Оценка возможности использования Rhodococcus биосурфактантов для снижения присутствия тяжелых металлов в техногенно загрязненных почвах Свердловской области

На фоне кризисного состояния окружающей среды степень загрязнения природных экосистем ионами тяжелых металлов (ТМ) в промышленных регионах РФ в настоящее время достигла критического состояния. На Урале основными техногенными источниками загрязнения ТМ являются индустриальные заводы, специализирующиеся на добыче и переработке металлов, а также получении нефтепродуктов и синтезе химически опасных веществ. Целый ряд высокотоксичных для живых организмов ионов ТМ постоянно перераспределяется между отдельными компонентами природной окружающей среды и, в конечном счете, оседает в почве.

Металлы могут присутствовать в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной форме; они обнаруживаются в нескольких пулах почвы: растворенными в почвенном растворе; занимающими сайты обмена на неорганических компонентах почвы; прочно адсорбированными с почвенными частицами; ассоциированными с нерастворимым органическим веществом почвы; выпавшими в осадок в виде твердых частиц; присутствующими в структурах вторичных и первичных минералов. Так, металлы, интродуцированные в окружающую среду в результате производственной деятельности человека, ассоциируются с пер- выми шестью пулами, тогда как «природные» металлы могут ассоциироваться с любым из пулов почвы в зависимости от геологической истории данного района [Shuman, 1991; Орлов, 2002].

Интенсивность и степень распространения ТМ в почвенной среде зависит от целого ряда взаимообусловленных физико-химических и биологических факторов, поэтому относительное распределение ТМ между абиотическими и биотическими компонентами почвы высоко динамично и вариабельно. Факторы, определяющие взаимодействие ТМ с почвенными компонентами, включают степень агрегации твердых фаз и характер порового пространства почвы. Следовательно, на перемещение ТМ оказывает влияние не только специфика поверхностей твердых фаз (в частности, уровень гумуса, гранулометрический состав, емкость поглощения), но и инфильтрационные характеристики почв. Накопление основной части загрязняющих веществ наблюдается преимущественно в гумусово-аккумулятивном почвенном горизонте в виде комплексов с неорганическими и органическими компонентами почвы [Джувеликян, Щеглов, Горубнова, 2009]. В условиях постоянного промывного режима, носящего естественный характер, реализуется потенциальная подвижность металлов, часть которых выносится за пределы почвенного профиля, вторично загрязняя грунтовые и подземные воды [Орлов, 1992].

Потребность в разработке цивилизованных технологий очистки наземных экосистем, загрязненных ТМ, трудно переоценить. Необходимо отметить, что универсального метода очистки почв от данного вида загрязнений пока не разработано. Существующие способы очистки почвы от ТМ базируются в основном на использовании физикохимических приемов ремедиации, использование которых в настоящее время достигло своих пределов, и все большее значение приобретают способы биоремедиации как экологически безопасные и относительно недорогие [Костина, Куюкина, Ивши-на, 2009]. Биотехнологические методы очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, in situ с использованием живых организмов (бактерий и/или микроскопических грибов) не подходят в данном случае по ряду причин, таких как неспособность свободно двигаться в почве, сложность в извлечении их из почвы, опасность интродукции ввиду непредсказуемости поведения в природе [Miller, 1995; Ayyasamy, Chun, Lee, 2009].

Использование сурфактантов, продуцируемых микроорганизмами (биосурфактантов), – потенциальная альтернатива для очистки почв, загрязненных ТМ. В настоящее время исследована возможность применения Rhodococcus -биосурфактантных комплексов для мобилизации и десорбции ионов ТМ из искусственно, а также техногенно загрязненных почв г. Перми [Костина, Куюкина, Ивши-на, 2010; Костина и др., 2014]. Известно, что биосурфактанты биодеградабельны, обладают высокой функциональной активностью в экстремальных условиях окружающей среды, что делает их перспективными для разработки новых экологически безопасных технологий очистки почв от ТМ [Christofi, Ivshina, 2002; Kuyukina, Ivshina, 2010].

