CC BY
317
663.18.002.637.004.14
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ БИОДЕГРАДАЦИИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОЧВ
М.Д. НАЗАРЬКО, В.Г. ЩЕРБАКОВ, А.В. АЛЕКСАНДРОВА
Кубанский государственный технологический университет
Нефтяное производство весьма отрицательно влияет на экологическое состояние многих регионов нашей страны и его отрицательное влияние продолжает усиливаться, поскольку масштабы транспортирования, переработки и использования нефти в стране увеличиваются. Спрос на нефть и нефтепродукты ежегодно возрастает на 7-10%. К этому необходимо добавить еще и ежегодные потери нефтепродуктов; как известно, при транспортировке, переработке и использовании в мире теряется примерно до 50-55 млн т нефти и нефтепродуктов.
В числе причин таких потерь следует назвать разливы нефти из-за повреждения и аварий трубопроводов, поломки резервуаров, аварии при железнодорожных и морских перевозках. Разрыв одного трубопровода может оказаться причиной загрязнения нефтью площади до 1 га и более.
Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами приводит к нарушению естественных биоценозов, ухудшению агрофизических и агрохимических свойств почв, снижению урожайности сельскохозяйственных растений, ухудшению экологической обстановки в районах нефтедобычи [1]. Естественные процессы самоочищения и восстановления почв, загрязненных нефтью, протекают медленно, особенно при высоких дозах загрязнения. Известно, что в супесчаные и суглинистые почвы легкие фракции нефти и нефтепродуктов могут проникать на глубину 1,5-2 м, уничтожая все живое и подавляя биологическую активность почв.
Большинство применяемых в настоящее время в отечественной практике и за рубежом технологий физико-химической очистки почв от нефтяного загрязнения, как правило, многоэтапны, трудоемки и связаны с большими материальными затратами. При разработке экологически и экономически обоснованных способов борьбы с загрязнением почв нефтью и нефтепродуктами наиболее перспективными представляются биотехнологические методы, основанные на способности отдельных видов микроорганизмов использовать углеводороды нефти в качестве единственного источника энергии [2, 3].
В связи со сложностью и неоднородностью почвенной системы и ее взаимосвязей с другими составными компонентами биосферы вопросы охраны почв от загрязнения должны решаться применительно к каждо-
му конкретному загрязняющему веществу на основе сведений о его химическом составе, путях поступления в почву, скорости разложения, состоянии и активности биоценоза, наличии адаптированных микроорганизмов и т. п. Установлено, что 1 га плодородной почвы в среднем содержит 20 т микроорганизмов, определенная часть которых пассивна, но под воздействием различных факторов может активизироваться и реализовывать свои деструктивные способности.
В биодеградации нефти и нефтепродуктов участвуют многие виды микроорганизмов, микроскопические грибы, бактерии; причем доля последних в сообществе микроорганизмов-деструкторов наиболее велика. В биоразложении нефти, нефтяных дистиллятных топлив и смазочных масел активное участие принимают представители родов Pseudomonas, Rhodococcus, Mycobacterium, Micrococcus, Bacillus, Arthrobacter [4, 5]. На этане, пропане, бутане и углеводородах, содержащих до 8 атомов углерода, способны расти относительно немного видов бактерий: флавобактерии, микобактерии, нокардии. К использованию биодеградации алканов с 10—18 атомами способны многие представители псевдомонад, микобактерий и грибов.
Сложный химический состав нефтей обусловливает различную степень их доступности воздействию микроорганизмов. Установлено, что алканы, нафтены и ароматические компоненты активно метаболизиру-ются микроорганизмами, причем более легкие фракции указанных соединений могут полностью расщепляться. Более тяжелые, более конденсированные циклические углеводороды достаточно устойчивы к бактериальному воздействию.
На процесс утилизации углеводородов микроорганизмами оказывает влияние целый ряд факторов - физических, химических и биологических [6]. От типа почвы, ее минерального и органического состава, влажности, содержания кислорода и температуры, процессов адсорбции, окисления, гидролиза, каталитического разложения, а также состава микробного комплекса будет зависеть скорость деградации углеводородов. Результатом этого процесса может быть либо полная минерализация, либо частичная деградация, либо накопление или полимеризация.
Соединения, которые подвергаются полной деградации, обычно проходят весь цикл биологического окисления и могут использоваться в качестве источника углерода и энергии микробиологическим сообществом. Трансформация соединений, деградирующих не
полностью, а частично, в той или иной степени, происходит обычно как результат кометаболизма, т. е. эти соединения, не являясь непосредственным источником питания, в процессе использования других, более доступных для микроорганизмов субстратов также подвергаются изменениям, но более медленно. К таким соединениям, довольно устойчивым к микробиологическим превращениям, относятся, например, некоторые ароматические углеводороды и синтетические полимеры.
Разнообразие родов и видов бактерий обусловливает разнообразие путей метаболизма утилизируемых веществ. Определение какого-либо соединения как не-разлагаемого подразумевает прежде всего недостаток информации о микроорганизмах, способных использовать это соединение.
Для повышения эффективности биодеградации целесообразно использовать смешанные культуры бактерий. Тем не менее один и тот же организм способен деградировать сразу несколько близкородственных соединений.
Таким образом, благодаря многообразию видов микроорганизмов в природных популяциях с различной степенью деструктивной активности многие за-грязнителиуспешно подвергаются ступенчатой биодеградации, что и является главным фактором, сдерживающим техногенные перегрузки биосферы. К сожалению, эти естественные механизмы самоочищения природной среды не беспредельны. Этим объясняется выделение сравнительно быстро развивающейся новой отрасли биотехнологии - экологической биотехнологии, одним из основных направлений которой является решение проблем охраны окружающей среды от загрязнения с помощью микроорганизмов, как природных, так и полученных методами генной инженерии.
Важным эволюционным механизмом появления в природной среде новых штаммов, которые способны взаимодействовать с новыми компонентами окружающей среды, поступающими в нее извне, могут служить перенос и обмен плазмидами - структурами, несущими гены биодеградации. Частота таких событий для природных сообществ неизвестна, однако в условиях лабораторных опытов они действительно происходят. В связи с этим важной задачей биотехнологии является конструирование штаммов микроорганизмов с высокой деструктивной активностью. Это, в свою очередь, обусловливает необходимость детального изучения поведения генноинженерных штаммов в окружающей среде и их влияния на качественный и количественный состав природных популяций микроорганизмов.
В начале 1990-х годов несколько английских фирм сообщили о желании использовать генноинженерные микроорганизмы в программах по биовосстановлению окружающей среды [7]. Генноинженерные микроорганизмы имеют ряд важных преимуществ. Они могут обладать несколькими различными видами фермента-
тивной активности, с помощью которых можно эффективно и быстро разрушать определенные химические вещества. Как правило, усилия исследователей направлены на создание микроорганизмов, способных разрушать токсические или трудноразлагаемые природными бактериями химические соединения.
Имеются данные, что при загрязнении экосистемы нефтью или нефтепродуктами происходят характерные изменения в структуре микробных сообществ [8]. Обычно уменьшается разнообразие видов и увеличивается численность отдельных особей на единицу площади. Кроме того, однії виды, нормально населявшие данный биотоп, заменяются другими. Со временем в сообществе происходит сукцессия видов в направлении восстановления исходной структуры сообщества. Эта динамика может быть прослежена по изменениям индекса видового разнообразия, показателя богатства видов и другим показателям. Очень сильные изменения были отмечены в структуре сообществ, получивших повышенные дозы загрязнений. Характеристики сообщества восстанавливались спустя 24 мес после попадания загрязнений в экосистему.
Разработка программ биовосстановления загрязненных почв должна включать полную характеристику как почвы, так и загрязняющего вещества, изучение изменений в структуре почвенных микробных сообществ, а также характера и интенсивности процесса биоразложения нефти с учетом конкретных почвенно-экологических факторов.
Основными методами экологической биотехнологии являются биовосстановление, биопереработка и биодеградация. Идея использовать различные виды бактерий, грибов и других микроорганизмов для разложения загрязняющих веществ и промышленных отходов далеко не нова. Разработаны следующие методы: биодеградация in situ, процессинг в жидкой и твердой фазах.
В первом случае микроорганизмы вносятся непосредственно в загрязненную почву и воду, в двух других загрязненная почва или жидкий осадок подвергаются обработке в биореакторах. Биовосстановление предлагает решить проблему загрязнения почвы и грунтовых вод путем превращения токсичных соединений в безопасные в ходе ферментативных реакций, протекающих в клетках микроорганизмов, при этом структура почвы полностью сохраняется. Основа метода биовосстановления - ускорение природных процессов микробной деградации. Ускорение роста и активизация метаболизма клеток могут быть достигнуты при создании оптимальных физико-химических условий. Кроме того, микроорганизмы-деструкторы должны присутствовать в почве в повышенных количествах. Результативность определяется активностью ферментов, продуцируемых микроорганизмами.
Биоконверсию отходов можно вести двумя путями: разлагать до неорганического вещества и воды (минерализация) или превращать токсичное соединение в менее токсичное (детоксикация). Использование методов генной инженерии позволило создать штаммы более эффективные, с более высокой деструктивной активностью, чем природные.
