Введение 5
Глава 1 Полициклические ароматические углеводороды 9
1.1 ПАУ как стойкие поллютанты 9
1.2 Источники поступления ПАУ в окружающую среду 11
1.3 Экотоксикология ПАУ 13
1.4 Свойства ПАУ в почвах, их влияние на растения 17
1.5 Деградация ПАУ в почвах 19
1.5.1 Микробная деградация 20
1.5.1.1 Ризосфера 22
1.5.1.2 Бактерии рода Pseudomonas, их участие в
биодеградации 24
1.5.2 Химическая деградация 28
1.5.3 Физическая деградация 29
1.5.4 Физико-химическая деградация 30
1.5.5 Фиторемедиация 32
1.5.5.1 Использование растительного сырья после
фитоэкстракци 33
1.5.5.2 Использование растительного сырья после
ризодеградации 35
1.6 Особенности почвы как объекта исследования 37
1.6.1 Экстракция ПАУ из почв 39
1.6.2 Определение ПАУ в экстрактах почв 41
Глава 2 Экспериментальные исследования по биодеградации ПАУ 45
2.1 Построение градуировочных графиков ПАУ 47
2.2 Влияние ПАУ на штамм P. aureofaciens BKM В-2391 Д... 49
2.3 Деградация ПАУ штаммом P. aureofaciens BKM В-2391 Д в
питательной среде 51
2.4 Деградация нафталина в почве штаммом P. aureofaciens
BKM В-2391 Д и его экстракция 53
2.5 Толерантность тестируемых растений Самарской области
по отношению к нафталину 55
2.6 Деградация нафталина симбиозом растений Самарской
области с бактериями P .aureofaciens BKM В-2391 Д 64
Глава 3 Технологическое решение по ремедиации земель, загрязнённых ПАУ 66
3.1 Предлагаемая технологическая схема ремедиации земель.... 66
3.2 Экономический расчёт используемых технологий 68
Заключение 72
Список используемой литературы и используемых источников 74
Острой экологической проблемой является загрязнение биосферы. Известно, что существует естественное загрязнение окружающей среды, например, вулканическим дымом, содержащими высокую концентрацию оксида серы (IV), замутнение водных источников в период оползней, землетрясений, наводнений. Однако природа способна к самоочищению и восстановлению. Естественные загрязнения не наносят ощутимого урона на биосферу в целом. С наступлением индустриальной революции и дальнейшим развитием технической сферы жизни естественное загрязнение ушло на второй план, лидирующим стало антропогенное воздействие. В процессе жизнедеятельности человек оказывает влияние на биосферу: промышленными, сельскохозяйственными, радиационными, шумовыми и электромагнитными загрязнениями, а также разрушает биоценозы, вытесняя фауны и флоры из мест их родного обитания. Стоит отдельно отметить такое загрязнение, как химическое, способствующее накоплению экотоксикантов во всех элементах природной среды.
Наиболее распространёнными поллютантами являются полициклическими ароматическими углеводороды (ПАУ). Они поступают в биосферу в ходе высокотемпературных и естественных процессов деструкции различных органических веществ, например, в процессе лесного пожара, и промышленных, к которым можно отнести сжигание топлива, нефтепереработку и техногенные аварии. Антропогенное загрязнение полиаренами превышает природное образование данных веществ, что приводит к повышению фоновых значений концентрации. Это делает рассматриваемые углеводороды опасными загрязнителями для биосферы.
ПАУ являются высокомолекулярными органическими соединениями бензольного ряда. Их угроза для живых организмов обусловлена выраженными мутагенными, тератогенными, токсическими и канцерогенными свойствами. Накоплению и длительному сохранению полиаренов в биосфере способствуют такие свойства, как малая летучесть, незначительная растворимость. Благодаря таким свойствам данные углеводороды биоаккумулируются в пищевых цепях - для планктонных организмов характерен высокий уровень накопления ПАУ, что способствует разрушению биота.
Перспективными методами выведения из биосферы ПАУ являются процессы детоксикации и очистки, использующие деятельность микроорганизмов. Необходимы разработка и усовершенствование методов отчистки сред биосферы, а также поиск новых микроорганизмов.
Актуальность и научная значимость настоящего исследования: заключается в необходимости выявления толерантных растений по отношению к полиаренам и микроорганизмов, способных к их деградации. Научная значимость состоит в подборе эффективной пары «растение Самарской области - бактерии», которую можно использовать для рекультивации земель, загрязнённых ПАУ.
Объекты исследования: полиарены: антрацен, бенз[а]пирен, нафталин и фенантрен, бактерии P. aureofaciens BKM В-2391 Д, 17 видов растений, произрастающих на территории Самарской области.
Предмет исследования: свойства ПАУ, технологии ремедиации педосферы, способы деградации полиаренов, в частности возможность бактерий рода Pseudomonas к биодеградации ПАУ в консорциуме с растениями и без них.
Цель исследования: снижение содержания полиаренов в почве Самарской области путём их биодеградации симбиозом растений и бактерий рода Pseudomonas.
Гипотеза исследования состоит в том, что бактерии рода Pseudomonas способны к деградации ПАУ, при создании консорциума «исследуемые бактерии - тестируемое растение» эффективность разрушения полиаренов возрастает.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести литературный анализ ПАУ с точки зрения их источников поступления в окружающую среду, экотоксикологии, деградации, экстракции и детектирования;
2. Описать ризосферные бактерии рода Pseudomonas и их пути деградации полиаренов;
3. Провести эксперимент по деградации ПАУ бактериями P. aureofaciens BKM В-2391 Д в питательной среде и в почве;
4. Установить влияние нафталина на тестируемые растения, выявить толерантные виды;
5. Установить эффективные симбиозы «растение - бактерии» для деградации нафталина в почве;
6. Разработать технологическую схему для ремедиации педосферы.
