Все научные статьи
Сопрунова О.Б. Циано-бактериальные сообщества в биодеградации нефтяных углеводородов в почвах
Научная статья
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 991 Сопрунова О.Б. fsoprunova@mail.ru)
Астраханский государственный технический университет
В настоящее время наиболее перспективными и эффективными методами очистки почв и водоемов от широкого круга загрязняющих веществ являются приемы биоремедиации, основанные на биостимуляции in situ или in vitro и биоаугментации ("биоулучшении") [1]. Однако, как правило, традиционно разрабатываемые и применяемые технологии, базируются на использовании моно- или поликультур бактерий, грибов и дрожжей. Несмотря на колоссальную роль микроорганизмов в трансформации органических веществ, способы биоремедиации, базирующиеся на их использовании, не лишены недостатков, так как селектированные культуры гетеротрофных микроорганизмов, применяемые в экологической биотехнологии, обладают относительно узким спектром биогеохимических функций. Природные сообщества, включающие в себя представителей нескольких трофических уровней, в том числе и фотосинтетиков: эукариотических водорослей, цианобактерий, осуществляют круговорот биогенных элементов и трансформацию органических веществ, обладая более широким набором этих функций. Особую группу в отношении устойчивости к различного рода загрязняющим веществам, в том числе и нефтяным углеводородам, представляют собой цианобактерий. Исследования, посвященные физиологии и экологии цианобактерий, затрагивали вопросы их адаптации к нефти и нефтепродуктам [9], возможности перехода к фотогетеротрофному образу жизни [6], способности увеличения количества углеводородокисляющих микроорганизмов в ассоциациях [3]. Использование потенциальных возможностей не только микробных, но и циано-бактериальных сообществ является перспективным направлением совершенствования технологии очистки водных и почвенных экосистем, что рассматривалось в немногочисленных исследованиях [4, 11, 14].
Объектами исследований являлась нефтезагрязненная почва, отобранная на буровой площадке месторождения Баирское Республики Калмыкия. Образцы отбирались из горизонта Атах с глубины 0-20см. Химические показатели нефтезагрязненной почвы, используемой в экспериментальных исследованиях, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Химические показатели почвы, используемой в экспериментальных исследованиях.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 992аа Показатель, ед.изм. (погрешность) Содержание рН солевой, ед. рН (0,2 ед.) 7,4 Сумма обменных оснований, мг-экв/100г (10%) 0,7 Емкость поглощения, мг-экв/100г (10%) 34,9 №>бщ., мг/ЮОг 1,8 Ж)з, мг/ЮОг 740,0 Калий обменный, мг/ЮОг 67,0 Фосфор подвижный (Р), мг/ЮОг 4,7 Фосфор подвижный (Р2О5), мг/ЮОг 100,8 Суммарные нефтяные углеводороды, % (10%) 11,0 Углерод органический (Сорг), % 10,3 ^орг' Д^ общ. 5,7 Сумма н-алканов Сю-Сзб, г/кг 58,6 Средние н-алканы Сю-Сп, г/кг 21,8 Высшие н-алканы С18-С36, г/кг 36,8 Сумма ПАУ, мкг/кг 376,3 2-х ядерные ПАУ, мкг/кг 302,2 3-х ядерные ПАУ, мкг/кг 59,6 4-х ядерные ПАУ, мкг/кг 10,3 5-ти ядерные ПАУ, мкг/кг 4,2
Для изучения роли циано-бактериальных сообществ (ЦБС) в деградации углеводородов, входящих в состав нефтезагрязненных почв, использовали сообщество, выделенное из очистных сооружений газо-химического комплекса и культивируемое в лабораторных условиях [11]. Эдификаторами сообщества являются нитчатые Phormidium tenuissimum и одноклеточные цианобактерии Synehocystis minuseula и Synechococcus elongates, формирующие плотные образования в виде пленки (тяжей) [12]. В составе ассоциативной микрофлоры с цианобактериями присутствуют различные физиологические группы бактерий, грибов, микроводоросли. Сообщество использовалось в виде влажной и высушенной биомассы. Для постановки экспериментальных экосистем использовали стеклянные цилиндры, масса почвы, предварительно просеянной через сито 3 мм, составила в каждом из них по 5 кг, высота слоя - 15-20 см. Варианты экспериментальных экосистем: 1 -контроль (нефтезагрязненная почва); 2 - нефтезагрязненная почва и азотно-фосфорно-калийные удобрения (азофоска бесхлорная ТУ 113-03-0206486-12-99) из расчета C:N:P=10:1:1; 3 - нефтезагрязненная почва и сухая биомасса ЦБС из расчета 5г/кг почвы; 4 -
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 993аа Оценку процесса деструкции нефтяных углеводородов осуществляли по содержанию суммарных нефтепродуктов флуорометрическим методом [7] и содержанию алифатических (н-алканов) и полиароматических (ПАУ) углеводородов, концентрацию которых определяли на газовом хроматографе GC-17A SHIMADZU и масс-спектрометре QP-5000 SHIMADZU [5]. Численность микроорганизмов (сапротрофных, углеводородокисляющих) определяли методом высева почвенной суспензии на агаризованные питательные среды. Разнообразие организмов в почвах экспериментальных экосистем оценивали, учитывая общее число микроскопических водорослей, число бактерий, общую длину грибного мицелия методом прямой люминесцентной микроскопии [8].
