Спосіб очистки грунту від важких металів та радіонуклідів

1 Спосіб очищення ґрунту від важких металів та радіонуклідів шляхом обробки культурою бактерій в рідкому мінеральному поживному середовищі, який відрізняється тим, що як бактерії використовують штам Bacillus fastidiosus ВКПМ В 4368 в рідкому мінеральному поживному середовищі, яке містить вуглеводи, і процес бювилуговування проводять до досягнення значення рН=4,06,0 з витратою рідкого компоненту в КІЛЬКОСТІ 0,410 масових частин на 1 масову частину ґрунту, що обробляється 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що при обробці грунтового шару культурою бактерій в стаціонарних умовах підтримують його вологість на рівні 40-70% та після закінчення процесу бювилуговування промивають водою 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що процес обробки знятого грунтового матеріалу культурою бактерій проводять в реакторі-змішувачі і після закінчення бювилуговування очищений грунт ВІДДІЛЯЮТЬ від рідини відстоєм О Спосіб належить до галузі обробки грунту та може використовуватись для очищення грунту, який забруднений важкими металами (ВМ) та радіонуклідами (РН) Розвиток гірничодобувної, металургійної промисловості та ядерної енергетики приводить до контамінації грунтів ВМ та РН Основними заходами очищення грунту від ВМ є фізичні, які грунтуються на вилученні забрудненого шару грунту та його захороненні, ХІМІЧНІ, ЯКІ передбачають інактивацію або зниження токсичної дії цих полютантів за допомогою іонообмінних смол, вапнування, внесення органічних речовин, добрив, що сорбують ВМ, біологічні, які передбачають вирощування рослин, що здатні виносити ВМ з фунту [Кирейчева Л В , Глазунова Л В Методы детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами // Почвоведение -1995 -№7 -С 892-897] В останні роки розвиваються мікробіологічні способи очищення грунту від ВМ, що грунтуються на використанні мікроорганізмів, які в процесі свого розвитку створюють умови, що сприяють зменшенню концентрації ВМ в грунті Відомий спосіб очищення піщаного грунту від ВМ передбачає вилучення забрудненого шару та обробку його культурою гетеротрофної бактерії Alcahgenes eutrophus CH 34 в мінеральному поживному середовищі, яке містить джерела азоту, фосфору та як джерела вуглецю - ацетат, лактат, глюконат (Plasmids for heavy metal resistance in Alcahgenes eutrophus CH 34 Mechanisms and application / J M Collard, P Corbisier, L Dieis et al // FEMS Microbiol Reviens -1994 -14 -P 405-414] Спосіб реалізується в бюреакторі перемішуванням протягом доби грунту з бактеріальною культурою та поживним середовищем Ефективність очищення грунту від ВМ досягає 80% Недоліком способу є його недостатньо висока ефективність Відомий спосіб очищення грунту в стаціонарних умовах, що описаний в роботі [Grudev S N Microbial detocxication of heavy metals in soil // Mmeraha Slovaca -1996 -28 P 335-338] ВІДПОВІДНО до цього способу грунт, який містить ВМ (мідь, цинк, кадмій), обробляють змішаною культурою хемолітотрофних бактерій, що включає Thiobacillus ferrooxidans, Leptospinllum ferrooxidans та Thiobacillus thiooxidans, разом з поживним середовищем, яке підкислене сірчаною кислотою до рН 3,0-3,5 і містить амоній- та фосфат-іони В процесі розвитку вказаної змішаної культури сірчаних бактерій в грунті відбувається бювилужування ВМ та їх валовий вміст в грунті зменшується на 70 і ю ю 00 ю 58557 80%, а концентрація водорозчинних бюдоступних форм - на 90% Очищення грунту проводять в стаціонарних (полевих) умовах, грунт