Стрижакова Е.Р., Васильева Г.К.
Введение
Одной из причин низкой эффективности биоремедиации сильно загрязненных почв является высокая токсичность загрязнителей по отношению к микробам и растениям. Ранее нами было предложено проводить биоремедиацию сильно загрязненных органическими химикатами почв на фоне активированного угля (АУ), который существенно снижает токсичность этих почв. При этом сорбированный химикат также утилизируется микроорганизмами или превращается в прочно связанные продукты. Активированный уголь уже давно применяется для очистки питьевых и сточных вод от органических загрязнителей, а также в качестве сорбента при очистке грунтовых вод или для улавливания летучих соединений при проведении биоремедиации почв [3, 4]. Основная цель данного исследования заключается в изучении возможностей использования активированного угля при in situ биоремедиации почв на примере двух типов органических загрязнителей (3,4-дихлоранилин - ДХА и полихлорированные бифенилы - ПХБ), сильно отличающихся по свойствам и биодеградабельности.
Материалы и методы
Эксперименты с ДХА проводили в лабораторных условиях с образцами серой лесной почвы, отобранной вблизи г. Пущино (суглинистая, Сорг. 2,1%, рН 5,5). Почву, специально загрязненную ДХА (6550 мг/кг), смешивали с АУ марки СКТ-6А и инокулировали P. denitrificans штамм 3ХА (105 клеток/г), способными расти на ДХА в качестве единственного источника углерода, азота и энергии [8]. Периодически проводили фракционный анализ почвы на содержание водо- и ацетон-экстрагируемой, а также связанной фракций ДХА с использованием метода ВЭЖХ. Связанный загрязнитель определяли по высвобождению ДХА в результате щелочного гидролиза при кипячении с 5N NaOH [6]. Степень полной деградации ДХА определяли по накоплению Cl--ионов, т. к. скорость-лимитирующим процессом его микробной деградации является дигидроксилирование ароматического кольца с его последующим расщеплением. После этого происходит быстрая утилизация продуктов расщепления, сопровождающаяся стехиометрическим выделением Cl--ионов [8]. Численность микроорганизмов-деструкторов в почве определяли кинетическим методом [7].
Эксперименты с ПХБ проводили на почве, отобранной вблизи завода «Конденсатор» г. Серпухова Московской области. Использование при производстве конденсаторов Совола до 1990 года привело к значительному загрязнению почвы на территории завода и в окрестностях. Эксперименты проводили с двумя типами почв: супесчаная (pH 7.3, Cорг. 14.1 %) и лугово-аллювиальная (pH 7.3, Cорг. 2 %), в которых исходная концентрация ПХБ составляла 4024 и 1700 мг/кг соответственно. Почву предварительно просеивали через сито диаметром 2 мм, перемешивали с гранулированным углем марки «Агросорб» и инкубировали в вегетационных сосудах в микрополевых условиях в течение 2-х лет. Вегетационные сосуды увлажняли по мере необходимости. На второй год почву засевали семенами клевера белого.
Почвы, загрязненные ПХБ, анализировали с помощью модифицированного метода, описанного в [1]. При этом определяли фракции экстрагируемых растворителями и связанных ПХБ в почве. Первую фракцию экстрагировали смесью гексан-ацетон (4:1), а вторую - кипящим толуолом. Окончательное определение ПХБ в экстрактах проводили с помощью хроматомасс-спектрометра.
В этом и предыдущем исследовании определяли фитотоксичность почв по всхожести семян, а также по длине корневой системы и ростков кресс-салата или растений клевера. Интегральную токсичность почв определи с помощью острого и хронического тестов на Daphnia magna [2].
