Введение к работе
По прогнозам ОПЭК, мировой спрос на нефть увеличится к 2030 году на 37% по сравнению с 2016 годом. Рост добычи нефти и ее переработка ведет к значительному загрязнению окружающей среды. В природе наблюдаются катастрофические последствия действия нефтяных поллютантов на биотические компоненты экосистемы. Для восстановления загрязненных нефтью земель разрабатываются различные методы, включая механические, физико-химические и биологические методы [Adeniji et al., 2017]. Однако, применение многих из данных методов, не дает полной очистки окружающей среды от нефтяных загрязнений [Drillia et al., 2003]. Значительно более перспективными и экологичными являются биологические методы, которые дают значительно больший эффект, но и они требуют дальнейшего совершенствования.
Среди биологических методов, в настоящее время, наиболее перспективным
методом является фитобиоремедиация. Данный процесс представляет собой сложный тип
технологии экологически чистого очищения объектов окружающей среды, который
включает как растения, так и связанные с его ризосферой микроорганизмы. Успех
стратеги фитобиоремедиации во многом зависит от толерантности растений к
загрязнителю, а также от взаимодействия растения с микроорганизмами. Ведется
дальнейший поиск наиболее эффективных углеводородокисляющих бактерий,
микроорганизмов, способных к деградации вязких нефтей, а также микроорганизмов, синтезирующих сурфактанты, обладающих высокой эмульгирующей активностью, способствующих снижению поверхностного натяжения нефти. Среди последних, особый интерес вызывают микроорганизмы, которые не просто присутствуют и развиваются в ризосфере растений, но и способны к колонизации их корней, которые могут активно размножаться под действием секретируемых растениями корневых экссудатов и распространяться в почве по мере их роста.
В литературе присутствует незначительное количество работ посвященных вопросу колонизации растительных объектов, микроорганизмами ризосферы, и полностью отсутствуют работы по исследованию колонизирующей возможности консорциумов углеводородокисляющих бактерий (УОБ) различных климатических зон.
Целью настоящей работы было получить и проанализировать
углеводородокисляющие бактерии различных климатических зон, активных
колонизаторов растений, для создания системы «растение-консорциум бактерий», способной к эффективной фитобиоремедиации.
В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Выделить, идентифицировать и определить родство УОБ различных климатических зон;
-
Определить активность штаммов к деструкции нефти и углеводородов разного строения (алканы, арены, полиароматические углеводороды), а также способность к синтезу сурфактантов;
-
Провести анализ растений, способных расти и развиваться на загрязненных почвах Татарстана;
-
Выявить закономерности колонизации корней растений, активными штаммами-деструкторами углеводородов;
5) Охарактеризовать фитобиоремедиационный потенциал созданных и оптимизированных систем «растение-консорциум бактерий», различных климатических зон.
Научная новизна. Создана новая эффективная коллекция
углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), содержащая представителей
умеренно-континентальной и тропических зон. Впервые проведено молекулярно-генетическое исследование данных микроорганизмов и установлена их видовая принадлежность. Впервые исследованы свойства выделенных микроорганизмов к деградации нефти и ее производных, а также способность к синтезу сурфактантов. Установлена определенная зависимость синтеза сурфактантов от роста микроорганизмов и условий их существования.
Впервые исследована колонизирующая способность углеводородокисляющих микроорганизмов, умеренно-континентальной и тропических зон (Татарстан, Сургут, Эквадор) установлено, что это свойство характерно для видов: Pseudomonas putida, Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas fluorescens, Burkholderia cepacia, Bacillus subtilis, Cellulosimicrobium cellulans и Cellulosimicrobium funkei.
Впервые созданы ассоциации - «растение-углеводородокисляющие бактерии» - на
основе люцерны (Medicago sativa, сем. Fabaceae) и консорциумов бактерий,
представителей умеренно-континентальной и тропических зон, способных к колонизации
корней растения и эффективных нефтедеструкторов. Доказан эффективный
фиторемедиационный потенциал созданных и оптимизированных систем.
Научно-практическая значимость работы. Получено 20 штаммов
углеводородокисляющих микроорганизмов, представителей умеренно-континентальной и тропических зон, способных к деградации нефти и ее производных. Показана эффективность отдельных штаммов к деструкции алканов, аренов и полиароматических углеводородов. Среди них -Pseudomonas putida и Pseudomonas aeruginosa (из консорциума Татарстана), Bacillus subtillis и Bacillus licheniformis (из консорциума Сургута) и Pseudomonas putida и Cellulosimicrobium cellulans (из консорциума Эквадора).
