CC BY
11
УДК 547.541.2
https://doi.org/10.24412/2310-8266-2024-3-4-49-55
Применение микроорганизмов в процессах биоремедиации
Бабаев Э.Р.1, Муштагова Ф.Г.2
1 Институт химии присадок имени академика А.М. Кулиева, AZ 1029, г. Баку, Азербайджанская Республика
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7614-4797, E-mail: [email protected]
2 Государственная нефтяная компания Азербайджанской Республики, AZ 1029, г. Баку, Азербайджанская Республика
ORCID: https://orcid.org/0009-0005-7734-1860, E-mail: [email protected] Резюме: В представленной работе показаны результаты исследований в области изучения процесса биоремедиации, включающей комплекс различных методов очистки вод, почвенных грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов, в частности растений, грибов, насекомых, водорослей, а также микроорганизмов (различных патогенных бактерий и грибков). Описаны основные характеристики процесса биоремедиации и показана ее классификация в соответствии с применяемым компонентом. Этот процесс также используется для очистки от тяжелых металлов, металлоидов и других неорганических загрязнителей. Показаны основные положительные характеристики биоремедиации, в частности ее эффективность и экологическая целесообразность. Кроме того, в работе отмечены результаты собственных исследований авторов статьи, в частности проведен сопоставительный анализ результатов изучения особенностей изменения составов сырых нефтей и нефтяных загрязнений, подверженных микробиологической деструкции в жидкой минеральной среде и почве. Полученные данные свидетельствуют о том, что микробиологические процессы способствуют ароматизации и депарафинизации компонентов исследованной нефти. Также было установлено, что под влиянием микробиологических процессов возрастает степень окисленности нефти за счет увеличения содержания кар-бонилсодержащих соединений. На основе полученных экспериментальных данных сделано предположение о том, что исходная нефть переходит в более глубокую стадию деградации. Ключевые слова: биоремедиация, микроорганизмы, фиторемедиация, биовентиляция, загрязненные почвы, патогенные грибы, ризофильтрация.
Для цитирования: Бабаев Э.Р., Муштагова Ф.Г. Применение микроорганизмов в процессах биоремедиации // НефтеГазоХимия. 2024. № 3-4. С. 49-55. D0I:10.24412/2310-8266-2024-3-4-49-55
APPLICATION OF MICROORGANISMS IN BIOREMEDIATION PROCESSES Babayev Elbey R.1, Mushtagova Fidan G.2
1 Institute of Chemistry of Additives named after academician A.M. Kuliev, AZ 1029, Baku, Republic of Azerbaijan
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7614-4797, E-mail: [email protected]
2 State Oil Company of Azerbaijan Republic, AZ 1029, Baku, Azerbaijan Republic ORCID: https://orcid.org/0009-0005-7734-1860, E-mail: [email protected]
Abstract: The presented work shows the results of research in the field of studying the bioremediation process, including a set of various methods for cleaning water, soil and atmosphere using the metabolic potential of biological objects, in particular plants, fungi, insects, algae, and microorganisms (various pathogenic bacteria and fungi). The main characteristics of the bioremediation process are described and its classification according to the component used is shown. This processis also usedto clean from heavy metals, metalloids and other inorganic pollutants. The main positive characteristics of bioremediation are shown, in particular, its efficiency and environmental friendliness. In addition, the work notes the results of the authors' own research, in particular, we conducted a comparative analysis of the results of studying the features of changes in the compositions of crude oils and oil pollution subject to microbiological destruction in a liquid mineral medium and in soil. The data obtained indicate that microbiological processes contribute to the aromatization and dewaxing of the components of the studied oil. It was also established that under the influence of microbiological processes the degree of oil oxidation increases due to the increase in the content of carbonyl-containing compounds. Based on the obtained experimental data, it was assumed that the original oil passes into a deeper stage of degradation. Keywords: bioremediation, microorganisms, phytoremediation, bioventilation, contaminated soils, pathogenic fungi, rhizofiltration.
For citation: Babayev E.R., Mushtagova F.G. APPLICATION OF MICROORGANISMS IN BIOREMEDIATION PROCESSES. Oil & Gas Chemistry. 2024, no. 3-4, pp. 49-55. DOI:10.24412/2310-8266-2024-3-4-49-55
Биоремедиация представляет собой процесс, в котором биологическая система (обычно бактерии, микроводоросли, грибы и растения) используется для удаления загрязняющих веществ из воздуха, воды, почвы, дымовых газов, промышленных стоков и т.д. в естественных или искусственных условиях. Естественная способность организмов адсорбировать, накапливать и разлагать загрязняющие вещества привлекла использование биологических ресурсов для очистки загрязненной среды. По сравнению с традиционными физико-химическими методами очистки биоремедиация может иметь преимущества, поскольку она является экологичной, дешевой и масштабируемой. Исследования биоремедиации в значительной степени сосредоточены на стимуляции процесса путем инокуляции загрязненного участка организмами или снабжения питательными веществами для стимуляции их роста. Методы биоремедиации можно классифицировать как методы те^и, которые обрабатывают загрязненные участки напрямую, а также методы exsitu, которые применяются к извлеченным материалам. В обоих этих подходах добавляются дополнительные питательные вещества, витамины, минералы и буферы рН для улучшения роста и метаболизма микроорганизмов. В некоторых случаях добавляются специализированные микробные культуры (биостимуляция). Некоторые примеры технологий, связанных с биоремедиацией, включают фито-ремедиацию, биовентиляцию, био-аттенуацию, биобарботаж, компостирование и земледелие. Другие методы рекультивации включают термическую десорбцию, витри-фикацию, воздушную десорбцию, биовыщелачивание, ризофиль-трацию и промывку почвы. Конечной целью биоремедиации является удаление вредных соединений для улучшения качества почвы и воды.
