Эколого-функциональные аспекты микробной ремедиации нефтезагрязнённых почв
На правах рукописи
Плешакова Екатерина Владимировна ЭКОЛОГО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ МИКРОБНОЙ РЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЁННЫХ ПОЧВ 03.02.08 – экология (биологические наук
и) 03.02.03 – микробиология
Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук Саратов – 2010
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (ИБФРМ РАН) и Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования государственный университет имени «Саратовский Н.Г. Чернышевского» Научный доктор биологических наук, профессор консультант: Турковская Ольга Викторовна Официальные член-корр. РАН, доктор биологических наук, профессор оппоненты: Розенберг Геннадий Самуилович доктор биологических наук, профессор Анищенко Татьяна Григорьевна доктор биологических наук, профессор Карпунина Лидия Владимировна Ведущая Государственное образовательное учреждение высшего организация: профессионального образования «Башкирский государственный университет»
Защита состоится 29 декабря 2010 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.13 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83, E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке имени В.А. Артисевич ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского».
Автореферат разослан « ноября 2010 г.
» Учёный секретарь диссертационного совета С.А. Невский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. В настоящее время в результате антропогенной деятельности происходит широкомасштабное загрязнение окружающей среды токсичными веществами. Нефть и нефтепродукты признаны основными загрязнителями окружающей среды (Eurosoil 2008). Потери нефти и нефтепродуктов в России при добыче, транспортировке, переработке и хранении по официальным данным оцениваются в 8-9 млн т в год. Особую нагрузку при этом испытывает почва, что проявляется в ухудшении её морфологических и физико-химических свойств, угнетении самоочищающей способности и негативных изменениях развития и функциональной активности организмов почвенного биоценоза (Пиковский и др., 2003;
Stroud et al., 2007). Аварийные и хронические разливы нефти приводят к быстрой потере продуктивности земель или полной деградации ландшафтов.
Ограниченность земельных ресурсов ставит неотложную задачу возврата в хозяйственное использование всех нарушенных и деградированных почв (Бурмистрова, 2003).
Поскольку на современном уровне развития нефтяной промышленности не представляется возможным полностью исключить её негативное воздействие на окружающую среду, возникает необходимость разработки методов и технологий восстановления почв, загрязнённых нефтяными углеводородами (Сулейманов и др., 2005). Экологически перспективными являются микробиологические способы очистки от нефтезагрязнений, основанные на стимулировании роста и активности природных микроорганизмов или внесении в почву (биостимуляция) селекционированных микроорганизмов-деструкторов (биоаугментация) (Нечаева и др., 2009;
Киреева и др., 2009;
Mishra et al., 2001;
Wilkinson et al., 2002;
Ouyang et al., 2005).
В связи с тем, что деструкция нефти в окружающей среде – сложный многофакторный процесс, на который оказывают влияние физико-химический состав, концентрация и срок действия загрязнителя, почвенно-климатические и биологические особенности экосистемы и другие факторы, сведения по этой проблеме нередко противоречивы.
При разработке приёмов микробной ремедиации нефтезагрязнённых почв, выборе оптимального способа очистки необходим комплексный подход. Анализ изменений, происходящих в микробных сообществах нефтезагрязнённых почв, путём определения численности микроорганизмов различных физиологических групп, выделения и идентификации микроорганизмов-деструкторов углеводородов, изучения почвенной биодинамики на основании оценки активности ферментов в почве и определения интенсивности почвенного «дыхания», исследования динамики агрохимических показателей почвы с параллельным химическим анализом остаточного содержания в ней нефтяного загрязнителя и оценкой степени её токсичности, позволит разработать параметры микробиологических процессов в нефтезагрязнённых почвах, при которых нарушенные почвы возвращаются в устойчивое состояние.
Несмотря на многочисленные исследования микроорганизмов-деструкторов нефтяных углеводородов в окружающей среде, механизмы их функционирования в экстремальных условиях, например, в кислых почвах, обусловленных естественными или антропогенными факторами, которых немало на территории России и других стран (Широких, 2004;
Орлов и др., 2005;
Rothschild, Mancinelli, 2001), изучены недостаточно. Многие экологические аспекты проблемы биоаугментации, касающиеся жизнеспособности и активности интродуцированных микроорганизмов в почве, их взаимоотношений с аборигенным микробоценозом, требуют всестороннего изучения. В связи с этим, разработка высокоспецифичных и чувствительных мониторинговых методов для идентификации внесённых в почву бактерий особенно актуальна.
Кроме того, для реализации принципов и практических мер, направленных на охрану почв, необходимо разработать оптимальные методы биотестирования, позволяющие построить наиболее полную картину деградации почв, получить интегральную токсикологическую характеристику загрязнённой среды до и после очистки, и, следовательно, оценить эффективность приёмов биоремедиации.
Цель и задачи исследований. Цель работы – выявление особенностей функционирования естественных микробных сообществ нефтезагрязнённых почв и интродуцированных в почву специализированных микроорганизмов при использовании приёмов биоремедиации.
Для достижения поставленной цели были определены задачи:
1. Исследовать биологические и эколого-функциональные свойства микробного сообщества нефтешлама с низким значением рН. Изучить генетические особенности кислотоустойчивых углеводородокисляющих микроорганизмов, выделенных из нефтешлама.
2. Провести сравнительную оценку жизнеспособности и динамики развития микроорганизмов Dietzia maris АМ3 и Bacillus sp. УН 2/5 при их интродукции в загрязнённые нефтью кислые и нейтральные почвы. Изучить стабильность свойств реизолятов штамма D. maris АМ3.
3. Исследовать влияние интродукции нефтеокисляющих микроорганизмов на характер микробиологических и биохимических процессов в загрязнённой почве и деструкцию нефтяных углеводородов.
4. Разработать и апробировать иммунохимические методы анализа для мониторинга штамма D. maris АМ3 в нефтезагрязнённой почве в процессе биоремедиации.
5. Провести сравнительное исследование функционирования микробных сообществ почвы с разным сроком нефтяного загрязнения при самоочищении и использовании приёмов биостимуляции и биоаугментации.
6. Выявить оптимальные показатели для мониторинга процессов микробной ремедиации почв и разработать метод биотестирования для оценки уровня токсичности почвы после очистки.
7. Разработать и апробировать оригинальный способ активизации аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов для очистки нефтезагрязнённой почвы и воды.
Научная новизна. Впервые из микробного сообщества, существующего в экстремальных условиях нефтешлама (рН 1,15), выделены и изучены 13 штаммов бактерий, идентифицированные как Corynebacterium spр., D. maris и Bacillus sp., способные к деструкции углеводородов в широком диапазоне рН. Получены доказательства плазмидной локализации генов, детерминирующих свойства биодеградации нефтяных углеводородов и ацидотолерантности у данных штаммов, что может обеспечить преимущества микроорганизмов сообщества при существовании в экстремальных условиях. Впервые подробно изучен и охарактеризован штамм D. maris АМ3 как эффективный и стабильный деструктор алкановых и ароматических углеводородов в широком диапазоне рН (4-9) и температуры (10-40оС), обладающий эмульгирующей активностью по отношению к нефтепродуктам и содержащий трансмиссивную плазмидную ДНК. Установлено, что после культивирования штамма на углеводородных субстратах увеличивается гидрофобность его клеток и нефтеокисляющая активность.
Разработаны иммунохимические методы анализа для выявления и количественной оценки штамма D. maris АМ3 в нефтезагрязнённой почве в процессе биоремедиации. Установлены особенности развития интродуцированных микроорганизмов D. maris АМ3 и Bacillus sp. УН 2/5 в нефтезагрязнённых кислых и нейтральных почвах, подтверждена их высокая конкурентная способность по отношению к микроорганизмам естественных почвенных сообществ, жизнеспособность и нефтеокисляющая активность. С помощью метода твёрдофазного иммуноферментного анализа (ИФА) показано, что максимальное развитие штамма D. maris АМ3 в почве происходит через 7-14 сут. интродукции и зависит от свойств почвы и загрязнителя.
На основании выявленных особенностей функционирования естественных микробных сообществ загрязнённых почв и интродуцированных нефтеокисляющих микроорганизмов разработаны научные основы применения и совершенствования технологий микробной ремедиации нефтезагрязнённых почв. Научно аргументирована и экспериментально доказана перспективность использования штаммов D. maris АМ3 и Bacillus sp. УН 2/5 для очистки почв со свежим нефтяным загрязнением, которые не только ускоряют очистку в два раза в течение первого месяца ремедиации по сравнению с приёмом стимуляции, но также повышают биологическую активность почвы и способствуют снижению её токсичности.
Установлено, что эффективность ремедиации при стимуляции естественного микробного сообщества почвы со свежим нефтяным загрязнением выше, чем при самоочищении, что выражается в увеличении степени деструкции нефтяных углеводородов и биологической активности почвы и снижении её токсичности. В случае многолетнего загрязнения показана одинаковая убыль нефтяных углеводородов при стимуляции аборигенной микрофлоры и интродукции штамма D. maris АМ3, который на определённых этапах ремедиации повышает биологическую активность и снижает токсичность почвы.
Выявлены диагностические показатели по ферментативной активности для оценки эффективности апробируемых биоремедиационных приёмов. Разработан метод определения токсичности нефтезагрязнённой почвы после биоремедиации по дегидрогеназной активности бактерий. Предложена новая комбинация добавок, стимулирующих развитие аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов в образцах загрязнённой почвы, для получения биопрепаратов в виде почвенной суспензии.
Практическая значимость. Выделенные и охарактеризованные ацидотолерантные нефтеокисляющие бактерии Corynebacterium spp., D. maris и Bacillus sp. могут быть использованы для ремедиации нефтезагрязнённых почв с повышенной кислотностью. Бактериальные культуры D. maris АМ3 и Bacillus sp. УН 2/5 могут быть рекомендованы для ускорения и улучшения очистки почвы от свежего нефтяного загрязнения. Высокая жизнеспособность, конкурентоспособность и углеводородокисляющая активность позволяет применять эти штаммы в условиях, когда естественное микробное сообщество почвы малочисленно или не способно полноценно функционировать. Для очистки почв с многолетним загрязнением разработан способ стимуляции аборигенной микрофлоры путём внесения минерального удобрения, структуратора, ПАВ и использования агротехнических приёмов. Результаты по способам очистки почвы от нефтяных загрязнений защищены двумя патентами РФ.