В составе н-алканов в используемой для постановки экспериментальных экосистем почве превалировали высшие члены гомологического ряда - С18-С36 (36,8 г/кг), что составило 62% от суммы определяемых н-алканов (Сю-Сзб). Суммарное содержание полиаренов превышало ПДК для почв (0,02 мг/кг) практически в 20 раз. Преобладающе положение в составе полиаренов составляли 2-х ядерные (80,31%): 2-метил-нафтен (160,2 мкг/кг) и нафталин (112,2 мкг/кг).
Интродукция ЦБС способствовала активизации процессов биодеградации нефтяных углеводородов, о чем свидетельствовали данные по остаточному содержанию суммарных нефтяных углеводородов (СНУ) (табл.2). Максимальная убыль по истечении 12-ти месячной экспозиции отмечена в вариантах с внесением комплекса влажной биомассы ЦБС и удобрений (93,5%), а также при внесении сухой биомассы ЦБС с удобрениями (91,1%).
Убыль алифатических углеводородов в ходе 6-ти месячной экспозиции при внесении сухой и влажной биомассы ЦБС составила -98,5% и 90,9% соответственно. При внесении ЦБС в комплексе с минеральными удобрениями отмечено увеличение содержания н-алканов на 21,1% при внесении сухой биомассы ЦБС и на 5,2% - при внесении влажной биомассы ЦБС.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 994аа Вариант Продолжительность эксперимента, сутки 60 90 150 180 365 1 9,99 9,83 9,16 6,11 3,91 2 7,90 7,70 7,27 5,73 3,14 3 8,64 7,62 7,46 6,32 3,61 4 9,01 6,81 6,70 6,33 0,98 5 9,34 7,65 7,32 5,26 1,44 6 6,80 6,07 6,00 4,23 0,72
Убыль ПАУ по окончании экспериментальных исследований в модельных экосистемах во всех вариантах составила 99,63-97,29%. При этом, максимальный эффект (99,63%) отмечен в варианте с внесением влажной биомассы ЦБС и минеральных удобрений, где наблюдается убыль всех индивидуальных ПАУ.
Анализ индивидуального состава ПАУ показал, что в ходе экспериментальных исследований происходит изменение абсолютного и относительного содержания полиаренов. Наиболее интенсивно в ходе 6-ти месячной экспозиции отмечено уменьшение доли 2-х и 3-х ядерных полиаренов в варианте с внесением влажной биомассы ЦБС (2-х ядерных на - 99,63%; 3-х ядерных - 98,78%), 4-х и 5-ти ядерных - при внесении сухой биомассы ЦБС (на 34,30 и 29,21% соответственно). Кроме того, что 4-х и 5-ти ядерные медленнее подвергаются биодеградации, отмечено также увеличение доли 4-х и 5-ти ядерных в варианте с применением влажной биомассы ЦБС и удобрений, 5-ти ядерных - в варианте контрольном (табл. 3). В ходе дальнейшей экспозиции максимальный эффект снижения суммы ПАУ отмечается для варианта с внесением влажной биомассы ЦБС и удобрений (99,63%) (табл. 3). Следует отметить, что для этого варианта отмечается минимальное содержание 4-х и 5-ти ядерных в сумме ПАУ - 33,40%. Для варианта с внесением сухой биомассы ЦБС в комплексе с минеральными удобрениями данный показатель составляет 38,17%. В целом отмечено уменьшение содержания низкомолекулярных 2-х ядерных и увеличение относительного содержания 3-х, 4-х и, в меньшей степени, 5-ти ядерных полиаренов в сравнении с исходной почвой, что выражает общую тенденцию трансформации ПАУ [10].