Биоремедиация представляет собой любое использование живых организмов для разложения отходов и практикуется с тех пор, как люди впервые заселили мир и должны были избавляться от своего мусора. Не зная о микроорганизмах в почве и воде, люди полагались на них для уничтожения отходов от домашней, сельскохозяйственной и промышленной деятельности человека, преобразуя их в углекислый газ, воду и дополнительную микробную биомассу. С появлением очистных сооружений сточных вод в конце XIX века биоочистка стала более налаженным, лучше спроектированным процессом, хотя она все еще не называлась биоремедиацией [1, 2]. Прямая обработка почвы остатками с очистных сооружений сточных вод, шламами нефтеперерабатывающих заводов и муниципальными отходами, а также компостирование широко практикуются в течение нескольких десятилетий. Формальное применение этого естественного метода для очистки началось с доклада под названием «Полезная стимуляция бактериальной активности в грунтовых водах, содержащих нефтепродукты», написанного Р.Л. Реймондом и его коллегами (1975). Авторы сообщили, что, добавляя питательные вещества в подповерхностный слой почвы, они могли увеличить количество бактерий, которые разлагают углеводороды, полученные из нефти, и тем самым повысить скорость удаления загрязняющих веществ. Это было началом процесса, который теперь называется ускоренной или улучшенной био-ремедиацией ^^и (^В). ^В может включать добавление различных питательных веществ в зависимости от химии почвы и грунтовых вод, но чаще всего включает добавление акцептора электронов (кислорода в какой-либо форме или нитрата), фосфатов и, возможно, источника азота. Этот процесс может применяться к подповерхностным почвам или водоносным слоям, а также к водохранилищам, озерам и другим водоемам [3].
Растущие темпы урбанизации и индустриализации привели к увеличению нескольких типов загрязнения, вызванного выбросом токсичных химических веществ в окружающую среду [4]. Обычно это происходит в обрабатывающей промышленности (моющие средства и красители), сельскохозяйственных секторах (удобрения и пестициды), горнодобывающей промышленности (цианид и серная кислота) и строительных компаниях (цемент и металлы). Эти загрязнители оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье растений, животных и людей. Они также приводят к уничтожению популяции микроорганизмов как в водных, так и в наземных регионах и, следовательно, требуют проведения рекультивации. Хотя различные методы рекультивации, такие как физические и химические методы, применяются уже много лет; недостатки и проблемы, связанные с ними, способствуют использованию альтернативы, которой является биоремедиация. Биоремедиация подразумевает использование биологических агентов, таких как растения и микробы, для удаления или уменьшения воздействия загрязнителей окружающей среды. Из них микробы используются чаще всего из-за их быстрого роста и способности легко манипулировать ими, что повышает их функцию как агентов биоремедиации. Различные группы бактерий, грибов и водорослей использовались для очистки различных загрязнителей окружающей среды. В этом обзоре обсуждаются типы, механизмы и факторы, влияющие на микробную биоремедиацию. Также рекомендуются возможные шаги, которые можно предпринять для содействия использованию микробов в качестве агентов биоремедиации.
Авторы работ [5, 6] сообщают, что биоремедиация - это биологический механизм переработки отходов в другую
форму, которая может применяться другими организмами. В настоящее время мир сталкивается с проблемой различного загрязнения окружающей среды. Микроорганизмы необходимы для ключевого альтернативного решения для преодоления проблем. Микроорганизмы выживают в любом месте биосферы, поскольку их метаболическая активность поразительна; они появляются во всем диапазоне условий окружающей среды. Питательная способность микроорганизмов совершенно разнообразна, поэтому она используется в качестве биоремедиации загрязнителей окружающей среды. Биоремедиация активно участвует в деградации, искоренении, иммобилизации или деток-сикации различных химических отходов и физических опасных материалов из окружающей среды посредством всеобъемлющего действия микроорганизмов. Основной принцип - деградация и преобразование загрязнителей, таких как углеводороды, нефть, тяжелые металлы, пестициды, красители и т.д. Это осуществляется ферментативным путем посредством метаболизма, поэтому она вносит большой вклад в решение многих экологических проблем. Существует два типа факторов: биотические и абиотические условия, которые определяют скорость деградации. В настоящее время в разных частях света применяются различные методы и стратегии в этой области. Например, биостимуляция, биоаугментация, биовентиляция, биосваи и биоослабление являются распространенными. Все методы биоремедиации обладают как преимуществами, так и недостатками, поскольку имеют свою собственную специфическую область применения.
Нефтяные углеводороды являются одним из наиболее распространенных и гетерогенных органических загрязнителей, влияющих на морские экосистемы [7]. Загрязнение морских отложений или прибрежных зон нефтяными углеводородами представляет собой серьезную угрозу для экосистемы и здоровья человека, требуя срочных, эффективных и устойчивых решений по рекультивации. Помимо некоторых физических и химических обработок, которые были разработаны за эти годы для рекультивации морских отложений, подходы к биоремедиации, основанные на использовании микроорганизмов, привлекают все большее внимание из-за их экологической совместимости и более низких затрат. В этой работе авторы рассматривают текущие знания о биоремедиации нефтяных углеводородов в морских системах, представляя синтез наиболее эффективных микробных таксонов (то есть бактерий, грибов и микроводорослей), выявленных на сегодняшний день для удаления углеводородов. Авторы также обсуждают проблемы, возникающие при использовании инновационных молекулярных подходов для разработки эффективных стратегий рекультивации на основе этих трех микробных компонентов морских отложений, загрязненных углеводородами.