Метод твёрдофазного ИФА может быть рекомендован для практического применения при проведении биоремедиационных работ в качестве способа учёта численности интродуцированных микроорганизмов. Анализ показателей активности почвенных ферментов: дегидрогеназ, каталаз, липаз и уреаз может быть использован для оценки эффективности приёмов биоремедиации. Предложен метод определения токсичности нефтезагрязнённой почвы после биоремедиации по дегидрогеназной активности бактерий. Разработан способ получения и использования биопрепаратов в виде почвенной суспензии, основанный на активизации аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов в образцах загрязнённой почвы.
Результаты исследования применяются при проведении лекционных и практических занятий по курсу «Экологическая токсикология», «Механизмы обезвреживания токсичных соединений», подготовке курсовых и дипломных работ в ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» и ИБФРМ РАН. Материалы диссертации использованы при подготовке учебно методических пособий: «Руководство к практическим занятиям по экологической токсикологии» (Саратов, 2006);
«Общая биология: Материалы к гос. аттестации выпускников по спец. 011600 – «Биология»» (Саратов, 2006);
«Экология. Материалы к государственной аттестации выпускников по специальности – «Экология»» (Саратов, 2009).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В состав микробного сообщества нефтешлама с экстремальной кислотностью (рН 1,15) входят микроорганизмы Corynebacterium spр., D. maris и Bacillus sp., осуществляющие деструкцию нефтяных углеводородов в кислой и нейтральной среде. Свойства ацидотолерантности у бактерий Corynebacterium spр. и деградации нефтяных углеводородов у D. maris АМ3, детерминируемые плазмидными генами, способствуют устойчивому функционированию микробного сообщества нефтешлама.
2. Штамм D. maris АМ3 обладает рядом функциональных и экологических преимуществ, связанных со способностью к существованию в широком диапазоне рН и температуры, наличием биоэмульгирующей и деструктивной активности по отношению к алкановым и ароматическим углеводородам нефти и присутствием трансмиссивной катаболической плазмиды, характеризующейся высокой стабильностью. Адаптационным механизмом при культивировании D. maris АМ3 на углеводородах является увеличение гидрофобности его клеток.
3. Интродуцированные микроорганизмы D. maris АМ3 и Bacillus sp. УН 2/ характеризуются высокой жизнеспособностью в нефтезагрязнённых кислых и нейтральных почвах, они ускоряют очистку почв от свежего нефтяного загрязнения, повышая численность гетеротрофных и углеводородокисляющих микроорганизмов в естественном сообществе, интенсифицируя биологическую активность почвы и снижая её токсичность.
4. Для выявления D. maris АМ3 в почве в процессе биоремедиации и количественной оценки динамики его численности применимы иммунохимические методы анализа. С помощью метода твёрдофазного иммуноферментного анализа установлено, что при интродукции штамма D. maris АМ3 в почву, его максимальное развитие происходит через 7-14 суток (на 1-3 порядка в зависимости от свойств почвы и загрязнителя).
5. Способ стимуляции естественного микробного сообщества в чернозёме южном со свежим нефтяным загрязнением имеет существенные преимущества по сравнению с самоочищением. В случае многолетнего загрязнения показана одинаковая убыль нефтяных углеводородов при стимуляции аборигенной микрофлоры и интродукции штамма D. maris АМ3.
6. Показатели активности почвенных ферментов: дегидрогеназ, каталаз, липаз и уреаз отражают направленность процессов биодеградации нефтяных углеводородов, обусловленных развитием и активизацией аборигенных и интродуцированных микроорганизмов в почве, и могут быть использованы для оценки эффективности приёмов биоремедиации. Показатель дегидрогеназной активности бактерий может использоваться для тестирования токсичности очищенной почвы.
7. Активизация аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов в образцах загрязнённой почвы с помощью стимулирующих добавок обеспечивает получение эффективных биопрепаратов в виде почвенной суспензии для использования в процессе биоремедиации.
Апробация работы. Основные положения диссертации представлены в виде стендовых и устных сообщений на Международной конференции «Микробное разнообразие: состояние, стратегия, экология, проблемы» (Пермь, 1996);
II International Symposium on Biosorption and Bioremediation (Prague, Czech Republic, 1998);
9th European Congress on Biotechnology (Brussels, Belgium, 1999);
7th и 8th International FZK/TNO Conference on Contaminated Soil (Leipzig, Germany, 2000;
Gent, Belgium, 2003);
II и V съездах Вавиловского общества генетиков и селекционеров (Санкт-Петербург, 2000;
Москва, 2009);
9th International Symposium on Microbial Ecology (Amsterdam, The Netherlands, 2001);
конференции «Экобиотехнология: борьба с нефтяным загрязнением окружающей среды» (Пущино, 2001);
Xth International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology (Paris, France, 2002);
3rd International Conference OIL POLLUTION: Prevention, Characterization, Clean Technology (Gdask, Poland, 2002);
I-IV межрегиональных конференциях молодых учёных «Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой» (Саратов, 2002, 2004, 2006, 2008);
Всероссийских научно-практических конференциях, посвящённых 115-летию и 117-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова (Саратов, 2002, 2004);
I-III Международных конгрессах «Биотехнология – состояние и перспективы развития» (Москва, 2002, 2003, 2005);
International Symposium Biochemical Interactions of Microorganisms and Plants with Technogenic Environmental Pollutants (Saratov, Russia, 2003);
II Международной научной конференции «Биотехнология – охране окружающей среды» (Москва, 2004);
Международной научной конференции «Проблемы биодеструкции техногенных загрязнителей окружающей среды» (Саратов, 2005);
II Международной конференции «Микробное разнообразие:
состояние, стратегия сохранения, биологический потенциал» (Пермь-Казань, 2005);
Всероссийской Молодёжной школе-конференции проблемы «Актуальные современной микробиологии» (Москва, 2005);
Международной научной конференции «Микробные биотехнологии» (Одесса, 2006);
Международной научной конференции «Микроорганизмы и биосфера» (Москва, 2007);
EGU General Assembly (Vienna, Austria, 2008);
Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы биоэкологии» (Москва, 2008);
IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2009);
IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2009);
Первых Международных научно-практических Беккеровских чтениях (Волгоград, 2010);
XXII зимней молодёжной научной школе «Перспективные направления физико химической биологии и биотехнологии» (Москва, 2010);
Московской международной научно-практической конференции «Биотехнология: экология крупных городов» (Москва, 2010);
II Всероссийской научной интернет-конференции «Научное творчество XXI века» с международным участием (2010);
совместном заседании лаборатории экологической биотехнологии ИБФРМ РАН и кафедры биохимии и биофизики СГУ (2005-2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 научные работы, из них публикаций в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ, включая два патента РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, 5 глав с изложением результатов работы и их обсуждением, заключения, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 443 источника. Диссертация изложена на 358 страницах машинописного текста, включая приложение, содержит 85 рисунков и 29 таблиц.
Работа выполнена в лаборатории экологической биотехнологии ИБФРМ РАН в соответствии с плановой темой НИР взаимодействия «Исследование микроорганизмов и растений с техногенными загрязнителями окружающей среды» (№ гос. регистрации 01.9.90 003293, научный руководитель зав. лаб. профессор, д.б.н.
Турковская О.В.) и кафедре биохимии и биофизики СГУ по заданию Минобразования и науки РФ по теме «Исследование влияния биотических и абиотических факторов на структуру и функционирование экосистем и популяций» (научный руководитель зав.
каф. ботаники и экологии СГУ профессор, д.б.н. Болдырев В.А.). Работа поддержана Грантом Президента РФ № МК-1968.2003.04.
Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность научному консультанту профессору, д.б.н. Турковской О.В., сотрудникам лаборатории экологической биотехнологии ИБФРМ РАН и особенно: к.б.н. Дубровской Е.В. за проведение совместных микрополевых исследований, к.б.н. Поздняковой Н.Н. за совместную разработку оригинального способа активизации аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов, к.б.н. Голубеву С.Н. за помощь в проведении генетических исследований, а также д.б.н. Матора Л.Ю., к.б.н. Бурыгину Г.Л., к.х.н. Макарову О.Е. и коллегам с кафедры биохимии и биофизики СГУ.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. МИКРОБНАЯ ДЕГРАДАЦИЯ НЕФТЯНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ЗАГРЯЗНЁННЫХ ПОЧВАХ В главе приводится обзор современного состояния острейшей экологической проблемы – загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами, рассмотрено токсическое воздействие нефтяных углеводородов на живые организмы, характер изменений физико-химических и биологических свойств почвы при нефтяном загрязнении, особенно подробно описано его влияние на ферментативную активность почв в связи с возможным использованием показателей активности почвенных ферментов для мониторинга технологий биоремедиации. Изложены основные принципы микробной деградации нефтяных углеводородов, представлено описание микроорганизмов деструкторов нефтяных углеводородов, их физиологических особенностей, приведены пути микробной деструкции нефтяных углеводородов, подробно описаны бактерии рода Rhodococcus, их экологическое значение и генетическая организация.
В данной главе рассмотрены основные факторы, влияющие на эффективность биоремедиации, проанализированы проблемы и перспективы интродукции нефтеокисляющих микроорганизмов в загрязнённую почву. При обобщении сведений о способах микробной очистки нефтезагрязнённых почв и методах контроля биоремедиации, делается вывод, что вопросы целесообразности использования и преимуществ технологий биостимуляции и биоаугментации остаются спорными, деградация нефтяных углеводородов бактериями в экстремальных условиях, например, в почве при пониженных значениях рН, изучена недостаточна. Проблемы биологического мониторинга почв после биоремедиации, изучения жизнеспособности внесённых в загрязнённую почву микроорганизмов требуют оптимального решения.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Объектами исследований являлись 13 штаммов, выделенных из нефтешлама (рН 1,15) (г. Саратов). Кроме того, в работе использовали штаммы из коллекции почвенных свободноживущих и ризосферных микроорганизмов ИБФРМ РАН:
14 штаммов Escherichia coli, Acinetobacter calcoaceticus ТМ-31, Rhodococcus terrae A73 и 5 штаммов рода Rhodococcus: R. rhodochrous М8, R. rhodochrous rh, R. erythropolis Hx7, Rhodococcus sp. 261 и Rhodococcus sp. 2/4 из коллекции микроорганизмов ЗАО «Биоамид». Для установления специфичности антител D. maris АМ3 применяли штаммы D. maris ИЭГМ 44 и D. maris ИЭГМ 305 из Региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН (г. Пермь).
Работа выполнялась на базе лаборатории экологической биотехнологии ИБФРМ РАН и кафедры биохимии и биофизики СГУ (1999–2010 гг.).
Способность микроорганизмов и их мутантных клонов использовать для роста нефть и нефтепродукты определяли с помощью чашечного метода Мак-Кланга, согласно которому отмечалось наличие роста культуры вокруг и внутри капель нефтяного субстрата на поверхности плотной минеральной среды (Теппер и др., 1993). Способность микроорганизмов и их мутантных клонов к деструкции индивидуальных углеводородов парафинового ряда (0,4 г/л) определяли с помощью метода лунок (Егоров, 1976). Биотрансформирующую активность бактерий изучали в жидкой минеральной среде М9 с добавлением к ней в качестве единственного источника углерода одного из следующих субстратов, в процентах по весу: нефти (1,0), мазута (2,5), индивидуальных углеводородов: гептадекана (2,5), гексадекана (1,0), толуола (1,0) или декалина (1,0). Деградацию углеводородных субстратов исследуемыми культурами изучали в жидкой среде при различных значениях рН (3,5;
4,6;
5,0 и 7,0).
Деструктивную активность микроорганизмов устанавливали при их культивировании в жидких средах по остаточному содержанию нефтяных углеводородов гравиметрическим методом (Инструкция по контролю за состоянием почв…, 1990) или ИК-спектроскопией (Государственный контроль качества воды..., 2003) на спектрофотометре «Specord IR-75» после их экстракции четырёххлористым углеродом. Деструкцию гептадекана, гексадекана и декалина оценивали методом газовой хроматографии (Хроматографический анализ…, 1979;
Ларионова и др., 2005;
Другов, Родин, 2007). Степень деструкции толуола рассчитывали на основании данных, полученных с помощью УФ-спектрофотометрии (Осипов, Белова, 1968).
Оптическую плотность бактериальной суспензии штамма D. maris АМ3, культивируемого на минеральной среде с гексадеканом (1,0%), определяли путём измерения на фотоколориметре КФК-2 при =540 нм через 1, 3 и 7 сут.
культивирования. Прирост бактериальной биомассы определяли весовым методом (Стабникова и др., 1995). Эмульгирующую активность бактерий (экзогенную и эндогенную) определяли методом Купера (Cooper, Goldenberg, 1987). Для изучения гидрофобности клеток штамма D. maris AM3 и его реизолятов применяли метод Е.В.
Серебряковой с соавт. (2002), основанный на адсорбции бактериальных клеток на поверхности капель хлороформа.
Генетическую природу свойств деградации нефтяных углеводородов и ацидотолерантности изучали путём спонтанной элиминации этих свойств и индуцированной элиминации с использованием субингибирующих концентраций профлавина и налидиксовой кислоты (Миллер, 1976). Трансмиссивность свойства биодеградации углеводородов нефти с помощью конъюгационного переноса исследовалась по стандартной методике (Chakrabarty, 1980) с различными модификациями. Для трансформации клеток плазмидной ДНК применяли комбинированную методику, основанную на сочетании двух классических методов:
кальциевой обработки и криотрансформации (Гловер, 1988). Плазмидную ДНК в исходных штаммах и предполагаемых элиминантах выявляли с помощью метода выделения, разработанного С.Н. Голубевым (2002), и последующего электрофореза в агарозном геле. Молекулярный размер плазмид определяли, сравнивая их электрофоретическую подвижность с подвижностью реперных плазмид, используя компьютерную программу «One-Dimensional Gel Analysis».
Приёмы микробной ремедиации исследовали в лабораторных экспериментах (почва со свежим загрязнением нефтью) и микрополевом (смешанный грунт с многолетним загрязнением нефтепродуктами). Для очистки от свежего нефтяного загрязнения использовали чернозём южный и тёмно-серую лесную почву, отобранные в Саратовской области. Почву инкубировали в пластмассовых контейнерах при температуре 25оС. В микрополевом масштабе грунт очищался на специально оборудованной площадке в естественных условиях. Для стимуляции естественных микробных сообществ в почву вносили отдельно или в различных комбинациях: минеральное удобрение азофоску, являющееся источником азота и фосфора, древесные опилки в качестве структуратора и неонол АФ9-12-С в качестве эмульгатора. В случае аугментации в почву и грунт интродуцировали штамм D. maris АМ3 в количестве 1107 КОЕ/г почвы совместно со стимулирующими добавками, штамм Bacillus sp. УН2/5 вносили в почву в количестве 5107 КОЕ/г почвы. В процессе очистки почвы и грунта регулярно проводили агротехническую обработку:
рыхление один раз в неделю и поддержание влажности на уровне ~ 10-15%.
Динамика численности интродуцированного штамма D. maris АМ3 изучалась методом подсчёта характерных ярких кораллово-красных колоний на МПА (Практикум по микробиологии…, 2005), параллельно проводился твёрдофазный ИФА (вариант ELISA) (Иммуноферментный анализ…, 1988). Присутствие D. maris AM3 в образцах почвенных суспензий выявляли с помощью кроличьих антител, специфичных к углеводным антигенам данного штамма. В качестве ферментной метки использовали пероксидазу хрена, конъюгированную с козьими анти кроличьими антителами. Субстратным реагентом являлся орто-фенилендиамин с перекисью водорода. Измерения оптической плотности исследуемых проб проводили при длине волны =490 нм на иммуноферментном анализаторе АИФ-Ц-01С с последующей обработкой результатов с помощью программы ЛабАРМ. Численность штамма Bacillus sp. УН2/5 оценивалась на селективной среде с антибиотиками.
Общую гетеротрофную микрофлору (ОГМ) в почве во всех экспериментах учитывали общепринятым методом на МПА (Практикум по микробиологии…, 2005).
Углеводородокисляющие микроорганизмы (УОМ) выявляли на агаризованной минеральной среде с дизельным топливом в качестве единственного источника углерода и энергии (Гузев и др., 1997), а также с помощью метода мембранных фильтров на среде с нефтью в качестве единственного источника углерода (А.с. СССР №1629319…, 1991). Количество клеток микроорганизмов азотного цикла определяли методом предельных разведений (Практикум по микробиологии…, 2005). Разведения почвенной суспензии высевали на соответствующие питательные среды: на среде Виноградского учитывали нитрифицирующие микроорганизмы;
на среде Гильтея – денитрифицирующие;
на мясопептонном бульоне (МПБ) – аммонифицирующие.
Наиболее вероятное число микроорганизмов в единице объёма рассчитывали по таблице Мак-Креди, разработанной на основании методов вариационной статистики.
Экологическую совместимость D. maris АМ3 с естественной почвенной микрофлорой изучали методом лунок и перекрёстных посевов (Руководство для большого практикума по микробиологии…, 1981).
Дыхательную активность почвы измеряли согласно (Основные микробиологические и биохимические методы…, 1987). Активность дегидрогеназ в почве определяли колориметрически на КФК-2 по восстановлению 2,3,5 трифенилтетразолий хлорида (ТТХ), активность каталаз измеряли с помощью титриметрического метода Р.С. Кацнельсона и В.В. Ершова (Хазиев, 2005).
Активность уреаз в почве определяли колориметрическим методом путём измерения количества аммиачного азота (Временные методические рекомендации…, 1984).
Активность триацилглицерол-липаз в почве определяли титриметрическим методом К.А. Козловой, В.П. Кислицыной, Ю.А. Марковой и Э.Н. Михайловой (1968) (Хазиев, 2005). Количество в почве общего и растворимого углерода определяли методом И.В.
Тюрина, подвижного фосфора (Р2О5) – с использованием солянокислой почвенной вытяжки (Временные методические рекомендации…, 1984), концентрацию в почвенных микрокосмах нитратного и аммонийного азота – согласно (Практикум по агрохимии…, 1987) и (Андреюк и др., 1988) соответственно. рН почвы измеряли согласно (ГОСТ 26483-85. Почвы).
Остаточное содержание нефтяных углеводородов в почве определяли гравиметрическим методом (РД 52.18.647-2003. Методические указания…, 2003), извлекая сумму неполярных и малополярных углеводородов из почвенного образца четырёххлористым углеродом с одновременной очисткой элюата на окиси алюминия в хроматографической колонке. Анализ фракций нефтепродуктов проводили в соответствии с методом Л.Г. Полуниной и Г.И. Кушина (Методы анализа органического вещества пород, нефти и газа…, 1977). Токсичность почвы до и после ремедиации оценивали в фитотесте на трёхсуточных проростках пшеницы сорта «Саратовская 29» и редиса сорта «Заря» по следующим показателям: всхожесть семян, %;
средняя длина ростка и средняя длина корня (корневой системы для пшеницы), мм (Остроумов, 1990). Определение токсичности почвы проводили также разработанным нами методом по дегидрогеназной активности штамма D. maris АМ путём сравнения количества 2,3,5-трифенилформазана (ТФФ), образованного дегидрогеназами тест-микроорганизма, в опытных и контрольных образцах.