Цель настоящей работы – оценка возможности использования Rhodococcus -биосурфактантов для снижения присутствия ионов ТМ в техногенно загрязненных луговых почвах Свердловской области.

Материалы и методы

Иссл едования прово дили во время полевого сезона с мая 2011 по октябрь 2013 гг. на участках, расположенных в зоне воздействия Нижнетагильского металлургического комбината (ОАО «НТМК», предприятие «Евраз Груп», Свердловская обл., 60 ° в. д., 58 ° с. ш.). В результате длительной (более 300 лет) истории развития горнометаллургической промышленности на Урале практически необратимо сформировалась высокая техногенная и антропогенная нагрузка на прилегающие территории.

Объектом исследования служила загрязненная тяжелыми металлами почва луговых сообществ вторичного происхождения. Тип почвы – дерновоподзолистая суглинистая со сложным органопрофилем и различной степенью оподзоленности с преобладанием (до 67 %) фракций почвенных частиц диаметром 5–10 мм (мелкокомковатая почва). Основные физико-химические характеристики почвы, схема отбора проб почвы, геоботаническое описание исследуемых луговых сообществ, а также биоразнообразие основных экологически значимых групп микроорганизмов и их влияние на скорость минерализации растительных остатков подробно описаны нами ранее [Жуйкова и др., 2012; Ившина и др., 2014].

В таблице 1 приведены средние значения концентрации кислоторастворимых форм ионов тяжелых металлов в образцах отобранной луговой почвы на участках наблюдения. В качестве интегрального показателя загрязнения использовали индекс суммарной токсической нагрузки ( S i ), вычисляемый как отношение содержания приоритетных (Cd, Cu, Pb, Zn) токсикантов в почве исследованных участков к региональному фону [Безель, Жуйкова, Позолотина, 1998]. Общий уровень химического загрязнения биотопов изменялся от 1 до 30 относительных единиц (отн. ед.). В соответствии с интегральным показателем загрязнения исследованные участки отнесены к фоновой ( S i = 1.0 отн. ед.), буферной ( S i = 3.3–6.2 отн. ед.) и им-пактной ( S i = 22.8–30.0 отн. ед.) зонам.

Таблица 1

Содержание ионов тяжелых металлов в образцах луговой почвы Свердловской области

S i , отн. ед.	Содержание тяжелых металлов, мг/кг сухой почвы
	Cd2+	Cr3+, Cr6+	Cu2+	Fe2+, Fe3+	Ni 2+	Pb 2+	Zn 2+
1.0	0.10 ± 0.04	12.00 ± 1.82	18.01 ± 4.30	11054.23 ± 201.89	21.10 ± 0.53	10.16 ± 0.76	59.30 ± 6.83
3.3	0.70 ± 0.09	11.57 ± 1.22	34.01 ± 0.97	13747.67 ± 282.49	17.19 ± 0.91	10.79 ± 1.03	82.35 ± 14.12
6.2	1.25 ± 0.30	6.72 ± 1.31	103.29 ± 4.70	11883.89 ± 411.09	9.62 ± 1.80	56.18 ± 8.93	327.29 ± 30.59
22.8	1.70 ± 0.14	8.47 ± 1.12	1268.96 ± 8.71	12668.81 ± 945.67	9.41 ± 0.34	32.43 ± 0.43	212.95 ± 25.47
30.0	0.46 ± 0.09	42.09 ± 1.02	110.78 ± 5.96	14203.71 ± 867.30	47.41 ± 1.50	32.43 ± 3.48	99.97 ± 1.77

Примечание. S i – суммарная токсическая нагрузка.

