Контакты | Реклама | Подписка

Рефераты: Экология / Загрязнения

Биологические методы снижения автотранспортных загрязнений

Особенности биоиндикации уже рассматривались раньше. Перспективность такого подхода заключается в простоте, невысокой стоимости, непрерывности получаемой информации во времени и пространстве. Недостатком биоиндикации является ограниченность возможностей и неточность информации. Применение лесополос для защиты придорожной территории от химических и энергетических воздействий известно давно. Роль зеленых насаждений придорожной территории очень многообразна. Однако основные их функции - формирование оптимального микроклимата территории, снижение загрязненности атмосферы и шума. Ниже приводятся данные авторов, исследовавших весь спектр защитных функций зеленых насаждений.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИДОРОЖНОЙ ПОЛОСЫ

Сравнительная оценка биологических и других методов снижения автотранспортного загрязнения окружающей среды.

Применение биологических методов снижения автотранспортного загрязнения окружающей среды на современном этапе развития науки предполагает:

  • использование древесной, кустарниковой и травянистой растительности для защиты придорожной территории от химических и энергетических воздействий;
  • определение уровня загрязнения по реакции живых организмов;
  • снижение автотранспортного загрязнения окружающей среды и переработку отходов биотехнологическими методами.

Особенности биоиндикации уже рассматривались раньше. Перспективность такого подхода заключается в простоте, невысокой стоимости, непрерывности получаемой информации во времени и пространстве. Недостатком биоиндикации является ограниченность возможностей и неточность информации. Применение лесополос для защиты придорожной территории от химических и энергетических воздействий известно давно. Роль зеленых насаждений придорожной территории очень многообразна. Однако основные их функции - формирование оптимального микроклимата территории, снижение загрязненности атмосферы и шума. Ниже приводятся данные авторов, исследовавших весь спектр защитных функций зеленых насаждений [19].

Влияние лесополос на смягчение температурного режима открытых пространств в летние дни обусловливается двумя важными факторами:

  • зеленые насаждения при правильном их размещении защищают поверхность стен, почвы и искусственных покрытий от прямого солнечного облучения;
  • температура поверхности зеленого покрова, благодаря значительному отражению солнечных лучей и большому испарению влаги, не достигает таких высоких величин, как температура открытой почвы, искусственных покрытий и каменных стен.

Величина радиационно-температурного перепада на участках, открытых и защищенных древесными посадками, зависит от размера озелененной площади, а также густоты лиственного покрова деревьев и кустарников. Но даже небольшие участки, засаженные деревьями (скверы, бульвары и уличные однорядные насаждения), снижают радиационную температуру в тени деревьев и тем самым оказывают благоприятное влияние на человека, находящегося среди таких посадок.

Однорядные уличные посадки при хорошем их состоянии снижают температуру воздуха по сравнению с открытым пространством на 2°С. Наблюдения над реакциями организма человека показали, что после получасового пребывания на открытой городской территории и последующем переходе в зону зеленых насаждений в дни с наличием прямой солнечной радиации частота пульса постепенно уменьшалась в среднем на 6 ударов, максимально - на 18 ударов в минуту; температура кожных покровов снижалась на 1,3-2,2°. При переходе с озелененной площадки на открытую у наблюдаемых иногда отмечались значительные сдвиги в работе сердечнососудистой системы: пульс учащался на 8-18 ударов в минуту, понижалось максимальное и минимальное кровяное давление на 5-10 мм ртутного столба, повышалась температура кожных покровов и тела, ухудшалось самочувствие, появлялась общая слабость, сердцебиение, головокружение, головная боль.

Наряду с указанным положительным влиянием зеленых насаждений на температурно-радиационный режим среды следует иметь ввиду, что при неправильной организации посадок в жаркие летние дни могут создаваться неблагоприятные микроклиматические условия. Такие случаи возможны при загущенных посадках с плохой проветриваемостью и высокой влажностью.

Зеленые насаждения влияют на влажность воздуха вследствие испарения влаги поверхностью листьев. Влажность воздуха среди зеленых массивов в летние жаркие дни на 18-22% выше, чем на открытых пространствах и в замкнутых городских кварталах. Известно, что на испарение 1 л воды требуется 600 ккал тепла. Этот процесс способствует понижению температуры листьев в нижних слоях кроны на 3-5° по сравнению с температурой окружающего воздуха, а также температуры воздуха на 2-3° по сравнению с открытым пространством.

