Влияние цианобактерий на процесс очистки нефтезагрязненных стоков

УДК 579.26:579.222

Проведен гидрохимический и микробиологический анализ сточных вод с остаточной замазученностью. Выявлено, что аборигенная микрофлора принимает активное участие в биодеградации нефтяных углеводородов. Внесение цианобактериальных сообществ и высшей водной растительности активизирует процессы самоочищения сточных вод от нефтепродуктов. Для биоремедиации нефтезагрязненных участков возможно применение консорциумов аэробных гетеротрофных бактерий и цианобактерий вместо органических и неорганических удобрений.

Ключевые слова: аборигенная микрофлора, экобиотехнология, цианобактерии, нефтезагрязенные сточные воды.

Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов непригодной и опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения.

Основным источником загрязнения и засорения водоемов являются недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов; отходы производства при разработке рудных ископаемых; воды шахт, рудников; сбросы водного и железнодорожного транспорта; стоки сельскохозяйственной промышленности и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, проявляющимся в изменении физических свойств воды (появление неприятных запахов, привкусов и т.д.); в изменении химического состава воды (появление в ней вредных веществ), в наличии плавающих веществ на поверхности воды и откладывании их на дне водоемов [1].

Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются основными загрязнителями внутренних водоемов, рек, морей и мирового океана. Попадая в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции и т.д. При этом изменяются запах, вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшается количество кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека [2].

После попадания нефти в водную экосистему ее состав подвергается постоянным изменениям под действием физико-химических и биологических факторов: растворения, испарения, адсорбции, фотоокисления, биодеградации и других. В водной среде нефть находится в различных миграционных формах: поверхностных пленках (сликах); эмульсиях (типа «нефть в воде» и «вода в нефти»); нефтяных агрегатах и комочках; в растворенной форме; сорбированной взвесями и донными осадками; аккумулированной водными организмами. Количественное соотношение этих форм нахождения нефти в воде определяется множеством факторов и зависит как от состава и свойств самой нефти, так и условий ее поступления в водоем и его гидрологических особенностей [3].

Гидробиоценоз представляет собой систему, противостоящую загрязнению водоемов, систему биологического самоочищения, направление и мощность работы которой в значительной мере определяют качество воды [4]. Скорость и направление данного процесса зависят от взаимодействия гидрохимических, химических, биохимических, физических, физико-химических и биологических факторов, обуславливающих разрушение и трансформацию веществ органического и минерального происхождения по трофическим цепям гидробионтов.

Общепризнано, что ведущая роль в процессах самоочищения принадлежит микроорганизмам [5, 6]. В то же время рассматривать эти процессы как чисто бактериальные не правомочно, т.к. известно [7], что процесс естественного биологического самоочищения водоема имеет две фазы: фазу абсорбции (поглощения) загрязняющих веществ биологическими агентами (организмами, нуждающи мися в органическом питании бактериями, грибами, миксотрофами) и минерализации (разрушения) загрязняющих компонентов в процессе метаболизма тех же биологических агентов за счет окислительных процессов. Таким образом, в процессе самоочищения природных водоемов принимают участие как бактерии, дрожжи и микромицеты, так и микроводоросли, простейшие, ракообразные, высшие водные растения.

Микробиальные процессы самоочищения обычно ассоциируют в основном с гетеротрофными аэробными бактериями, но роль бактерий в процессах деградации загрязнений далеко не ограничивается лишь этой группой организмов. Представители практически всех основных групп бактерий участвуют в процессах, важных для деструкции органического вещества и самоочищения водоемов [8].

Как правило, большинство органических ксенобиотиков в водных экосистемах способно деградировать посредством кометаболизма автотрофных и гетеротрофных организмов [9]. При этом автотрофам принадлежит основная роль по снабжению экосистемы кислородом. В связи с этим существенную роль в деградации нефтяных углеводородов играют автотрофные организмы, а также водные растительно-микробные ассоциации.

Цианобактерии, являющиеся оксигенными фототрофами и первичными продуцентами водных экосистем, обладают удивительной способностью противостоять различного рода стрессовым условиям за счет своей способности вступать в прочные связи с разнообразной микрофлорой. Это позволяет цианобактериальным сообществам заселять экстремальные экологические ниши, где эукариоты не выдерживают сложившихся условий окружающей среды [10-12]. Существование ассоциаций нефтеокисляющих бактерий и цианобактерий в условиях нефтяного загрязнения не только возможно, но и необходимо. При изучении цианобактериальных матов загрязненных вод Персидского залива отмечено наличие в составе мата гетеротрофных бактерий, использующих нефть в качестве единственного источника углерода и энергии [13, 14].

