Новости

На правах, рукописи

СОПРУНОВА
Ольга Борисовна

ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АЛЬГО-БАКТЕРИАЛЬНЫХ
СООБЩЕСТВ ТЕХНОГЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ

03.00.16-Экология

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук

Москва, 2005

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете и Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова

Научный консультант:
     доктор биологических наук, профессор О.Ф. Филенко

Официальные оппоненты:
     Доктор биологических наук, профессор Ю.Г. Симаков
     Доктор биологических наук Л.М. Герасименко
     Доктор биологических наук, профессор Н.Б. Градова

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского»

Защита диссертации состоится «15» декабря 2005 г. в 15 час. 30 мин. на заседании Диссертационного Совета Д.501.001.55 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899 Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет, 389 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке биологического факультета МГУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Производственная деятельность человека, усиление эксплуатации природных ресурсов и в связи с этим увеличение количества отходов, появление новых технологических производств (в том числе и токсичных веществ) нарушает экологическое равновесие в природных экосистемах вследствие химического загрязнения воздуха, воды, почв, что приводит к перестройке всех компонентов биосферы и ее преобразованию. Возникающие или значительно изменяющиеся под влиянием техногенных факторов экосистемы, называемые природно-техногенными комплексами (Моторина, 1985), техногенными ландшафтами (Капелькина, 1993) или техногенными экосистемами (Реймерс, 1990; Дзержинская и др., 1997, 2004), отличаются от природных более интенсивным метаболизмом на единицу площади, большими потребностями в поступлении веществ извне и огромным потоком различных многокомпонентных отходов (Одум, 1986). Изучение биоразнообразия и специфики взаимоотношений сообществ и окружающей геохимической среды в таких экосистемах является актуальной задачей современной экологии, т.к. позволяет не только оценить экологическое состояние и изучить процессы вовлечения загрязняющих веществ в круговороты биогенных элементов, но и выработать способы реабилитации нарушенных человеком экосистем.

Одним из «приоритетных» загрязнителей в настоящее время, наряду с ксенобиотиками, являются нефть и нефтепродукты. Ежегодно в мире в окружающую среду попадает около 50 млн. тонн нефти. Наиболее перспективными и эффективными методами очистки вод и почв от широкого круга загрязняющих веществ, в том числе и нефтяных углеводородов, являются приемы биоремедиации, основанные на использовании биохимического потенциала биологических объектов, прежде всего, микроорганизмов: моно-или поликультур бактерий, грибов и дрожжей (Бельков, 1995; Коронелли, 1996). Несмотря на колоссальную роль микроорганизмов в трансформации органических веществ, способы биоремедиации, базирующиеся на их использовании, не лишены недостатков, так как селектированные культуры гетеротрофных микроорганизмов, применяемые в экологической биотехнологии, обладают относительно узким спектром биогеохимических функций. Природные сообщества, включающие в себя представителей различных трофических уровней, в том числе фотосинтетиков: эукариотических водорослей, цианобактерий, высших растений, обладают более широким набором этих функций. Именно в природных системах, где отмечается превалирование автотрофных организмов, происходят процессы очистки воды и почвы, формируется климат, и создаются условия, необходимые для жизнеобеспечения человека (Одум, 1986), т.к. реализуется важнейшая закономерность функционирования биосферы - существенное превышение продукционных процессов над деструкционными (Шварц, 1976). Автотрофные организмы являются важным компонентом биоценозов и участвуют в различных биологических процессах, являясь начальным звеном многих микробиологических цепей, обеспечивают нормальное функционирование всей биоты в целом.

Использование потенциальных возможностей альго-бактериальных сообществ представлено в ряде работ, затрагивающих вопросы участия циано-бактериальных сообществ в активизации очистки водных сред (Дзержинская, 1993, Саинов, 2000; Янкевич, 2002, Райская, 2003; Al-Hasan et al., 1994; Cohen, 2002). Исследования, касающиеся роли цианобактерий в биодеградации нефти, рассматривали вопросы возможной адаптации цианобактерий к нефти и нефтепродуктам (Миронов, 1980; Гапочка, 1981), вероятности перехода к фотогетеротрофному образу жизни (Кабиров, 1982), способности увеличения количества углеводородокисляющих микроорганизмов в ассоциациях (Гусев и др., 1981, 1982а, 19826; Линькова, 1982). Однако не исследованы такие вопросы, как характер распределения микроорганизмов в альго-бактериальных сообществах техногенных экосистем; их структура; типы взаимодействия; особенности экологической ниши, которую занимают альго-бактериальные сообщества.

