоремедиация» принято понимать применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистке почв, т.е. для удаления из почвы уже находящихся в ней загрязнителей[6].

Биоремедиация включает в себя два основных подхода:

1 биостимуляция – активизация деградирующей способности аборигенной микрофлоры внесением биогенных элементов, кислорода, различных субстратов;

2 биодополнение – интродукция природных и генноинженерных штаммов-деструкторов чужеродных соединений.

Биостимуляция in siti (биостимуляция в месте загрязнения). Этот подход основан на стимулировании роста природных микроорганизмов, обитающих в загрязненной почве и потенциально способных утилизировать загрязнитель, но не способных делать это эффективно из-за недостатка основных биогенных элементов (соединений азота, фосфора, калия и др.) или неблагоприятных физико-химических условий. В этом случае в ходе лабораторных испытаний с использованием образцов загрязненной почвы устанавливают, какие именно компоненты и в каких количествах следует внести в загрязненный объект, чтобы стимулировать рост микроорганизмов, способных утилизировать[2].

Биостимуляция in vitro. Отличие этого подхода в том, что биостимуляция образцов естественной микрофлоры загрязненной почвы проводится сначала в лабораторных или промышленных условиях (в биореакторах или ферментерах). При этом обеспечивается преимущественный и избирательный рост тех микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. «Активизированную» микрофлору вносят в загрязненный объект одновременно с необходимыми добавками, повышающими эффективность утилизации загрязнителя[7].

Существующие два пути интенсификации биодеградации ксенобиотиков в окружающей среде – стимуляция естественной микрофлоры и интродукция активных штаммов, не только не противоречат, но и дополняют друг – друга[4].

Биорекультивация нефтезагрязненных почв – это многостадийный биотехнологический процесс, включающий физико-химические методы детоксикации загрязнителя, применение органических и минеральных добавок, использование биопрепаратов[9].

Основными факторами, влияющими  на ход биоразрушения органических загрязнителей, являются их химическая природа (которая обусловливает возможные пути биотрансформации), концентрация и взаимодействие с другими загрязнителями (на уровне их непосредственного взаимодействия или взаимного влияния на трансформацию).

К неблагоприятным физико-химическим условиям, лимитирующим деградацию микроорганизмами ксенобиотиков в окружающей среде, можно отнести низкую или чрезмерную влажность почвы, недостаточное содержание кислорода, неблагоприятную температуру и рH, низкую концентрацию или доступность ксенобиотиков, наличие альтернативных, более предпочтительных субстратов и т.д.. Среди биологических факторов отмечены поедание интродуцируемых микроорганизмов простейшими, обмен генетической информацией в популяции, физиологическое состояние и плотность интродуцируемой микробной популяции[6].

Некоторые из перечисленных  проблем могут быть решены путем  создания генетически сконструированных  штаммов-деструкторов и их консорциумов, усовершенствования методов интродукции, оптимизации условий существования  природных микробных популяций.

Таким образом, интродукция  микроорганизмов приводит к положительным  результатам только при создании соответствующих условий для  развития внесенной популяции, для  чего необходимо знать физиологические  особенности интродуцента, а также учитывать складывающиеся микробные взаимодействия.

 

 

 

 

 

2.3. Методы рекультивации,  основанные на интенсификации  процессов самоочищения

 

Самоочищение и самовосстановление почвенных экосистем, загрязненных пестицидами, - это стадийный биогеохимический процесс трансформации загрязняющих веществ, сопряженный со стадийным процессом восстановления биоценоза. Для разных природных зон длительность отдельных стадий этих процессов различна, что связано в основном с почвенно-климатическими условиями.

Механизм самовосстановления экосистемы после загрязнения загрязнения достаточно сложен. С помощью агротехнических приемов можно ускорить процесс самоочищения почв путем создания оптимальных условий для проявления потенциальной активности микроорганизмов, входящих в состав естественного микробиоценоза.

Из свыше 100 видов бактерий, грибов, дрожжей, способных утилизировать  один или несколько пестицидов в качестве источника углерода и энергии, только один принадлежал к анаэробам[12].

Приемы обработки почв, способствующие улучшению аэрации, стимулируют активность микроорганизмов, усиливают окислительные процессы. Интенсификация разложения в почве  возможна путем рыхления, частой вспашки, дискования.

Обработка является мощным регулирующим фактором, стимулирующим  самоочистку почв. Она положительно влияет на микробиологическую и ферментативную активность, так как способствует улучшению условий жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, которые количественно и по интенсивности метаболизма доминируют в почвах и являются основными деструкторами. Рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, снижает концентрацию пестицидов в почве в результате улетучивания легких фракций, обеспечивает разрыв поверхностных пор, насыщенных пестицидами. Обработка почвы создает мощный биологически активный слой с улучшенными агрофизическими свойствами. В почве при этом создается оптимальный водный, газовоздушный и тепловой режим, растет численность микроорганизмов и их активность, усиливается активность почвенных ферментов, увеличивается энергия биохимических процессов[1].

