CC BY
59Микробиологическая оценка вод Северного Каспия в условиях освоения месторождений углеводородного
сырья
Куликова И.Ю. fkulikovairina@bk.ru)
Астраханский государственный технический университет
Основными антропогенными процессами, ведущими к деградации биогеценозов и разрушению морских экосистем, являются химическое загрязнение различными углеводородами, химреагентами и другими токсикантами морских вод и донных осадков, изменение характера седиментации и литодинамических процессов на шельфе, загрязнение морских вод буровыми растворами, промысловыми стоками и различными видами промотходов.
Каспийское море является первым крупным водоемом в мире, который начал подвергаться масштабному нефтяному загрязнению [6, 19]. Анализ "динамики" экосистемы Каспия за прошедший двадцатый век, проведенный разными исследователями [6, 15, 19, 4], позволяет отнести нефтяное загрязнение к одному из основных факторов, определяющих экологическое состояние моря. Общее количество содержащихся в Каспийском море нефтяных углеводородов оценивается величиной 10 млн тонн [1], и они выступают не только в качестве автономных токсинов, но и как вещества, усугубляющие негативное действие других поллютантов. Проблема нефтяного загрязнения Каспийского моря приобрела особую остроту и злободневность в связи с предстоящим крупномасштабным освоением углеводородных запасов его шельфа всеми Прикаспийскими государствами одновременно - к 2010 году ожидается прирост добычи каспийской нефти на 350-400 млн тонн [1].
Потенциал самоочищения как показатель способности воды к нейтрализации, разложению и утилизации загрязняющих веществ, ведущих к восстановлению естественных характеристик, является наиболее универсальным критерием оценки состояния экосистемы.
Самоочищение моря от нефтяного загрязнения - сложный, многофакторный процесс, состоящий из одновременно протекающих физических, химических и биологических процессов: испарение, рассеяние, растворение, эмульгирование, агрегирование, сорбирование на взвесях, химическое и фотохимическое окисление, физическая и биологическая седиментация. Основой процессов трансформации загрязняющих веществ и самоочищения различных экосистем являются микроорганизмы,
обладающие высокими адаптационными способностями и пластичностью обменных процессов.
В связи с этим особую значимость представляет изучение микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения от нефтяных углеводородов в районах разведки, бурения и эксплуатации нефтяных скважин в шельфовой зоне морских вод, так как для данных экосистем наиболее остро стоит проблема сохранения их целостности в условиях возрастающей антропогенной нагрузки.
Микробиологические и гидрохимические исследования морской воды проводились весной и осенью 2000-2003 г. г. в районе Северного Каспия на лицензионном участке ОАО «Лукойл».
Отбор проб на гидрохимические и микробиологические исследования и их анализ производился с поверхностного и придонного горизонтов в соответствии с ГОСТами и общепринятыми методиками [2, 3, 8, 10, 16, 17, 18].
Активность микробного населения морской воды по отношению к деструкции нефтепродуктов оценивали по содержанию растворенного кислорода в воде, а также по численности бактерий различных таксономических групп и величине потенциальной окислительной способности (ПОС), определяемой по методике Г. Л. Марголиной [10].
Глубины станций в районе исследований составляли от 3 до 40 м, в районе глубоководных станций располагалась самоподъемная плавучая буровая установка «Астра», используемая для проведения поисковых буровых работ.
Температура воды в весенний период (апрель-май) в исследуемом районе колебалась от 12 до 18°С в поверхностном и от 7 до 17°С в придонном горизонтах. Осенью (сентябрь-октябрь) температура воды в поверхностном слое составляла 19-23°С, в придонном - 12-22°С.
Соленость воды в весенний период была в интервале от 1,6 до 12,9 промилле, осенью составляла 4,2 - 12,6 промилле.
Содержание кислорода весной в поверхностном горизонте вод изменялась от 9,6 до 15,0 мг/л, в придонном - от 8,6 до 14,0 мг/л. Осенью концентрация растворенного кислорода в поверхностных водах составляла 4,31 - 6,92 мг/л, в придонных - 3,07 - 6,54 мг/л.
В исследуемом районе обнаружена потенциальная способность естественного процесса самоочищения от углеводородов, что подтверждается исследованием биохимической активности морских нефтеокисляющих ассоциаций.
Следует отметить, что интенсивность микробиологических процессов в отношении органических соединений, нефтяных углеводородов отличается неоднородностью.
Показатели ПОС поверхностном горизонте были выше, чем в придонном , что связано с уменьшением содержания кислорода с глубиной.