Повышенная влажность воздуха зеленых массивов может распространяться на прилегающие инсолируемые закрытые пространства. В гигиеническом отношении следует учитывать большое значение пылезащитных и газозащитных свойств зеленых насаждений. Процесс обеспыливания воздушной среды зелеными насаждениями схематично можно представить в следующем виде. Пылевые частицы загрязненного воздуха, встречая на своем пути зеленый массив, в значительной степени выпадают среди зеленых насаждений под влиянием силы тяжести вследствие уменьшения скорости движения воздуха; некоторая часть пыли выпадает из воздуха, наталкиваясь на стволы, ветви и листья деревьев; наконец, значительное количество пыли задерживается на поверхности листьев и хвои. Запыленность воздуха среди зеленых насаждений в 2-3 раза меньше, чем на открытых городских территориях. Древесные насаждения уменьшают запыленность воздуха в вегетационный период примерно на 42%, при отсутствии лиственного покрова - на 37%. Необходимо отметить, что пылезащитная роль зеленых насаждений зависит от характера подстилающей поверхности: газон, щебень, асфальтобетон и т.д. Многими специалистами отмечено, что отсутствие ухоженного газона под деревьями значительно снижает осаждение пыли зелеными насаждениями, уменьшая их пылезащитную функцию в несколько раз.

Влияние древесных и кустарниковых пород на снижение концентраций в воздухе вредных газов происходит, главным образом, путем рассеивания этих газов в верхние слои атмосферы кронами деревьев и в некоторой степени путем поглощения газов листьями через устьица и клеточную оболочку листьев. Известно, что зеленые насаждения улавливают из атмосферного воздуха сернистый газ и накапливают его в виде сульфатов в своих тканях. Следовательно, растительность играет роль не только механического фильтра пыли, но и химического фильтра, например, для диоксида серы и ряда других газов. Ценной гигиенической особенностью зеленых насаждений является их способность снижать интенсивность шума, действующего на человека. В крупных городах с развитой транспортной инфраструктурой городской шум оказывает неблагоприятное влияние на организм человека: центральную нервную систему, артериальное давление, деятельность внутренних органов. Однако снижение уровня шума зелеными насаждениями возможно только при обязательном выполнении ряда условий:

  • наличия широкой полосы озеленения не менее 30-40 м, проекта озеленения, выполненного с соблюдением правильного подбора газо- и пылеустойчивых видов насаждений, что обусловит их длительную сохранность;
  • наличия у выбранных видов деревьев густой кроны;
  • многоуровневым характером посадок и т.д.

Известно, что защита от шума более эффективна при использовании шумозащитных экранов. Но повсеместное распространение шумозащитных экранов нельзя считать удачной заменой деградирующей растительности.

Преимущество лесозащитных полос по сравнению с шумозащитными экранами заключается в более широком спектре действия. Таким образом, зеленые насаждения не только препятствуют распространению шума, газопылевых выбросов, но и осаждают взвешенные частицы, играя роль фильтров, регулируют кислородный баланс, создают оптимальный микроклимат территорий и лучше воспринимаются визуально, так как благоприятно воздействуют через органы чувств (зрения, обоняния) на центральную нервную систему человека, улучшая его самочувствие. Кроме того, зеленые насаждения обладают фитонцидными свойствами, которые способствуют подавлению болезнетворных бактерий, содержащихся в городском воздухе. Летучие выделения растений убивают туберкулезную палочку, белый и золотистый стрептококк, гемолитический стрептококк, холерный вибрион и т.д. Бактерицидные свойства хвойных растений значительно сильнее лиственных.

Не менее перспективным направлением снижения автотранспортного загрязнения окружающей среды являются биотехнологические методы, которые основаны на способности ферментов катализировать широкий спектр химических реакций «в мягких условиях». До сих пор не удается создать катализаторы, превосходящие по специфичности и эффективности биологические. Биотехнологические процессы в отличие от химических протекают в «мягких условиях»: при нормальном давлении и рН среды, а также при физиологических температурах. Они в меньшей степени загрязняют окружающую среду отходами и побочными продуктами. Кроме того, они мало зависят от климатических и погодных условий, не требуют больших земельных площадей, не нуждаются в применении пестицидов, гербицидов и других чужеродных для окружающей среды веществ.

К недостаткам биотехнологий можно отнести низкую скорость процессов, сложность их регулирования и контроля, а также ограниченность применения. Несмотря на это, биологические технологии в развитых государствах бурно развиваются.