В работе [8] отмечается, что тяжелые металлы являются загрязнителями окружающей среды во всем мире. Они загрязняют сельскохозяйственные почвы и оказывают пагубное воздействие на нашу экосистему. Токсическое воздействие тяжелых металлов было отмечено у растений, животных, людей и микроорганизмов. Ремедиация тяжелых металлов необходима для сохранения здоровья сельскохозяйственных почв и приведет к повышению роста и урожайности культур. В последние годы для рекультивации загрязненных почв использовались различные методы и стратегии, но большинство из них были дорогостоящими, экологически неблагоприятными и отрицательно влияли на свойства почвы. Однако было обнаружено, что использование микробов для рекультивации тяжелых металлов
является экономически эффективным и экологически чистым. Микробы повышают стабильность здоровья сельскохозяйственных почв, что приводит к устойчивому росту и развитию растений в стрессовых условиях. Конкретными агентами, используемыми для биоремедиации, являются бактерии, грибы и водоросли. Бактериально-опосредованные процессы использовались для смягчения токсичности тяжелых металлов. Эндофитные бактерии обладают большим потенциалом переносить и устранять стресс от тяжелых металлов. Бактериальные штаммы показали потенциал для снижения уровня тяжелых металлов в ризосфере целевых видов растений и улучшения их роста. Грибы снижают токсичность тяжелых металлов, ингибируя их поглощение и перемещение в частях растений. Кроме того, грибы вызывают многие морфологические и физиологические изменения. Сообщалось, что макро- и микроводоросли снижают токсичность тяжелых металлов, в основном в морских системах. Отчеты предполагают, что применение вышеуказанных биоремедиационных агентов снижает стресс от тяжелых металлов, повышает способность к фитореме-диации в сочетании с бактериями, способствующими росту растений, и в конечном итоге улучшает характеристики роста растений.
Биоремедиация определяется как «биологический ответ на экологическое злоупотребление» [9]. Это определение служит для различения использования микроорганизмов при рекультивации загрязненных участков и их применении в процессах биоочистки/биорециклинга, предназначенных для сокращения выбросов органических и неорганических загрязняющих веществ у источника. В этой работе основное внимание уделяется первому, при этом признается, что процессы биологической очистки в настоящее время играют важную роль в предотвращении и сокращении степени органического и неорганического загрязнения окружающей среды от промышленного, сельскохозяйственного и муниципального секторов. Биоремедиация связана с биологическим восстановлением исторически загрязненных участков и с очисткой территорий, загрязненных в более недавнее время, как случайно, так и по неосторожности, в результате производства, хранения, транспортировки и использования органических и неорганических химикатов.
Биоремедиация традиционно проводится с использованием «свободных» бактериальных клеток, однако в последние годы использование «иммобилизованных» бактериальных клеток привлекло внимание как перспективный метод из-за разнообразных преимуществ [10]. В этом обзоре собрано огромное количество существующей литературы по множеству загрязняющих веществ, обработанных с использованием иммобилизованных бактерий. Авторы также обсуждают различные механистические аспекты использования иммобилизованных клеток для приложений по рекультивации окружающей среды, уделяя особое внимание клеткам, инкапсулированным в гидрогели, и их применению для детоксикации вредных загрязняющих веществ и очистки окружающей среды. Авторы рассматривают различные методы/технологии иммобилизации жизнеспособных бактериальных клеток в различных поддерживающих матрицах, использование одно- и многовидовых бактериальных сообществ, различные субстраты для роста и факторы, влияющие на процесс рекультивации, включая массоперенос, кинетические процессы и конфигурации биореактора, используемые в пилотных и полевых приложениях. Также обсуждаются преимущества и ограничения, связанные с использованием иммобилизованных бактерий в биореакторе для очистки загрязненной воды. С точки зрения устойчивого будущего восстановление ресурсов и
получение продуктов с добавленной стоимостью наряду с биоремедиацией может стать дополнительным преимуществом системы очистки на основе иммобилизованных клеток, что сделает ее более экономически эффективной и жизнеспособной стратегией очистки, а также соответствующей принципам экономики замкнутого цикла.
Нефтяные углеводороды являются источником энергии, который движет нашим современным обществом и в то же время влияет на окружающую среду [11]. Последствия загрязнения углеводородами варьируются от нарушения микробного разнообразия до онкологических заболеваний у людей. Чтобы обратить вспять эти негативные тенденции, навязанные загрязненной средой, необходимо применять преднамеренные меры по восстановлению, которые зависят от физических, химических и биологических механистических принципов. Физико-химический подход ориентирован на быстрое действие, но является более дорогим по сравнению с биологическим вариантом. Последний использует микроорганизмы, их части или ферменты для дезактивации и детоксикации опасных фракций углеводородов в безвредные продукты. Эффективность биоремедиации достигается за счет внедрения различных методов, которые выполняются в аэробных или анаэробных условиях (или insitu, или exsitu). Однако условие, связанное с аэрацией, является наиболее решающим фактором для адаптации и выживания микробов. В аэробных условиях грибы, бактерии и водоросли активно участвуют в процессе биотрансформации и детоксикации, тем самым давая наилучший результат в таких обстоятельствах. Однако в бескислородной среде в игру вступает выдающееся положение бактерий (из-за их способности процветать в экстремальных условиях) в разложении загрязняющих веществ на менее вредные соединения. Таким образом, бактерии имеют шанс быть использованными в качестве наиболее ресурсного биологического инструмента для нефтяной биотехнологии, включая экологическую ремедиацию экстремальных сред, благодаря их высокому значению адаптивного индекса. Более того, среда, подверженная воздействию углеводородов, часто характеризуется высокой соленостью, экстремальными температурами, высоким давлением и экстремальным pH.
Обработка загрязнений окружающей среды микроорганизмами является многообещающей технологией [12, 13]. Были разработаны и использованы различные генетические подходы для оптимизации ферментов, метаболических путей и организмов, имеющих отношение к биодеградации. Новая информация о метаболических путях и узких местах деградации все еще накапливается, расширяя доступный инструментарий. С молекулярными методами, позволяющими характеризовать структуру и активность микробного сообщества, производительность микроорганизмов в условиях insitu и в сочетании с местной микрофлорой станет предсказуемой.