В работе использовали чистую культуру профилированной коллекции алканотрофных мик- Rhodococcus ruber ИЭГМ 231 из Региональной роорганизмов (официальный акроним коллекции

ИЭГМ, номер во Всемирной федерации коллекций культур 768; [Каталог штаммов…, 1994]. Неочищенные Rhodococcus-биосурфактантные комплексы гликолипидной природы, продуцируемые родококками в жидкой минеральной среде с н-додеканом (C12) или н-гексадеканом (C16) (3 об. %), получали методом [Kuyukina et al., 2001]. Выбор биосурфактантов, продуцируемых алканотрофными родококками, обусловлен тем, что Rhodococcus-биосурфактанты в 10-1000 раз менее токсичны, чем синтетические сурфактанты (стеарат сукрозы DК50; корексит 9597; инипол ЕАР22; финазол OSR-5) и 2-10 раз – чем трегалозо- и рамнолипиды из R. erythropolis и Pseudomonas aeruginosa [Ivshina et al., 1998; Ku-yukina, Ivshina, 2010], что делает их применение в технологиях очистки загрязненной почвы экологически безопасным.

Эксперименты по извлечению ионов ТМ из почвенных образцов (20 г) проводили в колбах Эрленмейера (объемом 250 мл) в течение 7 сут. с помощью растворов (80 мл) неочищенных Rhodococcus -биосурфактантов (4 г/л воды) и синтетического сурфактанта Твина 60 (0.17 г/л воды). Концентрация биосурфактантов соответствовала 3 критическим концентрациям мицеллообразования (3 ККМ). В качестве контроля использовали дистиллированную воду и незагрязненную модельную почву, обработанную (био)сурфактантами. Отмывание ТМ из почвы проводили на орбитальном шейкере в течение 7 сут. (140 об/мин., 28ºС). Количественное определение водо- и кислоторастворимых форм ТМ осуществляли с помощью атомно-абсорбционного спектрометра AA-6300 (Shimadzu, Япония). Все эксперименты проводили в трехкратной повторности. Статистическую обработку результатов осуществляли традиционными методами с помощью пакета компьютерных программ Statistica v. 10.0 (StatSoft, Inc., 2012) и Excel 2007 (Microsoft Inc., 2007).

Результаты и их обсуждение

По нашим данным, интенсивность извлечения ионов ТМ из образцов техногенно загрязненных луговых почв Свердловской области с помощью растворов (био)сурфактантов составляет от 5.6 (для ионов Zn²⁺) до 67.2 % (для Ni²⁺). Как видно из рис. 1, десорбирующая активность неочищенных Rhodococcus -биосурфактантов в отношении ионов тяжелых металлов в 1.5–13.5 раз выше таковой синтетического сурфактанта Твина 60 и в 3.5-20.0 раз выше по сравнению с десорбирующей активностью воды.

Следует отметить, что остаточное содержание ионов ТМ в образцах почвы после обработки эмульсиями (био)сурфактантов зависит от уровня токсической нагрузки исследованных участков

(рис. 2, 3). Так, количество ионов ТМ, десорбированных из образцов загрязненной почвы с помощью эмульсии Rhodococcus-биосурфактантов, продуцируемых родококками при росте в жидкой минеральной среде с н-гексадеканом составило для ионов Cd2+ (0.51/0.29), Сr3+,6+ (8.70/31.02), Cu2+ (24.42/45.86), Fe2+,3+ (7203.78/6775.17), Ni2+ (12.77/29.77), Pb2+ (7.41/20.88), Zn2+ (53.61/62.78 мг/c кг загрязненной сухой почвы) при уровне токсической нагрузке 3.3/30.0 отн. ед., соответствен- но.

■1

□2

□3

Zn Cu Cd Pb Co Ni Mn Cr Fe

Ионы тяжелых металлов

Рис. 1 . Извлечение тяжелых металлов с помощью (био)сурфактантов:

1 – контроль (вода); 2 – Твин 60; 3 – Rhodococcus -биосурфактанты

Рис. 2 . Остаточное содержание тяжелых металлов в образце почвы с уровнем токсической нагрузки 3.3 отн. ед.:

1 – исходное содержание ТМ; 2 – после отмывания почвы водой; 3 – Твином 60; 4 – Rhodococcus -биосурфактантами, продуцируемыми родококками в присутствии С 12 ; 5 – Rhodococcus -биосурфактантами, продуцируемыми родококками в присутствии С 16

Как видно из табл. 2, максимальная степень извлечения ТМ из всех отобранных образцов почвы наблюдается при использовании Rhodococcus -биосурфактантных комплексов. При этом в водную эмульсию биосурфактантов переходит до

75 % ионов ТМ, содержащихся в загрязненной почве, за период однократного отмывания.

