Комплексный биопрепарат для детоксикации водных сред и почвогрунтов от тяжелых металлов, радионуклидов и лигниновых компонентов Российский патент 2025 года по МПК C12N1/20 C12N1/14 C02F3/34 B09C1/10 

Изобретение относится к области промышленной биотехнологии, экологии, охраны окружающей среды и предназначено для биологических методов очистки водоемов, сточных вод, почвогрунтов и восстановлению земель сельскохозяйственного назначения и для рекультивации почвы полигонов ТБО посредством сорбции тяжелых металлов и радионуклидов, и делигнификации водных сред посредством биодеградации лигниновых компонентов.

Известен способ [RU 2509734 С2] биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов. Способ предусматривает внесение в сточную воду биомассы дрожжей в виде отходов пивоваренных производств, содержащих ассоциацию дрожжевых грибов различных штаммов Saccharomyces cerevisiae, дальнейшее выдерживание биомассы дрожжей со сточной водой в течение 8 часов при температуре от 10°С до 29°С и рН раствора 5,5-8,0 с последующей утилизацией отработанных дрожжей, содержащих тяжелые металлы. Также известен способ [RU 93016175 A] получения биосорбентов ионов радиоактивных и тяжелых металлов из биомассы мицелиальных грибов путем обработки 1-5%-ным водным раствором гидролизующего агента в среде водяного пара при избыточном давлении в течение 1-4 ч. Недостатками данных биопрепаратов является способность к сорбции одного вида экотоксикантов, а именно тяжелых металлов или радионуклидов из-за применения однокомпонентного состава биомассы дрожжевых или мицелиальных грибов для очистки только водных сред.

Известен способ [SU 1471492 A1] биологической очистки сточных вод, загрязненных отходами целлюлозно-бумажной промышленности, а именно сульфатным лигнином инокулированием плесневым грибом Alternaria alternata. Сточные воды предварительно отстаивают с тростником в течение 10 дней, затем сточные воды инокулируют длительно адаптируемым природным консорциумом, отделяют последний и инокулируют плесневым грибом Alternaria alternata. Консорциум и плесневый гриб инокулируют предпочтительно в количестве 3-4%, 1-1,5% на литр сточной воды соответственно. Недостатком является сложность подготовки и применения биопрепарата для очистки водных сред, а также способность очистки только от одного вида загрязнителя.

Известен биосорбент [SU 94039989] с полиамфолитными свойствами из биомасс микроорганизмов, которые могут быть использованы для удаления из водных растворов радионуклидов и ионов тяжелых металлов, как в катионной, так и анионной формах. При этом используются биомассы различных микроорганизмов мицелиальных грибов, бактерий, дрожжей, например, Aspergillus japonious, Penicillium chryzogenum, Penicillium cefalosporum, Cuninghamella japonica, Micrococcus lysodeiktikus, Bacillus subtilis, Echerihia coli, Sacoharomyces cerevisae. Получение биосорбента включает предварительную термообработку биомассы микроорганизмов до потери 5-30% массы по сухому веществу, обработку водным раствором щелочи, отделение твердой фазы, промывку и сушку целевого продукта. Недостатком прототипа является сложный состав и сложное получение биосорбента, а также то, что биопрепарат обладает только биосорбционной активностью в отношении тяжелых металлов и радионуклидов.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание экологически безопасного комплексного биопрепарата, обеспечивающего очистку почвогрунтов и предовращение миграции водных сред от различных загрязнителей, а именно тяжелых металлов и радионуклидов, а также от лигниновых компонентов. Состав биопрепарата обладает способностью к сорбции в отношении тяжелых металлов и радионуклидов, эффективной биодеградацией лигнинов.