періодично зрошують розчином сірчаної кислоти з рН 3,0-3,5 для підтримки вологості на рівні 45% та розпушують для забезпечення доступу повітря Вказаного вище ефекту очищення вдається досягти тільки після 5 МІСЯЦІВ обробки грунту Недоліком цього способу, що вибраний нами як прототип, є велика тривалість процесу очищення, яка зумовлена низькою швидкістю росту застосованих мікроорганізмів, та недостатня ефективність очистки від ВМ Задачею винаходу є підвищення ефективності мікробіологічного способу очищення грунту від важких металів і радіонуклідів та інтенсифікація процесу Поставлена задача реалізована запропонованим способом очищення грунту від важких металів та радіонуклідів шляхом обробки його культурою бактерій в рідкому мінеральному поживному середовищі, причому в якості бактерій використовують штам Bacillus fastidiosus ВКПМ В-4368 та застосовують поживне середовище, яке містить вуглеводи Процес бювилужування важких металів та радіонуклідів проводять з витратою рідкого компоненту в КІЛЬКОСТІ 0,4-10в ч на 1в ч грунту, що обробляється, до досягнення значення рН=0,4-0,6 Очищення грунту від важких металів та радіонуклідів можна проводити як в стаціонарних умовах, так і в спеціальних реакторах-змішувачах після зняття шару грунту в разі великої його забрудненості При обробці грунту культурою бактерій в стаціонарних умовах підтримують його вологість на рівні 40-70% і після закінчення процесу бювилужування промивають водою При обробці культурою бактерій знятого шару грунту процес ведуть в реакторі-змішувачі і після закінчення бювилужування очищений грунт ВІДДІЛЯЮТЬ ВІД рідини відстоєм Використання штаму бактерій Bacillus fastidiosus ВКПМ В-4368 в рідкому мінеральному поживному середовищі, що містить в якості джерела вуглецю вуглеводи, та ІНШІ умови процесу, які були знайдені авторами та вказані у формулі винаходу, дають змогу значно інтенсифікувати процес очищення грунту від важких металів та радіонуклідів, а також підвищити його ефективність, що переконливо підтверджується даними про результати очищення грунту, які наведені в таблицях №№ 1, 2 Таким чином, поставлена задача вирішена з досягненням необхідного технічного результату Запропонований штам бактерій Bacillus fastidiosus був визнаний непатогеним та прийнятий на депонування 20 травня 1988р Центральним музеєм промислових мікроорганізмів (ЦМПМ) Інституту ВНІІ Генетика під номером Всесоюзної колекції промислових мікроорганізмів (ВКПМ) В4368 Штам був виділений із стічної води металургійного підприємства, яка містила важкі метали При дослідженні властивостей та ознак штаму, які використовуються в сучасній систематиці, та згідно з 8-м виданням визначника Берп, він був ідентифікований як Bacillus (рід) fastidiosus (вид) му Культурально-морфолопчні особливості шта Культура Грам позитивна, утворює еліпсоїдні спори, які розташовані центрально, спорангій не розвивається Клітини паличкоподібні (довжина 35мкм, ширина 1-1,8мкм), в полі зору мікроскопу розташовані поодиноко або в ланцюгах При рості на м'ясо-пептоному агарі (МПА) утворюють округлі шорсткуваті колонії бежевого кольору діаметром до 5мкм, на м'ясо-пептоному бульйоні (МПБ) - суцільну плівку, невелике помутніння та осад Оптимальна температура культивування 30°С, максимальна - 40°С, мінімальна - 10°С Фізюлого-бюхімічні ознаки штаму При рості штаму на МПБ сірководень, аміак та індол не утворюються Штам пдролізує крохмаль, але не пдролізує казеїн, сечовину, тирозин При рості на маніті, сорбіті, КСІЛОЗІ, арабінозі не утворює кислоту, але при