Сообщается [14], что растущее накопление токсичных отходов и биоотходов представляет собой критический экологический кризис, требующий немедленных и эффективных решений. Традиционные методы обработки отходов, в основном химические и физические, все чаще рассматриваются как неустойчивые, обремененные высокими эксплуатационными расходами и риском образования вторичных загрязнителей. На этом фоне биоремедиация становится важной и устойчивой альтернативой, использующей естественные детоксикационные возможности микроорганизмов. В этой обзорной статье основное внимание уделяется использованию грибковых и бактериальных стратегий в биоремедиации, подчеркивая их жизненно
важную роль в деградации, стабилизации или детоксика-ции загрязняющих веществ. Авторы проводят углубленный анализ механизмов, с помощью которых грибы и бактерии разрушают различные загрязнители, представляя текущий снимок состояния знаний в этой области. В статье освещаются последние инновационные достижения, которые повышают эффективность и расширяют применимость технологий биоремедиации. Кроме того, в ней обсуждаются практические проблемы масштабирования этих решений для удовлетворения глобальных экологических потребностей и предлагаются направления для будущих исследований и внедрения.
Биоремедиация использует микробный метаболизм в присутствии оптимальных условий окружающей среды для удаления токсичных загрязнителей из окружающей среды [15]. Биоремедиация загрязненных грунтовых вод или почвы в настоящее время является самым дешевым и наименее вредным методом управления загрязненной средой и восстановления загрязненной почвы. Кроме того, био-ремедиация используется как успешный и привлекательный метод очистки загрязненной среды. Биоремедиация и естественное ослабление также рассматриваются как решение возникающих проблем с загрязнителями. Микробы очень полезны для восстановления загрязненной среды. В процессе биоремедиации участвует ряд микробов, включая аэробные, анаэробные бактерии и грибки. В этой работе описываются подходы к биоремедиации, такие как биоослабление, биостимуляция, биоаугментация, а также такие методы, как иммобилизация микроорганизмов для улучшения способности микробной деградации. Кроме того, обсуждаются типы загрязнителей, механизмы, поддерживаемые микробами, удаляющими загрязнители, и приложения, реализуемые с использованием различных типов микробов.
Загрязнение тяжелыми металлами представляет серьезную угрозу для всех форм жизни в окружающей среде из-за токсических эффектов долгосрочного загрязнения окружающей среды [16]. Эти металлы чрезвычайно чувствительны при низких концентрациях и могут накапливаться в пищевых цепях, представляя серьезный риск для здоровья населения. Различные органические загрязнители и металлы не разлагаются и остаются в своей среде в течение длительного времени. Рекультивация с использованием обычных физических и химических методов неэкономична и производит большие объемы химических отходов. Баланс опасных металлов показал сильный и растущий интерес на протяжении многих лет. Использование микроорганизмов-биосенсоров является экологически чистым и экономически эффективным, потому что микроорганизмы имеют различные механизмы секвестрации металлов, обладающие большей способностью биосорбировать металлы. Наконец, авторы работы предлагают микробные инструменты для удаления, извлечения металлов и металлоидов из растворов с использованием живой или мертвой биомассы и их компонентов.
В работах [17-19] показано, что биоремедиация оказывает сильное влияние на деградацию органических и неорганических загрязнителей окружающей среды. Био-ремедиация является многопрофильной технологией, которая обладает безопасными, эффективными и недорогими характеристиками. Кроме того, одной из важных особенностей технологии биоремедиации является обработка на месте, которая снижает вероятность передачи загрязняющих веществ на другой участок. Применение генной инженерии для создания микроорганизма, способного удалять различные типы тяжелых металлов одновременно или
создать трансгенное растение, считается одним из новых многообещающих подходов к биоремедиации. Удаление загрязнения тяжелыми металлами по-прежнему представляет собой большую проблему для экологов, в связи с чем этот обзор проливает свет на технологию биоремедиации; ее важность, механизм действия и перспективы.
Загрязнение прибрежных морских отложений тяжелыми металлами (ТМ) является широко распространенным явлением, требующим эффективных мер по рекультивации [20]. Биоремедиация, основанная на использовании бактерий, является экономически и экологически устойчивой эффективной стратегией для снижения загрязнения и/или токсичности ТМ в морских отложениях. Однако информация об эффективности морских грибов для дезактивации ТМ морских отложений по-прежнему в значительной степени отсутствует, несмотря на доказательства эффективности штаммов наземных грибов на других загрязненных матрицах (например, почвах, пресноводных отложениях, промышленных отходах). В этой работе авторы впервые провели ряд параллельных лабораторных экспериментов с использованием различных комбинаций химических и микробных добавок (включая ацидофильные автотроф-ные и гетеротрофные бактерии, а также нитчатые морские грибы) для биоремедиации сильно загрязненных ТМ отложений залива Портман (северо-запад Средиземного моря), района, в значительной степени затронутого длительными историческими сбросами шахт. Полученные результаты показывают, что эффективность биовыщелачивания металлов из осадка, основанная на добавлении грибов (Aspergillusniger и Trichodermasp.), как отдельно, так и в сочетании с автотрофными бактериями, была выше по сравнению с другими методами обработки. В частности, добавление грибов позволило получить выходы биовыщелачивания для As в восемь раз выше, чем при химической обработке, и в два раза выше по сравнению с добавлением одних только бактерий. Более того, в этом исследовании добавление грибов было единственной обработкой, обеспечивающей эффективное биовыщелачивание иначе немобильных фракций Zn и Cd, тем самым обогнав бактериальные методы обработки. Авторы обнаружили, что чем ниже pH осадка, достигнутый в экспериментальных условиях, как в случае добавления грибов, тем выше выход растворения металлов, что позволяет предположить, что специфические метаболические особенности Aspergillusniger и Trichodermasp. позволяют снизить pH осадка и усилить биовыщелачивание ТМ. В целом результаты свидетельствуют о том, что грибы могут быть более эффективными, чем ацидофильные автотрофные и гетеротрофные бактерии в биовыщелачивании ТМ, и, таким образом, их использование может представлять собой многообещающую и эффективную стратегию биоремедиации морских отложений, сильно загрязненных тяжелыми металлами.
