Біосорбційний матеріал деструктивного типу для очищення водних та ґрунтових середовищ від пестицидів

Реферат: Біосорбційний матеріал деструктивного типу для очистки ґрунтових та водних середовищ від пестицидів включає сорбент рослинного походження, а саме подрібнений торф, подрібнену солому пшениці і буряковий жом, з іммобілізованим на ньому консорціумом мікроорганізмівдеструкторів пестицидів, зокрема протеолітичних та амілолітичних груп Pseudomonas і Bacillus, та мінеральні добавки, що містять азот, фосфор і калій, наприклад азотні, фосфорні, калійні добрива. Консорціум мікроорганізмів виділений із забруднених пестицидами нативних ґрунтів і включає такі основні види як Sporocytophage mixococcoides, Sporangium cellulosum, Cellvibriomixtus, Trichoderma viridac, гетеротрофні бактерії Pseudomonas fluorescens, Bacillus megaterium. UA 88046 U (12) UA 88046 U UA 88046 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до екології та біотехнологій і стосується біосорбційного очищення ґрунтових та водних середовищ від отрутохімікатів (пестицидів) та рекультивації забруднених пестицидами ґрунтів, точніше до технології детоксикації пестицидів з використанням мікроорганізмів-деструкторів, іммобілізованих на поверхні спеціалізованих комбінованих сорбентів. Такий матеріал може бути використаний у водному та сільському господарстві, агропромисловому комплексі та інших галузях народного господарства. Проблема очищення об'єктів навколишнього середовища від забруднення пестицидами, утилізації надлишкових кількостей відомих та не ідентифікованих сільськогосподарських отрутохімікатів, що зберігалися на різних складах та сховищах, є для сьогодення надзвичайно актуальною. Деякі хлорорганічні пестициди, похідні карбамінової, тіо- та дікарбамінової кислот, їх метаболіти являють собою найбільшу небезпеку. Вони здатні накопичуватися та зберігатися у природному середовищі протягом десятиліть, навіть при внесенні їх у дозованих кількостях згідно з правилами застосування. У природних умовах всі хімічні сполуки, що використовуються як пестициди, в тій чи іншій мірі схильні до деструкції, що зумовлено біотичними факторами та іншими процесами. З біотичних факторів провідна роль у процесі розкладу пестицидів належить мікрофлорі ґрунту. В даний час виділено значну кількість штамів грибів, бактерій, актиноміцетів, водоростей, здатних розкладати пестициди до нетоксичних сполук. В розкладанні розчинних пестицидів активніше беруть участь бактерії, а слаборозчинних - мікрогриби. Тривалість деструкції пестицидів мікроорганізмами (МО) може коливатися від днів до місяців, а іноді й десятки років, залежно від хімічного складу речовини, видів мікроорганізмів, властивостей фунтів (температура, аерація і т.д.). З усіх відомих способів дезактивації токсичних органічних сполук найбільш перспективними є біотехнологічні способи. Переваги мікробіологічних методів дезактивації над іншими методами пояснюються тим, що мікроорганізми мають величезну різноманітність ферментних систем і великою лабільністю метаболізму, що дозволяє розкладати широкий спектр хімічно стійких сполук. Ряд авторів пропонують препарати для очищення ґрунтів від надлишкових кількостей пестицидів з використанням певних мікроорганізмів для деструкції конкретних пестицидів. Українськими авторами запропоновано удобрювальний біопрепарат "ФОСФОЕНТЕРИН" на основі штаму фосфатмобілізуючих бактерій ENTEROBACTER NIMIPRESSURALIS 32-3, кукурудзяного екстракту, меляси та крейди [1]. Біопрепарат підсилює очисну спроможність мікрофлори ґрунту від пестицидів та застосовується головним чином як препарат для удобрювання ґрунту. Недоліком препарату є низька здатність до деструкції пестицидів. Відомий винахід для очищення ґрунтів від отруйних і токсичних речовин, в тому числі пестицидів, де як мікроорганізми-деструктори використовують адаптовану до отрутохімікатів спонтанну мікрофлору гною сільськогосподарських тварин і птахів, отриману в процесі компостування шляхом багатостадійної ферментації з додаванням отрутохімікатів при поступовому збільшенні їх концентрації [2]. При цьому як засівний