Установлено, что микробные сообщества на основе цианобактерий могут активно вовлекаться в деградацию нефти и ее производных. Цианобактериальные сообщества, наблюдаемые вблизи нефтяных пятен Аравийского залива, а также в загрязненном районе Суэцкого канала, демонстрировали интенсивную деградацию нефтяных углеводородов.

Доминирующими родами цианобактерий являлись Phormidium, Oscillatoria, Synechococcus, Synechocystis, Pleurocapsa. При этом выявлено, что клетки цианобактерий могут аккумулировать углеводороды из среды, и впоследствии превращать их в соединения, более доступные для использования бактериями [15’17].

При исследовании роли цианобактериальных сообществ, выделенных из вод северного Каспия, эдификаторами которых являются Osc. Pseudo geminata и Osc. tambi, установлена способность активизации процессов биодеградации нефтяных углеводородов в солоноватоводных экосистемах на 81,2-86,7% [18].

Известно об участии штамма Leptolyngbya sp ISC 25, выделенного из почв, в деградации нафталина. Отмечено, что штамм способен активно расти и накапливать биомассу при концентрации нафталина в среде до 0,4%. Большие концентрации (0,6% и 1%) угнетают рост и развитие цианобактерий, что выражается в существенном снижении биомассы и концентрации хлорофилла а [19].

При исследовании микробных матов из экосистем дельты Эбро [20] с внесением двух видов сырой нефти (Касабланка с преобладанием алифатических фракций с низкой вязкостью и Майя с преобладанием ароматических фракций) выявлено, что в незагрязненных микрокосмах доминировали нитчатые (Microcoleus chthonoplastes, Phormidium и Oscillatoria) и одноклеточные цианобактерии (Synechoccocus, Synechocystis и Gloeocapsa). Среди нитчатых цианобактерий М. chthono plastes оказались наиболее устойчивыми при внесении нефти Касабланки.

Установлено, что значительный потенциал деградации нефтяных углеводородов наблюдается при метаболическом сотрудничестве фототрофных и гетеротрофных ассоциантов.

Цианобактериальные маты, собранные в нефтезагрязненных средах Индонезии [21], способствовали эффективной деградации сырой нефти, присутствующей в окружающей среде. Отмечено [22], что аэробные гетеротрофные бактерии, входящие в состав цианобактериальных матов, обнаруживаемых в нефтезагрязненных экосистемах Саудовской Аравии, представляют разнообразные сообщества, которые играют важную роль в цикле углерода. В последующем в экспериментальных условиях по совместному культивированию гетеротрофных бактерий Pseudomonas и цианобактерий Synechocystis PCC6803 [23] установлено восьмикратное увеличение биомассы цианобактерий при добавлении к культуральной среде гексадекана.

Консорциумы аэробных гетеротрофных бактерий и цианобактерий возможно применять для биоремедиации нефтезагрязненных участков вместо дорогостоящего применения органических и неорганических удобрений.

Таким образом, водные экосистемы обладают механизмом самоочищения от нефтяных углеводородов, в реализацию которого вовлечены все группы водных организмов (микроорганизмы, фитопланктон, высшие растения, беспозвоночные животные, рыбы и др.). При этом максимальной эффективностью в деградации ксенобиотиков обладает сообщество автотрофных и гетеротрофных организмов.

В ходе многолетних исследований техногенных объектов, подвергшихся нефтяному загрязнению, были получены культуры цианобактерий, обладающие устойчивостью к воздействию нефтяных углеводородов [24, 25].

При изучении роли выделенных цианобактериальных культур в активизации процессов очистки замазученных сточных вод проводили в модельном эксперименте, для чего стеклянные аквариумы (30 л) вносили по 10 л предварительно отфильтрованных через песчаный фильтр исследуемых сточных вод и цианобактериальные сообщества, иммобилизованных на поролоне: аборигенное сообщество сточных вод и коллекционное альгологически чистое сообщество. Контрольной являлась микроэкосистема с отфильтрованной через песчаный фильтр сточной водой.

Продолжительность эксперимента составила 35 суток, контрольные точки - 10-е, 20-е и 35-е сутки.

Для замазученных сточных вод, используемых в эксперименте, отмечены высокие показатели бихроматной (1440 мг О/дм 3 ) и перманганатной (276 мг О/дм 3 ) окисляемости; содержания растворенного органического вещества (852 мг/дм 3 ) и суммарных нефтяных углеводородов (82,9 мг/дм 3). Превышение предельно допустимой концентрации по суммарным нефтяным углеводородам составляет 276 ПДК, по бенз(а)пирену - 32 ПДК.

В ходе экспериментальных исследований отмечена убыль суммарных нефтяных углеводородов на всех этапах очистки и во всех вариантах модельных экосистем. В целом по окончании эксперимента убыль составила (%): в контроле - 92,7; при внесении аборигенного сообщества - 94,2; коллекционного сообщества - 95,7.