Загрязнение воды является проблемой, вызывающей серьезную озабоченность во всем мире, которую можно в целом разделить на три основные категории: загрязнение органическими соединениями, неорганическими соединениями (например, тяжелыми металлами) и микроорганизмами [21-23]. В последние годы число исследований, касающихся использования эффективных процессов для очистки и минимизации загрязнения водоемов, увеличивается. В этом контексте использование процессов био-ремедиации для удаления токсичных металлов из водных растворов привлекает значительное внимание. Биореме-диацию можно охарактеризовать как способность определенных биомолекул или типов биомассы связывать и концентрировать выбранные ионы или другие молекулы,
присутствующие в водных растворах. Биоремедиация с использованием микроорганизмов показывает большой потенциал для будущего развития из-за ее экологической совместимости и возможной экономической эффективности. Широкий спектр микроорганизмов, включая бактерии, грибы, дрожжи и водоросли, могут действовать как биологически активные метилаторы, способные по крайней мере модифицировать токсичные виды. Многие процессы микробной детоксикации включают отток или исключение ионов металлов из клетки, что в некоторых случаях может привести к высоким локальным концентрациям металлов на поверхности клетки, где они могут реагировать с биогенными лигандами и выпадать в осадок. Хотя микроорганизмы не могут разрушать металлы, они могут изменять их химические свойства с помощью удивительного набора механизмов. Основное внимание уделяется тяжелым металлам, связанным с загрязнением окружающей среды, например свинцу (Pb), кадмию (Cd) и хрому (Cr), которые потенциально опасны для экосистем. Подробно обсуждаются типы микроорганизмов, которые используются в процессах биоремедиации из-за их естественной способности биосорбировать токсичные ионы тяжелых металлов. В этой главе суммируются существующие знания по различным аспектам основ и применения биоремедиации и критически рассматриваются препятствия на пути ее коммерческого успеха и будущих перспектив.
Можно заключить, что биоремедиация применяется для устранения различных загрязняющих веществ, таких как органические, неорганические или другие загрязняющие вещества из окружающей среды [24]. Окружающая среда во всем мире находится под большим стрессом из-за индустриализации и вмешательства человека в ограниченные природные ресурсы. Выброс химических загрязняющих веществ требует нескольких методов для обработки некоторых из этих химических веществ, но из-за их стоимости должны разрабатываться новые технологии, чтобы создавать экономически эффективные и экологически чистые технологии биоремедиации для экологических преобразований. Биоремедиация становится все более популярной с использованием штаммов микроорганизмов и водорослей для разложения загрязняющих отходов. Это использование микроорганизмов и их ферментов для защиты окружающей среды от сильного загрязнения. Биоремедиация может применяться для устранения определенных загрязняющих веществ, таких как хлорированные пестициды или другие загрязняющие вещества из окружающей среды. Микроорганизмы разлагают различные загрязняющие вещества в естественной среде, но можно внести некоторые изменения для повышения эффективности их разложения более быстрыми темпами в ограниченные сроки с помощью генетически модифицированных микроорганизмов и микроводорослей.
Биоремедиация - это устойчивая технология рекультивации, поскольку она использует микроорганизмы для преобразования опасных соединений в их менее токсичные или нетоксичные составляющие элементы [25]. Эта технология достигла определенного успеха за последние десятилетия; однако факторы, связанные с микробными консорциумами, такие как микробная сборка, функциональные взаимодействия и роль видов-членов, препятствуют ее развитию. Микробные консорциумы могут быть сконструированы для перенастройки метаболических путей и перепрограммирования социальных взаимодействий для получения желаемой функции, тем самым обеспечивая решения присущих им проблем. Инженерия микробных консорциумов обычно применяется для коммерческого производства биомоле-
кул. Однако в области биоремедиации необходимо подчеркнуть инженерию микробных консорциумов. В этом обзоре авторы обсудили молекулярные и экологические механизмы инженерии микробных консорциумов, уделив особое внимание метаболическому перекрестному питанию внутри видов и переносу метаболитов. Также обсуждаются преимущества и ограничения подходов «сверху вниз» и «снизу вверх» инженерии микробных консорциумов и их применение в биоремедиации.
Управление биомедицинскими отходами является неотъемлемой частью здравоохранения, поскольку является основой чистоты, гигиены и технического обслуживания в больнице [26, 27]. Медицинская помощь имеет решающее значение для здоровья человека, но неправильное управление биомедицинскими отходами наносит вред флоре и фауне экосистемы на земле и плохо влияет на здоровье человека. Из-за своей стабильности биомедицинские отходы не удаляются твердыми или канализационными очистными сооружениями, а биоаккумулируются в окружающей среде и в конечном итоге попадают к населению различными способами. Они вредны из-за своей потенциальной канцерогенности, генотоксичности, мутагенности и других токсичных свойств. Текущие методы утилизации, используемые при утилизации биомедицинских отходов, включают сточные воды/стоки, сжигание и захоронение. Эти методы обычно являются дорогостоящими и могут преобразовывать загрязняющие вещества из одной токсичной формы в другую. В то время как биоремедиация является недорогим методом использования природных микроорганизмов или растений для детоксикации антропогенных загрязняющих веществ до безвредных продуктов, которые также делают почву плодородной в процессе. Исследователи также разработали генетически модифицированные микробы для очистки окружающей среды от загрязнителей, включая радионуклиды. Фиторемедиация также представляет собой тип устойчивых методов, которые являются разумными и компетентными в обращении с тяжелыми металлами и радиоактивными отходами, образующимися в больницах. В этой статье авторы обобщили рациональное применение методов биоремедиации с использованием эффективных микроорганизмов и растений для улучшенного удаления нескольких стойких загрязнителей, включая биомедицинские отходы. В этом обзоре освещаются проблемы и будущие перспективы биоремедиации небиодеградируемых и потенциально токсичных больничных отходов.