Большинство штаммов микроорганизмов северных районов умеренно-
континентальной зоны и некоторые представители ее центральной части, а также штаммы тропической зоны были способны к синтезу сурфактантов, и поэтому могут быть рекомендованы в качестве их продуцентов. Наиболее перспективны в этом отношении – Aeromonas hydrophila и Pseudomonas aeruginosa (из консорциума Татарстана), Bacillus subtilis и Klebsiella oxytoca (из консорциума Сургута) и Bacillus subtilis и Pseudomonas aeruginosa (из консорциума Эквадора).
Доказано, что для процесса деградации нефтяного загрязнения почв и восстановления почвенного покрова можно использовать растения. Среди последних, можно рекомендовать травянистое растение – люцерну посевную (Medicago sativa, сем. Fabaceae), среди зерновых культур – ячмень обыкновенный (Hordeum vulgаre).
Установлено, что наиболее эффективная деградация вязкой нефти происходит при использовании ассоциации растения с углеводородокисляющими микроорганизмами, которые не только деградируют углеводороды, но и способны к колонизации корней растения, что позволяет расширять зону очистки почв. Созданная ассоциация на основе Люцерны и консорциума штаммов Татарстана, снижала содержание нефтяных
углеводородов в почве до 65% в течение 30 суток, поэтому может быть рекомендована для эффективного процесса фитобиоремедиации.
Полученные результаты используются в учебном процессе в рамках дисциплины «Экологическая биотехнология», «Методы исследования в биологии и медицине» «Биотехнология нефтяных производств».
Положения, выносимые на защиту:
-
Выделено 20 штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов, представителей умеренно-континентальной и тропических зон, способных к деградации нефти. Консорциумы ранжированы по способности к деструкции алканов, аренов и полиароматических углеводородов; активность увеличивается в ряду: сообщество почв Сургута < Эквадора < Татарстана
-
Наиболее эффективными штаммами по способности к биосинтезу сурфактантов были Aeromonas hydrophila и Pseudomonas aeruginosa (из консорциума Татарстана), Bacillus subtilis и Klebsiella oxytoca (из консорциума Сургута) и Bacillus subtilis и Pseudomonas aeruginosa (из консорциума Эквадора).
-
В процессе фиторемедиации нефтезагрязненных почв среди исследованных растений максимальную устойчивость и способность к удерживанию бактериального консорциума проявило травянистое растение – люцернa (Medicago sativa).
-
Созданная ассоциация на основе люцерны и консорциума бактерий нефтезагрязненных почв Татарстана снижала содержание углеводородов в почве на 65% в течение 30 суток и может быть рекомендована для эффективного процесса фитобиоремедиации.
Достоверность результатов исследований подтверждается значительным объемом
многократных экспериментов, выполненных и проанализированных с использованием
современных приборов, а также публикацией полученных результатов работы в
международных и отечественных журналах с рецензированием ведущими учеными в данной области.
Апробация работы Основные положения диссертации были представлены на
Международных, Всероссийских и Региональных конференциях: на II-ой Международной
научно-практической конференции, Фундаментальные и прикладные научные
исследования (Оренбург, 2018), на 1-ом Российском Микробиологическом Конгрессе (Пущино, 2017), на Всероссийской научно-технической выставке Симбиоз-Россия (Казань, 2017), на Всероссийской молодежной научно-практической конференции, с международным участием, (Тюмень, 2016), на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2016" (Москва, 2016).
Связь работы с научными программами. Исследования выполнены в соответствии с тематическим планом НИР Казанского (Приволжского) федерального университета «Микробные ферменты и метаболиты как основа новых биотехнологий в сельском хозяйстве» (Проект 14-83 от 2014 г.). Работа поддержанна грантом немецкой службы академических обменов (DAAD) в рамках партнерства, договоры КФУ-ЮЛУ (Гисенский университет имени Юстуса Либиха, г. Гисен, Германия, 2017 г), индивидуальным грантом KIGAM (Корейский институт гео-науки и минеральных ресурсов) на стажировку и интенсивный курс обучения по Исследованиям нефти: развитие и производство (Южная Корея, 2017г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, включая 2 статьи рекомендуемых ВАК и 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень SCOPUS/WoS.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает разделы: введение, обзор литературы, материалы и методы, результаты исследований, обсуждение результатов, заключение и список литературы. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц и 28 рисунка. Библиография содержит 52 наименования российских и 50 наименований зарубежных авторов.