Установлено, что соотношение пирогенных полиаренов (пирен и банз(а)пирен) к полиаренам биогеохимического фона (фенантрен и хризен) [26] в воде микроэкосистем с внесением коллекционного ЦБС по окончании экспозиции составляет 0,46 и свидетельствует о способности коллекционного альгологически чистого сообщества максимально снижать антропогенное влияние ПАУ.

Сопоставление содержания «мягких» и «жестких» органических загрязнений по определению химического потребления кислорода перманганатным и бихроматным методами [27] показало, что по окончании эксперимента максимальное снижение данного соотношения (1:2,4) характерно для микроэкосистем с внесением коллекционного ЦБС при более интенсивном снижении бихроматной окисляемости (85%). Максимальное снижение содержания растворенного органического вещества (РОВ) отмечено также для микроэкосистемы с коллекционным сообществом - 74%, тогда как в присутствии аборигенного сообщества сточных вод - 66% и в воде контрольной микроэкосистемы - 57%.

Кроме этого, отмечено интенсивное обесцвечивание сточных вод при внесении цианобактериальных сообществ: аборигенных - на 86%, коллекционных - на 85%, тогда как в контроле - на 36%.

При изучении микробного состава воды по окончании эксперимента во всех микроэкосистемах установлено снижение численности органотрофов (протео-, целлюлозо’- и амилолитических), связанное, вероятно, с уменьшением содержания органического вещества: снижение ХПК на 24-85%, СНУ - 92,7-95,7% и РОВ – 74-57%. Для автохтонных микроорганизмов, имеющих большее сродство к субстрату сточных вод, по окончании эксперимента характерно увеличение их численности на два порядка в микроэкосистемах с внесением цианобактериальных сообществ.

Изучение деградационного потенциала цианобактериальных культур проводили в условиях полевого эксперимента.

Для этого в емкость, содержащую 50 л замазученных сточных вод, вносили 100 г живой биомассы цианобактерий, иммобилизованных на инертном носителе. Модельная микроэкосистема культивировалась в естественных условиях в течение 30 суток. В эксперименте контролировали: гидрохимические параметры (химическое потребление кислорода, содержание нефтяных углеводородов и растворного органического вещества), микробиологические параметры (численность сапротрофных, нефтеокисляющих, сульфатредуцирующих и автохтонных микроорганизмов), а также определяли токсичность сточных вод методом биотестирования по проращиванию семян редиса (Raphanus sativus L. var. sativus).

В ходе эксперимента была отмечена убыль суммарных нефтяных углеводородов на 55,7%, бихроматной окисляемости - на 90,7%, растворенного органического вещества - на 15%.

В ходе исследований отмечено, что присутствие цианнобактериального сообщества увеличивает количество автохтонных микроорганизмов в воде, что в свою очередь способствует разложению сложных углеводородов. Цианобактерии также способствуют преобладанию аэробных условий, о чем свидетельствует преобладание аэробных сапротрофов и нефтеокисляющих микроорганизмов.

Биотестирование сточной воды модельной экосистемы по окончании эксперимента не выявило токсического действия на семена редиса (Raphanus sativus L. var. sativus), что может свидетельствовать о существенном снижении токсичности стоков.

Таким образом, выявлено, что цианобактерии, выделенные из нефтезагрязненных мест обитания, активизируют процессы самоочищения сточных вод. Это создает предпосылки для разработки экологических биотехнологий с использованием этих штаммов.