катаболізмі глюкози та сахарози кислота утворюється Утилізація штамом глюкози не супроводжується виділенням газу Штам відновлює нітрат в нітрит, продукує фермент каталазу, має позитивну реакцію ФогесПроскауера, не росте в присутності 7% хлориду натрію Корисні властивості штаму Штам здатний в середовищі з колоїдним золотом утворювати крупні агрегати, які випадають в осад, та може бути використаний в технології вилучення тонкодисперсного золота Умови збереження і розмноження штаму Штам зберігають на МПА в умовах холодильника або при кімнатній температурі під гумовою пробкою з пересівом 1 раз на рік Розмножують на МПА або на МПБ при температурі 30°С Генетичні особливості штаму Штам не подається впливу мутагених факторів Нижче наведені конкретні приклади здійснення винаходу, що заявляється Приклад 1 Отримують культуру бактерій Bacillus fastidiosus ВКПМ В-4368 вирощуванням на рідкому поживному середовищі наступного складу (г/л) (NH4)2SO4 - 1,0, К2НРО4 - 0,7, КН2РО4 - 0,3, MgSO4 - 7Н2О - 0,1, глюкоза - 10,0 Процес вирощування проводять при перемішуванні на качалці (320об/хв) протягом 18 годин Потім клітини ВІДДІЛЯЮТЬ відстоюванням протягом 6 годин та декантацією середовища культивування Для приготування робочої суспензії бактерій сконцентровані клітини ресуспендують в поживному середовищі, яке містить джерела вуглецю, азоту і фосфору, КІЛЬКОСТІ яких вказані вище З метою імітації умов обробки грунту в стаціонарних умовах використовують ґрунтовий циліндр, який виповнений у вигляді пластикової колонки діаметром 15см, висотою 20см та має запірний кран в нижній конусободібній частині В даному прикладі проводять очищення дерново-підзольного грунту, забрудненого міддю, для цього його розміщують в грунтовому циліндрі, додаючи робочу суспензію, яка була отримана вище в КІЛЬКОСТІ, що забезпечує співвідношення 10 клітин на 1г грунту Значення рН отриманої вихідної суміші дорівнює 6,5 В подальшому грунт періодично розпушують та контролюють зміну рН Для 58557 підтримки вологості грунту на рівні не менш 40% його зрошують поживним середовищем вказаного вище складу Загальна витрата рідкого компоненту на 1вч грунту складає 0,6в ч Через 10 діб інкубації грунту при температурі 20-22°С значення рН грунту знижується до 5,5 та залишається при більших термінах інкубації поблизу вказаного значення Це свідчить про закінчення процесу бювилужування Далі проводять промивання грунту в колонці двома об'ємами відстояної водопровідної води Після евакуації рідини з колонки відбирають зразок очищеного грунту для визначення вмісту в ньому МІДІ (рухливих форм та валового вмісту) Приклад 2 Процес отримання робочої суспензії бактерій проводять як описано у прикладі 1 Потім здійснюють очищення грунту, забрудненого сумішшю ВМ та РН, яка містить уран-238 (VI), стронцій, цезій, кобальт, цинк та мідь, в ґрунтовій колонці в основному як описано в прикладі 1, однак витрата рідкого компоненту на 1 в ч грунту складає 0,8в ч і процес ведуть протягом 10 діб до досягнення значення рН 5,7 Після закінчення процесу бювилужування грунт в колонці промивають чотирма об'ємами води та визначають вміст в ньому ВМ та РН, які наведені вище Приклад З Отримують культуру бактерій Bacillus fastidiosus ВКПМ В-4368 як описано в прикладі 1 Для одержання робочої суспензії клітини ресуспендують в СТІЧНІЙ воді цукрового виробництва наступного складу (г/л) азот - 0,012, фосфор (Р2О5) 0,1, біологічне споживання кисню -15,0, сахароза 20,0 Далі процес очищення грунту, забрудненого сумішшю ВМ та РН проводять в