Статистическая обработка результатов проводилась с использованием программы Microsoft Excel 2003. Достоверность различий полученных результатов оценивали с использованием коэффициента Стьюдента (Р0,95).
3. ИЗУЧЕНИЕ РЯДА БИОЛОГИЧЕСКИХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КИСЛОТОУСТОЙЧИВЫХ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ ШТАММОВ При разработке приёмов биоремедиации нефтезагрязнённых почв, характеризующихся повышенной кислотностью, было изучено микробное сообщество нефтешлама (г. Саратов) с крайне низким значением рН (рН 1,15). Из состава данного экстремального сообщества выделено 13 микробных штаммов.
Штаммы с лабораторными шифрами УН 1/1;
УН 1/2;
УН 2/1м;
УН 2/1к;
УН 2/2м;
УН 2/3м;
УН 3/1;
УН 3/2;
УН 4/1 и УН 4/2 по совокупности изученных морфологических, хемотаксономических, физиолого-биохимических признаков были идентифицированы как Corynebacterium sp., два штамма: УН 1/3 и АМ3 – как Dietzia maris, один штамм УН 2/5 – как Bacillus sp. В ходе исследований установлено, что все выделенные микроорганизмы, входящие в состав микробного сообщества нефтешлама, в разной степени устойчивы к повышенной кислотности среды, они росли в мясопептонном бульоне в диапазоне рН 1-7 (табл. 1).
Таблица 1.
Показатели роста микроорганизмов через 7 сут. культивирования в МПБ в интервале рН от 1 до 7 при исходной посевной дозе (ОD540=0,4 ед.) Оптическая плотность (ОD540) при Штаммы различных значениях рН 7 5 3 Corynebacterium sp. УН 1/1 0,97±0,05 0,20±0,03 0,48±0,04 0,52±0, Corynebacterium sp. УН 1/2 1,16±0,07 0,24±0,03 0,54±0,04 0,50±0, D. maris УН 1/3 3,00±1,17 2,50±1,11 1,39±0,05 0,86±0, Corynebacterium sp. УН 2/1к 1,20±0,05 0,65±0,05 0,44±0,04 0,47±0, Corynebacterium sp. УН 2/1м 1,35±0,06 0,85±0,05 0,77±0,04 0,64±0, Corynebacterium sp. УН 2/2м 1,40±0,05 0,95±0,06 0,72±0,04 0,66±0, Corynebacterium sp. УН 2/3м 1,65±0,08 1,20±0,05 0,89±0,04 0,67±0, Bacillus sp. УН 2/5 2,24±0,12 1,84±1,0 1,29±0,05 0,84±0, Corynebacterium sp. УН 3/1 1,55±0,05 1,08±0,09 0,83±0,05 0,67±0, Corynebacterium sp. УН 3/2 1,06±0,08 0,79±0,07 0,56±0,04 0,48±0, D. maris АМ3 3,20±0,19 2,68±1,11 1,92±0,07 0,77±0, Corynebacterium sp. УН 4/1 1,56±0,06 1,08±0,04 0,89±0,05 0,56±0, Corynebacterium sp. УН 4/4 1,45±0,06 1,12±0,05 0,51±0,05 0,18±0, Бактерии были охарактеризованы как умеренные ацидофилы. Как известно, способность к росту при низких и высоких значениях рН обеспечивает микроорганизмам определённые преимущества в окружающей среде, т.к. в таких условиях конкуренция со стороны большинства других организмов невелика.
Выявленный широкий диапазон роста данных штаммов мог свидетельствовать об их приспособленности к изменяющимся условиям природной среды, что представляло интерес для практического использования бактерий в биоремедиации загрязнённых почв.
При изучении деструктивного потенциала микроорганизмов сообщества нефтешлама было показано, что все выделенные штаммы обладали способностью к росту на агаризованной среде, содержащей в качестве единственного источника углерода и энергии спектр углеводородных субстратов: сырую нефть, керосин, вазелиновое масло, дизельное топливо, ряд индивидуальных углеводородов: н-алканы и ароматические соединения (табл. 2).
Таблица 2.
Субстратный спектр исследуемых микроорганизмов Субстрат Оценка роста штаммов 1/1 1/2 1/3 2/1к 2/1м 2/2м 2/3м 2/5 3/1 3/2 4/1 4/4 АМ Сырая нефть + +- + + +- + +- + +- + + + + Вазелиновое масло - - +- - - - - + - - - - + Дизельное топливо -+ -+ + -+ +- +- -+ + +- +- - +- + Керосин -+ -+ + -+ +- +- +- + -+ - - +- н-алканы:
Октан -+ -+ + -+ -+ +- +- + + -+ +- +- + Гексан +- -+ + +- -+ +- +- + -+ +- +- -+ + Гептан +- -+ + +- -+ +- +- + -+ -+ +- -+ + Декан -+ -+ + +- -+ +- +- + -+ -+ + + + Тридекан -+ -+ + +- -+ -+ -+ + -+ -+ + + + Гексадекан -+ -+ + -+ -+ -+ -+ + +- -+ +- +- + Гептадекан -+ -+ + -+ -+ -+ -+ +- -+ -+ +- +- + Ароматические углеводороды:
Бензол - +- + +- - +- - + - - +- +- + Толуол -+ - + - - -+ +- + -+ +- +- +- + Ксилол - -+ + +- -+ - - + -+ +- + +- + Фенол -+ -+ + -+ -+ +- +- + -+ +- +- -+ + Псевдокумол +- +- + -+ -+ -+ - + + -+ + + + Амилбензол - - + +- - - -+ + -+ +- - + + Нафтены:
Декалин -+ -+ + - +- - -+ + -+ -+ +- -+ + Примечания: «-» – отсутствие роста;
«-+» – едва выраженный рост;
«+-» – небольшой рост;
«+» – отчётливый рост.
По результатам качественного анализа было выделено несколько наиболее активных штаммов-деструкторов нефтяных углеводородов: D. maris УН 1/3, Bacillus sp. УН 2/5 и D. maris АМ3. По данным ИК-спектроскопии деструкция нефти в жидкой среде при рН 3,5 изучаемыми штаммами составила от 29 до 47% за 14 сут.
культивирования. У большинства штаммов деструкция углеводородов нефти в кислой среде происходила более эффективно, чем в нейтральной, например, у штаммов:
Bacillus sp. УН 2/5, D. maris УН 1/3 и Corynebacterium sp. УН 4/1, которая составила 46,4, 44,0 и 29,6% соответственно (рис. 1). Штамм D. maris АМ3 свою максимальную деструктивную активность (до 70%) проявлял при нейтральных значениях рН, степень деструкции нефтяных углеводородов при культивировании этого штамма в среде с рН 3,5 составляла 47%.
Наблюдался значительный прирост биомассы D. maris АМ3 по сырому весу при культивировании штамма на минеральной среде с гексадеканом (10 г/л) в течение сут., который составлял 1,38 г/л при рН 5,0 и 1,62 г/л при рН 7,0, что свидетельствовало о том, что данный углеводород является источником углерода и энергии, обеспечивающим активный рост клеток при исследуемых значениях рН.
деструкция, % рН 3, рН 7, АМ 1/3 2/5 штаммы 4/ Рис. 1. Деструктивная активность штаммов по отношению к сырой нефти (10 г/л) при культивировании их в жидкой среде в течение 14 сут.
Степень деструкции гептадекана (25 г/л) штаммом D. maris АМ3 в жидкой среде за 7 сут. культивирования составляла 53,6% при рН 7,0 и 51,5% при рН 4,6;
толуола (10 г/л) – 80,6% при нейтральном рН. Представитель нафтеновых углеводородов – декалин (10 г/л) разрушался штаммом D. maris АМ3 в жидкой среде при рН 7,0 на 9,5%. Данный штамм также осуществлял деградацию мазута (25 г/л) на 8,1% в жидкой среде за 14 сут. культивирования (рис. 2).
Рис. 2. Рост штамма D. maris АМ3 в жидкой среде с мазутом (25 г/л) в сравнении с контрольной незасеянной колбой Таким образом, показано, что штамм D. maris АМ3 способен к деструкции как алкановых, так и ароматических углеводородов нефти. Данные особенности делают штамм особенно перспективным для его практического использования в биоремедиации нефтезагрязнённых природных объектов, т.к. деструкторы алканов, как известно из литературных данных (Churchill et al., 1999), обычно не затрагивают ароматические кольца углеводородов. К редкому сочетанию деструктивных свойств у штамма D. maris АМ3 добавляется также возможность осуществления им утилизации нефтяных углеводородов в условиях повышенной кислотности.
У D. maris АМ3 была обнаружена эмульгирующая активность по отношению к нефти, экзогенная активность составляла: Е24= 49,3% и Е48= 37,3%, эндогенная – Е48=15,0%, что свидетельствовало о возможных преимуществах штамма в процессах утилизации нефтепродуктов, т.к. биоэмульгирующая активность микроорганизма в сочетании с биодеградирующей способностью может обеспечить большую биодоступность углеводородов в различных условиях. Показано, что D. maris АМ обладал также рядом экологических преимуществ, т.к. хорошо рос как на МПА, так и на агаризованной минеральной среде с нефтью в качестве единственного источника углерода и энергии в диапазоне рН: 4-9 и температуры: 10-40оС и в присутствии 10% NaCl.
В целом, полученные результаты свидетельствовали о перспективности использования штаммов микробного сообщества нефтешлама для очистки нефтезагрязнённых объектов окружающей среды, характеризующихся повышенной кислотностью. Штаммы хранятся в коллекции почвенных свободноживущих и ризосферных микроорганизмов Учреждения Российской академии наук Институте биохимии и физиологии растений и микроорганизмов (г. Саратов).
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ КИСЛОТОУСТОЙЧИВЫХ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ ШТАММОВ Известно, что на плазмидах часто локализованы гены, кодирующие биодеградацию органических соединений или устойчивость к абиотическим факторам окружающей среды (Измалкова и др., 2005;
Whyte et al., 1998;
Singh, Ward, 2004). В ходе выявления механизмов адаптационной устойчивости микроорганизмов сообщества нефтешлама к повышенной кислотности среды и определения природы генетического детерминирования признака деградации углеводородов нефти у исследуемых микроорганизмов был осуществлён плазмидный скрининг по PEG-DEX методу (Голубев, 2002). У десяти ацидотолерантных углеводородокисляющих штаммов Corynebacterium spр. обнаружены плазмидные ДНК, сходные по размеру (около 45-50 т.п.н.), у двух штаммов D. maris АМ3 и D. maris УН 1/3 обнаружены близко расположенные две плазмидные ДНК размером около 54 т.п.н. (рис. 3). У штамма Bacillus sp. 2/5 плазмидные молекулы не визуализировались.
Тот факт, что практически все исследованные штаммы микробного сообщества нефтешлама оказались плазмидосодержащими, согласуется с известными литературными данными о преимущественном распространении плазмид в загрязнённых местообитаниях (Хоменков и др., 2008;
Leahy, Colwell, 1990;
Wallace, Sayler, 1992). Результаты, показавшие наличие сходной плазмидной молекулы у десяти штаммов р. Corynebacterium, выделенных из одного источника, могли свидетельствовать о существовании горизонтального переноса плазмиды в микробном сообществе нефтешлама.
Установлено, что под действием ингибирующего агента профлавина свойство деструкции нефтяных углеводородов элиминировало с частотой от 1,3 до 5,0%, а свойство ацидотолерантности – с одинаковой частотой 12,5% у десяти кислотоустойчивых штаммов Corynebacterium spр., содержащих 45-50 т.п.н. плазмидные ДНК. Плазмидный скрининг в 65 отобранных элиминантных клонах показал наличие корреляции между утратой плазмидной молекулы из штаммов и потерей свойства ацидотолерантности.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 хр. ДНК Рис. 3. Электрофореграмма плазмидной ДНК кислотоустойчивых нефтеокисляющих штаммов: 1 – Corynebacterium sp. УН1/1;
2 – Corynebacterium sp. УН1/2;
3 – Corynebacterium sp. УН2/1м;
4 – Corynebacterium sp. УН2/1к;
5 – Corynebacterium sp. УН2/2м;
6 – Corynebacterium sp. УН2/3м;
7 – Corynebacterium sp. УН3/1;
8 – Corynebacterium sp. УН3/2;
– Corynebacterium sp. УН4/1;
10 – Corynebacterium sp. УН4/4;
11 – Bacillus sp. УН2/5;
12 – D. maris УН1/3;
13 – D. maris АМ3;
реперные плазмиды (т.п.н.): 14 – р90 (135);
15 – pSf (54);
16 – pMMB33 (13,75);
17,18 – pUC19 (2,7) В связи с чем было высказано предположение о контроле функции ацидотолерантности у штаммов Corynebacterium spр. плазмидными генами. Было показано, что данные плазмидные молекулы стабильно наследуются при хранении содержащих их штаммов в подкисленной среде.
Были получены доказательства высокой стабильности 54 т.п.н.-плазмиды штамма D. maris АМ3 при его культивировании в неселективных условиях (до пассажей на МПА), а также при длительном хранении (в течение пяти лет на агаризованной LB-среде) в музейной коллекции. Установлено, что под действием ДНК-тропного агента (налидиксовой кислоты) с частотой 14% возникали клоны D.
maris АМ3 с редуцированной способностью к утилизации нефтяных углеводородов.
Последующий скрининг плазмидных ДНК в отобранных элиминантных клонах показал отсутствие экстрахромосомных элементов в четырёх из них (рис. 4).
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 хр. ДНК Рис. 4. Электрофореграмма плазмидной ДНК клонов штамма D. maris АМ3, частично утративших способность к деструкции нефтяных углеводородов: 1 – исходный штамм D. maris АМ3;
2 – 15н;
3 – 17н;
4 – 21н;
5 – 23н;
6 – 31н;
11 –34н;
12 – 44н;
13 – 46н;
14 – 47н;
реперные плазмиды (т.п.н.): 7 – RP4 (39);
8 – R1 (93);
9 – R16 (103,5);
10 – R386 (117) Морфологически эти клоны не отличались от исходного штамма D. maris АМ3, формируя на МПА колонии с гладкой блестящей поверхностью и характерной яркой кораллово-красной окраской. Результат иммунодиффузионного анализа со специфическими антителами данного штамма показал, что углеводные антигены клеточной поверхности элиминантных клонов не претерпели каких-либо изменений и абсолютно идентичны данным структурам исходного штамма D. maris АМ3. Степень деструкции гексадекана элиминантами составляла 53% и не отличалась от таковой у исходного штамма D. maris АМ3. Оценка деструктивной активности данных элиминантов показала снижение способности к деструкции сырой нефти (в 2-5 раз), толуола (в 3-7 раз) и декалина (в 2-3 раза) по сравнению с исходным штаммом (рис. 5).
Деструкция, % D. maris 15н 34н 44н 45н АМ 70,1 34,2 48,5 13,8 36, % деструкции нефти 80,6 30,3 25,8 12,2 17, % деструкции толуола Рис. 5. Деструктивная активность элиминантных клонов D. maris АМ3 по отношению к сырой нефти и толуолу (10 г/л) при культивировании в жидкой среде На основании полученных данных о высокой частоте (14%) индуцированной элиминации свойства биодеградации углеводородов нефти, заметном снижении способности к деструкции нефти, толуола и декалина при утрате плазмидной ДНК штаммом D. maris АМ3 высказано предположение об участии плазмидных генов в процессе биодеградации нефтяных углеводородов. Обладающая катаболическими генами клетка-хозяин имеет очевидное преимущество перед другими микроорганизмами, поскольку способность расщеплять поллютант является защитным механизмом и обеспечивает микроорганизм дополнительным источником углерода и энергии.
В ходе дальнейших исследований было обнаружено, что признак деструкции толуола с высокой частотой (10-3-10-5) передавался от донорного штамма D. maris АМ3 реципиентным бесплазмидным штаммам Rhodococcus sp. 261 и R. terrae A73 одновременно с переносом 54 т.п.н.-плазмиды. Показана принципиальная возможность передачи данной плазмиды с помощью трансформации в бесплазмидные клетки D. maris АМ3. При оценке деструктивной активности трансформантов по отношению к толуолу было показано, что степень деградации толуола составляла 75-78%, не отличаясь существенным образом от степени деградации у родительского штамма D. maris АМ3. Результаты этих экспериментов явились доказательствами в пользу детерминации признака деструкции толуола генами, локализованными на 54 т.п.н.-плазмиде D. maris АМ3.
Таким образом, полученные новые сведения о генетической регуляции свойств деградации нефтяных углеводородов и ацидотолерантности у микроорганизмов – членов сообщества нефтешлама раскрывают механизмы, лежащие в основе устойчивого функционирования данного сообщества. Вероятно, под селективным давлением загрязнителя и факторов окружающей среды у микроорганизмов экспрессируются плазмидные гены, обеспечивающие преимущества штаммов при существовании в экстремальных условиях (такие как использование широкого круга субстратов и возможность расти в кислой среде). Наличие у штамма D. maris АМ трансмиссивной катаболической плазмиды увеличивает метаболический потенциал аборигенного микробного сообщества и позволяет рассматривать данный штамм как источник распространения генетических элементов, ответственных за процессы разрушения углеводородов, что представляет перспективу для практического применения штамма.
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ КИСЛОТОУСТОЙЧИВЫХ ШТАММОВ ДЛЯ РЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЁННОЙ ПОЧВЫ Закономерности развития штамма D. maris АМ3 при его интродукции в нефтезагрязнённую почву. В связи с вышеперечисленными физиологическими, биохимическими и генетическими преимуществами штамма D. maris АМ исследовали возможность его использования для ремедиации нефтезагрязнённой почвы и грунта в лабораторных и микрополевом экспериментах (табл. 3).
При изучении экологической совместимости D. maris АМ3 с естественной почвенной микрофлорой методом перекрёстных посевов и методом лунок не было обнаружено угнетения роста D. maris АМ3, несмотря на его замедленное развитие (3 5 сут.) по сравнению со многими исследованными быстрорастущими бактериями.
Было установлено таким образом, что штамм обладал высокой конкурентной способностью по отношению к микроорганизмам естественных почвенных сообществ.
Для идентификации и мониторинга штамма D. maris АМ3, интродуцированного в почву, был успешно апробирован иммунохимический тест на основе полученных поликлональных кроличьих антител, специфичных к углеводным антигенам клеточной поверхности данного штамма. Отработана качественная реакция, включающая высев бактерий из очищаемой почвы на МПА (методом последовательных разведений), получение препаратов углеводных антигенов и исследование данных антигенов в тесте иммунодиффузии со специфическими антителами. Продемонстрировано, что данный тест позволяет быстро и однозначно идентифицировать интродуцированный в почву штамм D. maris АМ3 (рис. 6А).
Таблица 3.
Условия проведения лабораторных и микрополевого экспериментов с использованием штамма D. maris АМ Эксперимент Э1.1. Э1.2. Э1.3. Э1.4. Э2.
Почва Чернозём южный Тёмно-серая лесная Чернозём южный* Чернозём южный Смешанный грунт с почва территории промышленных предприятий Загрязнение Сырая нефть, 20 г/кг почвы, свежее загрязнение Многолетнее загрязнение нефтепродуктами, около 20 г/кг Стимуляция, приёмы Внесение азофоски – 0,7 Регулярный полив и Внесение азофоски – Внесение азофоски – Внесение азофоски – 0, г/кг и структуратора рыхление почвы 0,7 г/кг и 0,7 г/кг;
регулярный г/кг, структуратора (древесные опилки) – 1/3 структуратора полив и рыхление (древесные опилки) – 1/ объёма почвы;
(древесные опилки) – почвы объёма почвы, неонола регулярный полив и 1/3 объёма почвы;
АФ9-12-С – 0,02 г/кг;
рыхление почвы регулярный полив и регулярный полив и рыхление почвы рыхление почвы Аугментация, приёмы Внесение D. maris АМ3 Внесение Внесение Внесение D. maris АМ (1107 КОЕ/г почвы), (1107 КОЕ/г почвы), D. maris АМ3 D. maris АМ (1107 КОЕ/г почвы) (1107 КОЕ/г почвы), азофоски – 0,7 г/кг, азофоски – 0,7 г/кг, структуратора азофоски – 0,7 г/кг, структуратора (древесные опилки) – 1/3 структуратора (древесные опилки) – 1/ объёма почвы;
(древесные опилки) – объёма почвы;
регулярный полив и 1/3 объёма почвы;
регулярный полив и рыхление почвы регулярный полив и рыхление почвы рыхление почвы Самоочищение Регулярный полив - - Продолжительность 90 30 30 60 эксперимента, сут.
Примечание. * – почва после эксперимента с растениями.
Установлено, что полученные антитела могут выявлять специфический антиген не только в составе препаратов, изолированных с бактериальной поверхности D. maris АМ3, но также и в супернатанте его культуральной среды (рис. 6Б), что свидетельствовало о высокой экскреции данного антигена исследуемыми бактериями в окружающую среду.
А Б Рис. 6. Иммунодиффузионный анализ со специфическими антителами препаратов изолированных углеводных антигенов: (А) – 1 – D. maris АМ3, 2 – бактериальных клеток, высеянных из нефтезагрязнённой почвы до интродукции D. maris АМ3, 3 – после интродукции D. maris АМ3;
(Б) – 1 – с бактериальной поверхности D. maris АМ3, 2 – из супернатанта культуральной среды D. maris АМ Этот факт создал предпосылки для разработки высокочувствительного теста на основе твёрдофазного ИФА, который сделал возможным выявление изучаемого штамма-деструктора непосредственно в почвенной суспензии, минуя стадию высева бактерий на питательную среду.
Динамику развития D. maris АМ3 в чернозёме южном (эксперименты Э1.1. и Э1.3.), тёмно-серой лесной почве (Э1.2.) со свежим нефтяным загрязнением и смешанном грунте с многолетним загрязнением нефтепродуктами (Э2.) оценивали двумя способами: твёрдофазным ИФА и классическим микробиологическим методом подсчёта кораллово-красных колоний D. maris АМ3 на МПА. Были обнаружены определённые закономерности развития штамма-интродуцента в разных почвенных сообществах (рис. 7). Максимальное развитие штамма во всех экспериментах наблюдалось через 7-14 сут., затем происходило снижение его численности до исходного уровня внесения.
Данные, полученные с помощью двух методов исследования численности D. maris АМ3 (ИФА и микробиологический анализ), существенным образом коррелировали. При этом обнаружено, что максимальная численность штамма регистрировалась с помощью микробиологического анализа через 7 сут., а с помощью ИФА – через 14 сут., что, на наш взгляд, связано с периодом накопления специфического антигена в почве. Характерно, что во всех проведённых экспериментах титр D. maris АМ3 до конца обработки сохранялся на достаточно высоком уровне (около 107 КОЕ/г почвы), что свидетельствовало о жизнеспособности данного интродуцента в различных загрязнённых почвах.
8, lg числа клеток 7, 0 7 14 сутки А 8, lg числа клеток 7, 6, 0 7 14 30 45 60 75 сутки по результатам ИФА по данным микробиологического анализа Б Рис. 7. Корреляция между значениями численности штамма D. maris АМ3 в чернозёме южном со свежим нефтяным загрязнением в эксперименте Э1.3. (А) и смешанном грунте с многолетним загрязнением нефтепродуктами в эксперименте Э2. (Б), полученными методом ИФА и с помощью микробиологического анализа Лучше всего исследуемый штамм-интродуцент развивался в чернозёме южном со свежим нефтяным загрязнением (максимальное увеличение – в 373 раза через сут. после внесения), что связано, скорее всего, со свойствами этой почвы, отличающейся высоким содержанием органических и минеральных элементов. Менее интенсивно штамм развивался в тёмно-серой лесной почве и чернозёме южном, используемом вторично после вегетационного эксперимента, увеличиваясь в численности в 6-26 раз.
Наименьшее развитие D. maris АМ3 наблюдалось в смешанном грунте с многолетним загрязнением нефтепродуктами (в 2-10 раз), что обусловлено рядом причин: физико-химическими и биологическими особенностями грунта, который менее питателен, чем почвы, разнообразием и сроком действия загрязнителей, что могло способствовать накоплению в нём токсичных метаболитов, образующихся при разложении углеводородов, разнообразием аборигенных микробных сообществ, возникшим при смешивании различных грунтов и создающим для интродуцента жёсткие конкурентные условия и др.
В целом, наблюдаемая динамика специфического антигена D. maris АМ3 в почве, несомненно, отражала развитие штамма в процессе ремедиации и характеризовала направленность этого процесса, что позволяет рекомендовать метод ИФА для практического использования при проведении биоремедиационных работ для мониторинга интродуцированных микроорганизмов, что может существенно улучшить прогнозируемость хода и эффективности очистки.
Изучение реизолятов штамма D. maris AM3 после культивирования на углеводородных субстратах. Исследование характеристик реизолятов нефтеокисляющего штамма D. maris АМ3 после культивирования на углеводородных субстратах, с одной стороны, представляло интерес с точки зрения появления у него новых свойств в результате возможных изменений в клеточной мембране, с другой – это было необходимо для подтверждения генетической и функциональной стабильности микроорганизма, предназначенного для очистки нефтезагрязнённых объектов. Были изучены реизоляты D. maris АМ3 после культивирования штамма в нефтезагрязнённой почве и грунте в течение трёх месяцев, а также в жидкой минеральной среде (рН 4,6 и 7,0) с гексадеканом (10 г/л) в качестве единственного источника углерода и энергии после культивирования в течение 14 сут.
Установлено, что после культивирования штамма на углеводородных субстратах увеличивается гидрофобность клеток (максимально на 15,5%). У ряда реизолятов обнаружена повышенная способность к деструкции индивидуального углеводорода гептадекана при рН 7,0 (на 5-22%), сырой нефти – максимум на 6% (рис. 8). Отмечена положительная корреляция между повышенными значениями деструктивной активности в отношении нефтяных углеводородов и увеличенной гидрофобностью клеток. Обнаруженные изменения связаны, скорее всего, с увеличением содержания суммарных клеточных липидов и другими модификациями в гидрофобном липидном слое клеточной оболочки D. maris АМ3 и благоприятны для штамма, являющегося активным нефтеокисляющим микроорганизмом.
Дегидрогеназная активность у некоторых реизолятов была выше, чем у исходного штамма (максимально – на 17%). На основании изучения реизолятов выявлено повышение резистентности D. maris АМ3 к антибиотическим веществам после культивирования его на нефтяных углеводородах, что также связано с изменениями в клеточной оболочке бактерий. У реизолятов обнаружена высокая стабильность плазмидных молекул, эмульгирующей активности по отношению к нефти и способности к деструкции толуола. Результат иммунодиффузионного анализа со специфическими антителами данного штамма показал отсутствие изменений в углеводных антигенах клеточной поверхности реизолятов.
Степень деструкции углеводородов и ПГ,% нефть, рН 7, гептадекан, рН 7, гептадекан, рН 4, ПГ АМ3 КG1 КG 1 2 10 16 18 19 L1 L Реизоляты Рис. 8. Степень деструкции нефти, гептадекана (при рН 7,0 и 4,6) штаммом D. maris АМ3 и его реизолятами и показатель гидрофобности (ПГ) бактериальных клеток Выявленные особенности позволяют рассматривать штамм как эффективный и стабильный деструктор и свидетельствуют о перспективности длительного использования D. maris АМ3 для биоремедиации нефтезагрязнённых почв.
Изучение процессов ремедиации нефтезагрязнённой почвы на основе интродукции штамма Bacillus sp. УН2/5. У штамма Bacillus sp. УН2/5, который был выбран по высоким показателям способности к деструкции сырой нефти в жидкой среде, была изучена нефтеокисляющая активность в почве. Данный микроорганизм, как было установлено, отличался высокой жизнеспособностью в нейтральной и кислой почве в условиях нефтяного загрязнения. Через 15 сут. численность данного штамма в кислой (рН 3,5) и нейтральной (рН 7,0) стерильной почве с нефтью была на уровне вносимой дозы: 5107 КОЕ/г почвы, при пониженных значениях рН почвы – несколько выше, чем при нейтральных.
Увеличение численности Bacillus sp. УН2/5 в нефтезагрязнённом чернозёме южном без дополнительных стимулирующих мероприятий происходило примерно на порядок через 15 сут. после внесения, что сравнимо с ростом D. maris АМ3 в чернозёме южном, используемом после вегетационного эксперимента, и смешанном грунте с многолетним нефтяным загрязнением при дополнительном внесении различных добавок.
Показано, что интродукция Bacillus sp. УН2/5 в почву способствовала более высокой численности ОГМ и УОМ (на 2 и 3 порядка), чем стимуляция естественного микробного сообщества путём внесения минерального удобрения, полива и рыхления почвы. Данный штамм обеспечивал высокую степень деградации нефти (49,5% за сут.), которая в два раза превышала степень деградации при биостимуляции (24,3%).
В целом, полученные данные свидетельствовали, что Bacillus sp. УН 2/5 не только отличается высокой жизнеспособностью в кислой среде, но и способен к эффективной деструкции нефтяных углеводородов в кислой и нейтральной почве, что представляет практический интерес.
6. СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ САМООЧИЩЕНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЁННОЙ ПОЧВЫ И ТЕХНОЛОГИЙ БИОРЕМЕДИАЦИИ Динамика развития микробных сообществ в нефтезагрязнённой почве в процессе самоочищения, стимуляции и аугментации на основе интродукции штамма D. maris АМ3. Для того чтобы доказать преимущества использования той или иной технологии биоремедиации нефтезагрязнённой почвы, необходимо было выявить основные биологические факторы и механизмы, определяющие эффективность применения различных технологий. В первую очередь, определяли закономерности развития микробных почвенных сообществ при использовании биотехнологий очистки. Условия проведения экспериментов представлены в таблице 3.
В ходе экспериментов было установлено, что первый месяц после начала ремедиационных мероприятий загрязнённой почвы, а в большинстве случаев – это 7 14 суток – период наибольшего развития и аборигенной, и интродуцированной микрофлоры в почве (рис. 9 и 10). После максимального развития численность штамма-интродуцента D. maris АМ3 снижалась, численность ОГМ и УОМ также постепенно уменьшалась, что может быть связано с уменьшением концентрации органических субстратов в почве. Нами установлено, что на содержание УОМ и ОГМ влияла численность интродуцированного в почву штамма D. maris АМ3, особенно в период его максимального развития (первый месяц ремедиации).
Доля интродуцированного штамма в популяции УОМ в почве со свежим загрязнением составляла на протяжении эксперимента 40-80%, на последнем этапе очистки – 70%, что свидетельствует о высокой выживаемости штамма D. maris АМ3 в нефтезагрязнённой почве. При оценке количества УОМ в образцах грунта с многолетним загрязнением подсчитывали колонии на мембранных фильтрах с нефтью (рис. 11). На рисунке хорошо видны ярко-окрашенные колонии штамма D. maris АМ3 в соответствующем варианте очистки через 3 сут. после интродукции.
Сравнивая динамику развития ОГМ и УОМ в разных почвах, необходимо отметить, что наибольшее развитие микроорганизмов происходило в чернозёме южном (эксперимент Э1.1.). При стимуляции, основанной на внесении удобрения совместно со структуратором, регулярном поливе и рыхлении почвы, численность ОГМ максимально увеличилась в 63 раза, УОМ – на три порядка через 7 сут., при аугментации численность ОГМ максимально увеличилась в 220 раз (рис. 9А), УОМ – на четыре порядка через 14 сут. (рис. 10Б). При аугментации численность ОГМ и УОМ в этой почве была выше, чем при стимуляции, на всём протяжении эксперимента.
lg числа КОЕ/г почвы lg числа КОЕ/г почвы 9 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 сутки cутки А Б 9 lg числа КОЕ/г почвы lg числа КОЕ/г почвы 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 сутки сутки В Г ОГМ в чистой почве;
ОГМ при самоочищении;
ОГМ при стимуляции;
ОГМ при аугментации;
D. maris АМ Рис. 9. Динамика численности ОГМ в процессе биоремедиации чернозёма южного со свежим нефтяным загрязнением в экспериментах: Э1.1. (А), Э1.3. (Б), Э1.4. (В) и смешанного грунта с многолетним загрязнением нефтепродуктами в эксперименте Э2. (Г) lg числа КОЕ/г почвы lg числа КОЕ/г почвы 7 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 сутки сутки А Б УОМ в чистой почве;
УОМ при самоочищении;
УОМ при стимуляции;
УОМ при аугментации Рис. 10. Динамика численности УОМ в процессе биоремедиации чернозёма южного со свежим нефтяным загрязнением (А) в эксперименте Э1.4.;
(Б): 1 – стимуляция, 2 – аугментация чернозёма южного со свежим нефтяным загрязнением в эксперименте Э1.1.;
3 – стимуляция, 4 – аугментация смешанного грунта с многолетним загрязнением нефтепродуктами в эксперименте Э2.
А Б Рис. 11. Колонии УОМ, обнаруживаемых в смешанном грунте с многолетним загрязнением нефтепродуктами через 3 сут. использования приёмов стимуляции (А) и аугментации (Б) Внесение удобрения без структуратора способствовало меньшему развитию микроорганизмов в чернозёме южном (ОГМ и УОМ в 35 раз через 30 сут.) (рис. 9В и 10А), так же, как и использование стимуляции и аугментации в чернозёме южном, используемом после вегетационного эксперимента (ОГМ в 6 и 11 раз через 7 и 14 сут.
соответственно) (рис. 9Б). Минимальное увеличение численности ОГМ и УОМ при стимуляции и аугментации происходило в смешанном грунте с многолетним загрязнением нефтепродуктами – в 2-2,5 и 8-10 раз (рис. 9Г и 10Б). Численность ОГМ в грунте при аугментации слегка превышала значения при стимуляции в период от до 30 сут., численность УОМ при аугментации была выше, чем при стимуляции в период от 7 до 45 сут. Наиболее высокая численность УОМ в грунте в обоих вариантах обнаруживалась через 3 сут. ремедиации (рис. 10Б и 11).
Через 7 сут. после внесения в грунт D. maris АМ3 доминировал над остальными членами микробного сообщества (рис. 12), через 90 сут. в очищаемом грунте обнаруживались в равном количестве колонии других микроорганизмов.
А Б Рис. 12. Микробные сообщества загрязнённого грунта, очищаемого с помощью интродукции штамма D. maris АМ3 через 7 сут. (А) и 90 сут. (Б) В этих условиях интродукция D. maris АМ3 способствовала подавлению развития плесневых грибов в очищаемом грунте, которые обнаруживались через сут., в отличие от грунта со стимулирующими приёмами, где плесневые грибы стали выявляться уже через 14 сут.
Таким образом, развитие ОГМ и УОМ в нефтезагрязнённой почве при использовании биотехнологий, как было показано, зависит от стимулирующих добавок, свойств почвы, типа и срока действия загрязнителя. Важно подчеркнуть, что при самоочищении нефтезагрязнённой почвы не происходило существенного увеличения содержания ОГМ и УОМ, что уменьшало потенциальную возможность микроорганизмов почвенного сообщества к быстрой утилизации загрязнителя.
В ходе исследований было продемонстрировано, что стимуляция естественной микрофлоры почвы путём внесения минерального удобрения, регулярного полива и рыхления почвы способствовала активизации процессов аммонификации, свидетельствующих об интенсификации процессов обмена азотсодержащих органических веществ, денитрификации, что предполагало возможное участие денитрификаторов в процессах биодеградации углеводородов (рис. 13А и Б).
lg числа микроорганизмов/г lg числа микроорганизмов/г 6,4 6, 6, 5, 5, 5,6 5, 4, 5, 5 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 сутки сутки А Б lg числа микроорганизмов/г 0 14 30 сутки В в чистой почве;
при самоочищении;
при стимуляции Рис. 13. Динамика численности аммонифицирующих (А), денитрифицирующих (Б) и нитрифицирующих (В) микроорганизмов в нефтезагрязнённом чернозёме южном (эксперимент Э1.4.) Происходила стимуляция численности нитрифицирующих микроорганизмов, которые среди других бактерий наиболее заметно ингибировались под воздействием нефтяного загрязнения (рис. 13В).
Численность аммонифицирующих, денитрифицирующих и нитрифицирующих микроорганизмов увеличилась примерно в 10 раз через 14 сут. и сохранялась на этом уровне до конца эксперимента. Функциональная стабильность как характерный пример самоорганизации и саморегулирования микробных сообществ обеспечивается развитием в нефтезагрязнённой почве своеобразных «компенсационных» механизмов, соответствующих «тонкой настройкой» биоценоза на различных уровнях, изменением ритмики функционирования микробных сообществ. Примером развития таких «компенсационных» механизмов является резкое увеличение численности и активности микроорганизмов, принимающих участие в круговороте азота, несмотря на ингибирующее влияние нефтяных углеводородов на функциональную активность почвенных ферментов.
Показатели численности микроорганизмов азотного цикла отражали интенсификацию очистки загрязнённой почвы при использовании технологии стимуляции по сравнению с естественным самоочищением и могли служить в качестве мониторинговых показателей биоремедиации.
Изменение показателей биологической активности почвы в процессе ремедиации. Оценка возможности использования этих показателей для мониторинга процессов очистки. При оценке функционального состояния микробоценозов нефтезагрязнённых почв в процессах биоремедиации изучали динамику показателей биологической активности почвы. Показано увеличение интенсивности почвенной респирации, являющейся интегральным показателем общей биологической активности почвы (рис. 14).
0, количество СО2 мг/г почвы в сутки 0,45 Э1.1., чистая почва 0, 0, 0, 0, 0,2 0, 0, 0, 0 10 20 30 40 50 60 70 80 сутки Рис. 14. Динамика почвенного дыхания в процессе ремедиации чернозёма южного (эксперимент Э1.1.): 1 – стимуляция, 2 – аугментация и смешанного грунта с многолетним загрязнением нефтепродуктами (эксперимент Э2.): 3 – стимуляция, 4 – аугментация Максимальная интенсивность почвенной респирации и в чернозёме южном со свежим нефтяным загрязнением, и в смешанном грунте с многолетним загрязнением нефтепродуктами, наблюдалась к 30 суткам – периоду максимального развития микроорганизмов почвенного сообщества.
В этот период интродукция D. maris АМ3 в чернозём южный способствовала повышению почвенной респирации в большей степени, чем стимулирующие приёмы, а в грунте с многолетним загрязнением данный показатель был выше в варианте с интродуцентом только на ранних этапах очистки (7-14 сут.).
Показатели активности ферментов в почве перспективны для мониторинга процессов очистки почв от различных загрязнителей, в связи с тем, что активность ферментов в почве определяется с высокой точностью, простотой и является устойчивым и чувствительным показателем биогенности почв. В настоящих экспериментах способы очистки, основанные на стимуляции природных микроорганизмов почвенного ценоза и интродукции нефтеокисляющего штамма D.
maris АМ3, приводили к увеличению активности дегидрогеназ в почве и грунте, особенно выраженному в первый месяц ремедиации, что связано с интенсивным развитием почвенных микроорганизмов, в том числе и УОМ, и высокой скоростью биодеградации нефтяных углеводородов в этот период (рис. 15).
