Курсовая по микробиологии

     Тяжелые битумные фракции, которые находятся  в нефти растворенными в летучих  фракциях, проникают не глубже 12 см. При нормальной температуре это  твердые аморфные вещества, они адсорбируются  из раствора почвенными частицами верхнего слоя, склеивают их, застывают и  образуют твердую корку. Такое загрязнение не может быть ликвидировано естественным путем.

     Фракции нефти имеют разную токсичность. Поэтому загрязнение тяжелыми фракциями  наносит косвенный вред – ухудшает или вообще делает невозможным аэрацию  почвы, понижает содержание в почве  кислорода, что приводит к снижению количества или вообще вымиранию  аэробной части микрофлоры и, наоборот, увеличению числа анаэробов. Наиболее опасно загрязнение именно самой  нефтью: при этом легкие фракции  проникают вглубь, а тяжелые создают  корку на поверхности, не давая первыми  спариться. В результате все живое  в почве просто гибнет, почва теряет свои хозяйственные свойства, становится мертвой.

     Ко  второй группе факторов принадлежат  структура почвы, гранулометрический состав, влажность почвы, активность микробиологических и биохимических  процессов и др.

     Чем крупнее частицы почвы, тем легче  нефть и нефтепродукты проходят внутрь ее, вcе нижние слои. От структуры почвы также зависит степень аэрации почвы, а следовательно, интенсивность испарения и окисления нефти. Влажная почва отталкивает гидрофобные нефть и нефтепродукты, препятствуя ее впитыванию.

     К внешним факторам относятся температура  воздуха, ветреность, уровень солнечной  радиации и особенно доля ультрафиолетового  излучения в свете, растительный покров и др.

     Чем выше температура воздуха, тем выше скорость окислительных процессов, посредством которых разлагается  на воздухе нефть. Соответственно в  летнее время нефть быстрее разлагается: легкие фракции испаряются, тяжелые  окисляются. Зимой, при отрицательной  температуре, большинство тяжелых  фракций переходят в твердое  состояние и вообще не окисляются, поэтому основная часть (если не все) процессов разложения нефти и  нефтепродуктов происходят именно летом. Ветер обдувает верхний слой почвы  свежим воздухом, создавая динамически  повышенную концентрацию кислорода  над ней, способствуя окислению. К тому же ветер создает токи воздуха  в воздушной системе почвы, по крайней мере той ее части, что осталась после загрязнения. Выветривание верхнего загрязненного и окисленного слоя также содействует дальнейшему очищению. Ультрафиолетовое излучение способствует окислительным реакциям и поэтому сильно ускоряет разложение нефти на поверхности земли и, особенно, на водных гладях.

     При сильном нефтяном загрязнении растительный покров обычно вымирает. Однако, если загрязнение  не очень велико, то он может способствовать очищению почвы. Образующийся от него за несколько лет растительный опад создает над загрязненным слоем чистый гумусовый слой, богатый аэробной микрофлорой, которая может вести окисление лежащих ниже нефтепродуктов.

     Для охраны почв от нефтяного загрязнения  требуется проведение следующих  мероприятий:

     • Выработка норм допустимого содержания нефти и нефтепродуктов в почве.

     • Осуществление анализа хозяйственно важных земель (особенно вблизи нефтепроводов, химических предприятий, буровых установок) на содержание в них нефтепродуктов.

     • Капитальный ремонт или закрытие перечисленных объектов, если установлено, что это предприятие, нефтепровод, буровая установка является источником нефтяного загрязнения.

     • Наказание лиц, ответственных за произошедшее загрязнение.

     • Рекультивация и санация земель, загрязненных нефтепродуктами.

     Специфика загрязнения земель нефтепродуктами  заключается в том, что последние  долго разлагаются (десятки лет), на них не растут растения и выживают немногие виды микроорганизмов. Восстановить земли можно путем удаления загрязненного  почвенного слоя вместе с нефтью. Далее  может следовать либо засев культурами, которые в получившихся условиях смогут дать наибольшее количество биомассы, либо завоз незагрязненной почвы.

     Экологические последствия загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами зависят от параметров загрязнения (химическая природа  загрязняющих веществ, концентрация их в почве, срок от момента загрязнения и др.), свойств почвы (структура почвы, гранулометрический состав, влажность почвы, активность микробиологических и биохимических процессов и др.) и характеристик внешней среды (температура воздуха,  ветреность, уровень солнечной радиации особенно доля ультрафиолетового излучения в свете, растительный покров и др.). Восстановление загрязненных нефтепродуктами земель проходит либо засевом культур, устойчивых к нефтяному загрязнению, либо завозом незагрязненной почвы,  что осуществляется в три основных этапа: удаление загрязненной нефтью почвы, рекультивация нарушенного ландшафта, мелиорация.

     Многочисленные  исследования ученых-агрохимиков показали, что разные виды и формы минеральных  удобрений неодинаково влияют на свойства почв. Внесенные в почву  удобрения вступают в сложные  взаимодействия с нею. Здесь происходят всевозможные превращения удобрений, которые зависят от целого ряда факторов: свойств удобрений и почвы, погодных условий, агротехники. Оттого, как происходит превращение отдельных видов  минеральных удобрений: фосфорных, калийных, азотных и т.д., зависит  влияние их на почвенное плодородие.

     Отрицательное действие удобрений на окружающую среду  связано прежде всего с несовершенством свойств и химического состава удобрений. Существенными недостатками многих минеральных удобрений являются: наличие остаточной кислоты (свободная кислотность) вследствие технологии их производства; физиологическая кислотность и щелочность, образующаяся в результате преимущественного использования растениями из удобрений катионов или анионов. Длительное применение физиологически кислых или щелочных удобрений изменяет реакцию почвенного раствора, приводит к потерям гумуса, увеличивает подвижность и миграцию многих элементов.