Литература:
1. Израэль, Ю. А. Берегите биосферу: учебное пособие / Ю. А. Израэль, Ф. Я. Ровинский. М.: Педагогика, 1987. 125 с.
2. Чернова, Н. М. Экология : учебник / Н.М. Чернова, А. М. Былова. М.: Дрофа. 2004. 412 с.
3. Немировская И.А. Нефтяные углеводороды в океане // Природа, №3, 2008. с.17-27.
4. Константинов А.С. Общая гидробиология / А. С. Константинов. М.: Высшая школа, 1986. 245 с.
5. Мессинцева М.А. Роль микроорганизмов в самоочищении водоемов. Тр. ВГБО, 1962, 12.с. 73-75.
6. Телитченко М.М. Самоочищение водоемов и вопросы водоснабжения. Гидробиол. журнал, 1966, 11, № 2. с. 37-40.
7. Жадин В.И. Жизнь пресных вод СССР т.4, ч.1 М.Л.: Изво АН СССР, 1956. 470 с.
8. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии М.: Наука, 2003. 348 с.
9. Atlas R.M. Microbial degradation of organ ic compounds within complex effluents //Environ. Hazard Asses. Effluents Proc. Pellston Environ. Workshop, Cody, Wyo., 2227 Aug., 1983. 1983. №5. p. 163-171.
10. Гусев М.В., Телитченко М.М., Федоров В.М. Принципы выделения, очистки и культивирования сине-зеленых водорослей // Биология сине-зеленых водорослей. М.: Из-во МГУ, 1964.с. 55-65.
11. Заварзин Г.А., Крылов И.Н. Цианобактериальные сообщества колодец в прошлое // Природа 1983, №3.с.59-68.
12. Ипатова В.И. Адаптация водных растений к стрессовым абиотическим факторам среды. М.: «Графиконпринт», 2005. 224 с.
13. 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.
14. AlHasan, R., Sorkhoh, N., Radwan S.S. Selfcleaning the Gulf // Nature, 1992. р.359:109.
15. Raeid M.M. Abed, Nimer M.D. Safi, Koster Y., Dirk de Beer, ElNahhal Y., Rullkotter Y., GarciaPichel F. Microbial diversity of a heavily polluted microbial mat and its community changes following degradation of petroleum com pounds // Appl. and Environ. Microbiol. 2002. vol.68, №4. p.1674-1683.
16. Cohen Y. Bioremediation of oil by marine microbial mats // Int. Microbiol. 2002. vol. 5. p. 189-193.
17. Radwan S.S., AlHasan R.H., Ali N., Salamah S., Khanafer M. Oilconsuming microbial consortia floating in the Arabian Gulf //International Biodeterioration & Biodegradation, Vol. 56, Iss. 1, 2005. р. 28-33.
18. Сопрунова О.Б. Особенности функционирования альгобактериальных сообществ техногенных экосистем: Дисс….д-ра биол. наук. М., 2005. 432 с.
19. Panah B.A., Najafi F., Soltani N., Nejad R.A. KH., Babaei S. Biodegradation ability and phisiologycal responses of cyanobacterium Leptolyngbya sp. ISC 25 under naphthalene treatment // Algologia. 2015. 25(2). p. 125-134.
20. Lliros M., Gaju N., Oteyza T.G., Grimalt J., Esteve I., MartinezAlonso M. Microcosm experiments of oil degradation by microbial mats.II. The changes in microbial species // Science of The Total Environment, vol. 393, №1, 2008. р.39-49.
21. Chaillan F., Gugger M., Saliot A., Coute A., Oudot J. Role of cyanobacteria in the biodegradation of crude oil by a tropical cyanobacterial mat// Chemosphere, Vol. 62, Iss. 10, 2006. р. 1574-1582.
22. Raeid M.M. Abed, Nimer M.D. Safi, Koster Y., Dirk de Beer, ElNahhal Y., Rullkotter Y., GarciaPichel F. Microbial diversity of a heavily polluted microbial mat and its community changes following degradation of petroleum compounds // Appl. and Environ. Microbiol. 2002. vol.68, №4. p.1674-1683.
23. Raeid M.M. Abed, B. Zein, A. Al Thukair, Dirk de Beer Phylogenetic diversity and activity of aerobic heterotrophic bacteria from a hypersaline oilpolluted microbial mat // Systematic and Applied Microbiology, Vol. 30, Iss.4, 15, 2007. р.319-330.
24. Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Некоторые аспекты получения чистых культур цианобактерий // Материалы международной конференции, посвященной 75-летию биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова «Грибы и водоросли в биоценозах», Москва, 2006. с. 131-132.
25. Сопрунова О.Б., Гальперина А.Р. Особенности аборигенной микрофлоры замазученных сточных вод // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 2008, №5. с.33-35.
26. Немировская, И.А. Углеводороды в океане: автореф. дисс…докт. биол. наук: Москва, 2000. 40 с.
27. Лурье Ю.Ю., Рыбникова А.Н. Химический анализ производственных сточных вод. Изд. 4е перераб. и доп. М.: «Химия»,1974. 336 с.

Cyanobacteria in treatment of oil&contaminated effluents

The hydrochemical and microbiological analysis of wastewater with residual oil content was carried out. It is revealed that the indigenous microflora is actively involved in the biodegradation of petroleum hydrocarbons. Introduction of cyanobacterial communities and higher aquatic vegetation activates the processes of self-purification of wastewater from petroleum products. Consortia of aerobic heterotrophic bacteria and cyanobacteria can be used for bioremediation of contaminated sites is a costly use of organic and inorganic fertilizers.

Keywords: indigenous microflora, ecobiotechnology, cyanobacteria, neftezagryaznennykh wastewater.

Galperina Alina Ravilevna, candidate of biological Sciences, associate Professor of applied biology and Microbiology Department,
Astrakhan state technical University. 414056, Astrakhan, Tatischev str., 16. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №3 (127), 2018 г.