Технический результат достигается тем, что биопрепарат для очистки водных сред и почвогрунтов от тяжелых металлов, радионуклидов и лигниновых компонентов на основе биомассы штаммов бактерий и грибов, согласно изобретению, представляет собой смесь культуральных суспензий биомассы бактерий и биомассы грибов, взятых при объемном соотношении 1-3:1, соответственно, с титром КОЕ/мл не менее 1×10⁷/мл и содержанием биомассы бактерий не менее 5 г/л и грибов не менее 20 г/л по сухому веществу, при этом в качестве грибов используют базидиомицет Panus tigrinus ВКПМ F-8/18 или микромицет Penicillium chrysogenum ВКПМ F-1373, в качестве бактерий используют штамм актинобактерий Pseudonocardia carboxydivorans ВКПМ АС-2046 или композицию штаммов бактерий Arthrobacter globiformis AС-1232 и Pseudonocardia carboxydivorans ВКПМ АС-2046, взятых при соотношении 1:1. Биопрепарат, дополнительно, имеет концентрированную сухую форму, содержащую биомассу грибов и бактерий при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Биомасса грибов 75-80 Биомасса бактерий 10-15 Влага остальное

Способ получения комплексного биопрепарата осуществляется следующим образом.

Биопрепарат для детоксикации водных сред и почвогрунтов от тяжелых металлов, радионуклидов и лигниновых компонентов включает биомассу микроорганизмов в сочетании грибов и бактерий, которые обладают полифункциональным действием для биосорбции и биоделигнификации и, которые оптимально для этого подобраны в комплексы. В качестве основы бактериально-грибного комплекса используется мицелиальная масса базидиального или мицелиального грибов, которая выступает носителем для биомассы бактерий. Биомассы грибов и бактерий берут в эффективном количестве и в определенном соотношении компонентов для применения в отношении к различным ксенобиотикам и для обеспечения эффективности воздействия посредством улучшения жизнеспособности и синергического взаимодействия в составе биопрепарата.

В качестве грибов используют базидиомицет Panus tigrinus ВКПМ F-8/18 или микромицет Penicillium chrysogenum ВКПМ F-1373. В качестве бактерий используют штамм актинобактерий Pseudonocardia carboxydivorans ВКПМ АС-2046 или композицию штаммов бактерий Arthrobacter globiformis AС-1232 и Pseudonocardia carboxydivorans ВКПМ АС-2046, взятых при соотношении 1:1. Культивирование штаммов бактерий и грибов проводят при температуре 25±2°C, pH в диапазоне 6,0-7,5 в течение 1-5 суток и при аэрации (150-180 об/мин на шейкере или в ферментере).

Штаммы используемых бактерий и грибов депонированы во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов ВКПМ [БРЦ ВКПМ НИЦ «Курчатовский институт» – ГосНИИгенетика]. Штаммы бактерий и грибов обладают лигно-целлюлозолитической активностью, как базидиомицет Panus tigrinus F-8/18, или полифункциональными свойствами (бактерии Pseudonocardia carboxydivorans АС-2046 [RU 2685858 С1], микромицет Penicillium chrysogenum F-1373 [RU 2684588 С1], бактерии Arthrobacter globiformis AС-1232) и характеризуются как экологически нетоксичные. В классификации микроорганизмов по группам патогенности Санитарно-эпидемиологических правил СП 1.3.2322-08 от 1 мая 2008 г. «Безопасность работы с микроорганизмами III-IV групп патогенности (опасности) и возбудителями паразитарных болезней» данный вид (род) не значится.

Биопрепарат может иметь жидкую (жидкофазную) или сухую (концентрированную) формы.

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1. Получение жидкой и сухой формы биопрепарата

Жидкую форму комплексного биопрепарата получают смешиванием культуральных суспензий биомассы бактерий с суспензией биомассы грибов при объемном соотношении 1-3:1 соответственно. Жидкая форма биопрепарата представляет собой смесь культуральных суспензий биомассы бактерий с суспензией биомассы грибов, взятых при объемном соотношении 1-3:1, соответственно, с титром КОЕ/мл (концентрацией колониеобразующих единиц) не менее 1×10⁷ и содержанием биомассы бактерий не менее 5 г/л и грибов не менее 20 г/л по сухому веществу. Общее количество колониеобразующих единиц (КОЕ) контролируется методом высева на плотной питательной среде (ГРМ-агар) и должно соответствовать КОЕ/мл не менее (10±5)×10⁷. Состав среды для культивирования-выращивания бактерий и грибов, представлен в табл. 1.

