Изобретение относится к области сельского хозяйства и защиты окружающей среды и может быть использовано для утилизации различных запрещенных, невостребованных и вышедших из употребления ядохимикатов.

Одной из крупных экологических проблем является проблема загрязнения окружающей среды продуктами органического синтеза, среди которых одно из первых мест по значению занимают химические средства защиты растений (пестициды).

Пестициды являются эффективным средством защиты растений от вредителей, болезней и сорняков. Мировой ассортимент пестицидных препаратов к настоящему времени насчитывает несколько десятков тысяч наименований, созданных на основе более 1000 химических соединений (например, Н.Н. Мельников "Пестициды. Химии, технология, применение".М., "Химия" 1987 г., Н.Н. Мельников, П.К. Новожилов, С.Р. Белан, Т.Н. Пылова "Справочник по пестицидам" М., "Химия", 1985 г.)

В настоящее время для переработки пестицидов предлагаются главным образом физические и химические методы. Однако использование их требует значительных затрат энергии и экономически невыгодно, а самое главное они не решают проблем экологической безопасности. Так, в процессе сжигания происходит частичный выброс продуктов термогидролиза, образование диоксинов, бензопирена и т.д., которые не менее опасны, чем исходные вещества. При химической дезактивации непременно встает вопрос об утилизации продуктов химической реакции.

Вместе с тем установлено, что практически все химические соединения, используемые в качестве пестицидов, утилизируются микроорганизмами. В настоящее время выделено значительное количество штаммов грибов, бактерий, актиномицетов и водорослей, разрушающих эти вещества до нетоксичных соединений. Преимущество использования биологических методов дезактивации пестицидов над физико-химическими объясняется тем, что микроорганизмы минерализуют пестициды и другие продукты органического синтеза в естественном цикле круговорота веществ, не оказывая отрицательного влияния на экосистему.

Способность одного отдельно взятого микроорганизма разлагать то или иное органическое соединение лимитируется индивидуальным генетическим комплексом. Отсутствие или наличие нужных генов является детерминирующим фактором желательных метаболических путей. Естественная популяция одного и того же вида бактерий является генетически гетерогенной, и отношение их к ксенобиотикам проявляется на уровне штамма. Поэтому генный пул естественной популяции и, соответственно, ее метаболические возможности неизмеримо выше, чем отдельно взятого организма.

В ассоциации или консорциуме почвенных микроорганизмов генный пул, отвечающий за метаболизм, на несколько порядков разнообразнее, чем у отдельных видов. Совокупная деятельность микроорганизмов консорциума позволяет довести до полной минерализации любые органические соединения, что далеко не всегда может сделать популяция одного вида микроорганизма.

Существуют различные подходы к биологической очистке почв от ксенобиотиков (пестицидов) в открытых и закрытых системах.

В открытых системах используется комплекс агротехнических мероприятий, повышающих биологическую активность почв, а также предлагается инокуляция их почвенными микроорганизмами. Эффективность этих мероприятий невелика.

В закрытых системах загрязненная пестицидами почва собирается в гряды и компостируется в условиях оптимальной температуры и влажности. В ряде случаев в компостируемую массу предлагается вводить навоз, активный ил из очистных сооружений и т.д., а также инокулировать ее культурой микроорганизмов, разлагающих соответствующие ксенобиотики.

Такой подход рекомендуется для очистки почв от ксенобиотиков в случаях аварийных ситуаций. Процесс дезактивации почвы составляет от нескольких недель до нескольких месяцев, ограничен относительно невысоким порогом концентрации в ней ксенобиотиков.

Применение мобильных установок и биореакторов повышает эффективность очистки почв в несколько раз, но существенно повышает стоимость работы.

До настоящего времени не существует эффективных микробиологических способов переработки больших объемов запрещенных и вышедших из употребления химических средств защиты растений.

Известен "Способ получения препарата для разложения хлорфенолов" авторов Головлевой Л.А. и Забориной О.Е. по авторскому свидетельству СССР №1775471. Изобретение относится к области биотехнологий и защиты окружающей среды и может быть использовано для очистки промышленных стоков, природных водоемов, почвы и других объектов окружающей среды. Применение изобретения: получение бактериального препарата для разложения хлорфенолов. Сущность изобретения: штамм бактерий Streptomyces roches: BKM AC 1284 D выращивают на среде с 2,4,6-трихлорфенолом и сукцинатом натрия, после чего осуществляют иммобилизацию бактерий на волокнистом носителе.