Основными преимуществами биологических методов защиты являются: простота и естественность, невысокая стоимость, многофункциональность. Кроме того, сегодняшний уровень развития науки дает реальную возможность избавиться от недостатков технологии с помощью методов генной инженерии. Важно отметить, что, приобретя новые свойства, измененные или созданные, организмы могут не вписаться в существующие экосистемы.

Методы очистки воздуха, воды и почвы

Методы очистки воздуха

Для очистки воздуха применяют различные методы: физические, химические и биологические. Среди физических методов - абсорбция примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями. Наиболее распространенными химическими методами очистки воздуха являются озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование. Биологические методы очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно и пока в ограниченных масштабах. Для адекватного восприятия этого метода очистки воздуха ниже приведены данные Т.Г. Воловой.

Биологические методы очистки воздуха базируются на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов: СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные С1 - соединения. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями СО. Представители рода Nocardia эффективно разрушают стирол и ксилол; Hyphomicrobium - дихлорэтан; Xanthobacterium - этан и дихлорэтан; Mycobacterium - винилхлорид. Для повышения биосинтетического потенциала микроорганизмов - деструкторов токсичных веществ - используются методы традиционной селекции и отбора, а также новейшие достижения клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число токсичных загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и, следовательно, деструктурирующую способность. Для разрушения трудноутилизируемых соединений в ряде случаев микроорганизмы целесообразно адаптировать к таким субстратам и только после этого вводить их в рабочее тело действующих установок. Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем.

Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует токсичные вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.

В качестве носителя для фильтрующего слоя используют природные материалы: компост, торф и др. Эти материалы содержат различные минеральные соли и вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок. Воздух, подлежащий очистке, подается вентилятором в систему, проходит через фильтрующий слой в любом направлении, снизу вверх или наоборот. При этом воздух должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно. В связи с этим требуется однородность слоя и определенная степень влажности. Оптимальная для очистки воздуха влажность фильтрующего слоя составляет 40-60% от массы материала носителя. При недостаточной влажности материала фильтрующего слоя в нем образуются трещины, материал пересыхает. Это затрудняет прохождение воздуха и снижает физиологическую активность микроорганизмов. Увлажнение материала обеспечивается распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще слоя происходит образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем и падает эффективность очистки. В толще фильтрующей массы не должно образовываться более плотных зон или комков материала, что возможно при использовании компоста, так как при этом снижается удельная площадь поверхности фильтрующего слоя. В материале не должно возникать температурных градиентов, а также не должно происходить резких изменений рН среды. Поэтому температурный режим в биофильтре поддерживается постоянным. Для этого воздух, подаваемый в биофильтр, подогревается, установка в целом термостатируется.

Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует принимать комплекс специальных мероприятий. Так, воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности 95-100%. При заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в материал добавляют гранулы (диаметром 3-10 мм) из синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек, активированный уголь. Масса добавок составляет от 30 до 70% от массы фильтрующего материала и равномерно распределяется по всему слою. Для предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве 2-40 %) от массы носителя. С целью избежания ситуаций, когда микроорганизмы, входящие в состав рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсичными веществами в результате, например, залповых выбросов, в материал вносят активированный уголь.

Скорость удаления вредных примесей из воздуха в процессе биоочистки может лимитироваться как диффузией веществ из газовой фазы в биокаталитический слой, так и скоростью протекания биохимических реакций в микробных клетках. При высокой входной концентрации вредных веществ в воздухе процесс их деструкции в ходе прохождения потока через фильтрующий слой неравномерен. Сначала разрушаются легкодоступные вещества и только в конце процесса начинается разрушение труднодеградируемых соединений. Так, при присутствии в воздухе в качестве вредных примесей бутанола, этилацетата, бутилацетата, толуола последний утилизируется микроорганизмами только после окисления всех остальных веществ.

Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки достигаются спустя некоторое время после запуска биофильтра. Требуется некоторый период для созревания и адаптации микробиологического ценоза. Длительность периода адаптации зависит от концентрации веществ в воздухе и микробного пейзажа в диффузионном слое и может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Концентрация микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять. Длительность циклов достаточно велика и составляет несколько лет. Принцип функционирования биоскрубберов отличается тем, что процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках. На первом этапе в абсорбере токсичные вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород растворяются в воде. В результате воздух выходит очищенным, а загрязненная вода далее следует на очистку. На второй стадии загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке происходит по обычной схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические вещества окисляются микроорганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов с образованием биомассы.