Потенциально-окислительная способность микрофлоры воды по отношению к нефти в исследуемой акватории Северного Каспия была достаточно высокой и в среднем составляла 0,83 мг О2/л в поверхностном и 0,6 мг О2/л в придонном горизонтах.
Результаты микробиологического анализа проб морской воды показали неоднородное распределение гетеротрофных сапрофитных, углеводородокисляющих, олиготрофных и фенолокисляющих бактерий (рис. 1).
г
16000
14000
12000
10000
5 8000 о
<и
§ 6000
4000
2000
весна I осень
поверхность
весна I осень
дно
0
I I сапрофитные Ц углеводородокисляющиеЦ олиготрофные Ц фенолокисляющие
Рисунок 1. Средняя численность микроорганизмов различных физиологических групп в водах Северного Каспия
В весенний период уровень развития микроорганизмов был выше, чем осенью, что связано с увеличением стока паводковых речных вод, в результате которого повышается концентрация органических веществ и биогенных элементов, а также увеличивается биомасса фитопланктона.
Данные по вертикальному распределению численности микробных популяций показали, что сохраняются закономерности, обусловленные наличием температурной стратификации. Выявлено преобладание всех групп бактерий в поверхностном горизонте вод в сравнении с придонным.
Микробиологический анализ показал, что на всех горизонтах численность всех исследованных групп микроорганизмов, исключая фенолокисляющих, на мелководных станциях выше, чем на глубоководных.
Это объясняется тем, что в мелководных районах стратификация часто нарушается сильными ветрами, характерными для исследуемого района Каспия, а возникающие турбулентные потоки способствует равномерному вертикальному распределению бактерий. Когда ветер стихает, первоначальная стратификация может полностью или частично восстанавливаться. В результате сильного волнения взмучивается поверхностный слой донных отложений, в котором численность бактерий всегда выше, чем в водной толще. Как следствие, в воде может также значительно увеличиться, хотя и временно, численность бактерий.
Сапрофитные микроорганизмы являлись доминирующей группой. Кроме того, численность сапрофитных всегда превышала таковую олиготрофных бактерий. Это может свидетельствовать о преобладании в исследованной нами акватории легкодоступного органического вещества над устойчивым к микробной деградации. Наиболее вероятным источником его поступления в акваторию являются хозяйственно-бытовые стоки.
Максимальная численность сапрофитов зарегистрирована на участках станций, примыкающих к взморью рек Волга и Терек, где сказывается влияние выносных течений, а также на глубоководных станциях, расположенных в юго-восточной части Северного Каспия, где возрастает степень обмена с водами Среднего Каспия.
О том, что имеют место взаимосвязанные изменения численности каждой из групп бактерий, свидетельствуют весьма тесные корреляционные связи, обнаруженные нами (табл. 1).
Таблица 1. Коэффициенты корреляции численности бактерий различных физиологических групп
Пары микробиологических параметров поверхностный горизонт придонный горизонт
Углеводородокисляющие-Сапрофитные 0,81 0,73
Углеводородокисляющие-Олиготрофные 0,81 0,82
Углеводородокисляющие-Фенолокисляющие 0,86 0,81
Сапрофитные-Олиготрофные 0,72 0,66
Сапрофитные-Фенолокисляющие 0,61 0,49
Олиготрофные-Фенолокисляющие 0,62 0,63
Эти связи могут быть обусловлены сравнительно стабильными и благоприятными условиями для развития микрофлоры, что связано с притоком лабильного органического вещества и биогенных элементов с речными водами. Безусловно, сказалось и почти полное отсутствие стратификации вод в значительной части исследуемой акватории, обусловленное малыми глубинами и достаточно интенсивными процессами перемешивания вод. Обнаружение этих связей может свидетельствовать как об эвригетеротрофности бактериопланктона (т.е. о его способности к росту, как на бедных, так и на богатых органических средах), так и о том, что способность к росту на питательных средах, независимо от их состава, определяется состоянием микробного сообщества в конкретной акватории [5]. Отсюда следует, что с ростом численности жизнеспособных бактерий в любой акватории возрастает и величина той части их популяции, которая способна к окислению углеводородов.
Связи между численностью исследованных групп бактерий и гидролого-гидрохимическими параметрами оказались неоднозначными и зависели от того, анализируются ли данные по всем экспедициям вместе или для каждой в отдельности. Очевидно, чтобы выделить какой-либо общий для всех групп бактерий важнейший абиотический фактор, связанный с их количественными изменениями, при анализе не представляется возможным, так как в основном значимые связи отсутствовали. Обилие микрофлоры определяется гидролого-гидрохимической ситуацией, сложившейся в конкретном районе и потому, при анализе связей численности бактерий с абиотическими параметрами, не всегда возможно выявление общих закономерностей.