В наших работах [28-35] исследованы особенности изменения фракционного состава нефти после ее биодеградации различными микроорганизмами в загрязненных почвах нефтяного месторождения Бинагади на Апшеронском полуострове. В лабораторных условиях изучена деструктивная активность некоторых углеводородокисляющих культур и их ассоциаций, выделенных из нефтезагрязненных почв, в отношении углеводородов нефти. Нефтедеструктивную активность исследуемых ассоциаций микроорганизмов оценивали по суммарному показателю, определяемому весовым методом убыли нефти и нефтепродуктов в жидкой среде. Фитотоксичность почв оценивалась биотестом с помощью семян пшеницы по соотношению числа проросших и непроросших семян, высоты проростков и длины корней. Проведен сопоставительный анализ результатов изучения особенностей изменения составов сырых нефтей и нефтяных загрязнений, подверженных микробиологической деструкции в жидкой минеральной среде и почве. Использование метода инфракрасной спектроскопии c преобразованием Фурье позволяет проанализировать особенности изменения химического состава загрязняющей почвы
нефти под влиянием микробиологического окисления и предположить переход ее в более глубокую стадию деградации. Полученные данные свидетельствуют о том, что микробиологические процессы способствуют ароматизации и депарафинизации компонентов исследованной нефти. Также было установлено, что под влиянием микробиологических процессов возрастает степень окисленности нефти
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Meena T., Neelam D., Gupta V., Rahi R.K. Bioremediation - An Overview. International Journal of Scientific Research. 2021. Vol. 12. No. 3. Pp. 4112541133.
2. Hlihor R., Gavrilescu M., Tavares T., Favier L. Bioremediation: An Overview on Current Practices, Advances, and New Perspectives in Environmental Pollution Treatment. Biomed. Res. Int. 2017. No. 4. Pp. 610-632.
3. Litchfield C. Thirty Years and Counting: Bioremediation in Its Prime? Bioscience. 2005. Vol. 55. No. 3. Pp. 273-279.
4. Ayilara M.S., Babalola O. Bioremediation of environmental wastes: the role of microorganisms. Frontiers in Agranomy. 2023. No. 5. Pp. 131-147.
5. Abatenh E., Gizaw B., Tsegaye Z., Wassie M. The Role of Microorganisms in Bioremediation-A Review. Open Journal of Environmental Biology. 2017. Vol. 1. No. 1. Pp. 38-40.
6. Abatenh E., Gizaw B., Tsegaye Z., Wassie M. Application of microorganisms in bioremediation-review. Journal of Environmental Chemistry and Toxicology. 2017. Vol. 1. No. 1. Pp. 2-9.
7. Dell Anno F., Rastelli E., Sansone C., Brunet C. Bacteria, Fungi and Microalgae for the Bioremediation of Marine Sediments Contaminated by Petroleum Hydrocarbons in the Omics Era. Microorganisms. 2021. Vol. 9. No. 8. Pp. 1695-1710.
8. Hassan Z., Shafagat A., Rizwan M., Nafees M. Role of Bioremediation Agents (Bacteria, Fungi, and Algae) in Alleviating Heavy Metal Toxicity. Chapter 2 in book Probiotics in Aqroecosystem. 2017. Pp. 517-537.
9. Colleran E. Uses of bacteria in bioremediation. Chapter in book Bioremediation protocols. 1994. Pp. 3-22.
10. Mehrotra T., Subhabrata D., Banerjee A., Chatterjee A. Use of immobilized bacteria for environmental bioremediation. A review. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9. No. 5. Pp. 105920-105927.
11. Fenibo E.O. Suitability of Bacteria in Bioremediation Techniques Common for Petroleum-Related Pollutions. Asia Journal of Applied Microbiology. 2020. Vol. 8. No. 1. Pp. 1-18.
12. Pieper D.H., Reineke W. Engineering bacteria for bioremediation. Curr. Open Biotechnol. 2000. Vol. 11. No. 3. Pp. 262-270.
13. Sanghvi G., Thanki A., Pandey S., Singh N.K. Engineered bacteria for bioremediation. Bioremediation of Pollutants. 2020. No. 2. Pp. 359-374.
14. Thirumalaivasan N., Gnanasekaran L., Kumar S., Durvasulu R., Sundaram T. Utilization of fungal and bacterial bioremediation techniques for the treatment of toxic waste and biowaste. Front. Mater. 2024. Vol. 11. No. 3. Pp. 320-331.
15. Sinem D., Bakhshpour M., Denizli A. Applications of Microbes in Bioremediation of Water Pollutants. Chapter in book Recent Advances in Microbial Degradation. 2021. Pp. 465-483.
16. Tarekegn M., Salilih F., Ishetu A. Microbes used as a tool for bioremediation of heavy metal from the environment. Cogent Food and Agriculture. 2020. Vol. 6. No. 1. Pp. 178-184.
17. Abo-Alkasem M., Hassan N., Elsoud M. Microbial bioremediation as a tool for the removal of heavy metals. Bulletin of the National Research Center. 2023. Vol. 47. Pp. 31-39.
18. Atuchin V.V., Asyakina L.K., Serazetdinova Y.R., Frolova A.S. Microorganisms for Bioremediation of Soils Contaminated with Heavy Metals. Microorganisms. 2023. Vol. 11. No. 4. Pp. 864-872.
19. Sreedevi P.R., Suresh K., Jiang G. Bacterial bioremediation of heavy metals in wastewater. A review of processes and applications. Journal of Water Process
REFERENCES
1. Meena T., Neelam D., Gupta V., Rahi R.K.Bioremediation - an overview. International Journal of Scientific Research, 2021,vol. 12,no. 3,pp. 4112541133.
2. Hlihor R., Gavrilescu M., Tavares T., Favier L. Bioremediation: an overview on current practices, advances, and new perspectives in environmental pollution treatment.Biomed. Res. Int., 2017,no. 4,pp. 610-632.