Биореактор с омываемым слоем. Рабочим телом такой биосистемы являются иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с иммобилизованными микробными клетками. Биослой омывается водой, содержащей необходимые для развития клеток минеральные вещества. Загрязненный воздух проходит через этот биослой. При этом вещества, подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку, покрывающую частицы биокатализатора и далее окисляются микроорганизмами. Скорость деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой фазы в жидкую, а также скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость диффузии, в свою очередь, зависит от природы токсичных веществ, величины их концентраций. Стационарный режим биореактора с омываемым слоем после его запуска наступает через 5-10 дней. При использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам микроорганизмов этот срок может быть сокращен до нескольких часов.

Периодически биослой очищают от избытка биомассы и наполняют свежими гранулами. Основные требования, предъявляемые к установкам биологической очистки газов, заключаются в простоте и эксплуатационной надежности конструкции, высокой удельной производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки измеряется отношением объема воздуха, прошедшего через нее за 1 ч, к общему объему установки. Масштабы промышленного применения методов биологической очистки воздуха в настоящее время незначительны. Наиболее распространенным типом установок являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоемки, требуют незначительного расхода воды. Но производительность биофильтров составляет всего 5-400 м3 очищаемого воздуха на 1 м2 поперечного сечения фильтрующего слоя в час. Это определяется низким содержанием микроорганизмов в единице объема материала фильтрующего слоя. Высота биофильтров из-за требований однородности структуры и газодинамических ограничений не превышает 1 м. Поэтому они занимают большие площади (от 10 до 1600 м2). Степень очистки воздуха в биофильтрах достаточно высокая. Например, используемые в сельском хозяйстве Германии биофильтры обеспечивают 90%-ную степень очистки воздуха от дурнопахнущей органики. Повышение эффективности работы биофильтров достигается созданием условий для более равномерного прохождения воздуха через рабочее тело установки. Так, фирмой «Гербург Вейз» (Германия) разработан биофильтр, в котором сверху вниз противотоком к вводимому снизу воздуху проходит тонко измельченный компост, полученный при переработке мусора и шлама. Компост выгружается на дно установки и транспортером вновь подается в верхнюю часть. Такой движущийся биологически активный компост обеспечивает равномерное прохождение через него очищаемого воздуха; степень извлечения из воздуха n-алканов, толуола, сероводорода составляет 96,7 - 99,9%. Повышение эффективности работы биофильтров связано с повышением энергозатрат на процесс биоочистки.

Биоскрубберы по сравнению с биофильтрами занимают меньшую площадь, так как представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты у них выше, так как процесс биоочистки воды требует существенных затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе хорошо растворимых токсичных веществ.

Перспективными для очистки воздуха являются биореакторы с омываемым слоем. Эти установки, имея высокую степень очистки, характеризуются более высокой удельной производительностью (несколько тысяч кубических метров очищаемого воздуха в час). Эффективны такие установки для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень очистки воздуха в реакторе с иммобилизованными на активированном угле микроорганизмами от ацетона, бутанола, этилацетата достигает 90%.

Известны и другие методы биологической очистки воздуха, например, на основе растущей суспензии микроорганизмов. Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах уже применяются биологические процессы для очистки газовоздушных выбросов. Так, фирма «Квартэк» (Россия) выпускает универсальный биофильтр предназначенный для очистки вентиляционных выбросов от органических соединений (стирола, ксилола, толуола, бензола, этанола, этилацетата, фенола, формальдегида и др.) промышленных предприятий.

Основой биофильтра является специально полученная культура микроорганизмов (биомасса), которая окисляет органические соединения до углекислого газа и воды. Срок службы биомассы практически не ограничен. Установка биологической очистки работает при комнатной температуре, малогабаритна, характеризуется низкой энергоемкостью, экологической чистотой.

Методы очистки воды и почвы

Биологические методы очистки воды находят все большее применение. Эти методы характеризуются простотой и эффективностью. Загрязненные воды собирают в отстойниках или прудах со слабым течением, в которых происходит развитие микроорганизмов и водорослей. Биологический метод очистки воды основан на способности микроорганизмов использовать в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие в состав загрязненных вод. Достоинства данного метода заключаются в возможности удаления из стоков широкого спектра органических и неорганических веществ, простоте аппаратурного оформления, относительно невысоких эксплуатационных расходах. В ходе очистки необходимо строго соблюдать технологический режим и учитывать чувствительность микроорганизмов к высоким концентрациям загрязнителей, что требует предварительного разбавления стоков.