матеріал в кожній подальшій стадії ферментації використовують 10-30 % готового компосту з попередньої стадії. Але ця мікрофлора не містить мікроорганізми спрямованої біодеструктивної дії на пестициди. Російськими вченими розроблено мікробний препарат для утилізації пестицидів сімтриазинової групи [3]. Запропонований мікробний препарат одержують змішуванням біологічно активного ґрунту, до складу якого входять целюлозорозкладаючі мікроорганізми, з соломою. При цьому як індикатор додають пестицид сім-триазинової групи. Недоліком препарату є обмеженість його застосування. Відомий препарат для деструкції пестицидів на основі адаптованої асоціації мікроорганізмів, виділеної із зараженого пестицидом ґрунту [4]. Препарат застосовують в умовах аерації та при додатковому внесенні до забрудненого об'єкту гумату калію. Спочатку одержують деструктуючий агент (асоціацію мікроорганізмів) шляхом культивування на елективному живильному середовищі. Асоціація мікроорганізмів представлена целюлозорозкладаючими мікроорганізмами, азотобактером, гетеротрофними бактеріями, вуглеводнеокислюючими мікроорганізмами, мікрогрибами, дріжджами і актиноміцетами. Недоліком препарату є обмежена сфера застосування: препарат може бути використаний тільки при очищенні ґрунтів від хлорорганічних пестицидів. Відомий також бактеріальний препарат для очищення ґрунту на основі штаму Alcaligenes latus, який розкладає поліхлоровані біфеніли [5]. Однак він не може бути використаний для деструкції інших пестицидів. Відома композиція для очистки забрудненого ґрунту, де як сорбент використовують термічно оброблену при температурі 200-300 °C глауконітову породу з вмістом глауконіту 4090 % та як мікроорганізми використовують бактеріальну масу у вигляді ліофільно висушеного 1 UA 88046 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 порошку [6]. Сорбент та бактеріальну складову попередньо перемішують при співвідношенні 500-1000 г бактеріального препарату та 1 т сорбенту. Глауконіт переводить забруднювач в сорбований безпечний стан. Одночасно протікає активне розкладання забруднювача мікроорганізмами, що входять до складу бактеріального препарату. Глауконіт за рахунок своєї пористої структури забезпечує оптимальні умови для життєдіяльності мікроорганізмів-деструкторів і значно підвищує ефективність біологічного розкладання забруднювача. Недолік винаходу - процес біодеструкції здійснюється тільки в аеробних умовах при наявності кисню. Відомий сорбційний матеріал для очищення ґрунту від пестицидів, що містить глауконіт [7]. Препарат включає глауконітвмісну речовину, біологічно-активний анаеробний мул з адаптованою анаэробною мікрофлорою біодеструкторів та кислотний стимулятор. Недоліком цього сорбенту є низька ефективність очищення і значні витрати. Найбільш близьким за технічною суттю та досягнутим результатам до біосорбційного матеріалу, що заявляється, є мікробний препарат для розкладання пестицидів сім-триазинової групи [8]. Препарат являє собою асоціацію штамів бактерій родів Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus, іммобілізованих на сорбенті, наприклад, подрібненому торфі. Біопрепарат одержують шляхом культивування вихідної культури мікроорганізмів на мінеральному середовищі. Вихідну культуру консорціуму мікроорганізмів виділяють з суміші біологічно активного ґрунту (ПАГ) та 20-30 % подрібненої соломи, в яку додається індуктор - пестицид сімтриазинової групи. Цю суміш інкубують 1-2 місяці при температурі 26-28 °C. Як мінеральне середовище використовують зволожений до 50-70 % торфо-солом'яний субстрат. Недоліком цього біосорбційного матеріалу є можливість застосування його для знешкодження пестицидів тільки сім-триазинової групи, низька біологічна здатність до біодеструкції, а також непрацездатність в анаеробних умовах. Для деструкції пестицидів доцільно використання не монокультури мікроорганізмів-деструкторів, а адаптованої асоціації мікроорганізмів. Асоціація (консорціум) ґрунтових мікроорганізмів має ширші і різноманітніші метаболічні можливості, ніж окремо взятий мікроорганізм. Спільна діяльність асоціації мікроорганізмів