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа ПАУ Вариант экспериментальных экосистем 1 2 3 4 5 6 6 мес. 12 мес 6 мес. 12 мес 6 мес. 12 мес 6 мес. 12 мес 6 мес. 12 мес 6 мес. 12 мес 2-х ядерные 99,39 99,75 98,76 99,56 99,29 99,71 96,98 99,47 99,63 99,53 96,23 99,42 3-х ядерные 98,34 99,83 99,28 99,16 98,00 99,60 76,75 92,11 98,78 99,16 74,95 86,76 4-х ядерные 5,58 78,51 31,05 75,48 34,30 74,63 10,45 64,81 18,41 65,01 +5,71 56,87 5-ти ядерные +3,51 95,56 12,53 93,81 29,21 92,60 11,91 93,12 15,00 89,40 +1,38 90,05 Сумма 95,52 99,14 96,03 97,51 96,53 98,93 90,46 97,29 96,33 98,41 88,99 99,63
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 996аа Численность микроорганизмов в образцах почвы, используемой при постановке
эксперимента,аа составила:аа сапротрофныеаа -аа 3,0x10а KOE/lrаа асваа почвы,
углеводородокисляющие - 1,4x10 KOE/lr асв почвы (табл. 4).
Таблица 4. Динамика численности физиологических групп микроорганизмов в ходе
экспериментальных исследований (КОЕ/1 г асв почвы).
Вариант |
Продолжительность эксперимента, сутки |
||||||
1 |
15 |
30 |
60 |
90 |
180 |
365 |
|
Сапротрофные, 106 (30,0) |
|||||||
1 |
34,0 |
12,0 |
46,0 |
1,5 |
1,6 |
1,4 |
1,1 |
2 |
280,0 |
5,0 |
2Д |
1,9 |
1,7 |
ОД |
ОД |
3 |
25,0 |
25,0 |
18,8 |
10,9 |
10,5 |
5,0 |
3,0 |
4 |
19,0 |
16,0 |
34,0 |
10,8 |
10,6 |
6,0 |
4,0 |
5 |
21,0 |
110,0 |
50,0 |
33,0 |
22,4 |
10,0 |
9,0 |
6 |
500,0 |
40,0 |
30,6 |
26,0 |
21,4 |
10,0 |
9,0 |
Углеводородокисляющие, 10 (14,0) |
|||||||
1 |
84,0 |
3,5 |
2,8 |
1,7 |
14,0 |
ОД |
ОД |
2 |
58,0 |
17,0 |
16,0 |
14,0 |
6,0 |
5,0 |
5,0 |
3 |
96,0 |
10,6 |
16,0 |
10,0 |
20,0 |
10,0 |
10,0 |
4 |
140,0 |
16,8 |
20,0 |
п,о |
15,0 |
12,0 |
п,о |
5 |
12,0 |
12,0 |
11,0 |
10,0 |
20,0 |
15,0 |
14,0 |
6 |
35,0 |
50,0 |
20,0 |
15,0 |
22,0 |
18,0 |
15,0 |
В ходе экспериментальных исследований установлено, что максимальная численность всех индикаторных групп микроорганизмов отмечается в вариантах с внесением как биомассы циано-бактериального сообщества, так и при внесении ЦБС в комплексе с минеральными удобрениями. Это связано с тем, что цианобактерии снабжают почву органическим веществом и усиливают микробиологическую активность почвы, оказываясь начальным звеном многих микробиологических цепей. Кроме того, цианобактерии в комплексе с бактериями становятся основой природного азотфиксирующего комплекса [13].
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 997аа Таблица 5. Оценка биологического разнообразия почвенных образцов по окончании
экспериментальных исследований методом люминесцентной микроскопии.
Показатель |
Вариант экспериментальных экосистем |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Длина мицелия в 1 г почвы, м |
10,00 |
15,00 |
35,0 |
45,0 |
37,0 |
55,0 |
Масса мицелия в 1 г почвы, х10" г |
39,00 |
58,5 |
136,5 |
175,5 |
144,3 |
214,5 |
Численность бактерий в 1г почвы, х10 |
0,9 |
ЗД |
1,9 |
2,2 |
2,1 |
2,6 |
Масса бактерий в 1 г почвы, х10" г |
1,8 |
6Д |
3,2 |
3,7 |
3,5 |
4,9 |
Численность водорослей в 1 г почвы, хЮ5 |
1,90 |
4,90 |
2,2 |
3,3 |
3,5 |
5,7 |
Масса водорослей в 1 г почвы, хЮ" г |
11,22 |
28,91 |
13,0 |
19,5 |
20,7 |
33,65 |
Таким образом, на основании данных экспериментальных исследований установлено, что внесение циано-бактериальных сообществ в комплексе с минеральными удобрениями в нефтезагрязненные почвы способствует формированию в них наиболее сбалансированных микробиоценозов, обладающих расширенным набором биогеохимических функций и активизирующих деградацию нефтяных углеводородов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бельков В.В. Биоремедиация: принципы, проблемы, подходы // Биотехнология. 1995.
№3-4.С.20-27.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 998аа Все научные статьи