Методы исследования: изучение, анализ и обобщение литературных источников по теме магистерской диссертации. Проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ полученных результатов с применением аналитических методов анализа.
Научная новизна исследования заключается в:
- использование штамма P. aureofaciens BKM В-2391 Д для деградации ПАУ;
- установлении толерантных растений Самарской области по отношению к нафталину и выявление эффективного консорциума «растение - бактерии» для деградации полиаренов, что не было описано ранее;
- разработке технологической схемы ремедиации почвы при загрязнении ПАУ.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в постановке цели и основных задач, выполнении аналитического обзор литературных данных по теме исследования. Изложенные в диссертации результаты исследований получены непосредственно автором работы или совместно с соавторами опубликованных работ. Обсуждение, обобщение и интерпретация полученных результатов исследования, подготовка научных публикаций и тезисов докладов проведены совместно с научным руководителем к.х.н., доцентом О.Б. Григорьевой. Автором диссертации осуществлялось непосредственное планирование и проведение лабораторных экспериментов, анализ и обработка экспериментальных результатов, выполнение расчётов и подведение итогов работы.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXIV Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием), (г. Нижний Новгород, 2021).
Опубликованость результатов.
По теме диссертации опубликована работа в журнале «Молодой учёный» (№ 9 (351), 2021)
На защиту выносятся:
- Кинетика деградации антрацена, бенз[а]пирена, нафталина и фенантрена бактериями P. aureofaciens BKM В-2391 Д в питательной среде Мюллера- Хинтона;
- Кинетика деградации нафталина в почве бактериями P. aureofaciens BKM В- 2391 Д;
- Влияние нафталина на тестируемые 17 видов растений Самарской области;
- Эффективность симбиозов «тестируемое растение - бактерии P. aureofaciens BKM В-2391 Д» для деградации ПАУ;
-Технологическая схема ремедиации земель, загрязнённых ПАУ.
Структура магистерской диссертации.
Работа состоит из введения, 3 глав, заключения, содержит 35 рисунков, 6 таблиц, список использованной литературы и используемых источников (113 источника, из которых 29 на иностранном языке). Основной текст работы изложен на 86 страницах.
Проведён литературный обзор по теме исследования. Основным источником поступления ПАУ в окружающую среду является антропогенное воздействие. Полиарены образуются входе высокотемпературных процессов из органического сырья. Они способны к накоплению в окружающей среде благодаря высокой устойчивости и токсичному воздействию на живые организмы из-за липофильности. Воздействие полиаренов на педосферу имеет негативный характер, отражающийся в снижение плодородия, микробиологическое оскуднение, засоление. ПАУ подвергаются биодеградации в почве бактериями рода Pseudomonas.
Доказана способность бактерий P. aureofaciens BKM В-2391 Д, являющихся действующим веществом, биологического фунгицида «Псевдобактерин-3», деградировать исследуемые представители полиаренов: антрацен, бенз [<Д пирен, нафталин и фенантрен в модельных системах, представленныз питательным агаром Мюллера-Хинтона и искусственно загрязнённой почвой.
Подобраны условия для экстракции нафталина из загрязнённой почвы: УЗ-экстракция метанолом при 32 °C Процент извлечения нафталина 79%.
Нафталин оказывает угнетающее действие на рост и развитие большинства тестируемых представителей флоры Самарской области. Наибольший токсический эффект установлен для базилика огородного, эспарцета песчаного сорта «Виагра», райграса высокого, донника белого, фацелии пижмолистной, что отражается в отсутствии всходов данных растений в загрязнённых почвах на протяжении двух недель эксперимента . Выявлены устойчивые виды растений к низким концентрациям нафталина (до 0,0145 мкг/г): овёс посевной сорта «Скакун», гречиха татарская.
Установлено, что при добавлении инокулята P. aureofaciens BKM В- 2391 Д к растениям токсическое действие полиарена заметно снижалось. Наибольший положительный эффект при добавлении биофунгицида выявлен для следующих растений: овёс посевной сорта «Скакун», салат афицион, белокочанная капуста сорта «Славанова», томат сорта «Дубрава», бораго, гречиха татарская, горчица белая.
Экспериментально установлены лучшие симбиозы «тестируемое растение - бактерии P. aureofaciens BKM В-2391 Д» для ремедиации почвы. Эффективность растений в симбиозе имеет следующий вид: томат < овёс < редис < укроп < горчица < горчица < салат < горох < капуста < клевер < гречиха < мятлик < бораго.
Для рекультивации земель, загрязнённых ПАУ, на основании проведённых экспериментальных исследований разработана технологическая схема по очистке почвы от нафталина в зависимости от его концентрации в почве. При загрязнении выше 0,145 мкг/г предложено использовать микробную деградацию, при загрязнении ниже 0,145 мкг/г - ризодеградацию установленными эффективными симбиозами «растение - бактерии».
Приведены экономические расчёты необходимых ресурсов на 1 м2 загрязнённой почвы, выявлено экономически выгодное растение для симбиоза - гречиха татарская. Оценён эколого-экономического эффекта технологий, доказывающий эффективность выбранных путей очистки почвы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