дозволяє довести пестициди до повної мінералізації. Таким чином відомі біологічні препарати, матеріали та суміші потребують покращення їх експлуатаційних характеристик шляхом розширення діапазону деструктивної дії відносно пестицидів різного хімічного складу та досягнення кінцевого результату очищення природних середовищ від пестицидів до норм ГДК. В основу корисної моделі поставлена задача розробки сорбційного матеріалу біодеструктивного типу на основі екологічних сорбуючих матеріалів рослинного походження з іммобілізованим консорціумом мікроорганізмів-деструкторів широкого спектру дії для очистки природних ґрунтових та водних середовищ від пестицидів різного хімічного складу. Розроблений для вирішення поставленої задачі біосорбційний матеріал деструктивного типу дає можливість одержати технічний результат, що полягає в покращенні екологічного стану довкілля за рахунок підвищення ступеня очистки ґрунтових та водних середовищ від пестицидів різного хімічного складу, їх детоксикації, і розширенні області застосування такого матеріалу. Суть запропонованої корисної моделі полягає в тому, що у відомому біосорбційному матеріалі деструктивного типу для очистки ґрунтових та водних середовищ від пестицидів, що включає сорбент рослинного походження, а саме подрібнений торф, з іммобілізованим на ньому консорціумом мікроорганізмів-деструкторів пестицидів, зокрема протеолітичних та амілолітичних груп Pseudomonas i Bacillus, та мінеральні добавки, що містять азот, фосфор і калій, наприклад азотні, фосфорні і калійні добрива, відповідно до заявленої корисної моделі, сорбент додатково містить подрібнену солому пшениці і буряковий жом, а також консорціум мікроорганізмів-деструкторів виділений з забруднених пестицидами нативних ґрунтів і включає такі основні види як Sporocytophage mixococcoides, Sporangium cellulosum, Cellvibriomixtus, Trichoderma viridac, гетеротрофні бактерії Pseudomonas fluorescens, Bacillus megaterium при такому співвідношенні компонентів матеріалу, мас. %: композиція рослинних 92-96 речовин консорціум мікроорганізмів 3-7 мінеральні добавки 0,1-1. Композиція рослинних речовин включає компоненти, переважно, при такому співвідношенні, мас. %: солома пшениці 40-50 торф 20-30 буряковий жом 30-40. 2 UA 88046 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Солома пшениці - активний поглинач органічного забруднювача, носій МО та джерело ферменту - жовта лакказа, який є активним до розкладання органічних речовин різного походження; торф - консервант МО, джерело органічного живлення; буряковий жом - джерело полісахаридів та ефективний утримувач вологи в системі (1 г жому утримує 5 г води). Сорбційні технології перспективні для виділення та використання природної мікрофлори, що складається з асоціації мікроорганізмів-деструкторів певної спрямованості, а використання композиційного сорбенту, активного до пестициду як носія для іммобілізації цих мікроорганізмів, дає можливість створення ефективних сорбційно-біологічних систем детоксикації пестицидів. Такий сорбційний біокомплекс конкурентно здатний в природних умовах. Іммобілізація мікроорганізмів-деструкторів на поверхні сорбційної матриці підсилює деструктивну дію мікроорганізмів та стійкість їх властивостей. У асоціації чи консорціумі мікроорганізмів генний мул, що відповідає за метаболізм, на декілька порядків різноманітніший, ніж у окремих видів. Сукупна діяльність мікроорганізмів консорціуму дає змогу довести до повної мінералізації будьякі органічні сполуки, що не може зробити популяція одного виду мікроорганізмів. Таким чином, запропоновано новий підхід до вирішення проблем біоочищення забруднених пестицидами середовищ, що полягає в створенні біосорбційних комплексів, в яких мікроорганізми-деструктори закріплюються на носіях не інертних, а сорбційно-активних до забруднювача та мікроорганізмів. Аналіз літературних даних стосовно відновлення забруднених пестицидами ґрунтів підтверджує, що найбільш ефективним є використання адаптованої культури консорціуму мікроорганізмів, що вирощуються на твердофазних середовищах, де як субстрат-носій можуть бути