Многие микроорганизмы способны накапливать металлы в больших количествах. В ходе эволюции в них сформировались системы поглощения отдельных металлов и их концентрирования в клетках. Микроорганизмы, помимо включения в цитоплазму, способны также сорбировать металлы на поверхности клеточных стенок, связывать их метаболитами в нерастворимые формы, а также переводить в летучую форму. Селекция в этом направлении и применение новых генноинженерных методов позволяют получать формы, активно аккумулирующие металлы, и на их основе создавать системы биоочистки.

Таким образом, микроорганизмы накапливают растворенные металлы внутриклеточно или, выделяя специфические продукты обмена, переводят их в нерастворимую форму и вызывают осаждение. С помощью биосорбции даже из разбавленных растворов возможно 100%-ное извлечение свинца, ртути, меди, никеля, хрома, урана и 90%-ное - золота, серебра, платины, селена. Внутриклеточное накопление металлов может быть очень значительным. Так, установлена способность водорослей, дрожжей и бактерий эффективно сорбировать уран из морской воды. Один из способов биосорбции - пропускание раствора металлов через микробный биофильтр, представляющий собой живые клетки, сорбированные на угле. Выпускаются также специальные биосорбенты, например «Биосарбент М» (Чехия), изготовленный в виде зерен размером 0,3-0,8 мм (микробных клеток и носителя); сорбент используют в установках, работающих на ионообменных смолах. Возможно также производство сорбентов на основе микробных полисахаридов. Такие сорбенты можно широко применять в различных условиях, включая природные, они просты в употреблении. Металлы на следующей стадии после концентрирования микроорганизмами следует извлечь из микробной биомассы. Для этого существуют различные способы: недеструктивные, а также экстракция путем разрушения клеток.

Трансформация химических соединений в почвенной среде определяется комплексом физических, химических и биологических факторов. Деградация ксенобиотиков может происходить в результате физических и химических процессов и существенно зависит от типа почвы, ее структуры, влажности, температуры и др. Ксенобиотики временно или постоянно накапливаются в окружающей среде и отрицательно влияют на все живое. Биологическая трансформация соединений, попавших в окружающую среду, может протекать в различных направлениях, приводя к минерализации, накоплению или полимеризации. Но биологическая деградация ксенобиотиков оправдана только тогда, когда происходит их полная минерализация, разрушение и детоксикация.

В природных условиях на ксенобиотики воздействуют микробные сообщества. Благодаря гетерогенности природных микробных сообществ, ксенобиотики в принципе могут подвергаться биодеградации, а наличие в микробных сообществах взаимосвязанных метаболических путей разрушения токсинов является основой для борьбы с загрязнением окружающей среды. Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих токсичных соединений значительны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических соединений время до начала их трансформации (так называемый адаптационный период микроорганизмов по отношению к данному субстрату) значительно короче по сравнению с первым попаданием этого соединения. В течение этого периода микроорганизмы в ходе адаптации к токсическому соединению как субстрату селектируются по способности деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные популяции, которые могут сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта. Поэтому к моменту нового поступления этого соединения в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные разрушить токсикант. Таким образом, после попадания ксенобиотиков в почвенную среду из нее можно выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и далее вести селекцию на увеличение скорости деградации. При попадании новых веществ в окружающую среду может происходить природное генетическое конструирование, в результате которого возникают микробные формы с новыми катаболическими функциями. Таким образом, природные генетические механизмы обмена информации позволяют получать эффективные штаммы -деструкторы ксенобиотиков.

В целом биологическую очистку, т.е. удаление загрязнителей посредством стимуляции деятельности биоты в почвах и водоемах, принято называть биоремедиацией (bio - жизнь, remedio - лечение). Это может быть биостимуляция природных микроорганизмов (микробного ценоза) путем внесения удобрений непосредственно в очищаемый участок природной среды или накопления в лаборатории препарата тех микроорганизмов загрязненного ценоза, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. Это может быть, например, улучшение природного ценоза посредством внесения специализированных микроорганизмов, которые ранее были выделены и отселектированы микробиологическими методами и размножены в виде биопрепарата. Во всех случаях биоремедиация предполагает создание в очищаемом участке среды высоких концентраций биогенов (удобрений) и клеток активно размножающихся микробных сообществ (бактерий, актиномицетов, грибов и микроводорослей). Ниже приводится более подробная оценка биоремедиации некоторыми авторами.