Известен патент США №5429949 А "Бактерии, деградирующие s-триазин" авторов Radosevich Mark, Tuovinen Olli H., Traina Samuel J. Описана биологически чистая культура бактериального штамма, способного деградировать атразин до диоксида углерода, биурета, мочевины и аммиака, имеющая все идентифицирующие характеристики штамма М91-3, АТСС55551.

Известно изобретение "Способ быстрой деструкции галогенированных углеводородов с помощью метанотрофных бактерий" авторов Richard S. Hanson и John D. Lipscomb по патенту США №5196339, которое выбрано в качестве прототипа для способа утилизация пестицидов.

Для микробиологической деструкции галогенированных углеводородов последние приводят в контакт с достаточным количеством метаноокисляющих бактерий, чтобы полностью разрушить галогеноводороды. Бактерии получают непрерывным культивированием в подходящих условиях.

Известна также группа изобретениий "Культуры микроорганизмов, применяемые для расщепления гексахлорциклогексана и других полихлорированных циклических углеводородов, способ получения и применения" авторов Heirich Steffen, Brugemann Holger, Rollin Johanna, Mensel Wolfram по патенту Германии №4212479, которые выбраны в качестве прототипа для способа получения микробного препарата.

Культуры микроорганизмов расщепляют циклические хлорорганические вещества, например и -изомеры гексахлорциклогексана. Для этого их культивируют аэробно или анаэробно на минеральной среде с указанными веществами в качестве единого источника углерода. В качестве исходных материалов для получения таких микроорганизмов используют пробы естественных мест, в которых имеются такие труднорасщепляемые вещества. Предусмотрено применение культур микроорганизмов для биологической очистки загрязненной воды и почвы.

Известен "Способ регенерации загрязненных грунтовых вод" авторов Hazen Т., Fliermans С. по патенту США №94/05604 А1.

Предложен способ регенерации на месте подповерхностной почвы и грунтовой воды, загрязненных хлорированными углеводородами (например, трихлорэтиленом). Стимулируют рост и воспроизведение поверхностных микроорганизмов, способных аэробно разрушать загрязнения. Питательной средой может быть метан, а оксигенированной средой - воздух, чтобы стимулировать рост метанфоров для разрушения углеводородов.

Известен "Способ восстановления почв, загрязненных углеводородами и иными биоразлагающимися субстанциями" авторов Сеса S. A., Schultz Ch. по патенту Франции №9506715 А1.

Загрязненную почву обрабатывают распылением питательных компонентов для аэробной бактериальной флоры типа N/P в олеофильной форме, затем дополнительно вводят сено и гидрофильные компоненты питания типа N (P) K, которые механически перемешивают с почвой. Это приводит к снижению содержания углеводородов не более 500 мг/кг в течение нескольких месяцев. Олеофильное питание представлено микроэмульсией раствора солей N/P в органическом растворителе, смешивающимся с липидами.

Сущность изобретения: аппарат содержит наклонно установленный барабан с люком и цапфами, вращающийся вокруг горизонтальной оси. Используется для улучшения культивирования путем интенсивной аэрации загружаемой питательной среды.

Известен "Биореактор для разложения растительного сырья" автора Лебедева Г.В. по авторскому свидетельству СССР №1763478 МКИ С 12 М 1/00, 1989 г., который выбран в качестве прототипа устройства для утилизации пестицидов.

Сущность изобретения: биореактор содержит цилиндрическую вращающуюся емкость с внутренними патрубками для подвода аэрирующего газа. Используется для переработки растительных отходов путем их микробиологического разложения, для получения компостируемых масс, удобрений и жидких физиологически активных веществ путем анаэробного процесса.

Анализ состояния дел в области восстановления загрязненных пестицидами почв приводит к заключению, что наиболее приемлемым и эффективным является использование адаптированной культуры консорциума микроорганизмов, выращиваемой на твердофазных средах, где в качестве субстрата-носителя используются естественные материалы почва, торф, солома, древесная стружка, опилки и т.д.