Таблица 1

Компоненты среды г/л (NH₄)₂SO₄ 3,3 NaCl 0,5 MgSO₄ 0,5 KH₂PO₄ 1,3 K₂HPO₄ 3,3 Сахароза 20

Сухая (концентрированная) форма препарата представляет собой комплексный биопрепарат, полученный высушиванием жидкого бактериально-грибного комплекса, при температуре Т=60±5°С, содержащий биомассу грибов и бактерий с титром КОЕ/г не менее (10±5)×10⁷, при соотношении компонентов, масс.%

Биомасса грибов 75-80 Биомасса бактерий 10-15 Влага остальное.

Пример 2. Сорбционная способность комплексного биопрепарата в отношении к радионуклидам

Степень сорбции радионуклидов (урана, радия) сухой формой комплексного биопрепарата на основе биомассы бактериально-грибного комплекса, определяли введением 0,7-1 г биопрепарата в стандартные растворы радионуклидов. Предварительно смешивали культуральные суспензии с содержанием биомассы актинобактерий P. carboxydivorans с биомассой базидиомицета P. tigrinus, взятые при соотношении 1:1 по объему, концентрировали-высушили, получали сухой биопрепарат, используемый в опыте. По разности между исходной и остаточной массовой концентрацией сорбата в растворе рассчитывали степень его извлечения в твердую фазу. Оценку проводили через сутки как соотношение количеств радионуклида в твердой фазе и в исходном радионуклидсодержащем растворе. Результаты степени извлечения (сорбции) радионуклида из водных растворов нитрата уранила UO₂ (NO₃)₂ с массовой концентрацией 0,9674 мкг/мл (рН=6,0) и хлорида радия с массовой концентрацией 1,0×10^-11 г/мл (рН=5,0) представлены в табл. 2.

Таблица 2

Введено, мкг урана Обнаружено урана в растворе после сорбции Сорбировано мкг/мл мкг % от введенного мкг % от введенного 13,544 0,3777 5,288 39,04 8,256 60,96 Введено, n×10-11 г
радия Обнаружено радия в растворе после сорбции Сорбировано n×10-11 г/мл n×10-11 г % от введенного n×10-11 г % от введенного 11,6 0,0415 0,48 4,15 11,12 95,85

Пример 3. Степень десорбции радионуклидов

После проведенных исследований по сорбционной способности в отношении радионуклидов опытные образцы комплексного биопрепарата с биомассой бактериально-грибного комплекса на основе биомассы базидиомицета с биомассой актинобактерий из Примера 2 (табл.2) исследовали на эффективность сорбции и удерживающей способности. При обработке образцов различными растворами (дистиллированная вода, 1 моль/дм³ СН₃СООNН₄, 1 моль/дм³ НСl) определяли степень десорбции. По разности между исходной и остаточной массовой концентрацией сорбата в растворе рассчитывали степень его извлечения из твердой фазы. Оценку проводили как соотношение количеств радионуклида в твердой фазе и в растворе. Результаты степени десорбции представлены в табл. 3.

Таблица 3

Сорбировано урана,
мкг Десорбировано Дист. вода 1 моль/дм³ СН₃СООNН₄ 1 моль/дм³ НСl Всего, % мкг % мкг % мкг % 8.256 0.1495 1.81 0.3150 3.82 1.5268 18.49 24.12 Сорбировано радия,
n×10-11 г Десорбировано Дист. вода 1 моль/дм³ СН₃СООNН₄ 1 моль/дм³
НСl Всего, % n×10-11 г % n×10-11 г % n×10-11 г % 11.12 0.126 1.133 3.230 29.05 5.799 52.15 82.33