Изучение углеводородокисляющих микроорганизмов в морских водах обычно связывают с загрязнением их нефтью и нефтепродуктами. Некоторыми отечественными исследователями было предложено использовать их численность для того, чтобы картировать загрязненность морских вод нефтью [11, 12, 20], а саму группу микроорганизмов, способных к росту на нефти и нефтепродуктах считать «индикаторной». Однако известно, что углеводородокисляющие бактерии широко распространены в природе, их пищевые потребности разнообразны и среди них нет узкоспециализированных форм [21]. В связи с этим, важное значение приобретает изучение распространения и численности этой группы микроорганизмов (в комплексе с
другими группами) в водных экосистемах. При этом необходимо учитывать содержание углеводородов в воде. Сравнение полученной информации позволит сделать вывод о влиянии нефтяного загрязнения на микробные ценозы. Только при наличии такой информации можно реально оценить «индикаторную» роль углеводородокисляющих бактерий в природных водах.
Присутствие в большинстве водных экосистем углеводородов на фоновом уровне наряду со способностью углеводородокисляющих бактерий использовать кроме углеводородов широкий спектр лабильных органических субстратов, обуславливает практически повсеместное распространение бактерий этой группы в большинстве местообитаний, как загрязненных нефтью, так и свободных от нее [7, 19, 5, 9]. Кроме углеводородокисляющих способностью к деструкции углеводородов обладают также сапрофитные, олиготрофные и фенолокисляющие бактерии, относящиеся к гетеротрофам.
ПДК нефти в морской воде, принятая в России, составляет 50 мкг/л [15]. Полученные нами данные по содержанию нефтяных углеводородов в воде свидетельствуют о существенном загрязнении исследованной акватории (от 2 до 347 мкг/л), причем отмечены области с повышенным содержанием нефтяных углеводородов -юго-западный участок в районе островов Тюлений и Чечень, а также в районе буровой.
Однако их концентрация не коррелировала с численностью углеводородокисляющих бактерий. Не удалось обнаружить значительного влияния углеводородов и на численность других групп микроорганизмов (табл. 2). Таким образом, результаты анализа показали, что численность микроорганизмов (и не только углеводородокисляющих) не может служить надежным индикатором нефтяного загрязнения морской среды.
Таблица 2. Коэффициенты корреляции между численностью бактерий и
Пары параметров поверхностный горизонт придонный горизонт
Углеводородокисляющие - нефтяные углеводороды -0,01 -0,08
Сапрофитные - нефтяные углеводороды 0,05 0,21
Олиготрофные - нефтяные углеводороды 0,03 0,15
Нефть присутствует в толще морской воды в самых разных формах [15]. Часть нефти находится в виде истинного раствора (Сраств), другая - в эмульгированном виде (Сэмул), третья - в сорбированном на органических и минеральных взвесях виде (Свзв), четвертая - в виде нефтяных агрегатов (Сагр). Эти формы различаются как по количественному содержанию нефти, так и по качественному составу нефтяных углеводородов, и они в разной степени доступны микроорганизмам. По мере усложнения молекулярной структуры углеводородов, скорость микробной деструкции снижается -относительно устойчивы к биоокислению изопарафины, циклопарафины и особенно тяжелые ароматические фракции [13].
Очевидно также, что как соотношение Сраств:Сэмул:Свзв:Сагр, так и абсолютные
значения каждого составляющего в заданной точке моря (в станции отбора проб) являются мобильными и изменяются в широких пределах в зависимости от факторов среды, наличия пленочной нефти и ее состава. Так, относительное увеличение Сраств за счет растворения полярных соединений, возникающих в результате окислительных превращений нефтяных фракций, или изменение степени диспергированности эмульгированной нефти в случае присутствия в воде поверхностно-активных веществ, не изменяя суммарное содержание нефтяных углеводородов, может привести к резкому увеличению контактной поверхности нефть-вода. Иными словами, само понятие "нефтяное загрязнение" является неопределенным. С другой стороны, количество бактериопланктона и его видовой состав зависят от температуры, содержания кислорода и степени эвтрофированности водных масс, а эти параметры прибрежных вод также изменяются в широких пределах.
Микробное разложение нефти в заданной точке моря протекает на фоне постоянного поступления новых порций различных "форм" нефти из соседних участков, биодеградации легко окисляемых органических веществ, поступающих с береговыми стоками, продуцирования автохтонной органики самим морем за счет фотосинтеза, извлечения эмульгированной нефти планктонными фильтраторами и ее биоседиментации и многих других процессов.