основному як описано в прикладі 1, однак витрата рідкого компоненту складає 0,5вл на 1вч грунту Процес проводять протягом 10 діб до досягнення значення рН 5,5 Після закінчення процесу бювилужування металів грунт промивають шістьма об'ємами води та визначають в ньому залишковий вміст ВМ та РН Приклад 4 Одержання робочої суспензії культури бактерій проводять як описано в прикладі 1 Процес обробки грунту проводять в бюреакторі-змішувачі у вигляді колби ємністю 1,0л (робочий об'єм 0,5л) з магнітною мішалкою До колби засипають забруднений грунт та додають робочу суспензію бактерій Обробці піддають три зразки грунту, який забруднений а) міддю, б) стронцієм та в) ураном 238 (VI) Процес бювилужування проводять при температурі 22°С з постійним перемішуванням (220об/хв) до досягнення значення рН 4-5 Після закінчення процесу бювилужування (частіше через 18 годин) суміш відстоюють, рідину зливають, а очищений грунт аналізують Для оцінки ефективності очищення грунту за прикладами 1-4 визначають вміст в ньому ВМ та РН перед очищенням та після нього Екстракцію металів з грунту здійснюють згідно загальноприйнятих методик [Практикум по агрохимии / Под ред БА Ягодина - М Агропромиздат, 1987 - 512с], після чого концентрацію металів (крім урану) визначають методом атомноабсорбційної спектрофотометри, концентрацію урану-238 (VI) визначають методом колориметрії з Арсеназо-ІІІ [Сборник методик по радиометрическому аналізу и методам радиометрических измерений - М Изд-во Миноборона, 1973 - С 117120] Ефективність очищення грунту оцінюють за показником ступеня очищення (СО), який визначається за формулою СО=(100-А100/Ао), де Ао - вміст металу в грунті перед очищенням (мг/кг), А - те ж після очищення (мг/кг) При цьому оцінюють окремо ступінь очищення грунту за валовим вмістом металу (Ао вал ) та вмісту рухливих його форм (А рухл ) Результати очищення грунту в стаціонарних умовах за прикладами 1-3 представлені в таблиці 1 В таблиці 2 представлені основні параметри процесу та результати очищення грунту в реакторі-змішувачі запропонованим способом Для порівняння представлені також дані щодо очищення зразку грунту, який забруднений міддю, відомим способом з використанням культури бактерій Alcahgenes eutrophus CH 34 в мінеральному поживному середовищі, яке містить в якості джерела вуглецю ацетат Представлені в таблицях 1, 2 дані ілюструють переваги заявленого способу порівняно з відомим за ефективністю очищення, при цьому досягається значна інтенсифікація процесу, особливо при очищенні в стаціонарних умовах, де забезпечується прискорення процесу бювилужування и в 15 раз 58557 7 Таблиця 1 Таблнвя 2 вм Aft, чг/кг А мі/кг СО РН вад рухл вал Р>*я вал рухл Приктал 1 580 60 58 24 90 96 Гніввші юшашя рідкою рН АЙ, мг/кг А, мк/кг СО, % Си РН ВІІ і рухл вал рукя вал ручл Приклад 2 U 238 50 10,0 5,0 1,0 90,0 90 0 Ьг 330 38,0 35,0 1,0 91,1 92 0 Cs ISO 20,0 35,0 3,0 91,1 92,0 Со 160 20,0 і 2,0 0,6 92,5 97 0 Zn І 04 І 8,0 10,0 0,6 91,4 96,7 Си НО 20 0 і 0,0 1,0 91,9 95,0 Прик іад 4 а) Си 6 1 4,0 580 50,0 46,4 0,5 М,0 99 0 5) Sr 4 1 5.0 500 65,0 50,0 3 25 в) U 238 8 І 4,5 250 35,0 17 э 0,42 43 0 98,8 6 І 8,8 580 э,0 90,0 95 5 ШДОМИН LOOCfO ПрикіаяЗ Си II 238 50 І 0,0 6,0 0,5 90,0 Sr 330 38,0 33,0 3,0 92,0 180 20,0 35,0 2,5 91 1 164 20 0 10,0 0,4 93,0 97,5 Zi! іО4 !80 і 0,0 0,4 91,4 97,0 Си ПО 20 0 8,0 >,0 92,0 80,0 90 0 92,8 Со і 16,0 92,0 Сі 5(1,0 95,0 Комп'ютерна верстка Е Гапоненко 92,0 Підписано до друку 05 09 2003 Тираж 39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна