WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Сопрунова О.Б. Циано-бактериальные сообщества в биодеградации нефтяных углеводородов в почвах

Научная статья

 

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ   991       http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2005/094.pdf

Циано-бактериальные сообщества в биодеградации нефтяных углеводородов в почвах

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 РОССИИ   992      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2005/094.pdf

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 РОССИИ   993      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2005/094.pdf

нефтезагрязненная почва и сухая биомасса ЦБС (5г/кг почвы) в комплексе с азотно-фосфорно-калийными удобрениями (азофоска бесхлорная из расчета C:N:P=10:1:1); 5 -нефтезагрязненная почва и влажная биомасса ЦБС из расчета 50г/кг почвы; 6 -нефтезагрязненная почва и влажная биомасса ЦБС (50 г/кг почвы) в комплексе с азотно-фосфорно-калийными удобрениями (азофоска бесхлорная из расчета C:N:P=10:1:1). В ходе исследований экспериментальные сосуды выдерживались при комнатной температуре, периодическом рыхлении и увлажнении (до 60% полевой влагоемкости). Наблюдение продолжалось в течение 12 месяцев.

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 РОССИИ   994      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2005/094.pdf

Таблица 2. Содержание остаточных нефтяных углеводородов (%) в ходе экспериментальных исследований: 1-контроль; 2-удобрения; 3-сухая биомасса ЦБС; 4-сухая биомасса ЦБС, удобрения; 5-влажная биомасса ЦБС; 6-влажная биомасса ЦБС, удобрения.

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 РОССИИ           http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2005/094.pdf

Таблица 3. Убыль ПАУ (%) при интродукции циано-бактериальных сообществ в модельные экосистемы.

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 РОССИИ   996      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2005/094.pdf

В ходе исследований в течение первых шести месяцев отмечено (табл. 3) накопление 5-ти ядерных в контрольном варианте (3,5%) и 4-х (5,7%) и 5-ти (1,4%) ядерных в варианте с внесением комплекса ЦБС и удобрений, что связано, вероятно, с перераспределением веществ между компонентами смеси полиаренов в процессе микробной переработки и меньшей скоростью деструкции многоядерных ПАУ. Кроме того, полиарены, имеющие голоядерную структуру, сорбируются гумусовыми веществами почвы [2], что снижает скорость их деградации в почвах.

Численность микроорганизмов в образцах почвы, используемой при постановке

эксперимента,      составила:      сапротрофные      -      3,0x10              KOE/lr      асв      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

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 РОССИИ   997      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2005/094.pdf

Оценка биомассы бактерий, грибов и микроводорослей в почвах экспериментальных экосистем на основании данных люминесцентной микроскопии (табл. 5) показывает, что добавление минеральных удобрений увеличивает численность и биомассу всех групп микроорганизмов, особенно интенсивно этот процесс проявляется в варианте с внесением ЦБС и минеральных удобрений. Кроме того, в целом, варианты модельных экосистем с применением различных приемов стимуляции характеризуются большим биологическим разнообразием в сравнении с контролем.

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

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 РОССИИ   998      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2005/094.pdf

    • Геннадиев А.Н., Козин И.С., Шурубор Е.И., Теплицкая Т.А. Динамика загрязнения полициклическими ароматическими углеводородами и индикация состояния почвенных эосистем//Почвоведение. 1990. №10. С.1277-1279.
    • Гусев М.В., Линькова М.А., Коронелли Т.В. Влияние нефтяных углеводородов на жизнеспособность цианобактерий в ассоциации с нефтеокисляющими бактериями // Микробиология. 1982. Т.51. Вып.6. С.932-936.
    • Дзержинская          И.С.          Альго-бактериальные          аспекты          интенсификации биогидрохимического круговорота в техногенных экосистемах. - Автореф. дис... докт. биолог, наук. - М.: Изд-во МГУ. 1993.
    • Другов Ю.С., Родин А.А. Газохроматографическая идентификация загрязнений воздуха, воды и почвы. Практическое руководство. С-Пб.: Теза, 1999.
    • Кабиров P.P., Минибаев Р.Г. Влияние нефти на почвенные водоросли // Почвоведение. 1982. №1.С.86-91.
    • Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в пробах флюориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02». ПНД Ф 16.1.21-98. Госкомитет РФ по охране окружающей среды. М. 1998.
    • Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред.Звягинцева Д.Г. М.: Изд-во МГУ. 1991.304с.
    • Миронов О.Г. Развитие планктонных водорослей в условиях нефтяного загрязнения // Человек и биосфера. М.: Изд-во МГУ. 1980. №5.
    • Немировская И.А. Углеводороды в океане (снег-лед-вода-взвесь-донные осадки). Автореферат дисс            докт.биол.наук. М. 2000. 40с.
    • Сопрунова О.Б. Альгобактериальные сообщества водной техногенной системы (на примере очистных сооружений АГПЗ) Автореф. дис...................... к.б.н. -Астрахань, 1997.
    • Сопрунова О.Б. Циано-бактериальные консорциумы в очистке сточных вод // Электронный журнал "Исследовано в России".2005. №11. с.113-120. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/011 .pdf.
    • Штина Э.А., Неганова Л.Б., Третьякова А.Н. Роль азотфиксирующих водорослей в зарастании промышленных отвалов / В кн.: Рекультивация в Сибири и на Урале. Новосибирск: Наука 1970. С. 117-124.
    • Янкевич М.И. Формирование ремедиационных биоценозов для снижения антропогенной нагрузки на водные и почвенные экосистемы. - Автореф. дис...д.б.н.-Щелково, 2002. 48с.
     



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.