CC BY
65
УДК 582.26
ИЗМЕНЕНИЕ ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНО-ВОДОРОСЛЕВЫХ ЦЕНОЗОВ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ ПРИ БИОРЕМЕДИАЦИИ
© И. Е. Дубовик1*, М. Ю. Шарипова1, Т. Р. Кабиров2
1 Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
2Башкирский государственный педагогический университет Россия, Республика Башкортостан, 450000 г. Уфа, ул. Октябрьской революции, 3а.
Тел.: +7 (347) 229 96 71.
Email: [email protected]
Приведены данные по влиянию нефти в различных концентрациях на развитие циа-нобактериально-водорослевых ценозов (ЦВЦ). Изучена таксономическая и экологическая структура ЦВЦ, выявлены виды, характеризующиеся наибольшей устойчивостью к нефтяному загрязнению: представитель отдела Chlorophyta — Chlorococcum infusionum и Cyanophyta-Nostoc linckia. Проведены тесты по наличию у микробных препаратов альготоксических свойств. Биопрепараты Азолен, Ленойл и Белвитамил не обладали собственными альготокси-ческими свойствами. При внесении биопрепаратов для ремедиации нефтезагрязненных почв токсическое действие нефти на почвенные водоросли и цианобактерии снижалось. Наиболее эффективным для восстановления цианобактериально-водорослевых ценозов оказался препарат Ленойл.
Ключевые слова: цианобактерии, водоросли, нефтяное загрязнение, микробные препа-
раты.
Введение
Добыча, переработка, транспорт нефти и нефтепродуктов зачастую сопровождаются загрязнением почвы и водоемов и наносят огромный вред окружающей среде. Цианобактерии и водоросли играют весьма важную роль в почвенных процессах. Биомасса их при «цветении» почвы увеличивается вплоть до 10.1 т/га [1]. Показано, что при этом их биомасса может составлять до 70—99% общей микробной массы, т.е. они играют доминирующую и ценообразующую роль при формировании микробного комплекса [2]. Цианобактерии и водоросли, являясь постоянным компонентом почвенной биоты и испытывая антропогенный пресс, реагируют на этот процесс изменением видовой структуры, спектра экобиоморф, активности видов, доминантного комплекса и т.д.
Материалы и методы
Исследования нефтезагрязненных и рекультивируемых почв проводились с 2002 по 2008 г. на базе агробиостанции БГПУ им. Акмуллы в лаборатории микробиологии кафедры биохимии и биотехнологии БашГУ и кафедре ботаники БашГУ.
В лабораторных и полевых условиях изучалось изменение ЦВЦ почвы (серая лесная), загрязненной нефтью, и почвы на разных стадиях рекультивации микробными препаратами. При биореме-диации были использованы: 1) биопрепарат нефте-деструктор «Ленойл», основанный на природном консорциуме микроорганизмов Bacillus brevis и Arthrobacter species; 2) биоудобрение комплексного действия «Азолен» на основе Azotobacter vinelandii ИБ 4; 3) биопрепарат Белвитамил, Пат. РФ № 2198748 — активный ил целлюлозо-бумажного производства, представляющий собой
готовую смесь промышленной ассоциации аэробно-анаэробных микроорганизмов, содержащий уг-леводородокисляющие микроорганизмы родов Arthrobacter, Bacillus, Candida, Desulfovibrio, Pseudomonas (всего 10 видов).
При выявлении видового состава цианобакте-рий и водорослей использовали чашечные культуры со стеклами обрастания [3]. Оценку обилия видов водорослей проводили по 15-тибалльной системе [4]. Количественный учет почвенных водорослей проводили методом культурального подсчета [5]. Биомассу водорослей вычисляли объемно-расчетным методом [3].
Статистическая обработка данных осуществлялась с применением пакетов прикладных программ Statistica 6.0 и Microsoft Excel 2007. При статистической обработке данных использовали t-тест, расчет доверительных интервалов средних арифметических значений и коэффициент корреляции.
Результаты и их обсуждение
Фоновая (ненарушенная) почва характеризовалась полночленностью цианобактериально-водорослевого ценоза с наличием всех таксономических групп: цианобактерии (Cyanophyta, Сyano-bacteria) и зеленые (Chlorophyta), желтозеленые (Xanthophyta), диатомовые (Bacillariophyta) водоросли. Был идентифицирован 31 вид и внутривидовой таксон цианобактерий и водорослей, относящийся к 6 классам (Chroococcophyceae, Hormogoni-ophyceae, Pennatophyceae, Xanthococcophyceae, Xan-thotrichophyceae, Chlorophyceae).
Наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению по данным, полученным многими исследователями [1, 6—9] являются цианобактерии и зеленые водоросли, представители Ch- и Р-форм. Велико
112
БИОЛОГИЯ
значение цианобактерий как азотфиксирующих организмов, которые играют важную роль в восстановлении азотного баланса нефтезагрязненных земель. Г. Г. Кузяхметов с соавт. [10] показал, что некоторые цианобактерии способны расти при концентрации нефти до 10% и выдерживают концентрации до 50% от веса почвы.
Наиболее чувствительными к загрязнению нефтью и нефтепродуктами оказались желто-зеленые водоросли, которые можно рассматривать как показатели чистоты и «здоровья» почвы. Диатомовые водоросли также очень чувствительны к этим загрязнениям. Поэтому восстановление видового разнообразия желто-зеленых и диатомовых водорослей может служить показателем детоксика-ции почвы после загрязнения нефтью.
В контроле доминантный комплекс характеризовался наличием представителей всех систематических групп: Leptolyngbya foveolarum, Gloeocapsa turgida(Cyanophyta), Chlorella vulgaris, Klebsormidi-um nitens, Ulothrix variabilis (Chlorophyta), Pleuro-chloris anomale, Botrydiopsis eriensis (Xanthopyta), Hantzschia amphioxys, Navicula pelliculosa, Nitzschia palea(Bacillariophyta). При загрязнении почвы нефтью в концентрациях 1 и 4% на 3-и сутки произошла унификация видового состава ЦВЦ. Так, в почвах с 1% нефти были выявлены виды цианобак-терий, относящиеся к роду Nostoc: Nostoc commune, Nostoc sp., N. linckia, N. punctiforme, а при 4%-ном загрязнении - N. linckia. Через 90 суток произошло восстановление видового разнообразия цианобак-терий и только виды Leptolyngbya foveolarum, Gloe-ocapsa turgida при 4%-ном загрязнении не обнаруживались. Это, вероятно, связано с тем, что циа-нобактерии способны усваивать углеводороды нефти и занимать открытые пространства с повышенным рН среды [8]. Кроме того, виды рода Nos-toc обладают высокой устойчивостью к поллютан-там, их уникальные экологические свойства обусловлены способностью становиться эдификатора-ми ЦВЦ [11]. Среди зеленых водорослей наиболее устойчивым был вид Chlorococcum infusionum. В вариантах с концентрацией нефти (8%) наблюдалась массовая гибель водорослей. Были обнаружены лишь представители вида Nostoc linckia.
Использование различных биопрепаратов для
рекультивации нефтезагрязненных почв оказывало неоднозначное влияние на видовое разнообразие ЦВЦ как в фоновой, так и в загрязненной почве. Находясь в поверхностных слоях почвы, цианобак-терии и водоросли быстро реагировали на внесение испытуемых веществ, показывая при этом неодинаковую реакцию различных групп на разные препараты.
Через 3 суток при внесении в фоновую почву биопрепарата Азолен наблюдалось снижение видового разнообразия зеленых и диатомовых водорослей и цианобактерий. Белвитамил, внесенный в фоновую почву, через 3-к суток оказался наиболее токсичным из всех биопрепаратов. Избирательный характер действия биопрепаратов проявился и в варианте с внесением Ленойла. В фоновой почве через 3 суток происходило незначительное обеднение видового состава ЦВЦ. Через 90 суток после начала эксперимента все чувствительные по отношению к препаратам виды водорослей и цианобак-терий адаптировались, и по численности и биомассе превосходили эти показатели в фоновой почве.
Наибольшее разнообразие видов цианобакте-рий и водорослей было отмечено в загрязненной почве, обработанной Ленойлом (табл. 1). Под его действием наблюдалось снижение токсичности внесенной нефти. Применение Ленойла способствовало восстановлению видового разнообразия водорослей и цианобактерий при 1%-ном загрязнении. При концентрации нефтепродуктов 4% виды Botrydiopsis eriensis и BumШeriopsis terricola, относящиеся к желтозеленым, выпали из нефтезагряз-ненного ЦВЦ, и не проявляли себя в течение оставшегося периода.
Рекультивация почвы, загрязненной нефтью в концентрации 8%, не привела к восстановлению видового разнообразия водорослей. В данных образцах почвы были обнаружены только представители цианобактерий, относящиеся к роду Nostoc. Очевидно, для восстановления видового состава водорослей необходима повторная обработка биопрепаратами или более длительное время для де-токсикации поллютанта.
Показатели развития цианобактериально-водорослевых ценозов включены в многоуровневую систему биотестирования нефтезагрязненных
Таблица 1
Изменение качественного состава (число видов) и количественных характеристик (баллы обилия) ЦВЦ в зависимости от
_сроков наблюдения и варианта эксперимента_
Сроки отбора проб, сут | К | К+Л | 1% | 1%+Л | 4% | 4%+Л
Число видов
30 13 9 8 7 0 0
90 15 15 10 15 0 0
180 19 19 16 19 3 9
Во все сроки наблюдения 26 24 22 23 3 9
Степень развития ЦВЦ (баллы)
30 69 58 13 24 0 0
90 88 87 35 66 0 0
180 97 77 56 62 3 16
Таблица 2
Значения БАП в различных вариантах экспериментов (90 сут)
Варианты эксперимента Тест-объекты БАП
Катала-за Гетеротрофные микроорганизмы УОМ Микроскопические грибы Почвенные цианобактерии водоросли Высшие растения Почвенные беспозвоночные
К 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
К+1% 0.76 1.03 1.25 1.08 0.83 1.05 0.95 0.99
К+4% 0.39 1.02 1.32 0.90 0.79 0.84 0.75 0.86
К+8% 0.22 0.92 1.32 0.95 п 0.33 0.03 0.54
1% + Л 1.13 1.07 1.28 1.36 1.19 1.31 1.00 1.19
4% + Л 0.63 1.10 1.35 1.11 1.03 0.9 0.85 1.00
8% + Л 0.33 0.96 1.38 1.00 п 0.23 0.2 0.59
1% + А 1.04 1.04 1.33 1.02 1.20 1.40 0.77 1.11
4% + А 0.57 1.04 1.35 1.05 1.04 0.85 0.57 0.92
8% + А 0.26 0.98 1.34 0.96 п 0.39 0.12 0.58
1% + Б 1.22 0.94 1.09 1.01 1.18 1.19 0.9 1.08
4% + Б 0.70 0.97 1.25 1.07 1.06 0.72 0.85 0.95
8% + Б 0.43 0.94 1.28 1.10 0.83 0.37 0.22 0.74
почв (табл. 2). Предложен коэффициент биологической активности почв (БАП), включающий в себя уровень активности ферментов, показатели численности гетеротрофных и углеводородокисляю-щих микроорганизмов (УОМ), микроскопических грибов, водорослей и цианобактерий, степень развития высших растений и педобионтов в исследуемой почве [12].
Разработанная многокомпонентная тест-система позволяет получить надежные результаты при оценке характера и степени нефтяного загрязнения почвы. Ее можно включить как составную часть в систему экологического мониторинга почв техногенно-нарушенных территорий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Штина Э. А., Голлербах М. М. Экология почвенных водорослей. М.: Наука, 1976. 144 с.
2. Дедыш С. Н., Зенова Г. М., Добровольская Т. Г., Грачева Т. А. Структура альгоценозов, формирующихся в периоды «цветения» почвы // Альгология. 1992. Т. 2. №4. С. 63-69.
3. Кузяхметов Г. Г., Дубовик И. Е. Методика изучения почвенных водорослей: Учебное пособие. Уфа, 2001. 56 с.
4. Кабиров Р. Р., Шилова И. И. Почвенные водоросли свалок и полигонов твердых бытовых и промышленных отходов в усло-
виях промышленного города. // Экология, 1993. №»5. С. 10-18.
5. Водоросли: Справочник / Под ред. Вассера С. П. Киев: Наукова думка, 1989. С. 608.
6. Дубовик И. Е. Влияние нефтепродуктов на почвенные водоросли // В сб.: Актуальные проблемы современной альгологии. Тезисы докладов. Черкассы, 1987. С. 163.
7. Дубовик И. Е. Водоросли эродированных почв и альгологическая оценка почвозащитных мероприятий // Уфа, изд-во Башк. ун-та, 1995. 156 с.
8. Зимонина Н. М. Почвенные водоросли нефтезагрязненных земель: (На примере Возейс. месторождения Усин. р-на Респ. Коми) / Киров ВГПУ, 1998- 171 с.
9. Кабиров Р. Р. Почвенные водоросли в системе экологического нормирования // В сб: Актуальные проблемы современной альгологии: Тезисы докл. Ш Междунар. конф. Харьков, 2005. С. 64-65.
10. Кузяхметов Г. Г., Попова Л. В., Исмагилова Л. Ш., Пальчико-ва О. И. Изучение действие тюменской товарной нефти на некоторые почвенные водоросли // Вклад ботаников Башкирии в осуществлении Продовольственной программы: Тез. докл научн. конф. Уфа: БФАН СССР, 1984. С. 79-81.
11. Домрачева Л. И., Кондакова Л. В. Биоремедиационные возможности почвенных цианобактерий // Биологический мониторинг природно-техногенных систем. Сыктывкар, 2011. С. 26-38.
12. Киреева Н. А., Водопьянов В. В., Рафикова Г. Ф., Кабиров Т. Р., Григориади А. С. Мониторинг токсичности нефтеза-грязненных почв по микробиологическим показателям // Вестник Оренбургского государственного университета. 2007. №75. С. 158-161.
Поступила в редакцию 05.12.2014 г.
114
БИОЛОГИЯ
CHANGES IN CYANOBACTERIAL-ALGAL CENOSES IN OIL-POLLUTED SOILS DURING BIOREMEDIATION
© I. E. Dubovik1*, M. Y. Sharipova1, T. R. Kabirov2
1 Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
2Bashkir State Pedagogical University 3a Oktyabrskoi revolutsii St.,450000 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
Phone: +7 (347) 229 96 71.
*Email: [email protected]
Production, processing and transportation of oil and oil products are often accompanied by pollution of soil and water resulting in great harm to the environment. Cyanobacteria and algae play a very important role in soil processes and the formation of microbial complex. On the one hand, changes in species structure and activity, spectrum of ecobiomorphs, dominant complex and other occur under the influence of petroleum hydrocarbons. On the other hand, the biological activity of contaminated soils determine the dynamics of petroleum hydrocarbons degradation. The aim of the study was to evaluate how cyanobacterial-algal cenoses morph in contaminated soils during bioremediation procedures. Study of oil-contaminated and remediated soils was conducted from 2002 to 2008 on the fields of M. Akmulla Bashkir State Pedagogical University agrobiostation and in the Microbiology Laboratory of the Department of Biochemistry and Biotechnology and the Department of Botany of Bashkir State University. Laboratory and field experiments aimed to study changes in cyanobacterial-algae cenoses of gray forest soils under oil pollution and during remediation with various microbial preparations containing different groups of microorganisms and auxiliary components at different stages. The data on the effect of different concentrations of oil on the development of cyanobacterial-algae cenoses was obtained. Taxonomic and ecological structure of cyanobacterial-algae cenoses was studied. Species with the highest resistance to oil pollution were identified: the representative of Chlorophyta - Chlorococcum infusionum and Cyanophyta - Nostoc linckia. Algotoxical properties of biomicrobial products were studied. Biomicrobial products Azolen, Lenoyl and Belvitamil showed no algotoxicity. Use of biomicrobial products for remediation of oil-contaminated soils resulted in decrease of toxic effects of oil on soil algae and cyanobacteria. Lenoyl apperaed to be the most effective product for remediation of cyanobacterial-algae cenoses.
Keywords: cyanobacteria, algae, oil pollution, microbial preparations.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Shtina E. A., Gollerbakh M. M. Ekologiya pochvennykh vodoroslei [Ecology of soil algae]. Moscow: Nauka, 1976.
2. Dedysh S. N., Zenova G M. Al'gologiya. 1992. Vol. 2. No. 4. Pp. 63-69.
3. Kuzyakhmetov G G., Dubovik I. E. Metodika izucheniya pochvennykh vodoroslei: Uchebnoe posobie [Method for studying soil algae: textbook]. Ufa, 2001.
4. Kabirov R. R., Shilova I. I. Ekologiya, 1993. No. 5. Pp. 10-18.
5. Vodorosli: Spravochnik [Algae: handbook]. Ed. Vassera S. P. Kiev: Naukova dumka, 1989. Pp. 608.
6. Dubovik I. E. V sb.: Aktual'nye problemy sovremennoi al'gologii. Tezisy dokladov. Cherkassy, 1987. Pp. 163.
7. Dubovik I. E. Ufa, izd-vo Bashk. un-ta, 1995.
8. Zimonina N. M. Pochvennye vodorosli neftezagryaznennykh zemel': (Na primere Vozeis. mestorozhdeniya Usin. r-na Resp. Komi) / Kirov VGPU, 19989. Kabirov R. R. V sb: Aktual'nye problemy sovremennoi al'gologii: Tezisy dokl. III Mezhdunar. konf. Khar'kov, 2005. Pp. 64-65.
10. Kuzyakhmetov G. G., Popova L. V, Ismagilova L. Sh., Pal'chikova O. I. Vklad botanikov Bashkirii v osushchestvlenii Prodovol'stven-noi programmy: Tez. dokl nauchn. konf. Ufa: BFAN SSSPp. 1984. Pp. 79-81.
11. Domracheva L. I., Kondakova L. V. Biologicheskii monitoring prirodno-tekhnogennykh sistem. Syktyvkar, 2011. Pp. 26-38.
12. Kireeva N. A., Vodop'yanov V. V., Rafikova G F., Kabirov T. R., Grigoriadi A. S. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universi-teta. 2007. No. 75. Pp. 158-161.
Received 05.12.2014.