Применение активных штаммов микроорганизмов-деструкторов, выделение и использование устойчивых к загрязненным водам микроводорослей, введение в очищающий консорциум высших водных растений привело к созданию новой комплексной биотехнологии очистки и восстановления водоемов, загрязненных нефтепродуктами. Экотехнология позволяет проводить биоремедиацию водоемов, подвергнутых аварийному загрязнению нефтепродуктами, и водоемов, систематически в течение многих лет загрязняемых нефтесодержащими стоками. Фиторемедиация (использование фотосинтезирующих организмов) позволяет увеличивать энергетические ресурсы очищаемой экосистемы при умеренном использовании органических удобрений для стимуляции микробной деятельности. Она наиболее близка к природным процессам. Опасна ли возможная в таких случаях эвтрофикация - увеличение локальных концентраций удобрений и стимуляция массового размножения микроорганизмов? Опыт позволяет утверждать, что временную эвтрофикацию водоемов и почв можно контролировать и использовать для увеличения продуктивности ценоза. Поэтому фиторемедиация - это контролируемая эвтрофикация водоема для разрушения в нем примесей ненормально высоких концентраций углеводородов. Учитывая, что в любой, даже самой чистой (например, байкальской) воде, предполагается наличие малых концентраций углеводородов и аборигенной микрофлоры, способной к их разрушению, фиторемедиацию следует осуществлять как биотехнологию, основанную на использовании природных процессов. Активизация процесса биологического разрушения нефтепродуктов требует интенсификации бактериального разложения углеводородов и организации в пространстве процесса переработки этой бактериальной биомассы в пищевых цепях.

Биоремедиация предполагает разработку технологий, задачей которых является использование биохимического потенциала аборигенных, адаптированных или модифицированных биологических систем, прежде всего микроорганизмов, для деградации или детоксикации поллютантов. Биоремедиация обладает большими потенциальными возможностями для предотвращения загрязнения окружающей среды и борьбы с уже имеющимся загрязнением. По сравнению с другими методами очистки окружающей среды биоремедиация гораздо дешевле. При рассеянном загрязнении, как в случае с пестицидами, применяемыми на огромных площадях, загрязнениями нефтью и нефтепродуктами территорий Западной Сибири, тринитротолуолом, которым загрязнены полигоны и стрельбища, альтернативы биоремедиации просто нет.

Процессы биоремедиации иногда могут осуществляться природными микроорганизмами. Задача ученых в этом случае заключается в стимуляции биодеградативной активности этих микроорганизмов. Если в почве или воде, загрязненной ксенобиотиками, отсутствуют микроорганизмы, способные к деградации данных соединений, целесообразна интродукция туда микроорганизмов-биодеструкторов.

В отличие от промышленной биотехнологии, где имеется возможность выдерживать все параметры технологического процесса, биоремедиация, как правило, осуществляется в буквальном смысле этого слова в открытой системе, т.е. в окружающей среде.

Поэтому в гораздо большей степени успех процесса биоремедиации зависит от критической массы знаний, опыта, методов, и, наконец, разнообразия микроорганизмов, способных осуществлять реакции биодеградации. В известной мере это будет всегда «ноу-хау», определяемое вышеперечисленными обстоятельствами. Разработка теоретических основ процессов биоремедиации, самих технологий и их осуществление требуют междисциплинарного подхода и участия специалистов в области генетики и молекулярной биологии, науки об окружающей среде, инженерных дисциплин. Так, например, создан новый микробный препарат «Деворойл», реализующий биотехнологию очистки, основанную на применении микробных ассоциаций, активно утилизирующих углеводороды нефти, и позволяющую в максимально короткий срок очищать от загрязнения нефтью и нефтепродуктами воду и почву [23].

Специальные добавки в его состав значительно активизируют процесс деструкции нефти. Простота технологии применения препарата связана с использованием обычных механизированных средств для распыления, г. на больших площадях - авиации.

Для очистки ливневых сточных вод от нефтяных загрязнений препарат наносится на поверхность плавающих биофильтров, используемых на очистных сооружениях. Области применения препарата «Деворойл»:

  • очистка от загрязнения нефтью и нефтепродуктами воды, содержащей более 5% нефти, и почвы с нефтезагрязнением свыше 20 кг/м3;
  • очистка от нефтезагрязнений грунтов на территориях аэропортов, депо, автозаправочных и моечных станций, складов ГСМ и хранилищ нефти и нефтепродуктов.
  • Преимущества использования препарата «Деворойл»:
  • высокая активность окисления углеводородов различных классов;

возрастание эффективности очистки за счет действия препарата не только на границе водонефтяного контакта, но и в толще загрязнителя благодаря подобранной ассоциации гидрофильных и липофильных микроорганизмов, что дает выигрыш во времени, необходимый для нейтрализации загрязнения;

эффективность использования в природных и антропогенных средах с соленостью до 150 г/л; в широких диапазонах рН среды (2-9), а также в условиях резких колебаний температуры и при значительном химическом загрязнении;

простота и экономичность (низкие затраты) при высокой эффективности.

ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ НА ПРИДОРОЖНЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Обоснование пространственной конфигурации экосистемы

автотранспортный загрязнение экосистема насаждение

Формирование искусственной экосистемы начинается с определения ее размеров на основе оценки зоны влияния дороги. В этой зоне значения концентраций загрязняющих веществ должны находиться в пределах ПДК (до 600-3000 м в обе стороны от обочины дороги). Территорию, в пределах которой вредные для человека воздействия могут превысить предельно допустимые, называют защитной полосой (до 300 м). Здесь не допускается размещение жилых домов и приусадебных участков. В составе защитной полосы может быть выделена территория с систематическим превышением предельно допустимых норм загрязнения - резервно-технологическая полоса (до 30 м). Конечно, формировать искусственную экосистему шириной 3000 м от обочины дороги нет необходимости. Обычно создают искусственную защитную полосу с древесно-кустарниковыми посадками шириной 10-30 м. Проектирование лесополосы необходимо вести с учетом оптимальной пространственной конфигурации ландшафта. На основании требований комплексной защиты соответствующих придорожных территорий установлены следующие основные параметры защитных зеленых насаждений:

  • ширина полосы - не менее 10 м;
  • высота деревьев - не менее 7-8 м;
  • высота кустарников - не менее 1,5-2 м.

Поперечный профиль защитной полосы должен иметь форму треугольника с более пологой стороной, обращенной к источнику загрязнения (т.е. к проезжей части дороги). Схема размещения деревьев и кустарников в защитной полосе показана на рис.

Рис. 1. Схема шумо-, газо-, пылезащитных насаждений: ряды от дороги:

В конструкции зеленых насаждений одна или две породы деревьев являются основными, образующими костяк полосы и ее верхний ярус. Остальные дополнительные породы обеспечивают быстрый рост основных пород путем затемнения почвы, образуя нижний ярус. При этом расстояния между деревьями и кустарниками в ряду и между рядами принимаются по табл. 1.

Таблица 1 Расстояния между деревьями и кустарниками в ряду и между рядами

Рис. 2. Удержание пыли защитными лесонасаждениями: а - при загущенной посадке; б - при разреженной посадке

Необходимо отметить, что описанный поперечный профиль лесополосы не является единственно правильным. Несколько иная пространственная конфигурация защитных насаждений представлена на рис. 9, где продемонстрирован отрицательный эффект от излишней загущенности посадок, так как в этом случае загрязненный воздух огибает их сверху, образуя завихрения с подветренной стороны. При этом оседает только часть пыли. Напротив, если деревья будут посажены достаточно редко, так, чтобы ветер свободно проходил через них, то его скорость будет настолько снижаться, что осядут частицы диаметром более 40 мкм. Более мелкие частицы будут наталкиваться на листья, иглы и сучья. Последние в свою очередь будут играть роль тканевых фильтров, изменяя направление потоков воздуха и осаждая инертные частицы пыли. Таким образом, в зимний период деревья, лишенные листьев, также выполняют роль фильтра (из общего пылесброса на долю потерявших зеленый покров деревьев зимой приходится 40%, летом - 60%). Помимо всего перечисленного плотные посадки деревьев ослабляют освещенность нижних этажей зданий, могут отрицательно влиять на безопасность транспортных средств и пешеходов. Пространственная конфигурация защитных насаждений оказывает определенное влияние и на степень снижения шума лесополосой. Максимальное снижение уровня шума дает шахматная посадка деревьев, обеспечивающая фронтальную сомкнутость лесополосы. Улучшить ситуацию помогает создание газонов между полотном дороги и тротуарами, так как они меньше отражают звук, чем асфальтобетон и открытый грунт. При правильной посадке шумозащитная способность деревьев проявляется и зимой за счет сохранения снега на ветвях. Хорошо поглощает шум вертикальное озеленение зданий, которое сокращает поверхность отражения звука, одновременно увеличивая звукопоглощение стен в 6-7 раз. В результате защитная лесная полоса может иметь показатели, приведенные в табл. 2.

