Введение к работе
Актуальность темы. Не снижающиеся темпы мировой добычи и потребления нефти приводят к увеличению экологической нагрузки, оказываемой нефтесодержащими промышленными отходами на окружающую среду. Объем нефти, ежегодно попадающей в биосферу Земли, оценивается в десятки миллионов тонн (Миркин М.Б., Наумова Л.Г., 2001). Нефть является источником высокотоксичных веществ. Так, смоло-асфальтеновая фракция нефти содержит полициклические ароматические углеводороды, обладающие выраженным мутагенным, канцерогенным и кариотоксическим эффектом, т.е. они ядовиты для всех эукариотичесиких организмов.
Разрушение нефтяной платформы в Мексиканском заливе в апреле 2010 года и последовавший за этим разлив нефти стали крупнейшей техногенной катастрофой в истории нефтедобывающей отрасли. Последние данные спутникового наблюдения за Атлантикой свидетельствуют о том, что эта катастрофа повлияла даже на скорость и направление течения Гольфстрим (Zangari G., 2010). Этот случай как нельзя лучше доказывает, что, несмотря на технический прогресс и предпринимаемые меры промышленной безопасности, вопросы эффективного очищения экосистемы от массированных нефтяных загрязнений остаются весьма актуальными.
При подобного рода глобальных нефтезагрязнениях экосистем невозможно осуществить очистку технологическими методами путем переработки загрязненного материала в системе очистных сооружений. В таких случаях самым доступным способом очистки является биодеградация нефти с помощью микроорганизмов-нефтедеструкторов in suti.
Все предлагаемые стратегии биоочистки in suti можно разделить на две больших группы: либо ликвидация загрязнения на месте путем стимулирования нефтедеструктивных свойств автохтонной (аборигенной) микрофлоры биоценоза, либо внесением бактерий-нефтедеструкторов с установленной активностью (Вельков В.В., 1995).
Биоремедиация экосистем в обоих случаях потенциально более экологична и менее затратна, чем любые химические или физические методы ремедиации (Singh A., 2009). Иногда биоремедиация вообще является единственно возможным методом ликвидации загрязнения ввиду его массовости или удаленности места экологической катастрофы от технических средств и сооружений. И тогда решающим обстоятельством в пользу выбора стимулирования автохтонной микрофлоры является уровень ее адаптации к абиотическим факторам внешней среды, в которых осуществляется утилизация загрязнителя. Консистенция и водный потенциал среды, доступность кислорода, температурный и световой режимы, взаимодействие с сопутствующими биологическими видами и т.д., все это заставляет сделать выбор в пользу стимулирования автохтонной микрофлоры как наиболее приспособленной к сложившимся условиям окружающей среды (Рубцова С.И., Егоров В.Н., 2004; Миронов О.Г., 2002).
Одним из принципиальных моментов использования микроорганизмов в качестве биологических нефтедеструкторов является их санитарно-эпидемическая и экологическая безопасность (Соловьёв В.И. и др., 2001). Такие семейства бактерий, как Bacillaceae, Pseudomonadaceae, Nocardiaceae, а также дрожжи рода Candida, включают как виды, способные к активной нефтедеструкции, так и возбудителей инфекционных заболеваний человека и животных (Holmes А., 1998; Weinstock D.M., 2002).
К настоящему времени известно множество микроорганизмов различных таксономических групп, обладающих нефтедеструктирующей способностью, а также созданных на их основе биологических препаратов. Однако химический состав нефти и нефтепродуктов, составляющих субстанцию загрязнителя, неодинаков. В связи с этим, спектр действия препаратов в отношении определённого круга углеводородов, как правило, ограничен. Поэтому работы по выявлению новых микроорганизмов-нефтедеструкторов, изучение их биологических свойств и, в первую очередь, их способность к ассимиляции различных углеводородных субстратов, остаются актуальным.
Целью диссертационной работы явилось изучение микроорганизмов, составляющих автохтонную микрофлору Жирновского шламохранилища, их безопасности и метаболической активности в процессе утилизации нефтешлама.
Основные задачи исследования:
-
Выделить микроорганизмы из различных нефтезагрязненных объектов внешней среды на территории деятельности ТПП «Волгограднефтегаз» ОАО «РИТЭК» (группа ЛУКОЙЛ) в Жирновском районе Волгоградской области и определить степень их вирулентности на лабораторных животных.
-
Оценить углеводородокисляющую активности индивидуальных штаммов и ассоциированных форм выделенных микроорганизмов в зависимости от объекта выделения.
-
Определить таксономическую принадлежность наиболее активных штаммов-нефтедеструкторов на основе изучения культуральных, тинкториальных и биохимических свойств.