Обеспеченность почв биогенными элементами - азотом, фосфором и калием - важный фактор, определяющий интенсивность  разложения пестицидов. Недостаток биогенных элементов необходимо восполнять путем внесения в почву минеральных удобрений. Практически во всех случаях внесение биогенных элементов в виде минеральных удобрений стимулирует разложение в почве. Наиболее интенсивно разложение протекает при ежегодном внесении комплекса N, P, K – содержащих удобрений в сочетании с навозом, а также при внесении в почву биогумуса[2].

Биогумус получают переработкой навоза (крупного рогатого скота, свиного, конского), опилок, измельченной вермикультурой соломы. Биогумус поддерживает высокую численность бактерий, утилизирующих органические и минеральные формы азота, целлюлозоразрушающих микроорганизмов, нитрификатов. Способствует перестройке микробного ценоза загрязненной почвы, что проявляется в расширении видового разнообразия бактериальной флоры. Почвенная микрофлора использует компоненты биогумуса в качестве источника азота, фосфора и калия, обеспеченность которыми в загрязненной почве снижается. Многие органические вещества биогумуса служат энергетическим материалом для почвенной микрофлоры, благодаря чему в почве повышается активность микробиологических процессов, соответственно усиливается мобилизация питательных веществ[4].

Поддержание почвы во влажном  состоянии является одним из агротехнических  приемов управления биологической  активностью и оказывает эффективное воздействие на темпы разложения. Благоприятный водный режим почвы достигается путем полива. Улучшение водного режима путем полива обусловливает улучшение агрохимических свойств почв, в частности влияет на подвижность питательных веществ, микробиологическую деятельность и активность биологических процессов. Одновременно с этим усиливается действие на микробиологическую и ферментативную активность агрохимических приемов, например внесения удобрений, рыхления.

Посев на пестицидозагрязненную почву люцерны и других бобовых культур, трав с разветвленной корневой системой способствует ускорению разложения пестицидов[7]. Положительное воздействие посевов сельскохозяйственных растений, и в частности многолетних трав, объясняется тем, что своей развитой корневой системой они способствуют улучшению газовоздушного режима загрязненной почвы, обогащают почву азотом и биологически активными соединениями, выделяемыми корневой системой в почву в процессе жизнедеятельности растений. Все это стимулирует рост микроорганизмов и соответственно интенсифицирует разложение пестицидов.

На пестициды, попавшие в  почву, оказывают влияние различные  факторы как в период их эффективности, так и в дальнейшем, когда препарат уже становится остаточным. Пестициды  в почве подвержены разложению, обусловленному небиотическими и биотическими факторами и процессами.

Физические и химические свойства почв влияют на преобразования, находящихся в ней пестицидов. Так глины, окислы, гидроокислы и  ионы металлов, а также органическое вещество почвы выполняют роль катализаторов во многих реакциях разложения пестицидов. Гидролиз пестицидов идет при участии грунтовой воды. В результате реакции со свободными радикалами гумусовых веществ происходит изменение составных частиц почвы и молекулярного строения пестицидов.

Во многих работах подчеркивается большое значение почвенных микроорганизмов  в разложении пестицидов. Существует очень мало действующих веществ, не разлагающихся биологическим  путем. Продолжительность разложения пестицидов микроорганизмами может  колебаться от нескольких дней до нескольких месяцев, а иногда и десятков лет, в зависимости от специфики действующего вещества, видов микроорганизмов, свойств  почв. Разложение действующих веществ  пестицидов осуществляется бактериями, грибами и высшими растениями.

Обычно разложение пестицидов, особенно растворимых, реже адсорбированных  почвенными коллоидами, происходит при  участии микроорганизмов.

Грибы участвуют главным  образом в разложении слаборастворимых и слабоадсорбируемых почвенными коллоидами гербицидов[9].

Одно из основных условий  охраны почв от загрязнения биоцидами – создание и применение менее токсичных и менее стойких соединений и внесение их в почву и уменьшение доз их внесения в почву. Существует несколько способов, позволяющих уменьшить дозу биоцидов без снижения эффективности их возделывания:

- сочетание применения пестицидов с другими приемами. Интегрированный метод борьбы с вредителями – агротехнический, биологический, химический и т.д. При этом ставится задача не уничтожить целый вид целиком, а надежно защитить культуру. Украинские ученые применяют микробиопрепарат в совокупности с небольшими дозами пестицидов, который ослабляет организм вредителя и делают его более восприимчивым к заболеваниям;

- применение перспективных форм пестицидов. Использование новых форм пестицидов позволяет существенно снизить норму расхода действующего вещества и свести к минимуму нежелательные последствия, в том числе и загрязнение почв;

- чередование применения токсикантов с неодинаковым механизмом действия. Такой способ внесения химических средств борьбы предотвращает появление устойчивых форм вредителей. Для большинства культур рекомендуют 2-3 препарата с неодинаковым спектром действия.

При обработке почвы пестицидами  лишь небольшая часть их достигает  мест приложения токсического действия растений и животных. Остальная часть  накапливается на поверхности почв. Степень загрязнения почв зависит  от многих причин и прежде всего  от стойкости самого биоцида. Под стойкостью биоцида понимают способность токсиканта противостоять разлагающему действию физических, химических и биологических процессов[1].