3. Litchfield C.Thirty years and counting: bioremediation in its prime? BioScience, 2005,vol. 55,no. 3,pp. 273-279.
4. Ayilara M.S., Babalola O. Bioremediation of environmental wastes: the role of microorganisms. Frontiers in Agranomy, 2023,no. 5,pp. 131-147.
5. Abatenh E., Gizaw B., Tsegaye Z., Wassie M.The role of microorganisms in
за счет увеличения содержания карбонилсодержащих соединений. Следует отметить, что в спектрах наблюдаются полосы поглощения, обусловленные образованием соединений с непредельной связью, а также азотсодержащих соединений. На основе полученных экспериментальных данных можно предположить, что исходная нефть переходит в более глубокую стадию деградации.
Engineering. 2022. Vol. 48. Pp. 102884-102891.
20. Dellanno F., Rastrelli E., Buschi E., Barone G. Fungi Can Be More Effective than Bacteria for the Bioremediation of Marine Sediments Highly Contaminated with Heavy Metals. Microorganisms. 2022. Vol. 10. No. 5. Pp. 993-999.
21. Coelho L.M., Rezende H.C., de Sousa P.A., Melo D. Bioremediation of Polluted Waters Using Microorganisms. Chapter in book Advances in Bioremediation of Waste Water and Polluted Soil. 2014. 275 p.
22. Saleem A., Naureen I., Tasleem G., Anwar R. Microbial Assisted Bioremediation of Polluted Water. Saudi Journal of Life Science. 2022. Vol. 7. No. 4. Pp. 116-127.
23. Saravanan A., Kumar P.S., Duc P.A., Rangasamy G. Strategies for microbial bioremediation of environmental pollutants from industrial wastewater. A sustainable approach. Chemosphere. 2023. Vol. 313. No. 1. Pp. 137323137331.
24. El-Sheekh M., Majmood Y. Technological Approach of Bioremediation Using Microbial Tools: Bacteria, Fungi, and Algae. Chapter 6 in book Handbook of Research on Inventive Bioremediation Techniques. 2017. 21 p.
25. Xianglong L., Shanghua W., Dong Y. Engineering Microbial Consortia towards Bioremediation. Water. 2021. Vol. 13. No. 20. Pp. 2928-2936.
26. Mohd Kh. Applications of Bioremediation in Biomedical Waste Management - Current and Future Prospects. Braz. Arch. Biol. Technol. 2024. Vol. 67. Pp. 136-142.
27. Omer R., Mohsin M.Z., Sajid B., Huang X. Engineered Bacteria Based Living Materials for Biotherapeutic Applications. Front Bioeng. Biotechnol. 2022. Vol. 10. Pp. 870675-870679.
28. Бабаев Э.Р. Микробиологическая деструкция нефти в почвах Апшерон-ского полуострова // Территория Нефтегаз. 2017. № 11. C. 64-76.
29. Mamedova P.Sh., Babayev E.R., Sultanova S.A., Kahramanova K.R., Yagubova A.V. Evaluation of microorganism numbers in samples of petroleum contaminated soils from territories of Apsheron region. Экоэнергетика. 2007. № 2. С. 32-33.
30. Мамедова П.Ш., Кахраманова К.Р., Бабаев Э.Р., Алиева Х.Ш. Выделение активных углеводородокисляющих бактерий из нефтезагрязненных почв Сураханского месторождения // Азербайджан. хим. журн. 2008. № 3. С. 59-62.
31. Фарзалиев В.М., Бабаев Э.Р., Мамедова П.Ш. Анализ активности отдельных штаммов-деструкторов нефтепродуктов и их ассоциаций для очистки нефтезагрязненных почв // Процессы нефтехимии и нефтепереработки. 2008. № 3-4(35-36). С. 229- 231.
32. Фарзалиев В.М., Бабаев Э.Р., Кулиева Д.М. Выбор оптимальных питательных сред и условий культивирования для активного роста микроорганизмов-деструкторов нефти // Процессы нефтехимии и нефтепереработки. 2008. № 3-4(35-36). С.177-181.
33. Бабаев Э.Р., Мовсумзаде М.Э. Преобразование нефти в процессе микробиологической деградации в почве // Башкир. хим. журн. 2009. Т. 6. № 3. С. 80-85.
34. Бабаев Э.Р., Мовсумзаде М.Э., Мамедова П.Ш. и др. Оптимизация состава питательных сред для нефтеокисляющих дрожжевых культур рода Candida // Нефтепереработка и нефтехимия. 2010. № 11. С. 46-51.
35. Бабаев Э.Р. Изучение микробиологического преобразования углеводородов нефтезагрязненных почв: Мат. конф. Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии. Реактив-2009. Уфа. С. 209-211
bioremediation-a review.Open Journal of Environmental Biology, 2017,vol. 1,no. 1,pp. 38-40.
6. Abatenh E., Gizaw B., Tsegaye Z., Wassie M.Application of microorganisms in bioremediation-review.Journal of Environmental Chemistry and Toxicology, 2017,vol. 1,no. 1,pp. 2-9.
7. Dell Anno F., Rastelli E., Sansone C., Brunet C.Bacteria, fungi and microalgae for the bioremediation of marine sediments contaminated by petroleum hydrocarbons in the omics era.Microorganisms, 2021,vol. 9,no. 8,pp. 1695-1710.
8. Hassan Z., Shafagat A., Rizwan M., Nafees M.Probiotics in Aqroecosystem. 2017. pp. 517-537.
9. Colleran E.Bioremediation protocols. 1994. pp. 3-22.
10.Mehrotra T., Subhabrata D., Banerjee A., Chatterjee A.Use of immobilized bacteria for environmental bioremediation. A review.Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021,vol. 9,no. 5,pp. 105920-105927.
11.Fenibo E.O.Suitability of bacteria in bioremediation techniques common for petroleum-related pollutions.Asia Journal of Applied Microbiology, 2020,vol. 8,no. 1,pp. 1-18.
