Результат интеллектуальной деятельности: Способ рекультивации нарушенных земель

Изобретение относится к биотехнологии и может применяться для рекультивации нарушенных земель с использованием биопрепарата.

Нарушенные земли - земли, утратившие первоначальную ценность и являющиеся источником отрицательного воздействия на окружающую среду. Основными причинами возникновения нарушенных земель являются: разработка месторождений полезных ископаемых, прокладка трубопроводов, ликвидация последствий загрязнения земель и проведение иных работ, связанных с нарушением почвенного покрова. На биологическом этапе рекультивации обычно применяют высевы различных смесей трав. Для лучшей всхожести, быстрого образования дернины и улучшения агрофизических свойств растений применяют различные виды биопрепаратов, основанных на различных видах микроорганизмов и их сочетаниях.

Известен способ рекультивации токсичных земель, нарушенных при добыче угля (патент РФ №2181933, А01В 79/02, опубл. 10.05.2002), включающий планировку поверхности, затем посев семян многолетних растений, обработанных культурами Azotobacter chroococcum Mut-1 В-35 и Bacillus megaterium KС-1 В-135. Далее проводят инокуляцию почвогрунтов суспензией бактериальных клеток рода Pseudomonas, выделенных из почвы грунтов отвальной поверхности, из расчета 100⋅10⁸ клеток в 1 мл. В известном способе выращивание клеток рода Pseudomonas проводили в стерильных условиях, в количествах нескольких пробирок. Для промышленного способа рекультивации больших площадей при добыче каменного угля такой способ наработки микроорганизмов не сможет обеспечить нужное количество суспензии клеток рода Pseudomonas.

Известен способ биологической ремедиации нефтезагрязненных почв (патент РФ №2290270, В09С 1/10, опубл. 27.12.2006), заключающийся в том, что почву обрабатывают сухим бакпрепаратом с наполнителем. В качестве микроорганизмов используют штамм Pseudomonas fluorescens КО (ВНИИСХМ Д-619) и штамм Pseudomonas aeruginosa КОА-3 (ВНИИСХМ Д-609), а в качестве наполнителя используют отходы бурого угля. После обработки почвы ее засевают семенами смеси бобовых и злаковых культур, предварительно обработанных сухим регулятором роста растений, в качестве которого берут бакпрепараты на основе Azotobacter chroococcum Mut-1 (ВНИИСХМ В-35 Д), Bacillus megaterium КС-1 (ВНИИСХМ В-135 Д). Применение изобретения позволяет достичь устойчивого травостоя на почве после разложения нефтепродуктов. Недостаток данного способа заключается в том, что биопрепарат и регулятор роста растений используют в сухом виде, что значительно снижает эффективность известного способа, поскольку, как известно, все микроорганизмы проявляют свою максимальную активность в жидкой среде.

Известен наиболее близкий к предлагаемому (прототип) способ биологической рекультивации нарушенных земель (патент РФ №2181640, В09С 1/10, опубл. 27.11.2013), предусматривающий применение минеральных удобрений и предпосевную бактеризацию семян микроорганизмами. При этом в рекультивируемый грунт после внесения минеральных удобрений вносят биологически активный препарат на основе консорциума кислотообразующих бактерий (ВКПМ В-5972), состоящего из Streptococcus thermophilus, Streptococcus bovis, Lactobacillus salivarius var. salicinicus, Lactobac. salivarius var. salivarius, Lactobacillus acidophilus. Затем проводят посев семян, бактеризованных биопрепаратом на основе Azotobacter chroococcum (ВКПМ B-3721), после чего засеянный грунт опрыскивают водным раствором композиции, состоящей из биопрепаратов на основе Az. chroococcum (ВКПМ В-3721) и биопрепарата на основе Вас.mucilaginosus (ВКПМ В-5987) и гелеобразующего биополимера. Сформировавшиеся вегетирующие растения обрабатывают композицией биологически активных веществ, включающих препарат на основе консорциума молочно-кислых бактерий (ВКПМ В-5973), состоящего из Lactobacillus lactis, Lactobacillus salivarius var. salivarius, Lactobacillus acidophilus, и регулятор роста, например, эль-1. Задачей, решаемой указанным способом, является ускоренное почвообразование, благодаря внесению отселектированных почвенных агрополезных микроорганизмов, а на последующих этапах - рекультивация и формирование плодородных земель. Недостатком известного решения является сложность получения консорциума молочно-кислых бактерий, включающего пять различных штаммов культур. Молочно-кислые бактерии склонны к инфицированию и для их выращивания требуются дорогостоящие субстраты и длительный период времени. Кроме того, для формирования плодородных земель необходимо также использовать азотфиксирующие и фосфатрастворяющие бактерии. Приведенные в известном решении примеры свидетельствуют об отсутствии гумуса, наличие которого является показателем восстановления почвы.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа с применением высокоэффективного биопрепарата, способствующего быстрой рекультивации нарушенных земель.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является упрощение технологии и повышение качества рекультивации при одновременном сокращении затрат на ее проведение.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе рекультивации нарушенных земель, включающем внесение в почву биологически активного препарата на основе консорциума бактерий с последующим посевом травосмеси, в почву вносят суспензию биопрепарата, в котором в качестве бактерий используют культуры Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 и Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998, взятые в соотношении 1:1. В почву вносят такое количество суспензии биопрепарата, в котором количество культуры Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 по абсолютно сухому веществу составляет от 3,0 г до 5,0 г на 1 м² почвы.