-
Исследовать экспериментально-аналитическими методами закономерности роста и метаболическую активность бактерий при глубинном культивировании в синтетической среде с углеводородными субстратами.
-
Разработать средства и методы получения микробной биомассы при глубинном аппаратном культивировании в условиях биологической и экологической безопасности.
Научная новизна:
-
-
Впервые выделены и исследованы микроорганизмы, составляющие автохтонную микрофлору Жирновского шламохранилища, определена углеводородокисляющая активность отдельных культур и ассоциированных форм микроорганизмов в отношении нефтяного шлама.
-
Определены основные параметры роста, ассимилирующая активность и способность к биосинтезу белка у бактерий в зависимости от содержания нефтешлама в синтетической среде в условиях глубинного культивирования. Установлено таксономическое положение выделенных микроорганизмов, обладающих наибольшей углеводородокисляющей активностью.
-
Разработана новая модель лабораторной установки со встроенной системой бактериологического контроля и защиты окружающей среды от ферментационных выбросов, обеспечивающая биологическую и экологическую безопасность процессов глубинного культивирования микроорганизмов различной степени патогенности.
Теоретическая и практическая значимость. Подтверждена пригодность метода определения биомассы бактерий по Стикланду (Sticland L.H., 1951) для оценки углеводородокисляющей способности штаммов и консорциума бактерий-нефтедеструкторов на средах, содержащих нефтепродукты. При этом материал, полученный после обработки культуральной жидкости хлороформом, может быть использован для гравиметрического определения массы утилизированного нефтешлама в качестве дополнительного параметра. Выделенные культуры могут быть использованы для утилизации нефтешламов с высоким содержанием смоло-асфальтеновой фракции. Штаммы бактерий рода Rhodococcus безопасны и применяются в учебном процессе при подготовке студентов химико-технологического факультета Волгоградского государственного технического университета по курсу «Основы микробиологии». По материалам диссертационной работы изданы учебно-методические указания «Определение параметров роста в процессе культивирования бактерий» (в соавторстве с проф. В.М. Самыгиным и проф. И.В. Владимцевой), которые используются в Волгоградском государственном техническом университете на лабораторных занятиях по курсу «Рост и культивирование биообъектов». Сконструированная с участием автора лабораторная установка для культивирования микроорганизмов легла в основу методических указаний МУ 1.3.2411-08 «Биологическая безопасность при глубинном аппаратном культивировании микроорганизмов I-II групп патогенности», утвержденных Руководителем Федеральной службы в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, Главным государственным санитарным врачом РФ Г.Г. Онищенко, 28.07.2008 г.
Положения, выносимые на защиту:
-
Из нефтезагрязненного грунта, нефтешлама и шламовой воды Жирновского шламохранилища выделены гетеротрофные микроорганизмы, обладающие различной нефтедеструктивной активностью в отношении нефтяного шлама и его смоло-асфальтеновой фракции. В их числе обнаружены микроорганизмы, не обладающие собственной углеводородокисляющей активностью, но способные интенсифицировать процессы нефтедеструкции в составе консорциума.
-
Представители автохтонной микрофлоры Жирновского шламохранилища, обладающие наиболее выраженной нефтедеструктивной активностью, принадлежат к бактериям рода Rhodococcus. Микроорганизмы, представляющие санитарно-эпидемическую опасность для человека и животных, среди выделенных штаммов не обнаружены.
-
Определены основные ростовые параметры выделенных бактерий: коэффициент насыщения и максимальная скорость роста, а также ассимилирующая активность и способность к биосинтезу белка в условиях глубинного культивирования на синтетических средах с нефтепродуктами путем расчета метаболического и экономического коэффициентов.
-
Разработанная лабораторная установка для глубинного культивирования микроорганизмов, оснащенная эффективными средствами защиты окружающей среды, позволяет выращивать микроорганизмы в условиях биологической безопасности.
-
Предлагаемая система встроенного импинджерного контроля отработанного воздуха в установке для культивирования микроорганизмов является более надёжным диагностическим средством и выгодно отличается от импакторного метода.
Апробация. Материалы диссертации представлены на XII-ой Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской обл. (Волгоград, 2007); 14-ой Пущинской школе-конференции молодых учёных «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2010); Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные проблемы естественных наук» (Тамбов, 2010); III-й Международной научно-практической конференции «Современные проблемы качества окружающей среды» (Тамбов, 2010), ХV-ой Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, из них 3 статьи в периодических изданиях из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав собственных исследований, заключения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы, включающего 180 литературных источников, из которых 95 зарубежные. Работа изложена на 127 печатных страницах машинописного текста, включает 33 рисунка, 10 таблиц и приложение.
Похожие диссертации на Метаболическая активность и безопасность микроорганизмов, выделенных из нефтезагрязненных объектов окружающей среды
-
