Биоремедиация почвы, загрязненной тяжелыми металлами

Установлено, что содержание тяжелых металлов в отобранных образцах почвы г. Перми составляет от 0.1 до 500 и выше мг/кг почвы. Уровень загрязнения в них превышает ПДК от 6 до 70 раз. Степень извлечения тяжелых металлов из загрязненных почв с помощью Rhodococcus-биосурфактантов в 1,5−50 раз превышает таковую по сравнению с использованием твина 60. Наиболее эффективным является применение биосурфактанта, продуцируемого R. ruber ИЭГМ 231 в присутствии С16. Выявлена прямая зависимость повышения всхожести семян, роста корней и побегов растений-аккумуляторов тяжелых металлов от присутствия Rhodococcus-биосурфактантов.

Цель настоящей работы – оценка возможности использования Rhodococcus-биосурфактантов для фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами.
Конкретные задачи исследования включали:
1. Оценить возможность использования сурфактантов для извлечения тяжелых металлов из почв с долгосрочным техногенным загрязнением.
2. Сравнить эффективность применения сурфактантов биогенного (Rhodococcus-биосурфактантов) и синтетического (твин 60) происхождения.
3. Изучить влияние тяжелых металлов на прорастание фитоаккумуляторов (вики полевой, горчицы белой и овса посевного) в присутствии Rhodococcus-биосурфактантов.
4. Оценить эффективность очистки загрязненных почв методом фиторемедиации с использованием Rhodococcus-биосурфактантов.

В настоящее время остро стоит проблема техногенного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ). ТМ не подвергаются биодеградации. Они оседают в почве и по трофическим цепям передаются высшим животным, человеку, отрицательно влияя на их жизнедеятельность.

Существующие способы очистки от ТМ базируются на использовании физико-химических приемов, которые не обеспечивают полноты удаления ионов ТМ. Биосурфактанты способствуют увеличению десорбции металлов от компонентов почвы, а растения активно аккумулируют ионы ТМ. В связи с этим идет разработка комбинированного экологически безопасного способа очистки почвы с одновременным использованием биосурфактантов и фиторемедиации.

В работе использовали 11 почвенных образцов, отобранных нами на территории деятельности различных предприятий, являющихся ключевыми источниками загрязнения ТМ и располагающихся в различных районах города Перми.

Почвенные образцы анализировали по уровню влажности, показателю активной кислотности, содержанию водо- и кислоторастворимых форм ТМ, таких как: Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, и Zn.

Извлечение ТМ из почв проводили параллельно с использованием синтетического сурфактанта твина 60 и неочищенных биосурфактантов, продуцируемых клетками Rhodococcus ruber ИЭГМ 231 в минеральной среде с C₁₂ или C₁₆ в качестве единственного источника углерода. В качестве контроля использовали дистиллированную воду. Эксперименты по отмыванию почв проводили в течение семи суток. Остаточное содержание ТМ определяли атомно-абсорбционным спектрометром. При изучении влияния биосурфактантов в разных концентрациях (2,0; 4,0; 8,0 г/л) на фитотоксичность ТМ использовали Овёс посевной (Avena sativa), Горчицу белую (Sinapis alba) и Вику полевую (Vicia sativa L.). Уровень фитотоксичности определяли в соответствии со стандартными Методическими рекомендациями МР 2.1.7.2297-07 “Фитотест”. Соли ТМ добавляли в количестве 1, 10, 50, 100 и 200 ПДК с учетом фона по Кларк. Эксперименты по фитотоксичности проводили на базе учебного Ботанического сада ПГНИУ. Все эксперименты проводили в трехкратной повторности. Полученные результаты обрабатывали статистически с помощью пакета компьютерных программ Excel 2007.

В результате проведенных исследований установлено, что содержание ТМ в отобранных образцах почвы г.Перми составляет от одной десятой до пятисот и выше мг/кг почвы. Наиболее загрязненными являются почвы, отобранные в Мотовилихинском, Орджоникидзевском и Свердловском районах. Уровень загрязнения ТМ в них превышает ПДК от 6 до 70 раз. По нашим данным, степень извлечения тяжелых металлов из загрязненных почв с помощью Rhodococcus-биосурфактантов в 1,5 − 50 раз превышает таковую по сравнению с использованием твина 60. Наиболее эффективным является применение биосурфактанта, продуцируемого R. ruber ИЭГМ 231 в присутствии С₁₆. Экспериментально обосновано, что наибольшая (21 − 100 %) степень извлечения ТМ из антропогенно загрязненных почв достигается с использованием Rhodococcus-биосурфактантов при концентрации 4 г/л. Выявлена прямая зависимость повышения всхожести семян, роста корней и побегов растений-аккумуляторов ТМ от присутствия Rhodococcus-биосурфактантов. Используемые в настоящем исследовании Rhodococcus-биосурфактанты и растения-фитоаккумуляторы рекомендуются для практического использования в разработке комплексной технологии очистки почвы, техногенно загрязненной ТМ.

Результаты исследования доложены в виде устных докладах на молодежных научных конференциях (Екатеринбург, 2014; Новосибирск, 2015) и опубликованы в четырех статьях (Аграрный вестник Урала и др.).

Дабахов М.В., Дабахова Е.В., Титова В.И. Тяжелые металлы: экотоксикология и проблемы нормирования // Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия. – Н. Новгород., 2005. – 165 с.
Мартьянычев А.В. Применение фиторемедиации почв для очистки земель сельскохозяйственного назначения // Вестник НГИЭИ. – 2012. – № 10. – С. 56–63.
Костина Л.В., Тищенко А.В., Куюкина М.С., Ившина И.Б. Извлечение тяжелых металлов из техногенно загрязненных городских почв // Аграрный вестник Урала. – 2014. – № 11. – С. 47-53.

The conducted research involving the evaluation of the possibility of using Rhodococcus-biosurfactants for the phytoremediation of soil contaminated with heavy metals, has found that the selected samples of Perm’s soil contain from 0.1 to 500 and more milligrams of heavy metals per one kilogram of soil. The most contaminated was the soil from Motovilihinsky, Ordzhonikidzevsky and Sverdlovsky districts. The level of heavy metals contamination is from 6-70 times higher than the threshold limit value. It has been shown, that the levels of heavy metals extraction from the contaminated soil using Rhodococcus-biosurfactants is from 1.5 to 50 times higher than those of polysorbate-60. The most effective is the usage of biosurfactant, produced by R. ruber IEGM231 in the presence of hexadecane. The experiments proved that the highest level of heavy metals extraction from the technogenically contaminated soil (21-100%) is achieved by using Rhodococcus-biosurfactants at the concentration of 4 g/l. An increase can be observed in seed germination, roots’ and shoots’ growth of plants that accumulate heavy metals in the presence of biosurfactants.
Biosurfactants produced by Rhodococcus when they are grown in a mineral medium in the presence of n-dodecane and n-hexadecane can be used to clean and restore technogenically contaminated soil through phytoremediation. Rhodococcus-biosurfactants and plants that accumulate heavy metals used in this research are recommended for practical use in development of a complex contaminated soil purification technology.