Результаты и обсуждение
Биодеградация ДХА. Было отмечено небольшое (до 27%) снижение концентрации ДХА (С0=15000 мг/кг) в контрольной необработанной АУ почве, которое происходило вследствие его связывания почвенным матриксом. Исчезновение ДХА в почве, обработанной одновременно АУ и микроорганизмами-деструкторами, резко ускорялось. Почти весь ДХА разлагался микроорганизмами-деструкторами, что подтвердилось высвобождением Cl--ионов и образованием лишь незначительного количества (до 4%) связанного ДХА. Через 2 месяца после обработки концентрация ДХА снизилась на 95%, а численность инокулированных бактерий достигла 106 клеток/г. После биоремедиации в почве находили ДХА в концентрации <100 мг/кг, а также следовые концентрации тетрахлоазобензола, в то время как в загрязненной ДХА почве этот токсичный и стойкий метаболит накапливается обычно в значительных количествах. Биотесты показали отсутствие острой и хронической токсичности почвенных экстрактов для D. magna после проведения биоремедиации. Разработанный метод был успешно применен при ликвидации последствий аварийной утечки 17 тон гербицида пропанида (3,4-дихлоранилина) [5, 7].
Детоксикация ПХБ. Первые положительные результаты получены при использовании активированного угля для детоксикации почв, сильно загрязненных ПХБ. В обработанных АУ почвах резко снижалась концентрация экстрагируемых ПХБ, а фито- и биотоксичность почв через 1,5 мес. после внесения АУ были незначительными. В то же время в контрольной почве в течение 2-х лет концентрации этих загрязнителей почти не изменялись, а фито- и биотоксичность этих почв оставались очень высокими. Есть доказательства того, что детоксикация ПХБ в почве, обработанной АУ, достигается за счет прочного связывания молекул ПХБ внутри нано-порового пространства сорбента вследствие образования p-p-связей между ароматическими кольцами бифенилов и графеновыми структурами угля.
Заключение
На примере ДХА и ПХБ показано, что внесение оптимальных доз активированного угля в сильно загрязненные почвы может создать условия для микробной утилизации сравнительно биодеградабельных загрязнителей и обеспечить прочное связывание высоко персистентных полиароматических химикатов. В обоих случаях достигается быстрая детоксикация загрязненных почв.
Благодарность
Авторы выражают благодарность сотрудникам Химического факультета МГУ д.б.н. А.Т. Лебедеву и к.х.н. С.Н. Николаевой за проведение химического анализа почв на содержание ПХБ. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Московской области (гранты № 01-05-97006 и 04-05-97203).
Литература
(1) Bobovnikova TsI, Alekseeva LB, Dibtseva AV, Chernik GV, Orlinsky DB, Priputina IV, Pleskachevskaya GA (2000) The Influence of a capacitor plant in Serpukhov on vegetable contamination by polychlorinated biphenyls. Sci Total Environ 246: 51-60
(2) Cornelis AM, van Gestel JJ, van der Waarde JCM and others (2001) The use of acute and chronic bioassays to determine the ecological risk and bioremediation efficiency of oil-polluted soils. Environ Toxicol Chem 20(7): 1438-1449
(3) Khodadoust AP, Sorial GA, Wilson GJ, Suidan MT, Griffiths RA, Brenner RC (1995) Integrated system for remediation of contaminated soils. J Environ Engin 125(11): 1033-1041
(4) Pradhan SP and Srivastava VJ (1997) A pilot-scale demonstration of an innovative soil remediation process: Air emissions quality. J. Air & Waste Manag Assoc. 47(6): 710-715
(5) Vasilyeva GK, Bakhaeva LP, Surovtseva EG (1996) The use of in situ soil adsorptive bioremediation following an accidental spill of propanil in the Krasnodar region of Russia. Land Contam Reclam 4: 263-268
(6) Бахаева Л.П., Васильева Г.К., Суровцева Э.Г., Мухин В.М. (2001) Микробная деградация 3,4-дихлоранилина, сорбированного активированным углем. Микробиология 70: 277-284
(7) Васильева Г.К., Суровцева Э.Г., Семенюк Н.Н., Глаголев М.В., Паников Н.С. (1995) Метод определения численности микроорганизмов-деструкторов хлоранилинов в почве Микробиология 64: 554-559