12.Pieper D.H., Reineke W.Engineering bacteria for bioremediation.Curr. Open Biotechnol.,2000,vol. 11,no. 3,pp. 262-270.
13.Sanghvi G., Thanki A., Pandey S., Singh N.K.Engineered bacteria for bioremediation.Bioremediation of Pollutants, 2020,no. 2,pp. 359-374.
14.Thirumalaivasan N., Gnanasekaran L., Kumar S., Durvasulu R., Sundaram T. Utilization of fungal and bacterial bioremediation techniques for the treatment of toxic waste and biowaste.Front. Mater, 2024,vol. 11,no. 3,pp. 320-331.
15.Sinem D.,Bakhshpour M., Denizli A.Recent advances in microbial degradation. 2021. pp. 465-483.
16.Tarekegn M., Salilih F., Ishetu A. Microbes used as a tool for bioremediation of heavy metal from the environment.Cogent Food and Agriculture, 2020,vol. 6,no. 1,pp. 178-184.
17.Abo-Alkasem M., Hassan N., Elsoud M. Microbial bioremediation as a tool for the removal of heavy metals.Bulletin of the National Research Center, 2023,vol. 47,pp. 31-39.
18.Atuchin V.V.,Asyakina L.K., Serazetdinova Y.R., Frolova A.S. Microorganisms for bioremediation of soils contaminated with heavy metals. Microorganisms, 2023,vol. 11,no. 4,pp. 864-872.
19.Sreedevi P.R., Suresh K., Jiang G.Bacterial bioremediation of heavy metals in wastewater. A review of processes and applications.Journal of Water Process Engineering, 2022,vol. 48,pp. 102884-102891.
20.Dellanno F., Rastrelli E., Buschi E., Barone G.Fungi can be more effective than bacteria for the bioremediation of marine sediments highly contaminated with heavy metals.Microorganisms, 2022,vol. 10,no. 5,pp. 993-999.
21.Coelho L.M., Rezende H.C., de Sousa P.A., Melo DAdvances in bioremediation of waste water and polluted soil. 2014. 275 p.
22.Saleem A., Naureen I., Tasleem G., Anwar R.Microbial assisted bioremediation of polluted water.Saudi Journal of Life Science, 2022,vol. 7,no. 4,pp. 116-127.
23.Saravanan A., Kumar P.S., Duc P.A., Rangasamy G. Strategies for microbial bioremediation of environmental pollutants from industrial wastewater. A sustainable approach.Chemosphere, 2023,vol. 313,no. 1,pp. 137323-137331.
24.El-Sheekh M., Majmood Y. Handbook of research on inventive bioremediation
techniques. 2017. 21 p.
25.Xianglong L., Shanghua W., Dong Y. Engineering microbial consortia towards bioremediation.Water, 2021,vol. 13,no. 20,pp. 2928-2936.
26.Mohd Kh. Applications of bioremediation in biomedical waste management - current and future prospects.Braz. Arch. Biol. Technol., 2024,vol. 67,pp. 136-142.
27.Omer R., Mohsin M.Z., Sajid B., Huang X. Engineered bacteria based living materials for biotherapeutic applications.Front Bioeng. Biotechnol, 2022,vol. 10,pp. 870675-870679.
28.Babayev E.R. Microbiological destruction of oil in the soils of the Apsheron Peninsula.TerritoriyaNeftegaz, 2017,no. 11,pp. 64-76 (In Russian).
29.MamedovaP.Sh., Babayev E.R., Sultanova S.A., Kahramanova K.R., Yagubova A.V. Evaluation of microorganism numbers in samples of petroleum contaminated soils from territories of Apsheron region. Ekoenergetika, 2007,no. 2,pp.32-33.
30.Mamedova P.SH., Kakhramanova K.R., Babayev E.R., Aliyeva KH.SH. Isolation of active hydrocarbon-oxidizing bacteria from oil-contaminated soils of the Surakhani field. Azerbaydzhanskiykhimicheskiyzhurnal, 2008,no. 3, pp. 59-62 (In Russian).
31.Farzaliyev V.M., Babayev E.R., Mamedova P.SH. Analysis of the activity of individual strains-destructors of oil products and their associations for cleaning oil-contaminated soils. Protsessyneftekhimiiineftepererabotki, 2008,no. 3-4(35-36),pp. 229- 231 (In Russian).
32.Farzaliyev V.M., Babayev E.R., Kuliyeva D.M. Selection of optimal nutrient media and cultivation conditions for active growth of microorganisms-destructors of oilProtsessyneftekhimiiineftepererabotki, 2008,no. 3-4(35-36),pp.177- 181 (In Russian).
33.Babayev E.R., Movsumzade M.E. Transformation of oil in the process of microbiological degradation in soil.Bashkirskiykhimicheskiyzhurnal, 2009,vol. 6,no. 3,pp. 80-85 (In Russian).
34.Babayev E.R., Movsumzade M.E., Mamedova P.SH., Kuliyeva D.M., Veliyeva F.M. Optimization of the composition of nutrient media for oil-oxidizing yeast cultures of the genus Candida.Neftepererabotkaineftekhimiya, 2010,no. 11,pp. 46-51 (In Russian).
35.Babayev E.R. Study of microbiological transformation of hydrocarbons in oil-contaminated soils. Khimicheskiye reaktivy, reagent i protsessy malotonnazhnoy khimii, 2009, pp. 209-211 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Бабаев Эльбей Расимович, к.х.н, в.н.с., Институт химии присадок им. академика А.М. Кулиева.
Муштагова Фидан Галибовна, старший инженер, Государственная нефтяная компания Азербайджанской Республики.
Elbey R. Babayev, Cand. Sci. (Chem.), Leading Researcher, 1Institute of Chemistry of Additives named after academician A.M. Kuliev.
Fidan G. Mushtagova, Senior Ingeneer, State Oil Company of Azerbaijan Republic.