Таблица 2 Снижение уровня загрязнения среды защитной полосой

В результате неправильной планировки зеленых насаждений (отсутствия нормальной освещенности) может происходить деформация кроны и стволов деревьев (при затенении улиц домами в районах с многоэтажной тесной застройкой). Мало света достается растениям и на теневой стороне улиц, идущих в широтном направлении (с запада на восток).При высаживании зеленых насаждений максимально допустимое расстояние от здания до линии посадки должно составлять не менее 1,5 м для кустарников и 5 м для деревьев; высокорастущие деревья и густые кустарники должны обеспечивать оптимальный инсоляционный режим придомового пространства. Взаимное расположение деревьев и кустарников по отношению к жилым домам, инженерным сооружениям и коммуникациям представлено ниже:

Оптимальная пространственная конфигурация лесополосы может быть создана только при наличии необходимого расстояния от дороги до красной линии. Данное условие не всегда соблюдается. Зачастую поперечный профиль дорог неоднороден на различных участках. Расстояние от бордюра до фундамента здания по обеим сторонам автомагистрали на отдельных участках составляет 14-21 м, что дает возможность озеленить данную территорию. Но на других участках расстояние от бордюрного камня до фундамента здания не превышает 6,6 м.

Выше приведен сравнительный анализ биологических и инженерных методов защиты придорожной территории. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, поэтому максимальный средозащитный эффект дает комбинация обоих методов защиты. Примером может служить совместное использование зеленых насаждений и земляных валов или экранов, приведенных на рис. 3.

Рис. 3. Примеры (а, б, в) комплексного применения защитных сооружений: 1 - земляной вал; 2 - защитный экран; 3 - зеленые насаждения; 4 - нежилые здания и сооружения

В настоящее время существует большое количество проектов, сочетающих биологические и инженерные методы защиты придорожной территории. Так, например, бетонно-земляной вал с озеленением предназначен для защиты от шума и других транспортных загрязнений в населенных пунктах. Он выполняет также декоративные функции и способствует озеленению жилых массивов (рис. 4).

Рис. 4. Бетонно-земляной вал с озеленением

а - варианты конструкции; б - элементы конструкции; 1 -угловой элемент высотой 50; 62,5 или 75 см с запорной (замыкающей) балкой и зажимной частью; 2 - угловой консольный элемент высотой 25-37,5 см с несущей балкой; 3 - угловой элемент на сопряженной с фундаментом опоре и неустойчивой зажимной частью

Эффективность защиты бетонно-земляного вала с озеленением от автотранспортных загрязнений в населенных пунктах представлена в табл. 3.

Таблица 3 Эффективность защиты бетонно-земляного вала с озеленением от транспортных загрязнений в населенных пунктах

Таким образом, в придорожной зоне необходимо формировать искусственные экосистемы, поскольку естественные не выдерживают автотранспортного воздействия. Формирование искусственных экосистем необходимо проводить с учетом устойчивости биологических видов, совместимости растений (береза - тополь, клен - сосна, липа - ясень, лиственница, тополь - вяз мелколистный) .

В табл. 4 перечислены виды и формы древесных растений, которые рекомендуются для озеленения в различных категориях насаждений. Согласно данным тех же исследователей, при озеленении улично-дорожной сети необходимо учитывать использование химических веществ для борьбы с зимней скользкостью. Поэтому стоит отказаться от высадки древесной растительности в непосредственной близости от дорожного полотна. В рядах деревьев в первую очередь можно использовать наиболее устойчивые виды лип - широколистную и голландскую с аккуратной густой кроной, крупной листвой, более длительным, чем у мелколистной периодом вегетации и издавна считающуюся самой подходящей для города.

 

Таким образом, можно выделить следующие критерии видового отбора для экосистемы придорожной полосы:

 

  • устойчивость к газопылевым выбросам, тяжелым металлам, солевому стрессу, изменению кислотности почвы, уплотнению и подтоплению почвы, вредителям и болезням растений, электромагнитным полям и тепловым аномалиям;
  • способность создать придорожный ландшафт, положительно действующий на восприятие водителем условий дороги;
  • максимальная снего- и пылезащита;
  • снижение шума;
  • регуляция кислородного баланса;
  • восстановление почвенного плодородия (аккумуляция тяжелых металлов биомассой);
  • фиксированные пределы роста биомассы (по аналогии с английской газонной травой, которая растет только на 5-6 см.).
Опубликовано:
27.11.2020

Рефераты содержат только текстовую информацию и могут быть использованы только для ознакомления. Схемы, изображения и другие мультимедия вложения могут отсутствовать. Информация в данном разделе взята из открытых источников.