Штаммы, используемые для получения биопрепарата в предлагаемом способе, получены селекционным путем из образцов проб грунта с Бованенковского НГКМ п/о Ямал.

Штамм бактерий Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416.

Способ размножения штамма - ферментация. Оптимальный состав минеральной среды для размножения штамма: K₂HPO₄ - 1,5 г/л, MgSO₄ - 1,5 г/л, пептон - 20,0 г/л, глицерин - 8 мл/л, вода дистиллированная, рН - 7,0, температура 30°С. Культивирование штамма проводили в колбах на круговых качалках при скорости вращения 220 об/мин в течение 48 ч.

Морфологические особенности штамма оценивали с помощью фазово-контрастной микроскопии.

Клетки данного штамма представляют собой прямые подвижные палочки с закругленными концами, размером (0,4-0,5)×(1,7-2,5) мкм. Выделенный штамм образует колонии (на 5-е сутки культивирования на L-агаре) круглые, шероховатые, матовые, с зубчатым краем, 3-5 мм, розового цвета, мягкие, хорошо суспендируемые в воде.

Штамм непатогенный и нетоксичный. Культура хранится в пробирках на скошенном L-агаре, пересев 2 раза в год, хранение при температуре 4°С.

Штамм бактерий Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998. Способ размножения штамма - ферментация. Оптимальный состав минеральной среды для размножения штамма: K₂HPO₄ - 0,5 г/л, KH₂PO₄ - 0,5 г/л, (NH₄)₂SO₄ - 0,5 г/л, MgSO₄ - 0,2 г/л, ZnSO₄ - 0,01 мг/л, СаСО₃ - 2,5 г/л, NaCl - 0,2 г/л, MoO₄ - 0,005 г/л, FeSO₄ - 12,5 мг/л, дрожжевой экстракт 1,0 г/л, вода водопроводная, глюкоза - 10 г/л, рН - 7,0-7,2, температура 25-35°С. Культивирование штамма проводили в колбах на круговых качалках при скорости вращения 220 об/мин в течение 48-72 ч.

Морфологические особенности штамма оценивали с помощью фазово-контрастной микроскопии.

Клетки данного штамма на твердых питательных безазотистых средах образуют крупные беловатые слизистые колонии, которые с возрастом буреют. Клетки в молодых (односуточных) культурах палочковидные, размером (1,5-2,0)×(3,0-7,0) мкм, подвижные, склонные к резко выраженному полиморфизму (от палочковидных до кокковидных).

Штамм непатогенный и нетоксичный. Культура хранится в пробирках на скошенном агаре (дрожжевой экстракт - 3%, агар-агар - 2%, вода водопроводная), пересев 2 раза в год, хранение при температуре 4°С.

Штаммы депонированы во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов (ВКПМ) ФГУП ГосНИИгенетика.

