Скорость распада углеводородов в замазученных грунтах сильно зависит от состава загрязняющей фазы. Нефть и нефтепродукты содержат в своем составе предельные и непредельные углеводороды, которые подразделяются на линейные и циклические. Наиболее доступны микробным ферментам парафины.
Парафины могут служить единственным источником углерода и энергии для сапрофитных микобактерий и родственных им организмов, некоторых родов дрожжей и грибов [2]. Интенсивность биохимических процессов, протекающих в почвенном биоценнозе, является выражением способности почв к самоочищению. С биохимическими процессами, происходящими при участии различных ферментов, связан окислительный распад остатков нефти в почве. Высокая чувствительность ферментов к изменению условий внешней среды обусловила возможность использования их активности, как биохимического критерия для характеристики окисляющей способности биоценозов. Уровень активности окислительно – восстановительных ферментов (каталазы, дегидрогеназы) является также одним из критериев состояния почвы в отношении ее самоочищающейся способности от нефтяных углеводородов: дегидрогеназа принимает непосредственное участие в разложении углеводородов [17], а высоко активный кислород, образующийся при участии каталазы, обеспечивает доступным кислородом микроорганизмы, участвующие в процессах разложения углеводородов. Кроме того, изменение активности каталазы в нефтезагрязненной почве связывается с изменением численности микроорганизмов, особенно углеводородокисляющих [18].
Два фактора обуславливают микробиологическое окисление парафинов: наличие сложных ферментов – оксидаз смешанных функций (оксигеназ), осуществляющих введение одного атома кислорода из его молекулярной формы в концевую метильную группу углеводорода, и наличие в клетках приспособлений, обеспечивающих поглощение гидрофобного и нерастворимого в воде субстрата, каким являются н-алканы. Ферменты, ответственные за окисление углеводородов, связаны с мембранными структурами клеток [19-20]. В ряде работ установлено [21-23], что оксигеназы являются индуцируемыми ферментами. Индукторами служат продукты последовательного окисления углеводородов: высшие жирные спирты, альдегиды, кислоты.
Микроорганизмы, усваивающие н-алканы, не специфичны (за исключением метаноокисляющих), они распространены повсеместно и являются нормальным компонентом незагрязненных экосистем [24]. Микроорганизмы развиваются непосредственно в пленке или на частицах твердых углеводородов [25]. Многие микроорганизмы способны переносить высокие концентрации углеводородов. Значительное количество бактерий, содержащихся в морских водах, выдерживают дизельное топливо в среде в концентрациях до 1-го % [26].
Циклоалканы труднее поддаются микробиологическому окислению, чем н-алканы с таким же числом углеродных атомов в цепи. Циклоалканы окисляются теми же группами микроорганизмов, что и углеводороды с открытой цепью, т.е. сапрофитными микобактериями, псевдомонадами, некоторыми дрожжами и грибами. Показано [27], что сапрофитные микобактерии, использующие н-алканы, хорошо растут и на средах с алкил-замещенными циклопарафинами, если алифатическая цепь является достаточно длинной. В почве имеются микроорганизмы, способные окислять циклоалканы с раскрытием кольца [28]. Однако циклоалканы медленнее исчезают из среды, чем углеводороды с открытой цепью.
Ароматические углеводороды представляют собой наиболее опасную группу веществ с точки зрения воздействия на живые организмы. От углеводородов с открытой цепью и циклоалканов, ароматические соединения отличаются лучшей растворимостью в воде. Для их поступления в микробную клетку необязательно наличие гидрофобных внешних слоев. Проникая в клетки, ароматические углеводороды нарушают проницаемость мембран, блокируют действие ряда ферментов, т.е. представляют собой клеточные яды [49].
Несмотря на высокую токсичность ароматических углеводородов и их производных, в природе существуют микроорганизмы, способные их расщеплять. Это различные бактерии – представители родов – Nocardia, Pseudomonas, Xanthomonas и др., а также некоторые грибы [29-31]. Например, микроскопический гриб Sporotrichum pulverulentum расщепляет 1,2,4 – триоксибензол с раскрытием кольца и образованием b-кетоадипиновой кислоты [32]. Однако, применяемые с целью изучения микробной деградации концентрации ароматических соединений в десятки и сотни раз ниже, чем в случае микробного разрушения н-алканов. Для окисления н-алканов используют микроорганизмы, которые развиваются в пленке парафина, покрывающей водную поверхность, тогда как для разложения 2-метил-4-хлорфеноксиуксусной кислоты микроорганизмами ее применяют в концентрации 300 мг/л [33]. Микробиологическое разрушение ароматических соединений идет крайне медленно и с разной интенсивностью в отношении различных аренов. К медленно разрушаемым относятся полиароматические углеводороды, причем их устойчивость к биодеструкции тем выше, чем больше число колец в молекуле [34,35].
Огромную роль в утилизации ароматических углеводородов играют процессы со окисления. Разрушение аренов облегчается в смешенной микробной популяции, а также при наличии других органических соединений. Степень окисления бензина ассоциацией микроорганизмов выше, чем отдельных компонентов чистыми культурами [36]. В данном случае этот эффект справедливо объяснен процессами со окисления. Углеводороды, устойчивые к биодеструкции (например, полиароматические), тем не менее, исчезают из среды вследствие разрушения в условиях сопряженных окислительных реакций [37]. Однако при низкой температуре 5о С этот процесс не протекает [38].
Наиболее интенсивно разложение углеводородов протекает при ежегодном внесении комплекса NPК + навоз. Процет разложившейся нефти при этом может достигать 65-71% [6].
Как отмечалось выше, микрофлора, окисляющая парафины, является нормальным компонентом незагрязненных экосистем, что обуславливает высокую способность биоценозов к самоочищению от этих соединений. Об арилокисляющей микрофлоре этого сказать нельзя. Адаптация к окислению ароматических соединений и селекция активных штаммов осуществляются медленно [39]. Тем не менее, работы в этом направлении имеют успех. Последние исследования по выделению оптимальных углеводороддеструктирующих культур показали, что наиболее эффективным из известных бактерий – деструкторов углеводородов является штамм Bacillusmegaterium 1BD, способный перерабатывать как парафины, так и арены, в том числе и полициклические [10]. Однако как уже отмечалось выше, для ежегодной очистки сотен гектаров замазученных земель необходимо создание специального производства данного штамма.
На основе анализа литературных данных можно сделать выводы о главных факторах и механизме биодеструкции углеводородов в замазученных грунтах, которые должны учитываться в процессе разработки технологических методов восстановления замазученных почв.
1. Попадающая в почву нефть или нефтепродукты изменяют ее агрохимические свойства.
2. Нефть и нефтепродукты изменяют состав и активность микробных ценозов почв и грунтов: снижается численность актиномицетов, нитрификаторов, целлюлозоразрушающих аэробов. Активное участие в разложении углеводородов принимают грибы.
3. Наиболее интенсивно разложение углеводородов протекает при ежегодном внесении комплекса NPK + навоз. В условиях резкого снижения числа нитрификаторов для углеводород-деструктирующей микрофлоры требуется дополнительное питание.
4. Наиболее интенсивно разложение углеводородов протекает при внесении микробиологической поликультуры. Поэтому технология биоразложения нефтепродуктов в грунтах должна основываться на использовании уже существующей, доступной поликультуры. Это целесообразно как с биохимической, так и с экономической точек зрения.
5. Технология биоразложения нефтепродуктов в грунтах должна сочетать в себе агротехнические и биохимические методы при условии эффективного использования потенциальных свойств почвы к самоочищению.