природні матеріали. Запропонований біосорбційний матеріал деструктивного типу одержують наступним чином. Одержано композицію на основі рослинних сорбентів: торфу, соломи пшениці, бурякового жому та консорціуму адаптованих мікроорганізмів, де основними видами були Sporocytophage mixococcoides, Sporangium cellulosum, Cellvibriomixtus, Trichoderma viridac, гетеротрофні бактерії Pseudomonas fluorescens, Bacillus megaterium та інш., що виділяються з природних екосистем. Виділення асоціації мікроорганізмів-деструкторів пестицидів передбачає змішування активного ґрунту, відібраного з поля, де довгий час застосовували пестициди різного хімічного класу. Біологічно активний ґрунт змішували з водою (в/г =1/1) та додавали 20-30 % подрібненої соломи пшениці, торфу та бурякового жому, після чого в одержаний субстрат вносили 10-100 мг пестициду та інкубували протягом 1-2 місяців при температурі 28-30 °C. Спочатку було одержано вихідну культуру консорціуму мікроорганізмів. Потім вихідну культуру суміші мікроорганізмів культивували на твердофазному органо-мінеральному середовищі (торф-солома пшениці-буряковий жом та мінеральні добавки). Буряковий жом здатен доповнювати систему поживними речовинами і утримувати необхідну вологість в системі завдяки гідрофільності (5 г води на 1 г жому), та мінеральну добавку з вмістом таких елементів: 1,5-2,0 г/кг азот матеріалу; 1,5-2,0 г/кг фосфор матеріалу; 2,0-3,5 г/кг калій матеріалу. Як мінеральну добавку використовували мінеральні добрива, які містили зазначені елементи в перерахунку на компонентний склад. Вихідну культуру консорціуму мікроорганізмів у співвідношенні 10-20 % від загальної маси суміші, перемішували та переносили у термостат при температурі 28-30°С, де витримували при періодичному перемішуванні протягом 2-х місяців до показника сухої біомаси мікроелементів 10-15 мг на 100 г маси суміші. Культури мікроорганізмів, спрямованих на деструкцію пестицидів, формуються в процесі утилізації рослинних полісахаридів і геміцелюлоз, які містять солома, буряковий жом та торф. Окремі представники мікробного консорціуму мали різну здатність до розкладання пестицидів на різних стадіях дозрівання культури, що забезпечує стабільну ефективність препарату протягом тривалого часу. З отриманої таким способом асоціації мікроорганізмів ми виділили чисті культури. Потім відібрали найбільш активний комплекс мікроорганізмів, що склав основу мікробної біомаси деструкторів пестицидів. Теоретичні та експериментальні дослідження показали, що характер розмноження мікроорганізмів-деструкторів різний для вільних бактеріальних культур (культуральна рідина) та іммобілізованих на сорбенті. Ефективність знешкодження забруднювача мікроорганізмами 3 UA 88046 U 5 10 15 деструкторами, які іммобілізовані на поверхні носія, на 90 % вище, ніж мікроорганізмами у вільному емульсованому стані. В табл. 1, 2 наведені дані по розкладанню пестицидів під дією МОД (мікроорганізмівдеструкторів) у вільному стані (культуральна рідина) та іммобілізованих на сорбційному композиті на прикладах модельних зразків ґрунту та водного середовищ. Іммобілізація МОД на функціональному сорбційному матеріалі збільшує метаболічну дію і ступінь деструкції забруднювача. Проведені промислові випробування біосорбційного матеріалу (орієнтовна назва Агродетокс) на експериментальному полі, де проведено висів цукрових буряків. Біосорбційний препарат вносився в ґрунт через період, коли певні пестициди виконали свою задачу. До кінця вегетаційного періоду контролювали біомасу наземної частини і кореневої системи цукрових буряків, що розвивалися в забрудненому ґрунті контрольного поля та на експериментальній ділянці. У вирощених рослинах в забрудненому ґрунті відповідні параметри були нижчі в 1,5-2 рази, в порівнянні з експериментальним, де ґрунт був оброблений біосорбційним детоксикантом. Крім того, у ґрунті експериментальної ділянки загальний вміст пестицидів знизився на 89 %. Незмінним він залишився у ґрунті контрольного поля при наявності тільки аборигенної мікрофлори. Таблиця 1 Деструктивна активність біосорбційного комплексу та