Пример 4. Биоделигнификация комплексным биопрепаратом

Для определения способности жидкофазного биопрепарата к биоделигнификации-осветлению водной среды: на 1 л воды добавляли NaNO₃ – 2,0 г; KH₂PO₄ – 1,0 г; KCl – 0,5 г; MgSO₄х5H₂O – 0,5 г и лигносульфонаты из расчета 3,5%, среду стерилизовали и разливали по колбам. Культуральные суспензии с содержанием и соотношением 3:1 биомассы актинобактерий и грибов в составе жидкой формы биопрепарата использовали для обработки загрязненной среды внесением 1 мл бактериально-грибного комплекса с титром КОЕ/мл не менее 10⁷ (с биомассой 10×0,2 г/л). До и после обработки в течение 10 суток в среде с лигниновым компонентом снимали УФ-спектры с помощью спектрофотометра LEKI SS2107 (LEKI Instruments). Результаты изменения содержания лигносульфонатов представлены в табл. 4.

Таблица 4

Вариант опыта Содержание лигнинового компонента, г Убыль лигнинового компонента, % Контроль (водная среда с исходным содержанием лигносульфонатов) 3,61±0,18 - Водная среда с исходным содержанием лигносульфонатов + биопрепарат (актинобактерии Pseudonocardia carboxydivorans + микромицет Penicillium chrysogenum) 0,87±0,07 74,5 Водная среда с исходным содержанием лигносульфонатов + биопрепарат (актинобактерии Pseudonocardia carboxydivorans + базидиомицет Panus tigrinus) 0,92±0,08 75,9

Пример 5. Сорбционная способность комплексного биопрепарата в отношении к тяжелым металлам

В приготовленные растворы с концентрациями солей меди (50 мг/дм³), кадмия (50 мг/дм³) и свинца (100 мг/дм³) в пересчёте на катионы металла (CuSO₄ × 5H₂O = 196,16 мг или 50 мг по Cu(II); Cd(NО₃)₂ х 4H₂O = 137,20 мг или 50 мг по Cd(II); Pb (NO₃)₂ = 159,85 мг или 100 мг по Pb(II)) вносили жидкую форму биопрепарата. Культуральные суспензии с содержанием биомассы бактерий и грибов при соотношении 3:1 объемов в составе жидкой формы биопрепарата использовали для обработки загрязненной водной среды внесением 1 мл бактериально-грибного комплекса с титром КОЕ/мл не менее (10±5)×10⁷ (с биомассой 5±1,5 г/л). Определение концентрации элементов в пробе провели на спектрометре эмиссионный с индуктивно связанной плазмой Vista MPX Rad (Varian). Исследование провели в динамичных условиях (130 об/мин) в течение 5 суток при внесении в емкости с раствором солей и добавлением биопрепарата 1% от объема. Результаты биосорбционной способности бактериально-грибного биопрепарата в отношении к тяжелым металлам (Cd(II); Cu(II); Pb(II)) представлены в табл. 5.

На представленных примерах показано, что комплексный биопрепарат с использованием жидкой суспензии или сухой биомассы бактерий и грибов в составе биопрепарата эффективен в отношении к ксенобиотикам как средство для агроэкологии, а также как микробиологический препарат, обеспечивающий жизнеспособность и синергическое взаимодействие. Комплексный биопрепарат на основе мицелиальной массы грибов в сочетании с бактериальной биомассой, обеспечивает биосорбцию и удерживание тяжелых металлов и радионуклидов, а также биодеградацию лигниновых компонентов и биоделигнификацию-осветление водных сред, предотвращение миграции токсичных веществ в почвогрунтах. Биопрепарат на основе биомассы бактериально-грибного комплекса может быть использован для очистки различных объектов: водоемов, сточных вод, антропогенно нарушенных почвогрунтов, а также для рекультивации и обезвреживания свалок ТБО, для восстановления и детоксикации земель сельскохозяйственного назначения, где прежде всего необходимо предотвратить миграцию опасных экотоксикантов, которая возможна посредством вымывания водной средой (грунтовыми и поверхностными водами).