Биоочистка дает возможность детоксикации или деградации загрязнителей до безвредных побочных продуктов. Методы биоочистки распадаются на три направления: очистка сточных вод фильтрацией через почву, биореакторы и обработка in situ. Очистка фильтрацией через почву обычно является наименее дорогостоящим методом биологической обработки, не требует адекватных количеств земли, которая может быть предназначена под обработку на несколько месяцев и более. Биореакторы могут быть более быстрым и эффективным средством обезвреживания опасных отходов. Они делают возможными эффективное перемешивание, аэрацию и рост бактерий при повышенном контроле за временем отстоя, добавлением питательных веществ, температурой, pH и концентрацией. Альтернативной является биоочистка in situ, которая устраняет проблемы, связанные со сбором и транспортировкой опасных отходов для обработки. Биоочистку можно комбинировать с физическими методами, такими как экстракция паром или адсорбция на угле для удаления летучих соединений, или с химическими методами для удаления токсичных компонентов или металлов.
Таким образом, как показано в настоящем обзоре, главная роль в превращении углеводородов нефти и нефтепродуктов в почве принадлежит микроорганизмам: чем больше их численность и разнообразие, тем значительнее их вклад в поддержание динамического равновесия в биосфере.
Биотехнологические методы при решении проблем экологии и охраны окружающей среды используются в настоящее время в существенно меньших масштабах, чем они того заслуживают. Применяя эти методы, необходимо исходить из природных микробных штам-
мов, которые затем в той или иной степени могут быть модифицированы методами генной инженерии. Биологическое разложение загрязняющих веществ следует сочетать с другими физическими и химическими методами обработки. Только комплексный подход будет способствовать разработке эффективных, экономически и технически приемлемых мероприятий по охране окружающей среды от загрязнения нефтью и нефтепродуктами.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Департамента образования а науки Администрации Краснодарского края, проект № 03-04-96761,
ЛИТЕРАТУРА
1. Гилязов М.Ю. Изменение некоторых агрохимических свойств выщелоченного чернозема при загрязнении его нефтью / Агрохимия. - 1980. -№ 12. - С. 72-75.
2. Борзенков И.А., Миле хина Е.И., Поспелов М.Е. Использование биопрепарата «Деворойл» для очистки почвы, водной поверхности и твердого осадка сточных вод / Материалы 1-го Меж-дунар. конгресса: «Биотехнология - состояние и перспективы развитая». - М., 2002. - С. 474-475.
3. Гарейшина А.Ч., Ахметшина С.М., Гараев И.Х. Комплексная технология ликвидации нефтяных загрязнений с дальнейшей рекультивацией почвы // Нефтяное хоз-во. - 1998. - № 2. - С. 69-70.
4. Милехина Е.И., Борзенков И.А. Эколого-физиологиче-ские особенности аэробных эубактерий из нефтяных месторождений Татарстана//Микробиология. - 1998.-67. -№ 2. - С. 208-214.
5. Суровцева Э.Г., Ивойлов B.C., Беляев С.С. Разрушение ароматической фракции нефти ассоциацией грамположитель-ных и грамотрицательных микроорганизмов // Микробиология. -1997. -66. -№ 1.-С. 78-83.
6. Терещенко Н.И., Лушников С.В. Способ стимулирования активности углеводородокисляющих микроорганизмов в почве, загрязненной нефтью и нефтепродуктами // Материалы 1-го Между-нар. конгр. «Биотехнология - состояние и перспективы развития». -М., 2002. - С. 476.
7. Few firms plan use of genetically engineered microbes // Chem. and Eng. News. - 1991. - 69. - № 34. - P. 44.
8. Use of multivariate techniques to defect changes in community structure associated with oil pollution in the field / E.S. Gulfillan, D.S. Page, S. Pratt a.o. // Genet. Eng. and Biotechnol. Monit. - 1990. -№ 28. -P. 537-538.
Кафедра биохимии и технической микробиологии
Поступила 27.01.04 г.
663.2.002.3.002.612
ВЛИЯНИЕ ИНСЕКТИЦИДОВ НА КА ЧЕСТВО ВИНОГРАДНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КРАСНЫХ ВИН
Т.Н. ВОРОБЬЕВА, Т.И. ГУГУЧКИНА, Н.Т. СИЮХОВА,
Е.В. ШИЛИКОВА
Северо-Кавказский зональный научно-исследовательский
институт садоводства и виноградарства
Майкопский государственный технологический университет
Проблема загрязнения сельскохозяйственных культур токсичными веществами различной природы происхождения, в том числе пестицидами, в настоя-
щее время является одной из актуальных. Среди сельхозкультур, наиболее обрабатываемых химическими средствами защиты от вредителей и болезней, особо выделяется виноградная лоза. Вследствие многократных защитных обработок в каждом вегетационном периоде виноградники уже давно принято считать своего рода аккумуляторами экологически опасных химикатов [1].