3,5 мкл Н2/г почвы за сутки мкл Н2/г почвы за сутки 3 2, 2, 2 Э 1, чистая 1,5 почва 1, 0,5 0, 0 14 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 сутки сутки А Б чистая почва;
самоочищение: стимуляция;
аугментация Рис. 15. Динамика активности дегидрогеназ в процессе биоремедиации чернозёма южного со свежим нефтяным загрязнением (А) в эксперименте Э1.4.;
(Б): 1 – стимуляция, 2 – аугментация чернозёма южного со свежим нефтяным загрязнением в эксперименте Э1.1.;
3 – стимуляция, 4 – аугментация смешанного грунта с многолетним загрязнением нефтепродуктами в эксперименте Э2.
Дегидрогеназы катализируют реакции дегидрирования органических веществ и выполняют функцию промежуточных переносчиков водорода, таким образом, они принимают непосредственное участие в разложении углеводородов. Поэтому увеличение активности дегидрогеназ в загрязнённой углеводородами почве напрямую связано с биодеградацией углеводородов.
При этом интродукция штамма D. maris АМ3 в нефтезагрязнённый чернозём южный способствовала большему увеличению активности дегидрогеназ через 30 сут.
по сравнению со стимулирующими приёмами, через 90 сут. активность дегидрогеназ в этом варианте увеличилась ещё заметнее, в 4 раза превышая активность в почве при использовании стимуляции и в 2,6 раза в исходной чистой почве (рис. 15Б). В этом варианте очистки максимальные показатели дегидрогеназной активности почвы соответствовали минимальному остаточному содержанию нефтяных углеводородов (рис. 16А). При стимуляции аборигенных микроорганизмов в чернозёме южном, напротив, дегидрогеназная активность плавно снижалась вместе с убылью загрязнителя, что может быть связано с накоплением в почве продуктов деградации углеводородов, оказывающих ингибирующий эффект на дегидрогеназы.
Активность дегидрогеназ, мкл Н 2/г почвы за 2, R2 = 0, стимуляция сутки аугментация 1, R2 = 0, 0, 0 5 10 15 20 С нефтепродуктов, г/кг А Активность дегидрогеназ, мкл Н 2/г почвы за R2 = 0, 0, R2 = 0,9246 стимуляция 0, аугментация сутки 0, 0, 7 7,2 7,4 7,6 7,8 8 8, lg числа КОЕ/г почвы Б Рис. 16. Зависимость дегидрогеназной активности от концентрации нефтепродуктов в чернозёме южном в эксперименте Э1.1. (А);
от численности ОГМ в грунте с многолетним загрязнением нефтепродуктами (Б) В грунте с многолетним загрязнением как при интродукции штамма D. maris АМ3, так и при использовании стимулирующих приёмов наблюдалось одинаковое повышение дегидрогеназной активности, наиболее заметное – через сут.: примерно в 1,7 раза. Обнаружены положительные корреляции между активностью дегидрогеназ и численностью ОГМ (стимуляция и аугментация в смешанном грунте с многолетним загрязнением нефтепродуктами) (рис. 16Б) и УОМ (стимуляция в чернозёме южном с помощью внесения удобрения, рыхления и полива почвы), что свидетельствовало о вкладе почвенной микрофлоры в общий пул почвенных дегидрогеназ. При самоочищении почвы от нефтяного загрязнения повышения дегидрогеназной активности почвы не происходило, как и увеличения численности ОГМ и УОМ.
В ходе проведённых экспериментов было установлено, что при очистке почвы от нефтяных ингредиентов активность каталаз в почве увеличивалась, что связано, как мы полагаем, с активизацией аэробных процессов в ходе ремедиации. Данное предположение подтверждалось установленной обратной корреляционной зависимостью между активностью каталаз и остаточным содержанием нефтяных углеводородов в почве. Высокоактивный кислород, образующийся при участии каталаз, обеспечивает доступным кислородом микроорганизмы, участвующие в процессах разложения углеводородов.
В чернозёме южном при стимуляции естественной микрофлоры путём внесения удобрения, регулярного полива и рыхления почвы, активность каталаз в период 14- сут. значительно возрастала, превышая значения в почве при самоочищении примерно в 4 раза (рис. 17А).
12 мл 0,1 н KMnO4/ч мл 0,1 н KMnO4/ч 2, 1, 0, 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 14 30 сутки сутки А Б чистая почва;
самоочищение;
стимуляция;
аугментация Рис. 17. Динамика активности каталаз в процессе биоремедиации чернозёма южного со свежим нефтяным загрязнением в эксперименте Э1.4. (А) и смешанного грунта с многолетним загрязнением нефтепродуктами в эксперименте Э2. (Б) Повышенная активность каталаз в почве при использовании технологии стимуляции по сравнению с самоочищением может свидетельствовать о более интенсивной очистке почвы от нефтяных углеводородов и служить критерием, характеризующим процесс ремедиации.
Наблюдалась более выраженная активность каталаз в нефтезагрязнённом чернозёме южном с интродуцированным штаммом по сравнению со стимуляцией в конце очистки (эксперимент Э1.1.) и в грунте с многолетним загрязнением в период и 30 сут. (рис. 17Б), что может свидетельствовать о преимуществах использования штамма-интродуцента D. maris АМ3 для ремедиации нефтезагрязнённой почвы.
Показано увеличение липазной активности в почве со свежим нефтяным загрязнением и грунте с многолетним загрязнением с ходом ремедиации, максимальные значения активности липаз наблюдались на последних этапах очистки (рис. 18). Такой результат связан, по нашему мнению, с индукцией активности почвенных липаз продуктами распада нефтяных углеводородов, увеличением метаболической активности и биомассы микроорганизмов, утилизирующих липиды, и возможным накоплением в почве с ходом очистки липидоподобных веществ биологического и химического происхождения, являющихся субстратами для липаз.
Установлено, что технология стимуляции способствует большей активизации липаз по сравнению с самоочищением, а технология аугментации ещё большей активизации как в почве, так и в грунте.
0, 0, мл о,1 н КОН/г почвы мл 0,1 н КОН/г почвы 0,25 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 14 30 60 0 14 30 сутки сутки А Б 0, мл 0,1 н КОН/г почвы 0, 0, 0, 0 30 45 60 75 -0, сутки В чистая почва;
самоочищение;
стимуляция;
аугментация Рис. 18. Динамика активности липаз в процессе биоремедиации чернозёма южного со свежим нефтяным загрязнением в эксперименте Э1.4. (А), эксперименте Э1.1. (Б) и смешанного грунта с многолетним загрязнением нефтепродуктами в эксперименте Э2. (В) В чернозёме южном со свежим нефтяным загрязнением наибольших значений липазная активность достигала в образце с добавлением штамма D. maris АМ3 в течение всего периода наблюдений, в смешанном грунте с многолетним загрязнением нефтепродуктами – на определённых этапах очистки (45 и 75 сут.). При этом максимальному уровню очистки соответствовала максимальная интенсификация активности липаз в почве, что позволяет рассматривать данную ферментативную активность как перспективный показатель мониторинга процессов биоремедиации нефтезагрязнённой почвы.
Активность уреаз в чернозёме южном со свежим нефтяным загрязнением (эксперимент Э1.4.) возрастала через 30 и 60 сут. при стимуляции аборигенной микрофлоры путём внесения удобрения, регулярного полива и рыхления почвы в 1, и 4 раза по сравнению с исходной почвой, превышая показатели при самоочищении в 1,2 и 3 раза соответственно (рис. 19).
мг N-NH3/г почвы за час 0,14 0, мг, N-NH3/г почвы за час 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 0 14 30 60 0 14 30 сутки сутки А Б чистая почва;
самоочищение;
стимуляция;
аугментация Рис. 19. Динамика активности уреаз в процессе биоремедиации чернозёма южного со свежим нефтяным загрязнением в эксперименте Э1.4. (А) и Э1.1. (Б) Повышенный уровень активности уреаз при использовании технологии стимуляции может свидетельствовать о более высокой интенсивности гидролитических процессов в очищаемой почве и, следовательно, о биодеградационных процессах, что совпадало с повышенной степенью деструкции нефтяных углеводородов в этом варианте. В то же время, высокие уровни активности уреазы не всегда благоприятны, т.к. приводят к значительным потерям азота мочевины (Девятова, 2005), что отрицательно сказывается на азотном балансе почвы.
В чернозёме южном со штаммом-интродуцентом (эксперимент Э1.1.) активность уреаз была примерно в 1,4 раза выше в период 14-60 сут., чем при стимуляции естественной микрофлоры путём внесения удобрения со структуратором, регулярного полива и рыхления почвы.
В целом, в вариантах очистки с максимальной активностью дегидрогеназ, каталаз, липаз и уреаз в почве наблюдалось максимальное увеличение численности ОГМ и УОМ по сравнению с другими вариантами и максимальная степень деградации нефтяных углеводородов. При самоочищении почвы дегидрогеназная, каталазная, липазная и уреазная активности в ней не увеличивались. Таким образом, динамика исследованных показателей биологической активности нефтезагрязнённой почвы и грунта отражала характер процессов очистки, выявляла преимущества различных технологий ремедиации, что даёт возможность использовать эти показатели для мониторинга процессов очистки почв от углеводородных загрязнителей.
Оценка токсичности почвы после ремедиации. В ходе фитотестирования чернозёма южного (эксперимент Э1.1.) показано, что на основании всхожести семян и средней длины корня проростков редиса почва после ремедиации была нетоксичной, по результатам средней длины ростка редиса – слаботоксичной, по всем показателям проростков пшеницы фитотоксичность почвы оценивалась как средняя (табл. 4). В присутствии штамма-интродуцента средняя длина корня проростков редиса была на 26,6% выше, чем при стимуляции.
Таблица 4.
Фитотестирование почвы на проростках пшеницы и редиса Тестовое Варианты Длительность Показатель растение эксперимента эксперимента, Всхожесть Средняя длина корня Средняя длина ростка сут.
% от мм % от мм % от % контроля контроля контроля Эксперимент Э1.1.