В настоящее время производство подобного типа биологически активных субстратов осуществляется циклически на открытых площадках средствами механизации торфодобывающей промышленности или кустарным способом только в теплый период года при продолжительности цикла 30 и более суток. Все это ограничивает период и объемы производства, снижает качество субстрата и приводит к высокой его стоимости.

Задачей изобретения является повышение эффективности утилизации пестицидов

Указанная задача решается за счет создания микробного препарата консорциума микроорганизмов, разлагающих пестициды сим-триазиновой группы, получаемого следующим способом.

Сначала получают исходную культуру консорциума микроорганизмов. При этом в качестве источника исходной культуры консорциума микроорганизмов, разлагающих пестициды сим-триазиновой группы, используют БАГ - биологически активный торфяной грунт, который представляет собой торфо-известково-минеральный компост, включающий ассоциацию микроорганизмов, разлагающих растительные остатки и гумус (авторское свидетельство №1250559 от 15.04.86 г. "Способ получения биологически активного грунта в полевых условиях", авт. Герш Н.Б., Круглов Ю.В., Алексеев Ю.В., Родина Н.И., Шувалова Н. К.).

Ключевым элементом консорциума микроорганизмов, разлагающего пестициды производные сим-триазина, являются целлюлозоразлагающие микроорганизмы (бактерии и грибы), так как именно они осуществляют гидролиз целлюлозы до глюкозы, которая используется другими микроорганизмами в качестве источника углерода и энергии (косубстрата) при разложении пестицидов. При этом экспериментально путем микробиологического анализа препарата консорциума было установлено, что основными видами целлюлозоразлагающих микроорганизмов (бактерий и грибов) являются Sporocytophaga mixococcoides, Sorangium cellulosum, Cellvibrio mixtus, Trichoderma viridae, а также сопутствующие им гетеротрофные бактерии Pseudomonas fluorescens, Вас. megaterium, использующие продукты гидролиза полисахаридов глюкозу, маннозу, галактозу в качестве источника углерода и энергии.

Ферментативный комплекс консорциума характеризуется высокой активностью гидролаз и оксидаз.

Биологически активный грунт (БАГ) смешивают с 20-30% измельченной соломы, после чего в полученный субстрат добавляют в качестве индуктора пестицид сим-триазиновой группы в концентрации 10-100 мг/кг и инкубируют в течение одного - двух месяцев при температуре 26-28°С.

Затем исходную культуру консорциума микроорганизмов культивируют на твердофазной органо-минеральной среде. В качестве такой среды используют торфо-соломенный субстрат с минеральными добавками.

Для получения торфо-соломенного субстрата торф предварительно нейтрализуют до рН 6,0-7,0 и увлажняют водой до 60±5% от полной влагоемкости, после чего к нему добавляют измельченную солому в количестве 5-20% от массы торфа.

Культура формируется в процессе утилизации растительных полисахаридов целлюлозы и гемицеллюлоз, в качестве источника которых используются древесные опилки, сено, солома, а также торфы верхового и переходного типа.

Отдельные представители микробного консорциума обладают различной способностью к разложению пестицидов сим-триазиновой группы на разных источниках углерода, и степень их участия в разложении пестицида различна на разных стадиях созревания культуры, что обеспечивает стабильную эффективность препарата на протяжении длительного времени.

Известно, что пестициды и другие продукты оргсинтеза разлагаются гетеротрофными микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности.

Для этого им необходим энергетический материал и основные источники питания в виде органических и минеральных соединений, а также соответствующие физико-химические условия среды.

В структуре углеродного питания гетеротрофных микроорганизмов, входящих в состав консорциума, основное место занимают сахара - продукты гидролиза соломы.

Резкое возрастание активности целлюлазы и оксидаз, с которыми связаны мацерация соломы и гидролиз ее полисахаридов, приводит к накоплению в почве продуктов гидролиза - сахаров, что способствует увеличению численности микроорганизмов, использующих эти сахара в качестве косубстратов для деструкции пестицида. Наряду с изменениями видового разнообразия микроорганизмов, отмеченными при внесении соломы и биологически активного грунта (БАГ), наблюдается увеличение на 3 порядка титра микроорганизмов, обладающих способностью к деструкции пестицида.