Выбор углеводородов для получения Rhodococ-cus -биосурфактантных комплексов обусловлен тем, что Rhodococcus -биосурфактанты, продуцируемые родококками при росте в жидкой минеральной среде с н -гексадеканом, обладают более высокой (до 3.8 раз) функциональной активностью при температурах от 22^oC и выше, но замерзают при температуре 15^оС, тогда как функциональная активность биосурфактантов, продуцируемых ро-дококками в жидкой минеральной среде с н -додеканом, сохраняется в условиях низких температур (5-15^оС) [Костина, Куюкина, Ившина, 2010]. Как видно из табл. 2, функциональная активность используемых в работе Rhodococcus -биосурфактантных комплексов, продуцируемых родококками в жидкой минеральной среде с н -додеканом и н -гексадеканом, сопоставима для извлечения из техногенно загрязненных дерновоподзолистых почв таких ионов ТМ, как Cd²⁺, Ni²⁺ и Zn²⁺.

Тяжелые металлы

Рис. 3 . Остаточное содержание тяжелых металлов в образце почвы с уровнем токсической нагрузки 30.0 отн. ед.:

1 – исходное содержание ТМ; 2 – после отмывания почвы водой; 3 – Твином 60; 4 – Rhodococcus -биосурфактантами, продуцируемыми родококками в присутствии С 12 ; 5 – Rhodococcus -биосурфактантами, продуцируемыми родококками в присутствии С 16

Таблица 2

Уровень извлечения (%) ионов ТМ из образцов техногенно загрязненных луговых почв Свердловской области с помощью (био)сурфактантов

ТМ		Rhodococcu s-биосурфактанты, продуцируемые родо-кокками в присутствии		Твин 60	Вода (контроль)
		н -додекана	н -гексадекана
Cd2+	Мах	56.3	72.6	11.2	7.5
	Min	44.2	61.4	5.6	1.3
Cr3+, Cr6+	Мах	29.5	75.2	12,3	7.8
	Min	18.3	70.3	4.6	3.2
Cu2+	Мах	32.4	71.8	9.4	8.2
	Min	19.8	40.1	2.2	0.3
Fe2+, Fe3+	Мах	44.2	52.4	13.5	8.0
	Min	38.4	44.1	6.8	3.7
Ni 2+	Мах	67.6	74.3	11.7	5.1
	Min	53.2	58.6	5.7	2.4
Pb2+	Мах	33.1	68.7	11.4	7.7
	Min	26.5	61.2	7.7	1.2
Zn 2+	Мах	57.4	65.1	9.6	4.6
	Min	51.8	60.8	7.3	1.6

Заключение

Получены положительные результаты использования Rhodococcus-биосурфактантных комплексов для извлечения ионов ТМ из техногенно загрязненных дерново-подзолистых луговых почв Свердловской области. В условиях модельных экспериментов установлено, что эффективность очистки антропогенно загрязненной почвы от ионов ТМ с помощью биосурфактантов от 1.5 до 13.5 раз выше, по сравнению с таковой при использовании синтетического сурфактанта Твина 60. По- казано, что использование Rhodococcus-биосурфактантов в концентрации 4 г/л обеспечивает за период однократного отмывания эффективное (до 75%) извлечение широкого спектра ТМ. Полученные результаты исследования могут быть использованы для решения проблем очистки и восстановления техногенно загрязненных почв.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума УрО РАН (проект № 12-И-4-2051), а также поддержана грантом № 14-1400643 Российского научного фонда.