В связи с этим, изучение роли цианобактерий в микробных сообществах техногенных экосистем и выяснение их значения в процессах биодеградации загрязняющих веществ представляют значительный научный и практический интерес.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлось на основе изучения структуры, функций и микробного разнообразия альго-бактериальных сообществ техногенных и модельных экосистем определить их роль в процессах деградации загрязняющих веществ для разработки эффективных способов биоремедиации окружающей среды.

В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие основные задачи:

• выделение из техногенных экосистем циано-бактериальных сообществ;
• изучение характера распределения микроорганизмов в матрице цианобактерий;
• исследование взаимосвязи физико-химических факторов среды и состава сообществ в техногенных и модельных экосистемах (микрокосмах);
• получение циано-бактериальных сообществ, способных к жизнедеятельности в экосистемах с различной антропогенной нагрузкой;
• изучение роли циано-бактериальных сообществ в процессах биодеградации загрязняющих веществ;
• определение возможности использования циано-бактериальных сообществ для биоремедиации загрязненных нефтью и нефтепродуктами вод и почв.

Основные положения, выносимые на защиту:

• В техногенных экосистемах, характеризующихся измененными условиями геохимической среды, цианобактерии формируют альго-бактериальные сообщества, являющиеся началом биологического оздоровления загрязненных экосистем.
• Нитчатые и одноклеточные цианобактерии являются матрицей для развития сообществ, деградирующих загрязняющие вещества. В результате взаимодействия физико-химических условий среды с продуктами метаболизма населяющих его организмов цианобактерии способствуют формированию новых функциональных сообществ в зависимости от конкретного места обитания. При этом, селекция микроорганизмов-деструкторов в составе сообщества осуществляется по принципу наиболее полного использования пищевых и энергетических источников конкретных экосистем, что влияет на видовой состав и физиологические группы микроорганизмов-спутников цианобактерий. Это повышает экологические возможности цианобактерий и их партнеров, и делает сообщество устойчивым ко многим экстремальным условиям техногенных экосистем.
• Циано-бактериальные сообщества перспективны для разработки способов биоремедиации (биологического оздоровления) техногенных экосистем, т.к. интродукция циано-бактериальных сообществ в экосистемы, подверженные антропогенному воздействию, создает условия для развития кооперативных полифункциональных сообществ, способствуя активизации деструкционных процессов.

Научная новизна исследований. Впервые проведено изучение структуры, функций, микробного разнообразия сообществ на основе цианобактерий, выделенных из техногенных водных и почвенных экосистем аридной зоны, подверженных нефтяному загрязнению.

Впервые в ходе исследований из сточных вод с повышенным содержанием сероводорода и нефтяных углеводородов выделены циано-бактериальные сообщества в виде пленок, сохраняющие свою структуру в лабораторных условиях. Эдификаторами сообщества в техногенной экосистеме являются цианобактерии Phormidium angustissimum, в лабораторной культуре -Ph. tenuissimum, Synechocystis minuscula и Synechococcus elongatus. В составе минорных компонентов сообщества присутствуют физиологические группы микроорганизмов, активизирующие процессы очистки загрязняющих веществ (углеводородокисляющие, сульфатредуцируюшие и др.).

Впервые из вод Северного Каспия выделены циано-бактериальные сообщества в виде тяжей, эдификаторами которых являются нитчатые цианобактерии Phormidium gelatinosum Ph. tenue, Oscillatoria pseudogeminata, Osc.tambi, Osc. amphibia. Показано, что наиболее устойчивыми к присутствию в среде нефти и нефтепродуктов являются Osc. pseudogeminata, в гликокаликсе которых присутствуют бактериальные и грибные ассоцианты, обладающие способностью окислять нефтяные углеводороды.

Выявлены особенности формирования циано-бактериальных сообществ в виде тяжей в водных средах в присутствии нефти и нефтепродуктов

Впервые из почв газо-конденсатного и нефтяного месторождений выделены альго-бактериальные сообщества, эдификаторами которых являются цианобактерии: нитчатые Phormidium tenuissimiim и Ph. inundatum и одноклеточные Synechocystis sp..

Впервые циано-бактериальное сообщество использовано для активизации очистки нефтезагрязненных почв и нефтешламов в виде высушенной биомассы.

Показано, что интродукция циано-бактериальных сообществ в загрязненные экосистемы создает условия для развития полифункционального сообщества (цианобактерии, микроводоросли, бактерии, грибы), осуществляющего деградацию загрязняющих веществ, что повышает эффективность очистки и способствует биологическому оздоровлению загрязненных сред.