Среди важнейших факторов, определяющих судьбу пестицидов и эффективность процессов самоочищения почв от ксенобиотиков, является органическое вещество, которое является энергетическим материалом и основным источником питания гетеротрофных микроорганизмов.

Экспериментально установлено, что опилки труднее усваиваются микроорганизмами по сравнению с сеном или соломой. При этом солома содержит гораздо больше чем сено целлюлоз и гемицеллюлоз (до 70%), в связи с чем в качестве добавки к торфу в составе субстрата используют солому.

При этом установлено, что использование соломы зерновых культур приводит к ускоренной деградации пестицидов, а наилучший результат достигается при использовании соломы овса.

Количество и качественный состав органического вещества определяют уровень микробной биомассы, биоразнообразие, структуру микробного комплекса и соответственно его метаболические возможности. Экспериментально установлено, что оптимальным является соотношение 5-20% соломы от веса торфа.

Наблюдается определенная корреляция между содержанием органического вещества, биомассой микроорганизмов и скоростью деградации пестицидов.

Установлено также экспериментально, что для получения микробного препарата с указанными свойствами оптимальным является добавление 10-20% исходной культуры консорциума микроорганизмов, разлагающих пестициды сим-триазиновой группы, к массе торфо-соломенного субстрата.

Определенное влияние на формирование микробного комплекса препарата оказывает индуктор - пестицид сим-триазиновой группы. В присутствии индуктора повышается активность разложения клетчатки и увеличивается титр микроорганизмов, мобилизующих такие продукты гидролиза соломы, как ксилоза, глюкоза и манноза, а также повышается содержание микроорганизмов - деструкторов.

Второй вариант способа утилизации пестицидов за счет периодического добавления порций определенного количества свежего торфо-соломенного субстрата с минеральными добавками, т.е. за счет постоянного восполнения энергетического материала и источников питания гетеротрофных микроорганизмов, может использоваться намного дольше по времени по сравнению с первым вариантом способа, в котором такого восполнения источников питания микроорганизмов не производится; но при этом второй вариант способа является более затратным.

В табл.2 приведены опытные результаты эффективности утилизации пестицида - прометрина - микробным препаратом заявленным способом.

Из приведенных в табл.2 результатов экспериментальных данных следует, что в режиме адаптации за первые 10 суток разложилось около 50% пестицида - прометрина, начальная концентрация которого составляла 500 мг на кг субстрата, а через 20 суток разложилось более 93% прометрина. Анализ динамики разложения пестицида в течение 20 суток позволяет сделать заключение, что за это время произошла адаптация микроорганизмов микробного препарата к утилизируемому пестициду - прометрину, так как уровень его разложения в твердофазном субстрате (уровень утилизации) превысил заданный в данном случае 90%.

Проведенные эксперименты показали также, что скорость утилизации пестицида - прометрина с помощью микробного препарата, осуществляемая описанным способом, более чем на 3 порядка превосходит скорость естественного разложения этого пестицида в почве.

В табл.3 приведены результаты опытных испытаний эффективности утилизации другого пестицида - атразина - с помощью микробного препарата консорциума микроорганизмов заявленным способом.

Препарат атразин (6-изопропиламино-2-хлор-4-этиламино-сим-триазин) используется для борьбы с сорняками на посевах кукурузы, сорго, а также в питомниках на посадках ели, на плантациях крыжовника, смородины, малины. Персистентность в почве высокая и составляет в среднем 18-24 месяца.

Сведения о пестициде атразин содержатся в книгах: Н.Н. Мельников "Пестициды. Химии, технология, применение".М., "Химия" 1987 г., а также Н.Н. Мельников, П.К. Новожилов, С.Р. Белан, Т.Н. Пылова "Справочник по пестицидам" М., "Химия", 1985 г.

Из опытных данных, приведенных в табл.3, видно, что при заданном в данном случае уровне утилизации пестицида не менее 70% он был достигнут за 20 суток - время адаптации микробного препарата к утилизируемому пестициду - атразину, после чего в рабочем режиме этот уровень стабильно выдерживался. В дальнейшем наблюдалось увеличение эффективности деструкции пестицида.

Указанная задача решается также за счет использования в способе утилизации химических средств защиты растений биореактора следующей конструкции.