мікроорганізмів-деструкторів у вільному стані відносно пестицидів (мг/л) у водному середовищі (модельні системи) Вміст пестицидів у воді, мг/100 г води Варіант внесення МО-деструктора Час від початку Мікроорганізми-деструктори, Мікроорганізми-деструктори у обробки іммобілізовані на сорбційному вільному стані(культуральна рідина) матеріалі (композиті) хлоридазон Нурел-Д хлоридазон Нурел-Д Вихідний 50,0 30 50,0 30,0 через 10 днів 49,2 25 44,0 21,0 через 20 днів 44,0 21 35,0 18,0 через 30 днів 42,0 19 32,0 12,0 через 40 днів 38,0 18 24,0 8,0 через 50 днів 36,5 17,4 21,0 4,0 через 60 днів 34,5 16,2 18,1 2,0 через 80 днів 25,0 15,4 10,2 1,5 через 100 днів 24,0 15,0 4,2 0,9 через 120 днів 21,0 14,9 0,8 0,4 20 4 UA 88046 U Таблиця 2 Деструктивна активність біосорбційного комплексу та мікроорганізмів-деструкорів у вільному стані відносно пестицидів (мг/л) у ґрунті (модельні системи) Вміст пестицидів у ґрунті, мг/100 г ґрунту Варіант внесення МО-деструкторів Час від початку Мікроорганізми-деструктори, Мікроорганізми-деструктори у обробки іммобілізовані на сорбційному вільному стані(культуральна рідина) матеріалі (композиті) хлоридазон Нурел-Д хлоридазон Нурел-Д Вихідний 50,0 30,0 50,0 30,0 через 10 днів 49,2 25,0 32,0 18,0 через 20 днів 42,0 20,0 24,0 16,0 через 30 днів 38,6 18,0 22,0 11,8 через 40 днів 32,0 16,0 19,1 6,0 через 50 днів 28,0 10,0 18,0 4,0 через 60 днів 24,0 7,3 11,6 3,2 через 70 днів 12,0 6,2 8,0 2,4 через 80 днів 10,0 5,8 2,4 1,1 через 100 днів 8,0 3,4 0,08 0,8 через 120 днів 6,1 2,9 0,02 0,02 5 10 15 Перевагою і відмінністю запропонованого матеріалу є новий підхід до вирішення проблем біоочищення забруднених пестицидами середовищ, що полягає в створенні біосорбційних комплексів, в яких мікроорганізми-деструктори широкого спектра дії природного походження закріплюються на екологічних, специфічних функціонально обґрунтованих носіях не інертних, а сорбційно-активних до забруднювача та мікроорганізмів. Іммобілізація мікроорганізмівдеструкторів на поверхні сорбційної матриці підсилює деструктивну дію мікроорганізмів та стійкість їх властивостей. Джерела інформації: 1. Патент України № 12537 U, МПК С05Р11/08, опубл. 15.02.2006 р.,бюл. № 2. 2. Патент РФ № 2077398, МПК В09С101:00, опубл. 20.04.1997 p. 3. Патент РФ № 2279325, МПК В09С1/10; С12М1/00, опубл. 10.07.2006 p. бюл. № 19. 4. Патент РФ № 2448786, МПК В09С1/10, опубл. 27.04.2012 р. 5. Міжнародна заявка № WO 99/41356, опубл. 19.08.1999 р. 6. Патент РФ № 2410170, МПК В09С1/10; C12N1/26, опубл.27.01.2011 р. 7. Патент РФ № 2296016, МПК В09С1/08; G21F9/28, опубл. 27.03.2007 р. 8. Міжнародна заявка № WO2013007398, МПК C12N1/20; B09C1/10; C02F3/34, опубл. 17.01.2013 р. – прототип. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 1. Біосорбційний матеріал деструктивного типу для очистки ґрунтових та водних середовищ від пестицидів, що включає сорбент рослинного походження, а саме подрібнений торф, з іммобілізованим на ньому консорціумом мікроорганізмів-деструкторів пестицидів, зокрема протеолітичних та амілолітичних груп Pseudomonas і Bacillus, та мінеральні добавки, що містять азот, фосфор і калій, наприклад азотні, фосфорні, калійні добрива, який відрізняється тим, що сорбент додатково містить подрібнену солому пшениці і буряковий жом, а консорціум мікроорганізмів виділений із забруднених пестицидами нативних ґрунтів і включає такі основні види як Sporocytophage mixococcoides, Sporangium cellulosum, Cellvibriomixtus, Trichoderma viridac, гетеротрофні бактерії Pseudomonas fluorescens, Bacillus megaterium при такому співвідношенні компонентів матеріалу, мас. %: композиція рослинних речовин 92-96 консорціум мікроорганізмів 3-7 мінеральні добавки 0,1-1, причому сорбційна композиція включає компоненти, переважно, при такому співвідношенні, мас. %: солома пшениці 40-50 5 UA 88046 U торф 20-30 буряковий жом 30-40. 2. Біосорбційний матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що як мінеральні добавки використовують мінеральні добрива: азотнокислий амоній, калій сірчанокислий, суперфосфат простий. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6