     К значительному недостатку многих минеральных  удобрений можно отнести наличие  в них тяжелых металлов (кадмия, свинца, никеля и др.)

     Наиболее  загрязнены тяжелыми металлами фосфорные  и комплексные удобрения. Это  связано с тем, что практически  все фосфорные руды содержат большие  количества стронция, редкоземельные и радиоактивные элементы. Расширение производства и применение фосфорных  и комплексных удобрений ведет  к загрязнению окружающей среды  соединениями фтора, мышьяка. При существующих кислотных способах переработки  природного фосфатного сырья степень  утилизации соединений фтора в производстве суперфосфата не превышает 20-50%, в производстве комплексных удобрений – еще  меньше. Содержание фтора в суперфосфате достигает 1-1,5, в аммофосе 3-5%. В среднем  с каждой тонной необходимого растениям  фосфора на поля поступает около 160 кг фтора. 

     1.6 Математическая модель  дыхания микроорганизмов [16] 

     Важным  процессом в почвенно-грунтовой  толще является теплообмен. Благодаря  ему в почве создаются определенные температурные условия для роста и развития живых организмов (почвенной биоты). Известно, что скорость метаболических процессов является экспоненциальной функцией при отсутствии ограничивающих (лимитирующих) факторов. Для описания распределения температуры в почвогрунтах используется известное уравнение теплопроводности. Влияние влажности почвы проявляется в интенсивности биологических процессов и условиях для свободной диффузии газов. Таким образом, на основании вышеизложенного можно предложить в качестве базовой математической модели следующую систему уравнений для исследования условий возникновения пространственно-временных структур в газовой фазе почв (Рисунок 1). 

     

     Рисунок 1 – Математическая модель дыхания  микроорганизмов

     Здесь С и Т обозначают концентрацию СО₂ в газовой фазе и температуру почвы, Q и V – интенсивность выделения (+) или поглощения тепла и газа, соответственно. Межфазные взаимодействия углекислого газа учитываются вводом обобщенного пораметра Г, а коэффициенты диффузии D и температуропроводности К в общем случае являются функцией пространственной координаты z. В качестве граничных условий принимаются постоянство концентрации СО₂ на поверхности почвы, периодичность внешнего теплового потока с постоянной амплитудой и отсутствие транспорта через нижнюю границу. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Экспериментальная  часть 

     2.1 Материалы, реактивы  и оборудование 

     Посев микроорганизмов подразумевает  внесение клеток или материала, содержащего  клетки, в (или на) питательную среду для последующего культивирования. Иначе эта процедура называется инокуляцией, а сам посевной материал – инокулюмом. Основные инструменты, используемые для проведения экспериментальной части по данной теме необходимы следующие материалы, реактивы и оборудование:

     – стерильные пипетки;

     –бумажные фильтры;

     – спиртовка;

     – спирт;

     – спички;

     – ультратермостат;

     – суховоздушные термостаты на 30 и 37ºС;

     – стеклянные палочки;

     – шпатели металлические или стеклянные;

     – иглы:

     – бактериальная петля;

     – микробиологические петли;

     – спиртовая горелка;

     – стерильные пробирки;

     – стерильные чашки Петри;

     – штатив для пробирок;

     – стерилизатор;

     – дистиллированная вода;

     – питательные среды для микроорганизмов (питательный агар, физиологичес-кий раствор);

     – культуры микроорганизмов (культуры дрожжей, бактерий, грибов) на плотной среде;

     – микрокалориметр МКМ–Ц.

     Чтобы обеспечить правильность проведения эксперимента и избежать загрязнения, необходимо предварительно простерилизовать  подготовленные инструменты, перед началом проведения экспериментальных работ. 

     2.2 Микроорганизмы и  питательные среды 

     2.2.1 Питательные среды  для культивирования  микроорганизмов

     Для проведения экспериментальной части  курсового проекта необходимо приготовить  питательные среды, которые будут  использоваться для культивирования  чистых культур микроорганизмов.

     После приготовления, все питательные  среды необходимо стерилизовать  для предотвращения загрязнения.

     При составлении питательных сред для  микроорганизмов необходимо учитывать  их потребность в элементах питания. По составу питательные среды  подразделяются на две группы: естественные (натуральные) и синтетические.

     Естественными обычно называют среды, которые состоят  из продуктов животного или растительного  происхождения, имеющих сложный  неопределенный химический состав. Основой  таких сред являются различные части  зеленых растений, животные ткани, солод, дрожжи, овощи, навоз, почва, вода морей, озер и минеральных источников.

     На  естественных средах хорошо развиваются  многие микроорганизмы, так как в  этих средах имеются, обычно, все компоненты, необходимые для роста и развития.

     Синтетические среды – это такие среды, в состав которых входят только определенные,  химически чистые соединения, взятые в точно указанных концентрациях. Синтетические среды следует готовить на дистиллированной воде. Для разработки синтетических сред, обеспечивающих нормальный рост изучаемого микроорганизма или максимальный биосинтез какого-либо продукта его  жизнедеятельности,  необходимо  знать особенности обмена веществ данного организма и его потребности в источниках питания. В настоящее время в распоряжении микробиологов имеется достаточное количество синтетических сред, не уступающих по своим качествам сложным средам неизвестного состава. Синтетические среды могут иметь относительно большой  набор компонентов, но могут быть и довольно простыми по составу.

     Синтетические среды наиболее удобны для исследования обмена веществ микроорганизмов. Зная точный состав и количество входящих в среду компонентов, можно изучить  их потребление и превращение  в соответствующие продукты обмена.