Биореактор представляет из себя замкнутый цилиндр с соотношением его длины к диаметру (L: D) в диапазоне 3,0-4,0. Барабан установлен горизонтально на опорные звездочки, закрепленные на раме с возможностью его вращения. Барабан биореактора снабжен системой вентиляции, с помощью которой происходит аэрация загруженной в него смеси и вывод из барабана отработанного воздуха. Биореактор имеет загрузочный и разгрузочный люки, через которые ведется загрузка смеси и выгрузка отработанного субстрата. При этом загрузочный люк расположен на цилиндрической поверхности барабана вблизи торцевой стенки, а разгрузочный люк - в торцевой стенке на противоположном конце барабана.

В процессе работы смесь периодически загружается с одной стороны барабана и выгружается с другой. В это же время барабан совершает вращательное движение, за счет чего смесь также вращается вместе с барабаном. Так как барабан заполнен не на весь объем, смесь, находящаяся на поверхности, пересыпается, распределяясь из зоны загрузки на весь барабан. По мере дальнейшей загрузки и вращения барабана эта порция смеси постепенно вытесняется более свежими порциями в направлении к выгрузному люку.

Отношение длины барабана к его диаметру является одним из важнейших параметров биореактора барабанного типа, так как слишком малое соотношение L: D может привести к проскоку пестицидов за меньший период, чем необходимо для их разложения. Слишком большое отношение L: D неоправданно увеличивает потери энергии на вращение барабана и от утечки тепла через его поверхность.

Экспериментально установлено, что для утилизации пестицидов сим-триазиновой группы в горизонтальном биореакторе оптимальным является соотношение длины барабана к его диаметру:

L: D=3,0ч4,0.

Таким образом, конструкция биореактора обеспечивает возможность его непрерывной работы, позволяя периодически отбирать из разгрузочного люка часть субстрата, прошедшую детоксикацию, вносить в нее очередную порцию подлежащего утилизации пестицида и вновь загружать этот субстрат в биореактор через загрузочный люк.

На фиг.1 представлен общий вид биореактора.

На фиг.2 приведен внешний вид конкретного примера выполнения биореатора.

Биореактор представляет собой цилиндрический барабан 1 с соотношением длины барабана к его диаметру (L: D) 3,0ч4,0, расположенный горизонтально на опорных звездочках, закрепленных на раме 2, с возможностью его вращения при помощи привода 3. В корпусе барабана имеются загрузочный люк 4 и на противоположной стороне - разгрузочный люк 5. Биореактор оборудован системой вентиляции, имеющей вход 6 для подачи воздуха и отверстие 7 для выхода отработанного воздуха.

Заявляемый биореактор работает следующим образом.

Вращение барабана 1 осуществляется приводом 3 от мотор-редуктора с помощью цепной передачи на ведущую звездочку, передающую крутящий момент на цепные беговые дорожки барабана.

Загрузка свежих порций смеси производится через загрузочный люк 4 барабана, расположенный около торцевой стенки. Аэрация загруженной смеси осуществляется посредством подачи воздуха через вход 6 воздуховода внутрь барабана, где он проходит сквозь ее слой. Отработанный воздух удаляется через отверстие 7. Выгрузка переработанной смеси из биореактора производится через разгрузочный люк 5.

Осуществимость и эффективность микробного препарата для разложения пестицидов сим-триазиновой группы подтверждается следующими лабораторными опытами.

Исследовали варианты использования микробного консорциума для утилизации двух пестицидов - прометрина и атразина, при которых их вносили в виде водной суспензии непосредственно в готовый микробный препарат.

В этих целях микробный консорциум на торфяной основе (БАГ) в концентрации 20% вносили в хорошо измельченную торфяную массу, предварительно нейтрализованную до рН 6,5, куда добавлялись измельченная солома овса (20%), минеральные удобрения: азотнокислый аммоний (NH4NO3) 6 г/кг субстрата, фосфорнокислый калий двузамещенный (K2HPO4) 7 г/кг субстрата, а затем добавляли пестицид: прометрин в концентрации 0,5% от общей массы смеси или атразин в концентрации 0,1%.

После увлажнения до 70% проводили компостирование при температуре 26-28°С. Содержание прометрина проверяли через 2, 4 и 6 недель после его внесения, а атразина - после 4 недель.

Список литературы