Практическая значимость работы. На основе выделенных из очистных сооружений, природных морских вод, нефтезагрязненных почв циано-бактериальных сообществ созданы биоценозы, адаптированные к широкому кругу загрязняющих веществ и апробированные в качестве агентов активизации деградации нефтяных углеводородов. Проведены лабораторные испытания по активизации биологической очистки реальных сточных вод АГХК, природных морских вод Северного Каспия, нефтезагрязненных почв Республики Калмыкия, нефтешламов АГХК, подтвержденные актами лабораторных испытаний. Методические приемы выделения резистентных циано-бактериальных сообществ и формирование на их основе биопрепаратов могут служить материалом для совершенствования биологической очистки природных и сточных вод и почв.

Результаты исследований являлись частью хоздоговорных работ «Разработка технологии утилизации отходов биопрепаратами на основе микробиологических штаммов» с ООО «Астраханьгазпром», «Разработка биологического способа защиты экосистемы Северного Каспия от разливов нефтяных углеводородов при их поиске, добыче и транспортировке компанией ОАО «ЛУКОЙЛ» и научно-исследовательской работы по гранту РФФИ 05-04--96507 «Перспективные биотехнологии очистки вод и почв от нефтяных углеводородов». Инновационный проект «Перспективные технологии очистки вод и почв от нефтепродуктов» удостоен золотой медали 4-го Московского Международного салона инноваций и инвестиций (Москва, 2004).

Материалы исследований используются в учебном процессе - для подготовки студентов, дипломников и аспирантов института биологии и природопользования и являются составной частью фундаментальной исследовательской темы «Исследование возможности восстановления техногенных экосистем для использования в народном хозяйстве» кафедры "Прикладная биология и микробиология" Астраханского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения и материалы диссертационной работы представлены и опубликованы в материалах: Международной конференции «Каспий - настоящее и будущее» (Астрахань, 1995); научно-практических конференций по региональной научно-технической программе «Проблемы экологической безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода» (Саратов, 1995; 1996; 1998; Астрахань, 1997); VII-гo (Казань, 1996) и VIII-го (Калининград, 2001) съездов Гидробиологического общества РАН; 11-го и III-го Международного конгресса "Вода: Экология и технология" (Москва, 1996, 1998); научно-практической конференции «Промышленная экология-97» (Санкт-Петербург, 1997); 1-го рабочего совещания микробиологов Поволжья «Фундаментальные аспекты микробиологии» (Саратов, 2000); Международной научной конференции «Автотрофные микроорганизмы: к 75-летию академика РАН Е.Н.Кондратьевой» (Москва, 2000); научной конференции «Водные экосистемы и организмы-3» (Москва, 2001); Международной конференций «Новые технологии в защите биоразнообразия в водных экосистемах» (Москва, 2002); рабочего совещания «Мониторинг и биологическая реабилитация загрязненных нефтью и нефтепродуктами территорий» (Астрахань, 2002);

Международной научно-практической конференции «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов» (Астрахань, 2002; 2003); 2-го Московского Международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2003); 4-го Московского Международного салона инноваций и инвестиций (Москва, 2004); XIV-го Международного конгресса «Новые высокие технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи» (Астрахань, 2004), Международной конференции «Проблемы и перспективы реабилитации техногенных экосистем» (Астрахань, 2004).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 51 работа, в т.ч. 2 патента, 2 работы приняты в печать.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, изложена на 414 страницах машинописного текста и включает 59 таблиц и 48 рисунков. Список литературы включает 538 источников, в том числе 175 работ на иностранных языках.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному консультанту доктору биологических наук, профессору О.Ф. Филенко за помощь в осмыслении результатов моей работы. Искренне признательна А.Г. Дмитриевой, сотрудникам кафедры гидробиологии за создание атмосферы творчества и доброжелательности. За помощь в обработке проб выражаю свою искреннюю благодарность сотрудникам, аспирантам, студентам кафедры «Прикладная биология и микробиология» АГТУ.

Выражаю свою особую благодарность своему учителю, заведующему кафедрой «Прикладная биология и микробиология» АГТУ, профессору И.С. Дзержинской за поддержку и ценные советы.

Список принятых сокращений

АГКМ - Астраханское газоконденсатное месторождение, АГХК -Астраханский газо-химический комплекс, ЦБС - циано-бактериальные сообщества, СНУ - суммарные нефтяные углеводороды, ПАУ - полиароматические углеводороды, АУВ - алифатические углеводороды, КССБ - конденсированная сульфатспиртовая барда, Т-80 - диметилдиоксан, КМЦ - карбоксиметилцеллюлоза, ГКЖ - метилсиликанат натрия, ЕСР - емкости сезонного регулирования, ЗПО -

земледельческие поля орошения, ГХ/МС - газовая хроматография масс-спектрометрия, ПОС - потенциальная окислительная способность, КОЕ -колониеобразующие единицы, НВЧ - наиболее вероятное число микроорганизмов.