Измерение суммарного содержания нефтяных углеводородов проводилось методом бездисперсионной ИК-спектрофотометрии, позволяющим контролировать общее содержание группы соединений, составляющих основную часть нефти и продуктов ее
переработки. В эту группу входят все алканы нормального и разветвленного строения, нафтеновые и неполярные ароматические углеводороды. Именно эти виды углеводородов являются неотъемлемой частью естественного геохимического фона. Их присутствие в поверхностных водах может быть обусловлено как поступлением нефти и продуктов ее переработки, так и наличием углеводородов, синтезируемых морскими организмами.
Согласно современным данным, синтез углеводородов морскими организмами превышает суммарный объем их годового поступления в Мировой океан, хотя это цифры одного порядка [14]. Поэтому многие углеводороды являются нормальными компонентами органического вещества незагрязненных водных экосистем, а природные микробные ценозы генетически адаптированы к их разрушению.
Таким образом, данные экспедиционных исследований позволили выявить участки акватории с повышенным уровнем нефтяного загрязнения, изучить распределение и численность физиологических групп микроорганизмов, способных к окислению нефти. Обилие в морской воде активной микрофлоры разных физиологических групп свидетельствует об участии в процессах разрушения нефтепродуктов микробных ассоциаций, состоящих из постоянно сменяющихся видов бактерий, ассимилирующих промежуточные продукты превращения углеводородов. Стабильная окислительная способность микробиоценозов морских вод указывает на интенсивно идущие процессы бактериального самоочищения водоема.
Литература
1. Бутаев А.М. Каспий: статус, нефть, уровень. Махачкала, 1999. - 221 с.
2. ГОСТ 17. 1. 3. 07 - 82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков. - М., 1982. - 12 с.
3. ГОСТ 17. 1. 5. 05 - 85. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков. - М., 1985. - 13 с.
4. Иванов В.П., Сокольский А.Ф. Научные основы стратегии защиты биологических ресурсов Каспийского моря от нефтяного загрязнения. Астрахань: Изд-во КаспНИРХа, 2000. - 181 с.
5. Ильинский В.В. Гетеротрофный бактериопланктон: экология и роль в процессах естественного очищения среды от нефтяных загрязнений: Автореф. дис. докт. биол. наук: МГУ. - М., 2000. - 53 с.
6. Касымов А.Г. Экология Каспийского озера. Баку, 1994. - 237 с.
7. Коронелли Т.В., Дермичева С.Г., Ильинский В.В., Комарова Т.И., Поршнева О.В. Видовая структура углеводородокисляющих бактериоценозов водных экосистем разных климатических зон // Микробиология. - 1994б. - Т. 63. -Вып. 5. - С. 917 - 923.
8. Кузнецов С.И., Дубинина Г. А. Методы изучения водных микроорганизмов. - М.: Наука, 1989. - 287 с.
9. Куликова И.Ю. Микроорганизмы в процессе самоочищения шельфовых вод
Северного Каспия от нефтяного загрязнения. - Автореф. дисс......к.б.н. - Москва, 2004. -
24 с.
10. Марголина Г.Л. Исследование процессов бактериального разрушения нефтяных остатков в водохранилищах. - В кн.: Флора, фауна и микроорганизмы Волги. М., 1974, с. 28-34.
11. Миронов О.Г. Биологические ресурсы моря и нефтяное загрязнение. М.: Пищепромиздат, 1972. 105 с.
12. Миронов О.Г. Нефтеокисляющие микроорганизмы в море. Киев. 1971.
13. Нельсон-Смитт А. Нефть и экология моря. М.: Прогресс, 1977. - 290 с.
14. Немировская И. А. Углеводороды в океане (снег - лед - вода - взвесь - донные осадки): Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - М., 2000. - 40 с.
15. Патин С.А. Экологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов морского шельфа. М.: Изд-во ВНИРО, 1997. - 350 с.
16. Родина А.Г. Методы водной микробиологии. - М.- Л., 1965. - 362 с.
17. Руководство по методам биологического анализа морской воды. / Под ред. Цыбань А.В. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 192 с.
18. Руководство по химическому анализу морских вод. РД 52.10.243-92. - С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1993.- 263 с.
19. Салманов М.А. Экология и биологическая продуктивность Каспийского моря. Баку. 1999. - 400 с.
20. Цыбань А.В. Морской бактерионейстон: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. -М., 1976. - 52 с.
21. Шлегель Г. Общая микробиология. - М.: Мир, 1987. - 567 с.