Ризосферные бактерии обладают способностью образовывать вещества антибиотической природы, а также синтезировать водорастворимый флюоресцирующий пигмент, основная функция, которого - связывание и транспорт железа в клетки бактерий. Обладая высоким сродством к железу, ризосферные бактерии связывают его в стабильные нерастворимые комплексы и делают недоступным для различных фитопатогенных микроорганизмов, что приводит к ограничению их роста и тем самым создает благоприятные условия для роста растений. Кроме того, установлена способность азотфиксирующих бактерий к синтезу витаминов группы В. Витамины играют важную физиологическую роль - повышают активность обмена веществ в бактеризованном растении, повышают энергию прорастания семян, что повышает урожайность и общий иммунитет растений. Как правило, в растениях, обработанных азотфиксирующими микроорганизмами, обнаруживается повышенное содержание витаминов, которые повышают активность дыхания проростков и поступление азота и фосфора в растения. Используемые в предлагаемом способе азотфиксирующие микроорганизмы Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998 способны связывать до 15 мг азота на 1 г потребленного органического вещества, что подтверждено лабораторными и полевыми испытаниями. Способ осуществляют следующим образом.

Культуры штаммов Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 и Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998, входящих в состав биопрепарата, выращивают раздельно на жидкой питательной среде. Затем приготавливают суспензию биопрепарата из биомассы выращенных культур, взятых в соотношении 1:1. Необходимое для внесения в загрязненную почву количество суспензии биопрепарата рассчитывают таким образом, чтобы содержание культуры Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 по абсолютно сухому веществу (АСВ) в суспензии составляло 3 г - 5 г на 1 м² почвы. Содержание культуры Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 (сухого вещества) в суспензии определяют фотоколориметрическим методом или методом высушивания. Необходимое количество суспензии биопрепарата вносят в очищаемую почву. Затем в почву вносят семена травосмеси, например: мятлик луговой, кострец безостый, овсяница луговая, овсяница красная, тимофеевка луговая, или травосмесь: пырей ползучий, кострец безостый, овсяница луговая, овсяница красная, тимофеевка луговая. Семена травосмеси вносят из расчета 50-200 кг/га. Количество вносимой травосмеси определяют в соответствии с природно-климатическими условиями местности.

Ниже приводится пример, подтверждающий высокую эффективность предлагаемого способа.

Для проведения рекультивации выбрали экспериментальный участок в 80 км от Москвы, где в течение 10 лет проводилась разработка песчаного карьера. Площадь экспериментального участка 20 м². Метод рекультивации - залужение с использованием биопрепарата и газонной травы. Экспериментальный участок разбили на 10 ячеек по 2 м² каждый. Приготовили суспензию биопрепарата из равных количеств суспензии микроорганизмов Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 и Microbacterium testaceum ВКПМ Ас-1998, концентрация клеток в каждой из суспензий составляла около 20 г/л. Первую ячейку оставили контрольной и не вносили биопрепарат. На остальных ячейках (со 2-ой по 10-ю) в почву внесли 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 и 900 мл суспензии биопрепарата на 2 м² почвы, что составило 1,0 г; 2,0 г; 3,0 г; 4,0 г; 5,0 г; 6,0 г; 7,0 г; 8,0 г и 9,0 г культуры Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 по абсолютно сухому веществу на 1 м² почвы, соответственно. Все ячейки одновременно засеяли газонной травой из расчета 100 кг/га. Поливали ячейки по мере необходимости. Ровные всходы травы появились на 4-5 день. Контроль состояния растительного покрова на экспериментальном участке рекультивации проводили каждые пять дней с использованием известных методик полевых наблюдений, учитывающих следующие показатели:

1. Проективное покрытие почв растительностью.

2. Жизненное состояние растений.

3. Фенологическая фаза.

4. Высота надземной части побегов.

5. Масса вегетативных надземных побегов.

6. Масса корневой системы.

Показатели, характеризующие состояние растительного покрова на экспериментальном участке (в десяти ячейках) на 25-й день рекультивации, приведены в таблице и на фотографических изображениях.

По результатам эксперимента очевидно, что для эффективной рекультивации почвы оптимальное количество суспензии биопрепарата составляет от 300 мл до 500 мл, что соответствует количеству культуры Alcaligenes faecalis ВКПМ В-12416 (по АСВ) в интервале от 3 г до 5 г на 1 м² рекультивируемой почвы.