Таблица 5

Вариант опыта Концентрация тяжелых металлов Свинец Pb(II) Медь Cu(II) Кадмий Cd(II) мг/дм³ убыль,% мг/дм³ убыль,% мг/дм³ убыль,% Контроль (исходный раствор) 88,16 - 46,96 - 47,91 - Исходный раствор + биопрепарат
(бактерии (P. carboxydivorans + A.globiformis) + базидиомицет Panus tigrinus) 43,74 50,4 33,77 28,1 34,29 28,4 Исходный раствор + биопрепарат (бактерии (P. carboxydivorans + A. globiformis)+ микромицет Penicillium chrysogenum) 49,82 43,5 28,25 39,8 30,78 35,7

Комплексный бактериально-грибной биопрепарат проявляет способность к сорбции (извлечение) в отношении тяжелых металлов и радионуклидов из водных растворов биопрепаратом с различным сочетанием компонентов, степень извлечения составляет 28-95% за 1-5 суток. При этом биопрепарат способен к биоразложению лигно-целлюлозных компонентов. Способность биопрепарата к биоделигнификации водных сред (биологической очистке – осветлению цветных загрязненных вод) составляет более 70% за 10 суток.

Экологически безопасный и простой в изготовлении биопрепарат включает биомассу бактериально-грибного комплекса, где в качестве основы и носителя для биомассы бактерий использована мицелиальная масса грибов, а именно микромицета или базидиомицета. Биопрепарат может быть получен и применяться в жидкой или сухой форме в отношении комплексных сложных загрязнениях наиболее опасными и токсичными для агроэкологии ксенобиотиками: тяжелыми металлами (радионуклидами) и лигниновыми компонентами.

Таким образом, достигнут технический результат по созданию экологически безопасного и эффективного полифункционального биопрепарата для очистки водных сред и почвогрунтов от лигниновых компонентов, а также от тяжелых металлов и радионуклидов, который включает композицию на основе биомассы штаммов грибов и бактерий.

Изобретение относится к биотехнологии. Предложен биопрепарат для очистки водных сред и почвогрунтов от тяжелых металлов, радионуклидов и лигниновых компонентов на основе биомассы штаммов бактерий и грибов, представляющий собой смесь культуральных суспензий биомассы бактерий с содержанием биомассы бактерий не менее 5 г/л по сухому веществу и биомассы грибов с содержанием биомассы грибов не менее 20 г/л по сухому веществу, взятых при объемном соотношении 1-3:1, соответственно, с титром КОЕ/мл не менее 1×10⁷ или концентрированную сухую форму, содержащую биомассу грибов и бактерий при заданном содержании исходных компонентов, при этом в качестве грибов используют базидиомицет Panus tigrinus ВКПМ F-8/18 или микромицет Penicillium chrysogenum ВКПМ F-1373, в качестве бактерий используют штамм актинобактерий Pseudonocardia carboxydivorans ВКПМ АС-2046 или композицию штаммов бактерий Arthrobacter globiformis AС-1232 и Pseudonocardia carboxydivorans ВКПМ АС-2046, взятых при соотношении 1:1. Изобретение обеспечивает расширение арсенала средств для биологических методов очистки водоемов, сточных вод, почвогрунтов. 5 табл., 5 пр.

Биопрепарат для очистки водных сред и почвогрунтов от тяжелых металлов, радионуклидов и лигниновых компонентов на основе биомассы штаммов бактерий и грибов, представляющий собой смесь культуральных суспензий биомассы бактерий с содержанием биомассы бактерий не менее 5 г/л по сухому веществу и биомассы грибов с содержанием биомассы грибов не менее 20 г/л по сухому веществу, взятых при объемном соотношении 1-3:1, соответственно, с титром КОЕ/мл не менее 1×10⁷ или концентрированную сухую форму, содержащую биомассу грибов и бактерий при следующем содержании исходных компонентов, масс. %:

Биомасса грибов 75-80 Биомасса бактерий 10-15 Влага остальное,

при этом в качестве грибов используют базидиомицет Panus tigrinus ВКПМ F-8/18 или микромицет Penicillium chrysogenum ВКПМ F-1373, в качестве бактерий используют штамм актинобактерий Pseudonocardia carboxydivorans ВКПМ АС-2046 или композицию штаммов бактерий Arthrobacter globiformis AС-1232 и Pseudonocardia carboxydivorans ВКПМ АС-2046, взятых при соотношении 1:1.